Harmoniczne prądu w instalacjach oświetleniowych

Transkrypt

1 Jarosław MROWSK*, Marek KRKOWSK*, Tadeusz BAŁOŃ**, Marian PASKO** *Politecnika Częstocowska, Wydział Elektryczny, **Politecnika Śląska, Wydział Elektryczny doi:0.599/ Harmoniczne prądu w instalacjac oświetleniowyc Streszczenie. Problematyka artykułu dotyczy zawartości armonicznyc napięcia i prądu w sieciac elektroenergetycznyc niskiego napięcia. Omówiono obowiązujące zapisy rozporządzeń i norm. Zaprezentowano wyniki badań na obiekcie rzeczywistym i analiz dotyczącyc obecności armonicznyc prądu opraw wyładowczyc i LED stosowanyc w instalacjac oświetleniowyc zewnętrznyc. Abstract. Te paper describes problems connected wit presence of voltage and current armonics in low voltage power network. Valid decrees and standard regulations are discussed. Te results of experimental investigations are presented, focused on armonics content for LED and discarge ligting fitting, applied to outdoor ligting installations. (Current armonics in ligting installations). Słowa kluczowe: armoniczne prądu, oprawy wyładowcze i LED, instalacje oświetleniowe. Keywords: current armonics, discarge and LED ligting fittings, ligting installations. Wstęp Wraz z rosnącym zastosowaniem nowyc tecnologii w układac zasilania w sieciac elektroenergetycznyc nasila się problem zacowania wymaganyc przez normy parametrów określającyc jakość energii elektrycznej. Eksploatowanyc jest coraz więcej odbiorników o carakterystykac nieliniowyc - urządzenia elektryczne z układami energoelektronicznymi, takimi jak prostowniki zasilacze impulsowe czy przekształtnikowe układy napędowe. W instalacjac oświetleniowyc zasilacze impulsowe stosowane są w oprawac z fluorescencyjnymi lub metaloalogenkowymi źródłami światła i przede wszystkim, w coraz popularniejszyc oprawac z diodami elektroluminescencyjnymi (LED). Stale rosnąca liczba odbiorników nieliniowyc, w tym również w instalacjac oświetleniowyc powoduje narastające problemy z odkształceniem przebiegów prądów. Odkształcenia prądów są nie tylko większe niż dopuszczane przez aktualnie obowiązujące normy, lecz w skrajnyc przypadkac są tak duże, iż są przyczyną różnego rodzaju awarii [,,3]. W artykule dokonano przeglądu norm określającyc dopuszczalne odkształcenia prądów i napięć w instalacjac niskiego napięcia. Określone normami wymagania zestawiono z wynikami pomiarów wykonanyc na obiekcie rzeczywistym zewnętrznej instalacji oświetleniowej. Przepisy i normy Odkształcenia armoniczne napięcia i prądu w sieciac elektroenergetycznyc są traktowane w przepisac bardzo różnie. Norma [4] określa parametry napięcia zasilającego w publicznyc sieciac rozdzielczyc, określając między innymi dopuszczalne poziomy poszczególnyc armonicznyc oraz całkowity współczynnik odkształcenia armonicznymi w napięciu zasilającym THD, uwzględniający wyższe armoniczne do rzędu 40. Dla sieci o napięciu poniżej 0 kv powinien być nie większy niż 8% w tzw. punkcie przyłączenia odbiorcy. Norma podaje również procentowe zawartości armonicznyc dla składowyc parzystyc i nieparzystyc (tab. ). Zgodnie z normą [5] współczynniki odkształcenia armonicznymi napięcia i prądu można wyznaczyć z zależności: () THD, THD, gdzie:,,, odpowiednio wartości skuteczne kolejnyc składowyc armonicznyc napięć i prądów, numer armonicznej. W przypadku występowania interarmonicznyc, zawartość wyższyc armonicznyc wyznacza się ze wzorów: () THD, THD, gdzie:, wartości skuteczne napięcia i prądu. W celu oceny zawartości armonicznyc w napięciu dokonuje się pomiarów wartości poszczególnyc składowyc, wyznacza współczynnik THD i porównuje z wartością dopuszczalną. W razie przekroczenia wartości granicznej dostawca energii powinien podjąć stosowne kroki mające na celu zmniejszenie wartości THD. Tabela. Poziomy zawartości armonicznyc dla sieci o napięciu poniżej 0 kv [4] Harmoniczne nieparzyste Harmoniczne parzyste Wartość względna Wartość względna armonicznej napięcia wyrażona w procentac składowej podstawowej armonicznej napięcia wyrażona w procentac składowej podstawowej u, % u, % 3 5,0,0 5 6,0 4,0 7 5,0 >4 0,5 9,5 3,5 3 3,0 5 0,5 7,0 9,5, Zgodnie z dyrektywą EMC 004/08/WE urządzenia elektryczne powinny być tak zbudowane, aby nie zakłócały pracy innyc urządzeń oraz aby były odporne na zburzenia w stopniu umożliwiającym ic pracę zgodnie z przeznaczeniem. Ocena zawartości armonicznyc prądu powinna być dokonywana zgodnie z zapisami norm [6,7,8]. W normie PN - EN określono dopuszczalne poziomy emisji armonicznyc prądu dla fazowego prądu zasilającego odbiornik nie większego niż 6 A. Norma ta dotyczy odbiorników jednofazowyc do użytku domowego lub biurowego i dzieli urządzenia na cztery klasy, dla któryc określone są limity zawartości poszczególnyc armonicznyc: 80 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 9 NR 8/05

2 klasa A symetryczne odbiorniki trójfazowe, sprzęt do zastosowań domowyc z pominięciem przynależnego do klasy D, narzędzia z pominięciem narzędzi przenośnyc, ściemniacze do żarówek, sprzęt akustyczny i wszystkie inne z wyjątkiem zakwalifikowanyc do jednej z poniższyc klas, klasa B narzędzia przenośne tj. narzędzia elektryczne, które podczas normalnej pracy trzymane są w rękac i używane tylko przez krótki czas (kilka minut), nieprofesjonalny sprzęt spawalniczy, klasa C sprzęt oświetleniowy, klasa D sprzęt o mocy 600 W lub mniejszej następującego rodzaju: komputery osobiste i monitory do nic, odbiorniki telewizyjne. Odbiorniki oświetleniowe, w zależności od wejściowej mocy czynnej są podzielone na dwie grupy większej niż 5 W i mniejszej lub równej 5 W. W przypadku sprzętu oświetleniowego o wejściowej mocy czynnej większej niż 5W, armoniczne prądu nie powinny przekraczać względnyc poziomów podanyc w tabeli. Dla sprzętu oświetleniowego o wejściowej mocy czynnej nie większej niż 5 W armoniczne prądu nie powinny przekraczać poziomów dopuszczalnyc zależnyc od mocy znamionowej i podanyc w kolumnie tabeli 3 Z powyższego wykazu wynika, że sprzęt oświetleniowy należy zakwalifikować do klasy C (dla odbiorników o mocy 5 W do klasy D). Tabela. Poziomy dopuszczalne zawartości armonicznyc P>5 W (klasa C) [6] armonicznej wyrażony w procentac armonicznej składowej podstawowej prądu wejściowego % (PF) - współczynnik mocy obwodu Tabela 3. Poziomy dopuszczalne zawartości armonicznyc P 5 W (klasa C) [6] Maksymalny dopuszczalny armonicznej prąd armonicznej w przeliczeniu na wat ma/w 3,4 3,9 5,0 7 0,5 9 0, ,85/ Dzieląc urządzenia elektryczne na klasy normodawca jest niekonsekwentny - ściemniacze do żarówek (ang. dimmers for incandescent lamps) zaliczono do klasy A [6]. Ocenia się, iż [9]: wartość THD poniżej 0% jest dopuszczalna, nie występuje ryzyko niepoprawnego działania urządzeń, wartość THD pomiędzy 0% a 50% wskazuje na duże odkształcenie przebiegów. Niektóre urządzenia mogą działać niepoprawnie, wartość THD powyżej 50% wskazuje na bardzo duże odkształcenie przebiegów. Wysoce prawdopodobne jest błędne działanie urządzeń. Niezbędna jest szczegółowa analiza pracy systemu oraz dobór i instalacja urządzeń ograniczającyc armoniczne. Tabela 4. Poziomy dopuszczalne zawartości armonicznyc klasa A [6] armonicznej armonicznej A 3,30 5,4 7 0,77 9 0,40 0,33 3 0, ,5(5/) Jak wynika z tabeli dopuszczalna wartość 3 armonicznej jest zależna od współczynnika mocy PF. Według definicji zawartej w normie EEE [5,0]: (3) PF P S cos cos gdzie: S całkowita moc pozorna, P całkowita moc czynna,, - kąty przesunięcia fazowego przebiegów napięć i prądów kolejnyc armonicznyc, PF całkowity współczynnik mocy. Wartość tego współczynnika zależy od składowyc armonicznyc napięcia i prądu. Dla opraw oświetleniowyc do niedawna określone były tylko wartości współczynnika mocy dla lamp wyładowczyc []. Od stycznia 03 roku określono jego wartość również dla opraw LED []. Wartości dopuszczalne zestawiono w tabeli 5. Tabela 5. Wartości współczynnika mocy dla lamp (opraw) oświetleniowyc [,] PF Wymogi dotyczące funkcjonalności dla pozostałyc lamp (opraw) kierunkowyc (z wyjątkiem lamp : LED, CFL i wyładowczyc dużej intensywności) Wymogi dotyczące funkcjonalności dla bezkierunkowyc i kierunkowyc (opraw) lamp LED 0,5 dla P 5 W 0,90 dla P > 5 W P W brak wymogu W < P 5 W ; PF > 0,4 5 W < P 5 W ; PF >0,5 P > 5 W ; PF > 0,9 Tabela 6. Poziomy dopuszczalne zawartości armonicznyc [7] dla R SCE = 33 (R SCE stosunek mocy zwarciowej sieci elektroenergetycznej do mocy znamionowej odbiornika, 33 jest to wartość minimalna określona w normie [7] armoni cznej armonicznej wyrażony w procentac składowej podstawowej prądu wejściowego THD % % 3,6 5 0,7 7 7, 9 3,8 3, 3, ,7 7, 9, 0,6 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 9 NR 8/05 8

3 Współczynnik mocy zdefiniowany zgodnie ze wzorem (3) zależy od wartości poszczególnyc armonicznyc, jak wynika z tabeli 5, dla odbiorników małej mocy może on przyjmować wartości nieco powyżej 0,5. Wynika z tego że odbiorniki o mocy mniejszej niż 5 W (zgodnie z przepisami) mają większą dopuszczalną zawartość armonicznyc prądu [6,]. W normie PN - EN określono dopuszczalne poziomy emisji armonicznyc prądów powodowanyc działaniem odbiorników, które mają być przyłączone do publicznej sieci zasilającej niskiego napięcia z fazowym prądem zasilającym odbiornika większym niż 6 A i mniejszym lub równym 75 A (tab. 6). Pomiary parametrów elektrycznyc oprawy LED Pomiary zrealizowano w laboratorium wyznaczając parametry elektryczne oprawy LED (moc znamionowa 3 x W rys. ). Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli 7. Tabela 7. Zmierzone parametry elektryczne oprawy LED 3 x W Lp. Moc znamionowa Moc W P, W PF THD, % 3,00 5,54 0,3 75,8 Pomiary parametrów elektrycznyc opraw LED i wyładowczyc w instalacji zewnętrznej Pomiary zrealizowano dla instalacji oświetleniowej mieszanej zawierającej oprawy wyładowcze (sodowe i metaloalogenkowe o mocy 50 W) i LED (moc znamionowa 3 W rys. ). W trakcie pomiarów oprawy były załączane stopniowo, najpierw oprawy LED, a następnie oprawy wyładowcze. Odbiorniki były podzielone na trzy obwody, dla któryc moc zainstalowanyc urządzeń oświetleniowyc była różna (tab. 8). Oceniając parametry instalacji (THD i PF) dokonano analizy dla całej instalacji według parametrów wymaganyc dla pojedynczyc odbiorników. Zestawienie zainstalowanyc mocy opraw przedstawiono w tabeli 8. Rys.. Oprawa LED 3 x W Tabela 8. Zestawienie wartości mocy zmierzonyc opraw instalacji oświetleniowej (LED i wyładowcze) Całkowita wartość mocy Moc opraw Moc opraw znamionowej w wyładowczyc Obwód LED obwodzie P C, W P LED, W P W, W L L L Asymetria obciążenia kolejnyc obwodów wynika z dwóc powodów. Pierwszym powodem są odłączenia części pierwotnie zainstalowanyc opraw, spowodowane ic awariami. Drugim powodem jest wprowadzona późniejsza modyfikacja instalacji, polegająca na dołączeniu do obwodu L3 dodatkowej grupy opraw oświetleniowyc LED. Rys.. Zarejestrowane przebiegi prądów i napięć w przewodac fazowyc (L, L, L3) i neutralnym N: a) przy załączonyc oprawac LED; b) po załączeniu opraw wyładowczyc 8 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 9 NR 8/05

4 Rys. 3. Zarejestrowane przebiegi współczynników THD i PF przed i po załączeniu opraw wyładowczyc. Oprawy LED załączone były przez cały czas trwania pomiaru. Na podstawie zrealizowanyc pomiarów można stwierdzić, że w analizowanej instalacji wyznaczone wartości maksymalne prądów obciążenia nie przekraczają wartości 9 A analiza według normy PN-EN (rys..) Współczynniki zawartości armonicznyc zarówno w przewodac fazowyc, jak i neutralnym przy włączonyc oprawac LED (rys. i 3), miały bardzo dużą wartość: THD L ok. 30%, THD L ok. 5%, THD L3 ok. 40%, THD N ok. 30%. Po załączeniu oprawac wyładowczyc odkształcenie przebiegów prądów znacznie się zmniejszyło, THD L ok. 30%, THD L ok. 50%, THD L3 ok. 30%, THD N ok. 40%. Z przedstawionyc na rysunku wykresów wartości skutecznyc wyższyc armonicznyc prądów wynika, iż we wszystkic przypadkac są przekroczone dopuszczalne wartości podane w tabeli. Z zarejestrowanyc przebiegów wynika również, że oprawy ze źródłami światła typu LED (przekształtniki) wprowadzają znacznie większe odkształcenia prądów niż źródła wyładowcze. Podobnie wartości współczynników mocy PF (dla opraw LED PF wynosił od 0,3 do 0,6) odbiegały od wartości wymaganej (rys. 3.), podanej w tabeli 6. Podsumowanie W analizowanej instalacji oświetleniowej (oprawy LED i wyładowcze), eksploatowanej od ponad 3 lat stwierdzono: część opraw nie spełnia przepisów dotyczącyc dopuszczalnej wartości współczynnika mocy PF; brak prawidłowej konserwacji spowodował nieprawidłowe działanie części źródeł i opraw, w efekcie doprowadziło to do niesymetryczności odbiorów, co w połączeniu z niedotrzymaniem przepisów dotyczącyc zawartości armonicznyc prądowyc generowanyc przez oprawy LED dało efekt przepływu prądu o znacznej wartości w przewodzie neutralnym, którego 3 armoniczna jest ponad dwa razy większa od składowej podstawowej; Można zatem stwierdzić, że wyższe armoniczne oraz brak ic filtracji może powodować: przeciążenie przewodu neutralnego; przeciążenia kondensatorów (impedancja kondensatora maleje wraz z częstotliwością, więc włączone w obwód kondensatory stanowią naturalne ujście dla prądów wyższyc armonicznyc). Taki stan rzeczy stwarza zagrożenie dla poprawnej pracy i trwałości innyc odbiorników energii elektrycznej zasilanyc z tyc obwodów. Przykładowym skutkiem występowania zagrożenia tego rodzaju jest odnotowany w badanej instalacji wybuc kondensatora w jednej z opraw metaloalogenkowyc (rys. 4). Należy więc stwierdzić co następuje: stosowane oświetlenie LED jest źródłem emisji armonicznyc prądu (dla części odbiorników < 5 W może to być zgodne z obowiązującymi przepisami); przedstawione wymagania dotyczące całkowitego współczynnika mocy PF pozwalają na instalowanie i eksploatację odbiorników LED małej mocy (< 5 W) dla któryc współczynnik mocy PF, zgodnie obowiązującymi z przepisami, nie będzie podlegał ograniczeniom (dla P W lub P 0,5); Rys.4. szkodzony kondensator w oprawie metaloalogenkowej. przeniesione do nstrukcji Rucu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej [3] dopuszczalne poziomy zaburzeń parametrów jakościowyc energii elektrycznej w części dotyczącej armonicznyc prądu odbiorniki w klasie C w ogóle nie uwzględniają podziału na odbiorniki o mocy mniejszej i większej od 5 W, co zalecono w dwóc aktac prawnyc: normie [6] i rozporządzeniu []; porównując dopuszczalną wartość 3 armonicznej z tabeli 4 z analogiczną wartością z tabeli (źródła żarowe czyli PF ) można domniemać, iż wartość prądu w obwodzie z układami regulacji strumienia świetlnego (ściemniaczami) może wynosić około 7,66 A czyli rozpatrywane jest obciążenie żarowe o mocy około 760 W. Ściemniacze stosuje się też dla odbiorników o mniejszyc mocac znamionowyc. Wpływ armonicznyc prądu generowanyc przez te odbiorniki wg zapisów normy [6] można pominąć. Zrealizowane pomiary parametrów elektrycznyc, zarówno w laboratorium jak i w rzeczywistej instalacji oświetleniowej pozwalają stwierdzić, iż część odbiorników nie spełnia wymagań określającyc parametry elektryczne (PF) oraz zapisów norm [,3]. Te oprawy powinny być wycofane z rynku. Przedstawione (tab. 5) wymagania dotyczące współczynnika mocy źródeł, modułów i opraw PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 9 NR 8/05 83

5 oświetleniowyc zarówno CFL jak i LED pozwalają na wprowadzanie na rynek i również późniejszą eksploatację odbiorników energii biernej. Pozwalają również na instalowanie grup odbiorników małej mocy (<5 W), dla któryc współczynnik mocy PF będzie (zgodnie z przepisami) większy lub równy 0,55 CFL i większy lub równy 0,4 LED. W badanej instalacji oświetleniowej zawierającej oprawy ze źródłami wyładowczymi i LED zainstalowano 7 szt. nowoczesnyc, energooszczędnyc opraw z diodami LED o mocy znamionowej 3 W każda, co pozwoliło uzyskać 3 grupy odbiorników o łącznej mocy znamionowej 35 W. Pomimo tego, iż zawartość armonicznyc w prądac oraz wartości współczynników THD i PF pojedynczyc opraw nie podlegają ograniczeniom, lub obowiązujące ograniczenia są mało restrykcyjne ze względu na niewielkie moce jednostkowe, to po połączeniu opraw w grupy, niska jakość przebiegów sumarycznego prądu obciążenia jest źródłem poważnyc problemów, które wciąż wymagają rozwiązania. Dlatego też, pomimo że tytuł i treść przywołanyc norm [7,0] zawiera wymagania dla pojedynczyc odbiorników można zaproponować stosowanie ic zapisów również dla wybranyc grup urządzeń elektrycznyc. LTERATRA [] Lange A., Pasko M.: Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższyc armonicznyc za pomocą filtrów biernyc LC, Przegląd Elektrotecniczny, R. 86 nr 4, 00, s. 6-9 [] Lange A., Pasko M.: Wybrane zagadnienia dotyczące jakości energii elektrycznej w kopalniac i utac, Przegląd Elektrotecniczny, R. 88 nr 6, 0, s [3] Buła D., Pasko M.: Stbility analysis of ybrid active power filter, Bull. Pol. Acad. Sci., Tec. Sci., vol. 6 no., 04, pp [4] PN-EN 5060 Parametry napięcia zasilającego w publicznyc sieciac elektroenergetycznyc [5] EEE Std Standard Definitions for te Measurement of Electric Power Quantities nder Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or nbalanced Conditions; EEE, New York, 00. [6] PN - EN Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Część 3-: Poziomy dopuszczalne - Poziomy dopuszczalne emisji armonicznyc prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika < lub = 6 A) [7] PN-EN Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Część 3-: Dopuszczalne poziomy - Dopuszczalne poziomy armonicznyc prądów powodowanyc działaniem odbiorników, które mają być przyłączone do publicznej sieci zasilającej niskiego napięcia z fazowym prądem zasilającym odbiornika większym niż 6 A i mniejszym lub równym 75 A [8] Kasprzak A., Orlikowski M., Brodecki M.: O pewnyc aspektac powszecnego wprowadzania świetlówek energooszczędnyc, Przegląd Elektrotecniczny R. 83 nr 9, 007, s [9] Hołdyński G., Skibko Z.: Analiza zjawiska odkształceń prądów i napięć na przykładzie wybranego obiektu widowiskowego, Elektronfo nr 9 /04, s [0] Kurkowski M., Popławski T., Mirowski J.: Energa bierna a przepisy nii Europejskiej Rynek Energii nr () 04, s.8-5 [] Rozporządzenie komisji (WE) nr 44/009 w odniesieniu do wymogów dotyczącyc ekoprojektu dla bezkierunkowyc lamp do użytku domowego [] Rozporządzenie komisji (WE) nr 94/0 w odniesieniu do wymogów dotyczącyc ekoprojektu dla lamp kierunkowyc, lamp z diodami elektroluminescencyjnymi i powiązanego wyposażenia [3] nstrukcja Rucu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej (zatwierdzona decyzją Prezesa RE nr DRR-43-9(5)/03/MKo4 z dnia 0 września 03 r.) Autorzy: mgr inż. Jarosław Mirowski, dr inż. Marek Kurkowski Politecnika Częstocowska Wydział Elektryczny, al. Armii Krajowej 7, 4-00 Częstocowa, dr inż. Tadeusz Białoń, prof. dr ab. inż. Marian Pasko Politecnika Śląska Wydział Elektryczny, ul. Akademicka 0A, Gliwice, jarmirowski@gmail.com. 84 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN , R. 9 NR 8/05