OCENA PARAMETRÓW JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ DOSTARCZANEJ ODBIORCOM WIEJSKIM NA PODSTAWIE WYNIKÓW BADAŃ

Transkrypt

1 OCENA PARAMETRÓW JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ DOSTARCZANEJ ODBIORCOM WIEJSKIM NA PODSTAWIE WYNIKÓW BADAŃ Jerzy Niebrzydowski, Grzegorz Hołdyński Politechnika Białostocka Streszczenie W referacie przedstawiono wyniki pomiarów oraz analizy parametrów jakości energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom zasilanym z przykładowej elektroenergetycznej sieci wiejskiej niskiego napięcia. Wstęp Jakość energii elektrycznej jest ważnym czynnikiem w procesie projektowania i eksploatacji sieci elektroenergetycznych oraz urządzeń do nich przyłączonych. Do podstawowych parametrów jakości energii należy zaliczyć: odchylenie napięcia, odchylenie częstotliwości, wahania i zapady napięcia, wahania częstotliwości, odkształcenie krzywej napięcia i prądu (zawartość wyższych harmonicznych), asymetria napięć i prądów fazowych oraz ciągłość dostawy energii. W niniejszym artykule analizie poddano: odchylenia poziomów napięć, odkształcenie krzywej napięcia i prądu, asymetrię napięć i prądów fazowych.. Charakterystyka badanej sieci Rejestracji parametrów energii elektrycznej dokonano we wsi Nadbory położonej na terenie działania Rejonu Energetycznego Ostrołęka. Wieś liczy 28 gospodarstw o łącznej powierzchni 46,44 ha. Zamieszkuje ją 22 mieszkańców, z czego przy bezpośredniej produkcji rolnej zatrudnionych jest 48 osób. Całkowita moc zainstalowana u odbiorców wynosi 5,2 kw, z której na odbiorniki w gospodarstwach domowych przypada 95,64 kw, co stanowi 8,7 %. Odbiorniki przeznaczone do produkcji rolnej mają moc zainstalowaną 4,52 kw (8,5 %). Pozostałe 4,5 kw (,8 %) to oświetlenie uliczne, sklep spożywczy i remiza strażacka. Odbiorcy zasilani są dwoma obwodami (liniami nn) z napowietrznej stacji słupowej wyposażonej w transformator o mocy znamionowej 4 kva.

2 2. Procedura badań Badania obejmowały jednoczesny pomiar parametrów energii elektrycznej w stacji transformatorowej zasilającej wieś oraz u najbardziej oddalonego od stacji odbiorcy, który zasilany jest linią napowietrzną niskiego napięcia z przewodami AL 4 x 25 mm 2, o długości 945 m. Całkowita moc zainstalowana u badanego odbiorcy wynosi 32,3 kw. Rejestracji wszystkich wielkości dokonano w dniach od 4 do listopada 999 roku przy pomocy dwóch analizatorów sieci CIRCUTOR AR5 pozwalających na jednoczesny pomiar następujących wielkości: napięcia fazowe, prądy fazowe, moc czynna w poszczególnych fazach oraz moc trójfazową, moc bierna w poszczególnych fazach oraz moc trójfazową, współczynnik mocy, częstotliwość sieci, zawartość poszczególnych harmonicznych (do 3 harmonicznej) oraz współczynnik zawartości wyższych harmonicznych w napięciu (THD U ) i w prądzie (THD I ). Rejestracja mierzonych wielkości odbywała się w sposób ciągły z dziesięciominutowym uśrednianiem i zapisem wyników. Każdy zapis składa się ze średnich, minimalnych i maksymalnych wartości wszystkich mierzonych wielkości w okresie pomiędzy zapisami. Wyniki pomiarów poddane zostały analizie statystycznej przy pomocy następujących parametrów opisowych rozkładu: n - średnia arytmetyczna X = n x i i= n - odchylenie standardowe S = ( x i X ) n i= - rozstęp R = x max xmin 2 3. Napięcie znamionowe Na rysunku przedstawiono średnie dobowe przebiegi napięcia po stronie niskiego napięcia stacji transformatorowej i u najdalej położonego odbiorcy. Rysunek 2 przedstawia średni dobowy przebieg procentowego spadku napięcia w linii zasilającej najdalej położonego odbiorcę. Spadki napięcia obliczane były według wytycznych normy [3], zalecającej utrzymanie napięcia znamionowego na poziomie 23 V. Tabela zawiera wyniki analizy statystycznej poziomów napięć. W tabeli 2 przedstawiono natomiast wyniki analizy spadków napięć.

3 U [V] : :5 :4 2:3 3:2 4: 5: 5:5 6:4 7:3 8:2 9: : :5 :4 2:3 3:2 Czas [gg:mm] 4: 5: 5:5 6:4 7:3 8:2 9: 2: 2:5 Stacja Odbiorca 2:4 22:3 Rys.. Dobowy przebieg napięcia po stronie nn stacji transformatorowej oraz u najdalej położonego odbiorcy U [%] : :5 :4 2:3 3:2 4: 5: 5:5 6:4 7:3 8:2 9: : :5 :4 2:3 3:2 Czas [gg:mm] Rys. 2. Dobowy przebieg procentowego spadku napięcia w linii zasilającej najdalej położonego odbiorcę Tabela. Wyniki analizy statystycznej poziomów napięć Stacja transformatorowa Badany odbiorca U L [V] U L2 [V] U L3 [V] U L [V] U L2 [V] U L3 [V] X 229,77 23,52 232, 223,48 223,54 226,43 Kwantyl 95 % x min x max S 5,492 5,457 5,36,557 9,29 9,634 R : 5: 5:5 6:4 7:3 8:2 9: 2: 2:5 2:4 22:3 23:2 23:2 Tabela 2. Wyniki analizy statystycznej spadków napięć U L [%] U L2 [%] U L3 [%] X 2,969 3,686 2,65 Kwantyl 95 % 5,68 6,55 5,984 x min,454,6,227 x max 34,545 27,272 27,727 S,745,48,86 R 8,56 6,969 9,62

4 Analizując wyniki zamieszczone na rysunkach i 2 oraz w tabelach i 2 możemy jednoznacznie stwierdzić, że poziomy napięć zarówno w stacji transformatorowej jak i u badanego odbiorcy spełniają zalecenia norm [,2,3]. W niektórych jednak przypadkach poziomy napięć zmierzone u najdalej położonego odbiorcy znajdują się poniżej zalecanych wartości (napięcie minimalne 27 V) i osiągają w szczytach obciążeń nawet do 43 V, co stanowi przekroczenie normy o 3 %. Wartości procentowego spadku napięcia w linii zasilającej badanego odbiorcę także wykraczają poza dopuszczalną granicę, która dla sieci niskiego napięcia wynosi 4 %. Średni tygodniowy spadek napięcia mieści się w dopuszczalnych granicach (tabela 2), ale w szczytach obciążeń jego wartość wzrasta nawet do 34,5 %, co stanowi przekroczenie o 762 %. 4. Odkształcenie napięcia i prądu Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono średni tygodniowy udział poszczególnych harmonicznych napięcia i prądu zarejestrowanych w stacji transformatorowej i u najdalej położonego odbiorcy. W tabelach 3 i 4 zestawiono wyniki analizy statystycznej współczynnika THD dla stacji transformatorowej i badanego odbiorcy w poszczególnych fazach. Uh [%],3,2,,9,8,7,6,5,4,3,2, Stacja Odbiorca Numer harmonicznej Rys. 3. Procentowy udział poszczególnych harmonicznych napięcia w stacji transformatorowej oraz u najdalej położonego odbiorcy Stacja Odbiorca Ih [%] Numer harmonicznej Rys. 4. Procentowy udział poszczególnych harmonicznych prądu w stacji transformatorowej oraz u najdalej położonego odbiorcy

5 Tabela 3. Wyniki analizy statystycznej współczynników zawartości wyższych harmonicznych napięcia Stacja transformatorowa THD THD THD U L U L2 U L3 THD U L Badany odbiorca THD THD [%] [%] [%] [%] [%] [%] X,353,423,335,658,628,255 Kwantyl 95 % 2,32 2,26 2,5 2,694 2,553,924 x min,47,56,528,483,52,454 x max 2,766 2,832 2,635 3,59 3,6 2,6 S,46,43,372,593,54,368 R 2,359 2,36 2,7 3,7 2,54 2,46 Tabela 4. Wyniki analizy statystycznej współczynników zawartości wyższych harmonicznych prądu Stacja transformatorowa Badany odbiorca THD I L THD I L2 THD I THD L3 I L THD I L2 THD I L3 [%] [%] [%] [%] [%] [%] X 4,244 9,27 5,676 4,376,548 25,544 Kwantyl 95 % 9,823 8,769,86 72,82 9,946 49,738 x min,955,636,53,,873,639 x max 29,384 28,385 3,245 76,777 24,637 64,695 S 2,93 4,75 3,438 23,965 5,969 7,6 R 28,429 26,749 29,75 75,767 22,764 64,56 Analizując rysunek 3 przedstawiający rozkład harmonicznych napięcia w stacji transformatorowej i u najdalej położonego odbiorcy można zauważyć, że dominującą rolę odgrywa tu harmoniczna piąta. Sytuacja taka świadczy o tym, że głównym elementem wpływającym na odkształcenie napięcia zasilającego jest transformator, który w dużym stopniu odpowiedzialny jest za wprowadzanie harmonicznej piątej i siódmej. Obie te harmoniczne wprowadzają także silniki asynchroniczne, stanowiące około 7 % mocy zainstalowanej w gospodarstwach rolnych. W przypadku harmonicznych prądu (rys. 4) zarówno w stacji transformatorowej jak i u badanego odbiorcy największą wartość osiąga harmoniczna trzecia. Znaczne wartości harmonicznych wyższych rzędów a w szczególności jedenastej, trzynastej i piętnastej wskazują duży udział urządzeń wyposażonych w prostowniki z pojemnościowymi filtrami napięcia, którymi są głównie odbiorniki radiowo - telewizyjne. Z analizy tabeli 3 wynika, że wszystkie wartości współczynników THD U (zmierzone w stacji transformatorowej i u badanego odbiorcy) mieszczą się w dopuszczalnych granicach narzuconych przez normę [2] THD U < 8 % dla wartości uśrednianych co minut w ciągu tygodnia i nie przekraczanych przez 95 % czasu obserwacji (kwantyli rzędu,95). Rozporządzenie [] nie określa sposobu pomiaru ani metody statystycznej obróbki danych pomiarowych, tak więc nie wiadomo którą z wartości (średnią, maksymalną czy kwantyl 95 %) należy porównać z wartością dopuszczalną ustaloną na poziomie,5 % dla współczynnika THD U oraz % dla poszczególnych harmonicznych. U L2 U L3

6 5. Asymetria prądów i napięć Na rysunkach 5, 6, 7, 8 przedstawiono histogramy rozkładu liczebności poszczególnych przedziałów wartości współczynników asymetrii prądów i napięć zmierzonych w stacji transformatorowej i u najdalej położonego odbiorcy Liczba obserwacji 2 5 5,,5,,5,2,25,3,35,4,45,5,55,6,65 k u [%] Rys. 5. Histogram współczynnika asymetrii napięć w stacji transformatorowej Liczba obserwacji k i [%] Rys. 6. Histogram współczynnika asymetrii prądów w stacji transformatorowej Liczba obserwacji ,,2,4,6,8,,2,4,6,8 2, 2,2 2,4 2,6 2,8 3, 3,2 3,4 3,6 3,8 4, 4,2 4,4 k u [%] Rys. 7. Histogram współczynnika asymetrii napięć u badanego odbiorcy

7 Liczba obserwacji k i [%] Rys. 8. Histogram współczynnika asymetrii prądów u badanego odbiorcy W tabeli 5 przedstawiono wyniki analizy statystycznej współczynnika asymetrii prądów i napięć zmierzonych w stacji transformatorowej i u najdalej położonego odbiorcy. Tabela 5. Wyniki analizy statystycznej wartości współczynników asymetrii Stacja transformatorowa Badany odbiorca k u k i k u k i [%] [%] [%] [%] X,33 25,92,86 66,333 Kwantyl 95 %,54 54,79 2,88 99,85 x min,567,739 x max,649 82,34 4,393 S,9 5,9,638 4,282 R,649 8,466 4,393 99,26 Z analizy zamieszczonych histogramów wynika, że najbardziej zróżnicowanym zbiorem danych są wartości współczynnika asymetrii prądów zarejestrowanych u badanego odbiorcy (rys. 8). Większość zmierzonych wartości zawiera się w ostatnim przedziale (9 %), co może świadczyć o tym, że najczęściej obciążona jest tylko jedna faza a odbiorniki trójfazowe używane jedynie sporadycznie. Analizując wyniki zamieszczone w tabeli 5 możemy zauważyć, że o ile asymetria napięć jest na niskim poziomie (średnio,3 % w stacji transformatorowej i,8 % u badanego odbiorcy) to w przypadku prądów współczynniki asymetrii osiągają znaczne wartości (średnio 25 % w stacji transformatorowej i 66 % u badanego odbiorcy). W rozporządzeniu [] nie określono standardów dotyczących asymetrii napięć. Dopuszczalną wartość współczynnika asymetrii napięć określa natomiast norma [2] i ustala ją na poziomie 2 % (uśredniana co minut przez 95 % tygodnia). Porównując te wskaźniki z wynikami pomiarów (tabela 5) należy stwierdzić, że jeżeli wartości współczynników asymetrii wyznaczonych dla napięć zmierzonych w stacji transformatorowej spełniają wymagania normy, to w przypadku napięć zarejestrowanych u najdalej położonego odbiorcy wystąpiło przekroczenie o 9,4 %.

8 6. Podsumowanie Jak widać z zamieszczonych w artykule wyników pomiarów oraz analizy badanych wskaźników jakości energii elektrycznej wszystkie wielkości spełniają wymagania stawiane przez obowiązujące przepisy. Jednak zarówno w przypadku niesymetrii jak i zawartości wyższych harmonicznych występujących w sieciach elektroenergetycznych, normalizacją nie zostały objęte parametry dotyczące prądów tj. współczynnika niesymetrii prądów (k i ), współczynnika zawartości wyższych harmonicznych (THD I ) oraz udziału poszczególnych harmonicznych prądu (I h% ). Wielkości te są ściśle związane parametrami napięcia, ale to właśnie wymienione wyżej parametry prądu w znacznym stopniu wpływają na stan pracy sieci elektroenergetycznych a w szczególności odpowiadają za zwiększenie strat mocy i energii w we wszystkich elementach sieci i zdaniem autorów powinny również zostać objęte pracami normalizacyjnymi. Badania pomiarowe wykonane były w ramach pracy W/WE/2/99 sfinansowanej ze środków KBN. 7. Literatura. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 2 października 998 r. w sprawi szczegółowych warunków przyłączania podmiotów do sieci elektroenergetycznych, pokrywania kosztów przyłączania, obrotu energią elektryczną, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców. Dziennik Ustaw z 998 r., nr 35, poz PN-EN 56: 998 Charakterystyki napięcia w publicznych sieciach rozdzielczych. 3. PN-88/E-2 Napięcia znamionowe.