Wyznaczanie zmian napięcia

Wyznaczanie zmian napięcia Parametry zmian napięcia to : - zmiany częstotliwości, - zmiany napięcia; zaburzenia przewodzone takie jak: odchylenia, wahania, zapady, podskoki, przepięcia pozostałe i inne, - harmoniczne, - asymetria. Zmiana częstotliwości Częstotliwość napięcia jest jednym z najwaŝniejszych parametrów charakterystyki funkcjonowania SEE. Jest to jedyny parametr JEE, który podczas pracy normalnej SEE ma takie same wartości w kaŝdym jego miejscu. Najczęściej spotykane zaburzenia częstotliwości w SEE to : odchylenia i wahania częstotliwości. Odchylenie częstotliwości jest to róŝnica między daną wartością a wartością znamionową częstotliwości, wykazywana w przedziale czasu co najmniej kilku sekund podczas normalnej pracy SEE. Odchylenie częstotliwości - bezwzględne f i względne f * - w danym przedziale czasu (np. 10 s) oblicza się z zaleŝności: f = f f zn f * = 100% (f f zn ) / f zn gdzie : f wartość częstotliwości w danym przedziale czasu; w Hz, f zn częstotliwość znamionowa; np. 50 Hz. Wahanie częstotliwości f w jest to zbiór róŝnic między danymi wartościami a wartością znamionową częstotliwości, wykazywanych w przedziałach czasu rzędu milisekund i krótszym podczas trwania stanu zakłócenia w SEE, np. podczas awaryjnego ubytku mocy wytwórczej. Wahania częstotliwości moŝna podzielić na okresowe oraz nieokresowe. Wahania okresowe częstotliwości moŝna dodatkowo opisać za pomocą następujących wielkości : - kształtu wahań częstotliwości; stanowi go obwiednia największych róŝnic dodatnich częstotliwości, - amplitudy wahań; określa ją róŝnica dodatniego odchylenia częstotliwości oraz sąsiedniego ujemnego odchylenia częstotliwości, - częstość wahań; odpowiada jej liczba amplitud wahań w jednostce czasu. Amplitudę wahań częstotliwości oblicza się z zaleŝności δ f = f eks1 f eks2 lub δ f * = δ f / f zn gdzie : f eks1 dodatnie odchylenie częstotliwości, f eks2 sąsiednie ujemne odchylenie częstotliwości. Częstość wahań oblicza się z zaleŝności f v = m(δ f) / T gdzie: m(δ f) liczba amplitud wahań w czasie T, T czas zliczania amplitud wahań. Przyczynami odchyleń oraz wahań częstotliwości w SEE są trwałe albo przejściowe niezbilansowania mocy czynnej wytwarzanej i zapotrzebowanej przez SEE. Zmiany bilansu mocy czynnej mogą być spowodowane za małą mocą wytwarzaną przez jednostki wytwórcze SEE w porównaniu z mocą zapotrzebowaną lub za duŝym zapotrzebowaniem mocy względem mocy wytwarzanej. Za przeciwdziałanie zmian częstotliwości w SEE oraz 1

utrzymanie jej wartości znamionowej są odpowiedzialne trzy rodzaje regulacji (pierwotna, wtórna i trójna) oraz układy samoczynnego, częstotliwościowego odciąŝenia (SCO). Zmiany napięcia Są to następujące parametry zaburzenia przewodzonego nazywanego zmianami napięć: odchylenia, wahania, zapady, podskoki, przepięcia i inne. Rys. Przebiegi róŝnych zmian napięcia w czasie Odchylenia napięcia oblicza się z zaleŝności : U * = 100%(U U zn ) / U zn gdzie : U * - odchylenie napięcia; w %, U wartość skuteczna napięcia w danym przedziale 10 minutowym; w V, U zn znamionowa wartość skuteczna napięcia ; w V. Rys. Przykład zmian napięć o wartościach skutecznych 10 minutowych jako podstawy określania odchyleń napięć 2

Podstawową przyczyną odchyleń napięcia w sieciach elektroenergetycznych są niezbyt szybkie zmiany obciąŝeń elektrycznych odbiorców w czasie, powodujące zmiany spadków napięć na impedancjach elementów sieci (rys 6). U 1 I R, X U 2 P Q I U U φ I U 2 RI. I U 1 jxi U Rys. Uproszczony schemat sieci elektroenergetycznej oraz wykres fazorowy napięć i spadku napięcia ZaleŜności na spadki napięć są następujące U = U U 2 U' = RI cosϕ XI sinϕ 1 = + U RP + XQ = U U 2 2 N Kolejna przyczyna zmian poziomów napięć (a zatem odchyleń napięć) w danym układzie elektroenergetycznym to bilans mocy biernej dostarczanej do układu (wytwarzanej) i mocy zapotrzebowanej. Przy rosnącej róŝnicy między mocą bierną zapotrzebowaną a mocy dostarczaną do układu napięcie zmniejsza się (co odpowiada większym odchyleniom napięć) i odwrotnie. Wahania napięcia Wahanie napięcia U w jest to cykliczna zmiana obwiedni amplitud napięcia lub szereg nagłych zmian napięcia w okresach sekundowych, o róŝnicach nie przekraczających 10 % względem napięcia odniesienia. Wahania napięcia moŝna podzielić na okresowe oraz nieokresowe. Amplitudę wahań napięcia oblicza się z zaleŝności δu = U eks1 U eks2 lub δ U * =U / U zn gdzie : U eks1 dodatnie odchyłka napięcia, U eks2 sąsiednia ujemna odchyłka napięcia. Częstość wahań napięcia oblicza się z zaleŝności U v = m(δu) / T gdzie: m(δu) liczba amplitud wahań napięcia w czasie T, T czas zliczania amplitud wahań napięcia. Energetyczną dawkę wahań napięcia (dawka fickera) oblicza się z zaleŝności t+t 2 D v = δ U * dt t Główny skutek cyklicznych wahań napięcia o amplitudzie nie przekraczającej ± 10 % to migotania światła (ang. flicker). Migotanie światła jest to zjawisko oscylacji strumienia świetlnego lampy lub zmiany jej widma światła w czasie, które niekorzystnie oddziaływuje na wzrok oraz psychikę człowieka. Jest to zjawisko subiektywne, zaleŝne od człowieka i jego indywidualnej reakcji na migotanie światła. Próg odczuwalności i dopuszczalna granica niekorzystnego migotania światła zaleŝą od amplitudy i częstości wahań napięcia oraz rodzaju źródła światła. W normalizacji 3

międzynarodowej przyjęto za podstawowe źródło światła Ŝarówkę o mocy 60 W, 230 V. Przykładowy przebieg napięcia powodujący migotanie światła przedstawiono na rys. Dokuczliwe są wahania o f v = 8 10 Hz. Wahania napięcia o modulacji 8 do 10 Hz powodują zjawisko migotania światła ( flicker). 10 230 V 120 V 100 V U/U[%] 1 0,1 0,1 1 10 100 1000 10000 Liczba prostokątnych zmian napięcia na minutę Krzywe P st = 1dla prostokątnych zmian napięcia dla Ŝarówek o mocy 60 W Rys. Charakterystyka amplitudowo- czystościowa wahań napięcia (krzywa graniczna P st = 1) Na podstawie pomiarów amplitudy i częstości wahań napięcia oraz posługując się krzywymi granicznymi moŝna ocenić stopień ich oddziaływania na człowieka. JeŜeli punkty przecięcia współrzędnych amplitud i częstości wahań są połoŝone pod krzywą graniczną to takie wahania są w zasadzie niezauwaŝalne dla człowieka, a zatem dopuszczalne. Wahania napięcia o współrzędnych połoŝonych nad krzywą graniczną oddziaływają negatywnie. W praktyce, powyŝszy sposób oceny wahań napięcia ze względu na migotanie światła spotyka się rzadko. Natomiast częściej tej oceny dokonuje się za pomocą pomiaru pośredniego, posługując się miernikiem migotania światła (flickermetrem). Schemat podstawowych członów flickermetru przedstawiono na rysunku. Napięcie Model źródła światła (Ŝarówki) Model reakcji psychiki człowieka Operacje statystyczne na chwilowych oddziaływaniach fickera P st Miernik oblicza dwa wskaźniki statystyczne, tj. wskaźnik krótkookresowej uciąŝliwości migotania P st wyznaczany w okresie 10 minut oraz wskaźnik długookresowej uciąŝliwości migotania P lt wyznaczany w okresie 2 h. 4

Wskaźnik P lt jest powiązany ze wskaźnikiem P st zaleŝnością następującą P lt 12 P 3 i = 1 = 12 3 st,i Wskaźnik P lt dostarcza kryterium dla oceny długookresowej uciąŝliwości migotania, gdy mają być rozpatrywane źródła migotania światła z długimi lub zmiennymi cyklami pracy lub rozpatrywane grupy odbiorników funkcjonujących jednocześnie losowo i powodujących migotanie światła. Podstawową przyczyną wahań napięcia w sieciach elektroenergetycznych jest szybka i duŝa zmienność w czasie obciąŝeń elektrycznych odbiorników niespokojnych, określana w relacji do mocy zwarciowych w miejscu ich zasilania. Zapady napięcia Ogólnie zapady napięcia są to krótkotrwałe zmniejszenia napięć (poniŝej wartości deklarowanej) w jednej lub więcej fazach, zawierające się pomiędzy określoną wartością progową górną oraz dolną. Badania i studia nad zapadami napięć są prowadzone od kilkunastu lat. Efektem tych prac są m. in. definicje normalizacyjne. Najbardziej rozpowszechnione w światowej elektroenergetyce definicje zapadów napięcia zostały sformułowane w normach EN 50 160, IEEE 1159 a ostatnio w EN 61000-4-30. W normie EN 50 160 (w Polsce PN-EN 50 160) zapad napięcia jest zdefiniowany jako nagłe zmniejszenie się napięcia zasilającego do poziomu zawartego pomiędzy progami 90 % a 1 % napięcia deklarowanego, po czym, po krótkim czasie, występuje nagły powrót napięcia do wartości przed zmniejszeniem. Czas trwania zapadu wytyczają momenty osiągania przez zmieniające się napięcie górnej wartości progowej (90 %) i zawiera się w granicach od 10 ms do 1 minuty. Dolny próg wartości napięcia równy 1 % rozgranicza zapad napięcia od innego zdarzenia nazywanego przerwą w zasilaniu. napięcie deklarowane napięcie przed wystąpienie zapadu U (napięcie referencyjne) amplituda zapadu napięcia 0,9U czas trwania zapadu napięcie resztkowe 0 Warto dodać, Ŝe w przyrządach do pomiaru zapadów napięcia, w celu wyeliminowania rejestracji częstych fluktuacji napięć w pobliŝu wartości progowych zapadów, stosuje się obszary nieczułości (tzw. histerezy zapadów napięć), zazwyczaj o wartościach równych 2 %. Wg normy PN EN 50 160 dla scharakteryzowania zapadu wystarczy określić dwa następujące parametry: najmniejszy poziom napięcia podczas zapadu (napięcie resztkowe) U z oraz czas trwania zapadu t z. W charakterystyce zapadu napięcie resztkowe U z moŝna zastąpić inną jego miarą nazywaną głębokością zapadu (amplitudą zapadu) U z, która przybiera postać Ud U z U z U z [%] = 100% = (1- ) 100 % U U gdzie : d d 5

U d wartość napięcia deklarowanego (normatywnego); z reguły napięcie deklarowane jest równe napięciu znamionowemu zasilania; tylko w szczególnych przypadkach w umowie dostarczania energii elektrycznej określa się wartość napięcia deklarowanego róŝną od znamionowej. W przywołanych normach podstawą definicji zapadów napięcia jest załoŝenie, Ŝe obwiednia przebiegu napięcia podczas zapadu jest prostokątna, o bokach równych t z oraz U z (rys. 10a). Prostokątny model zapadu, w miarę prosty do zastosowania w praktyce i niedrogi w realizacji jest powszechnie stosowany w tabelarycznej klasyfikacji częstości tych zaburzeń. Przykład tej klasyfikacji, zawarty w normie EN 50 160, prezentuje tabela. Tabela. Klasyfikacja częstości zapadów wg modelu prostokątnego; propozycja UNIPEDE uzupełniona o normę EN 50 160 Głębokość zapadu Czas trwania % U zn ms ms s s s s od do (10*) 20 t<100 100 t<500 0.5 t<1 1 t<3 3 t<20 20 t<60 10 15 15 30 30 60 60 90 (99*) (10*), (99*) wg normy EN 50 160 W układach trójfazowych przebieg zapadów charakteryzuje się zazwyczaj duŝą złoŝonością, na którą składa się m. in. liczba faz objętych zapadami na skutek zwarć, symetria lub niesymetria zapadów napięć fazowych, miejsca wystąpienia tych zwarć (np. przed czy za transformatorem mocy) oraz rodzaj zasilanych odbiorników (jedno-czy trójfazowe). W związku z tym jest wiele metod klasyfikacji zapadów napięcia. Jedną z najczęstszych form opisu zapadów napięcia oraz ich pomiarów w układach trójfazowych polega na superpozycji ich modeli prostokątnych odpowiadających poszczególnym fazom (rys.). PowyŜsza forma opisu zapadów, a nie łączne rozpatrywanie tych zaburzeń, stanowi zazwyczaj zbyt duŝe uproszczenie, gdyŝ nie uwzględnia się w niej np. róŝnic w wartościach poszczególnych napięć fazowych (asymetrii tych napięć) oraz występującej podczas trwania zapadów zmiany wartości kątów fazowych. Rys. Przykład superpozycji zapadów w poszczególnych fazach dla układu 3- fazowego W badaniach praktycznych zapadów na szczególną uwagę zasługuje normatywne ujecie granicznych wartości zapadów oraz podskoków napięcia wprowadzone w USA do oceny funkcjonowania komputerów i sprzętu informatycznego. To na etapie wprowadzenia sprzętu komputerowego oraz informatycznego wyłonił się problem przede wszystkim zapadów napięcia i ich negatywnego oddziaływania. Praktyczne badania i analizy w tym zakresie 6

doprowadziło do opracowania charakterystyk (krzywych) CBEMA (rys) modyfikacji charakterystyk ITIC (rys). a nastepnie ich Rys. Charakterystyki CBEMA oraz ITIC Zapady napięcia są wynikiem krótkotrwałego przepływu duŝych prądów, spowodowanych przez zdarzenia następujące : załączanie odbiorników o duŝej mocy w obrębie danego układu zasilającego, zarówno po stronie dostawcy jak i odbiorcy, róŝne rodzaje zwarć występujących w układach elektroenergetycznych i ich sposoby likwidacji (np. SPZ) oraz załączenia transformatorów energetycznych. W przypadku zwarć, na zapady napięć mają wpływ czynniki następujące : - rodzaje zwarć; jedno- czy wielofazowe, z ziemią czy międzyfazowe, przez impedancję czy bezimpedancyjne, - impedancje sieci między miejscami określania zapadów a miejscami wystąpienia zwarcia oraz połoŝenia źródła (źródeł) zasilania. Im bliŝej miejsca zwarcia jest połoŝony rozwaŝany punkt zapadu, tym mniejsza jest wartość napięcia resztkowego, charakteryzująca zapad. Z drugiej strony, im rozwaŝany punkt będzie połoŝny bliŝej źródła zasilania (w tym takiego jak : baterie kondensatorów, akumulatory, maszyny wirujące) tym będzie mniejsza głębokość zapadu, - połączenia uzwojeń transformatorów mocy, jeŝeli stanowią jeden z elementów sieci objętych oddziaływaniem zwarć; przykładowo, w przypadku transformatora mocy o połączeniach uzwojeń Dyn lub Dy (górne napięcie/dolne napięcie) jednofazowe zwarcie po stronie napięcia górnego (zapad w tej fazie o napięciu resztkowym równym 0 V) wywołuje po stronie napięcia dolnego zapady w dwóch fazach o napięciu resztkowym równym 58 %, - sposobu uziemienia sieci elektroenergetycznej danego napięcia, - czasy działania automatyki zabezpieczeniowej, np. SPZ. Zwarcie w danym miejscu układu elektroenergetycznego moŝe powodować zapady napięć (propagację zapadów) nie tylko w miejscach najbliŝej połoŝonych lecz równieŝ miejscach odległych. Obszar miejsc objętych zapadami zaleŝy od ww. czynników oraz zakresu ich jednoczesnego występowania. Na przykładzie schematu elektrycznego przedstawionego na rys. moŝna określić wielkości głębokości zapadów napięcia w zaleŝności od ich połoŝenia względem miejsca zwarcia. 7

Rys. Zapady napięcia w miejscach O 1 oraz O 2 przy zwarciu bezimpedancyjnym ZW Podczas załączania transformatora mocy lub krótkotrwałej zmiany jego napięcia zasilania moŝe popłynąć przejściowo duŝy prąd, który na impedancji obwodu zasilającego spowoduje tak duŝy spadek napięcia, Ŝe doprowadzi do zapadu napięcia. Podskoki napięcia Ogólnie podskoki napięcia są to krótkotrwałe zwiększenia napięć ( powyŝej wartości deklarowanej) w jednej lub więcej fazach, zawierające się pomiędzy określoną wartością progową dolną oraz górną. W normie IEEE 1159 podskok napięcia jest zdefiniowany jako nagłe zwiększenie się napięcia zasilającego do poziomu zawartego pomiędzy progami 110 % a 180 % napięcia deklarowanego, po czym, po czasie od 0,5 okresu do 1 minuty, występuje nagły powrót napięcia do wartości przed zmniejszeniem. Podskoki napięcia charakteryzuje się podobnie jak zapady, z tym, Ŝe ich modele są zwierciadlanym odbiciem modeli zapadów. Podskok napięcia jest zjawiskiem o wiele rzadszym niŝ zapad napięcia. Zwykle przyczyną podskoku napięcia jest fazowe zwarcie doziemne, które moŝe prowadzić do przejściowego wzrostu napięć w fazach pozostałych (zdrowych). Wartości napięć w tych fazach mogą zwiększyć się o 73 %. Szczególnie jest to widoczne w sieciach średnich napięć, które pracują jako nieuziemione lub uziemione pośrednio. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe pośrednie uziemienie sieci zmniejsza wzrost napięć podczas zwarcia fazowego z ziemią. RównieŜ przyłączenie sieci średniego napięcia do transformatora mocy SN/nn, którego uzwojenia po stronie napięcia niskiego maja połączenie yn, zapobiega wzrostowi napięcia w fazach zdrowych. Bowiem w tej konfiguracji fazowy prąd zwarcia z ziemią moŝe popłynąć przez obwód o małej impedancji. 8