JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ ZAPADY NAPIĘCIA Zbigniew HANZELKA Wykład nr 9
SPIS TREŚCI Wprowadzenie Definicje Opis zaburzenia Skutki zaburzenia Sposoby redukcji skutków Poprawa odporności sprzętu (napędy elektryczne) Przykładowe pomiary Metody analizy Normalizacja Kontrakt Podsumowanie i wnioski
PRZYKŁADY NAJCZĘŚCIEJ ROZWAŻANYCH ZABURZEŃ ELEKTROMAGNETYCZNYCH Zapad Wzrost Przerwa
ZAPADY NAPIĘCIA napięcie Wartość progowa (np.10%)
ZAPADY NAPIĘCIA Przemysł odzieżowy Przemysł chemiczny Przemysł szklarski Specjalizowane procesy przemysłowe Custom Power state of art. Working Group 14.31 CIGRE Elementy półprzewodniko we $1K $10K $100K $1M $10M
Zapad napięcia Nagła redukcja wartości skutecznej napięcia w określonym punkcie systemu zasilającego poniżej zadanej wartości progowej ( o czasie trwania nie krótszym od 10 ms), po której, po krótkim okresie czasu, następuje powrót do wartości pierwotnej Zapad napięcia jest zaburzeniem opisywanym dwoma współrzędnymi: wartością napięcia (resztkowego lub amplitudą) i czasem trwania. Próg zapadu jest wartością skuteczną napięcia określoną w celu wyznaczenia początku i końca zapadu. Może być on wyrażony w V lub lub procentach napięcia referencyjnego. Instantaneous: 0.5 cy - 30 cy Momentary: 30 cy - 3 sec Temporary: 3 sec - 1 min (USA)
ZAPADY NAPIĘCIA Napięcie refrencyjne Próg (np. 90%) U = 0 Czas trwania zapadu Napięcie resztkowe Próg krótkiej przerwy
ZAPADY NAPIĘCIA voltage t phase Zmiana jump fazy Regulacje pomijają także fazę początkową zapadu
KRÓTKA PRZERWA W ZASILANIU Krótka przerwa w zasilaniu Nagła redukcja wartości skutecznej napięcia w określonym punkcie systemu zasilajacego poniżej zadanej wartości progowej, po której, po krótkim okresie czasu, następuje powrót do wartości pierwotnej. Krótka przerwa w zasilaniu jest szczególnym przypadkiem zapadu napięcia (100%).
KRÓTKA PRZERWA W ZASILANIU
Phase rms voltage, [pu] 3F, 75%, 50%, 25%, 100ms phase A phase B phase C phase A phase B phase C 1.00 0.75 1.00 Phase voltage, [pu] 0.50 0.25 0.00-0.25-0.50-0.75-1.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Time, [ms] 0.75 0.50 0.25 0.00 1/2 cycle window 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Time, [ms]
Zapad trójfazowy
U N U N 10 % Wartość progowa t Zastępczy zapad trójfazowy t Wpływ wartości progowej na czas trwania zapadu.
Przyczyny zapadów napięcia
ŹRÓDŁA ZAPADÓW
Zwarcia HV MV Odbiornik 1 Odbiornik 2
Zwarcia U 1 Zwarta linia I N 0 t I 1 Odb. 1 t U 2 Szyny główne t Odb. 2 t 0 t 1 t 2
Przyczyny zapadów napięcia S Z 1 O 1 Z 2 O 2 SC U S = 1 U 01 Z 1 Z 2 Z Z 2 3 Z 3 U 02 Z 1 Z Z 3 2 Z 3 U SC = 0
Voltage (V pu) Voltage (V pu) Voltage (V pu) Połączenie transformatora 1.5 Phase A-B 480 Voltage 1.0 0.5 115 kv SLGF 115 kv 0.0-0.5-1.0-1.5 0 200 400 600 800 Time (ms) 1.5 Phase B-C 480 Voltage 1.0 0.5 13.8 kv 0.0-0.5-1.0-1.5 0 200 400 600 800 Time (ms) 1.5 Phase C-A 480 Voltage 480 V 1.0 0.5 0.0 13.8 kv SLGF -0.5-1.0-1.5 0 200 400 600 800 Time (ms)
ŹRÓDŁA ZAPADÓW
AUTOMATYKA SAMOCZYNNEGO POWTÓRNEGO ZAŁĄCZANIA (SPZ)
ŹRÓDŁA ZAPADÓW
ŹRÓDŁA ZAPADÓW Rozruch silnika
ŹRÓDŁA ZAPADÓW
LOKALIZACJA ŻRÓDŁA prąd napięcie prąd napięcie
Skutki
SKUTKI ZAPADÓW
1996 ITIC Curve1 Information Technology Industry Council
1996 ITIC Curve - 2 Information Technology Industry Council
1999 SEMI 2844 Semiconductor Equipment and Materials International
Voltage, [%] CBEMAs/ITIC/SEMIF47 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Time, [s] CBEMA1 CBEMA2) CBEMA3 ITIC SEMIF47
SKUTKI ZAPADÓW NAPIĘCIA Styczniki i przekaźniki Silniki indukcyjne Maszyny synchroniczne Regulowane napędy elektryczne system sterowania część energoelektroniczna utrata kontroli nad prędkością i momentem nie tolerowana przez wiele technologii. Lampy wyładowcze
Styczniki
Voltage, [%] Styczniki 100 90 80 70 Phase shift 0 o 90 o 45 o 60 50 40 30 20 10 90 o point on wave 0 o point on wave 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time, [ms]
Voltage, [V] PC PC1, influence of non-ideal supply conditions - cum ulative effect (±10% voltage magnitude and 3 rd harmonic 20% THD) 200 current process lockup OS lockup shutdow n/restart 90% of V nom & 3 rd harm. (0 o ) 100% of V nom fund. only 110% of V nom & 3 rd harm. (180 o ) 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Time, [ms]
Voltage, [%] Regulowane napędy elektryczne 100 90 80 ASD3 single-graph representation 3-ph sags 1-ph sags (98%) 1-ph sags (80%) 2-ph sags (100%) 1-ph sags (97%) 1-ph sags (75%) 2-ph sags (90%) 1-ph sags (95%) 2-ph sags (80%) 1-ph sags (90%) 70 60 50 40 30 20 10 0 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 Time, [ms]
Zapady napięcia ac control devices Variable speed drives Industrial automatic systems Office-science equipment air conditioning lighting
Sposoby redukcji skutków
SPOSOBY POPRAWY - redukcja liczby zwarć - skrócenie czasu eliminacji zwarć - usprawnienie lokalizacji uszkodzeń - eliminacja zwarć za pomocą automatyki SPZ - zmiana konfiguracji systemu zasilającego - rezerwowanie zasilania - stosowanie odpornego sprzętu - stabilizatory napięcia - układy gromadzące energię (UPS, SMES, koła zamachowe...) - układy bez możliwości gromadzenia energii
ZMNIEJSZENIE LICZBY ZWARĆ Zastępowanie linii napowietrznych liniami kablowymi (długi czas naprawy) Stosowanie pokrytych przewodów w liniach napowietrznych Rygorystyczne przestrzeganie okresów przycinania drzew Stosowanie odgromników Podwyższenie poziomu izolacji Zwiększenie dbałości podczas napraw i przeglądów
SKRÓCENIE CZASU ELIMINACJI ZWARĆ Zmiana systemu zabezpieczeń, brak redukcji liczby zwarć szybkie bezpieczniki ograniczające prąd zwarciowy (mniej niż połowa okresu, głównie odbiorcy końcowi niskiego napięcia) czas działania wyłącznika + czas podejmowania decyzji przez zabezpieczenie
USPRAWNIENIE LOKALIZACJI USZKODZEŃ Nowoczesne środki łączności, transportu i zdalnego sterowania łącznikami (telemechanika) Wskaźniki przepływu prądu zwarciowego (średnie napięcie) Systemy zdalnego monitorowania stanu sieci
POPRAWA ODPORNOŚCI SPRZĘTU
POPRAWA ODPORNOŚCI SPRZĘTU Zgromadzenie informacji o systemie Uzyskanie informacji o czułości sprzętu Okreslenie kosztów potecjalnego zakłócenia
POPRAWA ODPORNOŚCI SPRZĘTU Dla układów jednofazowych stosowanie bardziej złożonych zasilaczy dc/dc tolerujących większe zmiany napięcia wejściowego Zasilacze dc nie powinny być przeciążone Wspólne sterowanie układami zasilaczy Projektowanie sprzętu z wykorzystanie odpornych elementów składowych np. przekaźników, styczników, układów rozruchowych; unikanie stosowania w odpowiedzialnych układach styczników powszechnego zastosowania Unikanie stosowania sprzętu o niedostosowanym napięciu zasilajacym
POPRAWA ODPORNOŚCI SPRZĘTU Wyłączniki i bezpieczniki powinny być wymiarowane na większe prądy łączeniowe Unikanie stosowania pamięci ulotnych Przewidzieć na etapie projektowania możliwość zmiany parametrów procesu technologicznego na skutek zapadu napięcia
0.00862 kgm 2 0.0485 kgm 2 Zapad: 30 % i 167 ms, M=const 0.104 kgm 2
Zapad: 30 % i 167 ms Δω M=const Δω * P=const
Podwyższenie odporności regulowanego napędu na zapady napięcia Zmiana trybu pracy napędu i modyfikacja układu sterowanial; Modyfikacja topologii układu energoelektronicznego; Alternatywne zasilanie; Instalacja układów kompensujących.
Podwyższenie odporności regulowanego napędu na zapady napięcia INVERTOR Sieć zasilająca Prostownik U dc Schemat ideowy regulowanego napędu VSI
Podwyższenie odporności regulowanego napędu na zapady napięcia
DZIĘKUJE ZA UWAGĘ... Zbigniew Hanzelka Akademia Górniczo-Hutnicza 30-059 Kraków, Al.. Mickiewicza 30 Tel.: 12 617 28 78, 12 617 28 01 E-mail: hanzel@agh.edu.pl