ZASILACZE UPS ORAZ BATERIE AKUMULATORÓW W UKŁADACH ZASILANIA GWARANTOWANEGO

SERIA: ZESZYTY DLA ELEKTRYKÓW NR 4 mgr inż. Julian Wiatr mgr inż. Mirosław Miegoń ZASILACZE UPS ORAZ BATERIE AKUMULATORÓW W UKŁADACH ZASILANIA GWARANTOWANEGO

Recenzenci: mgr inż. Antoni Czerwiński Eaton Power Quality S.A. Oddział w Polsce mgr inż. Witold Zdunek prezes SPE O/Warszawa mgr inż. Leszek Bożek Wojskowe Biuro Studiów Projektów Budowlanych i Lotniskowych w Warszawie Kierownik projektu Michał Grodzki Redakcja techniczna Agencja Reklamowa Medium Korekta Monika Mucha Wszelkie prawa zastrzeżone Copyright by Dom Wydawniczy MEDIUM Copyright by Julian Wiatr Copyright by Mirosław Miegoń ISBN 978-83-926815-2-6 Wydawca i rozpowszechnianie Dom Wydawniczy MEDIUM 04-112 Warszawa, ul. Karczewska 18 Sprzedaż: Księgarnia wysyłkowa www.ksiegarniatechniczna.com.pl Skład i łamanie Agencja Reklamowa Medium www.agencjamedium.pl Warszawa 2008, Wydanie I

pamięci mojego Ojca oraz Teścia Julian Wiatr

SPIS TREŚCI Wstęp........................................................................... 7 1. Jakość energii elektrycznej.......................................................... 9 1.1. Parametry oceny jakości elektrycznej wg PN-EN 50160 i innych dokumentów.............. 9 1.2. Parametry jakościowe energii elektrycznej wg rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [DzU Nr 93/2007 poz. 623]................................... 14 1.3. Wpływ wahania napięcia na pracę niektórych odbiorników............................. 18 1.4. Harmoniczne i ich wpływ na pracę urządzeń oraz instalacji............................ 21 1.5. Interharmoniczne i subharmoniczne.............................................. 34 1.6. Skutki wahania napięcia dla innych urządzeń elektrycznych............................ 36 1.7. Zabezpieczenia odbiorników energii elektrycznej od skutków złej jakości energii elektrycznej.. 37 1.7.1. Zabezpieczenia wewnętrzne............................................... 37 1.7.2. Zabezpieczenia scentralizowane............................................ 38 2. Niezawodność zasilania............................................................. 39 3. Koncepcja zasilania................................................................ 47 4. Zasilacze bezprzerwowe (UPS)....................................................... 49 4.1. Wymagania stawiane zasilaczom UPS............................................. 49 4.1.1. Wykaz danych technicznych UPS deklarowanych przez producenta................ 51 4.2. Podstawowe typy zasilaczy UPS.................................................. 56 4.3. Układy redundantne UPS....................................................... 59 4.4. Przykłady układów zasilania gwarantowanego o zwiększonej niezawodności............... 63 4.5. Nowoczesne technologie stosowane w zasilaczach UPS................................ 67 4.5.1. HotSync system pracy równoległej UPS Powerware.......................... 67 4.5.2. Technologia HotSync zasada działania..................................... 69 4.5.3. ABM (Advanced Battery Management) system nieciągłego ładowania baterii....... 70 4.6. Zasady doboru zasilaczy UPS.................................................... 72 4.6.1. Algorytm doboru zasilaczy UPS............................................ 72 4.6.2. Dobór mocy zasilacza UPS................................................ 78 4.6.2.1. Zasady obliczania wymaganej mocy dysponowanej...................... 78 4.6.2.2. Zakres dopuszczalnego współczynnika mocy na wyjściu zasilacza UPS....... 81 4.6.3. Podstawy funkcjonalne zasilaczy UPS marki Powerware......................... 83 4.6.3.1. Funkcje elektryczne.............................................. 83 4.6.3.2. Opis pracy UPS w technologii beztransformatorowej..................... 89 4.7. Zasilacze DC siłownie telekomunikacyjne (STK).................................... 101 5. Baterie stacjonarne akumulatory.................................................... 104 5.1. Baterie kwasowo-ołowiowe..................................................... 106 5.1.1. Budowa akumulatora bezobsługowego VRLA.................................. 107 5.2. Porównanie baterii klasycznych VLA i baterii z regulowanym zaworem VRLA.............. 108 5.2.1. Porównanie baterii VRLA w wykonaniu AGM i żelowych......................... 109 5.2.2. Zastosowania akumulatorów VRLA......................................... 110 5.2.3. Ładowanie baterii....................................................... 111 5.2.4. Rozładowanie baterii.................................................... 111 5.2.5. Warunki pracy akumulatorów VRLA........................................ 113 5.2.6. Procesy cieplne w akumulatorach VRLA..................................... 113 www.elektro.info.pl 5

5.2.7. Problemy występujące przy eksploatacji akumulatorów VRLA..................... 114 5.2.8. Składowanie........................................................... 114 5.3. Dobór baterii akumulatorów do zasilacza UPS....................................... 115 5.3.1. Elementy wpływające na dobór baterii akumulatorów........................... 115 5.4. Wymagania techniczne wyboru baterii akumulatorów (diagram)........................ 119 5.5. Dobór baterii do systemu UPS................................................... 120 5.6. Dobór wentylacji pomieszczenia systemu baterii VRLA................................ 125 5.6.1. Lista kontrolna systemu wentylacji baterii VLRA............................... 125 5.6.2. Obliczenia wentylacji pomieszczenia baterii VRLA............................. 127 5.6.3. Wyznaczenie bezpiecznej odległości od źródeł inicjacji wybuchu................... 129 5.7. Pomiary i monitorowanie baterii akumulatorów..................................... 129 5.7.1. Pomiary akumulatorów AGM.............................................. 131 5.7.2. Detekcja upływności doziemnej obwodów bateryjnych DC w zasilaczach UPS........ 132 5.7.3. Diagnostyka pomiędzy testami pojemności (monitoring) akumulatorów AGM........ 132 5.7.4. Kontrola okresowa akumulatorów AGM...................................... 133 5.7.5. Instalacja i przekazanie do ekspolatacji...................................... 133 5.7.6. Instrukcja obsługi baterii kwasowo-ołowiowych............................... 134 5.8. Alternatywne magazyny energii................................................. 137 5.8.1. Ogniwa paliwowe....................................................... 137 5.9. Ważniejsze definicje dotyczące baterii akumulatorów i zasobników energii................ 140 5.10. Akty prawne i regulacje dotyczące baterii akumulatorów.............................. 141 5.11. Badanie i pomiary baterii akumulatorów........................................... 142 5.11.1. Pomiar napięcia ogniw i monobloków akumulatorów............................ 142 5.11.2. Pomiar rezystancji połączeń wewnątrz baterii akumulatorów..................... 142 5.11.3. Pomiar pojemności baterii akumulatorów.................................... 142 5.11.4. Pomiar rezystancji izolacji baterii akumulatorów w stosunku do ziemi.............. 142 DODATKI Dodatek 1.: Projektowanie i badanie ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych przez samoczynne wyłączenie zasilania o układzie TN, zasilanych przez UPS........ 145 Dodatek 2.: Ochrona przepięciowa w instalacjach napięcia awaryjnego i gwarantowanego........ 150 Dodatek 3.: Zasady instalowania przeciwpożarowego wyłącznika prądu oraz uzgadniania projektu budowlanego pod względem przeciwpożarowym............................... 155 Dodatek 4.: Zagrożenie wybuchowe od wodoru wydzielanego podczas ładowania akumulatorów... 161 Dodatek 5.: Dobór mocy zespołu prądotwórczego........................................ 167 Dodatek 6.: Rodzaje mocy zespołu prądotwórczego....................................... 175 Dodatek 7.: Obliczanie mocy zapotrzebowanej przez sprzęt komputerowy..................... 178 Dodatek 8.: Konfiguracje układów zasilania lokalnych sieci komputerowych (LAN).............. 182 Dodatek 9.: Zmiany dotyczące wymagań w zakresie instalacji elektrycznych wynikające z projektu rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 9.05.2008, zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie................................................ 185 Literatura......................................................................... 188 PROJEKT Układ zasilania gwarantowanego ciągu technologicznego w zakładzie produkcyjnym............ 191 6 www.elektro.info.pl

Wstęp Podstawowym kryterium zapewniającym ciągłość zasilania jest wysoka niezawodność urządzeń zasilających. Nie bez znaczenia jest również jakość dostarczanej energii elektrycznej, od której zależy poprawne funkcjonowanie szeregu odbiorników elektrycznych. Wprawdzie parametry jakościowe napięcia zasilającego zostały określone w normie PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych oraz normie PN-EN 61000 Kompatybilność elektromagnetyczna, a także w rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [DzU Nr 93/2007, poz. 623], to jednak dla wielu czułych odbiorników są one niewystarczające. Dokumenty te określają wymagania możliwe do spełnienia przez dostawcę energii elektrycznej. Nie obejmują one jednak zaburzeń powstałych wskutek różnych zjawisk losowych oraz powodowanych przez czynniki atmosferyczne. Jakość dostarczanej energii elektrycznej ma znaczący wpływ na poprawną pracę oraz na trwałość zasilanych odbiorników. Wahania napięcia oraz wyższe harmoniczne są powodem zakłóceń oraz przedwczesnego zużywania się wielu odbiorników. Wprawdzie normy i przepisy precyzyjnie określają parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych, ale brak przepisów wykonawczych, które stanowiłyby podstawę egzekwowania od odbiorców filtrowania wprowadzanych do sieci zakłóceń powoduje, że parametry dostarczanej energii znacząco odbiegają od wymagań formalnych. Najbardziej niebezpieczne dla czułych urządzeń elektrycznych oraz elektronicznych są krótkie przerwy w zasilaniu oraz ich szczególne przypadki określane jako zapady napięcia. Wszelkie zakłócenia oraz przerwy w dostawie energii mają również wpływ na niezawodność pracy urządzeń elektrycznych. Zakłócenia przychodzące z sieci zasilającej mogą być przyczyną przerw w produkcji spowodowanych awariami urządzeń zasilających. W przypadku zasilania odbiorników wymagających wysokiej niezawodności zasilania konieczne staje się projektowanie układów zasilających pozwalających na wyeliminowanie zakłóceń przychodzących z sieci zasilającej lub przerw w dostawie energii elektrycznej spowodowanych awarią tej sieci. Do takich odbiorników należy zaliczyć przede wszystkim: centra przetwarzania informacji, centrale telefoniczne, szpitale, komendy policji oraz jednostki straży pożarnej, zakłady produkcyjne o ciągłym procesie technologicznym, urządzenia przeciwpożarowe instalowane w obiektach budowlanych. W przypadku obiektów budowlanych łączności, wymagania w zakresie zasilania w energię elektryczną zostały jednoznacznie określone w rozporządzeniu Ministra Łączności z dnia 21 kwietnia 1995 roku w sprawie warunków technicznych zasilania w energię elektryczną obiektów budowlanych łączności [DzU Nr 50/1995 poz. 271]. Natomiast w przypadku innych obiektów budowlanych sposób zasilania należy opracować na etapie koncepcji projektowej w uzgodnieniu z inwestorem oraz użytkownikiem. Często w obiekcie budowlanym lub budynku zachodzi konieczność wykonania układu zasilania gwarantowanego obejmującego tylko wybrane odbiorniki. Projektując układ zasilania gwarantowanego należy mieć świadomość, że zasilacz UPS lub siłownia telekomunikacyjna wyposażona jest w baterie akumulatorów, które stanowią magazyn energii elektrycznej. Baterie te są ładowane określonym prądem, który powoduje, wskutek zachodzących reakcji elektrochemicznych, wydzielanie wodoru. Wydzielający się wodór z ładowanych baterii może stwarzać zagrożenie wybuchowe w przypadku przekroczenia stężenia 4,1% określanego Dolną Granicą Wybuchowości (DGW). Powoduje to konieczność zaprojekto- www.elektro.info.pl 7

wania skutecznej detekcji stężenia wodoru oraz odpowiedniej wentylacji pomieszczeń bateryjnych. Poza tym pracujące zasilacze UPS lub siłownia telekomunikacyjna powodują wydzielanie określonej ilości ciepła, które należy odprowadzić. Stan ten powoduje, że pomieszczenie zasilaczy UPS lub siłowni telekomunikacyjnej oprócz wentylacji musi zostać wyposażone w klimatyzację, dzięki czemu można będzie utrzymać właściwą wilgotność oraz temperaturę powietrza wymaganą dla poprawnej pracy zasilaczy oraz baterii akumulatorów. W celu przybliżenia tych problemów w niniejszej publikacji zostały opisane podstawowe wymagania w zakresie jakości energii, niezawodności zasilania, funkcjonowania zasilaczy UPS, doboru i eksploatacji baterii akumulatorów oraz wymagania w zakresie wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń przeznaczonych do instalowania źródeł zasilania gwarantowanego. Na końcu publikacji został zamieszczony przykładowy projekt zasilania gwarantowanego opracowany i zrealizowany przeze mnie w zakładzie produkującym folię do pakowania żywności. Projekt ten został opublikowany w 2008 roku w serii wydawniczej Copper Leonardo Energy. W imieniu swoim i współautora składam serdeczne podziękowania Panom: mgr. inż. Leszkowi Bożkowi, mgr. inż. Antoniemu Czerwińskiemu, a także prezesowi O/Warszawa Stowarzyszenia Polskich Energetyków mgr. inż. Witoldowi Zdunkowi za wnikliwą analizę treści oraz cenne uwagi, które pozwoliły na stworzenie ostatecznej wersji tej książki. Julian Wiatr 8 www.elektro.info.pl

1. Jakość energii elektrycznej 1.1. Parametry oceny jakości elektrycznej wg PN-EN 50160 i innych dokumentów Istnieją dwa zasadnicze czynniki składające się na jakość zasilania energią elektryczną: jakość energii, niezawodność dostaw energii. Parametry oceny jakości energii elektrycznej zostały określone w normie PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych [13] oraz PN-EN 61000 Kompatybilność elektromagnetyczna [14]. Norma PN-EN 50160 [13] definiuje parametry napięcia zasilającego oraz podaje dopuszczalne przedziały ich odchyleń w punkcie wspólnego przyłączenia w publicznych sieciach rozdzielczych nn (napięcie nominalne międzyprzewodowe nie wyższe od 1000 V) oraz SN (napięcie nominalne międzyprzewodowe w zakresie 1 kv do 35 kv), w normalnych warunkach eksploatacyjnych. Norma ta nie precyzuje wymagań w odniesieniu do warunków odniesionych do następujących sytuacji: zwarcie, zasilanie tymczasowe, sytuacje wyjątkowe pozostające poza kontrolą dostawcy, takie jak: a) b) c) d) złe warunki atmosferyczne i stany klęsk żywiołowych, zakłócenia spowodowane przez osoby trzecie, niedobór mocy wynikający ze zdarzeń zewnętrznych, zakłócenia powstające wskutek awarii urządzeń, których dostawca nie mógł przewidzieć. Zgodnie z normą PN-EN 50160 [13] parametry napięcia zasilającego można definiować następująco: Napięcie zasilające wartość skuteczna napięcia w określonej chwili w złączu sieci elektroenergetycznej, mierzona przez określony czas. Napięcie nominalne (U n ) wartość napięcia określająca i identyfikująca sieć elektroenergetyczną, do której odniesione są pewne parametry charakteryzujące jej pracę. Deklarowane napięcie zasilające (U c ) jest w warunkach normalnych równe napięciu nominalnemu (U c = U n ). Jeżeli w złączu w wyniku porozumienia zawartego pomiędzy odbiorcą i dostawcą napięcie różni się od nominalnego, wówczas to napięcie nazywa się napięciem deklarowanym (U c ). Normalne warunki pracy stan pracy sieci rozdzielczej, w którym spełnione są wymagania dotyczące zapotrzebowania mocy, obejmujący operacje łączeniowe i eliminację zaburzeń przez automatyczny system zabezpieczeń przy równoczesnym braku wyjątkowych okoliczności spowodowanych wpływami zewnętrznymi lub czynnikami pozostającymi poza kontrola dostawcy. Zmiana wartości napięcia zwiększenie lub zmniejszenie się wartości napięcia spowodowane zazwyczaj zmianą całkowitego obciążenia sieci rozdzielczej lub jego części. Uciążliwość migotania światła poziom dyskomfortu wzrokowego odczuwanego przez człowieka, spowodowanego migotaniem światła, które jest bezpośrednim skutkiem wahań napięcia. Wskaźnik krótkookresowego migotania światła (P st ) dotyczy okresu 10 minut i odnosi się do pojedynczego źródła światła. Wskaźnik długotrwałego migotania światła odnosi się do 2-godzinnego badania pojedynczego źródła lub do grupy odbiorników o losowym charakterze generowanych zakłóceń. Jest on obliczany na pod- www.elektro.info.pl 9

stawie pomiaru dwunastu sekwencji kolejnych wartości P st występujących w okresie 2 godzin, zgodnie z zależnością: P lt = P 12 sti 3 3 i= 1 12 (1) 95% wartości wskaźnika P lt obliczonego na podstawie wzoru 1. dla pomiarów wykonywanych w ciągu tygodnia, nie powinno przekraczać 1. Zapad napięcia zasilającego nagłe zmniejszenie się napięcia zasilającego do wartości zawartej w przedziale od 90% do 1% napięcia deklarowanego U c, po którym w krótkim czasie następuje wzrost napięcia do poprzedniej wartości. Graficznie zapad napięcia oraz jego parametry przedstawione zostały na rysunku 1. Przerwa w zasilaniu stan, w którym napięcie w złączu sieci elektroenergetycznej jest mniejsze niż 1% napięcia deklarowanego U c. Rozróżnia się następujące przerwy w zasilaniu: planowe gdy odbiorcy są wcześniej poinformowani, mające na celu wykonanie zaplanowanych prac na sieci rozdzielczej, przypadkowe spowodowane różnymi zdarzeniami o charakterze losowym. Przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej o relatywnie długim czasie trwania, zwykle kilka okresów częstotliwości sieciowej, powodowane głównie przez operacje łączeniowe, nagłe zmniejszenie obciążenia lub eliminowanie zwarć. Przepięcia przejściowe krótkotrwałe, oscylacyjne lub nieoscylacyjne, zwykle silnie tłumione przepięcia trwające kilka milisekund lub krócej, zwykle powodowane wyładowaniami atmosferycznymi lub operacjami łączeniowymi. Harmoniczne napięcia napięcie sinusoidalne o częstotliwości równej całkowitej krotności częstotliwości podstawowej napięcia zasilającego, określane: indywidualnie przez podanie względnej amplitudy napięcia k-tej harmonicznej U k odniesionej do napięcia składowej podstawowej U 1, łacznie, przez określenie współczynnika odkształcenia napięci THD U, obliczonego zgodnie z poniższą zależnością: THD 40 ( Uk ) 2 h= 2 U = U1 (2) Interharmoniczne napięcia napięcie sinusoidalne o częstotliwości zawartej pomiędzy harmonicznymi, tj. o częstotliwości nie będącej całkowitą krotnością częstotliwości składowej podstawowej. Niesymetria napięcia stan, w którym wartości skuteczne napięć fazowych lub kąty między kolejnymi fazami w sieci trójfazowej nie są równe. 10 www.elektro.info.pl

Tabela 1. Parametry określające jakość napięcia oraz dopuszczalne odchylenia tych parametrów od wartości znamionowych wg PN-EN 50160 [13] Lp. Parametr Warunki pomiaru i dopuszczalne odchylenie od wartości znamionowej 1 Częstotliwość Wartość średnia częstotliwości mierzonej przez 10 s powinna być zawarta w przedziale: a) 50 Hz ±1% tj. (49,5 50,5) Hz przez 95% tygodnia b) 50 Hz +4%/ 6% tj. (47 52) Hz przez 100% tygodnia 2 Wartość napięcia zasilającego Znormalizowane napięcie nominalne w sieciach publicznych niskiego napięcia powinno wynosić 230/400 V 3 Zmiany napięcia zasilającego Średnia wartość skuteczna napięcia mierzona w czasie 10 minut w normalnych warunkach pracy powinna wynosić w przedziale ±10% napięcia nominalnego przez 95% tygodnia 4 Szybkie zmiany napiecia Szybkie zmiany napięcia w normalnych warunkach pracy nie powinny przekraczać 5% U n (dopuszcza się w pewnych okolicznościach zmiany do 10% kilka razy w ciągu dnia) 5 Zapady napięcia zasilającego W normalnych warunkach zapady o wartości większej niż 10% U n mogą występować od kilkudziesięciu do tysiąca razy w roku 6 Krótkie przerwy w zasilaniu (do 3 minut) 7 Długie przerwy w zasilaniu (powyżej 3 minut) 8 Przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej 9 Przepięcia przejściowe o krótkim czasie trwania, oscylacyjne lub nieoscylacyjne 10 Niesymetria napięcia zasilającego 11 Harmoniczne napięcia zasilającego W normalnych warunkach pracy liczba krótkich przerw w zasilaniu może wynosić w ciągu roku od kilkudziesięciu do kilkuset Z pominięciem wyłączeń planowych, liczba krótkich przerw może dochodzić do 50 w ciągu roku Niektóre uszkodzenia po stronie pierwotnej transformatora mogą powodować przepięcia po stronie niskiego napięcia. Wartość tych przepięć nie przekracza 1500 V. W przypadku doziemień po stronie niskiego napięcia przepięcia te mogą uzyskiwać wartość 3 1500 V Powodowane są wyładowaniami atmosferycznymi i na ogół nie przekraczają wartości 6 kv Średnie wartości skuteczne składowej symetrycznej przeciwnej mierzone w czasie 10 minut, w normalnych warunkach pracy, w okresie każdego tygodnia, w 95% pomiarów nie powinny przekraczać 2% składowej zgodnej; w instalacjach odbiorców zasilanych jednofazowo lub międzyfazowo dopuszcza się niesymetrię w sieci trójfazowej do 3% Średnie wartości skuteczne poszczególnych harmonicznych mierzone czasie 10 minut w normalnych warunkach pracy, w okresie każdego tygodnia w 95% pomiarów nie powinny przekraczać wartości podanych w tabeli 2. Współczynnik THD U (określony wzorem 2.) napięcia zasilającego, uwzględniający harmoniczne do 40 włącznie nie powinien przekraczać 8% 12 Migotanie światła 95% wartości wskaźnika długotrwałego migotania światła P lt (określony wzorem 1.) mierzony w ciągu 1 tygodnia nie powinien przekraczać wartości 1 www.elektro.info.pl 11

Tabela 2. Dopuszczalne wartości poszczególnych harmonicznych napięcia w złączu sieci elektroenergetycznej dla rzędów do 25, w sieciach niskiego i średniego napięcia wyrażone w procentach napięcia znamionowego wg PN-EN50160 [13] Harmoniczne nieparzyste niebędące krotnością 3 Numer harmonicznej k 5 7 11 13 17 19 23 25 Wartość względna napięcia harmonicznej U h [%] 6 5 3,5 3 2 1,5 1,5 1,5 Harmoniczne nieparzyste będące krotnością 3 Rząd h 3 9 15 21 Wartość względna napięcia harmonicznej U h [%] 5 1,5 0,5 0,5 Rząd h 2 4 6-24 Harmoniczne parzyste Wartość względna napięcia harmonicznej U h [%] Uwaga! Nie podano wartości harmonicznych o rzędach większych niż 25, ponieważ są one zwykle małe i w dużym stopniu niemożliwe do przewidzenia ze względu na efekty rezonansu. 2 1 0,5 Na rysunkach 1. oraz 2. zostały przedstawione ilustracje graficzne parametrów służących do oceny jakości napięcia zasilającego. U zapad U ref amplituda U progowe T z U resztkowe t Rysunek 1. Ilustracja graficzna zapadu napięcia oraz jego parametrów: T z czas trwania zapadu (10 ms T z 1 min) Zgodnie z przywołaną na stronie 10. definicją, zapad napięcia to nagłe zmniejszenie się napięcia w sieci elektroenergetycznej poniżej zadanej wartości progowej, w czasie nie krótszym niż 10 ms zakończone powrotem napięcia do wartości równej lub bliskiej wartości początkowej. Krótka przerwa w zasilaniu to nagłe zmniejszenie się napięcia we wszystkich fazach sieci elektrycznej poniżej wartości progowej (zwykle 10% U n ) zakończone wzrostem napięcia przynajmniej w jednej fazie powyżej wartości progowej. Krótka przerwa w zasilaniu jest szczególnym przypadkiem zapadu napięcia. Zanik napięcia trwający nie dłużej niż 10 ms nazywa się mikroprzerwą. 12 www.elektro.info.pl

U 1,1 U A zakres zmian napięcia zasilającego przez 95% czasu zasilania U A 0,9 U A 1,1 U n (rms) U n (rms) 0,9 U n (rms) U (rms) t zapad napięcia, Δt > 10 ms krótka przerwa w zasilaniu Δt < 3 min Rysunek 2. Ilustracja parametrów służących do oceny jakości napięcia zasilajacego [4] Norma PN-EN 50160 [13] podaje tylko ogólne zakresy wartości napięcia zasilającego, które są dla dostawcy ekonomicznie i technicznie możliwe do utrzymania w publicznych sieciach zasilających. Wymagania zawarte w tej normie odnoszą się tylko do napięcia mierzonego w złączu instalacji i nie uwzględniają spadków napięć powodowanych przez prąd obciążenia zasilanych urządzeń. Przedstawione wymagania są w wielu przypadkach nie do zaakceptowania przez odbiorcę. Jeżeli wymagane są bardziej rygorystyczne warunki, musi zostać wynegocjowana oddzielna, szczegółowa umowa między dostawcą i odbiorcą. W wielu przypadkach wynegocjowanie warunków zasilania spełniających oczekiwania odbiorcy z powodów technicznych jest niemożliwe i konieczna jest instalacja źródeł napięcia awaryjnego oraz napięcia gwarantowanego. Wizualizację typowych zakłóceń napięcia mających istotny wpływ na pracę zasilanych urządzeń przedstawia rysunek 3. odkształcenia spowodowane wyższymi harmonicznymi wahania amplitudy wahania częstotliwości mikroprzerwy (t < 10 ms) zaniki napięcia przebieg pożądany idealna sinusoida Rysunek 3. Wizualizacja typowych zakłóceń napięcia mających istotny wpływ na pracę zasilanych urządzeń [2] www.elektro.info.pl 13

Źródłami zakłóceń są zdarzenia występujące podczas przesyłu i dystrybucji energii spowodowane czynnikami atmosferycznymi (burze, opady, mróz, wiatr itp.), czynnościami łączeniowymi oraz wpływem otoczenia elektrycznego (anomalie w pracy urządzeń dużej mocy, działanie innych odbiorników o niesinusoidalnym poborze prądu, awarie sieci itd.). Dlatego, mimo ciągłego udoskonalania sieci dystrybucyjnej i jakości dostarczanego produktu, jakim jest energia elektryczna, zakłócenia pojawiają się i ich całkowite wyeliminowanie nie jest technicznie możliwe. 1.2. Parametry jakościowe energii elektrycznej wg rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [DzU Nr 93/2007 poz. 623] wyciąg [3] Na podstawie art. 9 ust. 3 i 4 ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne [DzU Nr 89/2006, poz. 625, z późn. zm.] zarządza się, co następuje: (...) 37.1. Sprzedawca energii elektrycznej przekazuje odbiorcom informacje o: 1) strukturze paliw i innych nośników energii pierwotnej zużywanych do wytwarzania energii elektrycznej sprzedanej przez niego w poprzednim roku kalendarzowym, 2) miejscu, w którym są dostępne informacje o wpływie wytwarzania energii elektrycznej sprzedanej w poprzednim roku kalendarzowym na środowisko, w zakresie emisji dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, tlenków azotu, pyłów i radioaktywnych odpadów w terminie do dnia 31 marca. 2. Informacje, o których mowa w ust. 1, są przekazywane wraz z fakturą za energię elektryczną, w materiałach promocyjnych oraz są umieszczane na stronach internetowych sprzedawcy. 3. Zakres informacji, o których mowa w ust. 1, określa załącznik nr 2 do rozporządzenia. 38.1. Dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych I i II ustala się następujące parametry jakościowe energii elektrycznej w przypadku sieci funkcjonującej bez zakłóceń: 1) wartość średnia częstotliwości mierzonej przez 10 sekund w miejscach przyłączenia powinna być zawarta w przedziale: a) 50 Hz ±1% (od 49,5 Hz do 50,5 Hz) przez 99,5% tygodnia, b) 50 Hz +4%/ 6% (od 47 Hz do 52 Hz) przez 100% tygodnia; 2) w każdym tygodniu 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale odchyleń: a) ±10% napięcia znamionowego dla sieci o napięciu znamionowym 110 kv i 220 kv, b) +5%/ 10% napięcia znamionowego dla sieci o napięciu znamionowym 400 kv; 3) przez 95% czasu każdego tygodnia, wskaźnik długookresowego migotania światła P st spowodowanego wahaniami napięcia zasilającego nie powinien być większy od 0,8; 4) w ciągu każdego tygodnia 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych: a) składowej symetrycznej kolejności przeciwnej napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale od 0% do 1% wartości składowej kolejności zgodnej, b) dla każdej harmonicznej napięcia zasilającego powinno być mniejsze lub równe wartościom określonym w poniższej tabeli: 14 www.elektro.info.pl

Harmoniczne nieparzyste niebędące krotnością 3 będące krotnością 3 rząd harmonicznej (h) wartość względna napięcia w procentach składowej podstawowej (u h ) rząd harmonicznej (h) wartość względna napięcia w procentach składowej podstawowej (u h ) Harmoniczne parzyste rząd harmonicznej (h) wartość względna napięcia w procentach składowej podstawowej (u h ) 5 7 11 13 17 19 23 25 2% 2% 1,5% 1,5% 1% 1% 0,7% 0,7% 3 9 15 >21 >25 0,2 + 0,5 25/h 2% 1% 0,5% 0,5% 2 4 >4 1,5% 1% 0,5% 5) współczynnik odkształcenia wyższymi harmonicznymi napięcia zasilającego THD, uwzględniający wyższe harmoniczne do rzędu 40, powinien być mniejszy lub równy 3%; 6) warunkiem utrzymania parametrów napięcia zasilającego w granicach określonych w pkt 1 5 jest pobieranie przez odbiorcę mocy czynnej nie większej od mocy umownej, przy współczynniku tg ϕ nie większym niż 0,4. 2. Dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych I i II parametry jakościowe energii elektrycznej dostarczanej z sieci, o których mowa w ust. 1, mogą być zastąpione w całości lub w części innymi parametrami jakościowymi tej energii określonymi przez strony w umowie sprzedaży energii elektrycznej albo w umowie o świadczenie usług przesyłania lub dystrybucji energii elektrycznej. 3. Dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych III V ustala się następujące parametry jakościowe energii elektrycznej w przypadku sieci funkcjonującej bez zakłóceń: 1) wartość średnia częstotliwości mierzonej przez 10 sekund powinna być zawarta w przedziale: a) 50 Hz ±1% (od 49,5 Hz do 50,5 Hz) przez 99,5% tygodnia, b) 50 Hz +4%/ 6% (od 47 Hz do 52 Hz) przez 100% tygodnia; 2) w każdym tygodniu 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale odchyleń ±10% napięcia znamionowego; 3) przez 95% czasu każdego tygodnia wskaźnik długookresowego migotania światła P! t spowodowanego wahaniami napięcia zasilającego nie powinien być większy od 1; 4) w ciągu każdego tygodnia 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych: a) składowej symetrycznej kolejności przeciwnej napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale od 0% do 2% wartości składowej kolejności zgodnej, b) dla każdej harmonicznej napięcia zasilającego powinno być mniejsze lub równe wartościom określonym w poniższej tabeli: www.elektro.info.pl 15

Harmoniczne nieparzyste niebędące krotnością 3 będące krotnością 3 rząd harmonicznej (h) 5 7 11 13 17 19 23 25 wartość względna napięcia w procentach składowej podstawowej (u h ) 6% 5% 3,5% 3% 2% 1,5% 1,5% 1,5% rząd harmonicznej (h) 3 9 15 >15 wartość względna napięcia w procentach składowej podstawowej (u h ) 5% 1,5% 0,5% 0,5% Harmoniczne parzyste rząd harmonicznej (h) 2 4 >4 wartość względna napięcia w procentach składowej podstawowej (u h ) 2% 1% 0,5% 5) współczynnik odkształcenia wyższymi harmonicznymi napięcia zasilającego THD, uwzględniający wyższe harmoniczne do rzędu 40, powinien być mniejszy lub równy 8%; 6) warunkiem utrzymania parametrów napięcia zasilającego w granicach określonych w pkt 1 5 jest pobieranie przez odbiorcę mocy nie większej od mocy umownej, przy współczynniku tgϕ nie większym niż 0,4. 4. Przedsiębiorstwo energetyczne, do którego sieci są przyłączeni odbiorcy, może ustalić, dla poszczególnych grup przyłączeniowych, dopuszczalne poziomy zaburzeń parametrów jakościowych energii elektrycznej niepowodujących pogorszenia parametrów określonych w ust. 1 i 3 albo ustalonych w umowie sprzedaży energii elektrycznej lub umowie przesyłowej. 5. Napięcie znamionowe sieci niskiego napięcia odpowiada wartości 230/400V. 6. Dla grupy przyłączeniowej VI parametry jakościowe energii elektrycznej dostarczanej z sieci określa umowa o świadczenie usług przesyłania lub dystrybucji albo umowa kompleksowa. 7. Podmioty przyłączone do sieci o napięciu znamionowym 110 kv i wyższym powinny wprowadzać do tej sieci lub pobierać z tej sieci moc bierną przy współczynniku tgϕ mniejszym niż 0,4. 39.1. Przez współczynnik odkształcenia wyższymi harmonicznymi napięcia zasilającego THD, o którym mowa w 38, należy rozumieć współczynnik określający łącznie wyższe harmoniczne napięcia (u h ), obliczany według wzoru: THD = 40 h= 2 u h ( ) 2 gdzie: THD współczynnik odkształcenia harmonicznymi napięcia zasilającego, u h wartość względną napięcia w procentach składowej podstawowej, h rząd wyższej harmonicznej. 16 www.elektro.info.pl

2. Przez wskaźnik długookresowego migotania światła P t, o którym mowa w 38, należy rozumieć wskaźnik obliczany na podstawie sekwencji 12 kolejnych wartości wskaźników krótkookresowego migotania światła P st (mierzonych przez 10 minut) występujących w okresie 2 godzin, według wzoru: P = t Psti 12 12 3 i= 1 gdzie: P t wskaźnik długookresowego migotania światła, P st wskaźnik krótkookresowego migotania światła. 40.1. Ustala się następujące rodzaje przerw w dostarczaniu energii elektrycznej: 1) planowane wynikające z programu prac eksploatacyjnych sieci elektroenergetycznej; czas trwania tej przerwy jest liczony od momentu otwarcia wyłącznika do czasu wznowienia dostarczania energii elektrycznej; 2) nieplanowane spowodowane wystąpieniem awarii w sieci elektroenergetycznej, przy czym czas trwania tej przerwy jest liczony od momentu uzyskania przez przedsiębiorstwo energetyczne zajmujące się przesyłaniem lub dystrybucją energii elektrycznej informacji o jej wystąpieniu do czasu wznowienia dostarczania energii elektrycznej. 2. Przerwy w dostarczaniu energii elektrycznej w zależności od czasu ich trwania dzieli się na przerwy *) : 1) przemijające (mikroprzerwy), trwające krócej niż 1 sekundę, 2) krótkie, trwające nie krócej niż 1 sekundę i nie dłużej niż 3 minuty, 3) długie, trwające nie krócej niż 3 minuty i nie dłużej niż 12 godzin, 4) bardzo długie, trwające nie krócej niż 12 godzin i nie dłużej niż 24 godziny, 5) katastrofalne, trwające dłużej niż 24 godziny. 3. Przerwa planowana, o której odbiorca nie został powiadomiony w formie, o której mowa w 42 pkt 4, jest traktowana jako przerwa nieplanowana. 4. Dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych I III i VI dopuszczalny czas trwania jednorazowej przerwy planowanej i nieplanowanej w dostarczaniu energii elektrycznej oraz dopuszczalny łączny czas trwania w ciągu roku kalendarzowego wyłączeń planowanych i nieplanowanych określa umowa o świadczenie usług przesyłania lub dystrybucji albo umowa kompleksowa. 5. Dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych IV i V dopuszczalny czas trwania: 1) jednorazowej przerwy w dostarczaniu energii elektrycznej nie może przekroczyć w przypadku: a) przerwy planowanej 16 godzin, b) przerwy nieplanowanej 24 godzin; 2) przerw w ciągu roku stanowiący sumę czasów trwania przerw jednorazowych długich i bardzo długich nie może przekroczyć w przypadku: a) przerw planowanych 35 godzin, b) przerw nieplanowanych 48 godzin. 6. Przedsiębiorstwo energetyczne dokonuje pomiaru przekroczenia mocy umownej jako maksymalnej wielkości nadwyżek mocy ponad moc umowną rejestrowaną w cyklach godzinowych lub jako maksymalną wielkość nadwyżki mocy ponad moc umowną wyznaczoną w okresie rozliczeniowym, o ile układy pomiarowo-rozliczeniowe nie pozwalają na rejestracje w cyklu godzinowym. *) Tu pojawiają się rozbieżności pomiędzy określeniami podanymi w PN-EN 50160 [13]. www.elektro.info.pl 17

7. Mierzona moc czynna pobierana lub wprowadzana do sieci przez podmiot przyłączony jest określona jako wartość maksymalna wyznaczana w ciągu każdej godziny okresu rozliczeniowego ze średnich wartości tej mocy rejestrowanych w okresach 15 minutowych. 41.1. Operator systemu przesyłowego elektroenergetycznego podaje do publicznej wiadomości na swojej stronie internetowej następujące wskaźniki dotyczące czasu trwania przerw w dostarczaniu energii elektrycznej: 1) wskaźnik energii elektrycznej niedostarczonej do systemu przesyłowego elektroenergetycznego (ENS), stanowiący sumę iloczynów mocy niedostarczonej wskutek przerwy i czasu trwania tej przerwy, obejmujący przerwy krótkie, długie i bardzo długie; 2) wskaźnik średniego czasu przerwy w systemie przesyłowym elektroenergetycznym (AIT), stanowiący iloczyn liczby 60 i wskaźnika energii niedostarczonej do systemu przesyłowego elektroenergetycznego (ENS) podzielony przez średnią moc dostarczaną przez system przesyłowy elektroenergetyczny wyrażoną w MW. Średnia moc dostarczana przez system przesyłowy elektroenergetyczny stanowi energię elektryczną dostarczoną przez system przesyłowy elektroenergetyczny w ciągu roku wyrażoną w MWh i podzieloną przez liczbę godzin w ciągu roku (8760 h). 2. Operator systemu dystrybucyjnego elektroenergetycznego podaje do publicznej wiadomości na swojej stronie internetowej następujące wskaźniki dotyczące czasu trwania przerw w dostarczaniu energii elektrycznej: 1) wskaźnik przeciętnego systemowego czasu trwania przerwy długiej (SAIDI), stanowiący sumę iloczynów czasu jej trwania i liczby odbiorców narażonych na skutki tej przerwy w ciągu roku, podzieloną przez łączną liczbę obsługiwanych odbiorców, 2) wskaźnik przeciętnej systemowej częstości przerw długich (SAIFI), stanowiący liczbę wszystkich tych przerw w ciągu roku, podzieloną przez łączną liczbę obsługiwanych odbiorców wyznaczone oddzielnie dla przerw planowanych i nieplanowanych; 3) wskaźnik przeciętnej częstości przerw krótkich (MAIFI), stanowiący liczbę wszystkich przerw krótkich w ciągu roku, podzieloną przez łączną liczbę obsługiwanych odbiorców. 1.3. Wpływ wahania napięcia na pracę niektórych odbiorników Wahania napięcia występujące w sieciach zasilających powodują szereg zjawisk wpływających negatywnie na procesy produkcyjne, których koszty ekonomiczne mogą być niekiedy znaczące. Nie bez znaczenia są również skutki psychofizyczne, które wpływają na obniżenie wydajności pracowników. Mają one wpływ także na pracę aparatury stycznikowo-przekaźnikowej, wywołując niekiedy przerwy w procesie produkcyjnym. Prawidłowe działanie urządzeń elektrycznych wymaga zasilania napięciem o wartości zbliżonej do wartości nominalnej. Wszelkie odchylenia wartości napięcia od wartości nominalnej powodują zmianę sprawności urządzeń, zmiany wartości pobieranej przez nie mocy, połączony z dodatkowymi stratami i skróceniem czasu eksploatacji. Długotrwałe odchylenia mogą spowodować zadziałanie zabezpieczeń, a w konsekwencji przerwy w zasilaniu. W celu przybliżenia wpływu złej jakości energii elektrycznej dostarczanej do zasilanych urządzeń zostanie przedstawiony wpływ napięcia zasilającego na oświetlenie oraz silniki elektryczne. Oświetlenie Zmieniające się w dopuszczalnych granicach napięcie zasilające (±10% U n ) źródła światła powoduje, że zmiany strumienia świetlnego wyniosą odpowiednio 70% i 140% strumienia znamionowego. Ponadto w przypadku długotrwale utrzymującej się wartości napięcia większej o 10% w stosunku do wartości nominalnej następuje skrócenie czasu eksploatacji żarówki o 25%. 18 www.elektro.info.pl

Znacznie mniejszy wpływ na wartość strumienia świetlnego posiadają lampy wyładowcze. Zmiany wartości strumienia świetlnego w zależności od zmian napięcia zasilającego można wyrazić następującą zależnością: φ U γ = ( ) (3) φ U n gdzie: φ rzeczywista wartość strumienia świetlnego, φ n znamionowa wartość strumienia świetlnego, U rzeczywista wartość napięcia zasilającego, U n nominalna wartość napięcia zasilającego, γ współczynnik przyjmowany dla lamp żarowych jako (3,1 3,7) oraz dla lamp wyładowczych jako 1,8. Natomiast czas eksploatacji (trwałości) źródeł światła w zależności od wartości napięcia zasilającego można wyznaczyć w następujący sposób: D D n n U = ( ) 14 (4) U gdzie: D czas eksploatacji lampy żarowej, D n trwałość przy znamionowej wartości napięcia zasilającego U n. n W praktyce wartość napięcia zasilającego zmienia się ciągle, w zależności od warunków eksploatacji obciążenia sieci zasilającej, przez co zapisy normy PN-EN 50160 [13] odnoszą się do dobowych zmian napięcia, a nie do jego wartości chwilowych. Zmiany względnej wartości strumienia świetlnego lampy żarowej i wyładowczej oraz trwałości lampy żarowej w funkcji zmian napięcia zasilającego zostały przedstawione na rysunkach 4. i 5. 1,5 względna wartość strumienia 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 lampa żarowa lampa wyładowcza 0,6 0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 względna wartość napięcia znamionowego Rysunek 4. Względna wartość strumienia świetlnego lampy żarowej i wyładowczej jako funkcja zmian wartości napięcia zasilającego [4] www.elektro.info.pl 19

4,0 względna trwałość T T n 3,0 2,0 1,0 0 0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 względna wartość napięcia zasilającego U U n Rysunek 5. Względna wartość czasu eksploatacji lampy żarowej jako funkcja zmian napięcia zasilającego [4]: T trwałość rzeczywista, T n trwałość deklarowana przez producenta, U napięcie rzeczywiste, U n napięcie nominalne Silniki elektryczne Dla silników elektrycznych zmiany wartości napięcia zasilającego objawiają się zmianami momentu, który jest zależny od kwadratu wartości napięcia zasilającego. W praktyce rozruch silników przebiega bez zakłóceń przy napięciu zasilajacym o wartosci nie mniejszej niż 0,85 U n przy tzw. rozruchu ciężkim oraz dla wartości napięcia zasilającego wynoszącego nie mniej niż 0,7 U n przy tzw. rozruchu lekkim. W przypadku pracy długotrwałej przy napięciu, którego wartość odbiega od wartości określonej przez normę PN-EN 50160 [13] jako wartości dopuszczalne (±10% U n ) może mieć negatywne skutki. Dla napięcia o wartości 1,1 U n będzie to przeciążenie, które w konsekwencji spowoduje zadziałanie zabezpieczeń cieplnych. Natomiast przy napięciu wynoszącym 0,9 U n, wskutek nadmiernego poboru mocy, nastąpi zadziałanie zabezpieczeń przeciążeniowych. Wszelkie zapady napięcia mogą powodować niepożądane działanie zabezpieczeń chroniących silnik przed zanikami napięcia. Znaczny wpływ na poprawną pracę silnika elektrycznego mają parametry zwarciowe sieci zasilającej. Zbyt duża wartość impedancji obwodu zasilającego skutkuje nadmiernymi spadkami napięcia, które powodują długotrwałe obniżenie napięcia zasilającego na zaciskach silnika podczas normalnej pracy. Wpływ momentu wytwarzanego przez harmoniczne na charakterystykę mechaniczną silnika przedstawia rysunek 6. M moment od częstotliwości podstawowej moment wypadkowy moment 5 harmonicznej moment obciążenia (hamujący) moment 7 harmonicznej n n 1 /5; s=1,2 n=0; s=1 n 1 /7; s=0,857 n 1 ; s=0 Rysunek 6. Wpływ momentu asynchronicznego wytwarzanego przez harmoniczne na charakterystykę momentu silnika asynchronicznego [4] 20 www.elektro.info.pl

Niedostępne w wersji demonstracyjnej. Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki w serwisie