M M MM << Powrót Filtracja i detekcja harmonicznych M M M M M M M M
Spis treêci Wprowadzenie... 5. Wy sze harmoniczne - definicja i przyczyny wyst powania... 5.. Odkszta cenie sygna u sinusoidalnego... 5.. Przyczyny wyst powania wy szych harmonicznych... 6. Dlaczego nale y wykrywaç i przeciwdzia aç odkszta ceniu sygna ów?... 9.. Zak ócenia powodowane przez wy sze harmoniczne... 9.. Ekonomiczne konsekwencje zak óceƒ... 9..3 Wzrastajàce znaczenie problemu... 9..4 Zagadnienie praktyczne: które harmoniczne nale y mierzyç i ograniczaç?... 9 Najwa niejsze wskaêniki odkszta cenia oraz zasady ich pomiaru... 0. Wspó czynnik mocy... 0.. Definicja... 0.. nterpretacja wartoêci wspó czynnika mocy... 0. Wspó czynnik szczytu... 0.. Definicja... 0.. nterpretacja wartoêci wspó czynnika szczytu... 0.3 Moce dla przebiegów odkszta conych....3. Moc czynna....3. Moc bierna....3.3 Moc deformacji....4 Widmo cz stotliwoêciowe i zawartoêç harmonicznych....4. Podstawy....4. Procentowa zawartoêç harmonicznych....4.3 Widmo cz stotliwoêciowe....4.4 WartoÊç skuteczna....5 Wspó czynnik odkszta cenia (THD)... 3.5. Definicja wspó czynnika odkszta cenia... 3.5. Wspó czynnik THD dla pràdu i napi cia... 3.5.3 Wspó czynnik THF... 3.5.4 Zale noêç pomi dzy wspó czynnikiem mocy a wspó czynnikiem THD... 4.6 Porównanie przydatnoêci wskaêników odkszta cenia... 5 3Pomiar wartoêci wskaêników... 6 3. Aparatura pomiarowa... 6 3.. Wybór aparatury pomiarowej... 6 3.. Funkcje analizatorów cyfrowych... 6 3..3 Zasada dzia ania analizatorów cyfrowych oraz technika przetwarzania informacji... 6 3. Analiza harmoniczna przebiegów w sieci rozdzielczej... 7 3.3 Przewidywanie potrzeb w zakresie pomiaru odkszta ceƒ... 8 3.3. Zalety aparatury pomiarowej zainstalowanej na sta e... 8 3.3. Zalety zintegrowanej aparatury do pomiaru i detekcji... 8 4 Wp yw odkszta cenia przebiegów na instalacj... 9 4. Rezonans... 9 4. Zwi kszone straty... 0 4.. Straty w przewodach... 0 4.. Straty w maszynach asynchronicznychs... 4..3 Straty w transformatorach... 4..4 Straty w kondensatorach... 4.3 Przecià enia urzàdzeƒ... 4.3. Generatory... 4.3. Zasilacze awaryjne UPS... 4.3.3 Transformatory...
Spis treêci 4.3.4 Maszyny asynchroniczne... 4.3.6 Kondensatory... 4 4.3.6 Przewody neutralne... 4 4.4 Wp yw na odbiorniki wra liwe na zak ócenia... 6 4.4. Odkszta cenie napi cia zasilania... 6 4.4. Zak ócenia linii telefonicznych... 6 4.5 Konsekwencje ekonomiczne... 6 4.5. Straty mocy... 6 4.5. Koszty zwiàzane z zamawianiem dodatkowej mocy... 6 4.5.3 Dobór wyposa enia o podwy szonych parametrach... 6 4.5.4 Ograniczenie czasu ycia urzàdzeƒ... 7 4.5.5 Przypadkowe zadzia anie zabezpieczeƒ oraz wy àczanie instalacji... 7 4.5.6 Przyk ady... 7 5 Normy i przepisy wprowadzajàce... 8 5. ZgodnoÊç norm dotyczàcych sieci rozdzielczej oraz norm dla urzàdzeƒ... 8 5. Normy jakoêci dla sieci rozdzielczej... 8 5.3 Normy odnoszàce si do urzàdzeƒ... 8 5.4 Maksymalna dopuszczalna zawartoêç harmonicznych... 9 6 Rozwiàzania pozwalajàce na ograniczenie zawartoêci wy szych harmonicznych... 30 6. Rozwiàzania ogólne... 30 6.. Umiejscowienie zak ócajàcych odbiorników... 30 6.. Grupowanie zak ócajàcych odbiorników... 30 6..3 Separacja êród a zasilania... 3 6..4 Zastosowanie transformatorów o specjalnych rodzajach po àczeƒ... 3 6..5 nstalowanie d awików... 3 6..6 Wybór odpowiedniego uk adu sieci... 3 6. Rozwiàzania stosowane po przekroczeniu wartoêci granicznych 33 6.. Filtry pasywne... 33 6.. Filtry aktywne... 33 6..3 Filtry hybrydowe... 34 6..4 Kryteria doboru... 35 7 Aparatura firmy Schneider Electric do wykrywania wy szych harmonicznych... 36 7. Detekcja... 36 7.. Modu y pomiarowe... 36 7.. Wykorzystanie danych dostarczonych przez modu y pomiarowe... 37 7. Dobór aparatury... 38 8 Rozwiàzywanie problemów odkszta cenia przebiegów z pomocà firmy Schneider Electric... 40 8. Zakres analizy i diagnostyki przeprowadzanej przez specjalistów z Schneider Electric... 40 8. Urzàdzenia do eliminacji wy szych harmonicznych oferowane przez Schneider Electric... 4 8.. Filtry pasywne... 4 8.. Filtry aktywne (MGE UPS SYSTEMS)... 4 8..3 Filtry hybrydowe... 4 8..4 Dobór filtrów... 4 Literatura... 43 3
Wprowadzenie W skrócie Odkszta cenie przebiegów pràdu i/lub napi cia wy szymi harmonicznymi powoduje zak ócenia w sieci rozdzielczej oraz obni enie jakoêci energii elektrycznej.. Wy sze harmoniczne - definicja i przyczyny wyst powania.. Odkszta cenie sygna u sinusoidalnego Zgodnie z twierdzeniem Fouriera okresowe funkcje niesinusoidalne mogà byç reprezentowane poprzez sum nast pujàcych sk adników (szereg Fouriera): c sk adowej sinusoidalnej o cz stotliwoêci podstawowej, c sk adowych sinusoidalnych (wy szych harmonicznych) o cz stotliwoêciach b dàcych wielokrotnoêciami cz stotliwoêci podstawowej, c sk adowej sta ej (mo e nie wyst powaç). Harmoniczna rz du n-tego (cz sto nazywana po prostu n-tà harmonicznà) sygna u jest przebiegiem sinusoidalnym o cz stotliwoêci, która jest n razy wi ksza od cz stotliwoêci podstawowej. Rozwini cie funkcji okresowej w szereg Fouriera przedstawiono poni ej: n= y( t) = Yo + Yn sin( nωt ϕn) n= gdzie: c Yo: wartoêç sk adowej sta ej (DC), najcz Êciej wynosi zero i tak te przyj to w dalszej cz Êci, c Yn: wartoêç skuteczna n-tej harmonicznej, c w: pulsacja (cz stotliwoêç kàtowa) sk adowej podstawowej, c j n : przesuni cie n-tej harmonicznej dla t = 0 (faza). Przyk adowo dla przebiegów (pràdu i napi cia) w francuskiej sieci rozdzielczej: c wartoêç cz stotliwoêci podstawowej (harmonicznej pierwszego rz du) wynosi 50 Hz, c cz stotliwoêç drugiej harmonicznej wynosi 00 Hz, c cz stotliwoêç trzeciej harmonicznej wynosi 50 Hz, c cz stotliwoêç czwartej harmonicznej wynosi 00 Hz, c itd. Sygna odkszta cony jest sumà pewnej liczby harmonicznych. Rys. przedstawia przyk ad odkszta conego przebiegu pràdu, zawierajàcego wy sze harmoniczne. E555 przebieg Total wypadkowy peak szczyt. ( c ) rms wart. ( G skut. ) sk adowa Fundamental 50 Hz podstawowa h Harmonic harmoniczna 3 (50 Hz) 3 h3 harmoniczna Harmonic 5 (50 Hz) 5 h5 Harmonic harmoniczna 7 (350 Hz) 7 Harmonic harmoniczna 9 (450 Hz) 9 h7 h9 Rys. Przyk ad odkszta conego przebiegu pràdu oraz jego rozk ad na poszczególne harmoniczne rz du, 3, 5, 7 i 9 5
Wprowadzenie Reprezentacja harmonicznych: widmo cz stotliwoêciowe Widmo cz stotliwoêciowe s u y do graficznego przedstawienia harmonicznych zawartych w sygnale. Wykres przedstawia amplitud ka dej harmonicznej. Ten rodzaj reprezentacji uzyskuje si w wyniku przeprowadzenia analizy widmowej. Widmo cz stotliwoêciowe pokazuje, które harmoniczne sà obecne w sygnale i jak du y jest ich udzia. E5553 Rys. przedstawia widmo cz stotliwoêciowe sygna u z rys.. (%) 00 50 50 50 350 450 f(hz) Rys.. Widmo sygna u zawierajàcego sk adowà podstawowà o cz stotliwoêci 50 Hz oraz harmoniczne rz du 3 (50 Hz), 5 (50 Hz), 7 (350 Hz) i 9 (450 Hz)... Przyczyny wyst powania wy szych harmonicznych Urzàdzenia powodujàce powstawanie wy szych harmonicznych sà u ytkowane przez wszystkich odbiorców: przemys owych, komercyjnych i indywidualnych. Wy sze harmoniczne spowodowane sà przez odbiorniki nieliniowe. Definicja odbiornika nieliniowego Odbiornik uznaje si za nieliniowy, jeêli pobierany przez ten odbiornik pràd nie posiada takiego samego kszta tu jak jego napi cie zasilania. Przyk ady odbiorników nieliniowych Typowymi odbiornikami nieliniowymi sà urzàdzenia zawierajàce uk ady energoelektroniczne. Odbiorniki takie sà coraz powszechniej stosowane i ich udzia procentowy w ogólnym zu yciu energii stale roênie. Przyk ady odbiorników nieliniowych: c urzàdzenia przemys owe (maszyny spawalnicze, piece ukowe, piece indukcyjne, uk ady prostownicze), c nap dy bezstopniowe dla silników pràdu sta ego oraz asynchronicznych, c sprz t biurowy (komputery PC, kserokopiarki, faksy, itd.), c sprz t domowy (telewizory, kuchenki mikrofalowe, lampy fluoroscencyjne, itd.) c uk ady zasilania awaryjnego - UPS-y. WejÊcie w stan nasycenia urzàdzenia (dotyczy to przede wszystkim transformatorów) jest równie przyczynà odkszta cenia przebiegów pràdów. 6
W skrócie Odkszta cenie pràdu jest spowodowane przez nieliniowe odbiorniki przy àczone do sieci rozdzielczej. Przep yw w sieci odkszta conego pràdu przez impedancje powoduje z kolei odkszta cenie napi cia zasilajàcego. E5554 Zak ócenia powodowane przez odbiorniki nieliniowe odkszta cenie pràdu i napi cia Przy àczenie odbiorników nieliniowych powoduje przep yw w sieci rozdzielczej odkszta conych pràdów. Odkszta cenie napi cia jest spowodowane przez przep yw odkszta conego pràdu przez impedancje obwodu zasilajàcego (np. transformatora oraz sieci rozdzielczej na rys. 3). Z A h B odbiornik Non-linear nieliniowy load h Rys. 3. Schemat jednoliniowy pokazujàcy impedancj obwodu zasilajàcego dla harmonicznej rz du h Nale y zauwa yç, e impedancja przewodów roênie wraz ze wzrostem cz stotliwoêci pràdu p ynàcego przez te przewody. Dlatego dla ka dej h-tej harmonicznej wyró nia si odpowiadajàcà jej impedancj obwodu zasilajàcego Z h. Zgodnie z prawem Ohma przep yw h-tej harmonicznej pràdu przez impedancj Z h powoduje spadek napi cia U h, gdzie U h = Z h x h. W zwiàzku z tym napi cie w punkcie B jest odkszta cone i wszystkie urzàdzenia umieszczone na odp ywie tego punktu b dà zasilane napi ciem odkszta conym. Odkszta cenie napi cia zwi ksza si wraz ze wzrostem poziomu impedancji w sieci rozdzielczej. Przep yw wy szych harmonicznych w sieci rozdzielczej W celu lepszego zrozumienia zjawiska wyst powania wy szych harmonicznych pràdu, mo na sobie wyobraziç, e odbiorniki nieliniowe wstrzykujà pràdy wy szych harmonicznych do sieci rozdzielczej na dop ywie w kierunku Êród a. Rys. 4a i 4b pokazujà instalacj, w której wyst pujà odkszta cenia przebiegów. Rys. 4a przedstawia przep yw sk adowej podstawowej pràdu (50 Hz), natomiast rys.4b harmonicznej rz du h. E5555 Z l 50 Hz odbiornik Non-linear nieliniowy load Rys. 4a. Schemat instalacji zasilajàcej odbiornik nieliniowy z uwzgl dnieniem tylko sk adowej podstawowej (50 Hz) pràdu E5556 Z h h odbiornik Non-linear nieliniowy load V h V h = harmonic h-ta harmoniczna voltagenapi cia = Z s x h Rys. 4b. Schemat tej samej instalacji pokazujàcy zjawiska zwiàzane z wyst powaniem harmonicznej rz du h Zasilanie odbiornika nieliniowego powoduje przep yw w sieci pràdu 50 Hz (rys. 4a), do którego dodajà si pràdy poszczególnych harmonicznych h (rys. 4b). 7
Wprowadzenie Korzystajàc z modelu odbiorników nieliniowych wstrzykujàcych wy sze harmoniczne pràdu do sieci rozdzielczej, mo na przedstawiç omawiane zjawisko graficznie (rys. 5). E5557 Zasilanie Backup power rezerwowe source G h a Prostowniki Rectifiers Piece Arc furnaces ukowe Spawarki Welding machines Baterie Power kondensatorów factor do korekcji correction wspó czynnika mocy h b Nap dy Variable-speed bezstopniowe drives SN/nn MV/LV A Σ h and oraz distorted odkszta cone voltage napi cie h d h e Lampy Fluorescent or fluoroscencyjne discharge lamps lub wy adowcze Devices Urzàdzenia drawing pobierajàce rectified wyprostowany currents pràd (television, (telewizory, systemy computer systems, komputerowe, etc...) itd.) Harmonic Odkszta cenie disturbances przebiegów to w distribution sieci rozdzielczej systemoraz and u innych other odbiorców users (nie powodujà (do powstawania not create harmonics) wy szych harmonicznych) Odbiorniki Linear loads liniowe Rys. 5. Przep yw wy szych harmonicznych pràdów w sieci rozdzielczej Nale y zwróciç uwag na to, e pewne odbiorniki powodujà odkszta cenie przebiegów w sieci rozdzielczej, a praca pozosta ych odbiorników jest przez to zak ócona. 8
. Dlaczego nale y wykrywaç i przeciwdzia aç odkszta ceniu sygna ów?.. Zak ócenia powodowane przez wy sze harmoniczne Przep yw wy szych harmonicznych w sieci rozdzielczej powoduje pogorszenie jakoêci energii i w konsekwencji jest przyczynà ró norodnych problemów: c przecià enia sieci spowodowanego wzrostem wartoêci skutecznej pràdu, c przecià enia przewodów neutralnych spowodowanego sumowaniem si harmonicznych rz du trzeciego wywo anych przez odbiorniki jednofazowe, c przecià enia, wibracji oraz przedwczesnego starzenia si generatorów, transformatorów, silników, itd., c przecià enia oraz przedwczesnego starzenia si baterii kondensatorów przeznaczonych do korekcji wspó czynnika mocy, c odkszta cenia napi cia zasilajàcego, powodujàcego zak ócenia w pracy wra liwych odbiorników, c zak óceƒ w sieciach komunikacyjnych i liniach telefonicznych... Ekonomiczne konsekwencje zak óceƒ Wy sze harmoniczne majà powa ne konsekwencje ekonomiczne: c przedwczesne starzenie si urzàdzeƒ, a w efekcie koniecznoêç ich wczeêniejszej wymiany (z wyjàtkiem sytuacji, gdy urzàdzenia zosta y przewymiarowane przy projektowaniu), c przecià enie sieci rozdzielczej powoduje koniecznoêç zwi kszenia poziomu zamawianej energii, uwzgl dniajàc dodatkowe straty, c odkszta cenie pràdu powoduje nieuzasadnione wyzwalanie zabezpieczeƒ, a tym samym niepotrzebne przestoje maszyn i linii produkcyjnych. Dodatkowe koszty urzàdzeƒ, energii oraz produkcyjne prowadzà w efekcie do zmniejszenia konkurencyjnoêci firmy na rynku...3 Wzrastajàce znaczenie problemu Zaledwie dziesi ç lat temu wy sze harmoniczne nie stanowi y powa nego problemu. Wynika o to z ich relatywnie niewielkiego wp ywu na sieç rozdzielczà. Jednak gwa towny wzrost liczby odbiorników zawierajàcych uk ady energoelektroniczne spowodowa znaczàce pogorszenie si sytuacji...4 Zagadnienie praktyczne: które harmoniczne nale y mierzyç i ograniczaç? Harmoniczne najcz Êciej wyst pujàce (i w zwiàzku z tym majàce najbardziej negatywne skutki) w trójfazowej sieci rozdzielczej to harmoniczne nieparzystego rz du (, 5, 7, itd.). Harmoniczne pràdu rz du wy szego ni 50-go sà pomijalnie ma e i ich pomiar jest niepotrzebny. Wystarczajàca dok adnoêç pomiaru jest osiàgana przy uwzgl dnieniu harmonicznych do rz du 0-go. Dostawcy monitorujà harmoniczne rz du, 5, 7, oraz 3. Wynika z tego koniecznoêç ograniczania harmonicznych do rz du 3-go, a najlepiej do rz du 5-go. 9
W skrócie stnieje kilka wskaêników, które pozwalajà oszacowaç odkszta cenie przebiegów pràdu i napi cia. Nale à do nich: c wspó czynnik mocy, c wspó czynnik szczytu, c moc deformacji, c widmo cz stotliwoêciowe, c wspó czynnik odkszta cenia. Najwa niejsze wskaêniki odkszta cenia oraz zasady ich pomiaru. Wspó czynnik mocy Wspó czynnik mocy b dzie w tym dokumencie oznaczany symbolem PF... Definicja Wspó czynnik mocy jest stosunkiem mocy czynnej P do mocy pozornej S P PF = S W argonie elektrycznym wspó czynnik mocy jest cz sto mylony z cosϕ, który mo na zdefiniowaç w nast pujàcy sposób: cosϕ = P S gdzie: P moc czynna dla sk adowej podstawowej, S moc pozorna dla sk adowej podstawowej. Na podstawie powy szego równania mo na stwierdziç, e cosϕ odnosi si tylko do sk adowej podstawowej. JeÊli w przebiegach obecne sà wy sze harmoniczne, to jego wartoêç ró ni si od wartoêci wspó czynnika mocy... nterpretacja wartoêci wspó czynnika mocy Pierwszà oznakà wyst powania znacznego odkszta cenia przebiegu jest ró nica pomi dzy zmierzonà wartoêcià wspó czynnika mocy a cosϕ (wspó czynnik mocy jest mniejszy od cosϕ).. Wspó czynnik szczytu.. Definicja Wspó czynnik szczytu jest stosunkiem wartoêci szczytowej pràdu lub napi cia ( m lub U m ) do wartoêci skutecznej tego pràdu lub napi cia. k = m rms or k = U U m rms Dla przebiegów sinusoidalnych wspó czynnik szczytu jest równy r. Dla przebiegów niesinusoidalnych wspó czynnik szczytu jest mniejszy lub wi kszy od r. Wskaênik ten jest szczególnie przydatny do wykrywania przebiegów o wyjàtkowych wartoêciach szczytowych w odniesieniu do wartoêci skutecznej... nterpretacja wartoêci wspó czynnika szczytu Typowa wartoêç wspó czynnika szczytu dla pràdu odbiornika nieliniowego jest du o wi ksza od r. Jego wartoêç mieêci si w granicach od.5 do lub nawet do 5 w sytuacjach krytycznych. Du a wartoêç wspó czynnika szczytu oznacza, e od czasu do czasu w instalacji wyst pujà pràdy przecià eniowe o bardzo du ym nat eniu. Pràdy te mogà byç przyczynà nieuzasadnionego zadzia ania zabezpieczeƒ. 0
.3 Moce dla przebiegów odkszta conych.3. Moc czynna Moc czynna P przebiegu odkszta conego jest sumà mocy czynnych odpowiadajàcych harmonicznym napi cia i pràdu o tej samej cz stotliwoêci. Moc czynnà mo na wi c wyraziç za pomocà nast pujàcego szeregu: P = h= U cosϕ h h h gdzie ϕ h jest przesuni ciem fazowym pomi dzy napi ciem i pràdem dla harmonicznej rz du h. Uwaga: c za o ono, e przebiegi nie zawierajà sk adowej sta ej, tzn. U 0 = 0 = 0, c jeêli przebiegi nie sà odkszta cone, to obowiàzuje równanie P = U cos ϕ w którym cosϕ jest równe cosϕ..3. Moc bierna Moc bierna Q odnosi si wy àcznie do sk adowej podstawowej i jest zdefiniowana przez równanie: Q=U..sinϕ.3.3 Moc determinacji Moc pozorna jest zdefiniowana w nast pujàcy sposób: S= U. rms rms W przypadku przebiegów odkszta conych powy sze równanie przyjmuje postaç: S = Uh h. n= 4 n= W tym przypadku zale noêç S =P +Q nie obowiàzuje. Moc deformacji D jest zdefiniowana przez równanie S =P +Q +D, czyli: D= S P Q
Najwa niejsze wskaêniki odkszta cenia oraz zasady ich pomiaru.4 Widmo cz stotliwoêciowe i zawartoêç harmonicznych.4. Podstawy Pràd odkszta cony pobierany przez urzàdzenie nieliniowe mo e zostaç scharakteryzowany poprzez amplitudy i fazy jego harmonicznych. Powy sze wartoêci, a szczególnie wartoêci amplitudy, majà podstawowe znaczenie przy analizie odkszta cenia przebiegu..4. Procentowa zawartoêç harmonicznych Procentowa zawartoêç harmonicznej jest zdefiniowana jako stosunek wartoêci skutecznej napi cia lub pràdu dla harmonicznej rz du h do wartoêci skutecznej sk adowej podstawowej: u h U (%) = 00 U h or i h (%) = 00 h.4.3 Widmo cz stotliwoêciowe Dzi ki narysowaniu amplitud poszczególnych harmonicznych na jednym wykresie otrzymuje si graficzne przedstawienie widma cz stotliwoêciowego. Wyznaczanie widma nazywane jest analizà widmowà. Rys. 6 pokazuje analiz widmowà przebiegu prostokàtnego. E55530 U(t) E5553 H % 00 t 33 0 0 3 4 5 6 h Rys.6. Analiza widmowa prostokàtnego przebiegu napi cia u(t).4.4 WartoÊç skuteczna WartoÊç skuteczna napi cia lub pràdu jest wyznaczana na podstawie wartoêci skutecznych poszczególnych harmonicznych: wart. skut. eff = h h= U = U wart. skut. eff U h h=
W skrócie.5 Wspó czynnik odkszta cenia (THD).5. Definicja wspó czynnika odkszta cenia THD Symbolem THD oznaczany jest wspó czynnik odkszta cenia. Wspó czynnik THD jest cz sto u ywany do okreêlenia zawartoêci wy szych harmonicznych w sygnale zmiennym. Wspó czynnik odkszta cenia (THD) dla sygna u y jest zdefiniowany przez równanie: THD = y h h= y Definicja ta jest zgodna z normà EC 6000--. Nale y zauwa yç, e wartoêç tego wspó czynnika mo e przekroczyç. Zgodnie z normà sumowanie mo e byç ograniczone do pierwszych 50-u harmonicznych. Powy sze równanie pozwala na wyznaczenie pojedynczej wartoêci charakteryzujàcej odkszta cenie napi cia lub pràdu w pewnym punkcie sieci rozdzielczej..5. Wspó czynnik THD dla pràdu i napi cia W przypadku przebiegu pràdu równanie definiujàce wspó czynnik odkszta cenia przyjmuje postaç: THD = h h= JeÊli znana jest wartoêç skuteczna przebiegu, to zamiast powy szego równania wygodniej i atwiej jest stosowaç równowa ne równanie w nast pujàcej postaci: THD eff = rms W przypadku przebiegu napi cia równanie definiujàce wspó czynnik odkszta cenia przyjmuje postaç: THD u = u h h= U.5.3 Wspó czynnik THF W niektórych krajach przyj o si inne równie definiujàce wspó czynnik odkszta cenia przebiegu. W równaniu tym zastàpiono wartoêci skuteczne napi cia U à lub pràdu à dla harmonicznej podstawowej przez wartoêci skuteczne ca ego przebiegu napi cia U wart. skut. lub pràdu wart. skut. W celu odró nienia od poprzedniej definicji jest on oznaczany symbolem THF. Przyk adowo poni ej podano definicj napi ciowego wspó czynnika THF: THF = U h h= u Urms eff Wspó czynnik THF zarówno dla pràdu jak i napi cia jest zawsze mniejszy od 00 %. U atwia to pomiary analogowe, ale wspó czynnik ten jest coraz mniej popularny, gdy jego wartoêç dla niewielkich odkszta ceƒ przebiegu jest bliska wartoêci wspó czynnika THD. Ponadto u ycie wspó czynnika THF nie jest zalecane w przypadku bardzo odkszta conych przebiegów, gdy jego wartoêç nie mo e przekroczyç 00 % w przeciwieƒstwie do wspó czynnika THD. 3
Najwa niejsze wskaêniki odkszta cenia oraz zasady ich pomiaru.5.4 Zale noêç pomi dzy wspó czynnikiem mocy a wspó czynnikiem THD Zak adajàc, e nie wyst puje odkszta cenie przebiegu napi cia (a jedynie pràdu) mo na zapisaç: P# P = U..cosϕ W zwiàzku z powy szym: FP lub : rms eff = + THD rms P U..cosϕ PF = # S U. eff cosϕ a stàd wynika, e: PF FP# + THD Rys. 7 przedstawia wykres stosunku PF / cos_ w funkcji wspó czynnika THD. E5558 PF/cos ϕ. 0.8 0.6 0.4 0. 0 50 00 00 THDi (%) Rys. 7. Zale noêç stosunku PF / cosϕ od wspó czynnika THD, przy THD U = 0 4
W skrócie.6 Porównanie przydatnoêci wskaêników odkszta cenia Najwa niejszym wskaênikiem, którego wartoêç oddaje poziom odkszta cenia przebiegu pràdu lub napi cia, jest wspó czynnik THD. Widmo cz stotliwoêciowe charakteryzuje w pe ni sygna odkszta cony. c Napi ciowy wspó czynnik THD okreêla odkszta cenie przebiegu napi cia. Zmierzona wartoêç wspó czynnika THD U zapewnia informacj o zjawiskach wyst pujàcych w instalacji. WartoÊç THD U poni ej 5 % jest uwa ana za normalnà i nie wyst puje ryzyko b dnego dzia ania urzàdzeƒ w tym przypadku. WartoÊç THD U pomi dzy 5 % a 8 % wskazuje na znaczàce odkszta cenie przebiegów. Niektóre urzàdzenia mogà w tym przypadku dzia aç niepoprawnie. WartoÊç THD U powy ej 8 % wskazuje na bardzo du e odkszta cenie przebiegów. Prawdopodobne jest b dne dzia anie urzàdzeƒ. W tym przypadku niezb dna jest szczegó owa analiza problemu oraz instalacja systemu ograniczajàcego udzia wy szych harmonicznych. c Pràdowy wspó czynnik THD okreêla odkszta cenie przebiegu pràdu. W celu identyfikacji odbiornika powodujàcego odkszta cenie przebiegów nale y mierzyç wspó czynnik pràdowy THD zarówno na dop ywie jak i odp ywie kontrolowanych obwodów. Zmierzona wartoêç wspó czynnika THD zapewnia informacj o zjawiskach wyst pujàcych w instalacji. WartoÊç THD poni ej 0 % jest uwa ana za normalnà i nie wyst puje ryzyko b dnego dzia ania urzàdzeƒ w tym przypadku. WartoÊç THD pomi dzy 0 % a 50 % wskazuje na znaczàce odkszta cenie przebiegów. Mo e w tym przypadku wystàpiç wzrost temperatury, który oznacza, e parametry kabli i Êróde zasilania muszà byç przy projektowaniu zawy ane. WartoÊç THD powy ej 50 % wskazuje na bardzo du e odkszta cenie przebiegów. Prawdopodobne jest b dne dzia anie urzàdzeƒ. W tym przypadku niezb dna jest szczegó owa analiza problemu oraz instalacja systemu ograniczajàcego udzia wy szych harmonicznych. c Wspó czynnik mocy PF okreêla wymagania dotyczàce zasilania instalacji. c Wspó czynnik szczytu u ywany jest do okreêlenia zdolnoêci êród a (UPS-u lub generatora) do zasilania odbiorników pràdem o du ej wartoêci chwilowej. Przyk adowo komputery nale à do klasy odbiorników pobierajàcych silnie odkszta cony pràd, którego wspó czynnik szczytu mo e osiàgnàç wartoêç lub nawet 5. c Widmo (cz stotliwoêciowa reprezentacja sygna u) pozwala spojrzeç na sygna elektryczny z innej strony i mo e byç u yte do ograniczenia zniekszta ceƒ. 5
Pomiar wartoêci wskaêników 3. Aparatura pomiarowa 3.. Wybór aparatury pomiarowej Jedynie analizatory cyfrowe, zbudowane w oparciu o najnowsze technologie, zapewniajà wystarczajàco dok adne pomiary wskaêników przedstawionych w poprzednim rozdziale. W przesz oêci u ywana by a aparatura pomiarowa innego typu. c Oscyloskopy umo liwiajàce bezpoêrednià obserwacj przebiegów. Odkszta cenie przebiegów pràdu i napi cia mo e byç wykryte za pomocà oscyloskopu. JeÊli kszta t przebiegu nie jest sinusoidalny, to oznacza to jego odkszta cenie przez wy sze harmoniczne. Nale y zauwa yç, e oscyloskop nie umo liwia dok adnej oceny zawartoêci wy szych harmonicznych. c Analogowe analizatory widmowe. Analogowe analizatory widmowe dzia ajà w oparciu o przestarza à technologi, zbudowane sà z filtru pasmowo-przepustowego oraz woltomierza elektromagnetycznego. Analizatory tego typu sà coraz rzadziej u ywane, gdy charakteryzujà si niezbyt du à dok adnoêcià, a tak e nie dostarczajà informacji o fazach harmonicznych. 3.. Funkcje analizatorów cyfrowych Analizatory cyfrowe dzi ki zastosowaniu mikroprocesorów: c umo liwiajà wyznaczenie wartoêci wskaêników odkszta cenia (wspó czynnika mocy, wspó czynnika szczytu, mocy deformacji, wspó czynnika THD), c oferujà kilka dodatkowych funkcji (korekcja, detekcja statystyczna, zarzàdzanie pomiarami, wyêwietlanie, komunikacja, itd.), c wyznaczajà jednoczeênie widmo napi cia i pràdu (w przypadku analizatorów wielokana owych) prawie w czasie rzeczywistym. 3..3 Zasada dzia ania analizatorów cyfrowych oraz technika przetwarzania informacji Sygna y analogowe przekszta cane sà w ciàgi wartoêci cyfrowych. Na podstawie wartoêci cyfrowych wyznaczane sà amplitudy i fazy poszczególnych harmonicznych. W tym celu stosuje si algorytm szybkiego przekszta cenia Fouriera FFT. W celu wyznaczenia wspó czynnika THD wi kszoêç analizatorów cyfrowych dokonuje pomiaru harmonicznych do rz du 0-ego lub 5-ego. Przetwarzanie wyników otrzymanych dzi ki zastosowaniu algorytmu FFT (wyg adzanie, klasyfikacja, statystyka) mo e zostaç wykonane przez analizator lub zewn trzne oprogramowanie. 6
3. Analiza harmoniczna przebiegów w sieci rozdzielczej Pomiary przeprowadzane sà u odbiorców przemys owych i komercyjnych w celach: c zapobiegawczych: v ogólna ocena skali problemu (mapa sieci rozdzielczej), c naprawczych: v okreêlenie pochodzenia zak óceƒ oraz opracowanie Êrodków zaradczych, v sprawdzenie, czy rozwiàzania wdro one do tej pory pozwoli y na osiàgni cie zamierzonego efektu. Zasady post powania Pomiar pràdu i napi cia powinien byç przeprowadzany: c przy êródle zasilania, c po stronie dop ywu na szynach rozdzielnicy g ównej, c na ka dym odp ywie rozdzielnicy g ównej. Przeprowadzajàc pomiary nale y uwzgl dniç informacje na temat aktualnych warunków, a w szczególnoêci stanu baterii kondensatorów (ON lub OFF, liczba przy àczonych stopni). Na podstawie wyników analizy niezb dne mo e okazaç si : c obni enie parametrów znamionowych urzàdzeƒ instalowanych w przysz oêci, c oszacowanie koniecznoêci zainstalowania dodatkowych rozwiàzaƒ w postaci zabezpieczeƒ oraz filtrów harmonicznych, c porównanie zmierzonych wartoêci z wartoêciami odniesienia podawanymi przez dostarczyciela energii (graniczne wartoêci wspó czynników odkszta cenia, wartoêci dopuszczalne, wartoêci odniesienia). Zastosowanie aparatury pomiarowej Aparatura pomiarowa dostarcza informacji o odkszta ceniach zarówno w danej chwili, jak i za pewien okres. Poprawna analiza wymaga ca kowania wartoêci po czasie w zakresie od kilku sekund do kilku minut przy kilkudniowym okresie obserwacji. Niezb dna jest znajomoêç: c amplitud harmonicznych napi cia i pràdu, c procentowej zawartoêci harmonicznych napi cia i pràdu, c wspó czynnika odkszta cenia dla napi cia i pràdu, c w zale noêci od potrzeb przesuni cia pomi dzy harmonicznymi napi cia i pràdu tego samego rz du, a tak e fazy harmonicznych wzgl dem wspólnej fazy odniesienia (np. fazy sk adowej podstawowej napi cia). 7
Pomiar wartoêci wskaêników 3.3 Przewidywanie potrzeb w zakresie pomiaru odkszta ceƒ Wskaêniki odkszta cenia mogà byç mierzone: c przy u yciu aparatury pomiarowej zainstalowanej na sta e, c przez eksperta z zewnàtrz przebywajàcego na miejscu przez co najmniej pó dnia (pomiar ograniczony jest tylko do tego czasu). 3.3. Zalety aparatury pomiarowej zainstalowanej na sta e Z kilku powodów rozwiàzanie w postaci aparatury pomiarowej zainstalowanej na sta e jest korzystniejsze: c czas przebywania eksperta jest z koniecznoêci ograniczony w czasie, podczas gdy pomiary w ró nych punktach instalacji przez wystarczajàco d ugi okres (jeden tydzieƒ do jednego miesiàca) umo liwiajà ogólnà ocen dzia ania systemu oraz uwzgl dniajà wszystkie sytuacje, które mogà wystàpiç: v fluktuacje zasilania, v zmiany w dzia aniu systemu, v instalacj nowego sprz tu, c zainstalowana na sta e aparatura pomiarowa u atwia wykrywanie b dów przez ekspertów z zewnàtrz i w efekcie ogranicza liczb oraz czas trwania ich wizyt, c zainstalowana na sta e aparatura pomiarowa pozwala na wykrycie nowych zak óceƒ spowodowanych przez nowe urzàdzenia, nowe tryby pracy lub fluktuacje w sieci rozdzielczej. 3.3. Zalety zintegrowanej aparatury do pomiaru i detekcji Aparatura pomiarowa i zabezpieczajàca wbudowana w urzàdzenia rozdzielcze posiada szereg zalet. c W przypadku ogólnej oceny instalacji mo liwe jest unikni cie: v wypo yczenia aparatury pomiarowej, v wynaj cia ekspertów z zewnàtrz, v potrzeby przy àczenia i od àczenia aparatury pomiarowej. Ogólna ocena instalacji mo e byç przeprowadzona na poziomie g ównej rozdzielnicy niskiego napi cia za pomocà aparatury pomiarowej zainstalowanej na dop ywie i / lub aparatury zainstalowanej na ka dym odp ywie. c W przypadku podejmowania czynnoêci majàcych na celu ograniczenie negatywnych skutków odkszta cenia przebiegów mo liwa jest : v ocena warunków pracy w momencie zajêcia zdarzenia, v analiza stanu instalacji (tzw. mapa instalacji) oraz wskaêników odkszta cenia w przypadku zastosowania wybranego rozwiàzania rozwa anego problemu. Pe na diagnoza wymaga czasami dodatkowych informacji dostarczanych przez specjalistyczny sprz t dopasowany do danego problemu. 8
W skrócie ObecnoÊç wy szych harmonicznych w przebiegach prowadzi do powa nych konsekwencji ekonomicznych: c wy szych rachunków za energi, c przedwczesnego starzenia si instalacji oraz urzàdzeƒ, c spadków wydajnoêci. Wp yw odkszta cenia przebiegów na instalacj 4. Rezonans U ytkowanie w sieci rozdzielczej uk adów o charakterze indukcyjnym oraz pojemnoêciowym prowadzi do zjawiska rezonansu, które objawia si wyst powaniem impedancji o niezwykle du ych lub ma ych wartoêciach. Zmiany tych impedancji wp ywajà zarówno na przebiegi pràdu jak i napi cia w sieci rozdzielczej. W dalszej cz Êci omówiony zostanie tylko rezonans równoleg y, który wyst puje w praktyce najcz Êciej. Rozwa my uproszczony schemat instalacji przedstawiony poni ej i z o ony z: c transformatora, c odbiorników liniowych, c odbiorników nieliniowych, powodujàcych odkszta cenie pràdów, c baterii kondensatorów stosowanych do poprawy wspó czynnika mocy. E5688 L s h C odbiornik Non-linear nieliniowy load bateria Capacitor kondensatorów bank Linear odbiornik load liniowy W celach analizy widmowej poni ej przedstawiono równowa ny schemat: E56976 Ls C R h Z Ls: induktancja zast pcza (sieç rozdzielcza + transformator + linia) C: pojemnoêç baterii do poprawy wspó czynnika mocy R: rezystancja odbiorników liniowych h: pràd odkszta cony jlsω Z = LCω s jeêli R jest pomijalnie ma e Rezonans wyst puje, gdy mianownik - L s Cω przyjmuje wartoêç zero. Cz stotliwoêç, dla której spe niony jest ten warunek, nazywa si cz stotliwoêcià rezonansowà obwodu. Przy tej cz stotliwoêci wyst puje maksymalna wartoêç impedancji. Zjawisko to powoduje znaczne odkszta cenie przebiegu napi cia. RównoczeÊnie w stanie rezonansu w obwodzie równoleg ym L s C p ynie odkszta cony pràd rezonansowy o du o wi kszej wartoêci od wstrzykiwanego pràdu h. Przez sieç rozdzielczà oraz baterie kondensatorów mogà przep ywaç odkszta cone pràdy o du ym nat eniu, zwi kszajàc ryzyko wystàpienia przecià eƒ. 9
Wp yw odkszta cenia przebiegów na instalacj 4. Zwi kszone straty 4.. Straty w przewodach Moc czynna przesy ana do odbiornika zale y od sk adowej podstawowej pràdu. JeÊli pràd pobierany przez odbiornik zawiera wy sze harmoniczne, to wartoêç skuteczna tego pràdu ( wart.skut. ) jest wi ksza od wartoêci skutecznej sk adowej podstawowej. Uwzgl dniajàc definicj wspó czynnika odkszta cenia THD: eff THD = rms otrzymuje si nast pujàcà zale noêç: eff = + THD rms Rys. 8 przedstawia przyrost nast pujàcych wielkoêci (w funkcji wspó czynnika odkszta cenia THD): c wartoêci skutecznej pràdu ( wart. skut. ) pobieranego przez odbiornik przy zadanej sk adowej podstawowej, c strat cieplnych (P Jolue a ) bez uwzgl dnienia zjawiska naskórkowoêci. Punktem odniesienia na wykresie (wartoêç na osi rz dnych) jest odpowiednio wartoêç skuteczna pràdu ( wart. skut. ) oraz straty cieplne (P Jolue a ) przy braku wy szych harmonicznych (THD = 0). E5553..8.6.4. 0.8 0 0 40 60 80 00 0 P Jolue a Joules wart. rms skut. THD (%) Rys. 8. Przyrost wartoêci skutecznej pràdu oraz strat cieplnych w funkcji wspó czynnika THD Wy sze harmoniczne pràdu prowadzà do wzrostu strat cieplnych we wszystkich przewodach, którymi ten pràd p ynie, a ponadto wywo ujà dodatkowy przyrost temperatury w transformatorach, wy àcznikach, kablach, itd. 0
4.. Straty w maszynach asynchronicznych Zasilanie maszyny asynchronicznej napi ciem odkszta conym powoduje przep yw pràdów o cz stotliwoêciach wi kszych od 50 Hz w uzwojeniu wirnika. Pràdy te sà przyczynà dodatkowych strat, które sà proporcjonalne do U h /h. c Oszacowanie strat: v napi cie zasilania o kszta cie prostokàtnym powoduje wzrost strat o 0 %, v napi cie zasilania o sk adowej podstawowej U i nast pujàcej procentowej zawartoêci harmonicznych (u h ): v u 5 : 8 % U, v u 7 : 5 % U, v u : 3 % U, v u 3 : % U, (tzn. napi cie o wspó czynniku THD równym 0 %) powoduje dodatkowe straty w wysokoêci 6 %. 4..3 Straty w transformatorach Pràdy odkszta cone p ynàce przez transformator prowadzà do wzrostu strat w uzwojeniach spowodowanych efektem Joule a oraz strat w elazie spowodowanych pràdami wirowymi. Ponadto odkszta cone napi cie powoduje wzrost strat w elazie ze wzgl du na histerez. Ogólnie mo na stwierdziç, e straty w uzwojeniach wzrastajà wraz z kwadratem pràdowego wspó czynnika THD, a straty w rdzeniu wzrastajà liniowo wraz z napi ciowym wspó czynnikiem THD. c Oszacowanie strat: v wzrost strat wynosi 0 5 % w przypadku transformatorów w ogólnej sieci rozdzielczej, gdzie poziom odkszta cenia przebiegów jest relatywnie niski. 4..4 Straty w kondensatorach Odkszta cone napi cie powoduje w przypadku kondensatorów przep yw pràdów proporcjonalnych do cz stotliwoêci kolejnych harmonicznych. Pràdy te sà przyczynà dodatkowych strat. Przyk ad: Rozwa my napi cie zasilania o sk adowej podstawowej U i nast pujàcej procentowej zawartoêci harmonicznych (u h ): - u 5 : 8% of U, - u 7 : 5% of U, - u : 3% of U, - u 3 : % of U, (tzn. napi cie o wspó czynniku THD równym 0%). Wówczas: 5 7 3 = U. C. ω = U 5. C.5. ω = u 5.5. = U. C.7. ω = u.7. rms rms = = 7 = U = U 3. C.. ω = u. C.3. ω = u h + ( u 5.5) 7 3 + ( u...3. 7.7) + ( u.) + ( u 3.3) W rozwa anym przypadku straty cieplne wzrastajà.9 =.4.. =,9
Wp yw odkszta cenia przebiegów na instalacj 4.3 Przecià enia urzàdzeƒ 4.3. Generatory Ze wzgl du na dodatkowe straty spowodowane przez odkszta cenie przebiegów pràdu wyst puje obni enie parametrów generatorów zasilajàcych odbiorniki nieliniowe. Wspó czynnik obni enia parametrów znamionowych wynosi oko o 0 % dla generatora zasilajàcego odbiorniki, z których 30 % ma charakter nieliniowy. W rezultacie zainstalowany generator powinien byç przewymiarowany. 4.3. Zasilacze awaryjne UPS Pràd pobierany przez sprz t komputerowy charakteryzuje si wysokim wspó czynnikiem szczytu. Zasilacz awaryjny dobrany przy uwzgl dnieniu jedynie wartoêci skutecznej pràdu mo e nie byç w stanie dostarczyç pràdu o wymaganej wartoêci szczytowej. Prowadzi to do przecià enia zasilacza. E55533 4.3.3 Transformatory c Poni szy rysunek pokazuje stopieƒ obni enia mocy znamionowej transformatora w zale noêci od procentowego udzia u odbiorników nieliniowych zasilanych przez niego. 40 %. kva (%) 00 90 80 70 60 50 40 30 0 0 0 0 0 40 60 80 00 % odbiornik electronic nieliniowy load Rys. 9. Wykres ilustrujàcy obni enie mocy znamionowej transformatora zasilajàcego odbiorniki nieliniowe Przyk ad: Dla transformatora, dla którego 40 % odbiorników ma charakter nieliniowy, wyst puje 40 % obni enie mocy znamionowej.
c Norma UTE C5- definiuje wspó czynnik, który pozwala na wyznaczenie aktualnej mocy transformatora zasilajàcego odbiorniki nieliniowe: k = T h = + 0,. h 40 h= h,6 h. T Typowe wartoêci: v dla pràdu o przebiegu prostokàtnym (amplitudy kolejnych harmonicznych odwrotnie proporcjonalnie do ich rz du h (*)): k = 0.86, v dla pràdu pobieranego przez przemiennik cz stotliwoêci (THD 50%): k = 0.80. (*)W rzeczywistoêci przebieg pràdu ma w przybli eniu kszta t fali prostokàtnej. Dotyczy to wszystkich prostowników pràdowych (prostowników trójfazowych, a tak e pieców indukcyjnych, itd.). c Wspó czynnik K Norma ANS C57.0 definiuje metod wyznaczenia aktualnych parametrów transformatora opartà na wspó czynniku K okreêlonym przez poni sze równanie: h. h h= K = = h= h h= h eff. h Zastosowanie wspó czynnika K daje znaczniejsze zmniejszenie mocy znamionowej transformatorów. Jest on szeroko stosowany w Ameryce Pó nocnej. Dla poni szego przyk adu wspó czynnik K wynosi 3. Rzàd harmonicznej h h (%) 5 30 7 0 4 3 7 8 9 7 3 5 5 4 Wzrost kosztów transformatorów dobieranych przy u yciu metody wspó czynnika K wynosi od 0 do 60 % w zale noêci od mocy znamionowej transformatora (w zakresie od à5 do 500 kva). 4.3.4 Maszyny asynchroniczne Standard EC 6089 defines a weighted harmonic voltage factor (HVF ) for which the equation and the maximum permissible value are presented below: 3 Uh HVF = h h=. rms 00, c Przyk ad: Rozwa my napi cie zasilania o sk adowej podstawowej U i nast pujàcej procentowej zawartoêci harmonicznych (u h ): - u 3 : % U, - u 5 : 3 % U, - u 7 : % U, (tzn. napi cie o wspó czynniku THD równym 3.7 % oraz HVF równym 0.08). W powy szym przyk adzie wspó czynnik HVF jest bardzo bliski wartoêci granicznej, przy której nale y uwzgl dniç obni enie parametrów maszyny. Z praktycznego punktu widzenia maszyna asynchroniczna nie powinna byç zasilana napi ciem o wspó czynniku THD wi kszym od 0 %. 3
Wp yw odkszta cenia przebiegów na instalacj 4.3.5 Kondensatory Zgodnie z normami wartoêç skuteczna pràdu p ynàcego przez kondensatory nie mo e przekraczaç.3 pràdu znamionowego.. c Przyk ad (prezentowany ju wczeêniej): Rozwa my napi cie zasilania o sk adowej podstawowej U i nast pujàcej procentowej zawartoêci harmonicznych (u h ): - u 5 : 8 % U, - u 7 : 5 % U, - u : 3 % U, - u 3 : % U, (tzn. napi cie o wspó czynniku THD równym 0 %). Wówczas przy napi ciu znamionowym rms eff = 9, JeÊli napi cie jest równe. napi cia znamionowego rms eff. = 3, W takim przypadku maksymalna dopuszczalna wartoêç pràdu zostaje przekroczona i muszà zostaç zastosowane kondensatory o wi kszym pràdzie znamionowym. 4.3.6 Przewody neutralne Rozwa my system z o ony z symetrycznego Êród a trójfazowego oraz symetrycznego odbiornika trójfazowego po àczonego w gwiazd z przewodem neutralnym. E55534 r odbiornik Load Source èród o s t odbiornik Load odbiornik Load n Rys. 0. Kierunki pràdów w uk adzie trójfazowym 4
Na rys. przedstawiono przyk adowe przebiegi pràdów fazowych oraz odpowiadajàcy im przebieg pràdu w przewodzie neutralnym dla systemu przedstawionego na rys. 0. E55535 A 0 ir A t 0 is A t 0 it 0 0 40 t (ms) E55536 A 0 in 0 0 40 t (ms) Rys.. Przyk adowe przebiegi pràdów w przewodach fazowych i neutralnym w uk adzie trójfazowym, w którym n = i r + i s + i t W zaprezentowanym przyk adzie wartoêç skuteczna pràdu w przewodzie neutralnym jest e razy wi ksza od wartoêci skutecznej pràdów fazowych. W zwiàzku z tym przewód neutralny musi byç dobrany tak, aby przep yw tak du ego pràdu nie wywo ywa negatywnych skutków. 5
Wp yw odkszta cenia przebiegów na instalacj 4.4 Wp yw na odbiorniki wra liwe na zak ócenia 4.4. Odkszta cenie napi cia zasilania c Odkszta cenie napi cia zasilania mo e zak ócaç prac wra liwych odbiorników, np.: v uk ady regulacji (temperatury, itd.), v sprz t komputerowy, v uk ady sterowania i monitorowania (przekaêniki zabezpieczeƒ). 4.4. Zak ócenia linii telefonicznych c Wy sze harmoniczne mogà prowadziç do indukowania si zak óceƒ w obwodach przewodzàcych pràd o ma ym nat eniu. Stopieƒ zak ócania zale y od d ugoêci na jakiej linia zasilajàca i sygna owa biegnà równolegle, odleg oêci pomi dzy tymi liniami, a tak e cz stotliwoêci wy szych harmonicznych. 4.5 Konsekwencje ekonomiczne 4.5. Straty mocy Zjawisko Joule a, wywo ywane przez wy sze harmoniczne pràdu w przewodach i urzàdzeniach, powoduje dodatkowe straty mocy. 4.5. Koszty zwiàzane z zamawianiem dodatkowej mocy ObecnoÊç wy szych harmonicznych w pràdzie sprawia, e konieczne staje si zwi kszenie poziomu zamawianej mocy, co w konsekwencji prowadzi do zwi kszenia kosztów. Ponadto wydaje si, e w przysz oêci dostawcy energii b dà starali si przenieêç dodatkowe koszty na odbiorców powodujàcych odkszta canie przebiegów w sieci. 4.5.3 Dobór wyposa enia o podwy szonych parametrach c Obni enie parametrów znamionowych Êróde (generatorów, transformatorów, zasilaczy UPS) oznacza, e muszà byç dobierane urzàdzenia o wy szych parametrach znamionowych. c Przewody muszà byç dobierane przy uwzgl dnieniu przep ywu wy szych harmonicznych pràdu. Poniewa cz stotliwoêci harmonicznych sà wi ksze od cz stotliwoêci podstawowej, to impedancje dla nich sà równie wi ksze. W celu unikni cia zbyt du ych strat, wynikajàcych ze zjawiska Joule a, przewody muszà byç przewymiarowane. c Przep yw wy szych harmonicznych pràdów przez przewód neutralny oznacza, e musi on byç przewymiarowany. 6
4.5.4 Ograniczenie czasu ycia urzàdzeƒ (Dane uzyskane z Kanadyjskiego Towarzystwa Elektrycznego). JeÊli odkszta cenie napi cia zasilania jest rz du 0 %, to czas ycia urzàdzeƒ ulega znaczàcemu skróceniu. W zale noêci od rodzaju urzàdzenia wynosi on w przybli eniu: c 3.5 % dla maszyn jednofazowych, c 8 % dla maszyn trójfazowych, c 5 % dla transformatorów. W celu utrzymania czasu ycia, takiego jak przy nie odkszta conym przebiegu napi cia zasilania, muszà byç dobrane urzàdzenia o wy szych parametrach znamionowych. 4.5.5 Przypadkowe zadzia anie zabezpieczeƒ oraz wy àczanie instalacji Wy àczniki instalacyjne nara one sà na gwa towne skoki wartoêci nat enia pràdu spowodowane przez wy sze harmoniczne. Powy sze zjawisko powoduje nieuzasadnione wyzwalanie wy àczników i w konsekwencji straty produkcyjne, jak równie straty wynikajàce z czasu niezb dnego do przywrócenia instalacji do stanu pracy. 4.5.6 Przyk ady W przypadku instalacji opisanych w poni szych przyk adach, z powodu znacznych kosztów ekonomicznych, niezb dne okaza o si zastosowanie filtrów harmonicznych. c Centrum komputerowe firmy ubezpieczeniowej. Nieuzasadnione wyzwolenie wy àcznika spowodowa o straty oceniane na 00 000 euro / godz. wy àczenia instalacji. c Laboratorium farmaceutyczne. Wy sze harmoniczne spowodowa y uszkodzenie zestawu silnik-generator i przerwanie bardzo d ugiej fazy testu nad nowym produktem. Straty wynoszà oko o 7 mln euro. c Huta. Piece indukcyjne wywo a y przecià enia, które z kolei spowodowa y w ciàgu jednego roku nieodwracalne uszkodzenia trzech transformatorów o mocy od 500 do 500 kva oraz straty produkcyjne oceniane na 0 000 euro / godz. c Fabryka mebli ogrodowych. Uszkodzenie nap du bezstopniowego spowodowa o straty produkcyjne oceniane na 0 000 euro / godz. 7
W skrócie Przepisy dotyczàce poziomu zawartoêci wy szych harmonicznych zawarte sà w kilku normach oraz przepisach: c normy zgodnoêci sieci rozdzielczych, c normy ustalajàce wartoêci graniczne dla urzàdzeƒ powodujàcych odkszta cenie przebiegów, c zalecenia dotyczàce instalacji stworzone przez dostawców energii. Normy i przepisy regulujàce W celu ograniczenia niekorzystnych konsekwencji odkszta cenia przebiegów zosta wprowadzony w ycie trójcz onowy system norm i przepisów. System ten zosta przedstawiony poni ej. 5. ZgodnoÊç norm dotyczàcych sieci rozdzielczej oraz norm dla urzàdzeƒ Normy te okreêlajà kilka kryteriów zgodnoêci pomi dzy siecià rozdzielczà a zainstalowanymi urzàdzeniami, gwarantujàcych e: c zak ócenia wy szymi harmonicznymi spowodowane przez urzàdzenie w sieci nie mogà przekraczaç ustalonych wartoêci granicznych, c ka de urzàdzenie musi byç w stanie dzia aç prawid owo w przypadku wyst powania zak óceƒ odpowiadajàcych przynajmniej ustalonym wartoêciom granicznym. c Norma EC 000-- okreêla wymagania dla ogólnej sieci rozdzielczej niskiego napi cia. c Norma EC 000--4 okreêla wymagania dla instalacji przemys owych niskiego i Êredniego napi cia. 5. Normy jakoêci dla sieci rozdzielczej c Norma EN 5060 podaje charakterystyk napi cia dostarczanego przez ogólnà sieç rozdzielczà niskiego napi cia. c Norma EEE 59 (zalecane dzia ania majàce na celu kontrol nad odkszta ceniami przebiegów w systemie elektroenergetycznym) zawiera po àczone podejêcie dla dostawców energii oraz ich klientów pozwalajàce na ograniczenie wp ywu odbiorników nieliniowych. Ponadto, dostawcy energii zach cajà do podejmowania czynnoêci zapobiegawczych, pozwalajàcych na ograniczenie: pogorszenia jakoêci energii, przyrostu temperatury oraz spadku wspó czynnika mocy. Dostawcy energii mogà równie stosowaç kary w stosunku do odbiorców, którzy powodujà odkszta cenie przebiegów w sieci. 5.3 Normy odnoszàce si do urzàdzeƒ c Norma EC 6000-3- lub EN 6000-3- okreêla wymagania dla urzàdzeƒ niskiego napi cia pobierajàcych pràd o wartoêci mniejszej ni 6 A. c Norma EC 6000-3-4 lub EN 6à000-3-4 okreêla wymagania dla urzàdzeƒ niskiego napi cia pobierajàcych pràd o wartoêci wi kszej ni 6 A. 8
5.4 Maksymalna dopuszczalna zawartoêç harmonicznych Na podstawie badaƒ przeprowadzonych w ró nych krajach mo liwe by o okreêlenie typowych zawartoêci wy szych harmonicznych w sieci rozdzielczej. Poni sza tabela, opracowana na podstawie badaƒ przeprowadzonych przez organizacj CGRE, oddaje opini du ej liczby dostawców energii dotyczàcà wartoêci granicznych zawartoêci harmonicznych, których nie nale y przekraczaç. Harmoniczne nieparzyste, Harmoniczne nieparzyste, Harmoniczne parzyste nie b dàce wielokrotnoêcià 3b dàce wielokrotnoêcià 3 Rzàd h nn SN NN Rzàd h nn SN NN Rzàd h nn SN NN 5 6 6 3 5.5.5.5.5 7 5 5 9.5.5 4 3.5 3.5.5 5 0.3 0.3 0.3 6 0.5 0.5 0.5 3 3 3.5 0. 0. 0. 8 0.5 0. 0. 7 > 0. 0. 0. 0 0.5 0. 0. 9.5.5 0. 0. 0. 3.5 0.7 > 0. 0. 0. 5.5 0.7 >5 0.+5h 0.+5h 0.+5h 9
W skrócie stniejà trzy grupy rozwiàzaƒ prowadzàce do ograniczenia zawartoêci wy szych harmonicznych: c modyfikacja instalacji, c zastosowanie specjalnych urzàdzeƒ w sieci zasilajàcej (d awików, specjalnych transformatorów), c u ycie filtrów. Rozwiàzania pozwalajàce na ograniczenie zawartoêci wy szych harmonicznych 6. Rozwiàzania ogólne W celu ograniczenia propagacji wy szych harmonicznych w sieci rozdzielczej mo na ju na etapie projektowania instalacji przedsi wziàç Êrodki zaradcze. 6.. Umiejscowienie zak ócajàcych odbiorników Ca kowity poziom zawartoêci wy szych harmonicznych roênie wraz ze zmniejszaniem si mocy zwarciowej. Dlatego te odbiorniki zak ócajàce (powodujàce odkszta cenie przebiegów) powinny byç przy àczane jak najbli ej êród a (patrz rys. 3a). E55537 Z odbiorniki Sensitive wra liwe loads na zak ócenia Z odbiornik Disturbing zak ócajàcy load gdzie: Where Z < Z Z < Z Rys. 3a. Zalecane miejsce przy àczenia odbiorników nieliniowych (jak najbli ej êród a) 6.. Grupowanie zak ócajàcych odbiorników Przy projektowaniu nale y, jeêli to mo liwe, wyodr bniaç odbiorniki zak ócajàce od innych (patrz rys. 3b). Z praktycznego punktu widzenia te dwie grupy odbiorników powinny byç zasilane z ró nych szyn zbiorczych. Grupowanie odbiorników zak ócajàcych pozwala na ograniczenie odkszta cenia przebiegów, gdy suma wektorowa pràdów jest mniejsza od sumy algebraicznej tych pràdów. Przy projektowaniu nale y zwróciç uwag na to, by odkszta cony pràd przep ywa przez przewody o jak najmniejszej d ugoêci. Pozwala to na ograniczenie spadków napi cia oraz przyrostu temperatury przewodów. E55538 yes tak Line impedancja impedance linii no nie odbiorniki wra liwe Sensitive loads na zak ócenia Disturbing odbiornik zak ócajàcy load Disturbing odbiornik zak ócajàcy load Rys. 3b. Grupowanie odbiorników nieliniowych oraz przy àczanie ich jak najbli ej êród a (zalecane rozwiàzanie) 30
6..3 Separacja êród a zasilania Ârodkiem pozwalajàcym na ograniczenie negatywnych skutków obecnoêci wy szych harmonicznych jest zasilanie odbiorników zak ócajàcych poprzez oddzielny transformator, jak to pokazano na poni szym uproszczonym schemacie (rys. 4). E55539 sieç MV rozdzielcza distribution SN system odbiorniki Non-linear nieliniowe loads odbiorniki Linear liniowe loads Rys. 4 Zasilanie odbiorników zak ócajàcych poprzez oddzielny transformator. Wadà przedstawionego rozwiàzania jest wzrost kosztów instalacji. 6..4 Zastosowanie transformatorów o specjalnych rodzajach po àczeƒ Transformatory o niektórych rodzajach po àczeƒ majà w aêciwoêç eliminowania pewnych harmonicznych. Rzàd harmonicznych, które sà eliminowane, zale y od rodzaju po àczenia: c po àczenie trójkàt-gwiazda-trójkàt pozwala na eliminacj harmonicznych rz du 5 oraz 7 (patrz rys. 5), c po àczenie trójkàt-gwiazda pozwala na eliminacj harmonicznych rz du 3 (harmoniczne te p ynà w ka dej z faz i zamykajà si poprzez przewód neutralny), c po àczenie trójkàt-zygzak pozwala na eliminacj harmonicznych rz du 5, E55543 h, h3 h5, h7, h, h3 h5, h7, h, h3 Rys. 5. Transformator o po àczeniu trójkàt-gwiazda-trójkàt zapobiegajàcy propagacji harmonicznych rz du 5 oraz 7 w sieci rozdzielczej na dop ywie 6..5 nstalowanie d awików W instalacjach zawierajàcych nap dy bezstopniowe, mo liwe jest wyg adzenie przebiegu pràdu dzi ki zastosowaniu d awików. Zwi kszenie impedancji obwodu zasilania powoduje ograniczenie wy szych harmonicznych pràdu. U ycie d awików wraz z bateriami kondensatorów powoduje zwi kszenie wypadkowej impedancji dla harmonicznych o wy szych cz stotliwoêciach. 3
Rozwiàzania pozwalajàce na ograniczenie zawartoêci wy szych harmonicznych 6..6 Wybór odpowiedniego uk adu sieci c Uk ad TNC W uk adzie TNC funkcj przewodu neutralnego i ochronnego pe ni jeden przewód PEN. W stanie ustalonym harmoniczne pràdu p ynà przez przewód PEN. Jednak przewód ten ma pewnà impedancj, co powoduje niewielkà ró nic napi cia (kilku woltów) pomi dzy urzàdzeniami, która mo e byç przyczynà b dnego dzia ania wyposa enia elektronicznego. Uk ad TNC powinien byç stosowany tylko do zasilania obwodów przy àczanych jak najbli ej êród a (transformatora). Nie powinno si stosowaç go do zasilania wra liwych na zak ócenia odbiorników. c Uk ad TNS Uk ad ten jest zalecany, jeêli wyst puje odkszta cenie przebiegów. Przewód neutralny i ochronny PE sà w pe ni oddzielone, zapewniajàc du o bardziej stabilne napi cie w sieci rozdzielczej. 3