Studia Podyplomowe EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ w ramach projektu Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka, prof. AGH
JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ - ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA Zbigniew HANZELKA
ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA Generacja Sieć zasilająca Odbiorniki Generacja dostosowuje się do zmieniających się warunków obciążenia, utrzymując równowagę pomiędzy produkcją i konsumpcją energii Sieć zasilająca zmieniająca swoja strukturę na skutek łączeń i podlegająca wpływom np. zwarć, Odbiorniki o zmiennym poborze mocy czynnej i biernej (odbiorniki niespokojne)
ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA Z S E R S I 0 X S I 0 U 0 I 0
ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA U Wykres wskazowy
zw S S S S Q U P R U Q X U P R U U U U E + + = 2 0 2 0 2 0 0 0 0 S ZW Q U U 0 P, Q - moce: czynna i bierna odbiornika, SZW - moc zwarciowa w miejscu przyłączenia ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA
napięcie ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA 120,000 560 119,500 520 119,000 480 118,500 440 VRMS (Left axis) 118,000 117,500 400 360 ARMS (Right axis) 117,000 320 116,500 280 116,000 240 115,500 200 115,000 prąd 11/02/02 12:00:00 12/02/02 00:00:00 12/02/02 12:00:00 13/02/02 00:00:00 13/02/02 12:00:00 14/02/02 00:00:00 14/02/02 12:00:00 15/02/02 00:00:00 15/02/02 12:00:00 16/02/02 00:00:00 16/02/02 12:00:00 17/02/02 00:00:00 17/02/02 12:00:00 160 18/02/02 00:00:00
ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA Napięcie 121,000 120,500 120,000 119,500 119,000 118,500 42,000,000 40,000,000 38,000,000 36,000,000 34,000,000 32,000,000 VRMS (Left axis) 118,000 117,500 117,000 30,000,000 28,000,000 26,000,000 VAR (Right axis) 116,500 116,000 115,500 115,000 24,000,000 22,000,000 20,000,000 18,000,000 114,500 114,000 Moc bierna Q 08/04/02 12:00:00 09/04/02 00:00:00 09/04/02 12:00:00 10/04/02 00:00:00 10/04/02 12:00:00 11/04/02 00:00:00 11/04/02 12:00:00 12/04/02 00:00:00 12/04/02 12:00:00 13/04/02 00:00:00 13/04/02 12:00:00 14/04/02 00:00:00 14/04/02 12:00:00 16,000,000 14,000,000 15/04/02 00:00:00
ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA
15 kv 400 V 800 700 600 500 400 300 200 100 0 11:41:04 11:41:34 11:42:04 11:42:34 11:43:04 11:43:34 11:44:04 11:44:34 11:45:04 11:45:34 11:46:04 11:46:34 11:47:04 11:47:34 11:48:04 11:48:34 11:49:04 11:49:34 11:50:04 ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA Prąd... sekcje łączone automatycznie Napięcie
ZMIANY WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA amplituda wzrosty U N +10% U N Szybka zmiana napięcia Wahania napięcia U N -10% zapady krótkie przerwy długie przerwy 10%U N 10 ms 1s 1 min 1 h czas trwania zaburzenia
ZMIANY WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA Max. Min.
ZMIANY WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA Miary statystyczne (a) Zmiana w czasie wartości skutecznej napięcia w okresie jednego tygodnia (100%); (b) Charakterystyka uporządkowana oraz percentyle CP05 i CP95 (dopisać CP05 i CP95)
ZMIANY WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA W każdym tygodniu 95 % ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno, wyłączając przerwy w zasilaniu mieścić się w przedziale odchyleń: Grupa przyłączeniowa I i II (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 Grupa przyłączeniowa III-V W każdym tygodniu 95 % ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno, wyłączając przerwy w zasilaniu mieścić się w przedziale odchyleń +/- 10 % napięcia znamionowego
ROZPORZĄDZENIE SYSTEMOWE.. warunkiem utrzymania parametrów napięcia zasilającego w określonych granicach jest pobieranie przez odbiorcę mocy czynnej nie większej od mocy umownej, przy współczynniku tgφ nie większym niż 0,4. Z analizy statystycznej będącej podstawą oceny jakości napięcia należy wykluczyć te wyniki pomiarów, które zostały zmierzone w warunkach przekroczenia mocy umownej lub wartości współczynnika tg φ 0,4...
POMIAR NAPIĘCIA
POMIAR NAPIĘCIA U RMS = 1 T T 0 u 2 ( t) dt maksymalna średnia minimalna
POMIAR NAPIĘCIA U RMS = 1 T T 0 u 2 ( t) dt U N = i= 1 rms 0,2 N u 2
POMIAR NAPIĘCIA Agregacja pomiarów przedział 3 s U 15 i= 1 rms 3s = U 2 rms 0, 2s 15 przedział 10 min U N i= 1 rms 10min = U 2 rms 0,2s k ( i) przedział 2 h gdzie: U 12 i= 1 rms 2h = U 2 rms 10 min 12 U rms-0,2 wartośćskuteczna zmierzona w oknie 10 okresowym, k liczba próbek 10 okresowych w czasie 10 minut, dla 50 Hz k=3000,
POMIAR NAPIĘCIA 1 2 3 4 U rms(1/ 2) = N i= 1 N u 2 10 ms ruchoma średnia Czas
EN 61000-4-30: Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), Część 4-30: Metody badań i pomiarów - Metody pomiaru jakości energii Polski Komitet Normalizacyjny Rodzaje mierników: klasa A (wartość skuteczna uaktualniana co ½ okresu) klasa S (wartość skuteczna uaktualniana co okres, mniejsze przedziały zmienności sygnałów wejściowych ) klasa B
EN 61000-4-30: Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), Część 4-30: Metody badań i pomiarów - Metody pomiaru jakości energii Klasa A Polski Komitet Normalizacyjny U 200 = 1 10 min = i rms U 2 rms 3 s 200 U rms 200 ms = N i= 1 u N 2 U rms 3 s = 15 i= 1 U 2 rms 200 ms 15 U rms 2 h = 12 i= 1 U 2 rms 10 min 12
POMIAR NAPIĘCIA Max. Average Min.
Węgry EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Zmiany napięcia powinny zawierać się w przedziale Un ±7,5% dla CP95 (10. minutowe wartości skuteczne) Wszystkie 10. minutowe wartości skuteczne muszą być w przedziale +10% i -15% napięcia znamionowego Powyższe wartości dopuszczalne dotyczą zarówno nn jak i SN
POMIAR NAPIĘCIA 207 V 4h50 10 min 3,5%
POMIAR NAPIĘCIA 207 V 10 min 3,5% 1 min 28,5% 28 %
EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Węgry Maksymalny poziom napięcia: Un + 15 % dla wartości średnich 1. minutowych Powyższe wartości dopuszczalne dotyczą zarówno nn jak i SN
STABILIZACJA NAPIĘCIA autotransformatory lub transformatory z przełącznikami zaczepów stosowane w wersji zarówno mechanicznej (od 15 do nawet 45s) jak i energoelektronicznej skracanie obwodów sieci nnprzez zwiększanie liczby stacji transformatorowych SN/Nn szeregowe transformatory regulacyjne(jedno- lub trójfazowe) urządzenia regulacyjne tj. UPS, transformatory ferrorezonasowe, układy silnik-generator itp. regulacja napięcia poprzez zmianęrozpływu mocy biernej (kondensatory: równoległe i szeregowe)
STABILIZACJA NAPIĘCIA odbiorni k odbiornik U Wzrost napięcia spowodowany obecnością kondensatora U Wzrost napięcia spowodowany obecnością kondensatora Redukcja napięcia spowodowana pracą odbiornika
RODZAJE ZMIAN NAPIĘCIA
RODZAJE ZMIAN NAPIĘCIA U Zmiany napięcia: wolne lub szybkie, pojedyncze lub powtarzalne, gwałtowne lub o skończonym czasie Whania napięcia nagła zmiana napięcia o powtarzalnym charakterze t
RODZAJE ZMIAN NAPIĘCIA U(t) Rodzaj a: Prostokątne i okresowe o stałej amplitudzie (np. łączenie rezystancyjnego odbiornika, zgrzewarka oporowa itp.), U(t) t t Rodzaj b: szeregi nieregularnych zmian napięcia o różnych amplitudach, i identycznych (lub nie) dolnych lub górnych wartościach
RODZAJE ZMIAN NAPIĘCIA U(t) U(t) t Rodzaj c: oddzielone zmiany napięcia, nie zawsze o gwałtownym charakterze (rozruchy silników, łączenie odbiorników nierezystancyjnych itp.) Rodzaj d: seria losowych zmian napięcia (np. praca pieca łukowego t
ZMIANY NAPIĘCIA charakterystyka RMS - U(t) EN 61000-3-3 charakterystyka zmian napięcia U(t)
SZYBKIE ZMIANY NAPIĘCIA napięcie Przykładowa zmiana wartości skutecznej napięcia i prądu podczas przełączania zaczepów transformatora WN/SN
SZYBKIE ZMIANY NAPIĘCIA napięcie
EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Polski Komitet Normalizacyjny Pojedyncza, szybka zmiana wartości skutecznej napięcia pomiędzy dwoma kolejnymi jego poziomami, które utrzymują się przez skończony, lecz nie określony przedział czasu Minimalna wartość (du/dt) Minimalny czas trwania warunków ustalonych Wartość zmiany napięcia: maksymalna i/lub ustalona Które napięcie przyjmuje się za napięcie referencyjne
EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Polski Komitet Normalizacyjny Ustalona zmiana napięcia - 10 V.
EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Polski Komitet Normalizacyjny Zmiana skutecznej wartości napięcia występująca w przedziale ±10% napięcia znamionowego/deklarowanego, o szybkości zmian większej niż 0,5% napięcia znamionowego/deklarowanego na sek. Szybkie zmiany napięcia są opisane poprzez wartość ustalonej i maksymalnej zmiany napięcia.
EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Polski Komitet Normalizacyjny Szybkie zmiany napięcia: 1. Brak definicji i miar liczbowych zaburzenia nn: 5%UN, rzadko 10%UN SN: 4-6%UC
EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Polski Komitet Normalizacyjny W normalnych warunkach pracy szybkie zmiany napięcia nie przekraczają z reguły 4 % Uc, jednakże w pewnych okolicznościach, kilka razy w ciągu dnia, mogą wystąpić zmiany napięcia o krótkim czasie trwania, osiągające wartość do 6 % Uc
UKŁADY STABILIZACJI NAPIĘCIA autotransformatory lub transformatory z przełącznikami zaczepów szeregowe transformatory dodawcze urządzenia regulacyjne kondensatory równoległe i szeregowe
WAHANIA NAPIĘCIA
WAHANIA NAPIĘCIA Przykład zmian wartości skutecznej napięcia w sieci komunalnej
WAHANIA NAPIĘCIA
WAHANIA NAPIĘCIA
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA Zmiana mocy biernej odbiorników niespokojnych np. piece łukowe, walcownie, maszyny wyciągowe itp. Łączenie baterii kondensatorów, praca przełącznika zaczepów transformatora, rozruchy silników, spawarki, odbiorniki elektrotermiczne, regulatory mocy, młoty, pompy, kompresory, dźwigi, windy odbiorniki o dużych zmianach mocy w relacji do mocy zwarcia w punkcie przyłączenia, Interharmoniczne napięcia.
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA moc bierna 1s napięcie czas Piec łukowy
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA Zgrzewarka
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA Spawarka
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0-1 0 0-2 0 0-3 0 0-4 0 0 0. 0 5 0. 1 0 0. 1 5 0. 2 0 0. 2 5 0. 3 0 0. 3 5 ( fi l e K o n d e n s. p l 4 ; x - v a r t ) v: V A c : X A - V A t : U A R M S
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA 400 300 200 100 0-100 -200-300 -400 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 (file Kondens.pl4; x-var t) v:va c:xa -VA t: UARMS U = U Q S C sc
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA Rozruch silnika
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA 150 0,1 s (T) 100 50 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 t [s] -50-100 -150 u( t ) = U ( 1+ mcos Ωt )cos ωt m
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA u( t ) = U (1+ mcosωt )cosωt m ω pulsacja (= 2π x 50 (60) Hz) Ω pulsacja modulacji m u( t) = U/2U gdzie U jest różnicą pomiędzy min. i max. wartością skuteczna napięcia; U jest skuteczną wartością napięcia wyznaczoną np. za pomocą filtru o stałej czasowej równej 1 min. U = U m cos ω 2 m ( ωt) + [ cos( ω Ω) t + cos( + Ω) t]
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA u( t) U = U m cos ω 2 U m ( ωt) + [ cos( ω Ω) t + cos( + Ω) t] U m 2 mu m 2 2 ω ω -Ω ω ω +Ω
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA Zależność max. skutecznej wartości zmian napięcia od częstotliwości interharmonicznej o stałej amplitudzie (0.2% składowej podstawowej)
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA Faza L1 Faza L2 Prąd i napięcie podczas rozruchu turbiny wiatrowej
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA Przebiegi napięcia na wyjściu UPS 28.121 Hz 71.865 Hz
SKUTKI WAHAŃNAPIĘCIA
SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Φ ~ U γ Φ U3,1 3,7 Lampy fluorescencyjne: 1.3-1.7
SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA % napięcia znamionowego
SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Przebieg strumienia świetlnego Φ(t) Przebieg napięcia zasilającego u(t) Wahania napięcia mogą wywołać: - irytację, - uczucie zmęczenia - trudności z koncentracją, - obniżenie efektywności pracy i jej jakości - zmniejszenie bezpieczeństwa pracy. Czytanie i oglądanie TV
SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA 120V żarówka 230V żarówka l. fluorescencyjna
SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Ograniczone pasmo postrzegania (0.05-35 Hz). Zależność od częstotliwości (granica postrzegania i irytacji). Częstotliwość rezonansowa (8-9 Hz). Efekt psychofizyczny zależny od amplitudy, częstotliwości, czasu trwania zaburzenia, powtarzalności. Problemy epileptyczne Testy pilotów
CHARAKTERYSTYKA CENELEC 10 230 V 120 V 100 V U/U[%] 1 0,1 0,1 1 10 100 1000 10000 Liczba prostokątnych zmian napięcia na minutę
SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Przekształtniki statyczne Proces elektrolizy Urządzenia elektrotermiczne Silniki elektryczne Styczniki i przekaźniki Piece łukowe
SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Silniki elektryczne Wahania napięcia mogą być przyczyną powstawania składowej zmiennej momentu elektromagnetycznego powodującego dodatkowe drgania mechaniczne silnika. Skutkiem tego zjawiska może być szybsze zużywanie się elementów mechanicznych (np. łożysk) i znaczne zmniejszenie się okresu eksploatacji silnika pomiędzy remontami. Straty ekonomiczne w tym przypadku wynikają z kosztów dodatkowych remontów oraz z zwiększonego czasu przestoju napędzanego urządzenia technologicznego.
SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Odbiorniki elektrotermiczne Piece łukowe Wahania napięcia utrudniają optymalne wykorzystanie mocy transformatora piecowego wymuszając dodatkowe procesy regulacyjne związane z utrzymaniem właściwej długości łuku elektrycznego. Najczęściej wydłuża to czas wytopu stali, a w konsekwencji zmniejsza wydajność pieca i w związku z tym powoduje straty ekonomiczne.
SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Aparatura stycznikowo-przekaźnikowa Wahania napięcia mogą powodować zakłócenia w pracy styczniów i przekaźników powodując często zbędne wyłączenia urządzeń, a nawet procesów technologicznych oraz błędne zadziałania zabezpieczeń. Skutki finansowe takich awarii mogą być znaczne.
Urządzenia energoelektroniczne 1000 1500 Ud Ia[A], Ua[V] Ia[A], Ua[V], Ud[V] 8001000 Ia 600 Ia 400 500 200 0 0 Ua Ua -200-400 -500-600 -800-1000 40 60 80 100 120 140 160 180 200 t[ms] -1000 100 105 110 115 120 125 130 10 10 t[ms] 9 8 8 7 Ih/I1 [%] 6 5 4 Ih/I1 [% ] 6 4 3 2 2 1 0 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 nr harmnicznej 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 nr harmonicznej Nie Zmodulowane zmodulowane napięcie napięcie
POMIAR WAHAŃNAPIĘCIA
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Względna zmiana napięcia d = U/U N [%] i częstotliwość Współczynniki wahań napięcia (migotania światła) Pst i Plt
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA 10 230 V 120 V 100 V 0U/U[%] 1 7 0,1 0,1 1 10 100 1000 10000 Number of rectangular voltage changes per minute
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Sygnał napięcia Sygnał chwilowego migotania światła Model źródła światła Model wpływu zmian strumienia świetlnego na reakcje mózgowe człowieka Obróbka statystyczna (10 min.) P ST
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Schemat blokowy miernika migotania światła UIE
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Charakterystyka częstotliwościowa filtru ważonego miernika migotania światła UIE
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA ilustracja sposobu wyznaczania czasu występowania migotania na różnych poziomach wartości
WSPÓŁCZYNNIKI CHARAKTERYZUJĄCE WAHANIA NAPIĘCIA Krótkoterminowy współczynnik migotania światła Pst Plt 10 min 2h P LT = 3 N i= 1 P N 3 STi
WSPÓŁCZYNNIK Pst Permanent recording graph 0.3 0.28 0.26 0.24 0.22 0.2 None (Left axis) 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 31/01/02 02:00:00 31/01/02 04:00:00 31/01/02 06:00:00 31/01/02 08:00:00 31/01/02 10:00:00 31/01/02 12:00:00 31/01/02 14:00:00 31/01/02 16:00:00 31/01/02 18:00:00 31/01/02 20:00:00 31/01/02 22:00:00 01/02 00:00
WSPÓŁCZYNNIK Plt
WSPÓŁCZYNNIK Pst i Plt
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Długookresowy wskaźnik migotania światła a (tydzień) Plt 2,500 Faza C Phase C 2,000 PLT 1,500 1,000 0,500 95% 0,000 1,2% 9,5% 17,9% 26,2% 35,7% 46,4% 54,8% 63,1% 71,4% 79,8% 88,1% 96,4% Time % % czasu pomiaru Charakterystyka uporządkowana Plt będąca podstawa wyznaczania wartości P95
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Instrument 1, 2, 3, 6, 7, 8 Instrument 4, 9 Instrument 5 Instrument 10
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA
NORMALIZACJA
EN 61000-4-30: Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), Część 4-30: Metody badań i pomiarów - Metody pomiaru jakości energii Polski Komitet Normalizacyjny IEC 61000-4-15: Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), Metody badań i pomiarów - Miernik migotania światła - Specyfikacja funkcjonalna i projektowa IEC 61000-3-7: Assessment of emission limits for fluctuating loads in MV and HV power systems
POZIOMY ODPORNOŚCI IEC 61000-4-14: Voltage fluctuation Immunity test Klasa 1 - dotyczy urządzeń szczególnie wrażliwych na zmiany (wahania) napięcia, dla których poziomy kompatybilności są niższe niż przyjęte dla sieci publicznych. Dla tych urządzeń należy stosować specjalne sposoby zasilania z wykorzystaniem różnego rodzaju filtrów, układów UPS, itp. Klasa 2 - dotyczy urządzeń przyłączonych do punktu wspólnego przyłączenia (PWP) zarówno w sieci publicznej jak i przemysłowej. Klasa 3 - dotyczy urządzeń przeznaczonych do pracy w środowisku przemysłowym, dla których poziomy kompatybilności są wyższe niż dla urządzeń klasy 2.
CHARAKTERYSTYKI NAPIĘCIA PN EN 50 160 POZIOMY PLANOWANE POZIOMY PLANOWANE nn SN WN i NN P st 1,0 0,9 (1,0) 0,8 (0,8) P lt 0,7 0,7 0,6 W nawiasach podano wartości rekomendowane przez UIE
Wymagania jakościowe różniące się od EN 50 160
Wahania napięcia Wartości graniczne wahań napięcia przyjęte Norwegii Wskaźnik 0,23 U N 35 kv 35 kv < U N Przedział czasu P ST 1,2 1,0 95% tygodnia P LT 1,0 0,8 100% tygodnia
PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Rodzaj zasilania: Napięcie znamionowe: 3-fazy, 4-przewody 230V 15,7 kv / 0,4 kv AL 4x35mm 2 AL 4x25mm 2 447m 50m YAKY 4x35mm 2 16m Odbiorca 1 S N = 100 kva S Z = 75,64 MVA Yzn5; 4,25% Punkt przyłączenia przyrządu Odbiorca 2 AsXS 4x50mm 2 YAKY 4x35mm 2
PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego
PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Kwantyl 95% - U A95 = 232.2V
PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego
PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Faza A PLT 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 1,19% 9,52% 19,05% 29,76% 39,29% 50,00% 59,52% 69,05% 80,95% 89,29% 97,62% 2,38% %czasu pomiaru Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie A, wartość współczynnika Plt przekracza 1 2,38%.
PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Faza B PLT 2,000 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 1,19% 9,52% 17,86%26,19% 34,52%42,86%51,19% 60,71%71,43% 80,95%89,29%98,81% 9.6% % czasu pomiaru Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie B, wartość współczynnika Plt przekracza 1 9,6%.
PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Faza C 2,500 2,000 PLT 1,500 1,000 0,500 0,000 1,2% 9,5% 17,9% 26,2% 35,7% 46,4% 54,8% 63,1% 71,4% 79,8% 88,1% 96,4% 19.2% % czasu pomiaru Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie C, wartość współczynnika Plt przekracza 1 19,2%.
PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Jednofazowa spawarka Trójfazowa spawarka
SPOSOBY REDUKCJI I ELIMINACJI SKUTKÓW WAHAŃ NAPIĘCIA
SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA Zwiększenie mocy zwarciowej w punkcie zasilania odbiorników niespokojnych można uzyskać poprzez: zastosowanie do zasilania odbiorników transformatora o większej mocy znamionowej i mniejszym napięciu zwarcia, przyłączenie odbiorników niespokojnych do sieci o wyższym napięciu znamionowym (poprzez odpowiedni transformator), zasilanie odbiorników niespokojnych o dużych mocach za pomocą specjalnych (adresowanych) linii bezpośrednio ze stacji wysokiego napięcia energetyki zawodowej, zastosowanie kondensatorów szeregowych w układzie zasilającym (także szeregowych kondensatorów)
SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA Xc X = X L X C = ω L ω 1 C
SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA Piec łukowy szeregowe dławiki, właściwa praca automatyki posuwu elektrod, wstępne przygotowanie wsadu, itp. Spawarki zasilanie z oddzielnych transformatorów, stosowanie agregatów trójfazowych, przytłaczanie do fazy nie obciążonej odbiornikami oświetleniowymi itp. Układy złagodzonego rozruchu silników elektrycznych Wzrost odporności odbiorników na wahania napięcia
SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA U U N X Q U 2 N = Q S zw U U N * X ( Q Q U 2 N C ) = Q S Q zw C U 2 P 2 + j Q 2 U 1 R R + j X P l + j Q l P l + j (Q l -Q c ) Q c C
SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA DYNAMICZNE STABILIZATORY NAPIĘCIA Statyczne Wirujące Energoelektroniczne Nasycone dławiki Liniowokomutow ane Samokomutuj ace STATCOM DVR TSC TSC/TCR
MASZYNA SYNCHRONICZNA Supply network PCC ~U Fluctuating load E k jix d -U Tr Control system Reference voltage I. ϕ I F Synchronous compensator Converter U (a) maszyna synchroniczna pracująca w układzie dynamicznego stabilizatora napięcia; (b)wykres wskazowy
KOMPENSATOR STATYCZNY Kompensator z nasyconymi dławikami: Samonasycający się dławik (self-saturable reactor - SR) Dławik z podmagnesowaniem prądem stałym a) b) U Ik Φm Umax UN Umin U U zakres pracy Ikmin IkN Ikmax Ik
KOMPENSATOR STATYCZNY a)... U Ik Ik Is Io odbiornik Kompensator z samonasycającym się dławikiem: C 2 C 1 ochrona przepi ęciowa Lk filtr SR a) schemat układu b) U U Ik Lk b) charakterystyka naturalna dławika c) U U < U U Ik Lk Ck c) charakterystyka z korekcją nachylenia a) U C1+ C2 C 1 U Ik Lk d) charakterystyka z równoległymi kondensatorami
DŁAWIK Z OBWODEM STERUJĄCYM PRĄDU STAŁEGO u ac i ac udc i dc fφ (a) Φf Σ2 2 a) jednofazowy schemat zastępczy; b) przebiegi czasowe strumieni magnetycznych ilustrujące zasadę działania kompensatora fφ 1 Σ1 i ac bβ 1 bβ 2 Φ 2 Φ dc dc1 f dc1 f dc2 wt i ac,2 i ac,1 wt (b)
THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC) Sieć zasilająca Odbiornik Układ sterowania TSC
THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC) 120 U c0 100 80 60 u(t) 40 20 0 0-20 5 10 15 20 25 30-40 -60 i(t) -80-100 -120 120 100 U C0 80 60 u(t) 40 20 0 0-20 5 10 15 20 25 30-40 -60 i(t) -80-100 -120 u i(t = U ) = I m m a) b) sin( ωt + cos( ωt + ϕ u ϕ ) nb C u U ) C0 2 n U 2 n 1 m sinϕ u sinω n t I m cosϕ n = X / ωn = 1/ LC = nω n 1 C X L cos U C0 ϕ u = 0 = ± U m n 2 2 u cosω n t
THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC) u i u t u co =u u c u moment załączenia (a) moment wyłączenia u co < u u c i u = u c t moment załączenia (b) moment wyłączenia u co > u u u c t i moment załączenia moment wyłączenia (c)
THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC)
QFC = QTCR(α) + Qodb.(t) = const. PCC u 0 i FC L C i TCR T L Odbiornik Load Qodb(t) i 0 FC/TCR FC (a) TCR u 0 i TCR ( a P = ) 2 i TCR(1) i TCR ( ) a 2 a 3 wt a 2 P a = 2 i TCR ( a 1 ) i TCR ( a 3 ) (b)
FC/TCR COMPENSATOR Supply network T T T Load Control system Voltage/reactive power reference L L L TCR FC / TCR FC
FC/TCR COMPENSATOR
FC/TCR COMPENSATOR
TSC/TCR
STATCOM i i u x u x u bus i X r u bus u bus u vsc Odbiornik LOAD STATCOM VSC u vsc u vsc u bus u bus < u vsc > u vsc
STATCOM (a) Schemat ideowy kompensatora STATCOM przyłączonego do sieci zasilającej Wykresy wskazowe ilustrujące pracę kompensatora dla wyróżnionych przypadków, gdy kompensator jest odbiornikiem mocy biernej (b) pojemnościowej i (c) indukcyjnej
STATCOM Kompensator STATCOM do kompensacji pieca łukowego Napięcie na szynach elektrostalowni przy wyłączonym (góra) i załączonym (dół) kompensatorze
STABILIZATOR SZEREGOWY U PWP U (1) Odbior nik U (1)
STABILIZATOR SZEREGOWY
PROPAGACJA WAHAŃNAPIĘCIA
Propagacja wahań napięcia spowodowanych pracą pojedynczego odbiornika niespokojnego T P st AB = P P st st ( ( B ) A ) P st ( A) = P st ( P) Z A + Z Z A AB + Z BP P st ( P) S S SC SC ( P) ( A) Odbiornik niespokojny P ( A ) st A TP st PA = = Pst ( P ) Z A + Z AB + Z Z BP
Propagacja wahań napięcia spowodowanych pracą pojedynczego odbiornika niespokojnego P st ( B ) = P st ( P ) Z A Z A + Z + Z AB AB + Z BP P ( B ) st A AB TP st PB = = Pst ( P ) Z A + Z AB + Z + Z Z BP
Propagacja wahań napięcia spowodowanych pracą pojedynczego odbiornika niespokojnego P ( D ) P ( A ) D ) st st st T P PD = = = T st Pst PA TP st DA = Pst ( P ) Pst ( P ) Pst ( A ) P ( T P st PA
Propagacja wahań napięcia spowodowanych pracą pojedynczego odbiornika niespokojnego T P st PC = P P st st ( C ) ( P ) = P P st st ( ( P ) P ) = 1
Propagacja wahań napięcia spowodowanych pracą pojedynczego odbiornika niespokojnego z sieci NN do sieci WN współczynnik tłumienia ~ 0,8 z sieci WN do sieci SN współczynnik tłumienia ~ 0,9 z sieci SN do sieci nn współczynnik tłumienia ~ 1
WAHANIA NAPIĘCIA ZAGADNIENIA WYBRANE
Sumowanie wahań napięcia pochodzących z różnych źródeł st = m m st j lt m j P P P = P j m lt j m = 4 m = 3 stosowany tylko do sumowania wahań napięcia pochodzących od pieców łukowych, które pracują w sposób wykluczający równoczesność roztapiania stosowany powszechnie dla większości rodzajów zmian napięcia w przypadku, gdy prawdopodobieństwo jednoczesnej pracy jest ograniczone m = 3,2 stosowany dla prostoliniowej części charakterystyki P st = 1 m = 2 m = 1 stosowany w przypadku, gdy równoczesność pracy różnych źródeł jest możliwa np. przy równoczesnej pracy kilku pieców lub ciągłej pracy kilku elektrowni wiatrowych przyłączonych w tym samym PWP stosowany przy sumowaniu zgodnych zmian napięcia (duże prawdopodobieństwo równoczesnej pracy odbiorników niespokojnych)
PRZYKŁAD 1 Odbiorca A Odbiorca B
PRZYKŁAD 1 Wykonano pomiary wskaźnika P st dla różnych przesunięć fazowych pomiędzy wahaniami napięcia wywołanymi przez dwa źródła wahań napięcia. Źródła wahań zostały zamodelowane jako dwie modulacje nałożone na 50-hercowy przebieg napięcia w PWP (15 kv, 50 Hz). Obie modulacje miały charakter okresowy o 3 % amplitudzie i częstotliwości 8 Hz. W przypadku pracy indywidualnej źródeł średnia wartość wskaźnika migotania P st wyniosła 8,48.
PRZYKŁAD 1 Wpływ kąta przesunięcia fazowego ϕ na wartość wskaźnika P st w PWP
PRZYKŁAD 2 Wyniki symulacji dla zmiennej częstotliwości modulacji jednego ze źródeł (f mod = 1 20 Hz) i stałej (8 Hz) modulacji drugiego źródła. Pst 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 pomiar miernika Pst1+Pst2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 f [Hz] Zależność zmierzonej i obliczonej wartości P st od częstotliwości funkcji modulującej
PRZYKŁAD 2 P = P m st m sti i Pst 20 18 16 14 Pst PWP m=1 m=2 m=3 m=3,2 m=4 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 f [Hz] Wartości P stpwp zmierzone miernikiem migotania oraz obliczone w oparciu o metodę superpozycji
POMIARY WAHAŃ NAPIĘCIA PODCZAS PRACY ODBIORNIKA NIESPOKOJNEGO I PO JEGO WYŁĄCZENIU Schemat rozdzielni w hucie
POMIARY WAHAŃ NAPIĘCIA PODCZAS PRACY ODBIORNIKA NIESPOKOJNEGO I PO JEGO WYŁĄCZENIU Pomiary wahań napięcia podczas pracy odbiornika niespokojnego i po jego wyłączeniu
METODA KORELACYJNA
Korelacja zmian mocy czynnej i wskaźnika migotania w fazie L1 - GPZ Lubocza
Korelacja zmian mocy biernej i wskaźnika migotania w fazie L1 - GPZ Lubocza
METODA KORELACYJNA Przykład dwóch stalowni przyłączonych do PWP Korelacja zmian mocy odbiorników i wahań napięcia
Odbiorcy komunalni 110/220/400 kv Odbiorcy komunalni 110/220/400 kv P1 Odbiorcy komunalni 110 kv P3 Odbiorcy komunalni 110/220/400 kv P2 H1 H2 Odbiorcy komunalni 110 Kv H3
PST,P3 PST,P2 Stade D., Schau H., Novitsky A.: Flicker analysis in the H.V. transmission system, 0-7803-7671-4/02 IEEE PST,P1 PST,H1 PST,H2 PST,H3
METODA 3 Wpływ wahań w poszczególnych gałęziach sieci na całkowite zaburzenie w PWP U = U1 + U 2 +... + U i +... + U n U i X S Im ( I ) Li
METODA 4 Wykorzystanie pomiaru migotania prądu 1133A Power Sentinel TM firmy Arbiter Systems Jeżeli migotanie prądu jest mniejsze lub równe migotaniu napięcia, to źródło wahań jest po stronie zasilania. Wskaźnik migotania prądu powinien być większy (a nawet dużo większy) od wskaźnika migotania napięcia w przypadku, gdy źródło zaburzeń znajduje się po stronie odbiorcy.
METODA 5 Bezpośredni ciągły pomiar emisji wahań napięcia z wykorzystaniem impedancji odniesienia
METODA 6 Wykorzystanie zmienności amplitudy wahań napięcia Schemat zastępczy sieci niskiego napięcia Amplituda zmian napięcia w liniach pomiędzy: a) węzłami b i b) węzłami b m
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY Pst 20 18 16 14 12 Ocena poziomu emisji wahań na podstawie pomiarów porównawczyc 1 m = m Pst P st i i m = 1 3 4 Pst PWP m=1 m=2 m=3 m=3,2 m=4 10 8 6 4 2 0 ( ) 3 3 3 P = P P st i st,z odbiornikiem st,bez odbiornika - pomiary przeprowadzane w różnym czasie - dobór wartości wskaźnika m=3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 f [Hz]
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY Ocena poziomu emisji wahań na podstawie analizy statystycznej Podejście statystyczne oparte na założeniu rozkładu normalnego dla stanu z przyłączonym i wyłączonym odbiornikiem niespokojnym µ = i µ z odbiornikiem µ bez odbiornika σ i = σ 2 z odbiornikiem σ 2 bez odbiornika
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY Ocena poziomu emisji wahań na podstawie analizy statystycznej Podejście statystyczne oparte na równoczesnym pomiarze wahań napięcia i mocy Pomiar 24 h (WN) Psti Pltdla trzech pieców łukowych... piec A (AC, 100 MVA) piec B (AC, 100 MVA) piec C (DC, 95 MVA)
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY 1.5 1.4 1.3 Pst, Plt (pu) 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 Pst99% Pst95% Plt99% Plt95% 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Number of Pst values Pomiar ciągły (całkowity poziom wahań)
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY 1.5 1.4 Pst99% Pst95% Plt99% Plt95% 1.3 Pst, Plt (pu) 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Number of Pst values Pomiar nieciągły (pracował tylko piec A)
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY 1.5 1.4 Pst99% Pst95% Plt99% Plt95% 1.3 Pst, Plt (pu) 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Number of Pst values Pomiar nieciągły (pracował tylko piec B)
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY 1.5 1.4 1.3 Pst, Plt (pu) 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 Pst99% Pst95% Plt99% Plt95% 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Number of Pst values Pomiar nieciągły (pracował tylko piec C)
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY Bezpośrednie on-line pomiary poziomu emisji wahań napięcia Metoda 1: Podejście uproszczone Schemat zastępczy sieci dla rozważań zgodnych z Metodą 1 P st ( B ) Z 1 Z + 1 Z 2 P st ( A ) = S S ZW ( A ) ZW ( B ) P st ( A ) X 1 X + 1 X 2 P st ( A )
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY Metoda 2: Analiza spadku napięcia Z1 Z2 ( ) bg ( ) i ( ) ( ) ( ) ( ) u A = u A + u A u B = u B + u B bg i bg ( ) ( ) u A u B bg Z ui B = ui A Z + Z 1 ( ) ( ) 1 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) u AB = u A u B = u A + u A u B u B = bg i bg i 1 2 2 u ( B) + u ( B) u ( B) u ( B) = u ( B) bg i Z + Z Z 1 bg i Z Z 1 i
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY Metoda 3: Analiza prądu odbiornika u di ( t) dt 1 ( t) = um( t) + R1 i1 ( t) + L1 u N ( t ) 2 = U Nsin t 3 ( ω + α ) diodb. ( t u e( t ) = un ( t ) R1i Odb. ( t ) L1 dt )
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY Metoda 4: Pomiary i symulacje Model sieci : E, Z Model miernika migotania Pst_o (udział odbiorcy) Model odbiornika: pomiar mocy P i Q w każdym okresie lub półokresie Zmierzona wartość mocy P(kW) odbiorcy Symulacja napięcia w PWP (V) Zmierzona wartość mocy Q(kVAr) odbiorcy
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY Metoda 4: Pomiary i symulacje Pomiar P (W) Pomiar Q(VAr) Pomiar (V) Symulacja (V)
DZIĘKUJE ZA UWAGĘ... Zbigniew Hanzelka Akademia Górniczo-Hutnicza 30-059 Kraków, Al.. Mickiewicza 30 Tel.: 12 617 28 78, 12 617 28 01 E-mail: hanzel@agh.edu.pl