BADANE ODKSZTAŁCEŃ NAPĘCA ZASLAJĄCEGO W ELEKTROENERGETYCZNYCH SECACH WEJSKCH NSKEGO NAPĘCA RESEARCH OF STRANS OF VOLTAGE N THE RRAL LOW VOLTAGE NETWORKS Jerzy Niebrzydowski, Grzegorz Hołdyński Politechnika Białostocka Streszczenie W referacie przedstawiono wyniki pomiarów oraz analizy odkształceń napięcia i prądu w wiejskiej sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia. 1. WSTĘP Przebiegi odkształcone (wyższe harmoniczne) należą do niekorzystnych zjawisk zachodzących w sieciach elektroenergetycznych. Powodują one zakłócenia w pracy odbiorników a niekiedy powodować mogą również ich uszkodzenie. Wyższe harmoniczne w napięciach międzyprzewodowych pojawiają się w wyniku występowania w sieci źródeł harmonicznych a przede wszystkim prądowych, którymi są odbiorniki nieliniowe. Harmoniczna piąta i siódma są wywołane głównie odkształconym prądem magnesowania transformatorów oraz silników synchronicznych. Trzecia harmoniczna wywołana jest przez źródła zasilające. W sieciach zasilających urządzenia prostownicze i przekształtniki tyrystorowe pojawiają się harmoniczne wyższych rzędów, zwłaszcza jedenasta, trzynasta i wyższe. Poziom wyższych harmonicznych w sieci nie jest stały i może zmieniać się w krótkim czasie w szerokich granicach. Zależy to od obciążenia oraz od konfiguracji sieci. Ze względu na różnorodność czynników mających wpływ na zawartość harmonicznych ich wyznaczenie na drodze analitycznej jest bardzo trudne, tak więc najbardziej miarodajne są badania pomiarowe. Problem występowania wyższych harmonicznych dotyczył zazwyczaj przemysłu i dużych aglomeracji miejskich. Ze względu jednak na zmiany charakteru odbiorników odkształcenia napięcia występują również na terenach wiejskich. Dzieje się tak ze względu na wzrost udziału odbiorników radiowo-telewizyjnych oraz innych urządzeń wyposażonych w prostowniki z pojemnościowymi filtrami napięcia w ogólnym bilansie y zainstalowanej. Można zauważyć również wzrost zainteresowania energooszczędnymi źródłami światła, wśród których dominują świetlówki kompaktowe.. OBEKT BADANY Obiektem, w którym badano parametry energii elektrycznej była stacja transformatorowa we wsi Zawady położonej na terenie działania Rejonu Energetycznego Białystok Teren. Odbiorcy wsi Zawady zasilani są dwoma obwodami (liniami nn) ze stacji słupowej wyposażonej w transformator o y znamionowej kva. Obwód ( Zawady kolonia ) zasila osiedle domków jednorodzinnych natomiast obwód ( Zawady wieś ) zasila odbiorców, wśród których większość stanowią gospodarstwa rolne. 3. PROCEDRA BADAŃ Rejestracji parametrów energii elektrycznej dokonano w dniach od 18 czerwca do lipca 1999 roku (18 -.6 obwód ;.6 -.7 obwód ) przy poy analizatora sieci CRC- TOR AR4-M. Zastosowany rejestrator pozwala na jednoczesny pomiar następujących wielkości: napięcia fazowe, prądy fazowe, czynna w poszczególnych fazach oraz trójfazową, bierna w poszczególnych fazach oraz trójfazową, współczynnik y, częstotliwość sieci, zawartość wyższych harmonicznych (do 3 harmonicznej) w napięciu i w prądzie,
współczynnik zawartości wyższych harmonicznych THD (Total Harmonic Distorsion). Rejestracja mierzonych wielkości odbywała się w cyklach tygodniowych. Okres pomiędzy kolejnymi zapisami danych wynosił minut. Każdy zapis składa się ze średnich wartości wszystkich mierzonych wielkości w okresie pomiędzy zapisami. Analiza krzywej napięcia i prądu przeprowadzona została metodą szybkiej transformaty Fouriera (FFT) przy poy programu CR-VSON dołączonego do urządzenia pomiarowego. 4. WYNK POMARÓW Na podstawie otrzymanych wyników badań wyznaczono średnie tygodniowe wartości udziału poszczególnych harmonicznych w napięciu i prądzie dla dwóch rozpatrywanych obwodów. Rozkład harmonicznych rzędów od do 3 występujących w fali napięcia i prądu zasilającego obwód przedstawiają rysunki 1 i natomiast rysunki 3 i 4 przedstawiają analogiczne wielkości zarejestrowane w obwodzie., 3 4 6 7 8 9 11 1 13 14 1 16 17 18 19 1 3 4 6 7 8 9 3 Rys. 3. Procentowy udział poszczególnych harmonicznych w napięciu zasilającym obwód wartości średnie za okres.6-.7 1999 r. 11 9 8 7 6 4 3 1 3 4 6 7 8 9 11 1 13 14 1 16 17 18 19 1 3 4 6 7 8 9 3 Rys. 4. Procentowy udział poszczególnych harmonicznych w prądzie zasilającym obwód wartości średnie za okres.6-.7 1999 r., 3 4 6 7 8 9 11 1 13 14 1 16 17 18 19 1 3 4 6 7 8 9 3 Rys. 1. Procentowy udział poszczególnych harmonicznych w napięciu zasilającym obwód wartości średnie za okres 18.6-.6 1999 r.,, 3 4 6 7 8 9 11 1 13 14 1 16 17 18 19 1 3 4 6 7 8 9 3 Rys.. Procentowy udział poszczególnych harmonicznych w prądzie zasilającym obwód wartości średnie za okres 18.6-.6 1999 r. Analizując rysunki 1 i można stwierdzić, że w obwodzie zasilającym osiedle domków jednorodzinnych dominującą rolę odgrywają harmoniczne rzędów 3 i (z przewagą piątej harmonicznej) zarówno w przypadku napięcia jak i prądu. W obwodzie zasilającym gospodarstwa rolne dla harmonicznych napięcia (rys. 3) podobnie jak w obwodzie dominują harmoniczne rzędu 3 i. nna sytuacja występuje natomiast w przypadku harmonicznych prądu w obwodzie (rys. 4). Tutaj oprócz harmonicznych rzędu 3 i (z przewagą trzeciej harmonicznej) występują znaczne wartości harmonicznych rzędu 7 i 9 oraz w mniejszym stopniu także harmoniczne rzędów 11, 13, 1. W tabelach 1 i przedstawiono średnie tygodniowe oraz dobowe wartości współczynnika zawartości wyższych harmonicznych (THD) w napięciu i prądzie dla poszczególnych faz (L1, L, L3) obwodów i. Współczynnik zawartości wyższych harmonicznych oznaczony symbolem THD wyraża procentowy stosunek wartości skutecznej wszystkich wyższych harmonicznych do wartości skutecznej harmonicznej podstawowej badanego przebiegu. Współczynnik ten dla prądu (THD ) oraz dla napięcia (THD ) wyrażają następujące zależności:
THD THD = gdzie: k k = k RMS 1 RMS = gdzie: 1RMS k k= krms % - wartość skuteczna prądu k-tej harmonicznej, k RMS 1 RMS 1RMS - wartość skuteczna prądu pierwszej harmonicznej, krms % - wartość skuteczna napięcia k-tej harmonicznej, - wartość skuteczna napięcia pierwszej harmonicznej. Tab. 1. Wartości średnie współczynnika THD w obwodzie Zawady kolonia 18.6 piątek,99,3,99, 4,38 4,9 19.6 sobota,84,4,9 4,37 4,47 4,48.6 niedziela 3,14,7 3,,13,4,1 1.6,68,,68 4,88 4,9 4,64 poniedziałek.6 wtorek,78,4,8,38 9 4,94 3.6 środa,37 3,73 4,84,17.6 czwartek 4,49 8,3,,1 18.6-.6,9,39,97,18 4,79 4,9 Z analizy tabel 1 i wynika, że poziom zawartości wyższych harmonicznych (reprezentowanych poprzez współczynnik THD) jest we wszystkich przypadkach wyższy w przypadku dnia świątecznego (niedziela) niż dla pozostałych dni tygodnia. Wśród dni roboczych nie da się jednak wyróżnić zauważalnych prawidłowości. Należy także zauważyć, że jeśli wartości współczynników dla napięcia w obu obwodach są porównywalne to wartości współczynników THD dla prądu w obwodzie są niejednokrotnie kilkakrotnie wyższe niż analogiczne wielkości w obwodzie. Tab.. Wartości średnie współczynnika THD w obwodzie Zawady wieś napięcie prąd.6 piątek,79,3,87 16,3,8,34 6.6 sobota 3,4,8 8,78 9,19 9,39 7.6 niedziela 4,1 3,69 4,41 18,14 11,8 1,16 8.6 9 8 3, 13,9 9,7 8,46 poniedziałek 9.6 wtorek,63 3,3 16,3,13, 3.6 środa,33 3,48 13,74 9,4 8,1 1.7 czwartek,3 4,4 11,69 9,6 8,4.6-1.7 1 8 3,19 14,39,3 9,6 Na rysunkach -1 przedstawiono przykładowe dobowe przebiegi wartości współczynnika THD w trzech fazach. Do prezentacji wybrano przebiegi charakterystyczne dla dnia roboczego (środa) i świątecznego (niedziela). :8 :8 1 1 1 Rys.. Dobowy przebieg współczynnika zawartości dla dnia świątecznego 7, 7, 6, 6,,, :8 :8 1 1 1 Rys. 6. Dobowy przebieg współczynnika zawartości dla dnia świątecznego 1 1 :8 :8
, 4 4 3 3 1 :8 :8 1 1 1 1 :8 Rys. 7. Dobowy przebieg współczynnika zawartości dla dnia roboczego 9 8 7 6 4 3 :8 1:48 :38 3:8 4:18 :8 :8 6:48 7:38 8:8 9:18 :8 11:48 1:38 13:8 14:18 Rys. 8. Dobowy przebieg współczynnika zawartości dla dnia roboczego 1:8 16:48 17:38 18:8 19:18 :8 : 1:48 :38 3:8 : 1 1 1 1: 1 1 1 1 : Rys.. Dobowy przebieg współczynnika zawartości dla dnia świątecznego : : 1 1 1 1: 1 1 1 1 : Rys. 11. Dobowy przebieg współczynnika zawartości wyższych harmonicznych napięcia w obwodzie dla dnia roboczego 3 3 6, 6,, 1, : : 1 1 1 1: 1 1 1 1 : : : 1 1 1 Rys. 1. Dobowy przebieg współczynnika zawartości dla dnia roboczego 1: 1 1 1 1 : Rys. 9. Dobowy przebieg współczynnika zawartości dla dnia świątecznego Z analizy charakterystyk przedstawionych na rysunkach -1 pewnych prawidłowości można doszukać się jedynie w przypadku przebiegów napięciowych (rys., 7, 9, 11). We wszystkich przypadkach szczyt występował między godziną 17 a. Przebiegi dla dnia roboczego i świątecznego różniły się jednak kształtem. W przypadku dnia świątecznego (rys. i 9) wartości współczynnika THD narastały prawie liniowo między godziną 6 a. Natomiast dla dnia roboczego
(rys. 7 i 11) można wyróżnić dwa szyty lokalne: szczyt przedpołudniowy trwający od godziny 6 do i szczyt wieczorny w godzinach 17-. Dobowe przebiegi wartości współczynnika THD dla prądu (rys. 6, 8,, 1) są bardziej zróżnicowane i przypadkowe. Nie można wyodrębnić charakterystycznych szczytów i dolin tak jak w przypadku przebiegów napięciowych. Wartości współczynników THD prądu zmieniają się także w dużo większych granicach i tak jeżeli współczynniki THD napięcia zmieniały się od % do 7 % to wartości współczynników THD prądu w granicach 4 %. Dla potrzeb badania wpływu podstawowych parametrów energii elektrycznej (napięcia, prądu, y czynnej, y biernej, współczynnika y) na poziom wyższych harmonicznych wyznaczono zależności między tymi wielkościami przy życiu współczynnika korelacji. Wartości współczynników korelacji dla poszczególnych obwodów przedstawiają tabele 3 i 4. Tab. 3. Wartości współczynników korelacji pomiędzy wielkościami charakteryzującymi energię elektryczną w obwodzie Zawady kolonia czynna bierna współczynnik y THD 1 -,9,19,4 8,3 THD -, 9,11 4,1 THD 3 -,31,16,19 4,8 THD 1 -,19 4 -,14 THD -4 -,17 -,17 -,19 - THD 3 -,1-7 -6-8 Tab. 4. Wartości współczynników korelacji pomiędzy wielkościami charakteryzującymi energię elektryczną w obwodzie Zawady wieś czynna bierna współczynnik y THD 1 -,,4,4-4,1 THD 9 -,46 -,46-6 -1 THD 3 -,11,7,8 -,11, THD 1-3 -9-9 4 THD -,14,3,3-9,36 THD 3 - -9-8 -,11 3 Analizując wyniki obliczeń zawartych w tabelach 3 i 4 nie można jednoznacznie wskazać bezpośrednich zależności między wartościami współczynnika THD a innymi parametrami charakteryzującymi energię elektryczną.. WNOSK Badania i analizy pomiarów przeprowadzonych we wsi Zawady wykazały, że poziom zawartości wyższych harmonicznych napięcia dochodząc nawet do 7 % znacznie przekracza obowiązujące obecnie normy [1] ustalające maksymalną wartość współczynnika THD na poziomie %. Poziom zawartości harmonicznych prądu jest również wysoki i dochodzi do 4 %. Tak wysoki udział wyższych harmonicznych zarówno w prądzie jak i napięciu może wywołać zjawiska niekorzystnie wpływające zarówno na pracę sieci elektroenergetycznej (m. in. zwiększenie strat przesyłowych, przeciążenie przewodu neutralnego, przyspieszenie starzenia izolacji transformatorów i kabli) jak i na odbiorniki zasilane z tej sieci (zwiększenie strat y w silnikach i transformatorach, błędne wskazania przyrządów pomiarowych, zakłócenia w pracy zabezpieczeń i układów sterujących). Badania sfinansowano ze środków KBN w ramach pracy W/WE/1/99. Abstract n the paper results of measurement and analysis of strains of voltage and current in the rural low voltage networks are presents. LTERATRA 1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 1 października 1998 r. w sprawi szczegółowych warunków przyłączania podmiotów do sieci elektroenergetycznych, pokrywania kosztów przyłączania, obrotu energią elektryczną, świadczenia usług przesyłowych, ruch u sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców. Dziennik staw z 1998 r., nr 13, poz. 881. prof. dr hab. inż. Jerzy Niebrzydowski mgr inż. Grzegorz Hołdyński Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny 1-893 Białystok ul. Grunwaldzka 11/1 tel. (8) 74-16-1 w. 167 fax (8) 74-16-7 e-mail gregorh@cksr.ac.bialystok.pl