Oddziaływanie wyższych harmonicznych wywoływanych przez maszyny wyciągowe KWK Bogdanka na sprzęt informatyczny Zygmunt Rutka, Wojciech Frąckiewicz,Marek Wancerz, Zbigniew Złonkiewicz, Politechnika Lubelska, Katedra Sieci i Zabezpieczeń, Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii 20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 38a, e-mail: zbigz@eltecol.pol.lublin.pl 1. Wstęp W artykule przedstawiono wybrane wyniki badań systemu energetycznego kopalni węgla KWK Bogdanka. Celem badań było uczulenie zarządzających elektroenergetyką kopalni na zagrożenia wynikające z pojawienia się w sieciach wyższych harmonicznych napięć i prądów. Katedra Sieci i Zabezpieczeń Wydziału Elektrotechniki i Informatyki od kilku lat współpracuje ze służbami elektroenergetycznymi kopalni i temat omawiany poniżej był wynikiem rozwiązywania problemów związanych ze skutkami prawnymi uchwalonego w 1997 roku Prawa Energetycznego [1] oraz związanymi z nim rozporządzeniami wykonawczymi. Problem powstawania wyższych harmonicznych jest bardzo ważny w związku z trudnościami prowadzenia prawidłowej gospodarki mocą bierną w sieci zakładu jak i wzrostem temperatury pracy w maszynach wirujących, które są spowodowane stratami w uzwojeniach i w obwodzie magnetycznym. Przegrzewanie izolacji wpływa istotnie na obniżenie żywotność maszyn. Momenty mechaniczne wytworzone przez wyższe harmoniczne zwane momentami pasożytniczymi mogą utrudniać lub uniemożliwiać poprawną pracę silników, ponieważ momenty pasożytnicze mogą być zgodne lub przeciwne do momentu harmonicznej podstawowej [8]. Momenty pasożytnicze mogą powodować silne drgania i intensywny hałas, co utrudnia lub uniemożliwia pracę maszyny. Zauważono oddziaływanie wyższych harmonicznych na pracę urządzeń zasilających sprzęt informatyczny. Występowały częste działanie awaryjne, a nawet uszkodzenia UPS -ów. 2. Źródło zakłóceń Wyższe harmoniczne pojawiające się w sieci są wynikiem istnienia urządzeń przekształtnikowych służących do zasilania silników napędowych wyciągów skipowych. Moce zainstalowanych urządzeń wynoszą po 2x3600 kw przy napięciach 6kV są to: - maszyna wyciągowa klatkowa szybu MW S1/2 z obcowzbudnym silnikiem prądu stałego o mocy 2400 kw, zasilana przez dwa prostowniki sterowane 6-pulsowe pracujące w układzie szeregowym, - maszyna wyciągowa skipowa szybu MW S1/3 z dwoma silnikami obcowzbudnymi prądu stałego pracującymi na wspólnym wale o mocy 2 x 3600 kw, zasilana przez cztery prostowniki sterowane 6-pulsowe pracujące po dwa szeregowo na jeden silnik. Ponieważ maszyna ta zasilana jest z GSTR 110 kv poprzez transformator T3 110/6 kv i ma mały wpływ na układ elektroenergetyczny kopalni, wpływu tej maszyny nie rejestrowano. Zajęto się wpływem maszyny szybu MW S1/2 na urządzenia zainstalowane w kopalni. 3. Metodyka badań Zgodnie z dokumentami normalizacyjnymi, pomiary parametrów napięcia zasilającego - inaczej mówiąc jakości energii elektrycznej - powinny być przeprowadzane w minimalnym okresie obserwacji równym jednemu tygodniowi. Wskaźniki jakości winny być uśredniane w charakterystycznych przedziałach czasowych zgodnie z normą PN-EN 50160. Dokument przyjmuje tygodniowy okres wykonywania pomiarów,
z czasem uśredniania mierzonych parametrów równym 10 min. W opisanym układzie elektroenergetycznym badania przeprowadzono w wybranych punktach wskazanych przez służby energetyczne kopalni. Pomiary były wykonywane w trzech miejscach układu: - w rozdzielniach STR-M2 o napięciu 6kV, która zasila maszynę wyciągową MWS1/2, - w rozdzielni R 6 zasilanej z rozdzielni STR-M2 poprzez transformator T15 6/0,4 kv, - oraz w rozdzielni RGC zasilającej budynek administracyjny dawnej (cechowni). Rejestrowano następujące wskaźniki jakości energii elektrycznej: a) wartość napięcia i prądów URMS, b) wskaźnik krótkookresowego migotania światła PST, c) wskaźnik długookresowego migotania światła PLT, d) współczynnik zawartości harmonicznych THD, e) współczynnik udziału n-tej harmonicznej HN, f) współczynnik asymetrii K2U. Wskaźniki wymienione w punktach a), b), c), d) i f) są zdefiniowane zgodnie z PN-EN 50160. Pomiary parametrów energii elektrycznej zostały wykonane przy użyciu analizatora jakości zasilania HIOKI 3196. Przyrząd ten pomaga wykrywać, określać i rozwiązywać problemy wynikające ze złej jakości zasilania. Wyświetlanie danych pomiarowych odbywa się w czasie rzeczywistym. Funkcja przeglądania ekranu (view screen) pozwala na monitorowanie zmian nie tylko napięć i prądów w układach sieci zasilających, ale i wielu innych parametrów. 4. Układ zasilania maszyn wyciągowych W omawianym układzie elektroenergetycznym kopalni pracują następujące maszyny wyciągowe: - maszyna wyciągowa klatkowa szybu S1/2 w Bogdance z obcowzbudnym silnikiem prądu stałego o mocy 2400 kw, U = 800 V, I = 3310 A, v = 47 obr/min, Uw = 91 V, Iw = 216 A Silnik zasilany jest z rozdzielni 6 kv STR-M2 poprzez dwa transformatory: jeden 6/0,4 kv, S = 2000 kva, o grupie połączeń Yd5, drugi 6/0,4 kv, S = 2000 kva,yy0 oraz dwa prostowniki sterowane 6-pulsowe pracujące w układzie szeregowym. Oddziaływanie na sieć zasilającą (sterowanie widziane z sieci) jest 12-pulsowe. Obwód wzbudzenia zasilany jest z transformatora 0,5/0,4/0,4 poprzez prostownik sterowany 6-pulsowy, - maszyna wyciągowa skipowa szybu S1/3 w Bogdance napędzana dwoma silnikami obcowzbudnymi prądu stałego pracującymi na wspólnym wale o mocy każdy 3600 kw, U = 800 V, I = 4820 A, v = 70 obr/min., Uw = 86 V, Iw = 204 A. Napęd zasilany jest z transformatora 110/6 kv, 25 MVA, a następnie poprzez cztery transformatory, dwa 6/0,4 kv, S = 3150 kva, o grupie połączeń Yd5 oraz dwa 6/0,4 kv o mocy S = 3150 kva o grupie połączeń Yy0 i cztery prostowniki sterowane 6-pulsowe pracujące po dwa szeregowo na jeden silnik. Oddziaływanie na sieć zasilającą (sterowanie widziane z sieci) jest 12-pulsowe. Obwód wzbudzenia zasilany jest z transformatora 0,5/0,4/0,4 poprzez prostownik sterowany 6-pulsowy. Schemat układu elektroenergetycznego kopalni przedstawiono na rysunku 1.
Rys.1. Schemat układu elektroenergetycznego kopalni węgla Bogdanka z zaznaczonymi punktami pomiarowymi 5. Wyniki badań Z uwagi na posiadanie tylko jednego analizatora, pomiary dokonywano etapami. Badania przeprowadzono kolejno w wybranych punktach układu elektroenergetycznego kopalni w miejscach podanych na rys.1. Ponieważ maszyna MW S1/3 zasilana jest z GSTR 110 kv poprzez transformator T3 110/6 kv i ma mały wpływ na układ elektroenergetyczny kopalni, wpływu tej maszyny nie rejestrowano. Zajęto się wpływem maszyny szybu MW S1/2 na urządzenia zainstalowane w kopalni. Rejestracja parametrów napięcia zasilającego wg PN (z interwałem 10 minutowym) nie udała się ponieważ, w wyniku dużej ilości zdarzeń nastąpiło po upływie około dwóch godziny zapełnienie pamięci karty pomiarowej o pojemności 64 MB. W celu obserwacji zakłóceń wywoływanych pracą maszyn wyciągowych, skrócono czas rejestracji do wybranego cyklu. Zmniejszono przedział uśredniania do wartości minimalnej (1s) i dokonywano ponownej rejestracji parametrów napięcia zasilającego podczas rozruchu, jazdy i hamowania maszyny wyciągowej. Wyniki pomiarów wykonanych w rozdzielni STR M2 przedstawione są w poniższych rysunkach, tabelach i wykresach.
Zarejestrowane przebiegi napięć i prądów (Rys. 2) przedstawiają pracę maszyny podczas: postoju, rozruchu, jazdy, hamowania, dojazdu (piętrowania), postoju itd. Na rysunku 3 przedstawiono wartości napięć wyższych harmonicznych, oraz współczynnika THD. Rys. 2. Wyniki badań w rozdzielni STR-M2 z czasem uśredniania 1-sekundowym: napięcia i prądy. Rys. 3. Przebiegi wartości napięć harmonicznych oraz współczynnika THD podczas pracy maszyny MW S1/2 Rejestrowano również zdarzenia przekroczeń wartości normatywnych parametrów napięcia zasilania. Na rysunku 3 przedstawiono przebiegi napięcia i prądu podczas zdarzenia -
przekroczenie progu współczynnika zawartości harmonicznych THD U w momencie rozruch maszyny. Rys. 4. Wartości napięć i prądów oraz wartość współczynnika THD napięcia przy rozruchu maszyny wyciągowej dla poszczególnych harmonicznych, podczas zdarzenia przekroczenia progu dla 11 i 13-stej harmonicznej w rozdzielni STR M2. Brak harmonicznej 3-ciej i jej krotności wywołany jest ich tłumieniem przez transformatory pracujące w układzie Yd Następnie wykonano pomiary w rozdzielni R6 zasilanej z rozdzielni GSTR 6kV zasilającą maszynę MW S1/2. Próby wykonano w celu obserwacji wpływu pracy maszyn wyciągowych, a szczególnie MW S1/2 na jakość napięcia zasilającego urządzenia niskonapięciowe. Z rozdzielni 23GRO zasilana jest rozdzielnia RGC zasilająca budynek administracyjny gdzie zainstalowane są urządzenia informatyczne zasilane poprzez szereg UPS-ów. Zaobserwowano bowiem dużą awaryjność tych urządzeń. Wyniki pomiarów w rozdzielni R6 prezentowane są na rysunkach rys. 5, 6. i 7. Rys. 5. Przebiegi wartości napięcia i prądów, uśrednione w przedziale jednosekundowym podczas cyklu pracy maszyny wyciągowej mierzone w rozdzielni R6
Rys. 6. Przebiegi wartości napięć harmonicznych oraz współczynnika THD w rozdzielni R6 podczas pracy maszyny MW S1/2 Rys. 7. Wartości napięć i prądów oraz wartość współczynnika THD (rozruch maszyny wyciągowej) dla poszczególnych harmonicznych podczas zdarzenia przekroczenia progu dla 11 i 13 harmonicznej mierzone w rozdzielni R6 Z rozdzielni R6 zasilana jest rozdzielnia RGC zasilająca budynek administracyjny gdzie zainstalowane są urządzenia informatyczne zasilane poprzez szereg UPS-ów. Zaobserwowano bowiem dużą awaryjność tych urządzeń. Zarejestrowane przebiegi przedstawiają poniższe rysunki.
Rys. 8. Przebiegi wartości napięcia i prądów, uśrednione w przedziale jednosekundowym podczas cyklu pracy maszyny wyciągowej mierzone w rozdzielni RGC Rys. 9. Przebiegi wartości napięć harmonicznych oraz współczynnika THD w rozdzielni RGC podczas pracy maszyny MW S1/2
Rys. 10. Wartości napięć i prądów (rozruch maszyny wyciągowej) dla poszczególnych harmonicznych mierzone w rozdzielni RGC W napięciu zarejestrowany w rozdzielni RGC pojawiają się harmoniczne 3, 5,7, 9, 11 a nawet 15-sta, której przekroczenie dominuje wśród flagowanych zdarzeń. Świadczy to o wpływie nieliniowych odbiorników elektronicznych oraz energoelektronicznych (wyraźne odkształcenie prądu rysunku 10 zainstalowanych w budynku biurowca na parametry napięcia zasilającego. Należy zauważyć, że jakość napięcia użytkowego jest zwykle różna od jakości napięcia zasilającego, wskutek występowania spadków napięcia na impedancjach przewodów obwodów odbiorczych, oraz wskutek innych zakłóceń wprowadzanych przez odbiory zasilane z tej instalacji [10]. Na skutek znacznych odchyleń parametrów napięcia zasilającego urządzenia kontrolujące napięcie wejściowe przełączały UPS-y na pracę awaryjną, sygnalizując ją charakterystycznym dźwiękiem, natomiast przerw w zasilaniu nie stwierdzano. Zainstalowane UPS-y są to urządzenia przestarzałe o działaniu biernym (z bierna rezerwą) nazywane zasilaczami off line a sprzęt informatyczny jest na bieżąco aktualizowany. Nowoczesne urządzeniach informatyczne pobierają z sieci prąd o przebiegu impulsowy, a wymagają napięcia zasilającego sinusoidalnego. Zasilacze dobrane przy założeniu sinusoidalnego kształtu prądu, nie są w stanie zapewnić prawidłowej pracy odbiorników nieliniowych - następują częste przełączania na obwód obejściowy. Pomiary wykonywane były po modernizacji rozdzielni RGC oraz instalacji odbiorczych budynku administracji.
Stare, aluminiowe kable zasilające zostały zastąpione kablami miedzianymi, co zaowocowało zmniejszeniem spadków napięć i jednocześnie poprawiło parametry napięcia zasilającego w analizowanej rozdzielni. Powyższa modernizacja spowodowała wyeliminowanie wcześniejszych, nieprawidłowych działań systemów zasilania urządzeń teleinformatycznych. Należy liczyć się ze wzrostem sumarycznej mocy odbiorników nieliniowych, co może spowodować ponowne pojawienie się prezentowanych w artykule zakłóceń. 6. WNIOSKI Celem niniejszego artykułu nie było podanie konkretnego rozwiązania polepszenia jakości energii elektrycznej w kopalnie "KWK - Bogdanka"., lecz zasygnalizowanie kierownictwu służb elektroenergetycznych pewnych problemów, których rozwiązanie należy rozważyć. Duża moc maszyn wyciągowych, będących źródłem zakłóceń wprowadza do sieci zakładowej wyższe harmoniczne zwłaszcza 11 i 13-stą. Istnieją już nowoczesne, coraz tańsze urządzenia do filtrowania wyższych harmonicznych i należało by się zastanowić nad ich zainstalowaniem. Problem zakłóceń parametrów energii elektrycznej przez tak duże maszyny można złagodzić również kontrolując poziom wzbudzenia maszyny. Problematyki wyższych harmonicznych nie da się oddzielić od zagadnienia kompensacji mocy biernej i tg. Zakłócenia w pracy urządzeń powodowane niedostateczną jakością energii są zawsze niepożądane i mogą mieć różne, czasem bardzo poważne konsekwencje. Należy wymienić stare UPS-y o działaniu biernym off-line (VFD 1 ) na UPS-y z podwójnym przetwarzaniu (VFI 2 ) [11]. Układy UPS mogą być środkiem poprawy jakości dostarczanej energii. UPS-y o działaniu biernym (VFD) mogą eliminować jedynie takie zakłócenia jak: przerwy w zasilaniu, szybkie zmiany napięcia oraz krótkotrwałe przepięcia. Natomiast UPS-y klasy (VFI) dodatkowo: zapady napięć, przepięcia długotrwałe, oddziaływanie przepięć atmosferycznych, impulsy przepięciowe, wahania częstotliwości, odkształcenia krzywej napięcia, harmoniczne napięcia. Należałoby także zastanowić się nad przejściem z systemu rozproszonego zasilania sprzętu informatycznego na system centralny zasilania gwarantowanego. Rozwiązywanie problemu wyższych harmonicznych wiąże się z przeprowadzeniem systematycznych pomiarów przy użyciu nowoczesnej aparatury, umiejscowieniem źródeł wyższych harmonicznych i wytypowaniem sposobów ich kompensacji. 1-VFD(outout Voltage and Frequency Dependent from main supply)-wartość i częstotliwość są zależne od parametrów napięcia zasilającego 2-VFI(outout Voltage and Frequency Inependent from main supply)-wartość i częstotliwość są niezależne od parametrów napięcia zasilającego 7. LITERATURA 1. Prawo Energetyczne, Dziennik Ustaw z 1997 r. nr 54 poz. 348 i nr 158, poz. 1042; z 1998 r. nr 94 poz. 594, nr 91 poz. 1042 i nr 110 poz. 1255; z 2000 r. nr 48 poz. 555, ujednolicony tekst - Rzeczpospolita nr 142 z 19.VI.2000 r. 2. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 października 1998 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, Dziennik Ustaw nr 135 poz. 881. 3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 3 grudnia 1998 r. w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną, Biuletyn Urzędu Regulacji Energetyki nr 2(4) z dnia 1 marca 1999r. 4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 25 września 2000 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, obrotu energią elektryczną, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców, Dziennik Ustaw nr 85 poz. 957.
5. PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych, październik 1998 r. 6. Hanzelka Z.: Rozważania o jakości energii elektrycznej (IV), Elektroinstalator nr 12/2001r. 7. Hanzelka Z.: Rozważania o jakości energii elektrycznej (I), Elektroinstalator nr 9/2001r. 8. Markiewicz H.: Kryteria wymiarowania instalacji elektrycznych uwzględniające wymagania techniczne oraz niezawodność zasilania i jakość energii, INPE nr 41/2001 r. 9. Fassbinder S.: I gdzie tu jest harmonia?, Deutches Kupfer Institut nr 14/11/2001 10. Markiewicz H., Klajn A.; Pewność zasilania. Układy rezerwowego zasilania, Jakość zasilania poradnik 4.3.1