Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 58 Politechniki Wrocławskiej Nr 58 Studia i Materiały Nr 25 2005 Jerzy LESZCZYŃSKI *, Grzegorz KOSOBUDZKIF Jakość energii elektrycznej, zaburzenia przewodzone POMIARY ZABURZEŃ PRZEWODZONYCH W SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ PRZYKŁADY ANALIZY W pracy omówiono w zarysie parametry charakteryzujące jakość napięć zasilających oraz zakłócenia występujące w sieci niskiego napięcia. Przedstawiono wyniki analizy wybranych przykładów rejestracji jakości energii elektrycznej na rozdzielniach niskiego napięcia. 1. WSTĘP Energia elektryczna w formie dostarczonej odbiorcom odznacza się szeregiem zmiennych parametrów, które określają jej użyteczność [1]. Z punktu widzenia jej użytkownika pożądane jest, aby napięcie zasilające miało stałą częstotliwość, sinusoidalny kształt przebiegu czasowego oraz stałą wartość skuteczną. Istnieje wiele czynników powodujących odstępstwa od kluczowych wskaźników. Przepływy prądów w sieci zasilającej wywołują spadki napięć. Oddziaływania elektryczne, mechaniczne, chemiczne na urządzenia przesyłowe i rozdzielcze wynikające między innymi z warunków atmosferycznych, procesów starzeniowych oraz działalności człowieka również oddziaływają na zasilanie, łącznie z powodowaniem przerw. Szybkie zmiany poboru energii w zależności od zdolności jej generacji mogą stanowić przyczynę wahań częstotliwości. Szereg innych zjawisk może mieć zakłócający lub niszczący wpływ na urządzenia odbiorców. Można do nich zaliczyć nieuniknione zjawiska przejściowe w systemie zasilającym, wywołane zwarciami, procesami łączeniowymi lub wyładowaniami atmosferycznymi. Istnieje znacząca liczba zjawisk będąca wynikiem poboru energii elektrycznej, które bezpośrednio zmieniają kształt przebiegu czasowego napięcia, zmieniają w szczególny sposób jego wartość lub nakładają sygnały związane z trans- Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19, jerzy.leszczynski@pwr.wroc.pl, grzegorz.kosobudzki@pwr.wroc.pl
misją informacji. Należy przy tym podkreślić, iż wraz ze wzrostem liczby urządzeń wywołujących zaburzenia występuje wzrost liczby urządzeń na nie wrażliwych. 2. JAKOŚĆ NAPIĘCIA ZASILAJĄCEGO W PUBLICZNYCH SIECIACH ROZDZIELCZYCH Stosowane są następujące parametry charakteryzujące jakość napięcia zasilającego: częstotliwość sieciowa, wartość skuteczna napięcia zasilającego, zmiany napięcia zasilającego, szybkie zmiany napięcia (flikery) zapady napięcia zasilającego, krótkie przerwy w zasilaniu, długie przerwy w zasilaniu, dorywcze przepięcia o częstotliwości sieciowej, przejściowe przepięcia, niesymetria napięcia zasilającego, harmoniczne napięcia, sygnał napięciowy do transmisji informacji nałożony na napięcie zasilające. Dopuszczalne tolerancje wartości części z wyżej wymienionych wskaźników są podawane w sposób ścisły. Dotyczy to: częstotliwości, wartości napięcia zasilającego, wahania napięć, asymetrii, harmonicznych, interharmonicznych, napięć sygnałowych czy flikerów. Inne wskaźniki np. przerwy w zasilaniu precyzowane w innych aktach prawnych (np. [3]) lub mają charakter statyczny bez ścisłych określeń wartości dopuszczalnych (zapady, przepięcia), mimo iż są ściśle zdefiniowane. Miejsce pomiarów zależy od zadania pomiarowego. Zgodnie z normą IEC38 od roku 2003 jest to wspólny punkt zasilania (PCC point of common coupling), co oznacza, że może to być GPZ przy ocenie jakości napięcia zasilającego szereg odbiorców, lub np. miejsce pomiaru poboru energii elektrycznej przez indywidualnego odbiorcę. Trudno jest szczegółowo wykazać w ramach niniejszego opracowania ważność dotrzymywania właściwych wartości wszystkich wskaźników określających jakość energii. Na wybranych przykładach, mimo iż wartości wszystkich parametrów były lub mogły być rejestrowane, przedstawiono przede wszystkim problemy związane z odkształceniami przebiegów elektroenergetycznych. W ciągu ostatnich lat zwiększyła się wydatnie liczba i moc odbiorników wprowadzających odkształcenia przebiegów napięć i prądów. Od strony sieci są one widziane jako odbiorniki o nieliniowym, a także i o szybkozmiennym charakterze obciążenia. Do odbiorników o nieliniowym charakterze obciążeń należy zaliczyć szczególnie układy prostownikowe a zwłaszcza układy z pojemnościowym filtrem napięcia. Urządzenia trójfazowe, które wykorzystują układy prostownikowe z pojemnościowym filtrem napięcia znajdują głównie zastosowanie w układach przekształtnikowych do sterowania napędów elektrycznych. Są to urządzenia średniej i większej mocy. Obecnie w wielu dziedzinach przemysłu stosowane są sterowane napędy elektryczne. Napędy takie wykorzystują przemienniki częstotliwości z pośredniczącym obwodem napięcia stałego, który jest najczęściej zasilany z sieci przez trójfazowe układy prostownikowe.
Znaczącą dla sieci elektroenergetycznej grupą odbiorników obciążającą sieć nieliniowo stanowią układy prostownikowe trakcji elektrycznej prądu stałego. Są to urządzenia wielkiej mocy i dlatego w znaczący sposób wpływają na pracę sieci elektroenergetycznej na poziomie średniego napięcia. Do nich należą urządzenia trakcyjne sieci PKP, czy też tramwajowe. Obecność odkształceń przebiegów napięciowych i prądowych powoduje nieprawidłową pracę większości odbiorników energii oraz aparatury pomiarowo kontrolnej. Nie należy również pomijać dodatkowych strat powstających zarówno w linii zasilającej jak i transformatorach. Przykładowo przy wartości współczynnika odkształcenia przebiegu prądowego THD = 20% straty dodatkowe w linii zasilającej wzrosną o ok. 4% w stosunku do strat pochodzących od podstawowej harmonicznej prądu [5]. 3. WYBRANE PRZYKŁADY ZWIĄZANE Z ANALIZĄ JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ Normy, których zawartość nie sposób omówić w niniejszym opracowaniu, określają szczegółowo warunki pomiarów, metody pomiarowe oraz parametry aparatury pomiarowej do wyznaczenia wartości poszczególnych wskaźników charakteryzujących jakość energii elektrycznej (pojęcie energii dotyczy również analizy przebiegów prądowych). Użyta do pomiarów i analizy aparatura i oprogramowanie pozwala na spełnienie wszystkich wymagań wspomnianych norm. PRZYKŁAD 1 WROCŁAW [5] Pomiary przeprowadzono w celu określenia możliwości włączenia do układu zasilania przedsiębiorstwa baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej. Ze względu na charakter zmian obciążenia sieci zasilającej m.in. kontrolowane przedsiębiorstwo, przyjęto okres dobowy rejestracji przebiegów napięciowych. Na rysunku 1 przedstawiono wartości parametrów charakteryzujących jakość napięcia. Linia na rysunku określa dopuszczalne wartości wyszczególnionych parametrów zgodnie z normą [1].
Rys. 1. Wartości parametrów charakteryzujących jakość napięcia Fig. 1. Values of parameters describe power quality Ten sposób przedstawienia wyników pomiarów pozwala na szybką ocenę parametrów. Analiza zarejestrowanych przebiegów pozwala na określenie wartości wszystkich harmonicznych łącznie z czasem ich występowania w formie graficznej lub tabelarycznej. Można również w tych samych formach podawać jedynie przekroczenia wartości dopuszczalnych z podaniem czasów, w których te przekroczenia wystąpiły (rozdzielczość czasowa w krótkich przedziałach pomiarowych 1ms). Dotyczy to nie tylko harmonicznych, również innych [1] parametrów jakościowych. Rysunek 2 przestawia zawartość harmonicznych, natomiast rysunek 3 charakter zmian dominującej harmonicznej. Nie stwierdzono przekroczeń THD. Rys. 2. Zawartości harmonicznych w fazach L1, L2 i L3 Fig. 2. Harmonic voltage content in L1, L2 and L3 phase
Rys. 3. Wartości przekroczeń 13 harmonicznej w funkcji czasu Fig. 3. Value of 13th harmonic exceeded the allowable limit plotted against time function Widmo harmonicznych przedstawione na rysunku 2 świadczy o wprowadzaniu odkształceń przez stacje prostownikową wyposażoną w prostowniki 6-pulsowe (PKP). PRZYKŁAD 2 - WROCŁAW [6] Przeprowadzono precyzyjną analizę porównawczą charakterystycznych stanów przebiegów napięciowych i prądowych skokowych zmian wartości napięć i prądów wartości harmonicznych oraz zapadów napięć ze stanami awaryjnymi pneumatycznego układu zasilającego. Na podstawie analizy zarejestrowanych sygnałów stwierdzono nieznaczne przekroczenia zawartości harmonicznych oraz flikery, zapady napięcia i przerwy w zasilaniu.
Rys. 4. Zmiany wartości prądu w fazie L3 układu zasilania kotłów. Fig 4. The changes of current rms value in L3 phase of boilers supply. Rys. 5. Zawartość harmonicznych w przebiegach prądowych. Fig. 5. Harmonic current contents in L1, L2 and L3 phases. Ze względu na konieczność wyjaśnienia przyczyn powstawania stanów awaryjnych dokonano analizy zmian wartości prądów. Zmiany wartości prądu w fazie L3 (dominująca) przedstawiono na rysunku 4. Widoczne skoki, w części przypadków, odpowiadały wystąpieniom stanów awaryjnych układu zasilania kotłów parowych.
Zawartości harmonicznych w przebiegach prądowych w formie graficznej przedstawiono na rysunku 5. Odkształcenia te powodowane są przede wszystkim przez układy prostowników 6-pulsowych. PRZYKŁAD 3. WROCŁAW [7] Przeprowadzone badania jakości napięcia zasilającego związane były z określeniem przyczyn uszkodzeń agregatów chłodniczych. Rys. 6. Przekroczenia napięcia zasilającego w fazie L1 (U > 105% Un). Fig. 6. Voltage exceeding of 105% level of nominal mains voltage in L1 phase. Opisywany przykład w sposób zdecydowany różni się od poprzednich. Parametrami dominującymi okazały się zmiany napięcia zasilającego. Wartości te rejestrowane w okresie tygodnia w znacznej części tego okresu przekraczały wartości dopuszczalne [2]. Zarejestrowano 342 przekroczenia wartości powyżej 5%, których czas przekroczenia był mniejszy od 20ms oraz 141 przekroczeń o czasie trwania od 20ms do 100ms. Nie stwierdzono występowania innych przekroczeń parametrów charakteryzujących jakość napięcia zasilającego. Przekroczenia górnej granicy wartości dopuszczalnej napięć mogło stanowić przyczynę uszkodzeń, bądź nieprawidłowej pracy odbiorników zasilanych z badanej rozdzielni. 4. PODSUMOWANIE W większości analizowanych przypadków powodem występowania wyższych harmonicznych była praca 6-pulsowych stacji prostownikowych zasilających trakcję PKP bądź trakcję tramwajową. Inne przypadki zakłóceń związane były z pracą nie-
spokojnych odbiorów energii elektrycznej bądź niewłaściwymi ustawieniami odczepów w transformatorach zasilających. Wiele przypadków zakłóceń pracy odbiorników energii elektrycznej jest powodowane przez prace innych odbiorników zakłócających w ramach tego samego zakładu. Podane przykłady zawierają również aspekt ekonomiczny. Poza pogarszaniem sprawności lub uszkodzeniami urządzeń, koniecznością instalowania dodatkowych układów filtrujących, zachwianiem gospodarki mocą bierną, istnieją wspomniane [4] straty przesyłowe. Dodatkowo zgodnie z obowiązkami dostawcy energii [3] dotyczącymi dotrzymania właściwych standardów jakościowych, przedsiębiorstwo energetyczne jest zobowiązane m.in. do udzielania upustów w wysokości określonej w taryfach za niedotrzymanie parametrów. LITERATURA [1] PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych [2] PN-EN 61000-2-4 Poziomy kompatybilności dotyczące zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości w sieciach zakładów przemysłowych. [3] Rozporządzenie Ministra Gospodarki i pracy z dn. 20.12.2004r. W sprawie szczegółowych warunków przyłączenia Dziennik Ustaw Nr 2 z 2005r. [4] Dan A., Santarius P.: Jakość energii elektrycznej w sieciach niskiego napięcia. Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. Wrocław 2002r. [5] Leszczyński J.: Analiza wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym, Z-dy Jednostki Innowacyjno Wdrożeniowe Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2001 [6] Leszczyński J.: Analiza jakości napięć i prądów zasilających, Jednostki Innowacyjno Wdrożeniowe Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2001 [7] Leszczyński J., Borecki J.: Analiza jakości napięcia w układzie zasilającym agregat chłodniczy. Jednostki Innowacyjno Wdrożeniowe Politechniki Wrocławskiej.Wrocław 2001. MEASUREMENT OF CONDUCTED DISTURBANCES IN POWER SYSTEM EXEMPLE OF ANALISIS The paper presents an outline of parameters of power quality and disturbances in low voltage power system. The results of analysis were presented for example of recorded data at power distribution station.