2. Parametry jakościowe energii elektrycznej i ich charakterystyka

JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ I JEJ WPŁYW NA PRACĘ URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH Katarzyna Strzałka-Gołuszka doktorantka WEAIiE AGH Jan Strzałka O/Krakowski SEP 1. WSTĘP Energia elektryczna jest produktem, który podobnie jak każdy inny musi spełniać określone wymagania w zakresie niezawodności zasilania i jakości. Zasilanie odbiorników energii elektrycznej powinno przebiegać w sposób ciągły, gdyż awarie i niespodziewane wyłączenia zasilania mogą powodować występowanie znacznych szkód i strat materialnych oraz powstawanie niebezpieczeństwa dla ludzi i dla urządzeń. Energia elektryczna ulega degradacji pod wpływem zaburzeń elektromagnetycznych, a więc zjawisk, które sprawiają, że wartości wybranych liczbowych wskaźników cech jakości energii różnią się od znamionowych, odnoszących się do stanów ustalonych z przebiegami sinusoidalnie zmiennymi, występującymi w symetrycznych układach trójfazowych. Zgodnie z rankingiem zaakceptowanym przez międzynarodowe grono ekspertów, obrazującym znaczenie zaburzeń elektromagnetycznych mierzone wielkością technicznych i gospodarczych skutków, najważniejszymi z pośród nich dla odbiorców przemysłowych są w kolejności: zapady napięcia, długie i krótkie przerwy w zasilaniu, wartość napięcia, harmoniczne, przepięcia, asymetria, wahania napięcia i częstotliwość. W odniesieniu do odbiorców komunalnych kolejność ta jest następująca: wartość napięcia, wahania napięcia, przerwy w zasilaniu, zapady napięcia, przepięcia, harmoniczne, asymetria i częstotliwość. Prawidłowe działanie urządzeń elektrycznych wymaga, aby wartość napięcia zasilającego zawierała się w określonym przedziale wokół wartości znamionowej. Znaczna część odbiorników obecnie użytkowanych, szczególnie elektronicznych i komputerowych, wymaga wysokiej jakości energii. Z kolei te same odbiorniki są często przyczyną odkształceń napięcia zasilającego w instalacji, gdyż z powodu nieliniowości swoich charakterystyk pobierają niesinusoidalny prąd przy sinusoidalnym napięciu zasilającym. W ostatnich latach problematyka jakości energii elektrycznej nabiera coraz większego znaczenia, a przyczyną tego jest rosnąca liczba odbiorników wymagających zasilania energią elektryczną o odpowiednich parametrach. W artykule niniejszym przedstawiono parametry jakościowe energii elektrycznej oraz wpływ pogorszenia tych parametrów na pracę urządzeń elektrycznych. W następnym numerze Biuletynu omówione zostaną praktyczne sposoby poprawy jakości energii elektrycznej w instalacjach elektrycznych. 2. Parametry jakościowe energii elektrycznej i ich charakterystyka Zgodnie z normą PN-EN 50160:2002 [6] oraz Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z 04.05.2007r. [9], do parametrów energii elektrycznej określających jej jakość należą: - częstotliwość sieciowa, - wartość napięcia zasilającego, - zmiany napięcia zasilającego, - szybkie zmiany napięcia zasilającego, - zapady napięcia zasilającego, - przerwy w zasilaniu, - dorywcze przepięcia o częstotliwości sieciowej, - przepięcia przejściowe o krótkim czasie trwania, 1

- asymetria napięcia zasilającego, - uciążliwość migotania światła, - harmoniczne napięcia, - interharmoniczne napięcia. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę ważniejszych z wymienionych wyżej parametrów: 1. Częstotliwość napięcia zasilającego Liczba powtórzeń w przebiegu czasowym składowej podstawowej napięcia zasilającego zmierzona w określonym przedziale czasu. 2. Zmiana wartości napięcia Zwiększenie lub zmniejszenie się wartości napięcia spowodowane zazwyczaj zmianą całkowitego obciążenia sieci rozdzielczej lub jej części. 3. Szybka zmiana napięcia Pojedyncza, szybka zmiana wartości skutecznej napięcia pomiędzy dwoma kolejnymi jego poziomami, które utrzymują się przez skończony, lecz nieokreślony przedział czasu. 4. Wahania napięcia Seria zmian napięcia lub cykliczna zmiana obwiedni napięcia. 5. Migotanie światła Wrażenie niestabilności postrzegania wzrokowego spowodowane przez bodziec świetlny, którego luminacja lub rozkład spektralny zmienia się w czasie. 6. Uciążliwość migotania światła Poziom dyskomfortu spowodowanego migotaniem światła (z ang. flicker), wyznaczony metodą pomiarową i określony za pomocą następujących wielkości: wskaźnika krótkookresowego migotania światła (P st ), mierzonego przez dziesięć minut, wskaźnika długookresowego migotania światła (P It ), obliczonego w sekwencji 12 kolejnych wartości P st występujących w okresie dwóch godzin zgodnie z następującą zależnością P P 12 3 3 sti It (1) i 1 12 gdzie: P It wskaźnik długookresowego migotania światła, P st wskaźnik krótkookresowego migotania światła. 7. Zapad napięcia zasilającego Nagłe zmniejszenie się napięcia zasilającego do wartości zawartej w przedziale od 90% do 10% napięcia deklarowanego U c, po którym, w krótkim czasie, następuje wzrost napięcia do poprzedniej wartości. Umownie czas trwania zapadu napięcia wynosi od 10 ms do 1 minuty. Głębokość zapadu napięcia definiowana jest jako różnica między minimalną wartością skuteczną napięcia w czasie trwania zapadu a napięcie deklarowanym. Zmiany napięcia zasilającego, które nie powodują obniżenia jego wartości poniżej 90% napięcia deklarowanego U c nie są traktowane jako zapady. 8. Przerwa w zasilaniu Stan, w którym napięcie w złączu sieci elektroenergetycznej jest mniejsze niż 1% napięcia deklarowanego U c. Przerwy w zasilaniu mogą być sklasyfikowane jako: planowe - gdy odbiorcy są wcześniej poinformowani, mające na celu wykonanie zaplanowanych prac w sieciach rozdzielczych, przypadkowe - spowodowane np. trwałymi lub przemijającymi zwarciami, związanymi głównie ze zdarzeniami zewnętrznymi, uszkodzeniami urządzeń lub zakłóceniami w ich pracy. Przypadkowa przerwa jest klasyfikowana jako: 2

1. długa przerwa (dłuższa niż trzy minuty), spowodowana trwałym zwarciem, 2. krótka przerwa (do trzech minut), spowodowana zwarciem przemijającym. 9. Przepięcie dorywcze o częstotliwości sieciowej - Przepięcie w określonym miejscu, o stosunkowo długim czasie trwania. 10. Przepięcie przejściowe Krótkotrwałe przepięcie oscylacyjne lub nie oscylacyjne, zwykle silnie tłumione, trwające kilka milisekund lub krócej. 11. Harmoniczna napięcia Napięcie sinusoidalne o częstotliwości równej całkowitej krotności podstawowej częstotliwości napięcia zasilającego. Harmoniczne napięcia można określić: 1. indywidualnie, przez ich względną amplitudę (U h ) odniesioną do napięcia składowej podstawowej U 1, gdzie h jest rzędem harmonicznej. 2. łącznie przez całkowity współczynnik odkształcenia THD (z ang. total harmonic distorsion), obliczany zgodnie z następującym wyrażeniem: THD 40 2 U (Uh ) 2 h (2) gdzie: THD U współczynnik odkształcenia napięcia, U h napięcie h-rzędu harmonicznej 12. Interharmoniczna napięcia - Napięcie sinusoidalne o częstotliwości zawartej pomiędzy harmonicznymi tj. częstotliwości nie będącej całkowitą krotnością częstotliwości składowej podstawowej. 13. Niesymetria napięcia W sieciach trójfazowych stan, w którym wartości skuteczne napięć fazowych lub kąty fazowe między kolejnymi fazami nie są równe. Na rysunku 1 przedstawiono klasyfikację zjawisk wpływających na wartość skuteczną napięcia. Rys.1. Zjawiska wpływające na wartość skuteczną napięcia (U N napięcie znamionowe) Na poziom i zmienność napięcia w sieci ma wpływ wiele czynników występujących zarówno w procesie wytwarzania, przesyłu, jak i rozdziału energii elektrycznej. Jednak najistotniejszą przyczyną jest zmienność obciążenia. 3

Podstawową przyczyną wahań napięcia jest zmienność w czasie, głównie mocy biernej odbiorników. Należą do nich między innymi: piece łukowe, regulowane napędy elektryczne (np. walcownicze, maszyn wyciągowych), spawarki elektryczne, bojlery, piły i młoty elektryczne, pompy i kompresory, windy, dźwigi itp., a więc ogólnie urządzenia o zmiennym obciążeniu, których moc jest znaczna w porównaniu z mocą zwarciową w punkcie ich przyłączenia. Przykład wahań napięcia o sinusoidalnej funkcji modulującej pokazano na rys. 2. Rys. 2. Przykład wahań napięcia o sinusoidalnej funkcji modulującej Na rys. 3. pokazano przebieg zmian poboru mocy biernej oraz spowodowane tym wahania napięcia na szynach elektrostalowni. Rys. 3. Zmiany mocy biernej (a) i wahania napięcia (b) na szynach elektrostalowni. Za główne przyczyny zapadów napięcia i krótkich przerw w zasilaniu należy uznać zwarcia w systemie zasilającym lub w instalacjach odbiorców, procesy łączenia odbiorników dużej mocy (w szczególności rozruchy silników elektrycznych), zmiany konfiguracji sieci i pracę odbiorników o zmiennym obciążeniu (szczególnie biernym). W instalacjach przemysłowych istotne znaczenie odgrywa odkształcenie przebiegów czasowych prądów i napięć, czyli wyższe harmoniczne. 4

Wśród występujących w sieci przemysłowej źródeł harmonicznych można wyróżnić trzy grupy urządzeń: a) urządzenia z rdzeniami magnetycznymi, np. transformatory, silniki, generatory itp., b) urządzenia łukowe, np. piece łukowe, wyładowcze źródła światła, urządzenia spawalnicze itp., c) urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne. Rysunek 4 przedstawia typowy przebieg prądu komputera PC wraz z jego widmem harmonicznym. Widać wyraźnie, że 3 i 5 harmoniczna mają wartości porównywalne z wartością składowej podstawowej. Rys. 4. Prąd: (a) energooszczędnej lampy typu COMPACT oraz jego widmo (THD I =80-130% - balast elektroniczny); (b) lampy fluoroscencyjnej (THD I =20-30%) Składowa prądu zasilającego odbiornik nieliniowy wywołuje na impedancji zastępczej sieci zasilającej spadek napięcia. Powoduje on odkształcenie napięcia w punkcie wspólnego przyłączenia (PWP). Na rys. 5 pokazano przykładowy, odkształcony przebieg prądu magnesującego transformatora oraz jego widmo harmoniczne. Rys. 5. Przykładowy, odkształcony przebieg prądu magnesującego transformatora oraz jego widmo harmoniczne ( U wej = 115%U N ) Wymagania w zakresie poszczególnych parametrów jakościowych energii elektrycznej określa norma PN-EN 50160:2002 [7] oraz Rozporządzenie MG z 04.05.2007r. [9]. Rozporządzenie [9] wprowadzone z mocy Prawa Energetycznego uzależnia niektóre parametry jakościowe od tzw. grupy przyłączeniowej, a więc od wysokości napięcia 5

znamionowego, do którego przyłączone są urządzenia odbiorcy i od mocy przyłączeniowej odbiorcy w odniesieniu do podmiotów przyłączonych do sieci o napięciu nie wyższym niż 1 kv. Wymagania normy [7], dotyczące definiowania i dopuszczalnych zmian większości wskaźników jakości napięcia zasilającego zostały przedstawione w sposób graficzny na rys. 6. Rysunek 6. Graficzna ilustracja większości parametrów służących do oceny jakości napięcia zasilającego [8]. 3. Wpływ pogorszenia parametrów jakościowych na pracę urządzeń elektrycznych i skutki złej jakości energii elektrycznej 3.1. Wstęp Urządzenia elektryczne osiągają optymalną wydajność, gdy są zasilane napięciem znamionowym lub nieznacznie różniącym się od niego, przy równoczesnym zachowaniu pozostałych parametrów jakościowych w granicznych (dopuszczalnych) zakresach. Nadmierne odchylenia parametrów jakościowych napięcia zasilającego od wartości znamionowych powodują przerwy w pracy odbiorników, spowodowane zadziałaniem odpowiednich zabezpieczeń lub zniszczeniem odbiornika, jeśli brak takowych zabezpieczeń. Parametry określające jakość energii to m.in.: - wartość skuteczna napięcia (poziom napięcia), - odchylenia i wahania napięcia od wartości znamionowej, - kształt krzywej napięcia, - symetria napięć w sieci trójfazowej, - częstotliwość prądu przemiennego. Poniżej przedstawiono ważniejsze skutki pogorszenia parametrów energii na pracę urządzeń elektrycznych oraz skutki złej jakości energii elektrycznej. 6

3.2. Wpływ wartości napięcia na pracę odbiorników Duży wpływ na prawidłową pracę odbiorników energii elektrycznej ma wartość napięcia, które występuje długotrwale na zaciskach odbiornika. Wartość ta zależy od napięcia źródła zasilania ale także w znacznym stopniu od innych odbiorników zasilanych z tej samej sieci. Zmiana napięcia postępuje wraz ze zmianą liczby odbiorników, jak i zmianą obciążenia (zmiana pobieranego prądu z sieci) pracujących odbiorników. Zmiany te powodują zmianę spadków napięć na poszczególnych elementach sieci i w konsekwencji zmianę napięcia na zaciskach zasilających, pomimo, że napięcie źródła zasilania jest stałe. Ponieważ nie można przewidzieć zmian obciążenia sieci (włączanie i wyłączanie a także zmiana obciążenia odbiorników) niemożliwe staje się utrzymanie stałej wartości napięcia zasilającego w każdym punkcie sieci. W zależności od szybkości zmian napięcia wprowadza się pojęcie odchyleń i wahań napięcia, przy czym odchyleniami są zmiany stosunkowo wolne (poniżej 0,02 U N na sekundę), a wahaniami szybkie zmiany napięcia powodowane pracą odbiorników niespokojnych, charakteryzujących się dużą zmiennością poboru mocy biernej. Odchyleniem napięcia nazywa się różnicę między napięciem na zaciskach odbiornika (U) a napięciem znamionowym (U N ) odniesioną do napięcia znamionowego. U - U U N 100% (3) U N W przypadku, gdy napięcie U>U N mówimy o odchyleniu dodatnim, w przeciwnym wypadku ma miejsce odchylenie ujemne. Urządzenia odbiorcze występujące w przemyśle są w różnym stopniu wrażliwe na zmiany napięcia zasilającego. Przykładem odbiorników szczególnie wrażliwych są odbiorniki oświetleniowe, a wśród nich żarówki, dla których strumień świetlny zmienia się z napięciem zgodnie z zależnością: U U N U N (4) a trwałość zgodnie ze wzorem: 3,6 14 U T U TN (5) U N gdzie N (T N ) strumień świetlny (trwałość) przy napięciu znamionowym U N. W przypadku wyładowczych źródeł światła odchylenia napięcia odgrywają mniejszą rolę, przykładowo ich strumień świetlny ulega zmienia zgodnie z zależnością: 1,8 U U N (6) U N Przy znacznym ujemnym odchyleniu napięcia może stać się niemożliwy zapłon takich lamp i nastąpić przerwa w procesie wyładowczym i zaprzestanie świecenia, co w przypadku na przykład lamp rtęciowych wiąże się z kilkuminutową przerwą w świeceniu. Źródła światła są również bardzo czułe na wahania napięcia, w przypadku których występuje zmiana strumienia świetlnego, powszechnie znana jako zjawisko migotania światła (ang. flicker), dotyczące w szczególności żarowych źródeł światła. 7

Migotanie światła wywołane wahaniami napięcia negatywnie wpływa na organizm człowieka zakłócając proces widzenia. Może powodować złe samopoczucie, uczucie zmęczenia, trudności z koncentracją, pogorszenie wydajności i jakości pracy. W istotny sposób utrudnia czytanie i oglądanie telewizji. W skrajnych przypadkach może stać się przyczyną wypadków przy pracy. Następną grupą urządzeń wrażliwych na zmiany wartości napięcia zasilającego są maszyny elektryczne. Praca silników w dużym stopniu zależy od wartości napięcia zasilającego ponieważ wraz z jego zmianą zmianie ulegają parametry silników. Przykładowo dla silników asynchronicznych zmiana (odchylenie) napięcia zasilającego powoduje zmianę momentu zgodnie z zależnością: U M M U N (7) gdzie: M moment silnika, M N moment znamionowy, U napięcie zasilające, U N napięcie znamionowe. 2 Jak można zauważyć, zgodnie z zależnością (7) zmiana momentu w silniku asynchronicznym zależy od kwadratu napięcia dla określonego poślizgu (rys. 7). Rys. 7. Wpływ zmiany napięcia zasilającego na przebieg momentu silnika asynchronicznego. Negatywne skutki w pracy silników elektrycznych nasilają się przy znacznych odchyleniach napięcia zasilającego (powyżej 10%), zwłaszcza ujemnych. Objawia się to przetężeniem i nadmiernym przyrostem temperatury. Mogą również wystąpić trudności podczas ich rozruchu. Graniczna wartość napięcia przy rozruchu ciężkim to 0,85U N. 8

W tabeli 1. zestawiono wielkość (zakres) zmian parametrów silnika indukcyjnego obciążonego mocą znamionową przy zmianie napięcia 10% U N. Tabela 1. Wpływ odchyleń napięcia od wartości znamionowej na niektóre parametry silników indukcyjnych obciążonych mocą znamionową. Zmiana wartości przy Wielkość odchyleniu napięcia o: -10% +10% Moment rozruchowy maksymalny oraz rozruchowy -19% +21% Prędkość obrotowa -1,5% +1% Sprawność -2% +(0,5 1)% Współczynnik mocy +0,01% -0,03% Prąd stojana +11% -7% Przyrost temperatury uzwojenia stojana +(6 7)% -(3 4)% Szybkie zmiany napięcia (wahania) są mniej zauważalne w silnikach, aniżeli migotanie światła w odbiornikach oświetleniowych (żarówkach). Jednak także i w maszynach elektrycznych powodują niepożądane skutki w postaci: zmiany momentów silników napędowych, co przy stałym obciążeniu (stały moment hamujący), powoduje niestabilną pracę całego układu napędowego, gdyż każde wahanie powoduje spowolnienie lub przyspieszenie prędkości kątowej wirnika silnika co powoduje drgania, dłuższa praca silnika przy częstych wahaniach i o znacznej amplitudzie powoduje szybsze zużycie się samego silnika, jak i maszyn z nim sprzężonych. Kolejną grupą urządzeń przemysłowych wrażliwych na odchylenia napięcia są urządzenia elektrotermiczne, których moce znamionowe zawierają się w przedziale od ułamków kilowata do dziesiątków megawatów. Niezależnie od sposobu przetwarzania energii, moc grzejna tych urządzeń zależy od kwadratu napięcia zasilającego. Dlatego też długotrwałe ujemne odchylenie napięcia zmniejsza wydajność urządzenia, co powoduje wydłużenie procesu nagrzewania wsadu, w skrajnych przypadkach może być przyczyną przerwania procesu grzejnego (np. piec łukowy). Natomiast długotrwałe dodatnie odchylenie napięcia powoduje nadmierne wydzielanie się ciepła, które może być kompensowane częstym użyciem urządzeń regulacyjnych (np. termostatów). Jednak jeśli brak takich urządzeń regulacyjnych nadmierne dodatnie odchylenia napięcia spowoduje nadmierne nagrzewanie się komory, a także i wsadu do zbyt wysokiej temperatury. Powoduje to szybsze zużycie elementów grzejnych, izolacji cieplnej a w konsekwencji całego urządzenia. Odchylenia dodatnie napięcia zasilającego do 5% nie powodują negatywnych skutków dla urządzeń grzejnych. Urządzenia grzejne w zdecydowanej większości są odporne na wahania napięcia. Wyjątkiem w tym zakresie są urządzenia grzejne wykorzystujące najnowsze technologie (np. plazmowe, laserowe itp.). Jednak urządzenia grzejne same mogą być przyczyną występowania wahań napięcia np. piece łukowe czy indukcyjne. Kondensatory należą do grupy urządzeń szczególnie czułych na odchylenia napięcia. Ponieważ kondensatory głównie służą do kompensacji mocy biernej i poprawy współczynnika mocy cos φ, dlatego ważne jest, aby ich moc bierna była jak najbardziej stabilna. 9

Moc kondensatorów również zależy od kwadratu napięcia zasilającego: 2 U Q (8) 2 C gdzie: U napięcie zasilające, f częstotliwość, C pojemność kondensatora (baterii kondensatorów). Ujemne odchylenie napięcia nie powoduje negatywnych skutków dla samego kondensatora (baterii kondensatorów), ale powoduje to zmniejszenie mocy biernej generowanej przez niego do sieci. W konsekwencji spowoduje to pogorszenie warunków napięciowych (nadmierne spadki napięcia) w sieci. Z kolei dodatnie odchylenie napięcia powoduje zwiększenie mocy biernej generowanej do sieci ale jednocześnie zwiększenie strat mocy czynnej. Negatywnym skutkiem dodatniego odchylenia napięcia jest podwyższona temperatura pracy kondensatorów, co powoduje przyspieszone starzenie kondensatorów. Przekształtniki prądu i napięcia są bardzo wrażliwe na wahania napięcia, ponieważ zmiana napięcia zasilającego w przekształtnikach sterowanych fazowych z układem stabilizacji parametrów po stronie prądu stałego najczęściej powoduje zmniejszenie współczynnika mocy i generację harmonicznych nie charakterystycznych i interharmonicznych. W przypadku napędu podczas hamowania zmiana napięcia może prowadzić do przerzutu falownikowego. 3.3. Wpływ zapadów i krótkich przerw w zasilaniu na pracę odbiorników elektrycznych Dla odbiorców coraz ważniejsza jest nie tylko ciągłość zasilania w skali roku, lecz coraz częściej w skali sekund, a nawet milisekund. Dlatego też zapady napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu są obecnie kłopotliwymi zaburzeniami elektromagnetycznymi. Rysunek 8 ilustruje przykładowy zapad napięcia a także, charakterystyczne wielkości opisujące go w sposób ilościowy. Rys. 8. Przykładowy zapad napięcia i krótka przerwa w zasilaniu ( U N napięcie znamionowe) 10

Jak podano wyżej zapadem napięcia określa się nagłe zmniejszenie napięcia do wartości zawartej pomiędzy 90% a 10% napięcia znamionowego (deklarowanego), po którym, po krótkim okresie czasu następuje powrót do wartości znamionowej (deklarowanej). Najczęściej przyjmuje się, że czas trwania anomalii wynosi od 10 ms do 1 min. Dla układów napięć wielofazowych zapad napięcia występuje, jeśli pojawi się on w przynajmniej jednej z faz, a kończy wraz z ustąpieniem zakłócenia w ostatniej fazie. Jeśli napięcie osiągnie minimalną wartość określającą zapad napięcia (mniej niż 10% U N ) wówczas jest to traktowane jako krótka przerwa w zasilaniu. Głównymi przyczynami powstawania zapadów napięcia i krótkich przerw w zasilaniu są: - zwarcia w sieci lub u samych odbiorców; - procesy załączania odbiorników dużej mocy; - zmiany konfiguracji sieci; - praca odbiorników o zmiennym obciążeniu (szczególnie biernym). Zwarcia w sieci najczęściej są to zwarcia jednofazowe, rzadziej dwu i trójfazowe. Zakłócenia te mogą występować zarówno w sieci przesyłowej, rozdzielczej, jak i w instalacjach odbiorcy. Powodują one przetężenia prądowe, skutkiem których są spadki napięć na impedancjach systemu i w konsekwencji zapady napięcia. Zwarcia możemy podzielić na: zewnętrzne są to zwarcia niezależne od pracy systemu zasilającego tj. wyładowania atmosferyczne (przyczyna 50% do 80% zwarć w liniach), mgła, śnieg itp. wewnętrzne mające swe źródło w systemie zasilającym np. uszkodzenia izolacji kabli, transformatorów, łączników, zwarcia powodowane błędnymi decyzjami ludzi itp. Właściwie zaprojektowane układy zabezpieczeń ograniczają liczbę odbiorców, którzy doświadczają negatywnych skutków zwarć. Dla odbiorców poniżej miejsca zakłócenia skutkiem jest krótka lub długa przerwa w zasilaniu. Natomiast dla odbiorców przyłączonych powyżej miejsca zwarcia lub do linii równoległych jest to zapad napięcia zasilającego amplitudzie zależnej od elektrycznej odległości od miejsca zwarcia. Kolejnym powodem powstawania zapadów napięcia jest załączanie odbiorników dużej mocy (głównie rozruch silników). Na skutek dużej wartości prądu łączeniowego (rozruchowego) maleje napięcie w linii zasilającej i w konsekwencji występuje spadek napięcia na impedancji systemu. Wartość prądu rozruchowego i związany z tym spadek napięcia jest największy w chwili rozruchu i wraz z wzrostem prędkości obrotowej wirnika maleje. A więc zapad napięcia w tym przypadku ma charakter przewidywalny i stąd względnie łatwe jest zaprojektowanie układu napędowego, który nie będzie wywoływał tego rodzaju anomalii. Stosowane są różne sposoby złagodzenia prądu rozruchu: - przełącznik gwiazda/trójkąt, - rozruch rezystancyjny i reaktancyjny, - rozruch poprzez autotransformator, - zastosowanie układu soft start. Silniki mogą też powodować zapady poprzez zmianę obciążenia (np. windy). Skutki zapadów napięcia są zależne zwłaszcza od amplitudy, jak i czasu trwania zjawiska. Każda grupa odbiorników reaguje w inny sposób na ten rodzaj zaburzenia. Skutki zaburzenia dotyczą w pierwszej kolejności takich odbiorników, jak: aparatura łączeniowa styczniki i przekaźniki, regulowane napędy, sprzęt informatyczny i lampy wyładowcze. Poniżej 11

przedstawione zostaną najważniejsze skutki zapadów napięcia dla poszczególnych grup urządzeń: Aparatura łączeniowa styczniki i przekaźniki Podczas zaburzenia elektromagnetycznego, jakim jest zapad napięcia istnieje prawdopodobieństwo, że stycznik czy przekaźnik rozłączy w sposób niekontrolowany urządzenie sterowane np. napęd elektryczny. W stycznikach występuje zjawisko histerezy i zmiany obwodu magnetycznego związane z ruchem zwory powoduje to, że ich zachowanie się podczas zapadu napięcia jest pewnym stopniu zjawiskiem losowym. Styki ruchome stycznika są utrzymywane w odpowiedniej pozycji poprzez siłę elektromagnetyczną, która zależy od kwadratu prądu przepływającego przez cewkę. Prąd ten osiąga dwukrotnie wartość zero podczas każdego okresu napięcia. Jednak dzięki bezwładności części ruchomych stycznika może on pracować stabilnie w tych przedziałach wartości prądu (wartości zero). Tak więc wystąpienie nieprawidłowości w jego działaniu wymaga równoczesnego wystąpienia kilku niekorzystnych czynników wśród których należy wymienić, oprócz amplitudy zapadu napięcia oraz czasu jego trwania, ważny jest też punkt przebiegu czasowego napięcia, w którym rozpoczyna się zapad oraz punkt, w którym napięcie wraca do pierwotnej wartości. Styczniki dużej mocy mają najczęściej wystarczająco dużo zmagazynowanej energii w cewce, aby zapobiec przedwczesnym wyłączeniom. Natomiast przekaźniki są bardziej podatne na zburzenie (zapad), ponieważ zgromadzona w nich energia jest mniejsza, a także mają mniejszą bezwładność. Do rozruchu silników SN stosowane są przeważnie układy rozruchowe ze stycznikami z cewkami prądu stałego. Zasilane są one z sieci prądu przemiennego przez prostowniki. Mają one większą odporność na zapady niż styczniki prądu przemiennego. Regulowane napędy Napędy regulowane są bardzo kłopotliwe podczas zapadów napięcia lub krótkich przerw w zasilaniu. Z uwagi na duże moce jednostkowe, sposoby redukcji skutków zapadów są kosztowne i trudne technicznie. Natomiast skutki zapadów są odczuwalne bezzwłocznie po wystąpieniu zaburzenia, w przeciwieństwie od innych zaburzeń np. harmonicznych czy asymetrii. Najbardziej rozpowszechnione napędy prądu stałego i przemiennego z uwagi na różnice w topologii części energoelektronicznych i układów sterowania, różnie reagują na zapady napięcia. Możemy wyróżnić trzy przyczyny, które powodują, że napędy są wrażliwe na zapady: Pierwszą przyczyną jest zasilanie układu sterowania napędu. Ponieważ jeśli zasilacze (układu) nie mogą zapewnić odpowiedniego poziomu napięcia, wówczas napęd musi być wyłączony z uwagi na groźbę utraty kontroli nad jego pracą. Dlatego też w pierwszej kolejności powinno się zapewnić odpowiedni poziom napięcia dla układu pomiarowosterującego. Drugą przyczyną - jest groźba wystąpienia stanu awaryjnego w części siłowej (energoelektronicznej) układu w następstwie zapadu. Trzecim powodem jest możliwość utraty precyzyjnej kontroli prędkości lub momentu, zmiany te nie są tolerowane przez wiele procesów technologicznych. Reakcja napędów uzależniona jest nie tylko od wielkości opisanych powyżej, ale także od rodzaju obciążenia, a także od parametrów samego napędu. Skutki zapadów napięcia i krótkich przerw w zasilaniu są szczególnie istotne w obecnie mniej rozpowszechnionych napędach prądu stałego z przekształtnikami ac/dc zrealizowanymi jako: 12

- nie sterowane prostowniki, które są uważane za praktycznie nieczułe na zapady napięcia. Jednak, gdy prostownik jest obciążony i po stronie prądu stałego jest filtr pojemnościowy może wystąpić problem podczas powrotu napięcia po zapadzie do wartości pierwotnej (znamionowej). Ponieważ w czasie zapadu kondensator rozładowuje się i jeśli nie zostaną podjęte żadne środki zabezpieczające, podczas powrotu napięcia do wartości znamionowej popłynie duży prąd ładowania, co może spowodować uszkodzenie prostownika. Dlatego też stosuje się zabezpieczenia podnapięciowe w obwodzie prądu stałego wyłączające urządzenie w przypadku zbyt głębokiego i/lub długiego zapadu. - nie nawrotne sterowane prostowniki są wrażliwe na załamania napięcia, które trwają dłużej niż kilka milisekund i amplitudzie większej niż 20%. - nawrotne przekształtniki zapad napięcia o amplitudzie większej niż 15% może spowodować awarię tych urządzeń. - regulowane prostowniki o sterowaniu fazowym podczas zapadu pętla sprzężenia zwrotnego stara się potrzymać stałe napięcie wyjściowe poprzez zmniejszanie kąta wysterowania tyrystorów. W czasie długich i głębokich zaburzeń, napięcie (wyjściowe)maleje zmniejszając w konsekwencji prędkość silnika. Przy powrocie napięcia zasilającego, dla granicznych wartości kątów wysterowania tyrystorów i zakłóconej synchronizacji z siecią zasilającą może wystąpić przetężenie prądowe powodując zadziałanie systemu zabezpieczającego. Typowe napędy prądu przemiennego z pośrednim przekształtnikiem częstotliwości (voltage source inverter) i diodowym mostkiem wejściowym charakteryzują się znaczną odpornością na zapady napięcia, ponieważ zgromadzona energia w kondensatorze jest zdolna do chwilowej kompensacji zmiany napięcia zasilającego (przy założeniu krótkiego czasu trwania i małej amplitudy zaburzenia). W przypadku tych układów może wystąpić doładowanie kondensatora powodujące wystąpienia przetężenia prądowego. Może spowodować zadziałanie zabezpieczenia nadprądowego i w konsekwencji zatrzymanie napędu. Podczas zapadu, który jest spowodowany np. zwarciem trójfazowym wskutek czego energia nie jest dostarczana z systemu zasilającego, a w konsekwencji energia zgromadzona w kondensatorze jest absorbowana przez silnik w kilku okresach i napięcie stałe kondensatora maleje do zera w czasie kilkudziesięciu milisekund. Natomiast prędkość silnika maleje wraz z pochodną zależną od momentu bezwładności i momentu obciążenia. Dlatego też większość napędów posiada zabezpieczenia sprawdzające poziom napięcia stałego (w układzie pośredniczącym) i gdy napięcie obniży się do zbyt małej wartości spowodują awaryjne wyłączenie napędu. Podnapięciowe zabezpieczenie wyłączy napęd jeśli wartość napięcia stałego obniży się poniżej wartości progowej (75 90%) wartości znamionowej. Kiedy napięcie powróci ponownie do wartości znamionowej, silnik nie może być natychmiast zasilony poprzez przekształtnik z powodu możliwości wystąpienia przetężenia, które może spowodować przepalenie się bezpieczników, a także uszkodzenie elementów półprzewodnikowych. Sprzęt informatyczny Sprzęt ten jest bardzo czuły na zmiany napięcia, jeśli amplituda zmian przekracza 10% U N wówczas zaczynają występować zaburzenia takie jak brak transmisji sygnałów lub błędy w ich przekazie. Dlatego też większość tego rodzaju sprzętu ma wbudowane detektory zaburzeń zasilania w celu ochrony danych w wewnętrznej pamięci. Sprzęt informatyczny jest bardziej narażony na stopniowe zmiany napięcia (zmniejszanie) niż na nagłą przerwę w zasilaniu. Ponieważ niektóre detektory nie wykrywają dostatecznie szybko stopniowego zmniejszania się napięcia zasilającego, co może 13

spowodować, że napięcie U dc dla obwodów scalonych obniży się poniżej wartości minimalnej potrzebnej do prawidłowej pracy. Co w rezultacie może doprowadzić do utraty danych lub mogą być one nieprawdziwe. Do sprzętu informatycznego należą także programowalne sterowniki logiczne PLC (Progrmmable Logic Controller). Ich prawidłowa praca zależy głównie od układu zasilającego (zasilacza). Przeważnie jest to typowy układ elektroniczny zasilony napięciem AC, które przekształca (najczęściej impulsowo) na napięcia stałe, które zasilają poszczególne elementy PLC. Odporność zasilacza na zapady napięcia zależy od wymaganego stopnia stabilizacji napięcia stałego oraz energii zmagazynowanej w kondensatorze zasilacza. Zakłócenie występujące w każdym z modułów (CPU, karty I/O) może przerwać ciągłość całego procesu technologicznego. Lampy wyładowcze W przypadku lamp wyładowczych np. sodowych przerwa w zasilaniu o czasie trwania ok. dwóch okresów lub zapad do wartości 45% napięcia znamionowego powoduje ich zgaśnięcie. Czas potrzebny do ponownego zapłonu wynosi od jednej do kilku minut, ponieważ lampa musi ostygnąć aby mógł nastąpić ponowny zapłon. W przypadku lamp długotrwale eksploatowanych wystarczy zapad napięcia znacznie mniejszy (do 85% U N ), aby lampa zgasła. 3.3. Wpływ asymetrii napięcia na pracę odbiorników Układ trójfazowy nazywamy symetrycznym, jeśli wartości napięć i prądów w poszczególnych fazach są sobie równe oraz przesunięcie między fazami jest równe 120 0. Jeśli któryś z powyższych warunków nie jest spełniony, wówczas układ nazywamy niesymetrycznym. Jako miarę asymetrii stosuje się powszechnie współczynnik asymetrii K, będący ilorazem składowej przeciwnej i/lub zerowej do składowej zgodnej napięcia (analogicznie dla prądu). U 2(1) K 2U (9) U 1(1) U 0(1) K 0U (10) U 1(1) gdzie: K 2U współczynnik asymetrii składowej przeciwnej, K 0U współczynnik asymetrii okładowej zerowej, U 2(1) wartość napięcia składowej przeciwnej, U 1(1) wartość napięcia składowej zgodnej, U 0(1) wartość napięcia składowej zerowej, indeks (1) oznacza, że definicja odnosi się do pierwszej harmonicznej. Asymetrię głównie powodują niesymetryczne odbiory jednofazowe niskiego napięcia oraz niektóre odbiorniki SN np. trakcja elektryczna, piece indukcyjne, które także są wykonane jako jednofazowe. Niesymetrycznymi odbiorami trójfazowymi są piece łukowe. Asymetria w tych urządzenia jest spowodowana: 14

niejednakową impedancją toru wielkoprądowego wynikającą z konstrukcji pieca, niejednakowym obciążeniem fazowym będącym efektem fizycznej natury procesu topienia tzn. zmieniającej się w różny sposób wartości zastępczej impedancji łuku. Z uwagi na bardzo duże moce pieców łukowych sięgające nawet dziesiątek MVA, ich niesymetryczne obciążenie może powodować znaczną asymetrię napięć w sieci zasilającej. Przyczyną asymetrii mogą też być 3-fazowe elementy układu przesyłowego, zwłaszcza linie napowietrzne. Wynika to z faktu, że przewody poszczególnych faz nie są jednoczenie w identycznym położeniu względem siebie i względem ziemi. Prowadzi to do różnych wartości parametrów fazowych linii, a więc i do różnych wartości straty napięcia w poszczególnych fazach. Dlatego też w praktyce stosuje się rozwiązania techniczne ograniczające to zjawisko np. przeplecenie przewodów linii. W wyniku asymetrii płyną prądy kolejności przeciwnej i zerowej, które ograniczają przepustowość linii dla składowej zgodniej. Przyczyniając się w ten sposób do powstania dodatkowych strat w systemie zasilającym i w przyłączonych do niego urządzeń. Najczęściej spotykane problemy wywołane asymetrią w poszczególnych odbiornikach są następujące: Silniki asynchroniczne Prądy kolejności przeciwnej wywołują strumień wirujący w kierunku przeciwnym do strumienia wywołanego prądami kolejności zgodnej. Dlatego też silnik nie może wytworzyć pełnego momentu obrotowego, ponieważ wirujące pole składowej przeciwnej wytwarza moment hamujący, który trzeba odjąć od momentu znamionowego. Asymetria powoduje też podwyższenie temperatury pracy uzwojeń, co przyspiesza degradację izolacji silnika i skrócenia czasu jego eksploatacji. Generatory synchroniczne W maszynach tego typu niesymetria wpływa głównie na pracę generatorów elektrociepłowni przemysłowych, zasilających sieci odbiorcze. Strumień powstały w wyniku składowej przeciwnej powoduje oddziaływanie na wirnik i stojan w postaci indukowania prądów wirowych, strat mocy i wzrostu temperatury pracy. Transformatory Transformatory w równym stopniu reagują na składowe napięciowe zgodne, co przeciwne. Ich reakcja względem składowej zerowej napięcia uzależniona jest od sposobu połączenia strony pierwotnej i wtórnej, a zwłaszcza od obecności przewodu neutralnego. Przykładowo, jeżeli jedna strona zbudowana jest jako trójfazowa cztero-odczepowa, to prąd w przewodzie neutralnym może płynąć. Jeżeli uzwojenie drugiej strony połączone w trójkąt prądy składowej zerowej są zamieniane na prądy krążące w tymże uzwojeniu (wytwarzając ciepło). Przekształtniki statyczne Pojawienie się składowej przeciwnej napięcia w układach przekształtnikowych powoduje między innymi: pojawienie się dodatkowej składowej zmiennej w napięciu (prądzie) wyprostowanym, 15

Nie charakterystyczne harmoniczne i interharmoniczne w prądzie zasilającym. 3.4. Wpływ wyższych harmonicznych na pracę odbiorników Dopuszczalny poziom odkształcenia napięcia/prądu jest determinowany czułością odbiorników, które podlegają wpływowi odkształconych wielkości. Najmniej czułym rodzajem sprzętu są te urządzenia, których główną funkcją jest ogrzewanie, a więc np. wszelkiego rodzaju piece. Najbardziej narażonymi urządzeniami są te, których projektant lub konstruktor założył idealne, sinusoidalne przebiegi napięć i prądów o częstotliwości podstawowej. Jest to głównie sprzęt telekomunikacyjny lub przetwarzania danych. Pomiędzy tymi dwoma skrajnymi kategoriami mieszczą się silniki elektryczne. Większość z nich toleruje znaczące poziomy odkształceń, lecz nawet w przypadku najmniej czułych odbiorników jakimi są piece, obecność harmonicznych jest niekorzystna. Mogą one powodować np. szkodliwe oddziaływanie napięciowe i termiczne dla dielektryk izolacji powodując przyspieszenie procesu jej starzenia lub niekiedy trwałe uszkodzenia. Skutki obecności wyższych harmonicznych można podzielić w zależności od przyjętych kryteriów: - ze względu na czas ich występowania a) skutki chwilowe lub o charakterze natychmiastowym Te efekty są związane z uszkodzeniami, wadliwym działaniem lub zanikiem działania urządzeń poddanych wpływowi wh. Zaliczyć tu można np.: urządzenia regulacyjne, sprzęt elektroniczny, sprzęt komputerowy, itp. b) skutki długotrwałe Zasadniczo mają termiczną naturę, występują głownie w tych przypadkach, w których cieplna stała czasowa urządzenia jest krótsza od czasu emisji harmonicznych, które na to urządzenie oddziaływają. Efekt cieplny (powodujący np. przyspieszony proces starzenia izolacji lub rzadziej uszkodzenia sprzętu) jest funkcja wielu zmiennych, wśród których wymienić należy: rzędy mocy, oddziaływanie standardowe, funkcję rozkładu prawdopodobieństwa itp. - ze względu na charakter fizyczny odkształconego przebiegu c) skutki prądowe Związane z wartością chwilową lub uśrednioną w czasie przepływającego prądu (przegrzanie maszyn elektrycznych, przepalenie bezpieczników przekaźników prądowych itp.). W systemie zasilającym harmoniczne prądu są główną przyczyną wzrostu temperatury urządzeń oraz skrócenia czasu ich pracy. Wpływ ten osiąga ekstremalnie duże wartości w warunkach rezonansowego wzmocnienia prądów harmonicznych. d) skutki napięciowe Związane z wartością szczytową, średnią lub skuteczną odkształconego napięcia. 16

- ze względu na miejsce występowania odkształconych przebiegów e) skutki wh w systemach rozdziału i transmisji mocy f) skutki wh w systemach transmisji danych i systemach telekomunikacyjnych g) skutki wh w sprzęcie i urządzeniach elektrycznych Źródłem wyższych harmonicznych w sieciach i instalacjach elektrycznych są urządzenia generujące odkształcenia posiadające nieliniowe charakterystyki prądowo napięciowe. Wywołują one prądy zawierające wyższe harmoniczne. Są to zarówno urządzenia jednofazowe, jak i trójfazowe i można je podzielić na trzy charakterystyczne grupy: urządzenia z rdzeniami ferromagnetycznymi (np. transformatory mocy), układy elektroniczne i energoelektroniczne (np. prostowniki z filtrem pojemnościowym, zasilacze z przetwarzaniem energii SMPS), urządzenia łukowe i lampy wyładowcze (np. agregaty spawalnicze, świetlówki kompaktowe ). Transformatory Transformatory są źródłami wyższych harmonicznych z powodu nieliniowości charakterystyk magnesowania ich rdzeni. W normalnych warunkach pracy, gdy prąd magnesowania nie przekracza 1-2% In to punkt pracy znajduje się na liniowej części charakterystyki, a maszyna nie wprowadza zbyt dużych odkształceń. Jednak w przypadku zaburzeń związanych ze zmianą obciążenia np. z załączeniem dużych odbiorników mocy biernej lub wzrostem napięcia ponad wartość znamionową w maszynie następuje wzrost prądu magnesowania i jego odkształcenie. W takim przypadku punkt pracy zostaje przesunięty do obszaru nasycenia. Urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne Problem odkształceń przebiegów prądu pobieranego przez układy elektroniczne spowodowany jest głownie przez stosowanie w nowoczesnych urządzeniach zasilaczy impulsowych. Ich konstrukcja powoduje, że zamiast zasilania ciągłego z sieci urządzenie pobiera impulsy prądu zawierające duże ilości wyższych harmonicznych. Układy z prostownikami sterowanymi i niesterowanymi wprowadzają do sieci odkształcenia o regularnym charakterze przebiegów, których rząd harmonicznych można określić zależnością: n pk 1 (k=1,2,3...) (11) gdzie: p liczba pulsów prostownika. Urządzenia należące do tej grupy źródeł wyższych harmonicznych to m.in. przemienniki częstotliwości, napędy AC/DC, komputery, UPS-y, kasy fiskalne, odbiorniki telewizyjne, sprzęt biurowy i AGD. Wyładowcze źródła światła i urządzenia łukowe Wyładowcze źródła światła, których liczba wśród tego typu odbiorników jest znacząca, również wprowadzają do sieci wyższe harmoniczne. Światło jest w nich wytwarzane w oparciu o przepływ prądu przez parę metalu lub gaz. Występujący w nich szeregowy dławik z rdzeniem jest źródłem trzeciej harmonicznej. W nowoczesnych konstrukcjach dławik zastępowany jest układem elektronicznym, który pomimo swych zalet zwiększa odkształcenia prądu. 17

Ogólny mechanizm wprowadzania do sieci odkształceń przez urządzenia łukowe i wyładowcze związane jest z przerywaniem prądu podczas przejścia przez zero oraz ze stanami nieustalonymi występującymi podczas rozruchu. Normy określające zasady dotyczące projektowania i budowy urządzeń świetlnych zakładają poziom 3 harmonicznej nie przekraczający 30%, jednak w praktyce zdarza się, że przekracza on nawet 80%. Typowymi przykładami urządzeń należących do tej grupy są: piece łukowe, agregaty spawalnicze, oświetleniowe lampy wyładowcze, świetlówki kompaktowe. Przepływ prądu wyższych harmonicznych oraz wywołane nimi odkształcenie napięcia powoduje szereg negatywnych oddziaływań na pracę instalacji elektrycznych oraz zasilanych z nich odbiorników. Do najważniejszych z tych skutków należy zaliczyć: - zwiększone straty mocy w uzwojeniach i rdzeniach silników i transformatorów wskutek zwiększonego efektu naskórkowości i prądów wirowych, powodujące przegrzewanie się tych urządzeń, - dodatkowe momenty harmoniczne w generatorach i silnikach, wywołujące oscylacje mechaniczne oraz zwiększony poziom zakłóceń akustycznych, - przeciążenia prądowe i napięciowe kondensatorów powodujące przyspieszone starzenie dielektryka i skrócenie czasu życia, - skrócenie trwałości źródeł światła, - dodatkowe uchyby przyrządów pomiarowych, - zakłócenia w pracy układów elektronicznych i energoelektronicznych, - zwiększone straty w przewodach instalacyjnych, głównie w przewodzie ochronnoneutralnym, mogące spowodować przepalenie tego przewodu. Niekorzystne skutki wyższych harmonicznych uwydatniają się głównie w instalacjach przemysłowych, ale również w budynkach biurowych i centrach komputerowych, w których występuje duża liczba nieliniowych odbiorników jednofazowych. Poniżej przedstawiono w uporządkowany sposób skutki oddziaływania harmonicznych prądu i napięcia na urządzenia występujące w instalacjach przemysłowych. Silniki i generatory Podstawowym skutkiem obecności harmonicznej napięcia i prądu w maszynach wirujących (asynchronicznych i synchronicznych) jest wzrost temperatury pracy spowodowany dodatkowymi stratami mocy. Straty te występują w rdzeniu i uzwojeniach maszyn. 1. wzrost strat w uzwojeniach stojana i wirnika spowodowany jest zarówno zwiększeniem wartości skutecznego prądu na skutek odkształcenia jak również wzrostem efektywnej rezystancji uzwojeń na skutek zjawiska naskórkowości. 2. wzrost strat w magnetowodach stojana i wirnika. Dodatkowe straty od prądów wirowych związane są głownie w uzwojeniach stojana oraz w klatce tłumiącej. Istotne są głównie harmoniczne tworzące układ kolejności przeciwnej, tzn. 5, 11, 17, 23,... itd. Straty od prądów wirowych w maszynie synchronicznej z pakietowym stojanem i wirnikiem nie przekraczają pojedynczych procentów strat znamionowych nawet przy bardzo znaczącym odkształceniu napięcia zasilającego. Straty dodatkowe w silnikach i kompensatorach z litymi biegunami będą większe. W silnikach asynchronicznych wysokiego napięcia straty w stojanie i wirniku są mniej więcej jednakowe. Silniki asynchroniczne dopuszczają większe straty mocy w wirniku niż silniki klatkowe. Straty w maszynach wirujących mają znaczenie głownie dla harmonicznych niskich rzędów, głownie 2- i 3-ciej. Straty od harmonicznych o rzędach powyżej 13-tej można praktycznie pominąć. 18

3. dodatkowe momenty harmoniczne. Są one rezultatem wzajemnego oddziaływania pomiędzy strumieniem w szczelinie powietrznej (głównie składowa Podstawowa) i strumieniami wytwarzanymi przez poszczególne prądy harmoniczne wirnika. Ich efekt w wypadkowej, średniej wartości momentu silnika jest w praktyce mały. Mają one dodatkowo tolerancje do wzajemnego znoszenia się. Harmoniczne tworzące układ kolejności zgodnej wytwarzają składowe momentu wspierając rotację silnika, podczas gdy dla pozostałych harmonicznych (5, 11, 17, 23,...) działają przeciwnie. Momenty harmoniczne mają natomiast wpływ na wartość chwilową momentu wypadkowego silnika wywołując jego pulsację. Momenty pasożytnicze mogą powodować silne drgania i intensywny hałas, co utrudnia, a może nawet uniemożliwić pracę maszyny. 4. oscylacje mechaniczne maszyn elektrycznych zasilanych odkształconym napięciem osiągają swoje maksymalne wartości, gdy częstotliwość zmiennego momentu silnika jest zgodna z częstotliwością rezonansu mechanicznego układu silnik agregat napędzany. Istotnym czynnikiem jest wartość momentu obciążającego silnik. Zjawisko to może wystąpić również w układach turbina generator. 5. Prądy harmoniczne w silniku mogą spowodować zwiększony poziom emisji i zakłóceń akustycznych w porównaniu z wartościami przy zasilaniu ich przebiegami sinusoidalnymi. 6. Harmoniczne wpływając na rozkład strumienia w szczelinie powietrznej mogą utrudnić łagodny rozruch silnika i zwiększyć jego poślizg. Transformatory Transformatory zawsze doświadczają skutków wh, gdyż filtry instalowane są prawie wyłącznie po ich pierwotnej stronie. Bezpośrednim skutkiem obecności harmonicznych jest, oprócz zakłóceń akustycznych, wzrost strat mocy w rdzeniu (straty: histerezowe proporcjonalne do częstotliwości i straty od prądów wirowych proporcjonalne do kwadratu częstotliwości) oraz w uzwojeniach, w następstwie wzrostu wartości skutecznej prądu oraz zwiększonej rezystancji (efekt naskórkowości). Przyjmuje się, że te ostatnie są proporcjonalne do 2 2, gdzie n jest rzędem harmonicznej prądu o wartości skutecznej I (n). Wywołany I ( n ) n n tym termiczny stres izolacji może być przyczyną skrócenia czasu eksploatacji transformatorów. Ważnym miejscem lokalizacji strat mocy są połączone w trójkąt uzwojenia stanowiące obwód zwarty dla prądów harmonicznych potrójnych. Obecność składowej stałej prądu (jako rezultat pracy pewnych rodzajów odbiorników) może wywołać nasycenie rdzenia i wynikający stąd dalszy wzrost odkształcenia prądu. Rdzeń transformatora może ulegać nasyceniu również na skutek wzrostu wartości szczytowej napięcia występującego jako rezultat odkształcenia harmonicznego. Ze względu na niebezpieczeństwo wystąpienia zjawiska rezonansowego pomiędzy reaktancją indukcyjną transformatora, a reaktancją pojemnościową sieci zasilającej lub reaktancją odbiorników pojemnościowych przyłączonych do jego wtórnej strony, w tym ostatnim przypadku ogranicza się moc baterii kondensatorów. Nie powinna ona przekroczyć około 25% mocy znamionowej. Praca transformatorów w środowisku elektromagnetycznym z odkształconymi przebiegami napięć i prądów zmusza projektantów i producentów do realizacji takich jego zmian konstrukcyjnych, które prowadzą w konsekwencji do minimalizacji strat. Są to: 19

- przewymiarowanie uzwojeń połączonych w trójkąt i przewodu neutralnego przy połączeniu uzwojeń w gwiazdę ze względu na obecność harmonicznych potrójnych; - projektowanie rdzeniu magnetycznych tak, aby w znamionowym punkcie pracy uzyskać odpowiednią gęstość strumienia magnetycznego (poniżej kolana ch-ki magnesowania). Uzyskuje się to m.in. poprzez stosowanie rdzeni z żelaza o odpowiedniej jakości; - wykonywanie uzwojeń transformatorów z wiązek przewodów w celu redukcji zjawiska naskórkowości. Kondensatory Należą do tej grupy urządzeń, które w największym stopniu doświadczają skutków pracy w środowisku elektromagnetycznym z przebiegami odkształconymi. Przeciążenia, którym podlegają dotyczą: napięcia, prądu i mocy. Dlatego też do tych wielkości odnoszą się określane przez producentów dopuszczalne współczynniki przeciążeniowe podające krotność ich wartości znamionowych. Wyznaczają one, dla baterii kondensatorów, obszar nieniszczących warunków, lecz praca z długotrwałym przeciążeniem skraca znacząco czas ich eksploatacji. Wzrost wartości szczytowej napięcia, będący rezultatem wyższych harmonicznych, to dodatkowy stres dla izolacji. Może on spowodować w konsekwencji częściowe wyładowanie w dielektryku, zwarcie końców folii i trwałe uszkodzenie kondensatora. Zgodnie z większości narodowych i międzynarodowych norm, dopuszczalny współczynnik przeciążenia napięciowego kondensatora nie przekracza 110% wartości znamionowej. Większość problemów występujących w kondensatorach, a wywołanych harmonicznymi ma prądowy charakter. Obecność wh w napięciu powoduje przepływ przez kondensator dodatkowych prądów, których wartość może być znacząca i może rosnąć wraz ze wzrostem rzędu harmonicznej. Przepływ przez baterię prądu o zbyt dużej wartości powoduje wystąpienie w kondensatorach dodatkowych strat mocy, z wynikającymi z tego faktu niekorzystnymi zjawiskami, takimi jak: przepalenie bezpieczników, procesy fizyko chemiczne dielektryków powodujące przyspieszony proces starzenia i skrócenia czasu eksploatacji, trwałe uszkodzenie itp. Wszystkie wymienione niekorzystne zjawiska ulegają drastycznemu wzmocnieniu w warunkach rezonansów: szeregowych i równoległych. Źródła światła Wzrost wartości szczytowej odkształconego napięcia powoduje skrócenie czasu eksploatacji żarowych źródeł światła. Lampy wyładowcze fluoroscencyjne i rtęciowe wyposażane bywają w szeregowy dławik ograniczający prąd, który w połączeniu z często stosowanym równoległym kondensatorem wejściowym (dla poprawy współczynnika mocy) tworzy obwód rezonansowy. Stan bliski rezonansu jest źródłem dodatkowych strat. Wyłączniki Odkształcenie przebiegu prądu ma wpływ na zdolności wyłączeniowe wyłączników w przypadku wyłączenia małych prądów, nie prądów zwarciowych. Obecność harmonicznych może spowodować większa wartość pochodnej prądu di/dt przy jego przejściu przez wartość zerową (w porównaniu z przebiegiem sinusoidalnym). Czyni to trudniejszym proces przerywaniu prądu. Badania wykazały, że przy 50% odkształceniu napięcia dla wyłącznika 15 kv, wystąpiło wyraźne obniżenie zdolności wydmuchiwania łuku przez cewkę wydmuchową. Proces wyłączania trwał dłużej i często występowały ponowne zapłony. W znacznie 20