Niezawodno

Niezawodno

ść

ść

zasilania

zasilania

i jako

i jako

ść

ść

energii elektrycznej

energii elektrycznej

Istota problemu

Istota problemu

ƒ

Decentralizacja wytwarzania energii elektrycznej przy jednoczesnym
wzroście mocy zainstalowanej odbiorników powodujących pogorszenie
jakości energii elektrycznej

ƒ

Wzrost liczby odbiorców wrażliwych ponoszących znaczne straty
techniczne i ekonomiczne z powodu złej jakości zasilania

ƒ

Odpowiedzialność prawna dostawców i odbiorców energii elektrycznej
w zakresie utrzymania określonych parametrów jakościowych w
punkcie wspólnego przyłączenia (PWP).

Powyższe względy: techniczne, ekonomiczne i prawne, uzasadniają

konieczność utrzymania odpowiedniej jakości zasilania w sieciach

odbiorczych.

Jako

Jako

ść

ść

zasilania

zasilania

Jakość dostawy energii elektrycznej odbiorcom

Jakość energii,

czyli odpowiednie parametry napięcia zasilającego

Niezawodność dostawy tej energii,

określona czasem trwania i liczbą przerw w zasilaniu

Jakość relacji handlowych pomiędzy

dostawcami i odbiorcami

Jakość

zasilania

Jako

Jako

ść

ść

energii elektrycznej

energii elektrycznej

Jakość energii elektrycznej określona jest parametrami napięcia

zasilającego.

Parametrami jakości są:

¾

Częstotliwość

¾

Wartość skuteczna napięcia

¾

Kształt krzywej

¾

Symetria napięć trójfazowych

Definicje parametrów oraz ich wartości dopuszczalne, tzw. standardy

jakościowe określone są w aktach prawnych i dokumentach
normalizacyjnych:

ƒ

Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowych warunków

funkcjonowania systemu elektroenergetycznego z dnia 4.05.2007

(na podstawie ustawy „Prawo energetyczne”)

ƒ

PN-EN 50160 „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach

zasilających”, 12.2002

(

dla miejsca przyłączenia sieci odbiorcy do sieci

dostawcy PWP).

Warto

Warto

ść

ść

napi

napi

ę

ę

cia

cia

%

100

U

U

U

c

L

%

L

=

%

100

U

U

U

U

c

c

L

%

L

−

=

Poziom napięcia

Odchylenie napięcia

U

c

– napięcie deklarowane w PWP (zwykle napięcie znamionowe)

U

L

– wartość skuteczna napięcia pomierzona w PWP i uśredniona w

przedziale pomiarowym

Napięcie w węzłach sieci zmienia się ze względu na zmieniające się
obciążenie i wynikające stąd zmiany spadków napięcia w sieciach
elektroenergetycznych.

Wahania napi

Wahania napi

ę

ę

cia

cia

Wahaniami nazywa się gwałtowne, powtarzające się zmiany wartości
skutecznej napięcia spowodowane przez szybkozmienne (niespokojne)
obciążenia, jak np. piece łukowe, spawarki, urządzenia walcownicze.

Wyróżnia się różne typy wahań napięcia:

Prostokątne i okresowe zmiany napięcia
o stałej amplitudzie (np. włączanie lub
wyłączanie obciążenia czynnego)

Wahania napi

Wahania napi

ę

ę

cia

cia

Ciąg nieregularnych zmian napięcia,
których dolna i górna amplituda mogą się
różnić.

Ciąg losowych lub ciągłych zmian
napięcia spowodowanych
cyklicznym lub losowo zmiennym
obciążeniem - piece łukowe.

Wahania napi

Wahania napi

ę

ę

cia

cia

Wahania napięcia powstające z różnych przyczyn w sieciach nn, SN
i WN przenoszą się do sieci niskiego napięcia powodując zjawisko
migotania światła (flicker).

Jest to subiektywne odczucie zmian

strumienia świetlnego, którego luminancja zmienia się w czasie.

Pomiar zjawiska migotania jest pośrednim sposobem oceny wahań
napięcia.

Miarą uciążliwości migotania światła są wskaźniki uciążliwości
krótkookresowej (P

st

) i długookresowej (P

lt

).

Uciążliwość migotania światła, wywołana wahaniami napięcia zależy
zarówno od amplitudy wahań jak i od częstości ich występowania.

Wahania napi

Wahania napi

ę

ę

cia

cia

Badania dotyczące procesu percepcji wzrokowej wykazały, że oko
ludzkie ma charakter filtru pasmowego o paśmie w zakresie
(0,5 – 35) Hz, z maksymalną czułością na zmiany strumienia
świetlnego o częstotliwościach około 8-9 Hz. Skutki fizjologiczne
oddziaływania wahań napięcia zależą od amplitudy zmian strumienia
świetlnego (amplitudy zmian napięcia zasilającego źródło światła),
częstotliwości zmian oraz czasu występowania zaburzenia.

Badania doprowadziły do opracowania algorytmu, a następnie
konstrukcji miernika migotania (flickermeter).

Wahania napi

Wahania napi

ę

ę

cia

cia

W mierniku migotania odtworzono proces fizjologiczny postrzegania, w
tym charakterystyki oka i reakcji mózgu ludzkiego. Jako sygnał
wejściowy przyjęto zmiany napięcia zasilającego źródło światła. Sygnał
wyjściowy jest miarą reakcji człowieka, a poddany obróbce statystycznej
określa znormalizowany wskaźnik uciążliwości migotania światła P

st

.

Długookresowa uciążliwość migotania światła

3

12

1

i

i

3

st

lt

12

P

P

∑

=

=

P

st

– uśredniona w przedziale pomiarowym krótkookresowa uciążliwość

migotania

Kszta

Kszta

ł

ł

t krzywej napi

t krzywej napi

ę

ę

cia

cia

%

%

100

U

U

U

c

)

h

(

h

=

%

100

U

U

THD

)

1

(

40

2

h

2

)

h

(

%

∑

=

=

Przyczyną zniekształceń napięcia są odbiorniki nieliniowe. Pobierane
przez nie prądy zawierają wyższe harmoniczne, które powodują
pojawianie się spadków napięcia od wyższych harmonicznych w sieciach
elektroenergetycznych i zniekształcenie napięć w węzłach.

Względna wartość h-tej
harmonicznej

Współczynnik odkształcenia

U

(h)

– uśredniona w przedziale pomiarowym

wartość skuteczna h-tej harmonicznej

Asymetria napi

Asymetria napi

ę

ę

cia

cia

Układ symetryczny

1A

1A

2

1B

1A

1C

1A

U

U

U

a U

U

aU

=

=

=

U

C

U

A

U

AB

U

B C

U

C A

U

B

2

3

2

1

j

j

2

2

3

2

1

j

j

e

e

a

j

e

a

3

2

3

4

3

2

−

−

=

=

=

+

−

=

=

π

−

π

π

Asymetrią napięcia w układach
wielofazowych nazywa się stan, w którym
wartości napięć fazowych lub/i kąty
między kolejnymi fazami nie są sobie
równe.

W układach 3-fazowych jest to stan, gdy
wartości skuteczne trzech napięć nie są
jednakowe lub/i kąty przesunięć między
nimi różnią się od 120

°

Przyczyny asymetrii

Przyczyny asymetrii

Praca niesymetrycznych obciążeń:

¾

Niskiego napięcia 1-fazowych

¾

Średniego napięcia

ƒ

1-fazowych, np. trakcja elektryczna, piece indukcyjne

ƒ

3-fazowych, np. piece łukowe

ƒ

Asymetria prądów obciążenia

ƒ

Niesymetryczne straty napięcia

ƒ

Asymetria napięcia w węzłach

Elementy układu
przesyłowego

ƒ

Różne wartości parametrów
fazowych

ƒ

Niesymetryczne straty napięcia

ƒ

Asymetria napięcia w węzłach

Analiza asymetrii

Analiza asymetrii

W układach symetrycznych przy symetrycznym obciążeniu strata
napięcia w danej fazie zależy tylko od prądu tej fazy. Równania
opisujące element trójfazowy są od siebie niezależne, schemat
trójfazowy można zastąpić schematem jednofazowym

.

Przy prądach niesymetrycznych równania są wzajemnie zależne, do
analizy stosuje się przekształcenie 0,1,2 – przekształcenie do układu
składowych symetrycznych.

Główna idea metody polega na zastąpieniu dowolnego

niesymetrycznego układu wektorów kombinacją liniową trzech 3-
fazowych układów symetrycznych o kolejności zgodnej, przeciwnej

i zerowej.

Sk

Sk

ł

ł

adowe symetryczne

adowe symetryczne

Układ zgodny

Układ przeciwny

Układ zerowy

1A

1A

2

1B

1A

1C

1A

W

W

W

a W

W

aW

=

=

=

2A

2A

2B

2A

2

2C

2A

W

W

W

aW

W

a W

=

=

=

0 A

0B

0C

W

W

W

=

=

Wektory fazowe są kombinacją liniową odpowiednich składowych

symetrycznych

2

2A

2

0

0 A

0

0

2B

2

2

2

A

B

1

1

C

A

2

1

1B

1

B

0

0C

C

1C

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

a U

U

aU

aU

U

a U

U

U

U

U

U

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

+

Sk

Sk

ł

ł

adowe symetryczne

adowe symetryczne

+

+

=

U

1A

1B

U

U

1C

2A

U

U

2C

U

2B

U

0A

U

0B

U

0C

1A

U

U

2A

U

0A

U

A

U

1B

2B

U

0B

U

U

B

1C

U

U

2C

U

0C

C

U

Miary asymetrii

Miary asymetrii

%

100

U

U

K

)

1

(

1

)

1

(

2

U

2

⋅

=

%

100

U

U

K

)

1

(

1

)

1

(

0

U

0

⋅

=

Miarą asymetrii jest

współczynnik asymetrii

(unbalance factor)

Definicje odnoszą się do pierwszej
harmonicznej.

U

2

– uśredniona w przedziale pomiarowym wartość skuteczna składowej

przeciwnej napięcia
U

0

– uśredniona w przedziale pomiarowym wartość skuteczna składowej

zerowej napięcia

(

)

(

)

(

)

1

0

A

B

C

3

2

1

1

A

B

C

3

2

1

2

A

B

C

3

U

U

U

U

U

U

aU

a U

U

U

a U

a U

=

+

+

=

+

+

=

+

+

Ocena jako

Ocena jako

ś

ś

ci

ci

Pomiar parametrów jakościowych powinien trwać w sposób ciągły
przez okres

co najmniej jednego tygodnia

. Każdy parametr, mierzony w

kolejnych oknach pomiarowych, uśrednia się w charakterystycznych
przedziałach czasowych: 3s, 10 min, 2 h.
Przykładowo, dla współczynnika asymetrii:

N

2

2U, 3s

2U%,k

k 1

K

K

/ N

⋅

=

⎛

⎞

= ⎜

⎟

⎝

⎠

∑

M

2

2U, 10min

2U,3s,k

k 1

K

K

/ M

⋅

=

⎛

⎞

= ⎜

⎟

⎝

⎠

∑

P

2

2U,2h

2U,10min,k

k 1

K

K

/ P

=

⎛

⎞

= ⎜

⎟

⎝

⎠

∑

K

2u %, k

- wartości wyznaczone w

N kolejnych oknach pomiarowych
M – liczba uśrednionych wartości 3 s
P – liczba uśrednionych wartości 10 min

Ocena jako

Ocena jako

ś

ś

ci

ci

Ocenie podlega zwykle wartość

10 min

lub

2 h

– w przypadku

długookresowej uciążliwości migotania światła P

lt

Sposoby oceny

ƒ

Określenie liczby lub procent wartości, które przekraczają wartości
dopuszczalne,

ƒ

Porównanie maksymalnych pomierzonych wartości z
dopuszczalnymi

ƒ

Porównanie statystycznych parametrów mierzonych wielkości z
limitami – percentyle 0,95 lub 0,99

Zgodnie z obowiązującymi w Polsce przepisami stosuje się sposób
trzeci, tzn.

95%

otrzymanych w czasie pomiarów

wyników

powinno

spełniać określone standardy jakościowe.

Standardy jako

Standardy jako

ś

ś

ciowe

ciowe

1,0

0,8

1,0

Wskaźnik
długookresowego
migotania światła P

lt

8,0 %

3,0 %

8,0 %

Współczynnik THD

h = 3: 5,0 %, 5: 6,0 %

7: 5,0 %, 11: 3,5 %
13: 3,0 %

h =3: 2,0 %, 5: 2,0 %

7: 2,0 %, 11: 1,5 %
13: 1,5 %

h = 3: 5,0 %, 5: 6,0%

7: 5,0 %, 11: 3,5 %
13: 3,0 %

Wartości
harmonicznych
rzędu h

2,0 %

1,0 %

2 %

Współczynnik
asymetrii

–

5%

4%

Szybkie zmiany
napięcia

±10 % U

n

(-10 / +5) % U

n

± 10 % U

n

Odchylenie napięcia

Sieć nn

Sieć SN

Sieć

110 kV

i 220 kV

Sieć 400 kV

Sieć nn

Sieć SN

Prawo energetyczne

PN-EN 50160

Parametr

Standardy jako

Standardy jako

ś

ś

ciowe dla sieci odbiorczych

ciowe dla sieci odbiorczych

ƒ

Częstotliwość sieciowa:

50 Hz +/- 1%

(49,5 Hz – 50,5 Hz) przez 99,5% tygodnia

50 Hz +/- 4%

(48 Hz – 52 Hz) przez 100% tygodnia

W każdym tygodniu, 95% ze zbioru 10 min wartości wskaźników nie

powinno przekraczać:

ƒ

Odchylenie napięcia:

+/- 10%

ƒ

Współczynnik THD:

8%

ƒ

Współczynnik asymetrii:

2%

ƒ

Harmoniczne:

7. - 5% 11. - 3,5% 13. - 3%

17. – 2%

3. – 5%

9. – 1,5% 15. – 0,5%

ƒ

Wskaźnik P

lt

nie powinien być większy od

1

przez 95% tygodnia

Przyk

Przyk

ł

ł

ad pomiar

ad pomiar

ó

ó

w jako

w jako

ś

ś

ciowych

ciowych

MOCE CZYNNE TRÓJFAZOW E

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

P [MW]

Ps
Po
Pk

Moc czynna pobierana przez piec łukowy.

Przyk

Przyk

ł

ł

ad pomiar

ad pomiar

ó

ó

w jako

w jako

ś

ś

ciowych

ciowych

MOCE BIERNE TRÓJFAZOW E

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

Q [MVAr]

Qs
Qo
-Qk

Moc bierna pobierana przez piec łukowy.

Przyk

Przyk

ł

ł

ad pomiar

ad pomiar

ó

ó

w jako

w jako

ś

ś

ciowych

ciowych

NAPIĘCIA SIECI

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

U [kV]

UAB
UBC
UCA

Napięcie na szynach rozdzielni zasilającej piec łukowy.

Przyk

Przyk

ł

ł

ad pomiar

ad pomiar

ó

ó

w jako

w jako

ś

ś

ciowych

ciowych

PRĄDY ODBIORU

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

I [kA]

iAo
iBo
iCo

Prądy pobierane przez piec łukowy.

Przyk

Przyk

ł

ł

ad pomiar

ad pomiar

ó

ó

w jako

w jako

ś

ś

ciowych

ciowych

NAPIĘCIA MIĘDZYPRZEW ODOW E

85,0

90,0

95,0

100,0

105,0

110,0

115,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

U [%]

U_AB
U_BC
U_CA

Uśrednione w przedziałach pomiarowych wartości napięć.

Przyk

Przyk

ł

ł

ad pomiar

ad pomiar

ó

ó

w jako

w jako

ś

ś

ciowych

ciowych

W SPÓŁCZYNNIK ASYMETRII NAPIĘCIA

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

k2U [%]

U-/U+

Uśrednione w przedziałach pomiarowych wartości współczynnika asymetrii.

Przyk

Przyk

ł

ł

ad pomiar

ad pomiar

ó

ó

w jako

w jako

ś

ś

ciowych

ciowych

W SKAŹNIKI MIGOTANIA IEC

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

Pf [-]

Pf_(uAB)
Pf_(uBC)
Pf_(uCA)

Przyk

Przyk

ł

ł

ad pomiar

ad pomiar

ó

ó

w jako

w jako

ś

ś

ciowych

ciowych

W SPÓŁCZYNNIKI ODKSZTAŁCENIA NAPIĘCIA

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

THD [%]

THD_(uAB)
THD_(uBC)
THD_(uCA)

Uśrednione w przedziałach pomiarowych wartości współczynnika THD.

Przyk

Przyk

ł

ł

ad pomiar

ad pomiar

ó

ó

w jako

w jako

ś

ś

ciowych

ciowych

W Y K R E S U P O R Z Ą D K O W A N Y Z M I A N N A P I Ę C I A U

A B

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

t [ % ]

Δ

U [%]

P I E C
S V C - 1
S V C - 2
S T A T C O M - 1 2
S T A T C O M - 2 4

Wykresy uporządkowane uśrednionych wartości napięcia zasilającego, w

przypadku pieca bez kompensacji oraz z kompensacją zmian mocy pobieranej

za pomocą układów SVC i STATCOM.

Przyk

Przyk

ł

ł

ad pomiar

ad pomiar

ó

ó

w jako

w jako

ś

ś

ciowych

ciowych

W Y K R E S U P O R Z Ą D K O W A N Y W S P Ó Ł C Z Y N N I K A A S Y M E T R I I K

2 U

0 , 0

2 , 0

4 , 0

6 , 0

8 , 0

1 0 , 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

t [ % ]

K

2U

P I E C
S V C - 1
S V C - 2
S T A T C O M - 1 2
S T A T C O M - 2 4

Wykresy uporządkowane uśrednionych wartości współczynnika asymetrii,

w przypadku pieca bez kompensacji oraz z kompensacją zmian mocy

pobieranej za pomocą układów SVC i STATCOM.

Niezawodno

Niezawodno

ść

ść

zasilania

zasilania

Poziom niezawodności zasilania dostosowuje się do charakteru
odbiorców.

Odbiorcy komunalno-bytowi – możliwości
rezerwowania ograniczone
Odbiorcy przemysłowi – rezerwowanie zależne od kategorii zasilania:

Kategoria I – 100% rezerwy
Kategoria II – o wielkości rezerwy decyduje rachunek

ekonomiczny

Kategoria III – nie wymaga rezerwy

Miarą niezawodności zasilania jest liczba i czas trwania przerw w
zasilaniu.

Przerwy w zasilaniu

Przerwy w zasilaniu

Rodzaje przerw w zasilaniu:

ƒ

Planowane – wynikające z programu prac eksploatacyjnych

ƒ

Nieplanowane – spowodowane wystąpieniem awarii w sieci

elektroenergetycznej

Przedsiębiorstwo energetyczne zobowiązane jest do powiadomienia

odbiorców o terminach i czasie planowanych przerw w zasilaniu

( z co najmniej pięciodniowym wyprzedzeniem).

W zależności od czasu trwania, przerwy dzieli się na:

ƒ

Krótkie: do 3 min

ƒ

Długie: >= 3 min, <12 godz

ƒ

Bardzo długie: >= 12 godz, < 24 godz

ƒ

Katastrofalne: > 24 godz.

Przerwy w zasilaniu

Przerwy w zasilaniu

Roczna liczba krótkich przerw w zasilaniu – kilkadziesiąt do kilkuset.

Czas trwania ok. 70% przerw może być krótszy niż 1 s. Wartości
czasu trwania i częstości nieplanowanych przerw długich zależą od
konfiguracji i struktury sieci oraz od zdarzeń losowych i są trudne do
określenia.

Dla sieci odbiorczych dopuszczalny czas trwania jednorazowej przerwy

nie może przekroczyć:

ƒ

16 godzin – w przypadku przerwy planowanej

ƒ

24 godziny - w przypadku przerwy nieplanowanej

Łączny czas przerwy w ciągu roku nie może przekroczyć:

ƒ

35 godzin – przerwy planowane

ƒ

48 godzin – przerwy nieplanowane

35 / 35

Niezawodno

Niezawodno

ść

ść

zasilania

zasilania

Niezawodność zasilania można zwiększyć poprzez:

¾

stosowanie urządzeń rezerwowych:

rezerwa jawna i utajona

¾

zamykanie sieci

¾

stosowanie automatyk sieciowych

SPZ - Samoczynne Ponowne Załączenie
SZR – Samoczynne Załączenie Rezerwy

¾

stosowanie doskonalszej aparatury