1

Politechnika Opolska

Instrukcja do ćwieczenia laboratoryjnego

Badanie jakości zasilania

Opole, 2012

2

1

Cel ćwiczenia laboratoryjnego

Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie się z

metodami badanie jakości

zasilania, ocena wpływu różnych odbiorników na zakłócenia zasilania oraz zapoznanie się

z działaniem analizatora jakości.

2 Wstep teoretyczny. Charakterystyka parametrów jakości

energii elektrycznej

Energia elektryczna wytwarzana jest przez turbogeneratory w elektrowniach, a także

przez mniejsze urządzenia wytwarzające energie. Ma ona swoje cechy jakościowe, które

obłożone są obwarowaniami

.

Bardzo ważna cecha energii elektrycznej to, że na jej jakość ma

nie tylko wpływ urządzenie wytwórcze, ale i odbiorca końcowy. Jakość energii elektrycznej

ulega zmianie także podczas przesyłania od wytwórcy do odbiornika. Jakość energii

elektrycznej ma wpływ na pracę oraz parametry eksploatacyjne urządzeń zasilających z sieci

elektroenergetycznej. Bardzo ważną jej cechą jest to, że istnieją możliwości poprawy

niewłaściwej jej jakości. Jakość energii rozpatruje się w dwóch aspektach tzn. technicznym i

ekonomicznym [3].

Aspekt techniczny mówi o tym co dzieje się z odbiornikami przy niewłaściwej jakości

energii, a ekonomiczny jak duże starty ponoszone są przez wytwórcę energii, ale i przez

pojedynczego odbiorcę czyli skutki jej niewłaściwych parametrów. Odbiorniki energii

elektrycznej do swej prawidłowej pracy wymagają odpowiedniej jakości energii jaki

niezawodności jej dostawy. Jakość energii elektrycznej jest czasem oceniana z punktu

widzenia zgodności jej cech z danymi znamionowymi jakich potrzebuje dany odbiornik.

Najkorzystniej było by gdyby cechy jakościowe energii były zgodne z wymaganiami

odbiorników bez żadnych zakłóceń sieciowych [9].

Jakość energii dostarczanej do odbiorców zależy od parametrów energii dostarczanej

ze źródła czyli sieci energetyki jaki od zmian tych parametrów w sieci elektroenergetycznej

zakładu przemysłowego jest ona różna w różnych miejscach w sieci. Przez te zmiany

odbiorniki rzadko więc eksploatowane są w warunkach idealnych, a były by one gdyby jakość

energii zrównała się z wymaganiami odbiorników czyli jej danymi znamionowymi [9].

3

Sama jakość energii nie jest nowym problemem w trwającym już dziesiątki lat

procesie rozwoju tej dziedziny. Możemy wyróżnić trzy etapy zainteresowania się tym

problemem. Pierwszy etap zapoczątkował Steinmetz na początku XX wieku poprzez

eliminacje prądów trzeciej harmonicznej polegających na zastosowaniu transformatorów o

uzwojeniach połączonych w trójkąt lub gwiazdę bez przewodu neutralnego. Drugi etap lata 30

XX wieku to wzrost zainteresowania problematyką jakości energii, gdy doświadczono

negatywnych

skutków

sprzęgania

prowadzonych

blisko

siebie

przewodów

elektroenergetycznych zasilające np. piece łukowe lub prostowniki dużej mocy z przewodami

telefonicznymi. Efektem tego był rozwój teorii wyższych harmonicznych oraz stosowanie

filtrów LC. Pojawienie się wtedy możliwości rejestracji stanów przejściowych napięć i

prądów sprawiło, że odkryto i zarejestrowano zapady napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu.

Lata 50 to trzeci etap w którym wzrostowi zawartości wyższych harmonicznych towarzyszyły

zaburzenia wahań napięcia, niesymetrii czy migotanie światła co zapoczątkowało

współczesne zrozumienie pojęcia jakości energii. Zauważono wtedy, ze jest to problem który

trzeba eliminować [11,5].

Obecnie szybki wzrost rozwoju elementów półprzewodnikowych dużej mocy i o

dużych wartościach prądów i napięć spowodował, że dziedzina jakości energii elektrycznej, a

w szczególności eliminacja zakłóceń źródeł złej jakości drastycznie wzrosła. Jakość energii

elektrycznej stała się nową dziedziną nauki i obejmuje m.in. metody i środki techniczne

pomiaru wskaźników, modelowanie, źródła zlej jakości energii , środki poprawy jakości,

taryfy, analizę złej jakości energii i normalizacje czyli zbiór obostrzeń i zaleceń [11].

Zaburzenia w jakości napięcia spowodowały intensywny rozwój przyrządów do

pomiaru parametrów jakości energii, wymusił to aspekt techniczny jaki ekonomiczny. Straty

spowodowane złą jakością energii, przerwami w dostawie spowodowały wzrost

zainteresowania tym problemem. Zdefiniować jakość energii jest dość trudno, jest jej wiele

definicji. Najogólniej można napisać że jest to zbiór parametrów opisujących właściwości

procesu dostarczania energii do potencjalnego użytkownika w normalnych warunkach pracy,

określających ciągłość zasilania czyli bez długich ani krótkich przerw w zasilaniu oraz

charakteryzujących napięcie zasilania czyli jego wartość, częstotliwość, kształt przebiegu

czasowego i niesymetrię. Przy normalnych warunkach pracy wykluczając przerwy w

dostawie spowodowane siłami natury, integracją ludzką lub działaniem administracji jakość

energii elektrycznej wyraża się stopniem zadowolenia odbiorcy z warunków zasilania. Nie

zależy ona tylko od warunków zasilania czy pochodzenia ale także od rodzaju osprzętu

stosowane do jej przesyłu, od jego trwałości i dobrej praktyki instalacyjnej. Jakość jest wiec

4

dobra jeśli odbiorcy dostają energie określoną warunkami umowy na dostawę energii oraz

jeżeli nie są zgłaszane skargi przez użytkowników. Dla pojedynczego użytkownika jakość

będzie słaba gdy wystąpią niekorzystne zjawiska lub wadliwa praca sprzętu lub instalacji

elektrycznej [11].

Za jakość energii odpowiadają także zaburzenia elektromagnetyczne które mogą pochodzić z

dwóch źródeł: naturalne i te wytworzone przez człowieka. Do źródeł naturalnych można

zaliczyć wyładowania atmosferyczne. Jakość energii elektrycznej jest scharakteryzowana

zbiorem liczbowych wartości czyli parametrów jakościowych, które dzielić można na trzy

podstawowe grupy parametrów:

• dotyczące normalnych, bezawaryjnych warunków pracy systemu zasilającego –

wartość napięcia w przedziale tolerancji, wolne zmiany napięcia, długie przerwy w

dostawie

tzn.

powyżej

1

minuty

oraz

częstotliwość

również

w przedziale tolerancji,

• dotyczące zakłóconych warunków pracy tzn. podczas występowania niesymetrii

napięć, wahań oraz przepięć,

• dotyczących zaburzeń w przebiegu czasowym napięcia tzn. występowanie

harmonicznych, interharmonicznych, przepięć, przerw w zasilaniu, wzrostów

• napięcia oraz zapadów napięcia [11].

Przykłady najczęściej występujących zakłóceń elektromagnetycznych przedstawiono

na Rys. 2.1.

Rys. 2.1 Przykłady najczęściej występujących zaburzeń w sieci podczas zasilania odbiorców.

5

W środowisku elektromagnetycznym, w którym pracują odbiorniki wyróżnia się trzy

podstawowe elementy istotne ze względu na jakość energii. Są to: źródła zaburzeń,

zakłócanie odbiornika i układ sprzęgający. Jeśli jakość energii ma być jak najwyższa

koniecznie jest poprawienie tych trzech składowych wpływających na parametry energii i

najlepiej poprawić wszystkie jednocześnie [11,5].

Ź

ródła zaburzeń i związane z nimi ograniczenia wymuszone normami produktów lub

warunkami technicznymi realizowane są dzięki zastosowaniu przekształtników mocy,

aktywnych i pasywnych filtrów, kompensatorów mocy biernej, a także stosowaniem

ekranowanych kabli i stosowaniem uziemień. Zwiększenie odporności odbiorników na

zakłócenia wskutek np. zastosowanie filtrów wejściowych, stosowanie układów

rezerwujących zasilanie i bezprzerwowych układów zasilania, zapewnienie optymalnej

konstrukcji urządzeń co ma wpływ na i grzanie, zastosowanie stabilizatorów napięcia i sieci

uziemień. Zredukowanie stopnia sprzężenia źródła zakłóceń poprzez m.in. zasilanie

odbiorników czułych na zakłócenia lub tych które zakłócają podczas swej normalnej pracy z

oddzielnych linii, właściwe zlokalizowanie kondensatorów, zastosowanie transformatorów z

automatyczną zmianą odczepów. Bardziej szczegółowo sposoby eliminowania zakłóceń

jakości energii jest możliwe w odniesieniu do konkretnego typu zakłócenia i konkretnego

odbiornika [11].

Wszystkie wymienione działania zmierzają do poprawy jakości energii elektrycznej i

należy przyjąć, że koszt tych działań jest niższy niż koszt ewentualnych strat wynikający ze

złej jakości energii elektrycznej. Występują również dziedziny, w których jakość energii, a

zwłaszcza bezprzerwowe zasilanie odgrywa znaczącą role, koszty są tu nie zawsze na

pierwszym planie. Do tych nietypowych obiektów należą szpitale, banki danych, wojsko,

jednostki użyteczności publicznej np. lotniska, elektrownie, gazownie, banki oraz giełdy

[5,11].

Bardzo ważną cechą energii elektrycznej jest to, że jej jakość zależy w dużym stopniu

od odbiorcy. wykazano, że większość wszystkich przyczyn złej jakości energii ma początek u

odbiorcy. Z ekonomicznego, a także technicznego punktu widzenia problemy złej jakości

energii najlepiej jest rozwiązywać u źródła zaburzeń czyli bezpośrednio u odbiorcy oraz

jednocześnie w najbliższym otoczeniu systemu, który jest szczególnie czuły na te zaburzenia.

Finalny odbiorca wymaga aby instalacja oraz sprzęt przez niego zakupione działały

prawidłowo i oczekuje, że podstawową cechą tych urządzeń będzie ich energooszczędność

[11].

6

Oprócz instytucji wymagających dobrej jakości energii oraz ciągłości zasilania

pozostali konsumenci energii elektrycznej również mają duże wymagania jakościowe i są to

w coraz większym stopniu odbiorcy małej mocy. Odbiorcy małych mocy żądają wysokich

parametrów energii, ponoszą koszty wiec wymagania są również wysokie. Parametry energii

są poddane standaryzacji, stając się podstawą do żądań. Z upływem czasu wzrośnie jeszcze

bardziej znaczenie jakości energii ponieważ rośnie liczba odbiorców wymagających pewności

zasilania. Dotyczy to szczególnie sektora informatycznego, bankowego, systemów

zarządzania i bezpieczeństwa takich jak np. wojsko [5].

Tab. 2.3

Klasyfikacja odbiorców energii elektrycznej ze względu na wymagania dotyczące

pewności zasilania

Kateg

oria

Wymagania dotyczące

pewności zasilania

Sposób realizacji zasilania

Przykłady odbiorców

I

Podstawowe. Uszkodzenia
i przerwa w zasilaniu może
trwać stosunkowo długo rzędu
wielu minut.

Jedną linią z sieci rozdzielczej
energetyki. Nie wymaga się
rezerwowego zasilania.

Domy
jednorodzinne

II

Podwyższone. Przerwa w
zasilaniu powinna być
ograniczona do kilku lub
kilkunastu sekund.

Dwiema niezależnymi liniami
z sieci energetyki lub jedną linią
i agregatem prądotwórczym.

Domy wielorodzinne
wysokościowe oraz
wysokie.

III Wysokie. Przerwa w

zasilaniu powinna być
ograniczona do < 1 s.

Dwiema niezależnymi liniami
z sieci energetyki oraz
urządzenie rezerwowego zasilania
z automatyką samoczynnego
załączania.

Domy wielorodzinne
wysokie, duże hotele,
banki, szpitale, rozgłośnie
RTV, lotniska, budynki
administracji centralnej
itp.

IV Bardzo wysokie (zasilanie

bezprzerwowe).
Nie dopuszcza się przerwy w
zasilaniu wybranych
odbiorników.

Jak wyżej lecz jedno z
urządzeń rezerwowego
zasilania, wirujące lub
statyczne, powinno zapewniać
bezprzerwowe zasilanie.
odbiorników.

Całe budynki lub
wydzielone oddziały i
zespoły urządzeń o
szczególnie ważnym
przeznaczeniu w
budynkach zaliczanych
do kategorii III.

Sam wytwórca czyli energetyka zawodowa doświadcza skutków złej jakości energii zarówno

poprzez zwiększoną awaryjność systemu zasilającego i urządzeń potrzeb własnych, jak i w

stratach finansowych spowodowanych niedostarczeniem energii. Coraz to więcej urządzeń

małych mocy potrzebuje energii o dobrej jakości i przy zaburzeniach odbiorca winni

7

dostawce lub wytwórcę. Dostawca musi dbać o właściwą jakość energii przez niego

dostarczanej ponieważ powstają lokalne źródła energii takie jak elektrownie wiatrowe, źródła

fotoelektryczne. W wielu krajach procentowy udział tych źródeł do całkowitej

wyprodukowanej energii jest znaczny w ogólnym bilansie, a powoduje. Podstawową i

najważniejszą cechą energii jest jej uniwersalność ponieważ w efekcie jej przemiany

otrzymuje się inne rodzaje energii przez co energia elektryczna posiada powszechne

zastosowanie. Do podstawowych cech energii elektrycznej można zaliczyć wysoką sprawność

urządzeń zasilanych napięciem elektrycznym, łatwe przetwarzanie na inne rodzaje energii

oraz łatwy przesył i rozdział energii [3].

Na jakość energii mają wpływ jej parametry, a są to wielkości oraz wskaźniki, które

charakteryzują odchylenia oczekiwane wartości określających cechy jakościowe napięcia,

prądu i mocy od wielkości obwarowanych normami. Jakość energii elektrycznej powiązana

jest ściśle z niezawodnością jej dostawy. Przerwy w zasilaniu odbiorców można podzielić

następująco: bardzo krótkie trwające ułamki sekund, krótkie trwające kilka sekund, średnie

trwające kilka minut i długie trwające nawet kilka godzin [3].

Prawidłowe działanie urządzeń elektrycznych jest możliwe gdy zachowane są pewne

warunki m.in. parametry energii elektrycznej, jednak podstawowym parametrem jest napięcie

zasilające. Najlepiej jest, gdy parametry napięcia zasilającego urządzenia były równe

znamionowym albo mieściły się w przedziałach dopuszczalnych odchyleń.

Zakłócenia napięcia zasilającego leżą po stronie dostawcy energii np. poprzez zwarcia w

sieci, niewystarczająca kompensacja mocy biernej, przerwy w zasilaniu, jak i po stronie

odbiorcy np. poprzez stosowanie odbiorników pobierających prądy odkształcone,

nieodpowiednie wykonanie instalacji odbiorczej oraz niedostosowana do przepisów jakość

elementów tej instalacji [6,7].

W ostatnich latach wzrost liczby odbiorników nieliniowych jest przyczyną

niezadowalającej jakości energii. Szacuje się, że udział odbiorników nieliniowych wynosił w

1992 roku 15-20 % całego obciążenia, a w obecnej chwili wynosi już 50-70 %. Gdy udział

odbiorników nieliniowych przekracza 25% całego obciążenia może oddziaływać

zakłóceniowo na pracę innych urządzeń. Widać więc, że dotrzymanie odpowiednich

parametrów napięcia zasilającego to zadanie dostawców jak i odbiorców energii elektrycznej.

W przypadku zakładów przemysłowych zawierane są odpowiednie umowy pomiędzy

dostawcą, a odbiorcą, które regulują dopuszczalny poziomu zakłóceń emitowanych do sieci

poprzez urządzenia odbiorcze. Ustalenia takie w przypadku indywidualnych odbiorców

zasilanych z sieci jest niemożliwe wiec określono dopuszczalne poziomy zakłóceń dla

8

odbiorników powszechnego zastosowania, które sprecyzowano w normach o numerze PN-

EN 61000. Norma dotyczy kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń odbiorczych, a do

jej wymagań muszą dostosować się producenci urządzeń codziennego użytku. Podstawowe

obostrzenia dotyczące dotrzymania odpowiedniej jakości napięcia zasilającego dla odbiorców

indywidualnych są określone w normie [11] która jest punktem odniesienia w ocenie jakości

energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom [6].

Norma [11] zawiera wymagania dotyczące parametrów napięcia zasilającego, podaje

sposoby ich wyznaczania oraz graniczne dopuszczalne odchylenia od wartości

znamionowych. Wymagania te podane są dla sieci zasilających niskiego U

n

<

1000 V. Norma

[11] podaje także definicje i zakresy dopuszczalnych zmian następujących parametrów:

1. Częstotliwość napięcia zasilającego,

2. Wartość napięcia zasilającego,

3. Zmiany napięcia zasilającego,

4. Szybkie zmiany napięcia zasilającego,

5. Zapady napięcia zasilającego,

6. Przerwy w zasilaniu

• Planowe,

• Przypadkowe,

7. Dorywcze przepięcia o częstotliwości sieciowej,

8. Przepięcia przejściowe,

9. Uciążliwość migotania światła,

10. Harmoniczne napięcia.

Norma zawiera wartości charakterystycznych parametrów napięcia zasilającego dotyczą

normalnych warunków pracy. Obostrzenia normy nie są stosowane m.in. w odniesieniu do

pracy sieci po wystąpieniu zwarcia oraz przy tymczasowych układzie zasilania utworzonych

w celu zapewnienia ciągłości zasilania. Postanowienia normy nie są tez stosowane w

sytuacjach wyjątkowych takich jak klęski żywiołowe i szczególnie niekorzystne warunki

atmosferyczne, zakłócenia spowodowane przez osoby trzecie, strajki, niedobór mocy

wynikający ze zdarzeń zewnętrznych [11].

9

Tab. 2.1

Dopuszczalne wartości skuteczne napięcia poszczególnych harmonicznych U

h

wyrażone w

procentach harmonicznej podstawowej.

Nieparzyste harmoniczne

Nieparzyste harmoniczne

nie będące krotnością 3

będące krotnością 3

Parzyste harmoniczne

Wartość

Wartość

Wartość

Rząd

harmoniczna

Rząd

harmoniczna

Rząd

harmoniczna

h

U

h

[%]

h

U

h

[%]

h

U

h

[%]

Sieci

Sieć

Sieci

Sieć

Sieci

Sieć

nn i śn

WN i

NWN

nn i śn

WN i

NWN

nn i śn

WN i

NWN

5

6

2

3

5

2

2

2

1,5

7

5

2

9

1,5

1

4

1

1

11

3,5

1,5

15

0,5

0,3

6

0,5

0,5

13

3

1,5

21

0,5

0,2

8

0,5

0,2

17

2

1

>21

0,2

10

0,5

0,2

19

1,5

1

12

0,5

0,2

23

1,5

0,7

>12

0,5

0,2

25

1,5

9,7

>25

0,2+

Norma [11] przedstawia dopuszczalne zmiany parametrów napięcia zasilającego

pomierzone w ciągu tygodnia w odcinkach 10-cio minutowych co daje łącznie 1008

odcinków. Dla każdego z tych odcinków określa się średnią wartość danej wielkości.

Następnie podaje się, w jakich granicach powinno się zawierać 95% spośród zmierzonych w

ciągu tygodnia 1008 odcinków. Norma nie precyzuje natomiast w przypadku niektórych

wielkości dopuszczalnych granic ich zmienności w pozostałych 5% odcinków 10-cio

minutowych. Taki sposób klasyfikacji pomiarów nazywa się percentylem 95-cio

procentowym [7].

Podstawowe ustalenia i wymagania normy [11] wraz z krótkim opisem wielkości w

tabeli 2.2.

10

Tab. 2.2

Parametry określające jakość napięcia oraz dopuszczalne odchylenia tych parametrów od
wartości znamionowych wg [11].

Lp.

Parametr

Warunki pomiaru i dopuszczalne odchylenia od wartości znamionowej

1

Częstotliwość

Wartość średnia częstotliwości mierzona w czasie 10s nie powinna

przekraczać o więcej niż + 1% częstotliwości znamionowej tj. ( 49,5 – 50,5

Hz ) przez 95% tygodnia oraz + 4% i -6% tj. 47 – 52 Hz przez pozostałe 5%

tygodnia

2

Wartość napięcia

zasilającego

Znormalizowane napięcie znamionowe w publicznych sieciach rozdzielczych

niskiego napięcia powinno wynosić 400/230 V

3

Zmiany napięcia

zasilającego

Ś

rednia wartość skuteczna napięcia mierzona w czasie 10 min. w normalnych

warunkach pracy powinna się mieścić w przedziale + 10% napięcia

znamionowego przez 95% tygodnia

4

Szybkie zmiany

napięcia

Szybkie zmiany napięcia w normalnych warunkach pracy nie powinny

przekraczać 5% U

N

oraz dopuszcza się, aby w pewnych okolicznościach

zmiany te osiągnęły kilka razy w ciągu dnia wartość do 10% U

N

5

Zapady napięcia

zasilającego

W normalnych warunkach pracy zapady napięcia przekraczające 10% U

N

mogą występować od kilkudziesięciu do tysiąca razy w roku; większość

zapadów charakteryzuje się czasem trwania krótszym niż 1s i głębokością

mniejszą niż 60%

6

Krótkie przerwy

w zasilania do 3

min.

W normalnych warunkach pracy liczba krótkich przerw w zasilaniu może

wynosić od kilkudziesięciu do kilkuset w ciągu roku; czasy trwania krótkich

przerw w zasilaniu przeważnie nie przekraczają 1s

7

Długie przerwy w

zasilaniu dłuższe

niż 3 min

W normalnych warunkach pracy liczba przerw w zasilaniu trwających dłużej

niż 3 min. może dochodzić do 50 w ciągu roku; nie dotyczy to wyłączeń

planowych

8

Przepięcia

dorywcze o

częstotliwości

sieciowej

Niektóre uszkodzenia po stronie pierwotnej transformatora, głównie zwarcia,
mogą powodować przepięcia po stronie niskiego napięcia, nie przekraczające

z reguły 1500 V. W przypadkach doziemień w sieciach niskiego napięcia, na

skutek przesunięcia punktu neutralnego, napięcia faz nieuszkodzonych

względem przewodu neutralnego mogą osiągać do razy wyższe wartości

9

Przepięcia

przejściowe o

krótkim czasie

trwania,

oscylacyjne lub

nieoscylacyjne

Przepięcia przejściowe są powodowane przez wyładowania atmosferyczne

lub czynności łączeniowe, w tym działaniem bezpieczników; w sieciach

niskiego napięcia właściwie chronionych, przepięcia z reguły nie

przekraczają 6 kV

10

Niesymetria

napięcia

zasilającego

Ś

rednie wartości skuteczne składowej symetrycznej przeciwnej mierzone w

czasie 10 min., w normalnych warunkach pracy, w okresie każdego tygodnia,

w 95% pomiarów nie powinny przekraczać 2% składowej zgodnej; w

instalacjach odbiorców zasilanych jednofazowo lub międzyfazowo dopuszcza

się niesymetrię w sieci trójfazowej do 3%

11

Harmoniczne

napięcia

zasilającego

Ś

rednie wartości skuteczne poszczególnych harmonicznych mierzone w

czasie 10 min., w normalnych warunkach pracy, w okresie każdego tygodnia,

w 95% pomiarów nie powinny przekraczać wartości podanych w tabeli 2.1.

Ponadto współczynnik THD-u napięcia zasilającego, uwzględniający

harmoniczne do 40 rzędu nie powinien przekraczać 8 %

11

2.1 Odchylenia napięcia

Napięcie jest podstawowym nośnikiem każdego urządzenia elektrycznego i ma wpływ

na jego sprawność i odpowiednie działanie [3].

Pojęcie odchylenia napięcia w danym punkcie sieci, a dla użytkownika na zaciskach

urządzenia elektrycznego rozumie się różnice między skuteczną wartością napięcia

( )

U

i

napięciem znamionowym sieci

(

)

n

U

czyli na urządzeniu lub odbiorniku [3].

Odchyleń napięcia ze wszystkich występujących zakłóceń jest najwięcej i najczęściej

występują.

Wzór na bezwzględne odchylenie napięcia,

n

U

U

V

−

=

∆

, (2.1)

Bezwzględne

odchylenie

napięcia

V

∆

dotyczy

napięcia

fazowego

lub

międzyfazowego.

Wzór na odchylenie względne procentowe,

%

100

%

100

n

n

n

U

U

U

U

V

V

−

=

∆

=

∆

. (2.2)

Względne odchylenie napięcia fazowego odnoszą się do napięcia znamionowego

fazowego natomiast względne odchylenie napięcie międzyprzewodowego do napięcia

znamionowego międzyprzewodowego. Analizowane są zazwyczaj względne odchylania

napięcia [3].

Odchylenia napięcia od napięcia znamionowego na odbiorniku przyjęto uważać jako

skutek takiej zmienności skutecznej wartości napięcia, która zachodzi wolniej niż 0,02

s

V

/

.

W energetyce do wyznaczania odchyleń napięcia potrzebna jest znajomość wartości odchyleń

napięcia w danym czasie, najczęściej minutach [3].

Ustalonymi i podstawowymi w Polsce wysokimi napięciami znamionowymi prądu

przemiennego są: 15 kV, 20 kV, 110 kV, 220 kV, 400kV [3] oraz istnieje linia 750 kV jednak

linia jest wyłączona od 1993 r.[14].

Napięcia znamionowe w tych sieciach od kilku lat wynoszą 230 V oraz 400/230 V

natomiast wcześniej było to odpowiednio 220 V oraz 380/220 V.

12

Rys. 2.2 Przykład zmian napięcia o wartościach skutecznych 10-minutowych jako

podstawy określania odchyleń napięcia.

Polska norma [11] zawiera punkt mówiący o tym, że deklarowane napięcie zasilające

c

U

jest w normalnych warunkach pracy równe napięciu znamionowemu

n

U

. Za główne

ź

ródła odchyleń napięcia w sieci elektroenergetycznej uważa się zmiany obciążeń wywołane

przede wszystkim:

• Zmianą liczby odbiorników przyłączonych do sieci,

• przebiegiem pracy odbiorników energii elektrycznej,

• przełączeniami manewrowymi,

• zakłóceniami w pracy sieci

• procesy załączania odbiorników dużej mocy.

Zwiększanie lub zmniejszanie obciążeń powoduje zmianę strat i spadków napięć na

elementach sieci, a co za tym idzie zmianę napięć w sieci. Największe i najczęstsze takie

zmiany występują w sieciach rozdzielczych do których bezpośrednio przyłączone są

odbiorniki energii elektrycznej, rzadziej natomiast w sieciach zasilających wysokich napięć

ponieważ tam tych przełączeń jest mniej. Różnice napięć na zaciskach odbiornika i innych

urządzeń elektrycznych są bezpośrednio powiązane za spadkami napięć i regulacją tego

napięcia w sieci. Obciążenia zmieniają się w czasie, a więc w tym czasie zmianie ulegają

także spadki napięć w układach zasilających, a więc i odchylenia napięcia [3].

Wpływ napięcia różnicowego, a w szczególności wzrost powoduje zwiększony pobór

mocy czynnej przez każdy z odbiorników. Odchylenia napięcia na zaciskach odbiorników

oświetleniowych powoduje m.in. zmianę wartości strumienia świetlnego, zmianę poboru

13

prądu, a co za tym idzie i mocy, ma także destrukcyjny wpływ na źródło światła.

Powszechnie stosowane żarówki w porównaniu z innymi źródłami światła wykazują

największą zmianę strumienia świetlnego od odchyleń napięcia. Przy dodatnich podskokach

napięcia zwiększa się wartość strumienia świetlnego i pobór mocy co powoduje wzrost

kosztów jednak skraca żywotność źródła światła. Przy zmniejszeniu się napięcia np. o 10% w

stosunku do napięcia znamionowego zmniejsza strumień świetlny o około 30%. Zwiększenie

napięcia o 10% w stosunku do znamionowego powoduje zwiększenie strumienia świetlnego

ż

arówki o 40% natomiast skraca się w ten sposób jej żywotność do 30% [3].

Występująca różnica w napięciu na zaciskach odbiornika, a napięcia znamionowego

wpływa nie tylko w na techniczny aspekt, ale i ekonomiczny. Dla pojedynczego odbiorcy

straty mogą wystąpić poprzez częsta wyśmiane źródeł światła w których odchylenia napięci

ma destrukcyjny wpływ. W przemyśle z powodu odchyleń napięcia zimniejszy się wydajność

maszyn produkcyjnych spowodowanych spadkiem obrotów silników elektrycznych. Istnieje

wiele sposobów zmniejszania wartości odchyleń napięcia tak u wytwórcy jaki u odbiorcy

energii elektrycznej. Dokonuje się tego poprzez regulację napięcia w systemie

elektroenergetycznym oraz w sieciach. Najskuteczniejszym sposobem regulacji napięcia jest

regulacja automatyczna w generatorach oraz regulację przekładni w transformatorach

sieciowych [3].

2.2 Wahania napięcia

Wahaniem napięcia przyjęto nazywać szybkie zmiany wartości skutecznej napięcia

dokonujące się z szybkością większą niż 0,02 U

N

na sekundę. Napięcie na zaciskach

odbiornika różni się od napięcia znamionowego o odchylenie i wahanie napięcia [10].

Według Polskiej normy z 2002 r. [11] dotyczącej jakości energii elektrycznej wahania

napięcia określa się jako ciąg zmian napięcia lub cykliczna zmiana obwiedni napięcia. Przez

szybkie zmiany napięcia rozumie się zmiany napięcia występujące z szybkością większą niż

1% napięcia znamionowego na sekundę. Wahania napięcia mogą być okresowe lub

nieokresowe. Okresowe wahania napięcia to takie, które występują w jednakowych odstępach

czasu natomiast nieokresowe to takie w których pomiędzy poszczególnymi wahaniami

napięcia występują różne przedziały czasowe [3].

14

Wahania napięcia są powodowane głównie gwałtownymi zmianami obciążenia

odbiorników o dużych mocach znamionowych, wywołującymi tak samo szybkie zmiany

spadków napięcia na poszczególnych elementach systemu zasilającego.

Szybkie zmiany napięcia są charakteryzowane:

• amplitudą, będącą różnicą największej i najmniejszej wartości napięcia w czasie

wahania,

• częstością występowania,

• czasem trwania wahania [4].

Rys. 2.3 Przykład wahań napięcia.

Do odbiorników, w których występuje szybka zmiana obciążeń zalicza się:

• spawarki łukowe i punktowe,

• piece łukowe,

• napędy walcownicze,

• piły elektryczne,

• młoty elektryczne,

• pompy,

• windy,

• kompresory,

• maszyny wyciągowe,

• chłodziarki,

15

• urządzenia klimatyzacyjne.

Zmiany mocy odbiorników następują w sposób losowy lub cykliczny, a więc i wahania

napięcia w sieci losowe i cykliczne. Wahania napięcia spowodowane poprzez szybkie zmiany

obciążenia u odbiorców którzy powodują zakłócenia, a w szczególności są to odbiorcy

przemysłowi przenoszą się do całej sieci wywołując wahania na zaciskach odbiorników

energii elektrycznej, które tych wahań nie wywołują. Najbardziej poszkodowani są odbiorcy

indywidualni, którzy znajdują się w pobliżu zakładów przemysłowych gdzie takie wahania

występują [3].

Najbardziej odczuwalne dla człowieka skutki wahań napięcia dotyczą odbiorników

oświetleniowych, a w szczególności żarówek. Szybkie zmiany napięcia powodują równie

szybkie zmiany strumienia świetlnego, co jest powodem migotania światła. Przy pewnej

częstotliwości zmian i amplitudzie wywołuje to męczący wzrok efekt przeradzający się z

czasem w niemożliwość wykonywania prac wymagających spostrzegania przedmiotów o

małych wymiarach.

Rys. 2.3 Zmiana strumienia świetlnego żarówki wywołana zmianą napięcia.

Większość odbiorników grzejnych, poza niektórymi o najnowszej technologii są przeważnie

mało wrażliwe na wahania napięcia, chociaż część z nich tzn. urządzenia łukowe i indukcyjne

same są źródłem takich zakłóceń. Urządzeniami szczególnie wrażliwymi na wahania napięcia

są natomiast przekształtniki prądu i napięcia, ze względu na dużą liczbę zainstalowanych w

nich urządzeń energoelektronicznych [4].

2.3 Odchylenia i wahania częstotliwości napięcia i prądu

Odchylenia częstotliwości napięć i prądów w sieciach i w systemach

elektroenergetycznych stanowią jeden z podstawowych parametrów jakości energii

elektrycznej użytkowanej przez odbiorców. Częstotliwość napięcia jest podstawowym

16

wskaźnikiem pracy systemu elektroenergetycznego który jest miarą równowagi pomiędzy

mocą wytwarzaną, a pobieraną w systemie elektroenergetycznym [3].

Podstawową cechą częstotliwości napięcia jest jego jednakowa wartość w całym

systemie elektroenergetycznym i wartość ta stała. Odchyleniem częstotliwości jest to różnica

między faktycznie występującą częstotliwością napięcia lub prądu f , a częstotliwością

znamionową

n

f .

Odchylenie bezwzględne częstotliwości:

n

f

f

f

−

=

∆

(2.3)

Odchylenie względne procentowe:

%.

100

%

100

n

n

n

f

f

f

f

f

f

−

=

∆

=

∆

(2.4)

Znamionową

częstotliwością

prądu

przemiennego

w

polskim

systemie

elektroenergetycznym jest

Hz

f

n

50

=

Częstotliwością napięcia nazywa się liczbę pełnych cykli zmian napięcia w ciągu jednej

sekundy. W Polskim systemie elektroenergetycznym do utrzymania stałej wartości

częstotliwości stosuje się układy automatycznej regulacji, ich podstawowym zadaniem jest

utrzymanie częstotliwości w bliskich granicach wartości znamionowej. Według normy

odchyłka wynosi od -0,5 Hz do +0,2 Hz [3].

W większości przypadków odchyłki częstotliwości nie mają większego znaczenia na

małe odbiorniki np. oświetleniowe, wymagania co do stałej częstotliwości mają

turbogeneratory ponieważ jej zmiany wpływają na prędkość

wirowania

wirnika

generatora. Można więc wywnioskować, że główną przyczyną odchyleń częstotliwości w

systemie elektroenergetycznym jest ciągle zmieniające się obciążenie [4,3].

Wahania częstotliwości to krótkotrwałe zmiany wartości częstotliwości. Progi wahań

częstotliwości:

• skoki częstotliwości o amplitudach rzędu od 0,02 Hz do 0,05 Hz oraz czasie ich

zanikania od 0,2 s do 15 s,

• zmiany

częstotliwości

o

amplitudzie

przekraczającej

0,05

Hz

i występującej regularnie od kilku do kilkunastu razy na minutę.

17

Za przyczynę powstawania wahań uważa się drgania własne układów regulacyjnych

turbozespołów i dużych silników elektrycznych, a drgania te powstają na skutek zmian mocy

czynnej wytwarzanej lub pobieranej. Zmiany te są spowodowane skokami obciążeń [3].

Rzeczywista częstotliwość w sieci nie zawsze jest dokładnie równa częstotliwości

znamionowej, zależy ona od bilansu mocy w całym systemie elektroenergetycznym. Zmiany

częstotliwości powodowane są chwilowym niedoborem lub nadwyżką mocy turbozespołów w

stosunku do obciążenia i jest jednakowa w całym systemie. Skutki wahań i odchyleń

częstotliwości od częstotliwości znamionowej tyczą się zatem wszystkich odbiorców jednak w

warunkach praktycznych zmiany częstotliwości są bardzo niewielkie. Zmiany częstotliwości nie

mają wpływu na pracę odbiorników rezystancyjnych, wpływają natomiast umiarkowanie, w

zakresie niewielkich zmian częstotliwości, na pracę odbiorników reaktancyjnych zarówno

indukcyjnych, jak i pojemnościowych. Zmiany częstotliwości w zakresie ± 0,2 Hz nie

powodują więc zauważalnych negatywnych zmian w pracy większości odbiorników energii

elektrycznej [1].

2.4 Asymetria prądów i napięć

Asymetria

prądów

i

napięć

występuje

w

sieciach

elektroenergetycznych

wielofazowych, a w szczególności sieciach trójfazowych. Jest bardzo ważną cechą jakości

energii elektrycznej [3].

Układ trójfazowy nazywamy symetrycznym lub zrównoważonym jeżeli wartości napięć

i prądów w poszczególnych fazach są sobie równe oraz przesunięte względem siebie o kąt

0

120

. Jeśli którykolwiek z powyższych warunków nie zostanie spełniony, system nazywamy

niezrównoważonym lub niesymetrycznym [12].

Przyczyny występowania asymetrii prądów i napięć:

• Występowanie odbiorników jednofazowych np. urządzeń spawalniczych,

• nierównomierne rozkład obciążeń na poszczególne fazy,

• asymetria napięć spowodowana występowaniem składowych symetrycznych

prądów kolejności przeciwnej i zerowej,

• niesymetryczna praca sieci na niektórych stopniach transformacji,

• występowanie niejednakowych impedancji własnych i wzajemnych linii

elektroenergetycznej,

18

• nierównomiernie rozmieszczone odbiorniki jednofazowe włączone między

przewody fazowe i neutralny, występujące np. u odbiorców komunalnych

zasilanych z sieci niskiego napięcia [12].

Za podstawowe przyczyny występowania asymetrii prądów i napięć w sieciach

trójfazowych uważa się niesymetryczne obciążenia i niesymetryczne urządzenia przesyłowe.

Odbiorniki niesymetryczne powodują, że prądy w poszczególnych fazach sieci zasilającej te

obciążenia są różne. To powoduje straty napięcia w poszczególnych fazach co w rezultacie

powoduje występowanie asymetrii napięć w sieci elektroenergetycznej. Asymetrie dzieli się

również na krótkotrwałą i długotrwałą. Asymetria krótkotrwała wywołana jest najczęściej

przez procesy awaryjne np. zwarcie w jednej fazie i wyłączenie jednej fazy w cyklu

automatycznego ponownego załączenia. Asymetria długotrwała w układzie przesyłowym

może pojawić się przy dołączeniu do sieci odbiorników niesymetrycznych [3].

Symetria napięciowa systemu pomiędzy siecią dystrybucyjną, a wewnętrzną siecią

odbiorów jest zależna od :

• Impedancji systemu elektroenergetycznego,

• napięć na zaciskach generatora,

• prądów przepływających przez odbiorniki i sieci energetyczne.

Napięcia na szynach wyjścia generatorów są wysoce symetryczne z uwagi na konstrukcję i

charakter pracy maszyn synchronicznych eksploatowanych w elektrowniach. Również w

przypadku stosowania generatorów asynchronicznych używanych min. w elektrowniach

wiatrowych, uzyskuje się symetryczne napięcie trójfazowe. Najczęstszym przypadkiem jest

asymetria po stronie obciążeń. Przy napięciach wysokich i średnich, występują zazwyczaj

symetryczne odbiorniki trójfazowe, jednakże można spotkać również duże obciążenia jedno

lub dwufazowe które wprowadzają zakłócenia w postaci niesymetrii [4,12].

2.5 Zapady, podskoki i impulsy napięcia oraz sygnały napięciowe

Jakość napięcia wymagana przez odbiorców nie ogranicza się już tylko do ciągłości

zasilania w skali roku, lecz coraz częściej w skali sekund, a nawet ms. Dlatego zapady

napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu są traktowane obecnie jako jedne z najbardziej

kłopotliwych zaburzeń elektromagnetycznych [4,12].

19

Zapady, podskoki, a także impulsy napięciowe zaliczane są do krótkotrwałych

parametrów jakościowych napięcia powodujące kłopotliwe skutki tak dla odbiorców jaki

wytwórców energii elektrycznej [3].

Zapad napięcia jest to nagłe zmniejszenie się napięcia w sieci elektroenergetycznej do

wartości progowej w czasie nie krótszym niż polowa okresu i zakończenia powrotem napięcia

do wartości równej przed zapadem. Według PN 50160 [11] zapad napięcia zasilającego to

nagły spadek skutecznej wartości napięcia od 90% do 1% napięcia znamionowego sieci, po

którym w krótkim czasie następuje powrót do wartości napięcia przed zapadem. Norma PN

50160 mówi że czas zapadu to od 10ms do 1 minuty.

Rys. 2.4 Rysunek przedstawiający zapad napięcia i krótką przerwę w zasilaniu [12].

Na rysunku 2.4 przedstawiono przykładowy przebieg zapadu napięcia i krótką przerwę

w zasilaniu wraz z wielkościami które charakteryzują zjawiska w sposób ilościowy.

Zapady napięcia są scharakteryzowane poprzez dwa wskaźniki:

• Głębokość zapadu

z

U

δ

,

• czasem trwania

z

t

∆

.

Głębokość zapadu napięcia:

%,

100

min

s

s

z

U

U

U

U

−

=

δ

(2.5)

lub

%,

100

min

n

n

z

U

U

U

U

−

=

δ

(2.6)

gdzie:

z

U

δ

jest względną wartością głębokości zapadu napięcia,

20

s

U

napięcie sieci prze zapadem,

n

U

napięcie znamionowe sieci,

min

U

minimalna wartość napięcia w czasie trwania zapadu.

Wskaźnik wielkości zapadu napięcia mówiący o tym jakie jest najmniejsze napięcie podczas

zapadu [3],

%.

100

min

s

z

U

U

U =

(2.7)

Wyróżniamy dwie główne przyczyny zapadów napięcia:

• załączanie dużych odbiorników w rozpatrywanym obrębie linii zasilającej,

zarówno po stronie dostawcy jak i odbiorcy energii,

• zwarcia występujące w różnych punktach systemu [3].

Rys. 2.5 Rysunek przedstawiający zjawiska wpływające na wartość napięcia [12].

Podskoki napięcia są to krótkotrwałe zwiększania napięć w jednej lub w więcej faz

zawierające się pomiędzy określoną wartością dolną i górną. Według normy [11] podskok

napięcia jest definiowany jako nagłe zwiększenie się napięcia zasilającego do poziomu

21

zawartego pomiędzy progami 110 %, a 180 % napięcia deklarowanego, po czym, po czasie

od 0,5 okresu do 1 minuty, występuje nagły powrót napięcia do wartości przed

zmniejszeniem.

Podskoki napięcia charakteryzują się następującymi wskaźnikami:

• czasem trwania,

• współczynnikiem podskoku napięcia,

• amplitudą podskoku napięcia [3].

Impulsy napięcia nazywane również przepięciami występują w czasowych przebiegach

wartości chwilowych napięć. Norma mówi o tym, że impuls napięcia nazywa się nagłą

zmiana napięcia po czym napięcie wraca do wartości początkowej. Norma wyróżnia także

piorunowe i komutacyjne impulsy napięcia.

Impulsy napięcia charakteryzują następujące współczynniki:

• napięcie impulsowe,

• czas trwania impulsu,

• amplituda impulsu,

• czas trwania chwilowych wartości napięcia impulsowego [3,4].

Sygnały napięciowe to sygnały nakładające się na napięcie sieciowe w celu przesłania

informacji w sieci elektroenergetycznej i do odbiorców energii elektrycznej.

Norma 50160 [11] rożróznia się następujące sygnały napięciowe:

• sygnały sterowania o częstotliwości od 110 Hz do 3000 Hz,

• krótkotrwałe zmiany napięcia nałożone na napięcie zasilające, inaczej zwane

znacznikami sygnałowymi,

• sygnały telefonii wysokiej częstotliwości od 3 kHz do 148,5 kHz.

Sygnały napięciowe charakteryzują min. skuteczne wartości napięcia sygnałowego oraz

częstotliwość napięcia sygnałowego [3].

2.6 Wpływ jakości energii elektrycznej na prace odbiorników

22

Odbiorniki energii elektrycznej pracują w zbliżonych warunkach do granicznych,

optymalnych, jeżeli są one zasilane napięciem równym napięciu znamionowemu, a inne

parametry definiujące jakość energii znajdują się w przedziałach wartości uznanych za

graniczne dopuszczalne. Warunki środowiskowe nie powinny być gorsze od zakładanych i

testowanych przez wytwórcę urządzenia. Każde takie odchylenie od wymogów powoduje

nieprawidłową pracę odbiorników. Odchylenia takie powodują m.in. prace przy obniżonej lub

nadmiernie wysokiej, a przez to również szkodliwej wydajności, obniżonej sprawności i

zwiększonych stratach przy nieznacznym przekroczeniu dopuszczalnych zmian parametrów

napięcia. Przy nadmiernie dużych odchyleniach parametrów napięcia od wartości

znamionowych występują przerwy w pracy odbiorników powodowane skutecznym

działaniem właściwych zabezpieczeń lub zniszczeniem odbiorników przy braku takich

zabezpieczeń [7,8].

Ogromny wpływ na pracę odbiorników energii elektrycznej ma wartość napięcia

będącego długotrwale na zaciskach odbiornika. Wartość ta zależy od wartości napięcia źródła

zasilania, ale i od innych odbiorników zasilanych z tej samej sieci i zmienia się wraz ze

zmianą ich liczby i obciążenia pracujących odbiorników na skutek zmian spadków napięcia w

poszczególnych elementach sieci. Poziom napięcia jest więc losowy i jest bardzo trudno

spełnić warunek, aby napięcie w każdym punkcie sieci było równe napięciu znamionowemu

[10].

Praca silników przy odchyleniach napięcia jest niezagrożona, dopiero przy znacznych

odchyleniach, a zwłaszcza ujemnych, przekraczających 10% może dochodzić do

nieprawidłowej pracy objawiającej się różnymi skutkami, głównie jednak przetężeniem i

nadmiernym przyrostem temperatury. Mogą wystąpić również trudności podczas rozruchu

silników. Przy rozruchu ciężkim granica zadowalająco prawidłowego rozruchu występuje

jeszcze przy 0,85 napięcia znamionowego, a przy rozruchach lekkich nawet przy 0,7 U

N

.

Urządzenia elektrotermiczne to duża grupa odbiorników o przeznaczeniu przemysłowym

oraz komunalnym i o mocach od dziesiątek watów do wielu megawatów, przetwarzających

energię elektryczną na ciepło. Urządzenia takie działają w oparciu o różne zasady

przemiany energii jako urządzenia oporowe, elektrodowe, łukowe, pojemnościowe oraz

indukcyjne, a mimo to we wszystkich z nich najważniejszy parametr, jakim jest moc

grzejna, jest proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilającego [6].

Zakłócenia jakości energii powodują w głównej mierze nagrzewanie się przewodów,

zwiększenia strat w uzwojeniach i rdzeniu. Zła jakość energii powoduje zwiększone

23

nagrzewanie się silników spowodowane wzrostem strat magnetycznych. Wszystkie te straty

powodują zmniejszenie się momentu obrotowego silnika. Pulsujący moment obrotowy

może wpłynąć na jakość wykonanych produktów gdy w procesie technologicznym wymaga

jest utrzymania stałych obrotów. Z ekonomicznego punktu widzenia zła jakość energii

prowadzi do skrócenia czasu eksploatacji urządzeń oraz zmniejszonej sprawności [3].

2.7 Pomiary parametrów jakości energii elektrycznej

Energia elektryczna jak każdy produkt powinna spełniać odpowiednie wymagania

jakościowe. Problemów związanych z jakością energii jest dużo, a diagnoza bardzo trudna i

kosztowna. Podobne objawy takie jak nagrzewanie się urządzeń, mogą mieć różne przyczyny

od występowania harmonicznych, asymetria po przeciążenia, z których każda wymaga

odmiennego rozwiązania co do pomiaru i wykrycia zaburzenia [16].

Terminologię oraz parametry i graniczne wartości energii elektrycznej określa Polska

Norma PN-EN 50160:2002 [11].

Typowe problemy związane z jakością energii m.in.

• Częstotliwość,

• napięcie,

• wskaźnik asymetrii napięć,

• wskaźnik długotrwałego migotania światła,

• współczynnik odkształcenia harmonicznych.

Zgodnie z normą [11] wymagania oceny parametrów jakości energii elektrycznej tycza się

także sieci wysokiego napięcia. Parametry jakości energii powinny być monitorowane w

sposób ciągły, a wszelkie odchylenia wykrywane i eliminowane.

Każdy z mierzonych parametrów dzieli się na dwie klasy pomiarowe:

• Klasa pomiarowa A,

• Klasa pomiarowa B.

Klasa pomiarowa A jest stosowana gdy potrzeba dokładnych pomiarów w celu weryfikacji z

normą. Klasa pomiarowa B jest stosowana dla pomiarów statystycznych, wykrywania awarii i

ich eliminacji. Przyrządy służące pomiarom parametrów jakości energii obejmują kompletny

24

tor pomiarowy składający się z przetworników pomiarowych, układów pomiarowych oraz

układów oceniających wyniki pomiarów.

Rys. 3.1 Rysunek przedstawiający schemat toru pomiarowego parametrów jakości

energii elektrycznej [3].

Dostępne mierniki parametrów sieci energetycznej mierzą oprócz podstawowych

parametrów napięcia także inne wielkości charakteryzujące jakość energii i są to m.in.:

•

wartość skuteczna prądu i napięcia;

•

moc czynna, bierna, pozorna;

•

energia czynna, bierna, pozorna;

•

częstotliwość;

•

współczynniki mocy cosφ i tgφ;

•

harmoniczne dla prądu i napięcia;

•

współczynniki zawartości harmonicznych THD dla prądu i napięcia;

•

moc czynna 15-minutowa [16].

Spośród wielu przyczyn odkształcenia napięcia, za podstawową i decydującą o wartości

odkształcenia uznaje się przepływ przez sieć odkształconych prądów pobieranych przez

odbiorniki nieliniowe. Odkształcone prądy odbiorników nieliniowych powodują odkształcone

spadki napięcia na elementach sieci, a w efekcie wywołują odkształcenie napięć zasilających.

Zakłócenie to powstające najczęściej w sieciach komunalnych i przemysłowych niskiego

napięcia przenosi się do sieci nadrzędnych, oddziaływując w konsekwencji na wielu

przypadkowych odbiorców często nie eksploatujących odbiorników nieliniowych.

Firmy, których jest coraz to więcej zajmujące są pomiarami jakości energii najczęściej

oferują m.in.: pomiary w zakładach przemysłowych i komunalnych, sporządzenie raportów,

analizę zakłóceń, ekspertyzy, ocenę zużycia energii i możliwych oszczędności [Błąd! Nie

można odnaleźć źródła odsyłacza.].

Przetworniki

pomiarowe

Układ

pomiarowy

Układ

oceniający

Elektryczny Mierzony Wynik

Ocena

Sygnał wej. Sygnał wej. Pomiaru

pomiaru

25

Przy pomiarach i monitorowaniu możliwe jest także:

• wizualizacja on-line mierzonych wielkości,

• alarmowanie o przekroczeniach limitów,

• archiwizacja i przegląd wyników badań,

• dostęp sieciowy do mierzonych wielkości,

• przetwarzanie mierzonych wielkości,

• zapis do plików oraz wydruk mierzonych wielkości,

• współpraca z innymi systemami stosowanymi w energetyce.

Rys. 3.2 Rysunek przedstawiający przykładowe okna z analizatora jakości energii

elektrycznej.

Do pomiarów parametrów jakości energii elektrycznej stosowane są następujące przyrządy:

• mierniki jednofunkcyjne, przeznaczone do wykonywania pomiaru jednej wielkości

tzn. jednego z parametrów jakości energii,

• komputerowe systemy pomiarowe,

• przyrządy i mierniki pomiarowe wielofunkcyjne tzw. analizatory jakości energii

elektrycznej pozwalające na wykonywanie pomiarów wielu parametrów jednocześnie.

Jednofunkcyjne

mierniki

to

woltomierze,

częstościomierze,

mierniki

wyższych

harmonicznych prądów i napięć. Mierniki jakości energii wielofunkcyjne są przyrządami do

badania parametrów i cech energii elektrycznej pozwalające na pomiary, rejestrację, wydruk,

przesył on-line, ostrzeganie o przekroczeniu nastawionych progów (alarmowanie).

26

Analizatory jakości energii mają możliwość wykonywania pomiarów wielu wielkości

elektrycznych [3].

3

Stanowisko laboratoryjne

Stanowisko laboratoryjne do badania jakości energii elektrycznej wyposażone jest w

typowe odbiorniki zasilane z sieci elektroenergetycznej z możliwością dołączania poprzez

gniazda pomiarowe innych odbiorników. Układ pomiarowy stanowiska laboratoryjnego

zawiera: blok pomiaru napięcia i prądu, obwody prądowe dla analizatora jakości zasilania

oraz zaciski i gniazda do podłączenia odbiorników energii elektrycznej. Sterowanie odbywa

się przy użyciu umieszczonych na pulpicie stanowiska przycisków. Integralną częścią

stanowiska jest analizator jakości zasilania typu C.A 8334B firmy Chauvin Arnoux

współpracujący za pośrednictwem łącza optycznego z komputerem z zainstalowanym

programem QualiStar View V2.6.

27

Rys.3.1 Widok ogólny stanowiska laboratoryjnego

.

Pomiar prądu:

Amperomierze,

Mnożnik prądu

P1, P2, P3.

Pomiar napięcia

:

Woltomierz,

Przełącznik

napięcia P4.

Analizator

jakości

Wyjście

UPS

Wiertarka,

sterownik

tyrystorowy

Zaciski

odbiorników

Pętla

Pomiarowa L1

z cęgami

Zał./Wył

WB

Gniazda

Wtykowe

G1, G2, G3, G4

Zwory

28

3.1 Układ pomiarowy

Układ pomiarowy służy do pomiaru napięć fazowych i międzyprzewodowych z

wykorzystaniem woltomierza V wskazującego napięcie ustalone wybranym położeniem

przełącznikiem P4. Do pomiaru i odczytu bieżących wartości prądów wykorzystuje się

amperomierze A1, A2, A3. Pomiar prądów przez analizator odbywa się z wykorzystaniem

cęgów prądowych będących na jego wyposażeniu instalowanych na pętlach prądowych L1,

L2, L3. Zwielokrotnienie prądów w celu dostosowania do minimalnego zakresu

pomiarowego cęgów odbywa się poprzez ustawienie przełączników P1, P2, P3, w kolejnych

pozycjach uzyskuje się mnożnik x1, x3, x5.

Rys.3.2 Schemat poglądowy stanowiska laboratoryjnego.

29

3.2 Odbiorniki energii elektrycznej

Na stanowisku laboratoryjny zainstalowano następujące odbiorniki, których zaciski

wyprowadzono na tablice synoptyczną:

L.p.

Nazwa odbiornika

Oznaczenie

odbiornika

1.

Wentylator – farelka

WENT.

2.

UPS

UPS

3.

Ż

arówka energooszczędna

LAMP. 1

4.

Ż

arówka halogenowa

LAMP. 2

5.

Lampa żarowa

LAMP. 3

6.

Ś

wietlówka liniowa

LAMP. 4

7.

Wiertarka wraz z sterownikiem tyrystorowym

WIERT.

Tab. 3.1 Zestawienie odbiorników i ich oznaczeń

Odbiorniki oznaczone od 1 do 6 zostały umieszczone w dolnej części stanowiska

(Rys.3.3) natomiast wiertarka wraz z sterownikiem tyrystorowym na tablicy synoptycznej

(Rys.3.4).

Rys.3.3 Odbiorniki wbudowane na stałe w stanowisko laboratoryjne.

30

Rys.3.4 Wiertarka na tablicy synoptycznej.

Istnieje możliwość obciążenia UPS-a po dołączeniu odbiornika do zacisków

WYJ. UPS.

Włączenie zainstalowanych odbiorników odbywa się poprzez dołączenie do zacisków

zasilających odbiornika (oznaczenia jak w Tab. 3.1) do zacisków Z1, Z2, Z3 stanowiska

laboratoryjnego. W celu ułatwienia równoczesnego podłączenia kilku odbiorników należy

wykorzystać wyeksponowane na tablicy synoptycznej zwory oznaczone jako ZWORA. Inne

badane odbiorniki należy zasilić z gniazd G1, G2, G3, G4 umieszczonych na tablicy

synoptycznej.

3.3 Zasilanie stanowiska laboratoryjnego

Zasilanie stanowiska laboratoryjnego odbywa się za pośrednictwem stycznika

sterowanego za pomocą przycisków ZAŁ, WYŁ, WB.

4 Analizator jakości energii C.A 8334B

Integralnym elementem stanowiska laboratoryjnego jest analizator jakości energii

firmy Chauvin Arnoux

C.A 8334B.

Analizator jest przyrządem, który daje duże możliwości pomiaru jakości energii

elektrycznej w sieciach prądu przemiennego jedno – dwu i trójfazowych niskich napięć.

Analizator umożliwia otrzymanie natychmiastowego obrazu cech jakości energii elektrycznej

31

w aktualnie badanej instalacji bądź przyrządzie co umożliwia obserwację, diagnostykę oraz

nadzór nad instalacją i przyłączonymi do niej odbiornikami. Miernik C.A. 8334 B dokonuje

pomiarów następujących parametrów: częstotliwości w zakresie od 40 do 70 Hz; wartości

skutecznych napięć fazowych (do 480 V) i międzyprzewodowych (do 830 V) skutecznych

także prądów (nawet do 6500 A w zależności od użytych czujników pomiarowych); wartości

chwilowych prądów i napięć; dostarczaną moc i energię elektryczną.

Na podstawie pomierzonych parametrów miernik oblicza następujące parametry:

• prąd zera poprzez sumowanie wektorowe prądów fazowych;

• krótkookresowy wskaźnik migotania światła P

st

;

• współczynnik szczytu;

• współczynnik mocy;

• niesymetrię napięcia;

• harmoniczne do 50-tej

• współczynnik THD.

Bardzo pomocne jest to, że menu konfiguracyjne jest w języku polskim. Wszystkie

parametry mierzone i obliczane mogą być rejestrowane dzięki rozbudowanej funkcji zapisu, a

następnie importowane do dołączonego oprogramowania QualiStar View V2.6.

Rys.4.1 Okno główne programu QualiStar View V2.6

Wszystkie parametry takie jak: częstotliwość, dopuszczalne granice zmian wartości

napięcia, szybkie zmiany napięcia, krótkie i długie przerwy w zasilaniu, zapady napięcia,

przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej, asymetrię napięcia i harmoniczne napięcia

mierzone

i

obliczane

są

zgodnie

z

normą

PN-EN

50160

z

2002

roku.

32

Rys.4.2 Analizator Chauvin Arnoux C.A 8334B z objaśnieniem podstawowych funkcji.

Kursor

Enter

Wybór

zapisu

Kalibracja

Fotografia

ekranu

Harmoniczne

Drukowanie

Menu

dostępne

na ekranie

Objaśnienia

aktywnych funkcji

Moce

mierzone

Na Rys. 4.2 pokazano analizator jakości energii z opisem poszczególnych

klawiszy znajdujących się na płycie czołowej miernika.

Duży, kolorowy ekran LCD pozwala na obserwację przebiegów napięcia i prądu

dla poszczególnych faz bądź trzech napięć (fazowych lub międzyprzewodowych) lub

trzech prądów. Poprzez menu znajdujące się u dołu ekranu użytkownik może

natychmiast wybrać prezentację mierzonych wartości w formie tabeli lub wektora.

Rys.4.3 Ekran analizatora podczas pomiaru.

Na Rys. 4.3 przedstawiono przykładowy przebieg jedno fazowy wraz z

objaśnieniami poszczególnych pozycji znajdujących się na ekranie.

Analizator dzięki zastosowaniu do pomiaru prądów dwuzakresowych cęgów

typu MN 93A umożliwia dokonywania pomiaru prądów odpowiednio w zakresach

0,005÷5 Aoraz 0,1÷100 A. Bardzo przydatna funkcja analizatora to Zapis którą

wykorzystuje się do zapisu pomiarów dokonywanych w trakcie sprawdzania

poprawności działania układów pomiarowo-rozliczeniowych np.: do celów

szczegółowej analizy po przeniesieniu danych pomiarowych do aplikacji Excel lub

archiwizacji występujących nieprawidłowości. Tryb Alarmy służy do ustawiania

stanów alarmowych zapisywanych podczas pomiarów po przekroczeniu pewnego

ustawionego progu, który określamy w trybie konfiguracji przyrządu przed

przystąpieniem do pomiarów. Stan alarmowy zawiera dane: czas wystąpienia i okres

trwania zjawiska w danym parametrze. Jest możliwe zapisanie do 4096 stanów

alarmowych w pamięci analizatora, które później możemy eksportować przez port

34

szeregowy do komputera z oprogramowaniem QualiStar View. Oprogramowanie

QualiStar View umożliwia obróbkę rejestrowanych danych pomiarowych oraz

wykonanie wykresów jak również eksportowanie do aplikacji Excel. Dodatkowo należy

podkreślić możliwość generowania raportów z wykonywanych pomiarów wg

standardów jakościowych energii elektrycznej określonych w normie PN-EN 50160.

Szczegółowe informacje na temat obsługi analizatora jakości zasilania znajdują się w

instrukcji obsługi miernika.

5 Przebieg ćwiczenia

Przygotowanie stanowiska laboratoryjnego:

a. podłączyć cęgi prądowe do analizatora, cęgi nałożyć na pętle prądową,

b. ustawić cęgi prądowe na zakres 5A (w przypadku podłączenia zewnętrznych

odbiorników zakres dostosować do ich mocy),

c. zaciski napięciowe podłączyć do analizatora oraz do zacisków fazy 1 - Z1,

2 - Z2, 3 - Z3 i zacisku N,

d. podłączyć miernik do komputera PC i włączyć miernik oraz komputer

i uruchomić program QualiStar View.

Pomiary

Dla odbiornika lub grup odbiorników, wskazanych przez prowadzącego

ć

wiczenie wykonać kolejno poniższą sekwencję:

a. podłączyć wybrany odbiornik z zaciskami wybranej fazy,

b. załączyć zasilanie stanowiska laboratoryjnego za pomocą przycisku ZAŁ,

c. ustawić mnożnik poprzez wybór optymalnego przełączenia przełącznika P1, P2,

P3 na podstawie obserwacji przebiegu na analizatorze. Wykonujemy to po

podłączeniu odbiornika i obserwacji na analizatorze przebiegu prądowego.

Odpowiednio dla mniejszego prądu mnożnik wyższy,

d. wskazania wartości prądu analizatora należy skorygować poprzez podzielenie

wskazywanego prądu przez analizator o aktualnie wybrany mnożnik,

e. zarejestrować przebiegi prądów, napięć oraz wybranych harmonicznych i zapisać

w pamięci analizatora,

f. otrzymane wyniki przesłać do komputera,

g. odczytać z analizatora i zapisać w tabl. 5.1 podstawowe parametry.

35

Tabl. 5.1

Zestawienie pomiarów

Lp.

1

L

U

[V]

2

L

U

[V]

13

U

[V]

1

L

J

[A]

2

L

J

[A]

3

L

J

[A]

THD H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7

1

2

3

Wyłączenie stanowiska

a.

po przeprowadzonych pomiarach stanowisko wyłączyć za pomocą przycisku

WYŁ.

b.

w razie wystąpienia jakichkolwiek zastrzeżeń wyłączyć stanowisko za pomocą

wyłącznika bezpieczeństwa oznaczonego poprzez WB.

c.

zdemontować analizator oraz przewody łączeniowe.

Analiza wyników przebadanych odbiorników

Wykorzystując zarejestrowane przebiegi oraz zanotowane w Tab. 5.1 wartości

przeprowadzić analizę porównawczą.

36

Literatura:

1. Barlik R., Nowak M.: Poradnik inżyniera energoelektronika, WNT, Warszawa,

1999.

2. Hanzelka Z.: Jakość energii w warunkach rynku energii. „Biuletyn Urzędu

Regulacji Energetyki” nr 5, 2003.

3. Kowalski Z: Jakość energii elektrycznej. Manografie Politechniki Łódzkiej,

Łódź 2007.

4. Kowalski Z.: Wahania napięcia w układach elektroenergetycznych. WNT

Warszawa, 1985.

5. Leniarski W., Obara R., Szpryngiel Z.: Standaryzacja jakości energii

elektrycznej. Poznań, 1997.

6. Markiewicz H.: Niezawodność dostawy i jakość energii elektrycznej jako

kryteria wyznaczające sposoby zasilania odbiorców i wykonania instalacji
elektrycznych, Opracowanie nr 19/11/2002, Wrocław 2002.

7. Markiewicz H. : Urządzenia elektroenergetyczne, WNT Warszawa 2001.
8. Pieśniewska G.: Poradnik Inżyniera Elektryka. WNT, Warszawa 1996.
9. Sieci elektro-energetyczne w zakładach przemysłowych. Poradnik. WNT,

Warszawa 1987.

10. Szprengiel Z. „Jakość energii elektrycznej w świetle norm i przepisów

prawnych", Wiadomości Elektrotechniczne, 1999, nr 1.

11. PN-EN 50160: 2002 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach

rozdzielczych.

12. http://jakoscenergii.ovh.org/doku.php?id=wstep z dnia. 15.08.2010
13. http://twelvee.com.pl/pdf/Hanzelka/cz_I_skrot.pdf z dnia. 15.07.2010
14. http://www.cire.pl/rynekenergii/import.php?smid=205 z dnia. 17.07.2010
15. WWW.fulke.pl z dnia 15.08.2010.
16. http://www.elektropomiarab.pl z dnia 17.09.2010
17. Podręcznik użytkownika Chauvin Arnoux C.A 8332B/8334B