1
Politechnika Opolska
Instrukcja do ćwieczenia laboratoryjnego
Badanie jakości zasilania
Opole, 2012
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