MATERIAA
Y KONFERENCYJNE ELSEP 2009
Wahania napięcia w urządzeniach elektroenergetycznych
Grzegorz Hołdyński, Zbigniew Skibko
Podstawowym zadaniem układów elektroenergetycznych Wartość współczynnika określa się na podstawie kolejno następu-
jest dostawa energii elektrycznej odpowiedniej jakości. jących po sobie wartości P , według zależności [5]
st
Jednym z podstawowych kryteriów jakościowych
jest utrzymanie wartości i częstotliwości napięcia na 12
12
3
3
odpowiednim poziomie. Seria zmian napięcia lub ciągłe
"Psti
"Psti
3
3
i=1
i=1
zmiany wartości skutecznej napięcia nazywane są
Plt =
Plt =
12
12
wahaniami napięcia.
gdzie P (i = 1, 2, 3, ... 12) są kolejnymi wartościami wskaz
ników
sti
Przyczyny oraz wskaz
niki określające wahania napięcia
krótkookresowego migotania światła P .
st
Wahania napięcia wynikają przede wszystkim z występowania Przykładowy przebieg napięcia sinusoidalnie zmiennego,
w sieciach elektroenergetycznych niespokojnych odbiorników ener- w którym występuje sinusoidalne wahanie napięcia o częstotliwości
gii elektrycznej, tzn. odbiorników, które pobierają zmienny, co do 10 Hz, przedstawiono na rysunku 1.
wartości skutecznej, prąd elektryczny. Gwałtowne zmiany wartości
Oddziaływanie wahań napięcia na urządzenia elektryczne
prądu w urządzeniach elektroenergetycznych wywołują zmienne
spadki napięcia w sieciach zasilających te odbiorniki, co powoduje Wpływ wahań napięcia na pracę odbiorników energii elektrycznej
zmiany (wahania) napięcia zasilającego inne odbiorniki podłączone przedstawiono na podstawie wybranych typów urządzeń elektrycz-
do tej samej instalacji lub innych odbiorców. nych [1, 2].
Odbiorniki oświetleniowe
Do odbiorników niespokojnych należy zaliczyć przede wszystkim:
piece łukowe, spawarki, młoty i piły elektryczne, dz
wigi i maszyny Wahania napięcia zasilającego z
ródła światła powodują przede
wyciągowe. Wahania napięcia są także powodowane przez rozru- wszystkim zmianę (w funkcji czasu) prądu oraz mocy przez nie po-
chy silników asynchronicznych, procesy łączeniowe baterii konden- bieranej, jak również wahania strumienia świetlnego emitowanego
satorów, bojlery, urządzenia klimatyzacyjne oraz przez wszystkie przez te z
ródła. Zmiany strumienia świetlnego i innych wielkości
urządzenia o zmiennym obciążeniu, których moc znamionowa jest (takich jak: natężenie oświetlenia, luminancja, jaskrawość itp.) nie
znaczna w odniesieniu do mocy zwarciowej w punkcie ich przyłą- następują w tym samym momencie co wahania napięcia. Wynika to
czenia do sieci zasilającej. Ocena wahań napięcia dokonywana jest z bezwładności, jaką charakteryzują się poszczególne z
ródła świat-
ze względu na oddziaływanie na wzrok człowieka, wywoływanie ła. Bezwładność wyładowczych z
ródeł światła jest znacznie mniej-
uczucia zmęczenia oraz wpływ na pracę urządzeń elektrycznych. sza niż lamp żarowych, w których energia zgromadzona w żarniku
powoduje wygładzenie dostrzegalnych zmian parametrów świet-
Do wskaz
ników charakteryzujących wahania napięcia w sieciach lnych, występujących podczas wahań napięcia. Bezwładność żaró-
elektroenergetycznych oraz na zaciskach odbiorników należą: wek łagodzi w rzeczywistości skutki wahań napięcia zasilającego.
Amplituda wahań napięcia  względna zmiana napięcia (symbol Opóz
nienie w reakcji świetlówek na zmianę napięcia wynika przede
 d ) wyrażona jako stosunek wartości zmiany napięcia do napię- wszystkim z istnienia powłoki luminescencyjnej oraz działania sta-
cia znamionowego (dc  ustalona względna zmiana napięcia, dmax tecznika włączonego w jej obwód zasilający.
 maksymalna względna zmiana napięcia).
Silniki indukcyjne i synchroniczne
Częstotliwość amplitud wahań napięcia, wyrażona w hercach
(symbol  FV ) lub w przypadku wahań okresowych  częstotliwość Wskutek wahań napięcia w silnikach indukcyjnych występują do-
wahań napięcia, również wyrażona w hercach (symbol  FU ). datkowe straty mocy czynnej i biernej oraz zmienia się ich poślizg,
Wskaz
nik krótkookresowego migotania światła P (wskaz
nik na który wpływ ma zarówno pole wirujące o częstotliwości siecio-
st
określający uciążliwość migotania światła w krótkim czasie - rzędu wej, jak i pole o częstotliwości równej częstotliwości zmian napię-
kilku minut). P = 1 jest umownym progiem dokuczliwości migo- cia. Zmiany te są tym bardziej zauważalne, im mniejsza jest moc
st
tania światła. znamionowa silnika, co odbija się niekorzystnie na przebiegu pro-
Wskaz
nik długookresowego migotania światła Plt (wskaz
nik cesów produkcyjnych, w których wymagane jest utrzymanie stałej
określający uciążliwość migotania światła w długim czasie - rzędu prędkości obrotowej. W silnikach synchronicznych wahania napię-
kilku godzin). cia powodujÄ… przede wszystkim dodatkowe straty mocy, prowadzÄ…
do kołysań wirnika (wynikających ze zmiany wartości skutecznej
napięcia i jego przesunięcia względem prądu) oraz wywołują dodat-
Dr inż. Grzegorz Hołdyński, dr inż. Zbigniew Skibko - Wydział Elektrycz-
ny Politechniki Białostockiej, Zakład Elektroenergetyki kowe momenty obrotowe.
18 Rok LXXVII 2009 nr 4
 MATERIAA
Y KONFERENCYJNE ELSEP 2009
Zmiana napięcia zawierająca się pomiędzy progiem odczuwania
i progiem uciążliwości jest postrzegana przez ludzi, jednakże nie
powoduje u nich rozdrażnienia. Migotania światła występujące przy
zmianie napięcia przekraczającej próg uciążliwości, powoduje u lu-
dzi rozdrażnienie, przemęczenie oraz osłabienie uwagi. Na rysunku
3 przedstawiono progi postrzegania i uciążliwości migotania światła
powstałego wskutek wahań napięcia. Migotania światła o amplitu-
dach i częstotliwościach zawartych pod krzywą 1 są dla ludzi nieza-
uważalne, w obszarze między krzywymi 1 i 2 są odczuwalne, lecz
nie przekraczają dopuszczalnego stopnia uciążliwości, natomiast
migotanie występujące w obszarze ponad krzywą 2 jest uciążliwe
i powinno być wyeliminowane.
Rys. 1. Sinusoidalne wahania napięcia o częstotliwości 10 Hz
Sieci elektroenergetyczne
Wystąpienie wahań napięcia na szynach stacji elektroenergetycz-
nej, do której są podłączone linie zasilające poszczególnych od-
biorców i odbiorniki energii elektrycznej, powoduje wystąpienie
zmian napięcia u wszystkich odbiorców i na wszystkich odbiorni-
kach zasilanych z danej sieci. Wahania napięcia na zaciskach po-
szczególnych odbiorników energii elektrycznej powodują wahania
prądu i mocy tych odbiorników, co w konsekwencji prowadzi do
wystąpienia dodatkowych strat mocy czynnej i biernej w całej sieci
zasilajÄ…cej.
Styczniki i przekaz
niki elektryczne
Rys. 2. Progi odczuwalności wahań napięcia (migotania światła) w zależności
Wahania napięcia mogą powodować zakłócenia w pracy styczni-
od rodzaju z
ródła światła [1]
ków i przekaz
ników elektrycznych, powodując zbędne wyłączenia
odbiorników zasilanych poprzez te urządzenia.
Oddziaływanie wahań napięcia na organizm ludzki
Wahania napięcia są odbierane przez ludzi poprzez narząd wzroku
(tzw. zjawisko migotania światła), powodując nie tylko ograniczenie
zdolności widzenia, ale również wywołując zmęczenie i pogorsze-
nie samopoczucia. Wrażliwość ludzi na migotanie światła w znacz-
nym stopniu zależy od cech psychofizycznych danego człowieka
oraz jego stanu zdrowia.
Ponadto na odczuwanie wahań napięcia ma wpływ amplituda
zmian napięcia (strumienia świetlnego z
ródła światła), częstotli-
wość wahań (ze względu na bezwładność oka ludzkiego, migota-
nie światła jest postrzegane przy zmianie strumienia świetlnego
o częstotliwości od 0,5 do 35 Hz), czas trwania zaburzenia (bardziej
odczuwalne są zmiany w postaci krótkiego impulsu świetlnego, po
Rys. 3. Progi postrzegania (krzywa 1) i uciążliwości (krzywa 2) migotania
którym następuje dłuższa przerwa). Ponadto migotanie światła jest
światła, w zależności od amplitudy i częstotliwości wahania napięcia [1]
bardziej zauważalne w widzeniu bocznym niż w obiektach, na któ-
rych skupiona jest uwaga patrzÄ…cego [2].
Wymagania określające poziomy wahań napięcia
W celu określenia wpływu wahań napięcia na organizm ludzki
wprowadzono graniczne wartości względnych zmian napięcia, na- Podstawą ilościowej oceny migotania światła jest zmiana napię-
zwane progami postrzegania (odczuwalności) i progami uciążliwo- cia w czasie, wyznaczona (w wyniku obliczeń lub pomiarów) na
ści. Porównanie progów odczuwalności migotania światła dla róż- zaciskach badanego urządzenia jako różnica dwóch kolejnych war-
nych rodzajów z
ródeł światła przedstawiono na rysunku 2. Wahania tości skutecznych napięcia fazowego. Przy wyznaczaniu wartości
napięcia o wartościach poniżej progu odczuwalności nie powodują skutecznych napięcia na podstawie oscylogramu przebiegu czaso-
nieprzyjemnych doznań u ludzi, gdyż występujące wówczas migo- wego obciążenia, należy uwzględnić każde możliwe odkształcenie
tanie światła jest niezauważalne. przebiegu napięcia.
Rok LXXVII 2009 nr 4 19
 MATERIAA
Y KONFERENCYJNE ELSEP 2009
Dopuszczalne poziomy migotania światła i wahań napięcia na
zaciskach zasilajÄ…cych badane urzÄ…dzenie przedstawiono w tabeli.
Urządzenia, w których zostały przekroczone wartości dopuszczalne
wg normy PN-EN 61000-3-3 [3] podlegają przyłączeniu warunko-
wemu, tzn. przyłączeniu, w którym impedancja systemu zasilające-
go liczona w punkcie zasilania odbiorcy jest mniejsza od impedancji
odniesienia (której wartość określa się na podstawie [3]), co gwaran-
tuje, że poziom emisji zaburzenia nie będzie przekraczać wartości
dopuszczalnych wg normy PN-EN 61000-3-11 [4]. Dopuszczalnych
poziomów podanych w tabeli nie stosuje się w przypadku łączenia
awaryjnego, przełączeń lub nagłych przerw spowodowanych wzglę-
dami bezpieczeństwa.
Czas obserwacji urządzenia, w celu wyznaczenia wielkości cha-
rakteryzujących migotanie światła, powinien wynosić 10 minut dla
P oraz 2 godziny dla Plt. Czas obserwacji powinien obejmować tę
st Rys. 4. Wykres względnej zmiany napięcia przy P = 1 dla prostokątnych
st
część cyklu pracy danego urządzenia, podczas której występują naj-
zmian napięcia występujących w równych odstępach czasu
bardziej niekorzystne zmiany napięcia. Nie przeprowadza się badań
urządzeń, dla których jest mało prawdopodobne, aby powodowa-
ły one znaczące wahania napięcia. Wykres względnej, procento- w tym głównie mocy biernej. Dlatego metody i środki technicz-
wej zmiany napięcia, przy P =1 dla prostokątnych zmian napięcia ne stosowane do ograniczania wahań napięcia powinny wpływać
st
występujących w równych odstępach czasu, przedstawiono na ry- przede wszystkim na zmniejszenie reaktancji zastępczej oraz ogra-
sunku 4. niczenie zmian wartości mocy biernej w układzie elektroenerge-
tycznym.
Sposoby ograniczania wahań napięcia
Do podstawowych sposobów ograniczania wahań napięcia należą
Skutki oddziaływania wahań napięcia zależą przede wszystkim od [1, 2]:
amplitudy i częstotliwości występowania zakłóceń. Na amplitudę - zasilanie odbiorników wrażliwych na wahania napięcia z innych
ma wpływ m.in. układ zasilający odbiory niespokojne, a na czę- transformatorów niż odbiory niespokojne,
stotliwość przede wszystkim rodzaj odbioru i charakter jego pra- - zwiększenie mocy jednostkowych transformatorów zasilających
cy. W związku z tym, że zmiana częstości zakłóceń wymagałaby odbiory niespokojne,
ingerencji w proces technologiczny, stosuje się przede wszystkim - zasilanie odbiorów niespokojnych z węzłów sieci elektroenerge-
metody ograniczania amplitud wahań napięcia. tycznej charakteryzujących się dużą mocą zwarciową,
Amplituda wahań napięcia w układzie elektroenergetycznym - połączenie równoległe transformatorów zasilających odbiorniki
zasilającym odbiór niespokojny zależy przede wszystkim od za- niespokojne,
stępczej reaktancji układu zasilającego oraz od wahań odciążenia, - zasilanie odbiorników z transformatorów trójuzwojeniowych
i autotransformatorów,
- zastosowanie transformatorów z uzwojeniami przeznaczonymi
Dopuszczalne poziomy wielkości charakteryzujących wahania napięć
do zasilania odbiorników niespokojnych i spokojnych,
[3, 4]
- zastosowanie dynamicznych stabilizatorów napięcia: kompensa-
torów statycznych (dławików z obwodem sterującym prądu stałego
Odbiorniki o prÄ…dzie znamionowym
lub dławików samonasycających się) lub kompensatorów wirują-
d" 16 A d" 75 A 1)
Wielkość mierzona cych (maszyn synchronicznych).
wartość dopuszczalna
Pst d" 1 d" 1
Artykuł powstał w ramach pracy statutowej S/WE/4/08
Plt d" 0,65 d" 0,65
d" 3% d" 3% LITERATURA
d(t) przez czas dłuższy przez czas dłuższy
[1] Kowalski Z.: Ekologiczne aspekty elektrotechniki  zagadnienia wybrane. Wydaw-
niż 0,2 s niż 0,5 s
nictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2003
dc d" 3% d" 3,3%
[2] Kowalski Z.: Wahania napięcia w układach elektroenergetycznych. Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, Warszawa 1985
d" 4% 2)
[3] PN-EN 61000-3-3 1997: Kompatybilność elektromagnetyczna. Dopuszczalne po-
dmax d" 4% d" 6% 3)
ziomy. Ograniczanie wahań napięcia i migotania światła powodowanych przez od-
d" 7% 4)
biorniki o prądzie znamionowym d"16 A w sieciach zasilających niskiego napięcia
1)
Urządzenia podlegające przyłączeniu warunkowemu.
[4] PN-EN 61000-3-11 2004: Kompatybilność elektromagnetyczna. Część 3-11. Do-
2)
Bez dodatkowych uwarunkowań.
puszczalne poziomy. Ograniczanie zmian napięcia, wahań napięcia i migotania
3)
Dla urządzeń załączanych ręcznie lub załączanych automatycznie częściej niż dwa
światła w publicznych sieciach niskiego napięcia. Urządzenia o prądzie znamiono-
razy dziennie i o opóz
nionym ponownym załączeniu.
wym d" 75 A podlegające przyłączeniu warunkowemu
4)
Dla urządzeń, które są nadzorowane podczas użytkowania (np. suszarki do włosów,
[5] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegó-
odkurzacze), które są załączane automatycznie lub ręcznie nie częściej niż dwa razy
łowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego Dz.U. 2007 nr
dziennie.
93, poz. 623
20 Rok LXXVII 2009 nr 4