H
uta Szkła we Francji traci
€ 600 000 i 3 dni produkcji z
powodu awarii dwóch transforma-
torów. Pożar w banku, spowodowa-
ny przegrzaniem przewodu neutral-
nego, skutkuje stratami w wysoko-
ści powyżej miliona euro. Nie są to
odosobnione przypadki. Ostatnie
publikacje [2, 4] szacują światowe
straty spowodowane złą jakością
energii na 500 miliardów euro rocz-
nie, co jest równe połowie obrotów
światowej energetyki. Dla wielu ko-
mercyjnych użytkowników koszty
złej jakości energii przewyższają
opłaty za energię elektryczną. I
koszty te stale rosną na skutek
przerw, zapadów, zawartości harmo-
nicznych i innych zakłóceń. Niektó-
re z nich, np. harmoniczne prądów
i napięć, są stosunkowo nowe, na-
tomiast inne, takie jak przerwy i za-
pady, są znane od lat, ale ich wpływ
na koszty zwiększa się dramatycz-
nie. Pojedyncze zakłócenie w fabry-
ce półprzewodników może spowo-
dować straty rzędu 3,8 miliona
euro. Każda minuta przerwy w za-
silaniu telekomunikacji kosztuje
€ 30 000 [8]. Skutkami są utracona
produkcja, uszkodzenia urządzeń,
bezczynność personelu, utrata da-
nych i w konsekwencji: odroczenie
dochodów, negatywny wpływ na
płynność fi nansową, utrata zaufa-
nia klientów, a nawet zmniejszenie
udziału w rynku. Czasem efekty nie
są aż tak oczywiste – zakłócenia har-
moniczne, powodujące dodatkowe,
ukryte straty w systemie i przyspie-
szają starzenie się urządzeń na sku-
tek spowodowanego przez nie do-
datkowego nagrzewania.
W artykule autor stara się odpo-
wiedzieć na niektóre pytania:
czy zła jakoś energii jest naprawdę
problemem?
na ile poważnym?
jakie jest ryzyko narażenia?
w jakim kierunku należy podej-
mować zapobiegawcze decyzje in-
westycyjne?
zła jakość energii
Idealne źródło zasilania jest za-
wsze dostępne i ma przebieg ideal-
nie sinusoidalny, pozbawiony za-
burzeń, a jego napięcie i częstotli-
wość zawsze mieszczą się w grani-
cach tolerancji [1]. Oczywiście to
stwierdzenie trzeba odnieść do
czułości odbiorników na różne ro-
dzaje zaburzeń. Koszty jakości ener-
gii są określone:
jakością dostarczanego napięcia,
rodzajem odbiorników w obiek-
cie,
czułością tych odbiorników na za-
kłócenia.
Koszt kilowatogodziny, nie do-
starczonej z powodu przerwy w za-
silaniu, znacznie przewyższa cenę
kilowatogodziny dostarczonej zgod-
nie z potrzebami. Należy wypełnić
lukę między liczbą dziewiątek nie-
zawodności zasilania, zwykle 3-4,
a sześcioma wymaganymi przez
obecne społeczeństwo informacyj-
ne. Cztery dziewiątki oznaczają zasi-
lanie dostępne przez 99,99% czasu,
co odpowiada 52 minutom przerw
w zasilaniu rocznie, podczas gdy 6
dziewiątek pozwala jedynie na 30
sekund przerw rocznie.
Jednak dziewiątki niezawod-
ności nie przedstawiają całej praw-
dy. Jednorazowy 52-minutowy za-
nik zasilania powoduje znacznie
mniej strat niż 52 nieplanowane
zaniki jednominutowe. Czasem
przerwy trwające poniżej minuty
nie są nawet uwzględniane w sta-
tystykach. Według [3] przeciętny
odbiorca doświadcza 16 przerw w
zasilaniu rocznie. Przerwy stanowią
około 6% zakłóceń w jakości energii,
ale są odpowiedzialne za znacznie
większą część kosztów powodowa-
nych złą jakością energii.
Zakłócenia napięcia zdarzają
się często zarówno od strony sieci,
jak i odbiorcy. Monitorowanie staje
się coraz bardziej niezbędne i rów-
nocześnie coraz bardziej dostępne.
Badanie przeprowadzone na grupie
ponad 100 odbiorców pokazało, że
odczuwali oni zakłócenia średnio
289 razy w ciągu roku, czyli czę-
ściej niż raz w ciągu dnia robocze-
go, przy czym u niektórych odbior-
ców w ogóle nie zanotowano zakłó-
ceń, podczas gdy u innych ich liczba
przekroczyła 14 000 rocznie [3].
Kryterium decydującym o lo-
kalizacji zakładów powinna być
jakość dostaw energii. Między re-
gionami występują znaczne różni-
ce w dostępności i w jakości ener-
w w w . e l e k t r o . i n f o . p l
n r 3 / 2 0 0 4
i n s t a l a c j e e l e k t r o e n e r g e t y c z n e
54
ukryte koszty
złej jakości energii
Hans De Keulenaer – European Copper Institute (tłum. Przemysław Berowski)
Rys. 1 Częstość występowania typowych problemów związanych ze złą jakością energii elektrycznej
gii. Zła jakość energii, przez inwe-
stycje w jej poprawę lub dostosowa-
nie do niej, dramatycznie zwiększa
koszty prowadzenia działalności go-
spodarczej. W regionach wiejskich,
zaopatrywanych za pośrednictwem
długich linii napowietrznych, zwy-
kle istnieje minimalna możliwość
poprawienia jakości energii od stro-
ny zasilania.
Harmoniczne istnieją od daw-
na, ale dziś stają się wszechobecne
z powodu upowszechnienia urzą-
dzeń energoelektronicznych w za-
silaczach komputerów, w lampach
energooszczędnych i układach na-
pędowych z regulacją prędkości.
Zawartość harmonicznych w sie-
ci rozdzielczej powoduje dodatko-
we koszty:
przedwczesne awarie urządzeń,
np. służących do poprawy współ-
czynnika mocy, spowodowane
nieoczekiwanymi zjawiskami re-
zonansowymi lub uszkodzenia
transformatorów;
dodatkowe straty związane z na-
grzewaniem transformatorów, ka-
bli i silników;
zmniejszenie dopuszczalnego
obciążenia, czego skutkiem jest
zwiększenie kosztów urządzeń.
Wymagane jest scharaktery-
zowanie skali problemów związa-
nych z harmonicznymi w budynku
i oszacowanie jej wpływu na urzą-
dzenia elektryczne. Poza kilkoma
podstawowymi pracami, wpływ
harmonicznych na koszty nie zo-
stał jak dotąd należycie zrozumia-
ny, ale ostatnie raporty Eurelectric
szacują straty na kilkaset miliardów
euro rocznie w skali świata.
jakość energii
jako współczesny problem
Instalowane urządzenia są co-
raz czulsze na zakłócenia, które czę-
sto same wytwarzają. Jakość źró-
deł zasilania nie wzrośnie, ponie-
waż tak naprawdę
podnoszenie jako-
ści energii byłoby
nieuzasadnione
ekonomicznie za-
równo pod wzglę-
dem zasilania, jak
i wymagań okre-
ślonych przez
społeczeństwo
informacyjne. Na
szczęście spore
pole manewru w kwestii rozwiąza-
nia tego problemu istnieje po stro-
nie odbiorcy.
Informacje o zakłóceniach wy-
twarzanych przez urządzenia elek-
troniczne oraz o odporności tych
urządzeń na zakłócenia, powinny
znajdować się w ich dokumenta-
cji, a i same urządzenia powinny
być poddane analizie rynku. Dla
przykładu, niskiej jakości zasila-
cze impulsowe (SMPS) w kompu-
terach osobistych mogą wymagać
inwestycji w instalację elektrycz-
ną: fi ltry, zwiększenie przekro-
ju przewodu neutralnego czy sie-
ci dedykowane. Koszty inwestycji
łagodzącej muszą być porównane z
kosztami wymiany wszystkich za-
silaczy impulsowych na jednostki
wyższej jakości.
występujące problemy
European Copper Institute
przeprowadził w 2001 roku wśród
zarządzających zakładami i budyn-
kami w 1400 miejscach, w 8 kra-
jach badanie dotyczące problemów
z jakością energii [5]. Jak się oka-
zało, każdy z problemów przedsta-
wionych na rysunku 1, wystąpił u
5 – 25% respondentów. Faktycznie
dane te mogą być zaniżone z po-
wodu braku świadomości wystą-
pienia problemu lub niemożności
rozpoznania go jako skutku złej ja-
kości energii.
Takie problemy występują we
wszystkich gałęziach gospodarki
i powodują ciągłe niedogodności.
Według [6] problemy ze złą jako-
ścią energii w Hiszpanii zdarzają się
przynajmniej w 2/3 zakładów pracy
raz w miesiącu i raz w tygodniu w
1/3 tych zakładów pracy.
możliwe rozwiązania
Rozwiązania można stoso-
wać na 4 poziomach (na rysun-
ku 2 z [7]):
1.
Poprawiając parametry urządzeń:
najdroższe rozwiązanie przy sto-
sowaniu w całym zakładzie, ale
opłacalne w szczególnych przy-
padkach.
2.
Zabezpieczając podzespoły urzą-
dzeń. Takie rozproszone rozwią-
zanie może być zastosowane za-
równo do sterowania, jak i do
układów UPS czy filtrów. Jest to
kompromis między koszta-
w w w . e l e k t r o . i n f o . p l
n r 3 / 2 0 0 4
55
i n s t a l a c j e e l e k t r o e n e r g e t y c z n e
Rys. 3 Najpopularniejsze rozwiązania stosowane u użytkowników (na podstawie wyżej omówionych badań) [5]
Rys. 2 Poziomy zabezpieczeń przy łagodzeniu złej jakości energii
56
mi, doborem i elastycznością.
3.
Stosując globalne działania zabez-
pieczające i łagodzące w skali za-
kładu.
4.
Działając po stronie sieci zasilają-
cej.
Pozostaje jednak pytanie: „Kto
zapłaci za łagodzenie skutków złej
jakości energii?” Zasada „winny po-
nosi koszty” może być trudna do za-
stosowania, ze względu na możliwe
zaangażowanie wielu podmiotów.
Nawet jeśli zakłócenie pochodzi z
sieci, to kosztami jego złagodzenia
wciąż można obciążyć użytkowni-
ka. Współczesne poglądy ewoluują
w kierunku określenia podstawo-
wego poziomu jakości energii do-
starczanej opisanego w normie EN
50610. Poziom ten jest uwzględnio-
ny w taryfach energii elektrycznej,
ale nie jest wystarczający dla wielu
procesów. Doskonała jakość energii
może być osiągnięta zarówno dzię-
ki rozwiązaniom u użytkowników,
jak i dzięki porozumieniu z dostaw-
cą. Jednak wydaje się, że kontrak-
ty na dostawę energii wysokiej ja-
kości znalazły zastosowanie tylko
w wąskim zakresie. Rozwiązania
po stronie użytkowników są pod-
stawowym środkiem łagodzącym
[9]. Rysunek 3 pokazuje przegląd
najpopularniejszych rozwiązań po-
prawy jakości energii.
ocena kosztu inwestycji
w poprawę jakości energii
Metodologia łagodzenia spo-
radycznych wydarzeń (przerw i
zapadów), omówiona w [7], sta-
je się podstawą dobrej praktyki w
zakresie:
charakteryzowania jakości energii
przez określenie zdarzeń, miejsc i
częstości ich wystąpień;
grupowania zdarzeń według ty-
pów;
szacowania kosztów każdego typu
zakłócenia;
obliczania rocznego kosztu złej
jakości energii jako podstawy do
dalszych analiz.
Następnie metoda szacowania
wpływu różnych środków łagodzą-
cych przez określenie odporności
na każdy rodzaj zakłóceń czy przez
zmniejszenie kosztów w przypad-
ku ich wystąpienia. Otrzymuje się
koszt złej jakości energii, przy zasto-
sowaniu każdego ze środków łago-
dzących. Dodając roczne koszty złej
jakości energii do kosztów inwesty-
cji, uzyskujemy wykres jak na ry-
sunku 4, co pozwala podejmować
decyzje, uwzględniając różne dodat-
kowe korzyści wynikające z dobrej
jakości energii:
zwiększona ciągłość funkcjonowa-
nia;
zmniejszenie ryzyka: straty spo-
wodowane zanikami są parame-
trem statystycznym, przy czym
jego wartość maksymalna jest
znacznie powyżej średniej;
lepsze samopoczucie personelu
spowodowane pracą w środowi-
sku bezawaryjnym.
wnioski
Koszty złej jakości energii są
wysokie i wciąż rosną:
Zła jakość energii jest problemem
dla wielu sektorów gospodarki.
Znaczna część przedsiębiorstw po-
nosi straty związane z obniżeniem
jakości energii (ponad 50%).
Problemy zdarzają się przynajm-
niej raz w miesiącu, a często raz w
tygodniu.
Obecnie dostępne są zaawan-
sowane rozwiązania monitorują-
ce, a przecież właśnie od monito-
ringu rozpoczyna się poznawanie
kosztów złej jakości energii. Możli-
we jest powiązanie jakości energii
z kosztami i podjęcie decyzji doty-
czącej rodzajów środków zapobie-
gawczych.
Dobra jakość energii zmniej-
sza ryzyko, obniża koszty prowa-
dzenia działalności gospodarczej,
a w związku z tym poprawia bilans
przedsiębiorstw. Zgodnie z bada-
niami przeprowadzonymi w Hisz-
panii [6] i obejmującymi 100 za-
kładów, zwrot kosztów poniesio-
nych na działania łagodzące, na-
stępuje w czasie od 7 miesięcy do
5 lat, ale zwykle okres ten nie prze-
kracza 2 lat.
literatura
1.
David Chapman, Introduction to
Power Quality’, April 2002, Po-
wer Quality Application Guide 1-
1, www.lpqi.org.
2.
Task force 38.06.01, Methods to
consider customer interruption
costs in power system analy-
sis, Aug 2001, CIGRE report 119,
www.cigre.org.
3.
Douglas S Dorr, Point of Utiliza-
tion Power Quality Study Results,
1994, IEEE IAS meeting.
4.
Eurelectric, Power Quality in Eu-
ropean Electricity Supply Ne-
tworks - 1st edition, Feb 2002, re-
port 2002-2700-0005, www.eure-
lectric.org.
5.
Hans De Keulenaer, Power Qu-
ality Self-Assessment Guide, Nov
2002, Power Quality Application
Guide 1-2, www.lpqi.org.
6.
Jonathan Manson, Business Mo-
del for investing in PQ solutions,
In print, Power Quality Applica-
tion Guide 2-2, www.lpqi.org.
7.
Mark McGranaghan, Economic
Evaluation of Power Quality, Feb
2002, IEEE Power Engineering Re-
view.
8.
David Chapman, The Cost of Poor
Power Quality, April 2002, Power
Quality Application Guide 2-1,
www.lpqi.org.
9.
LEONARDO Power Quality Initia-
tive, Literature Survey, Feb 2002,
Summary report available from
hdk@eurocopper.org., Not publi-
shed.
w w w . e l e k t r o . i n f o . p l
n r 3 / 2 0 0 4
i n s t a l a c j e e l e k t r o e n e r g e t y c z n e
56
Rys. 4 Roczne koszty złej jakości energii oraz koszty środków łagodzących na przykładzie fabryki tworzyw sztucznych
55