Jakość energii elektrycznej - czyli co to właściwie jest?
Jakość energii elektrycznej jest pojęciem relatywnie nowym, a co za tym idzie dopiero zaczyna wpisywać się w techniczną rzeczywistość. Jakość, według definicji słownikowej, to zespół cech wyróżniających dany przedmiot. W przypadku zaś energii elektrycznej, należy bardziej mówić o towarze posiadającym szereg cech (parametrów), które stanowią o jego jakości. Tymi cechami są wielkości fizyczne związane z napięciem, tj. wartość skuteczna, częstotliwość, współczynnik odkształcenia THDu, zawartość harmonicznych, itd.
Jakość dostarczanej energii w przepisach i teorii
Dopuszczalne wartości poszczególnych parametrów napięcia określa Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego bazujące na normie PN-EN 50160. Przepisy precyzują jedynie wymagania odnośnie parametrów napięcia w miejscu granicy stron, oraz warunki jakie musi spełnić odbiorca, aby dostawca mógł zapewnić wymaganą jakość energii.
W Rozporządzeniu czytamy:
"Warunkiem utrzymania parametrów napięcia zasilającego w granicach określonych w pkt 1-5 jest pobieranie przez odbiorcę mocy czynnej nie większej od mocy umownej, przy współczynniku tg φ (tangens fi) nie większym niż 0,4".
Oznacza to, że roszczenia z tytułu niedotrzymania parametrów dostarczanej energii mogą mieć tylko odbiorcy, którzy mają odpowiednio dobraną moc umowną, oraz prawidłowo działającą kompensację mocy biernej!
W Rozporządzeniu znajdziemy również zapis:
"Przedsiębiorstwo energetyczne, do którego sieci są przyłączeni odbiorcy, może ustalić, dla poszczególnych grup przyłączeniowych, dopuszczalne poziomy zaburzeń parametrów jakościowych energii elektrycznej niepowodujących pogorszenia parametrów określonych w ust. 1 i 3 albo ustalonych w umowie sprzedaży energii elektrycznej lub umowie przesyłowej".
Na podstawie tego zapisu część zakładów energetyczne określiło w instrukcjach ruchu wymagania co do zawartości poszczególnych harmonicznych w prądzie pobieranym przez odbiorcę. Już na pierwszy rzut oka można stwierdzić, że wymagania te są zazwyczaj niemożliwe do spełnienia, gdyż większość urządzeń wprowadza dużo większe odkształcenia niż dopuszczalne.
Należy również zaznaczyć, że podane dopuszczalne wartości określane są w rozporządzeniu jako percentyl 95% za okres 7 dni wyliczony ze średnich 10 minutowych (za wyjątkiem częstotliwości i THDu). Co to oznacza? Oznacza to, że do oceny jakości dostarczanej energii elektrycznej brane są średnie wartości parametru w czasie 10 minut liczone z wartości chwilowych (1 okres), a nie wartości chwilowe. W efekcie dopuszcza się występowanie zakłóceń krótkotrwałych (rzędu kilku do kilkuset milisekund) oraz niedotrzymywanie standardów jakościowych energii, w przypadku niektórych wielkości aż przez 5% czasu tygodnia czyli ponad 8 godzin.
Podsumowując, przepisy odnośnie jakości dostarczanej energii nie są bardzo restrykcyjne i dopuszczają występowanie zakłóceń oraz niedotrzymywanie parametrów energii. Jednocześnie nakładają na odbiorcę warunki, które są bardzo trudne do spełniania, w efekcie pozbawiając go możliwości wnioskowania o rekompensaty z tytułu złej jakości dostarczanej energii. Fakt, że przepisy dopuszczają występowanie zakłóceń nie oznacza, iż nie mają one wpływu na pracę zakładu. Mogą one powodować zakłócenia pracy urządzeń, a nawet ich awarie. Istotne jest również to, że przepisy regulują jakość energii dostarczanej przez dostawcę, nie mają natomiast zastosowania do jakości energii w sieci rozdzielczej zakładu. Tymczasem to właśnie jakość energii, którą zasilane są urządzenia wewnątrz sieci zakładowej decyduje o tym jak będą one pracować i jak często występować będą awarie. Bardzo częstą jest sytuacja, gdy przeprowadzony pomiar w punkcie granicy stron nie wykazuje żadnych nieprawidłowości, natomiast jakość energii w lokalnej rozdzielni jest przyczyną częstych awarii urządzeń lub ich nieprawidłowego działania. Ma to najczęściej miejsce u odbiorców zasilanych z poziomu średniego napięcia, których urządzenia zasilane są niskim napięciem. Z tego powodu ważne jest aby oceny jakości energii w zakładzie dokonywać w oparciu nie tylko o pomiary w punkcie przyłączenia do sieci, ale również przeprowadzić pomiary rozdzielnic lokalnych, bezpośrednio zasilających urządzenia.
Rys.1. Widmo harmonicznych prądu w kondensatorze będącym w stanie rezonansu.
Nieświadomość może drogo kosztować
Zaburzenia występują praktycznie w sieci każdego zakładu, a im w procesie produkcji więcej napędów sterowanych, odbiorników "niespokojnych" i elektroniki, tym większe prawdopodobieństwo, że będą one poważnym problemem. Skutki złej jakości energii można podzielić na dwie grupy:
a) Skutki natychmiast odczuwalne
Są to skutki, których wystąpienie widoczne jest od razu, czyli awarie rządzeń i spowodowane nimi przestoje linii produkcyjnych, a nawet całych zakładów. Najczęściej przyczyną wystąpienia takich zjawisk są przerwy w zasilaniu, zapady i przepięcia. Przyczyny wystąpienia tego typu zjawisk mogą być różne, zaczynając od zdarzeń losowych a na wadliwym zadziałaniu zabezpieczeń kończąc. Często zdarza się, że źródło występowania przepięć lub zapadów znajduje się w sieci zakładu i jest nim, np. napęd dużej mocy, występujące zwarcie, proces łączeniowy. Jako przykład można podać zakład, w którym na skutek rozruchu maszyny dużej mocy w sprzyjających warunkach występował zapad napięcia, którego efektem było losowe zadziałanie wyzwalaczy podnapięciowych wyłączników głównych.
b) Skutki utajone
Mianem tym określa się skutki niewidoczne gołym okiem, a które powodują straty energii i przyśpieszoną degradację urządzeń. Te zjawiska powodowane są głównie przez odkształcenia prądu i napięcia, które generowane są przez odbiorniki nieliniowe, takie jak falowniki, wyładowcze źródła światła, UPSy, komputery, odbiorniki "niespokojne" i wiele innych urządzeń. Przepływ odkształconego prądu powoduje szereg niekorzystnych zjawisk w sieci, między innymi:
Zwiększenie wartości skutecznej prądu, co skutkuje zwiększeniem strat w elementach przesyłowych takich jak kable i transformatory, a także może wywołać zadziałanie zabezpieczeń termicznych na skutek przegrzania.
Dodatkowe straty w rdzeniu transformatora na skutek powstania prądów wirowych od wyższych harmonicznych prądu oraz zwiększenie strat przewodzenia na skutek zjawiska naskórkowości. Przykładowo przy odkształceniu THDI=35% straty w transformatorze zostają podwojone.
Dodatkowe straty w silnikach indukcyjnych na skutek pojawienia się prądów wirowych od harmonicznych prądu, a przy pojawieniu się harmonicznych napięcia tego samego rzędu również straty mocy czynnej.
Przegrzanie izolacji przewodu neutralnego - typowe dla zasilania odbiorników komputerowych w sieciach 3-fazowych, gdzie przewód N nie został przewymiarowany.
Przyśpieszona degradacja izolacji kabli, uzwojeń silników i transformatorów, na skutek stresu wywołanego zwiększoną temperaturą pracy w efekcie wystąpienia zjawiska naskórkowości. Przy dużych odkształceniach żywotność urządzeń może zmaleć kilkukrotnie.
Wywoływanie odkształcenia napięcia na elementach rozdzielczych, głównie transformatorach, co powoduje dodatkowe odkształcanie prądu i jego przepływ przez elementy liniowe.
Wysokie odkształcenia napięcia powodują zakłócenia w pracy urządzeń elektronicznych, lub sterowanych elektronicznie, np. uszkadzanie falowników na skutek błędów synchronizacji.
Przeciążanie elementów pojemnościowych, np. kondensatorów w bateriach i obwodach pośredniczących prądu stałego na skutek przepływu dodatkowych prądów pojemnościowych od wyższych harmonicznych.
Wszystkie te skutki wiążą się z kosztami energii lub kosztami wcześniejszej wymiany elementów. Tylko straty energii w transformatorze o mocy 1000kVA mogą osiągać rocznie wartość 5-10 tys. zł, natomiast pozostałe elementy systemu powodują zwiększanie tej kwoty. Biorąc pod uwagę, iż zazwyczaj w zakładach znajduje się od kilku do kilkudziesięciu transformatorów koszty złej jakości energii mogą stanowić poważny udział w ogólnych kosztach energii elektrycznej.
Rys.2. Na wykresie przykładowa rejestracja współczynnika THDu obrazującego odkształcenie napięcia.
Widoczne okresowe wzrosty odkształceń były przyczyną awarii układów sterowania falowników.
Kiedy przeprowadzić pomiary?
Nie istnieją żadne wytyczne co do częstotliwości i obowiązku przeprowadzania pomiarów parametrów sieci, co nie oznacza jednak, że nie warto ich wykonać. W przypadku użytkowników, dla których oszczędność energii oraz bezpieczeństwo zasilania urządzeń jest istotne wykonanie pomiarów jest wręcz nieodzowne. Przeprowadzenie jednego audytu jakości energii pozwala na określenie występujących nieprawidłowości i zagrożeń, wskazanie niewłaściwie działających elementów, jak np. kompensacja mocy biernej, a także na opracowanie programu działań, które pozwolą na poprawę sytuacji. Z tego powodu warto przynajmniej raz na 5 lat przeprowadzić takie pomiary w każdym zakładzie. Pomiary parametrów sieci zasilającej zalecamy również przeprowadzić w przypadku powtarzających się awarii urządzeń lub występujących często nieprawidłowości w ich działaniu. Zamiast wydawać kolejne środki na naprawy i ponosić koszty postoju, warto zainwestować i zlokalizować przyczyny występowania awarii.
Materiał pochodzi ze strony WWW.korporacjasystem.pl
Aby dowiedzieć się więcej na temat pomiarów, zajrzyj do zakładki na ww. stronie:
Pomiary parametrów sieci i jakości energii elektrycznej - dlaczego warto je wykonać?