5 Jakość energii elektrycznej i jej wpływ na pracę odbiorników

1. Wprowadzenie

Odbiorniki energii elektrycznej do prawidłowej pracy wymagają odpowiedniej jakości energii elektrycznej i niezawodności jej dostawy.

W literaturze pod pojęciem ,jakości zasilania w energię elektryczną” rozumie się, zarówno cechy jakości energii elektrycznej jak i niezawodności jej dostawy. Problem niezawodności dostawy energii elektrycznej został omówiony przez autora w punkcie 9 wykładu. Jakość energii elektrycznej określa jakość napięcia sieci, a w przypadku prądu zmiennego także częstotliwość. W praktyce jakość energii elektrycznej powinna być całkowicie zgodna z parametrami znamionowymi odbiorników ze względu na poprawną pracę tych odbiorników. Ze względu na to, że jakość energii elektrycznej dostarczanej do odbiorcy końcowego i dowolnego odbiornika zależy zarówno od parametrów energii dostarczanej ze źródła (np. elektrownia zakładowa, sieć terenowa, sieci energetyki zawodowej), jak i od zmian tych parametrów w sieci elektroenergetycznej , jest ona na ogół różna w różnych punktach sieci.

W zakładach przemysłowych odbiornikami energii elektrycznej są najczęściej różnego rodzaju maszyny i urządzenia przeznaczone do wykonywania różnych czynności oraz obwody oświetleniowe zarówno oświetlenia wewnętrznego jak i zewnętrznego. W krajowym przemyśle oprócz takich odbiorników energii jak: źródła światła, urządzenia elektrotermiczne, przeważającą liczbę stanowią człony napędowe silników elektrycznych, w które są wyposażone urządzenia przemysłowe oraz maszyny do różnych technologii wyrobów.

W kraju obowiązują zalecenia oparte na ustawie „Prawo energetyczne” [25] i aktach wykonawczych do tej ustawy [24], dotyczące utrzymania wymaganych parametrów jakości energii elektrycznej. Na przedsiębiorstwa sieciowe nałożono obowiązek określania w taryfach zakresu oraz wysokości upustów z tytułu niedotrzymania standardów zasilania odbiorców.

W skali światowej obserwuje się tendencja zwiększenia znaczenia jakości energii elektrycznej, a jest to spowodowane koniecznością zawierania kontraktów zgodnie z uwarunkowaniami zawartymi w aktach normatywnych. Zagadnienia te odnoszą się zarówno do sieci elektroenergetycznej jak i również do instalacji średniego i niskiego napięcia.

1.2. Parametry charakteryzujące jakość energii elektrycznej

W literaturze krajowej [9], [10], [11], [13] do podstawowych parametrów jakości energii elektrycznej zalicza się:

1. odchylenie napięcia,
2. wahania napięcia,
3. zapad napięcia,
4. współczynnik odkształcenia napięcia,
5. poziom odkształcenia napięcia,
6. dopuszczalne odchylenia napięcia,
7. dopuszczalne współczynniki asymetrii napięć i prądów.

Ad 1) Odchylenie napięcia jest to różnica między rzeczywistą i znamionową wartością napięcia. Względne odchylenie napięcia określa się wzorem:

[latex]\delta {{U}_{\%}}=\frac{{U-{{U}_{\text{N}}}}}{{{{U}_{\text{N}}}}}\cdot 100[/latex]                                            (3.1)

gdzie: [latex]\displaystyle U[/latex] – wartość skuteczna napięcia w określonym punkcie sieci, [latex]\displaystyle {{U}_{\text{N}}}[/latex] – napięcie znamionowe rozpatrywanego urządzenia lub sieci.

Od napięcia w punkcie zasilania sieci elektroenergetycznej i od spadku napięcia w sieci przemysłowej zależą wartości odchylenia napięcia. W tabeli 3.1 podaje się dopuszczalne wartości spadku napięcia w instalacjach elektroenergetycznych wnętrzowych [11].

Tabela 3.1. Dopuszczalne spadki napięcia w instalacjach elektroenergetycznych wnętrzowych [11]

Przyczyną wahań napięcia są także piece łukowe spotykane w zakładach przemysłowych.Ad 2) Wahania napięcia są spowodowane nagłymi, kolejno po sobie występującymi zmianami obciążenia wywoływanymi pracą odbiorników zakłócających jest nim odbiornik niespokojny, charakteryzujący się powtarzającymi się, nagłymi zmianami obciążenia. Najczęstszą przyczyną wahań napięcia są rozruchy silników pracujących na terenie zakładu. W silnikach prąd rozruchowy jest wielokrotnie większy (3÷6 krotnie) niż prąd znamionowy silnika, przy czym współczynnik mocy jest na ogół mały w granicach 0,15÷0,3.

Praca pieca, zwłaszcza w okresie topienia wsadu jest bardzo niespokojna. Spotykane piece łukowe mają jednostkowe moce duże lub bardzo duże, dochodzą nawet do wartości 75 MV·A. Praca tak dużego odbioru powoduje duże wahania napięcia nie tylko w sieci średniego napięcia lecz również w sieci wysokiego napięcia. Zdarza się w wielu przypadkach, że piece łukowe oddziaływują niekorzystnie nie tyko na sieć zakładu przemysłowego lecz również na sieć miejską terenową czy sieć energetyki zawodowej.

Wahania napięcia szczególnie mocno wpływają na pracę odbiorników oświetleniowych i komputerów pracujących na terenie zakładu. W literaturze wahania napięcia definiuje się jako serie zmian wartości skutecznej napięcia zachodzących z szybkością nie mniejszą niż 1% napięcia znamionowego na sekundę w odstępach czasu nie dłuższych niż 10 min [11].

Miarą wahań napięcia jest amplituda największej zmiany napięcia, tzw. zapad napięcia [latex]\displaystyle {{t}_{2}}[/latex] oraz amplituda zastępczych zmian napięcia [latex]\delta U[/latex].

W rozpatrywanym przedziale czasu zapad napięcia przedstawia się wzorem:

[latex]\displaystyle \Delta U=\frac{{{{U}_{{\text{e1}}}}-{{U}_{{\text{e2}}}}}}{{{{U}_{\text{N}}}}}\cdot 100[/latex]                                        (3.2)

gdzie: [latex]\displaystyle {{U}_{{\text{e1}}}}[/latex], [latex]\displaystyle {{U}_{{\text{e2}}}}[/latex] – sąsiednie ekstremalne skuteczne wartości napięcia.

Zgodnie z normą PN–IEC 60038 [20] od 1.01.2004 w Polsce są stosowane standardy jakościowe obowiązujące w Unii Europejskiej, a więc obecnie odchylenia napięcia w sieci powinny
wynosić ±10%.

Ad 3) Jednym z najważniejszych zagadnień związanych z jakością energii elektrycznej w przemyśle są zapady napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu. Głównymi przyczynami zapadów napięcia i krótkich przerw w zasilaniu odbiorników są zwarcia w sieci lub zwarcia w instalacjach oświetleniowych i siłowych w zakładzie.

Zapad napięcia jest określany w literaturze jako nagłe obniżenie napięcia do wartości miedzy 90% a 10% napięcia, do którego po krótkim czasie ok. 1 minuty następuje powrót [12]. Wahania napięcia w sieci oświetleniowej zakładu nie powinny przekraczać następujących wartości [12]:

1. a) 1÷2% przy częstości 3÷20 wahań/s;
2. b) 2÷4% przy częstości do 3 wahań/s i większej niż 20 wahań/s.

Ad 4) Podczas eksploatacji odbiorników odkształcenie krzywej napięcia od idealnej sinusoidy występuje na skutek pojawienia się w sieciach przemysłowych wyższych harmonicznych prądu i napięcia. Pojawiają się one na skutek obecności w sieci przemysłowej odbiorników o nieliniowej charakterystyce, źródłem wyższych harmonicznych, napięcia są maszyny synchroniczne; natomiast nowoczesne prądnice synchroniczne wytwarzają napięcia praktycznie sinusoidalne. W praktyce odkształcenie napięcia w sieciach elektroenergetycznych jest głównie powodowane przez odbiorniki pobierające wyższe harmoniczne prądu. Do takich odbiorników w zakładach należą: piece łukowe, prostowniki sterowane i niesterowane, lampy wyładowcze itp.

Wpływ poszczególnych odbiorników nieliniowych na odkształcenie napięcia zależy od rodzaju odbiornika, jego mocy oraz od mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia odbiornika do sieci przemysłowej. Jeżeli moc zwarciowa sieci elektroenergetycznej jest większa, tym wpływ odbiorników jest mniejszy.

Kształt krzywej napięcia można scharakteryzować za pomocą współczynnika odkształcenia napięcia. Współczynnik ten określa się wzorem:

[latex]\displaystyle \nu =\sqrt{{\sum\limits_{{\text{h}=2}}^{\text{n}}{{U_{\text{h }\%}^{2}}}}}[/latex]                                                (3.3)

gdzie: [latex]U_{\text{h}\%}^{2}[/latex] – wartość skuteczna [latex]{{D}_{{\text{1i}}}}[/latex]–tej harmonicznej napięcia wyrażona w procentach napięcia znamionowego sieci, [latex]{{D}_{{\text{2i}}}}[/latex] – granica sumowania.

Przy obliczeniach współczynnika [latex]\displaystyle \nu[/latex] w praktyce przyjmuje się [latex]k=25[/latex] [12].

Ad 5) Zgodnie z definicja poziom odkształcenia napięcia [latex]{{\nu }_{\text{p}}}[/latex] [12] w danym punkcie sieci jest to wartość współczynnika odkształcenia napięcia, która nie jest przekraczana w ciągu 90% doby.

W sieciach elektroenergetycznych obowiązują wytyczne dotyczące odkształcenia napięcia, w
tabeli 3.2 podaje się dopuszczalne odkształcenia napięcia w sieciach energetyki zawodowej [12].

Tabela 3.2. Dopuszczalne odkształcenia napięcia w sieciach energetyki zawodowej

Wytyczne pozwalają na to, że wartości chwilowe współczynnika odkształcenia napięcia mogą być większe niż zalecane i graniczne wartości poziomu odkształcenia w czasie 2,4 godziny w ciągu doby, Ale nie mogą one przekraczać wartości dopuszczalnych. Przedstawione w tabeli 3.2 zalecenia są stosowane w sieciach energetyki zawodowej. Może się okazać ze względu na specyfikę zakładu przemysłowego, że należy wprowadzić ostrzejsze wymagania w stosunku do sieci wewnątrzzakładowej. Zaleca się aby maksymalne chwilowe wartości współczynnika odkształcenia napięcia nie przekraczały 2–krotnej wartości [latex]{{\nu }_{{\text{dp}}}}[/latex] [11].

Występowanie wyższych harmonicznych napięci i prądów sieci może powodować zjawiska niekorzystne, także jak:

1. a) krótszy czas eksploatacji wyładowczych źródeł światła;
2. b) zakłócenia w pracy zabezpieczeń elektroenergetycznych;
3. c) niekorzystne warunki pracy kondensatorów;
4. d) nieprecyzyjne działanie przekaźników i wyłączników;
5. e) starzenie się szybsze izolacji związane ze wzrostem napięcia oraz prądu pojemnościowego;
6. f) błędne wyniki pomiarów przyrządów zbudowanych na przebiegi sinusoidalne, np. liczników energii elektrycznej w obwodach z przebiegiem odkształconym.

Projektanci i eksploatatorzy sieci przemysłowej powinni zwrócić szczególne uwagę na możliwość występowania niekorzystnego zjawiska związanego z powstawaniem niebezpieczeństwa rezonansu.

Ad 6) W sieciach energetyki zawodowej w kraju stosuje się wyłącznie prąd przemienny trójfazowy o częstotliwości znamionowej 50 Hz. Zmiany częstotliwość są wynikiem niedoboru lub nadwyżki mocy zespołów wytwórczych w stosunki do obciążenia i są jednakowe w całej sieci elektroenergetycznej. Skutki odchyleń częstotliwości odczuwają wszyscy odbiorcy przemysłowi. Zmiany częstotliwości nie mają żadnego wpływu na prace odbiorników rezystancyjnych, natomiast w istotnym sposób wpływają na prace urządzeń napędowych i odbiorników reaktancyjnych.

Zgodnie z przepisami dopuszczalne odchylenia częstotliwości wynoszą + 0,2 Hz i – 0,5 Hz w czasie ponad 15 minut [12].

Ad 7) Współczynniki asymetrii napięć i prądów kolejności przeciwnej [latex]{{\alpha }_{1}}[/latex], i zerowej [latex]{{\alpha }_{0}}[/latex]w sieciach trójfazowych określa się następującymi wzorami:

1. a) współczynniki asymetrii napięciowej (podawane w procentach)

[latex]{{\alpha }_{{{{\text{U}}_{\text{2}}}}}}=\frac{{{{U}_{2}}}}{{{{U}_{1}}}}100[/latex]            (3.4)

[latex]{{\alpha }_{{{{\text{U}}_{\text{0}}}}}}=\frac{{{{U}_{0}}}}{{{{U}_{1}}}}100[/latex]            (3.5)

1. a) współczynniki asymetrii prądowej (podawane w procentach)

[latex]{{\alpha }_{{{{U}_{2}}}}}=\frac{{{{I}_{2}}}}{{{{I}_{1}}}}100[/latex]                                                                      (3.6)

[latex]{{\alpha }_{{{{U}_{0}}}}}=\frac{{{{I}_{0}}}}{{{{I}_{1}}}}100[/latex]                                                                      (3.7)

gdzie: [latex]{{U}_{1}}[/latex], [latex]{{U}_{2}}[/latex], [latex]{{U}_{0}}[/latex] – skuteczne wartości składowych symetrycznych napięcia kolejności zgodnej, przeciwnej, zerowej.

Wytyczne podają, że dopuszczalny poziom asymetrii dla maszyn elektrycznych wirujących wynosi: [latex]{{\alpha }_{{{{U}_{2}}}}}\le 2\text{ }\!\!%\!\!\text{ }[/latex], [latex]{{\alpha }_{{{{U}_{0}}}}}\le 2\text{ }\!\!%\!\!\text{ }[/latex], [latex]{{\alpha }_{{{{I}_{2}}}}}\le 5\text{ }\!\!%\!\!\text{ }[/latex], [latex]\displaystyle {{\alpha }_{{{{I}_{\text{o}}}}}}\le 5\text{ }\!\!%\!\!\text{ }[/latex] [12].

Przepisy określają, że w przypadku baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej należy brać pod uwagę dopuszczalną różnicę obciążenia prądowego faz baterii w odniesieniu do fazy o największym obciążeniu. Wynosi ona [12]:

1. a) dla baterii połączonych w trójkąt – 10%;
2. b) dla baterii połączonych w gwiazdę – 5%.