#11Warszawa

WYBRANE ZAGADNIENIA JAKOŚCI ZASILANIA I UŻYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJseminarium z cyklu “Polskie Partnerstwo Jakości Zasilania”, Warszawa 30.11.2004r

__________________________________________________________________0_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Roman TARGOSZPolskie Centrum Promocji Miedzi, WrocławZbigniew HANZELKAAkademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Jakość Energii Elektrycznej – Edukacja przez Internet – Europejski ProgramLPQI (Leonardo Power Quality Initiative)

1. StreszczenieW referacie przedstawiono Europejski Program Leonardo Power Quality Initiative. Program ten

poświęcony jest edukacji o praktycznych aspektach jakości energii. Główne jego narzędzia toporadnik i strona internetowa.

Drugim tematem referatu są wyniki z porównania tradycyjnych metod nauczania o jakościenergii z nauką przez internet oferowaną przez Leonardo.

We wrześniu 2004 roku w Krakowie podczas 7. międzynarodowej konferencji Electrical PowerQuality and Utilization (EPQU’03), zorganizowano odrębną sesję poświęconą zagadnieniomnauczania jakości energii elektrycznej. Uzupełnieniem praktycznym tej sesji był eksperymentdydaktyczny porównujący efektywność nauczania tradycyjnego z nauczaniem przez internet.Wykorzystano do tego celu moduł edukacyjny strony internetowej Leonardo Power QualityInititive. 2. Dlaczego jakość zasilania

Ilość problemów technicznych mających związek z jakością zasilania w ciągu ostatnichdwudziestu lat dramatycznie wzrosła. Problemy te dotyczą niezawodności pracy urządzeń i jakościnapięcia w sieci zasilającej. Można je podzielić następująco:

· ciągłość zasilania; krótkie i długie przerwy w zasilaniu powodują przerwanie procesuprodukcyjnego i często długą i kosztowną operację jego wznowienia

· zapady napięcia; skutkują zakłóceniami w pracy urządzeń zwłaszcza sprzętu informatycznegow tym elementów sterowania oraz napędów z płynną regulacją prędkości obrotowej

· szybkie (tzw. fliker) lub wolne zmiany napięcia zasilającego, niesymetria napięć, przepięcia,problemy z uziemieniem; powodujące zmiany natężenia strumienia świetlnego i związany ztym dyskomfort dla personelu, przegrzanie, uszkodzenie lub niestabilną pracę urządzeńelektrycznych, zakłócenia elektromagnetyczne wysokoczęstotliwościowe np. w transmisjidanych

· harmoniczne napięć i prądów i całą gamę związanych z tym problemów min. awarie silnikówi transformatorów, dodatkowe straty energii, przegrzanie i upalenie przewodów zwłaszcza

________________________________________________________________________________Seminarium WYBRANE ZAGADNIENIA JAKOŚCI ZASILANIA I UŻYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ 1

neutralnego, zakłócenia w pracy urządzeń i systemów, zwłaszcza sterowanych elektronicznieGłównym powodem takiego stanu rzeczy jest dynamiczny rozwój energoelektroniki. Obecnie

trudno sobie właściwie wyobrazić branże, w których można się całkowicie obejść bez różnychelementów energoelektronicznych, takich jak zasilacze impulsowe, prostowniki i falowniki. Wostatnich latach coraz częściej energoelektronika wkracza również w obszar wytwarzania energii.W nowoczesnych elektrowniach wiatrowych, gdzie napięcie generatora posiada częstotliwość innąod sieciowej, czy ogniwach fotowoltaicznych wytwarzających prąd stały układyenergoelektroniczne służą do przekształcenia takiego prądu przemiennego lub stałego na prądprzemienny o częstotliwości 50 Hz. Można się spodziewać coraz powszechniejszego stosowaniatakich układów z konsekwencjami dla jakości energii w sieci.

3. LeonardoW 2001 roku rozpoczęto realizację projektu Leonardo. Zanim to nastąpiło czekaliśmy na

kontrakt z Komisją Europejską na sponsorowanie projektu w ramach projektu edukacyjnegoLeonardo. Komisja zgodziła się sponsorować projekt na wartość ponad 600 tysięcy €uro. Kontraktjak i cały projekt składał się z dwóch zasadniczych części. Jedna to odpowiednio dobrana wiedza opraktycznych i optymalnie do problemu dobranych rozwiązaniach problemów jakości energii.Druga część projektu to stworzenie systemu upowszechniania wiedzy – rezultatu części pierwszej.Do projektu przystąpiło 12 partnerów. Ponad połowa z nich to uniwersytety techniczne, którychzadaniem w projekcie jest rozwijanie części pierwszej a więc wiedzy. Pomagają w tym inneuczelnie ale też instytucjonalni i afiliowani partnerzy przemysłowi, którzy dołączają do projektuprzez cały czas jego trwania. Międzynarodowe Partnerstwo LPQI dzisiaj liczy łącznie ponad 70partnerów i już od blisko roku wykracza poza Europę.Główne narzędzia LPQI to:

· Poradnik Jakości Zasilania, unikalne źródło informacji publikowane w częściach. Wydano już23 części - zeszyty a w różnych fazach procesu redakcyjnego jest kolejne ponad 30 zeszytów.Części poradnika w polskiej wersji językowej dołączane są w miarę ich publikowania domagazynu „Elektroinfo”.

· Strona internetową, www.lpqi.org, z sekcją dotyczącą nauki przez internet stanowiącą wersją„html” poradnika z odwołaniami do słownika oraz innych części poradnika oraz testami,weryfikującymi postęp nauczania. Inne ważne sekcje strony internetowej to biblioteka zdokumentami poszerzającymi i pogłębiającymi zakres prezentowanej wiedzy oraz zdjęciami,forum dyskusyjne w tym sekcja najczęściej zadawanych pytań.

· Programy seminaryjne omawiające podstawowe zagadnienia jakości energii, z założeniastanowiące zaproszenie i punkt wyjściowy do korzystania z innych narzędzi Leonardo.

3.1.Poradnik Jakości ZasilaniaPoradnik składa się z sześciu rozdziałów (pierwsza cyfra numeru) oznaczających kolejno:

1) Materiał wprowadzający2) Koszty niskiej jakości zasilania3) Harmoniczne4) Odporność i niezawodność 5) Zapady napięcia (i inne odkształcenia napięcia)6) Uziemienia i kompatybilność elektromagnetyczna

Druga cyfra oznacza kategorię tematyczną każdego z rozdziałów. I tak kolejno:§ Przyczyny i skutki

________________________________________________________________________________2 Seminarium WYBRANE ZAGADNIENIA JAKOŚCI ZASILANIA I UŻYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

§ Pomiar. Wielkości§ Metody likwidacji i łagodzenia zaburzeń§ Normy§ Poradnictwo

Można przyjąć, że dwa pierwsze rozdziały mają charakter mniej techniczny i przeznaczonesą dla osób mających kluczowy wpływ na podejmowanie decyzji o sposobach reagowania naproblemy jakości energii. Z kolei kategorie tematyczne od 3 do 5 przeznaczone są przedewszystkim dla projektantów i osób, zajmujących się w praktyce wdrażaniem różnych rozwiązań.

Rysunek 1 Poradnik Jakości Zasilania

Poniżej przedstawiono wszystkie dotychczas wydane części poradnika:1.1 Wstęp 1.2 Poradnik samodzielnej oceny jakości zasilania 2.1 Koszty niskiej jakości zasilania


2.5 Analiza inwestycyjna rozwiązań w dziedzinie jakości zasilania3.1 Przyczyny powstawania i skutki działania 3.1.1. Interharmoniczne (w przygotowaniu do wydania polskiego)3.1.2 Kondensatory w środowisku o dużej zawartości harmonicznych3.2.2 Rzeczywista wartość skuteczna - jedyny prawdziwy wyznacznik 3.3.1 Filtry pasywne 3.3.3 Filtry aktywne3.5.1 Wymiarowanie przewodu neutralnego4.1 Odporność, Pewność, Redundancja Zasilania 4.3.1 Układy rezerwowego zasilania odbiorców4.5.1 Niezawodnie zasilanie dużego budynku biurowego 5.1 Zapady napięcia - Wprowadzenie 5.1.3 Wprowadzenie do asymetrii 5.2.1 Obsługa zapobiegawcza - Klucz do jakości zasilania 5.3.2 Zapobieganie zapadom napięcia5.4.2 Norma EN50160 – Charakterystyka napięcia w sieciach rozdzielczych sN (w przygotowaniu

do wydania polskiego) 5.5.1 Studium przypadku – ciągłe procesy produkcyjne 5. 1B Analiza techniczno ekonomiczna metod redukcji skutków zapadów napięcia 6.1 Systemowe Podejście do Uziemienia 6.3.1 Systemy uziemień – Podstawy obliczeń i projektowania6.5.1 Uziemienia – podstawy konstrukcyjne

3.2.Strona Internetowahttp://www.lpqi.org

Rysunek 2 Strona internetowa Leonardo

1 tzw. background note- ang. Zeszyt do pogłębiania wiedzy, publikacja wyłącznie elektroniczna w jęz. angielskim


Strona jest administrowana w 11 wersjach językowych. Główne sekcje to - Informacja o projekcie; co nowego, informacje prasowe

- Wydarzenia; szczegóły programów seminaryjnych, konferencji, targów w dziedzinie jakościenergii lub związanej z jakością energii

- Nauka przez internet; nauczanie przez internet za pomocą poradnika jakości zasilania zelementami interaktywnymi

- Klub jakości zasilania – sekcja redagowana przez krajowe Partnerstwa jakości zasilania,rodzaje aktywności, nowości

- Biblioteka; w tym poradnik w wersji elektronicznej, biblioteka obrazów i innychdokumentów elektronicznych

- Forum dyskusyjne; platforma dyskusyjna typu „pear to pear” w tematach zgodnych zrozdziałami poradnika i innymi związanymi

4. Nauczanie o jakości energii przez internet – inicjatywa LeonardoW coraz większym stopniu wiedza jest przekazywana w nowoczesnej formie,

umożliwiającej interaktywny kontakt pomiędzy nauczycielem a słuchaczem, wybór własnego tempanauczania, szybkie pogłębianie wiedzy z innych źródeł. Uczący się, zwłaszcza studenci studiówdziennych, posiadają umiejętność sprawnego korzystania z internetu. Stąd między innymi wynikapotrzeba stosowania takich narzędzi nauczania jak tematyczna strona internetowa. Ważnymielementami takiego procesu nauczania są zadania projektowe rozbudowane o elementy nauczaniaprogramowego rozbudzające ciekawość uczącego się i skłaniające go do samodzielnego szukaniarozwiązań również w internecie.

Eksperyment dydaktyczny towarzyszący konferencji EPQU’04 stanowił próbę ocenyskuteczności nauczania metodą tradycyjną – poprzez wykład – oraz wykorzystując do tego celuinternet, a ściślej internetowe środowisko przygotowane w ramach europejskiego programu ojakości energii, Leonardo.

Eksperyment został zorganizowany pod patronatem europejskiego programudydaktycznego Leonardo Power Quality Initative (LPQI) którego uczestnikami jest liczne gronopartnerów przemysłowych i uczelni technicznych z 10 krajów Europy. Inicjatorami i bezpośrednimiwykonawcami eksperymentu byli pracownicy Akademii Górniczo-Hutniczej z Krakowa orazCentrum Promocji Miedzi z Wrocławia a także Politechniki Wrocławskiej i Łódzkiej. Dataeksperymentu – dzień 17 września 2003 - był pierwszym dniem organizowanej już po raz 7 wKrakowie międzynarodowej konferencji Electrical Power Quality and Utilization (EPQU’03). Jednaz sesji tej konferencji była poświęcona zagadnieniom nauczania jakości energii elektrycznej. Do udziału w eksperymencie zaproszono wydziały „elektryczne” polskich uczelni technicznych.Ostatecznie w dniu eksperymentu w AGH spotkało się 46 studentów reprezentujących 8 uczelni (wnawiasach podano liczbę studentów): Politechnikę Białostocką (1), Lwowską (1), Radomską (8),Warszawską (3), Wrocławską (13), Akademię Morską z Gdyni (5), Państwową Wyższą SzkołęZawodową z Tarnowa (3) oraz AGH (12). Od uczestników wymagano znajomości podstawelektrotechniki zgodnie z programem studiów. Studenci zostali podzieleni, w drodze losowania, na dwie grupy A i B, o czym powiadomiono ichwcześniej. Uczestnicy grupy A wysłuchali tradycyjnego wykładu. Uczestnicy grupy B, pracujący wlaboratorium komputerowym, wykorzystywali podczas uczenia się materiały ze strony internetowejprogramu Leonardo w zakresie zgodnym z tematyką wykładów.


Grupa A wysłucha czterech wykładów – 4 x 45 min (z jedną 15 minutową przerwą) - dotyczącychjakości energii i kompatybilności elektromagnetycznej:

Wykład 1: Pewność zasilania. Układy rezerwowego zasilania odbiorców (wykładowca: dr inż. Antoni Klajn, Politechnika Wrocławska)

Wykład 2: Uziemienia. Podstawy obliczeń i projektowania (wykładowca: prof. dr hab. inż. Henryk Markiewicz, Politechnika Wrocławska)

Wykład 3: Wyższe harmoniczne (wykładowca: dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka, prof. AGH)

Wykład 4: Zapady napięcia (wykładowca: dr inż. Ryszard Pawełek, Politechnika Łódzka).

W tym samym czasie grupa B pracowała w laboratorium komputerowym ucząc się tej samejtematyki w oparciu o materiały umieszczone na stronie internetowej programu LPQI. Ponieważstudenci grupy B mogli wcześniej zapoznać się ze stroną internetową programu LPQI, część zmateriałów została udostępniona na stronie kilka minut przed rozpoczęciem eksperymentu. Zprzeprowadzonych rozmów wynikało, że nieomal wszyscy uczestnicy grupy „internetowej”korzystali ze strony LPQI przed rozpoczęciem eksperymentu. Zasadą było, że zakres wykładóworaz końcowego testu nie może wykraczać poza ramy określone treściami strony internetowejLPQI.

Studenci mogli wyjaśnić ewentualne wątpliwości w bezpośredniej rozmowie z wykładowcami,którzy po zakończeniu wykładów byli przez godzinę do dyspozycji uczestników eksperymentu.Nikt nie skorzystał z tej formy konsultacji.

Efekty nauczania zostały sprawdzane za pomocą pisemnego testu. Każdy z uczestnikówotrzymał arkusz z 39 pytaniami, odnoszącymi się do poszczególnych tematów, na któreodpowiadał, w czasie 60 min. wybierając jedną poprawną odpowiedz z pośród czterech podanychmożliwości.

Rysunek 3 Zdjęcie uczestników eksperymentu w sali wykładowej

Na rysunku 4, z lewej przedstawiono średnie (w % maksymalnej możliwej liczby punktów i wprzeliczeniu na jednego uczestnika) wyniki uzyskane w grupie wykładowej, „komputerowej” orazdla wszystkich uczestników eksperymentu. Widoczna jest niewielka przewaga tradycyjnegowykładu. Rysunek 4, z prawej, przedstawia te same informacje w odniesieniu do poszczególnych


wykładów.

Rysunek 4 Wyniki testu

Średnie wyniki uzyskane w grupie wykładowej,„komputerowej” oraz dla wszystkich uczestników

eksperymentu (w % maksymalnej możliwej do uzyskanialiczby punktów i w przeliczeniu na jednego uczestnika)

Średnie wyniki dla poszczególnych wykładów uzyskanew grupie wykładowej, „komputerowej” oraz dla

wszystkich uczestników eksperymentu (w %maksymalnej możliwej do uzyskania liczby punktów i w

przeliczeniu na jednego uczestnika)

Eksperyment, któremu z pewnością można zarzucić wiele niedociągnięć metodologicznychosiągnął, zdaniem organizatorów, dwa cele.

Udowodnił, że nawet w dobie intensywnego rozwoju informatycznych metod nauczania,rewolucji komputerowej i internetu nie należy zapominać o ogromnej wartości bezpośredniegokontaktu nauczyciela i studenta, bezpośredniej wymiany informacji i myśli. Truizmem będziestwierdzenie, że komputer i wykładowca to nie wzajemnie konkurujące strony, lecz partnerzyktórych współdziałanie gwarantuje ostateczny sukces w postaci dobrze przygotowanych dozawodowego życia absolwentów wyższych uczelni.

Organizatorzy osiągnęli jeszcze jeden, bardzo ważny efekt. Zainteresowali młodszychkolegów/studentów bardzo atrakcyjną dziedziną nauki i techniki jaką z pewnością jest jakośćdostawy energii elektrycznej. Narzędziem popularyzacji tej wiedzy jest strona internetowawww.lpqi.org. Strona ta, mimo pewnych niedoskonałości, które były omawiane podczaskonferencji, posiada wiele zalet; olbrzymi zasięg poprzez tłumaczenie na 11 języków, mnogośćsekcji i narzędzi do nauki, wymiany poglądów, szukania informacji.

5. Europejski Przegląd Jakości EnergiiZespół d/s Przeglądu Jakości Energii Leonardo realizuje obecnie projekt polegający na zebraniu

danych i opinii od użytkowników energii elektrycznej, najbardziej narażonych na problemy zjakością energii. Jednym z głównych celów projektu, jest oszacowanie kosztów niedostatecznejjakości energii w Europie. Leonardo jest w fazie realizacji pilotażowego etapu projektu.Narzędziem do zbierania danych jest plik programu MICROSOFT WORD, stanowiącykwestionariusz, który po wypełnieniu w formie elektronicznej należy odesłać autorom projektu.


Wykład Internet Średnie0

10

20

30

40

50

60

70

% zdobytych punktów

1 2 3 40

10

20

30

40

50

60

70

Części testu

% zdobytych punktów

WykładInternetSrednio

Rysunek 5 Ankieta Leonardo

6. PodsumowanieCoraz szerszego i większego znaczenia nabiera zastosowanie energii elektrycznej w rozwoju

nowoczesnego społeczeństwa. Wzrasta zatem waga jej jakości. Potwierdzają to różne wynikiprojektu w tym wspomnianej ankiety. Jakość energii jest ciągle rzadkim przedmiotem regularnychstudiów technicznych. Wiedza o dostępnych technikach eliminacji i łagodzenia skutków złejjakości energii nie dociera do jej adresatów bez przeszkód. Projekt Leonardo jest źródłem edukacjio jakości energii o międzynarodowym zasięgu w wielu aspektach nowoczesnym i innowacyjnym.

Polskie Partnerstwo Jakości Zasilania bardzo aktywnie realizuje „Inicjatywę”. W 2003 rokuzrealizowało cykl seminaryjny, przeprowadziło dyskusję o nauczaniu jakości energii na KonferencjiEPQU’03, porównało nauczanie tradycyjne z uczeniem się przez internet, przeprowadziło ankietęjakości energii.

Na tym nie koniec. Projekt będzie kontynuowany wykorzystując istniejące narzędzia projektu alewprowadzane są też zmiany służące zdynamizowaniu Inicjatywy. Rozszerza się też zakresmiędzynarodowego partnerstwa Leonardo, które liczy już ponad 70 partnerów a przykłademwyjścia Leonardo poza Europę jest współpraca z EPRI PEAC.

Dodatkowo, szerzej jeszcze niż dotychczas Leonardo, sięga projekt Leonardo Energy. LeonardoEnergy polega na rozwijaniu kompetencji w dziedzinie energii elektrycznej i komunikowaniu o tymw obiektywny i pożądany przez zainteresowane środowiska sposób.



__________________________________________________________________0_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Zbigniew HanzelkaAkademia Górniczo-Hutnicza, 30-059 Kraków, Al. Mickiewicza 30tel: (12) 617 28 78; tel/fax: (12) 633 22 84; e-mail: [email protected]

Jakość energii w zapisach kontraktu na dostawę energii elektrycznej

Istnieją racjonalne przyczyny uzasadniające występowanie właśnie obecnie tak ogromnegozainteresowania jakością dostawy energii. Należą do nich:

1. rosnąca świadomość, że energia elektryczna jest towarem i to, co nazywamy jakościąenergii jest w swej istocie określeniem cech oferowanego towaru, sprecyzowaniem jegowartości użytkowej. Jednoznaczne zdefiniowanie liczbowych wskaźników jakości energii jestszczególnie istotne w przypadku „łamania” monopolu dostawcy, a więc w okresie tworzeniarynku energii elektrycznej.

2. wzrost liczby i mocy jednostkowej niespokojnych, nieliniowych, niekiedy równieżniesymetrycznych odbiorników. Istnieje coraz większa liczba technologii będącychpotencjalnym źródłem zaburzeń elektromagnetycznych (napędy o regulowanej prędkości,kompensatory statyczne – SVC, systemy przesyłu energii prądem stałym – HVDC, piecełukowe prądu stałego i przemiennego itp.). Sieć 50Hz jest w coraz większym stopniutraktowana jako źródło energii pierwotnej. Pomiędzy nią i odbiorami finalnymi instalowane sąukłady przetwarzania tej energii w inne bardzie użyteczne formy. W następstwie rozwojutechnologii elementów półprzewodnikowych dużej mocy oraz rewolucji mikroprocesorowejumożliwiającej realizację coraz bardziej wyrafinowanych algorytmów sterowania,wszechobecna staje się energoelektronika. Korzyści wynikające z jej rozwoju są jednakżeczęsto okupione wzrostem zaburzeń wprowadzanych do sieci zasilającej. Równocześnieenergoelektronika, która była i jest nadal jednym z najbardziej dominujących źródeł zaburzeńniskiej częstotliwości, staje się coraz doskonalszym środkiem technicznym stosowanym do icheliminacji.Generalnie można postawić tezę, że wzrost produkcji oraz rozwój coraz bardziejwyrafinowanych jej form nierozerwalnie wiąże się ze wzrostem znaczenia zagadnień jakościenergii.

3. zmniejszenie odporności odbiorników na zaburzenia elektromagnetyczne. Współczesneodbiorniki są bardzo czułe na zaburzenia. Coraz większa liczba odbiorców energii skarży się nazłą jej jakość utrudniającą lub często wręcz uniemożliwiającą pracę tych urządzeń. Jakoszczególnie czuły należy wymienić sprzęt informatyczny. Jego rozwój i redukcja gabarytówzostała w dużym stopniu okupiona obniżeniem odporności na zaburzenia. Jak łatwo obecniezakłócić pracę urządzeń elektronicznych obrazuje wielkość energii niezbędnej do trwałego


uszkodzenia elementów układu. Dla przekaźników i lamp elektronowych było to 10-3Ws, dlatranzystorów jest to rząd 10-6Ws, a dla układów scalonych już 10-8-10-7 Ws. Występująceobecnie dążenie do redukcji mocy zainstalowanej w urządzeniach, tym samym redukcjikosztów ich produkcji sprawia, że tranzystory mocy w wielu układach napędowych ulegająuszkodzeniu już przy napięciu chwilowym wynoszącym 110-130% znamionowej wartościszczytowej.

4. rosnący koszt awarii. Dla wielu końcowych odbiorców energii jej jakość wiąże się nie tyle zjakością produkcji, lecz przede wszystkim z wielkością produkcji w określonym czasie, a wkonsekwencji w przypadku przerwy w produkcji z ogromnymi stratami. Ekonomiczne skutkizaburzeń elektromagnetycznych są wymierne i niekiedy bardzo wysokie.

5. wzrost efektywności przetwarzania energii. Coraz popularniejsze stają się energooszczędneprodukty oferowane w ramach programów DSM np. energooszczędne w eksploatacji imateriałooszczędne na etapie produkcji silniki elektryczne, energooszczędne źródła światła itp.Mimo ich niewątpliwych zalet są one bardzo często źródłem zwiększonej emisji zaburzeń iproduktami o zmniejszonym poziomie odporności, co można uznać za cenę poprawyefektywności przetwarzania energii. W coraz większej liczbie przypadków racjonalizacja ioszczędność zużycia energii elektrycznej wywołuje jako skutek wzrost problemów z jejjakością.Rosnące wymagania dotyczące efektywności pracy systemu zasilającego jako całości powodująwzrost liczby technologii, które poprawiając jeden aspekt pracy systemu negatywnie wpływająna inne. Przykładem mogą być baterie kondensatorów do kompensacji mocy biernej, którychobecność zmienia charakterystykę częstotliwościową w punkcie ich przyłączenia i wywołujezjawiska rezonansowe dla coraz niższych częstotliwości (w miarę wzrostu mocy baterii). W energetyce zawodowej w uprzemysłowionych krajach świata maleje poziom nowychinwestycji. Istniejące systemy zasilające i urządzenia wytwórcze podlegają modernizacjipolepszającej ich sprawności przetwarzania (transmisji i rozdziału) oraz cechy funkcjonalne.Pociąga to za sobą zwiększoną liczbę urządzeń energo- i elektronicznych. Urządzenia te wwielu przypadkach wprowadzają znaczące zaburzenia elektromagnetyczne np. SVC.

6. ekologia elektromagnetyczna. Jakość energii to element większej całości – jakości życia.Promowane są obecnie wszelkie przedsięwzięcia służące zachowaniu „czystości” środowiska,także elektromagnetycznego. Równocześnie rośnie świadomość rangi technicznych iekonomicznych problemów, które niesie ze sobą energia elektryczna złej jakości. Istnieje corazpowszechniejsze przekonanie, że te zagadnienia, a szerzej kompatybilność elektromagnetycznato problem, którego nie można nie zauważać. Nie można czekać z jego rozwiązaniem, ażpojawią się negatywne skutki. Trzeba go analizować i rozwiązywać na każdym etapietechnicznych działań. Wymiernym dowodem takiego rozumienia problemu jest w Polsceprawo energetyczne i związane z nim rozporządzenia wykonawcze w których to dokumentachzagadnienia jakości energii zostały zauważone (szkoda, że w tak niedoskonałej formie).

7. restrukturyzacja sektora energetycznego wytwarza nowe rynkowe postawy u uczestników.Jakość zasilania staje się w coraz większym stopniu kategorią marketingową. Równocześnie wnowo tworzonych warunkach nie do końca jest jeszcze oczywiste, kto i w jakim zakresie maodpowiadać za poszczególne aspekty jakości zasilania.

8. rozwój metod i środków technicznych służących do pomiaru różnych, niekiedy bardzozłożonych w swej definicji wskaźników jakości energii. To, co jeszcze niedawno byłoniemierzalne obecnie może podlegać rejestracji i być podstawą kontraktu. Sprzęt pomiarowyjest powszechnie dostępny, jego cena w coraz większym stopniu ulega redukcji, co sprawia, żepraktycznie wszyscy uczestnicy rynkowej gry mają możliwość kontrolowania warunków


zasilania.9. jakość energii to również ogromne pieniądze. Przykładowo w USA szacuje się, że około

45% całkowitych kosztów inwestycyjnych dotyczących centralnych instalacji komputerowychzwiązanych jest z jakością energii.

Regulacje prawne jakości zasilaniaW procesie regulacji jakości energii elektrycznej można wyróżnić trzy etapy.

A. Etap I Zmiana wzajemnych relacji pomiędzy różnymi stronami rynkowego obrotu energią elektrycznąwymaga stanu przejściowego w celu adaptacji do nowych warunków. Nie są zalecane nagłe zmiany,proces regulacji zagadnień związanych z jakością zasilania wymaga czasu. W tym okresienajczęściej nie są stosowane żadne kary ani bonifikaty, ustalane są natomiast poziomy referencyjneoraz uruchamiany jest mechanizm kontroli i pomiaru. W szczególności należy uwzględnićnastępujące aspekty:

a) historyczne indeksy ciągłości zasilania. Korzystne jest kontynuowanie ich stosowania, abymieć wystarczającą ilość danych z przeszłości w celu określenia wartości docelowych. Jeżelibędą proponowane nowe indeksy jakości, stan przejściowy powinien umożliwićprzystosowanie systemu pomiarowego do nowych wskaźników i umożliwić zgromadzeniawystarczającej bazy danych z przeszłości.

b) istniejące poziomy jakości. Docelowe poziomy jakości muszą być realne w istniejącym staniesystemu elektroenergetycznego. Wymagany jest wystarczający okres czasu dlaprzystosowania poziomów jakości do nowych wymagań.

c) nowa infrastruktura pomiarowa. Nie są zazwyczaj monitorowane indywidualne – dlaposzczególnych odbiorców - indeksy pewności zasilania oraz poziomy jakości napięcia.Podczas okresu przejściowego dostawcy energii tworzą techniczną infrastrukturę pomiarowąumożliwiającą ciągłe monitorowanie zaproponowanych wskaźników jakości. Dlaprzeciętnego odbiorcy jakość kojarzy się głównie z przerwami i zapadami napięcia, niekiedytakże z harmonicznymi. Zrozumienie pozostałych wskaźników jakości staje się najczęściejpytaniem do ekspertów. Stąd naturalna tendencja do ograniczania liczby wskaźników(najczęściej asymetria, wahania, harmoniczne). Należy temu stanowczo przeciwdziałać.

d) techniki pomiarowe: Jakość energii musi być kontrolowana i mierzona. To wymaga dobrzezdefiniowanych wskaźników. Musi być opublikowany jednoznaczny sposób pomiaru każdegoz nich. W chwili obecnej tylko harmoniczne i wahania napięcia spełniają ten warunek tzn.istnieją normy definiujące procedury pomiarowe i wymagania dotyczące mierników.

Powszechną tendencją jest instalowanie w sieciach przesyłowych sprzętu pomiarowego w każdymistotnym „ekonomicznie” punkcie systemu przesyłowego tj. głównie w punktach połączenia zodbiornikami WN i z zakładami energetycznymi.Operator systemu WN potrzebuje najczęściej indeksy zgodne z normą IEC 1000-3-6/7, które sąpercentylami 99 % (nie 95 %) (np. Pst i Plt). Przyrząd pomiarowy powinien umożliwiać uzyskanietakich danych. Ten rodzaj mierników nie jest powszechnie dostępny na rynku. Powinna być realizowana zasada „potrzebna jest informacja a nie dane”. Wymaga to przetwarzaniawyników pomiarów w przyrządzie lub w jego oprogramowaniu wspomagającym. Oznacza toreakcję na przekroczenie poziomów granicznych lub wyznaczanie głównych indeksówjakościowych.

Uregulowania techniczne i prawne na poziomie WN są w nieomal wszystkich krajach na tymsamym bardzo wczesnym, początkowym etapie. Jak na razie nie ma na tym poziomie napięcia


odpowiedzi na kilka zasadniczych pytań. Przykładowo:1. czy należy formułować jednakowe uregulowania jakościowe w skali międzynarodowej2;2. czy poziomy graniczne będą:

· ustalane na podstawie istniejących narodowych norm, przepisów i rekomendacji,jeżeli tak to których3

· będą określone w przyszłości jako efekt międzynarodowej dyskusji,· zgodne ze stanem jakości występującym obecnie w przeważającej części systemów

elektroenergetycznych.3. jak będzie finansowy proces kontroli jakości:

· czy kara w przypadku niespełnienia zapisów umowy/standardu jakości będziepłacona na rzecz odbiorcy, urzędu regulacyjnego lub operatora systemuprzesyłowego?

· czy kompensacja płacona odbiorcy będzie oparta na rzeczywistych kosztachuszkodzeń/skutków czy będzie to wielkość umowna?

· czy kompensacja będzie płacona jedynie w następstwie skargi czy z urzędu, a więczawsze w przypadku niespełnienia wymagań jakościowych?

· czy nastąpi płacenie „zwrotne” przez operatora systemu przesyłowego w przypadku,gdy jakość zasilania będzie lepsza niż określona w standardzie?

· czy całkowita roczna suma opłat kompensacyjnych będzie ograniczona? Jeżeli tak, toco będzie podstawą naliczania wartości granicznej4

· czy przewidywane jest wprowadzenie formy ubezpieczenia przed ryzykiemwystąpienia zaburzenia. Fundusz ubezpieczeniowy może być np. finansowany przezodbiorców którym zależy na dobrej jakości energii, ze względu na kosztypotencjalnych skutków jej złej jakości5.

Pytań jest wiele, większość z nich nadal pozostaje bez odpowiedzi. Powyżej przytoczono jedyniewybrane, najczęściej pojawiające się w dyskusjach dotyczących regulacji jakości energii.

B. Etap II - stan ustalonyZaczyna się, gdy zostaną rozwiązane wszystkie problemy stanu przejściowego. Należy zwrócićszczególna uwagę na następujące aspekty:

- obieg informacji: Poprawa jakości realizowana jest głównie przez przedsiębiorstwadystrybucyjne. One powinny więc w największym stopniu dostarczać informacjeoperatorowi systemu oraz odbiorcom.

2 Odpowiedz jest raczej pozytywna. Duch dyrektyw europejskich wskazuje, że problem ten w dłuższej skali czasupowinien być rozwiązywany w Europie w podobny sposób. Jednakże w chwili obecnej nie jest to opinia powszechnaw Europie, daleko jeszcze do ogólnoeuropejskiego porozumienia. Prawdopodobnie w najbliższym czasie każdy krajbędzie opracowywał przepisy dotyczące jakości energii zgodnie z jego „własną czułością” na zaburzenia.

3 Przykładowo Francuzi nie przyjęli normy EN 50160 jako standard jakości, ponieważ rozważa ona poziomy 95%,które zostały jednoznacznie odrzucone przez przedstawicieli odbiorców.

4 Przykładowo w 1997 roku dla odbiorców zasilanych z sieci przesyłowej wprowadzono w Norwegii opłatękompensacyjną w kwocie 16 NOK/kWh ($2,1 US) za energię nie dostarczoną dla przerw trwających dłużej niż 3 min.i 8 NOK/kW dla przerw mniejszych niż 3 min. Energia nie dostarczona jest szacowana z grafika obciążenia.Całkowita suma opłat kompensacyjnych w roku jest ograniczona do 2 % zysku i nie może przekraczać 25 %całkowitej opłaty przesyłowej.

5 Dzięki temu identyfikowana będzie grupa odbiorców, którym naprawdę zależy na dobrej jakości zasilania. Operatorsystemu może wówczas skoncentrować na nich swoje działania inwestycyjne.


- audyt: Cały proces monitorowania jakości energii i transmisji informacji musi być„przeźroczysty” i czytelny dla zewnętrznych audytorów.

- procedura rozstrzygania konfliktów: Powinna być jednoznacznie zdefiniowana w celurozstrzygania nieuniknionych sporów pomiędzy odbiorcami i dostawcami energii.Uregulowania systemowe oraz wprowadzenie zapisów dotyczących jakości zasilania wumowach na dostawę energii uruchamia (tak było w większości krajów – vide Francja)okres procesów sądowych. Odbiorcy w oparciu o kontrakt domagają się bardzo dobrejjakości zasilania, której dostawca często nie może zagwarantować.

- ocena skutków regulacji jakości: Powinna istnieć procedura oceny skutków działańpodjętych w celu poprawy jakości oraz, w oparcie o rachunek ekonomiczny, powinienfunkcjonować mechanizm zmiany w czasie dopuszczalnych wartości wskaźników jakości.

C. Indywidualne kontrakty Regulacja jakości jest odniesiona do całego systemu elektroenergetycznego. Istnieje więc pewienpodstawowy standard. To nie wyklucza indywidualnych kontraktów zawieranych na bazieekonomicznego i technicznego porozumienia. Ten rodzaj kontraktów nie powinien przenosićdodatkowych kosztów na innych odbiorców, którzy nie zabiegają o wyższą jakość zasilania. Przykładowo w warunkach francuskich podstawowym celem dostawcy było umieszczenie wkontrakcie postanowienia zobowiązującego odbiorcę do podjęcia wszelkich działań w celu poprawyjego instalacji. Była to również okazja do współdziałania z odbiorcą w celu ustalenia pożądanychcech emisji zaburzeń w jego instalacji.Kontrakt nie powinien być konfliktowy. Francuzi wyraźnie stwierdzili, że poprzez wprowadzeniekontraktu „jakościowego” chcieli poprawić relację pomiędzy energetyką zawodową i odbiorcami,która w chwili tworzenia kontraktu nie była najlepsza. Istotnym był także fakt, że jakość zasilaniadefiniowano w porozumieniu z odbiorcami, nie narzucano im standardów.

Gdzie jesteśmy dziś?Problem jakości dostawy energii elektrycznej staje się w Polsce, podobnie jak w wielu innychkrajach, w których dokonano lub dokonuje się prywatyzacji sektora energetycznego, kategorią nietylko techniczną, lecz również, a może głównie, ekonomiczną. Zrezygnowanie z systemuwspólnych elektrowni, wspólnych sieci przesyłowych i rozdzielczych na rzecz różnychkonkurujących ze sobą producentów energii, wspólnej sieci wyłącznie do przesyłu energii iregulowanego prawami rynku sposobu rozliczania się sprzedawcy z pośrednikiem i klientem (tzn.przyjęcie komercyjnego rozdziału energii elektrycznej jako produktu od jej transmisji traktowanejjako usługa), stworzyło problem rekonstrukcji taryf za energię i gwarancji jakości energii orazzwiązanych z tym kosztów jej pogorszenia.Nie powstał dotychczas w Polsce dokument przedstawiający w sposób kompleksowy stan jakościenergii w kraju, można więc zgodzić się z często wyrażanym poglądem, że obecnie nie jestwiadomo, czy energetyka polska jest przygotowana do przyjęcia nowych przepisówmiędzynarodowych. W przypadku ich szybkiego wdrożenia odbiorca (szczególnie duży,przemysłowy) nie wyeliminuje szybko szkodliwej emisji swoich instalacji, ani też od razu niezainstaluje urządzeń do jej redukcji. Są co najmniej trzy przyczyny tego stanu: duże koszty, brakjednoznacznych uregulowań prawnych i brak wystarczającej liczby specjalistów w tej dziedzinie.Ze względu na kilkudziesięcioletnie zaniedbania inwestycyjne w kraju oraz brak należytej uwagidotyczącej przyłączania do sieci odbiorców pogarszających jakość energii można przypuszczać, iżwystępują obszary, na których lokalnie jakość energii jest zła. Poprawa w takich przypadkachbędzie następowała prawdopodobnie w wyniku wielokrotnych skarg i monitów, co może trwaćnawet kilka lat.W przyjętych założeniach rozwoju branży energetycznej w Polsce mówi się o trzech zasadniczych________________________________________________________________________________Seminarium WYBRANE ZAGADNIENIA JAKOŚCI ZASILANIA I UŻYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ 13

kierunkach rozwoju tego sektora: (a) nastawieniu się na potrzeby klienta; (b) zapewnieniubezpieczeństwa energetycznego krajowi; (c) szczególnej trosce o środowisko naturalne. Każdy ztych celów wiąże się, w mniejszym lub większym stopniu, z problemem jakości dostawy energiielektrycznej. Obecna sytuacja w polskiej energetyce jest szczególna, nie tylko z punktu widzenia jakości energii.Zaczęło funkcjonować prawo energetyczne, które jest nowym narzędziem regulującym na poziomiepaństwowym funkcje różnych podmiotów gospodarczych i ich wzajemne powiązania oraz zasadyfinansowych rozliczeń. Ustawa funkcjonuje w dynamicznej sytuacji zmieniających się strukturzarządzania, uruchamianiu mechanizmów konkurencyjności i prywatyzacji oraz niezbędnych, azaspokajanych w niewystarczającym stopniu, potrzeb inwestycyjnych w energetyce.W ustawie „Prawo energetyczne” pojawiły się sformułowania o obowiązku przedsiębiorstwasieciowego przestrzegania wymagań jakościowych określanych w kontrakcie, oraz obowiązkuUrzędu Regulacji Energii kontrolowania parametrów jakościowych. Prawo energetyczne funkcjonuje wraz z całym szeregiem dokumentów wykonawczych –przedmiotowych rozporządzeń. Ich celem jest między innymi stworzenie podstaw prawnychgwarantujących: zapewnienie właściwych parametrów jakości energii elektrycznej odbiorcomfinalnym zasilanym z sieci dostawcy, ochronę sieci dostawcy przed nadmiernym negatywnymoddziaływaniem na nią odbiorników zainstalowanych u odbiorców oraz określenie wymagań wzakresie ciągłości dostawy energii elektrycznej.

Dokąd zmierzamy?Natychmiastowa poprawa jakości energii i ciągłości jej dostawy nie jest możliwa - wymagaprzedsięwzięć organizacyjnych i technicznych oraz znaczących nakładów finansowych. Wnajbliższym czasie, zdaniem autora artykułu należy: (1) określić parametry jakości energiielektrycznej, które powinny być w pierwszej kolejności objęte standaryzacją (nie ograniczą się onetylko do tych, które są w rozporządzeniu do prawa energetycznego6 np. wartość napięcia,harmoniczne, niesymetria, wahania, załamania i wzrosty napięcia, niezawodność dostawy; (2)określić dopuszczalne wartości odchyleń tych parametrów, które można uznać za dopuszczalne(podstawa kontraktów); (3) zdefiniować protokół pomiaru parametrów jakości energii; (4) określićprecyzyjnie odpowiedzialność dostawcy za niedotrzymanie ww. parametrów jakościowych energiielektrycznej, a odbiorcy - za wprowadzanie zaburzeń do sieci zasilającej; (5) uzupełnić cennik opłatza energię elektryczną w zakresie upustów i dopłat, związanych z wymaganiami jakościowymienergii elektrycznej; (6) wyposażyć zakłady energetyczne i wyspecjalizowane firmy, a takżeplacówki naukowo-badawcze w specjalistyczną aparaturę pomiarową (7) powołać instytucjęupoważnioną do bieżącej kontroli poszczególnych parametrów, określić tryb odszkodowań orazzasady rozstrzygania sporów. Ponadto warto:· kontynuować prace związane z terminologią w dziedzinie jakości energii, istnieje bowiem nadal

duża dowolność określeń i niewystarczająca precyzja w definicjach. Ukazanie się polskiejnormy terminologicznej z dziedziny kompatybilności elektromagnetycznej [PN-T-01030] –rzecz o ogromnym znaczeniu - nie rozwiązało ostatecznie problemu. Zbiór zawartych w niejpojęć trudno uznać za kompletny i nadal budzi on wiele kontrowersji i wznieca dyskusje(podobnie jak i w innych krajach).

· uruchomić w Polsce wieloletni program oceny jakości energii, wzorem nieomal wszystkichpaństw europejskich. Za niewystarczające można uznać wykonane dotychczas pomiary

6 W ten sposób należy zdefiniować standard jakości gwarantowany przez dostawcę. Wszystko to, co jest ponad tegwarancje stanowić będzie przedmiot negocjacji odbiorcy z dostawcą, które znajdą swój finał w kontrakcie nadostawę energii.


parametrów jakości energii realizowane bez całościowej koncepcji, za pomocą różnej aparaturypomiarowej, bardzo ograniczone w czasie i dotyczące niewielu punktów pomiarowych. Tylkokompleksowy program konsekwentnie realizowany pozwoli zinwentaryzować istniejący stanjakości energii w sieciach rozdzielczych i przesyłowych. Duże zróżnicowanie struktury odbiorców poszczególnych spółek dystrybucyjnych pozwalaprzypuszczać, że istnieją znaczące różnice w jakości energii elektrycznej na terenie kraju. Tenstan faktyczny powinna uwzględniać standaryzacja wprowadzająca jednakowe wymaganiawobec wszystkich spółek dystrybucyjnych. Raport o stanie energii elektrycznej, który mógłbypowstać jako skutek realizacji programu, byłby podstawą oceny przydatności zagranicznychrozwiązań w zakresie normalizacji jakości energii elektrycznej w warunkach polskich. Będzie torównież podstawa oceny krajowych rozwiązań dotyczących normalizacji jakości energiipowstałych jako dokumenty związane z nowym prawem energetycznym. Program, gdyby został rozpoczęty, wprowadziłby pewną unifikację w dziedzinie przyrządówpomiarowych służących ocenie jakości zasilania. Obecnie wiele zakładów energetycznych iprzemysłowych dokonuje zakupu tego specjalistycznego i niekiedy bardzo drogiego sprzętu,kierując się różnymi, nie zawsze technicznymi kryteriami. Skutkiem będzie znacząca liczbaprzyrządów o ograniczonym stopniu przydatności. Różnice w algorytmach pomiarowych, aogólnie różnice cech metrologicznych tych przyrządów powodują bowiem brakkomplementarności ich wskazań.

· promować urządzenia i instalacje przyjazne dla sieci zasilającej;· wprowadzić problematykę jakości energii do programów nauczania na różnych szczeblach

edukacji, w szczególności w wyższych uczelniach technicznych, studiach podyplomowych itp.W wielu krajach jest to oddzielna specjalność na wydziałach elektrycznych.

· stworzyć zespoły monitorujące w sposób ciągły stan jakości energii elektrycznej w Polsce.

Ogromne, rosnące zainteresowanie problematyką jakości energii nie jest polską specyfiką.Występuje w większości krajów, co najwyżej w niektórych z nich nastąpiło to znacznie wcześniej istąd wypracowano tam szereg wzorcowych rozwiązań, z których należy korzystać. Na całymświecie istnieje duża liczba organizacji, instytucji, stowarzyszeń itp. zajmujących się tymizagadnieniami. Może nastał czas, aby w Polsce połączyć rozproszone siły i środki i stworzyćpodstawy organizacyjne krajowego forum jakości energii?

Literatura1. Gomez T., Rivier J.: Distribution and power quality regulation under electricity competition. A

comparative study. 0-7803-6/00/ 2000IEEE.2. Hanzelka Z.: Rozważania o jakości energii elektrycznej (I) – Jeden z najważniejszych

problemów elektrotechniki. Elektroinstalator 9, 2001 (www.twelvee.com.pl).3. Javerzac J. L.: Contracting the quality of electricity: the French experience. 0-7803-64499-6/00/

2000IEEE.4. Rivier J., Gomez T.: A conceptual framework for power quality regulation. 0-7803-6/00/

2000IEEE.5. Robert A.: Power quality monitoring at the interface between transmission system and users. 0-

7803-6499-6/00/ 2000IEEE.



__________________________________________________________________0_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Antoni LisowskiRzeczoznawca SEPAutor koncepcji tematycznych i organizator kilku seminariów lpqiCentralny Ośrodek Szkolenia i Wydawnictw SEP

Jakość elektroenergetycznego zasilania w sieciach rozdzielczych

Na podstawie materiałów 17-tej Międzynarodowej Konferencji w sprawie rozdziału energiielektrycznej (17 th International Conference on electricity distribution – CIRED: ComitéInternational des Reseaux l’Électricité de Distribution) 12 – 15 mai 2003 r., Barcelona.

1. WprowadzenieZagadnienie jakości energii (JE) stosunkowo niedawno wydzieliło się w samodzielny kierunek

bardziej obszernego tematu kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Tematyka JE jestprezentowana na wszystkich dużych forach naukowych tak za granicą (CIRED, CIGRE, IEEE,PSCC, w Rosjii) tak i w Polsce. W praktyce światowej pojęcie „power quality”, jak będzie topokazane niżej, zawiera nie tylko zagadnienia JE w układach zasilania elektroenergetycznegoogólnego przeznaczenia (np. ГОСТ 13109-97), ale i też, np. jako niezawodność zasilaniaelektroenergetycznego (np. bezprzerwowość).

Na odbytej konferencji CIRED temat ten był omawiany na sesji 2, której krótka prezentacjajest przedstawiona w niniejszym opracowaniu.

Przedstawione na konferencji referaty były omawiane na 6 sesjach:Sesja 1: Wyposażenie sieci elektrycznych (Network Components);Sesja 2: Jakość energii elektrycznej i kompatybilność elektromagnetyczna (Power quality and

EMC);Sesja 3: Sterowanie, regulacja i zabezpieczenia (Operation, control and protection); Sesja 4: Źródła energii w sieciach rozdzielczych (Distributed generation);Sesja 5: Rozwój układów rozdzielczych (System development);Sesja 6: Kierowanie, organizacja, doświadczenie (Management, organization skills).

Na sesji 2 zostało przedstawionych ponad 90 referatów na cztery tematy:1. Pola elektromagnetyczne. Wpływ i bezpieczeństwo (25 referatów);2. Wpływ zniekształcającego obciążenia na JE. Graniczne poziomy emisji wyższych

harmonicznych, migotania i niesymetrii. Środki kompensowania (28 referatów);3. Wpływ zapadów napięcia i innych zaburzeń na wyposażenie elektryczne odbiorców. Odporność

na zakłócenia i środki zapobiegawcze (20 referatów);


4. Jakość energii elektrycznej z pozycji rynku konkurencyjnego. Operator, obrót energią, odbiorca(21 referatów).

Zagadnienia dotyczące JE były rozważane w odpowiednich aspektach i na innych sesjachCIRED, obejmując problemy EMC tak w obszarze zaburzeń wywoływanych polemelektromagnetycznym jak i w obszarze zaburzeń konduktatywnych. Ten ostatni aspekt odnosi siębezpośrednio do zagadnień JE.

W referatach znalazły odbicie rezultaty badań otrzymane drogą obliczeniową, na modelachmatematycznych i drogą eksperymentalną. Poświęcono uwagę stworzeniu baz danych, algorytmówi programów.

Prologiem do omawianego tematu można nazwać referat, w którym znalazły odbicie rezultatyeuropejskiej ankiety (Polska, Bułgaria, Węgry, Czechy Rumunia, Ukraina) w sprawie JE. Ankietaobejmowała zagadnienia stanu prac, szkolenia personelu, wpływu JE na funkcjonowanieodbiorników elektrycznych, obciążenie sieci urządzeniami będącymi źródłami zaburzeń itp.Ankieta penetrowała cele marketingowe i była skierowana do administracji i projektantów układówzasilania budynków niemieszkalnych, a także odbiorców.

Ankietowanie pokazało, ze nie zwracając uwagi na wzrost mocy zainstalowanej wyposażenia,nasycenia energoelektroniką i innymi nieliniowymi odbiornikamiw energii elektrycznej, personeladministracyjny w większości przypadków nie jest zorientowany w zagadnieniach JE iwymaganiach w stosunku do wyposażenia elektrycznego w zakresie JE.

Równocześnie od 30 % do 50 % respondentów (w zależności od kraju) mogło daćwyczerpującą informację nie tylko o rodzajach konduktatywnych zaburzeń, ale i o środkachzapewnienia JE.

2. Wpływ obciążeń zaburzających na JE.W referatach na ten temat rozpatrzono pięć kierunków badań:

- źródła odkształceń napięcia i sposoby redukcji ich wpływu na JE (4 referaty);- urządzenia do kompensowania, filtry i instalacje kompensujące (3 referaty);- urządzenia pomiarowe i bazy danych (3 referaty);- monitorowanie JE (2 referaty);- metody oceny wpływu odbiorców na JE (6 referatów).

Omówiono trzy typy szeroko rozpowszechnionych źródeł zniekształceń przebiegów czasowychwielkości elektrycznych, wywierających największy wpływ na pracę odbiorników energiielektrycznej w sieciach odbiorców. Są to piece łukowe prądu zmiennego i stałego, będące źródłamiwahań napięcia i wyższych harmonicznych, szeroko rozpowszechnione 6-ciopulsoweprzekształtniki jako źródła wyższych harmonicznych, a także rozmaite typy środków technicznychz układami elektronicznego sterowania, wprowadzające harmoniczne zniekształcenia wniskonapięciowe sieci odbiorcze.

Jako specyficzne źródło wahań napięcia i wyższych harmonicznych rozpatrzono synchrotronwielkiej mocy, zasilany z 12-topulsowego przekształtnika. Długość jego cyklu ładowania stanowi50 ms podczas uderzeń obciążenia 230 MW i 200 MVAr w ciągu 2 s.

Jako środki kompensowania i obniżenia wpływu źródeł zniekształceń napięcia autorzyprzedstawiają kompensatory statyczne i ich odmiany. Dla pieców łukowych są to układy typuSTATCOM na całkowicie wysterowywanych zaworach półprzewodnikowych (GTO, IGBT) zudoskonalonym układem sterowania, które pozwalają zwiększyć ilość stopni regulacji do 11 zrównoczesnym zwiększeniem szybkości regulacji mocy biernej do 10 ms. W 18 kV-owym


układzie zasilania synchrotronu zainstalowano kompensator statyczny o mocy 150 MVArwyposażony w filtry wyższych harmonicznych. Pozwala to ustabilizować napięcie na szynach 18kV w przedziale ± 0,75 % i obniżyć współczynnik zniekształcenia krzywej napięcia do 0,74 %.

W obliczeniach szeroko są stosowane modele matematyczne i rezultaty pomiarów wskaźnikówJE. Rozpatrzono stosunkowo nowe środki kompensacji wyższych harmonicznych – filtry aktywne.Autorzy rozwiązują zagadnienie optymalizacyjne doboru mocy i wyboru miejsca przyłączeniatakich filtrów. Optymalizacja dotyczy zmniejszenia wzajemnego wpływu filtrów przeznaczonychdo zapewnienia minimalnego poziomu wyższych harmonicznych w sieci. Optymalnerozmieszczenie filtrów jest rozpatrywane jako zadanie, którego rozwiązanie analityczne może byćotrzymane w konkretnym obszarze przy zadanym poziomie zniekształceń i określonychparametrach sieci.

Jeden z referatów został poświęcony dobrze znanemu zagadnieniu regulacji współczynnikamocy z zastosowaniem baterii kondensatorowych. Rozpatrzono wpływ parametryczny bateriikondensatorów na charakterystyki częstotliwościowe układu zasilania i w następstwie możliwezwiększenie wyższych harmonicznych prądu lub napięcia w wyniku zachodzących zjawiskrezonansowych.

Wielofunkcyjne właściwości statycznych „elastycznych” układów prądu zmiennego (FACTS)odbijają się i na poziomie JE tak w sieciach rozdzielczych jak i w sieciach przesyłowych. Wreferacie są rozpatrywane i porównywane charakterystyki rozmaitych typów FACTS, sposobystarowania nimi i ich zastosowanie jako urządzeń zapewnienia JE.

Środkom pomiarowym poświęcono kilka referatów. W szczególności otrzymano interesującerezultaty jednoczesnych pomiarów porównawczych porcji migotania z wykorzystaniem dziesięciumigotaniometrów różnych firm, wyprodukowanych zgodnie ze znaną normą IEC 6100-4-15.Pomiary wykonano w czasie 7 dób w zakładzie metalurgicznym w Gdańsku. Charakterystycznącechą kontrolowanego napięcia było skażenie jego sinusoidalnego kształtu. Wszystkie miernikidały istotnie różniące się wyniki pomiaru krótkotrwałej porcji migotania Pst. W referacieprzeanalizowano przyczyny takich rozbieżności. W celu zmierzenia zapadów napięcia, jegokrótkotrwałych zaników i przepięć opracowano metodę, pozwalającą w czasie rzeczywistymrejestrować te zjawiska z krokiem od 1 ms do 8 ms. Zatem charakter zjawisk może być ocenianynie tylko w aspekcie głębokości i długości, ale i w odniesieniu do chwilowych wartości napięciazgodnej i przeciwnej składowej sieci 380 V.

Monitorowanie parametrów stanu oraz rejestracja działania EAZ i sterowania są traktowanejako aktualne zadania w obszarze zapewnienia JE. W jednym z referatów jest mowa o koniecznościmonitorowania wskaźników JE jako o składowej tych zadań, które wpływają na normalnefunkcjonowanie środków automatyki i zabezpieczeń. Proponuje się stosowanie w niewielkichrozdzielniach inteligentnych systemów ekspertowych w roli środków służących do zapewnieniatakiego monitorowania.

O rezultatach długotrwałego monitorowania (lata 2001 – 2002) w sieciach nn donosi się wreferacie Electricité de France. Pomiary wykonano głównie z zamiarem dokonania oceny poziomuzniekształceń harmonicznych w miejskich, przemysłowych i komercyjnych układach zasilania.Celem pomiarów była ocena stanu sieci pod kątem wskaźników JE i opracowanie w tym zakresieprognozy na najbliższe lata. Jako miernik wykorzystano analizator harmonicznych, wyposażony wmodem GSM, umożliwiający przekazywanie wyników pomiarów do mikroprocesorowegostanowiska ich gromadzenia i przetwarzania.

Badacze australijscy proponują włączenie informacji o JE do systemu informatycznego,funkcjonującego jako baza danych w obszarze techniki i biznesu. W warunkach stosunkówrynkowych badacze uważają za konieczne wprowadzenie bloku informacyjnego o JE oraz jakoczynnika, który będzie sprzyjać przyjęciu bardziej obiektywnych rozwiązań w obszarze zasilania


elektroenergetycznego. Oczekując dużego strumienia informacji (system znajduje się w stadiumtworzenia), autorzy proponują sposoby kompresji danych, stosując w tym celu zintegrowane miaryróżniące się od wskaźników JE. Proponuje się instalowanie takich miar na promieniowychzasilaczach, w rozdzielniach, u odbiorców i w regionach.

W kilku referatach omówiono metody oceny wpływu źródeł zniekształceń i przede wszystkimźródeł wyższych harmonicznych. W dwóch z nich uważa się za perspektywiczne metody oparte nawynikach długotrwałych obserwacji. Proponuje się metody iteracyjne i probabilistyczneprzetwarzania dużego strumienia danych pomiarowych impedancji wejściowych zaburzającegoodbiorcy i zasilającego operatora oraz obliczonego w oparciu o nie wkładu każdej ze stron. Metodyzostały zilustrowane praktycznymi obliczeniami.

Wpływ niesymetrycznego i nieliniowego obciążenia w sieciach nn na warunki pracy przewoduneutralnego są analizowane na modelu matematycznym sieci trójfazowej opartego na wartościachchwilowych prądów. Wyniki modelowania są weryfikowane w oparciu o obliczenia oparte o realnedane wyjściowe.

Wpływ struktury sieci rozdzielczych SN i nn na rozprzestrzenianie się harmonicznych też jestbadany na modelu matematycznym. Jednym z celów takiego badania jest porównanie europejskichi południowoamerykańskich sieci pod kątem wpływu ich struktur na JE na podstawiewspółczynnika zniekształcenia sinusoidy (THD). Wykazano, ze transformatory wywierają znaczącywpływ na obniżenie tego współczynnika, a linie napowietrzne wpływają na jego wartość wwiększym stopniu niż linie kablowe w zależności od lokalizacji węzła obciążenia.

Wpływ zapadów i zniekształceń napięciana pracę odbiorników elektrycznych odbiorcy

(odporność na zakłócenia, środki zabezpieczające)

3. Przyczyny zapadów napięcia i ich wpływ na pracę odbiorników energii elektrycznej.Zapady napięcia stanowią wyjątkowo rozpowszechnione zjawisko w sieciach rozdzielczych i

przesyłowych. W wielu przypadkach doprowadzają one do znaczącego naruszenia procesówtechnologicznych w zakładach przemysłowych. Hiszpańskie przedsiębiorstwa energetyczneprzeprowadziły badania identyfikacji i wpływu zapadów napięcia na wyposażenie technologicznezakładów przemysłowych. W referacie przedstawiono metodę oceny tych zjawisk na pracęnapędów elektrycznych o stałej i o zmiennej prędkości obrotowej. Jako środek zapewnieniastabilności napędu przy samorozruchu rozpatrzono alternatywne reżymy jego wyłączania podczaszapadów napięcia lub zastosowania dodatkowych środków umożliwiających samorozruch.

W innym referacie rozpatrzono proces wzajemnego wpływu napędu elektrycznego zprzetwornikiem częstotliwości na sieć i odwrotnie: wpływ sieci na stabilną pracę przetwornikaczęstotliwości. Wpływ ten rozpatrzono tak z pozycji kompatybilności elektromagnetycznej (EMC)jak i z punktu widzenia negatywnych oddziaływań na otaczające środowisko (szumy, wibracje).Autorzy badali warunki normalnego funkcjonowania całego zestawu napędowego (prostownik –inwertor – silnik elektryczny) podczas zapadów i krótkotrwałych zaników napięcia.

Przyczynami zapadów napięcia mogą być nie tylko awaryjne i poawaryjne przełączania,wywołane pracą urządzeń EAZ, ale i uruchamianie silników dużej mocy lub wrzucanie obciążenia.Przy tym zapady napięcia mogą być niesymetryczne, tzn. o różnej głębokości w różnych fazach.Temu zagadnieniu był poświęcony referat szwedzkich specjalistów.

4. Źródła bezprzerwowego zasilania (UPS-y).Analizując przyczyny i następstwa zapadów napięcia i oceniając ich skutki autorzy referatów


zwracają uwagę na konieczność techniczno-ekonomicznej oceny środków stosowanych w celuograniczenia zapadów napięcia. W szczególności takie podejście jest zalecane w odniesieniu dourządzeń bezprzerwowego zasilania (UPS). Proponuje się oceniać je według ceny „ochronionego”kilowata (kW), przy czym jako źródła bezprzerwowego zasilania można rozpatrywać nie tylkoUPS-y, ale też zasobniki energii i kompensatory statyczne. Efektywność UPS zależy nie tylko odjego mocy, ale i od jego struktury, w szczególności od typu zasobnika energii. Jako kryteriumoceny wskazuje się „współczynnik wykorzystania”, według którego waży się każdy element UPS(współczynnik ten stanowi stosunek mocy kompletu elementów UPS do mocy przejmowanegoobciążenia).Monitorowanie zapadów napięcia stanowi jedyny wiarygodny środek do oceny prognozy zdarzeńJE. W Kanadzie zorganizowano specjalną służbę obserwacyjną „Canadian Power Quality Survey2000”, jednym z zadań której jest rejestracja zapadów napięcia, przepięć i krótkotrwałych zanikównapięcia. Służba obejmuje dziesięć systemów energetycznych, dysponuje 413 kontolno-pomiarowymi punktami. Opracowano specjalne algorytmy, programy i środki, pozwalające ustalaćczas, długość i głębokość (amplitudę) kontrolowanych procesów dla każdej fazy z osobna.Rozwiązania zalecano do stosowania w normach międzynarodowych IEC.

Systemy monitorowania zapadów napięcia rozpowszechniły się i w Europie. Badacze zwróciliuwagę na to, że rejestracja zapadów napięcia w sieciach z izolowanym punktem neutralnym wsensie informacyjnym nie odpowiada danym otrzymanym w sieciach odbiorczych, ze względu narozdzielenie ich transformatorami o grypach połączeń Δ/Y. Trójkąt transformatora jest filtremprądów kolejności zerowej. W Belgii opracowano system rejestracji i gromadzenia danychstatystycznych o zapadach powodowanych tak międzyfazowymi jak i jednofazowymi zwarciamidoziemnymi w sieciach o różnych poziomach napięcia znamionowego.

Według ocen badaczy szwedzkich, coroczne straty w ich przemyśle celulozowo-papierniczymz powodu zakłóceń w pracy silników, powodowanych zapadami napięcia, stanowią 9 do 25milionów euro. Zapady występowały wskutek pracy EAZ w wyniku zwarć wywołanychwyładowaniami piorunowymi w linię napowietrzną. Dzięki monitorowaniu JE została utworzonabaza danych o zwarciach w sieci ze zniekształceniami napięcia. Analiza pozwoliła wypracowaćdziałania nastawione na zmianę topologii sieci, ograniczenie prądów zwarciowych, rozmieszczenieograniczników przepięć i rozmieszczenie uziemień roboczych. Jako osobne działanie rozpatrywanokoordynację pomiarów.

Koordynacji pomiarów zapadów, impulsów i przepięć poświęcono kilka referatów. Zdarzeniate są obserwowane w długim okresie (np. przez rok) miernikami wskaźników JE zainstalowanymiw określonych punktach sieci. Przy tym do celów finalnej analizy koniecznie trzeba znać takżemiejsce lokalizacji źródła zdarzeń, na przykład miejsce zwarcia. Pozwala to obliczyćrozprzestrzenienie tych zdarzeń po całej sieci przy ograniczonej liczności mierników wskaźnikówJE. W celu rozwiązania tego zadania proponuje się wirtualny miernik wskaźników JE. W istociejest to wyspecjalizowana programowalna logistyka wykorzystująca dane telemetryczne sieci iinformacje z mierników rozmieszczonych w sieci.

Nieco inne podejście stosują autorzy innego referatu, proponując, ich zdaniem, prosty sposóbpreferowania (rankingu) punktów kontrolnych sieci według tzw. „lokalnej tranzytowej cechy”.Według tej cechy są oceniane wszystkie rozpatrywane zdarzenia w danym punkcie i sąporównywane według stopnia znaczności z parametrami analogicznych zdarzeń w innych punktach.

5. Jakość zasilania elektroenergetycznego pod kątem uczestników rynku konkurencyjnegoenergii elektrycznej

Kształtowanie stosunków rynkowych w elektroenergetyce spowodowało rozdzielenieinteresów w biznesie między strukturami zasilania elektroenergetycznego i operatorami sieci.


Powstał nowy typ przedsiębiorstw pod nazwą „spółek dystrybucyjnych”, który odpowiedniolokalizuje odpowiedzialność za pewność zasilania w warunkach konkurencji.Dzisiaj, jak wskazywano w jednym z referatów, jakość zasilania jest oceniana, po pierwsze, zpunktu widzenia bezprzerwowości (ciągłości, niezawodności) zasilania i, po wtóre, jako jakość„komercyjna”, tzn. jako jakość stosunków z odbiorcą i zaspokajanie jego wymagań (potrzeb).Oczywiście ciągłość zasilania jest zadaniem podstawowym, którego rozwiązanie powinno znaleźćodbicie w systemie regulacji rynku w oparciu o stosunki umowne.

Równocześnie w różnych krajach do pojęcia „dopuszczalna jakość zasilaniaelektroenergetycznego” stara się włączyć rozmaite sugestie i nie osiągnięto konsensu nawet wramach zakładów dystrybucyjnych. W szczególności odnosi się to do celowości włączenia kosztówzapewnienia jakości do taryf na energię elektryczną. Przede wszystkim rozważa się cel takiegopodejścia i konieczność stosowania zachęt i sankcji.

Rozumiejąc odpowiedzialność zakładu dystrybucyjnego przed odbiorcą końcowym zazapewnienie jakości nie można zapominać o tym, że pomyślne rozwiązanie tego zagadnienia zależytakże od przedsiębiorstw przesyłowych. W jednym z referatów poruszono zzagadnienierozdzielenia odpowiedzialności między zakład dystrybucyjny i przedsiębiorstwo przesyłowe.

Bezprzerwowość zasilania elektroenergetycznego, tzn. jego niezawodność, jak wiadomo, jestrozpatrywana w dwóch aspektach: funkcjonalnym i strukturalnym. Niezawodność funkcjonalna jestuwarunkowana działaniami długoterminowymi, podobnie jak zdolność systemuelektroenergetycznego do produkcji i przesyłu energii elektrycznej. Natomiast niezawodnośćstrukturalna jest zadaniem krótkoterminowym, tak samo jak zdolność systemuelektroenergetycznego do reagowania na zaburzenia systemowe. Zdaniem autorów referatu rozwójsieci, tzn. jej niezawodność funkcjonalna, odpowiada interesom rynku, natomiast niezawodnośćstrukturalna na ogól nie może być podwyższona drogą rozwoju systemu elektroenergetycznego.Oznacza to, konkludują referenci, że tam gdzie środki na rozwój sieci nie są angażowane lub procesrozwoju zostaje rozciągnięty na długie lata, nie przystoi mówić o spełnieniu wymagańniezawodnościowych.

6. Kryteria oceny niezawodności zasilania.Układy zasilania są to, jak wiadomo, monopole naturalne i dlatego z pozycji niezawodności

zasilania niezbędne są jednoznaczne kryteria oceny tej cechy. Dotychczas nie zostało to osiągniętei wymaga metodologicznego włączenia się grup roboczych CIGRE/CIRED. Uczestnicy rynkunalegają na zwiększenie roli pomiarów w celu oceny nie tylko wskaźników JE, ale ibezprzerwowości zasilania.

W jednym z referatów dokonano analizy związku między charakterystykami bezprzerwowościzasilania i parametrami sieci oraz metodami wykorzystywanymi przez regulatorów w celuosiągnięcia postawionych celów. Zauważa się, że zastosowanie do oceny kryteriów w postaciwskaźników niezawodności jest utrudnione. Natomiast bierze się pod uwagę rekomendowaną przezIEEE:średnią roczną liczbę przerw zasilania na jednego odbiorcę, średnią długość przerwy(minut/przerwę) i średnią roczną długość przerw na odbiorcę (minut/odbiorcę/rok). Trudnośćpolega na tym, że wskaźnik jakości zależy:

§ od sposobu rejestrowania przerw;§ od sposobu, według którego te wskaźniki jakości energii są oceniane i nawet od jednostek,

w których dokonuje się pomiaru;§ od nieokreśloności terminu (pojęcia) „przerwa długotrwała” (w dokumentach

normatywnych rozmaitych krajów za taką długość przyjmuje się czas od 1 min do 5 min).


Przerwy związane z warunkami atmosferycznymi, przewidziane warunkami umownymi,zerwaniem się linii zasilającej, nie są ujmowane w statystyce.

Jako alternatywę proponuje się uwzględnianie takich czynników jak gęstość obciążenia(MWh/km2) czy gęstość obciążenia na jednostkę długości sieci (kWh/km). Z komercyjnego punktuwidzenia uważa się za godne uwagi uwzględnienie jako kryterium ilości niedostarczonej energiizamiast liczby przerw w zasilaniu.

W jednym z referatów proponuje się uwzględnianie „specyficznych” cech reżymu zasilaniaelektroenergetycznego (geografia, gęstość zaludnienia itp.), cech „projektowych” (konstrukcyjnecechy sieci) i cech „eksploatacyjnych”. Na tej podstawie rozpatrywano kryteria, według którychmoże być oceniany „komercyjny” wpływ uczestników rynku na jakość energii.

Brano też pod uwagę układy i środki stosowane przy kształtowaniu bazy danych, jej struktury iinformacyjne wypełnienie, jako ważny czynnik określający komercyjną i techniczną efektywnośćśrodków stosowanych w celu zapewnienia jakości zasilania elektroenergetycznego.



__________________________________________________________________0_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

dr inż. Tomasz KowalakDepartament Taryf URE

Ciągłość zasilania – zadaniem dostawcy energii

Ciągłość zasilania jest podstawowym (choć nie jedynym) parametrem charakteryzującymjakość obsługi odbiorców energii elektrycznej. Wynika to bezpośrednio ze skali kosztów będącychkonsekwencją niedostarczenia energii, ponoszonych przez odbiorców w rezultacie przerw wzasilaniu – zwłaszcza przerw niezapowiedzianych, których skutków nie można ograniczyćdziałaniami dostosowawczymi. Waga tego problemu rośnie z rozwojem automatyki,komputeryzacji, ogólnie z postępem technologii zaawansowanych, wrażliwych na zakłócenia wciągłości dostaw energii. Dodatkowo zaostrzają go ewentualne, niepożądane skutki uboczneregulacji. Naturalne monopole sieciowe, jakimi są spółki dystrybucyjne, są bowiem poddaneregulacji bodźcowej, której fundamentalnym narzędziem jest ograniczanie przychodówprzedsiębiorstwa do poziomu uzasadnionego w ocenie Regulatora. Jakość obsługi odbiorców musiwięc być monitorowana ze względu na zagrożenie, że przedsiębiorstwo, ograniczając wydatki,doprowadzi do obniżenia jej poziomu. Z drugiej strony przedsiębiorstwa sieciowe stają dobezpośredniej konkurencji, bowiem odbiorcy – na etapie analizy warunków lokalizacji swoichnowych przedsięwzięć – zaczynają coraz uważniej śledzić nie tylko koszty zaopatrzenia w energięale także ryzyka jej niedostarczenia.

Analizę problemu, z konieczności bardzo skrótową, przeprowadzono poniżej wedługnastępującego schematu: klasyfikacja przerw według przyczyn i długości trwania – oczekiwaniaodbiorców i możliwości techniczno-ekonomiczne ich spełnienia – aktualne regulacje prawne w tymzakresie – kierunki racjonalnych rozwiązań prawnych i technicznych. Analizę, ze względówoczywistych, przeprowadzono z pozycji organu ustawowo zobligowanego do równoważeniainteresów odbiorców i dostawców.

1. Klasyfikacja zjawiskaNależy odnotować, że definicje poszczególnych pojęć przedstawione poniżej zostałyzaproponowane przez autora na użytek niniejszego tekstu. Jest to próba „sfotografowania”rzeczywistości taką jaka jest, dokonana po to, by dopiero w dalszej części tekstu skonfrontować ją zodzwierciedleniem tej rzeczywistości zawartym w przepisach prawa.

Definicja przerwy w zasilaniu:alternatywnie:

§ spadek napięcia zasilania w miejscu dostarczania do zera (w praktyce do wartościbliskiej zera), (zanik napięcia) lub

§ obniżenie wartości napięcia w miejscu dostarczania poniżej poziomu użytecznego dla


odbiorcy (zapad napięcia).

Klasyfikacja przerw w zasilaniu ze względu na długość trwania:mikroprzerwy – o czasie trwania do 3 sekund, spowodowane działaniem automatyki ruchowej,realizowanym w celu usunięcia zakłóceń przemijających (np. zadziałanie SPZ w wynikuprzepięć piorunowych, SZR)przerwy krótkie – o czasie trwania do 3 minut – spowodowane usuwaniem zakłóceńprzemijających oraz zmianami układu pracy sieci podejmowanymi w celu ograniczenia zasięguskutków trwałych uszkodzeńprzerwy długie – o czasie trwania dłuższym niż 3 minuty, spowodowane koniecznościąusuwania skutków uszkodzeń trwałych, ew. realizacją prac planowych,przerwy katastrofalne - o czasie trwania dłuższym niż 24 godziny, spowodowanekoniecznością odbudowy sieci po wystąpieniu siły wyższej (np. klęski żywiołowej)

Klasyfikacja przerw w zasilaniu ze względu na tryb powiadomienia odbiorcy:przerwy planowe – kiedy dostawca wypełnił postanowienia umowy regulujące trybuprzedzenia odbiorcy o przewidywanym terminie i długości przerwyprzerwy awaryjne – wszystkie przerwy, o których wystąpieniu odbiorca nie został uprzedzonyw trybie uregulowanym w umowie, zarówno będące wynikiem zakłóceń, jak i praczaplanowanych przez dostawcę – ale w warunkach zaniedbania trybu uprzedzenia odbiorcy. Należy odnotować, że w praktyce wszystkie mikroprzerwy i przerwy krótkie są przerwamiawaryjnymi. Pozostałe mogą, (ale nie muszą) być przerwami planowymi.

2. Oczekiwania odbiorcówW zależności od skali zagrożenia widzianego przez odbiorcę jako rezultat przerwy w zasilaniumożna wyróżnić następujące zakresy wrażliwości odbiorcy na zanik napięcia:1. Możliwość zakłócenia procesu technologicznego z powodu

a) mikroprzerwy b) krótkiej przerwy

2. Możliwość zakłócenia sterowania procesem technologicznym z powodu mikroprzerwy3. Możliwość zakłócenia pracy systemów podtrzymania napięcia w systemach monitoringu isterowania z powodu

a) krótkiej przerwyb) długiej przerwy

4. Konieczność zatrzymania procesu technologicznego skutkiem przerwy długiej lubkatastrofalnej

Każdy z ww. rodzajów zagrożeń wymaga ze strony odbiorcy zastosowania odmiennej strategiiprzeciwdziałania im, ew. niwelowania ich skutków. Wybór tej strategii silnie zależy odrealnych, ekonomicznie uzasadnionych możliwości technicznych, zarówno po stronie odbiorcyjak i dostawcy.

3. Możliwości dostawcówAnaliza zdolności przeciwdziałania przerwom w zasilaniu w zależności od długości ich trwaniaprowadzi do wniosku, że najtrudniejszym - z punktu widzenia przedsiębiorstwa energetycznegojest zakres przerw najkrótszych (mikroprzerw i przerw krótkich) i najdłuższych (przerwkatastrofalnych). Przy czym liczba tych pierwszych jest wysoka i w praktyce wymyka się


statystykom, drugie zaś noszą znamiona skutków działania siły wyższej. Technologia prac podnapięciem i odpowiednia konfiguracja układów sieciowych pozwalają natomiast w znacznymstopniu ograniczyć ryzyko wystąpienia przerw długich.

4. Aktualne ramy prawne i określone prawem konsekwencje dla dostawcyZagadnienie ciągłości dostaw energii elektrycznej jest przedmiotem następujących aktów prawnychi normalizacyjnych :· Ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo energetyczne (Dz. U. Nr 54, poz. 348 ze zm.),

zwanej dalej „ustawą – prawo energetyczne”.· Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 25 września 2000 r. w sprawie szczegółowych

warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, obrotu energiąelektryczną, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci orazstandardów jakościowych obsługi odbiorców (Dz. U. Nr 85, poz. 957), zwanego dalej„rozporządzeniem przyłączeniowym”.

· Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 14 grudnia 2000 r. w sprawie szczegółowychzasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz zasad rozliczeń w obrocie energią elektryczną (Dz.U. z 2001 r. Nr 1, poz. 7), zwanego dalej „rozporządzeniem taryfowym”.

· Normy PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych,zwana dalej „normą PN-EN 50160”.

· Normy PN-EN ISO 9001:2001.

Zgodnie z aktualnym stanem prawnym obowiązki dostawcy w zakresie ciągłości zasilania odbiorcyokreśla umowa sprzedaży energii elektrycznej lub umowa o świadczenie usług przesyłowych. Wprzypadku braku takich ustaleń dostawca energii elektrycznej zobowiązany jest do przestrzegania wtym zakresie standardów zapisanych w § 33 rozporządzenia przyłączeniowego, który nakłada nadostawcę obowiązki w zakresie:

1. przyjmowania przez całą dobę zgłoszeń i reklamacji od odbiorców,2. bezzwłocznego usuwania zakłóceń w dostarczaniu energii elektrycznej, spowodowanych

nieprawidłową pracą sieci,3. udzielania odbiorcom, na ich żądanie, informacji o przewidywanym terminie wznowienia

dostarczania energii elektrycznej przerwanego z powodu awarii w sieci,4. powiadamiania odbiorców, z co najmniej pięciodniowym wyprzedzeniem, o terminach i

czasie planowanych przerw w dostarczaniu energii elektrycznej, w formie:a) ogłoszeń prasowych, komunikatów radiowych lub telewizyjnych lub w inny

sposób zwyczajowo przyjęty na danym terenie - odbiorców zasilanych z siecio napięciu znamionowym nie wyższym niż 1 kV,

b) indywidualnych zawiadomień pisemnych, telefonicznych lub za pomocąinnego środka telekomunikacji - odbiorców zasilanych z sieci o napięciuznamionowym wyższym niż 1 kV,

5. odpłatnego podjęcia stosownych czynności w sieci, w celu umożliwienia bezpiecznegowykonania przez odbiorcę lub inny podmiot prac w obszarze oddziaływania tej sieci,

6. udzielania upustów, w wysokości określonej w taryfach, za niedotrzymanie ciągłości dostawenergii elektrycznej, o których mowa w § 32 rozporządzenia przyłączeniowego.

Za niedotrzymanie standardów ciągłości dostaw energii elektrycznej dostawca ponosikonsekwencje finansowe w postaci opłat na rzecz odbiorcy. Wysokość tych opłat również może byćustalona w umowie sprzedaży energii elektrycznej lub w umowie o świadczenie usług


przesyłowych lub w przypadku braku takich ustaleń na podstawie aktualnie obowiązującej taryfydla energii elektrycznej. Opłaty zawarte w taryfie wylicza się w oparciu o przeciętne miesięcznewynagrodzenie w sektorze przedsiębiorstw w roku kalendarzowym poprzedzającym rokwprowadzenia nowej taryfy przyjmowane na podstawie obwieszczenia Prezesa Głównego UrzęduStatystycznego ogłaszane w Monitorze Polskim ( za 2002 r. wyniosło ono 2277,43 zł). Przykładoweopłaty dla roku taryfowego 2003/2004 zaprezentowano w poniższej tabeli :

a) za nie przyjęcie zgłoszeń lub reklamacji od odbiorcy 15,18 zł,b) za nieuzasadnioną zwłokę w usuwaniu zakłóceń w dostarczaniu energii

elektrycznej, spowodowanych nieprawidłową pracą sieci 75,91 zł,c) za odmowę udzielenia odbiorcom, na ich żądanie, informacji o przewidywanym

terminie wznowienia dostarczania energii elektrycznej, przerwanego z powoduawarii sieci 7,59 zł,

d) za nie powiadomienie, z co najmniej pięciodniowym wyprzedzeniem o terminach iczasie planowanych przerw w dostawie energii elektrycznej, w formie ogłoszeńprasowych, komunikatów radiowych lub telewizyjnych, względnie w inny sposóbprzyjęty na danym terenie odbiorców zasilanych z sieci o napięciu znamionowymnie wyższym niż 1kV

15,18 zł,e) za nie powiadomienie w formie indywidualnych zawiadomień pisemnych,

telefonicznych lub za pomocą innego środka telekomunikacji, z co najmniejpięciodniowym wyprzedzeniem, o terminach i czasie planowanych przerw wdostawie energii elektrycznej odbiorców zasilanych z sieci o napięciuznamionowym wyższym niż 1kV

151,83 zł,W przypadku braku określenia w umowie sprzedaży standardów ciągłości dostaw energii

elektrycznej dostawcę obowiązuje zapis § 32 rozporządzenia przyłączeniowego. Zgodnie z tymzapisem łączny czas trwania w ciągu roku wyłączeń awaryjnych, liczony dla poszczególnychwyłączeń od zgłoszenia przez odbiorcę braku zasilania do jego przywrócenia, dla grupprzyłączeniowych IV i V nie może przekroczyć:

a) 72 godzin - w okresie do dnia 31 grudnia 2002 r.,b) 60 godzin - w okresie od dnia 1 stycznia 2003 r. do dnia 31 grudnia 2004 r.,c) 48 godzin - w okresie od dnia 1 stycznia 2005 r.

Czas trwania jednorazowej przerwy w dostarczaniu energii elektrycznej dla grup przyłączeniowych IV i V nie może przekroczyć:

a) 48 godzin - w okresie do dnia 31 grudnia 2002 r.,b) 36 godzin - w okresie od dnia 1 stycznia 2003 r. do dnia 31 grudnia 2004 r.,c) 24 godzin - w okresie od dnia 1 stycznia 2005 r.

Dla grup przyłączeniowych I-III i VI dopuszczalny łączny czas trwania w ciągu roku wyłączeńawaryjnych oraz czas trwania jednorazowych przerw, określa umowa sprzedaży lub umowaprzesyłowa.

W przypadku niedotrzymania standardów związanych z niezawodnością dostawy i jakościądostarczanej energii elektrycznej dostawca ponosi konsekwencje finansowe w postaci bonifikaty iupustu dla odbiorcy. Za każdą nie dostarczoną jednostkę energii elektrycznej odbiorcy przysługujebonifikata w wysokości pięciokrotności ceny energii elektrycznej za okres, w którym wystąpiłaprzerwa; ilość nie dostarczonej energii elektrycznej w dniu, w którym miała miejsce przerwa, ustalasię na podstawie poboru energii w odpowiednim dniu poprzedniego tygodnia, z uwzględnieniem


czasu dopuszczalnych przerw określonych w umowie.Zwraca uwagę, że przepisy obowiązującego prawa w niezwykle ułomny sposób regulują

zagadnienie przerw w zasilaniu. Po pierwsze: poza jakąkolwiek regulacją pozostawiono zagadnienie długości trwania przerw

planowych. Pod warunkiem stosownego uprzedzenia odbiorcy lokalny monopolista mógłby wpraktyce bezkarnie zaprzestać obsługi określonych grup odbiorców przyłączonych do jego sieci.Teoretycznie mógłby to być realny scenariusz „samoobrony” przedsiębiorstwa przed koniecznościąobsługi odbiorców deficytowych.

Po drugie: domyślać się można, ze poza regulacją pozostawiono także mikroprzerwy i przerwykrótkie. Bowiem czas pomiędzy zgłoszeniem braku zasilania i jego przywróceniem w odniesieniudo przerw o czasie trwania do trzech minut w większości przypadków przybierałby wartość ujemną.Podobnie abstrakcyjne byłoby oczekiwanie pięciodniowego wyprzedzenia w przypadkupowiadamiania o mikroprzerwach.

Tym samym uzasadnione staje się przypuszczenie, że uwaga ustawodawcy skupiona byławyłącznie na przerwach długich. Stopniowe ograniczenie dopuszczalnego czasu trwaniajednorazowej przerwy awaryjnej wskazuje wyraźnie, że, zgodnie z intencja ustawodawcy, dopierowystąpienie przerwy katastrofalnej musi być odbiorcy odpowiednio skompensowane – tak jakbyprzerwy krótsze były mniej dotkliwe w skutkach.

Przywołane powyżej przepisy rozporządzenia przyłączeniowego oraz rozporządzeniataryfowego nie zamykają stronom kontraktu na dostawę energii elektrycznej drogi doindywidualnego kształtowania standardów jakościowych energii elektrycznej zgodnych zespecyficznymi wymaganiami w tym zakresie. W umowie sprzedaży energii elektrycznej w zakresieniezawodności dostawy energii elektrycznej strony mogą wykorzystać definicje i ustalenia normyPN-EN 50160 - Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. Norma tajest oficjalnym tłumaczeniem angielskiej wersji normy europejskiej EN 50160:1994 i od roku 1998ma status Polskiej Normy. Jej przedmiotem są między innymi definicje z zakresu ciągłości dostawenergii elektrycznej. W normie PN-EN 50160 przerwy w zasilaniu, zdefiniowane jako stany, wktórym napięcie w złączu sieci elektroenergetycznej jest mniejsze niż 1 % deklarowanego napięciazasilającego, są sklasyfikowane w sposób następujący :

1. planowe, gdy odbiorcy są wcześniej poinformowani, a ich celem jest wykonaniezaplanowanych prac w sieciach rozdzielczych,

2. przypadkowe, spowodowane m np. trwałymi lub przemijającymi zwarciami, związanymigłównie ze zdarzeniami zewnętrznymi, uszkodzeniami urządzeń lub zakłóceniami ich pracy.Przypadkowe przerwy norma PN-EN 50160 klasyfikuje jako :

· długie przerwy (dłuższe niż trzy minuty), spowodowane trwałym uszkodzeniem,· krótkie przerwy (do trzech minut), spowodowane uszkodzeniem przemijającym.

Ponadto norma PN-EN 50160 podaje wartości odniesienia ( brak takich wartości odniesieniaw rozporządzeniu przyłączeniowym ):

· Roczna liczba krótkich przerw w zasilaniu mieści się w przedziale od kilkudziesięciudo kilkuset. Czas trwania około 70 % krótkich przerw w zasilaniu może być mniejszy niżjedna sekunda.

· Roczna częstość występowania przypadkowych długich przerw w zasilaniu, trwającychdłużej niż trzy minuty, może być mniejsza niż 10 lub może zbliżać się do 50 wzależności od konfiguracji i struktury sieci, skutków działania osób trzecich orazwarunków atmosferycznych na danym obszarze.

Jak widać przedmiotowa norma w znacznie lepszym stopniu odzwierciedla specyfikęzagadnienia, stanowiąc tym samym lepszą podstawę do kształtowania stosunków umownychpomiędzy dostawca i odbiorcą. ________________________________________________________________________________Seminarium WYBRANE ZAGADNIENIA JAKOŚCI ZASILANIA I UŻYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ 29

Należy przy tym podkreślić, że zgodnie z rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 14września 1999 r. w sprawie obowiązku stosowania niektórych Polskich Norm (Dz. U. Nr 80, poz.911 ze zm.) norma PN-EN 50160 nie jest normą przewidzianą do obowiązkowego stosowania. Wzwiązku z tym aby wspomniana norma stała się skuteczną podstawą ukształtowania tych stosunkówmusi być przytoczona w całości lub w części w kontrakcie zawartym pomiędzy indywidualnymodbiorcą a dostawcą energii elektrycznej.

Dodatkowym sposobem skutecznie wspomagający realizację zadań w zakresie ciągłościzasilania jest wdrożenie u dostawcy energii elektrycznej, zgodnego z polską normą PN-EN ISO9001:2001, Systemu Zarządzania Jakością w zakresie zakupu, przetwarzania, przesyłania isprzedaży energii elektrycznej. Ciągłe doskonalenie procedur takiego Systemu sprzyjaoptymalnemu spełnieniu potrzeb i oczekiwań odbiorcy energii elektrycznej oraz nadaje ramyczasowe wyznaczonym celom w zakresie ciągłości dostaw energii elektrycznej.

Norma PN-EN ISO 9001:2001 określa techniczne i inne kryteria, które mogą być podstawąustaleń zawartych w umowach stron. Raporty uzyskane w ramach procedur dotyczącychodpowiednich procesów np. procesu Technicznej Obsługi Klienta lub procesu Obsługi Reklamacjipozwalają ocenić, czy wyznaczone cele z zakresu ciągłości zasilania są realizowane właściwie.Ponadto zmniejszają ilość skarg związanych z tym zagadnieniem kierowanych do PowiatowychRzeczników Konsumentów lub do Rzecznika Odbiorców Paliw i Energii Urzędu RegulacjiEnergetyki.

5. Kierunki racjonalnych rozwiązańOczywistym oczekiwaniem wszystkich odbiorców jest dostawa bezprzerwowa. Jednak trzeba

rozróżnić skutki, jakie u różnych odbiorców generują przerwy różnej długości. Generalnie nawetwielodniowa przerwa w dostawie do domku letniskowego – w okresie kiedy nie jest użytkowany –przechodzi niezauważona, natomiast nawet kilkusekundowy zanik napięcia zasilającego ciągtechnologiczny do wyciągania tafli szklanych powoduje dyskwalifikację znacznej części produktu.Na odrębną analizę zasługują skutki zaników napięcia zasilającego skomputeryzowane układysterowania ciągami technologicznymi. Ocenia się, że straty z powodu niedostarczenia energiielektrycznej w państwach UE sięgają rocznie kwoty 10 mld euro.

Działania dostawców podejmowane celem zabezpieczenia odbiorców przed ryzykiemponiesienia skutków niedostarczenia energii też stanowią źródło kosztów, w sposób naturalnyprzenoszonych na odbiorców. Z uwagi na zróżnicowanie wrażliwości odbiorców na różne formypotencjalnych zakłóceń szczególnego znaczenia nabiera więc problem ograniczania ichwzajemnego subsydiowania, tj. nie przenoszenia na wszystkich odbiorców skutków działańniezbędnych z punktu widzenia jedynie niektórych. Tym samym tytułowa teza nie powinna miećcharakteru normy absolutnie obowiązującej - przeciwnie, zasadne jest pytanie o racjonalne granicetego obowiązku.

Rozwiązanie tej „kwadratury koła” wymaga przede wszystkim uporządkowania zasadobowiązującego prawa.

W pierwszej kolejności należy uszczegółowić podstawy prawne kształtowania „ceny jakości”dostarczanej energii, będąca przedmiotem rozporządzeń „przyłączeniowego” i „taryfowego”.Bowiem wybiórcze bonifikowanie wybranych jedynie przejawów przerw w zasilaniu utrudniakształtowanie racjonalnych zachowań zarówno dostawców jak i odbiorców.

Bezwzględnego uregulowania wymaga również status przerw planowych, których dopuszczalnaliczba i czas trwania powinny podlegać regulacji analogicznej jak przerw awaryjnych.

Ponadto, niezbędnym wydaje się dostęp do informacji, których przygotowanie i publikacjapowinna być obowiązkiem dostawców, wynikającym z przepisów prawa.


Podstawą do oceny poziomu zagrożenia mikroprzerwami – niezbędnej dla odbiorcówpodejmujących działania celem zabezpieczenia się przed ich skutkami – powinna być obowiązkowapublikacja przez dostawców aktualnych statystyk takich zdarzeń.

Podobnie, na podstawie publicznie dostępnych statystyk, odbiorca powinien mieć możliwośćoceny poziomu zagrożenia przerwami długimi i katastrofalnymi, których skutki mogą byćkompensowane poprzez system ubezpieczeń lub stosowną rozbudową układów sieciowych bądźwłasnych źródeł rezerwowych.



__________________________________________________________________0_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________



__________________________________________________________________0_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

A.Baranecki, M.Niewiadomski, T.PłatekPolitechnika Warszawska, MEDCOM Warszawa

Filtry aktywne do kompensacji harmonicznych prądu – aspekty techniczne iekonomiczne

1. WstępOdkształcenia prądów i napięć – powodowane przez odbiorniki nieliniowe – stanowią coraz

większe zagrożenie dla urządzeń w sieciach zasilających, będąc przyczyną wielu awarii oraz stałegopogarszania się jakości energii elektrycznej. Poziom odkształceń dla napięć i prądów jest określanyprzy pomocy tzw. współczynnika THD (Total Harmonic Distortion)

Dopuszczalne limity wartości współczynnika THDu zależą od poziomu napięcia i dlawarunków krajowych wynoszą odpowiednio:

U < 1kV 1kV ÷ 30kV 30kV ÷ 110kV > 110kVTHDu wg. Dz.U.85 8% 5% 2,5% 1,5%

Podobny wzór obowiązuje (w Europie) dla poziomu odkształcenia prądu – zamiastpierwszej harmonicznej (U1) i wyższych harmonicznych (Uk) napięcia są wstawiane odpowiednieharmoniczne prądu.

W USA dla prądów przyjęto (std. IEEE 519-1992) współczynnik TDD (Total DemandDistortion), w którym kolejne harmoniczne są odnoszone nie do wartości pierwszej harmonicznejlecz do skutecznej wartości analizowanego prądu. Jest to rozwiązanie znacznie korzystniejsze,pozwalające m.in. na unikanie dużych niedoskonałości pomiarowych przy określaniu THD dlaprądu w przewodzie neutralnym (brak pierwszej harmonicznej).

2. Zagrożenia z powodu harmonicznych prądu.Odbiorniki pobierające z sieci zasilającej prąd sinusoidalny (odbiorniki liniowe) stanowią

aktualnie grupę zanikającą. Coraz mniej grzałek, żarówek i silników włączanych bezpośrednio dosieci – coraz więcej urządzeń przekształtnikowych, lamp wyładowczych itp. Przykładowe przebiegiprądów pobieranych z sieci zasilającej przez odbiorniki nieliniowe są przedstawione na rys.1.

Obecność odbiorników nieliniowych stwarza coraz większe zagrożenia dla urządzeńenergetycznych (transformatory, kondensatory itp.), stanowiąc również przyczynę błędnegodziałania zabezpieczeń oraz zwiększania się strat w urządzeniach i sieciach zasilających. Czy________________________________________________________________________________Seminarium WYBRANE ZAGADNIENIA JAKOŚCI ZASILANIA I UŻYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ 43

%100)/(2

21

N

kk UUTHDu

należy zatem powstrzymać się od instalowania przekształtników i innych odbiornikównieliniowych? Na pewno nie – należy jednak zdawać sobie sprawę ze skali powstających zagrożeń istosować odpowiednie środki zaradcze.

a) b)

c) d)

Rys.1 Przebiegi prądu pobieranego przez: a) żarówkę energooszczędną, b) komputer, c) napęd kaskadowy (6kV), d) podstację trakcyjną (15kV)

Prąd o przebiegu impulsowym charakteryzuje się znacznie większą wartością skuteczną niżprąd sinusoidalny o takiej samej wartości średniej. Na rys.2 są przedstawione dwa przebiegi o tejsamej wartości średniej, równej 1A. Wartość skuteczna prądu sinusoidalnego wynosi 1,11A aimpulsowego 3,33A, natomiast straty w rezystorze 1Ω przy przepływie tych prądów wyniosąodpowiednio 1.23W oraz 10W. Widać wyraźnie, że przy impulsowym przebiegu prądu znacznierosną straty w elementach rezystancyjnych (np. bezpieczniki, przewody)


-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Seria1

Rys.2 Sinusoidalny i impulsowy przebieg prądu

Odbiorniki pobierające prąd o przebiegu impulsowym wymagają dla prawidłowej pracy znaczniewydajniejszych (prądowo) źródeł zasilających. Na rys.3 są przedstawione dwa przebiegi prądowe(linia ciągła) oraz wymagane możliwości prądowe (linia przerywana) źródeł zasilających. Zprzebiegów wynika, że np. prąd znamionowy agregatu zasilającego odbiorniki nieliniowe musi byćznacznie większy, niż w przypadku zasilania odbiorników liniowych o podobnej mocy.

Rys.3 Wymagana wydajność prądowa źródła zasilania (linia przerywana) przy odbiorniku liniowym i nieliniowym.

Przy obciążeniu trzech faz odbiornikami nieliniowymi (komputery, oświetlenie lampamiwyładowczymi itp.) prąd w przewodzie neutralnym (rys.4) ma znacznie większą wartość niż prądyfazowe. Przy zasilaniu odbiorników nieliniowych przekrój przewodu neutralnego powinien byćdwukrotnie większy niż przekrój przewodu fazowego.


Ti me

0s 1ms 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10msI ( R1) I ( R2) I ( R3) I ( R4)

0A

2. 0A

4. 0A

6. 0A

8. 0A

10. 0A

Ti me

0s 1ms 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10msI ( R1) I ( R2)

0A

2. 0A

4. 0A

6. 0A

8. 0A

10. 0A

Rys.4 Przebiegi prądów fazowych i prądu w przewodzie neutralnymImpulsowy prąd pobierany przez odbiorniki może prowadzić do „spłaszczenia”

sinusoidalnego przebiegu napięcia (rys.5a). Rezultatem odkształcenia napięcia jest obecnośćwyższych harmonicznych (rys.5b), które wpływają np bardzo negatywnie na pracę silników,transformatorów i kondensatorów zasilanych takim napięciem.

a) b)

Rys.5 Odkształcenie napięcia z powodu obciążenia impulsowego a) przebieg napięcia i prądu, b) podstawowa orazwyższe harmoniczne w przebiegu napięcia

W przypadku silników elektrycznych, wyższe harmoniczne powodują – opróczdodatkowych strat – również wibracje łożysk, co wpływa na skrócenie okresu ich eksploatacji i ew.awarie napędów.

Wyższe harmoniczne napięcia – powstające nie tylko z powodu poboru prądówimpulsowych – mają bardzo negatywny wpływ na pracę kondensatorów dołączonych do siecizasilającej. Wymuszając w kondensatorach przepływ dużych prądów powodują ich nadmiernenagrzewanie się i awarie.

Na duże zagrożenia – przy pracy w środowisku z wyższymi harmonicznymi napięcia i prądu– są narażone transformatory. Wg amerykańskiego std UL 1561(5) straty w transformatorze przy


Ti me

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50msV( a) V( b) V( c) V( d) V( e)

-400V

0V

400V

2

1

2max

hIKhh

hh

obecności harmonicznych (Peh) są – w stosunku do strat przy napięciu sinusoidalnym (Pef) –powiększone K-krotnie

gdzie

W zależności od poziomu zakłóceń, współczynnik K (K-factor) może przyjmować wartośćliczbową od kilku do kilkudziesięciu. W USA, dla ułatwienia prac projektowo-instalacyjnychprzyjęto znormalizowany szereg wartości współczynnika K-factor (4-9-13-20-30-40-50), wg.którego transformatory są wykonywane odpowiednio w grupach K-4, K-9 itd. Pozwala to na łatwydobór transformatora (o odpowiednich parametrach konstrukcyjno-technicznych) do warunków, wktórych będzie pracował. Przy tradycyjnie wykonanym transformatorze obecność harmonicznychpowinna decydować o obniżeniu dopuszczalnej mocy obciążenia. W brytyjskiej normie BS 7821(Part.4) jest określony współczynnik „Factor K”, jednak jego wyliczanie jest związane zkoniecznością dysponowania specjalnymi parametrami konstrukcyjnymi transformatora.

Przedstawione wyżej zagrożenia, powodowane harmonicznymi w sieci zasilającej, wskazująna zdecydowaną konieczność podejmowania czynności zapobiegawczych. Trudno ocenićjednoznacznie ekonomiczne następstwa możliwych awarii. Czasem może to być tylko lokalneuszkodzenie, ale może również – przy koincydencji kilku czynników – dochodzić do awarii oznaczących skutkach ekonomicznych. Ważne, żeby świadomość zagrożeń nie pojawiła się dopieropo ewentualnej awarii.3. Kompensacja harmonicznych prądu

Skutecznym urządzeniem, kompensującym odkształcenia prądów pobieranych przezodbiorniki nieliniowe, są energetyczne filtry aktywne. Sposób instalacji filtru, współpracującego zodbiornikiem nieliniowym, jest przedstawiony na rys.6.

Rys.6 Współpraca filtru aktywnego z odbiornikiem nieliniowym

Przykładowe przebiegi prądów w układzie są przedstawione na rys.7. W czasie, gdyodbiornik nie pobiera prądu – filtr aktywny pobiera prąd z sieci i magazynuje energię w bateriikondensatorów. Układ sterowania falownika zapewnia pobór prądu o przebiegu sinusoidalnym.Podczas impulsowego poboru prądu przez odbiornik, nadwyżkę prądu zapewnia filtr tak, że z siecizasilającej w dalszym ciągu jest pobierany prąd sinusoidalny.

a)


Is Io

If

KPP efeh

b)

c)

Rys.7 Przebiegi prądów: a) odbiornika (Io), b) filtru aktywnego (If), c) sieci zasilającej (Is)

System sterowania filtru zapewnia odpowiednie sterowanie falownika tak, żeby w czasiepółokresu przebiegu prądu kondensator mógł pobrać i oddać taką ilość energii, jaka jest potrzebnadla skompensowania odkształceń prądu odbiornika. Ta ilość energii określa znamionową mockompensacji, która jest podstawowym parametrem filtru. Istotnymi parametrami są równieżmaksymalna wartość prądu kompensacji, oraz jego maksymalna stromość.

Filtry większych mocy mogą pracować przy dwóch trybach sterowania:· pełna kompensacja prądu odbiornika· kompensacja harmonicznych (bez kompensacji mocy biernej)

Na rys.8 są przedstawione przebiegi prądów dla dwóch trybów sterowania filtru.

a)


Ti me

260ms 270ms 280ms 290msV( 1, 3) /35 0

0A

-50A

50A

SEL>>

( V( 1, 3) /35) -( I ( r1) ) 0

0

-50

50I ( r1) 0

-50

0

50

Ti me

260ms 270ms 280ms 290msV( 1, 3) /35 0

0A

-50A

50A

SEL>>

( V( 1, 3) /35) -( I ( r1) ) 0

0

-50

50I ( r1) 0

-50

0

50

Ti me

260ms 270ms 280ms 290msV( 1, 3) /35 0

0A

-50A

50A

SEL>>

( V( 1, 3) /35) -( I ( r1) ) 0

0

-50

50I ( r1) 0

-50

0

50

Ti me

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms0 I ( r 1) + I ( r 11) + I ( r 13) + I ( r 15) + I ( r 17) + I ( r 2) + I ( r 3) + I ( r 4) + I ( r 5) + I ( r 7) + I ( r 9) I ( r 21)

-300

-200

-100

-0

100

200

300

b)

Rys.8 Przebiegi prądów dla dwóch trybów sterowania: a) pełna kompensacja, b) kompensacja harmonicznych (bez kompensacji mocy biernej)

Przy kompensacji pełnej (z uwzględnieniem mocy biernej) moc znamionowa filtru musi byćznacznie większa niż przy kompensowaniu wyłącznie harmonicznych.

Energetyczne filtry aktywne - wykonywane aktualnie w firmie MEDCOM – obejmują (dlaodbiorników trójfazowych) zakres od 10kVAr do 1000kVAr mocy kompensowanej, orazdodatkowo 3kVAr dla odbiorników jednofazowych. Powyżej 30kVAr (włącznie) są przystosowanedo pracy w dwóch trybach sterowania. Największym aktualnie energetycznym filtrem aktywnymjest jednostka 1000kVAr, współpracująca poprzez transformator 630kVA z linią 15kV, zasilającąpodstację trakcyjną. Podstawowe parametry filtru:

znamionowa moc kompensacji 1000kVArmoc kompensacji (w aplikacji) 630kVArprąd kompensacji (max) 1800Amax stromość prądu kompensacji 1000A/ms

Poniżej są przedstawione przykładowe wyniki pomiarów filtru FA3-1000K


Ti me

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms0 I ( r 1) + I ( r 11) + I ( r 13) + I ( r 15) + I ( r 17) + I ( r 2) + I ( r 3) + I ( r 4) + I ( r 5) + I ( r 7) + I ( r 9) I ( r 21)

-300

-200

-100

-0

100

200

300

Rys. 9 Pomiary w układzie zasilania bez filtru (góra) i z filtrem (dół) przy obciążeniu ok. 1,8MVA

W warunkach pracy wg. rys.9 po włączeniu filtru moc bierna została obniżona z 466kVArdo 67kVAr (z równoczesną kompensacją harmonicznych).

Rys. 10 Pomiary w układzie zasilania bez filtru (góra) i z filtrem (dół) przy obciążeniu ok. 6MVA

W warunkach pracy wg. rys.10 po włączeniu filtru moc bierna została obniżona z1,77MVAr do 1,2MVAr (z równoczesną kompensacją harmonicznych).


Uwagi końcowe:Przy znanym rozkładzie prądu na harmoniczne, niezbędny prąd kompensacji prądu (bez

kompensacji mocy biernej) można wyznaczyć ze wzoru (rys.11.b)a) b)

qb)

Rys.11 Rozkład prądu na harmoniczne i wzór do obliczenia prądu kompensacji

Filtr aktywny należy instalować możliwie blisko odbiornika nieliniowego (rys.12).

Rys.12 Lokalizacja filtru aktywnego w systemie zasilania

Na rys.13 są przedstawione przykładowe filtry aktywne serii FA3 produkcji firmy MEDCOM.Przybliżony, orientacyjny koszt inwestycyjny do kompensacji 1kVAr w filtrach małej mocy (np.10kVAr) wynosi ok. 1 tys. zł, obniżając się – przy filtrach rzędu 750kVAr ÷ 1000kVAr, do ok. 500zł.


N

hhII

2

2f )(

a)

c)

b)

Rys.13 Energetyczne filtry aktywne: a) filtr 10kVAr , b) filtr 50kVAr, c) filtr 1000kVAr



__________________________________________________________________0_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Klempka RyszardAkademia Górniczo-Hutnicza,al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakó[email protected]

Projektowanie grupy filtrów prostych

1. WstępCiągły rozwój technologiczny sprzyja zwiększaniu liczby odbiorników nieliniowych co ma znacznywpływ na jakość energii elektrycznej w systemie zasilającym, a co za tym idzie na jakość energii uinnych odbiorców. Jedną z najbardziej rozpowszechnionych metod zapobiegania negatywnemuwpływu odbiorników nieliniowych na sieć energetyczną jest zastosowanie grupy filtrów prostych.

2. Filtr prostyPodstawowymi danymi niezbędnymi dla projektowania filtru są:· dane dotyczące źródła wh tj. widmo amplitudowo-częstotliwościowe nieliniowego odbiornika,

wartość wymaganej ze względów kompensacyjnych mocy biernej harmonicznej podstawowejitp.

· dane dotyczące sieci zasilającej tj. charakterystyka częstotliwościowa impedancji układuelektroenergetycznego w punkcie przyłączenia filtru (PWP) - w przypadku jej braku ewentualniemoc zwarcia wraz ze schematem i danymi technicznymi najbliższego otoczenia rozważanegopunktu przyłączenia filtru, pierwotne widmo odkształcenia napięcia w rozważanym punkcie,dopuszczony warunkami zasilania współczynnik odkształcenie napięcia THD orazwspółczynniki udziału poszczególnych harmonicznych itp.

· dane dotyczące filtru tj. miejsce jego instalacji, wybrana struktura, parametry techniczneplanowanych do wykorzystania elementów biernych itp.

Wszelkie rozważania przeprowadzane są przy uwzględnieniu następujących założeńupraszczających:

§ źródło wh jest idealnym źródłem prądowym,§ rezystancja RF, indukcyjność LF i pojemność CF filtru są skupione i mają stałą wartość

w rozważanym przedziale częstotliwości. § filtr obciążony jest tylko podstawową harmoniczną oraz harmoniczną, do której jest

dostrojony.

Impedancję filtru prostego można przedstawić w postaci:


F

FFF

FFFF C

CLjRC

LjRSZ

11)(

2 -- (1)

Rezystancję RF w dalszych rozważaniach będziemy pomijać, czyli RF = 0. Filtr prosty jestdostrojony do harmonicznej, którą ma eliminować.

FForr CL

n 1 (2)

nr - rząd częstości rezonansowejr - pulsacja rezonansowa1 - pulsacja podstawowa (50Hz czyli 100)

Przykładowa charakterystyka pokazana jest na rysunku 1.

Rys. 1. Podstawowe charakterystyki filtru prostego

Ze wzoru (2) można wyznaczyć wartość LF filtru

FrF Cn

L21

2

1

(3)

Zależność (3) wstawiamy do (1)

Fr

rF Cn

njZ

21

2

21

22 - (4)

Pojemność kondensatora filtru jest zależna od mocy QF jaką należy skompensować


3U

CF (X

CF

(1))

LF (X

LF)

RF

ZF

IF

|ZF| XF XL XC

0 RF

XLF=LF

FCF C

X

1-

XF=XLF-XCF

22FFF XRZ

F

F QUjZ

2

Im - (5)

czyli

21

2

2 1UQ

nn

Cr

rF

-

(6)

W ten sposób wyznaczyć można indukcyjność i pojemność projektowanego filtru. Dla przykładu zaprojektować należy filtr prosty dla 5. harmonicznej o mocy 1MVAr pracujący nanapięciu U = 6kV.

nr = 5, QF = 1MVAr, U = 6kV.

CF = 84,88F, LF = 4,8mH

Dla takiego filtru charakterystyka impedancyjna pokazana jest na rysunku 2.

Rys. 2. Podstawowe charakterystyki foltru prostego

Jednak zazwyczaj konieczne jest zaprojektowanie grupy filtrów prostych dla kilku harmonicznych.Jeżeli skorzystamy z zależności (3) i (6) może okazać się że indykcyjności i pojemnościposzczególnych filtrów będą miały wpływ wzajemnie na siebie, co może być przyczyną odstrojeniafiltrów.

3. Grupa filtrów prostychProjektowanie grupy filtrów jednak nie jest proste. Cały zespół filtrów powinien kompensować mocbierną QF. Jak natomiast rozdzielić tę moc na poszczególne filtry? Można to zrobić przy założeniu,że moc poszczególnych filtrów jest odwrotnie proporcjonalna do rzędu harmonicznej, którą filtr ma


0 50

100

150

200

250

300

350

400

450

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

|Z

F|

XL

XC

X

f [Hz]

r

eliminować, czyli:.

21 21 FnFn QnQn

32 32 FnFn QnQn (7).. nn FnnFnn QnQn

-- 11

Stosując powyższą zależność wyznaczyć należy parametry filtrów 5., 7., 11. i 13. harmonicznej,kompensując moc QF = 1MVAr oraz pracujące przy napięciu 6kV.Z zależności (6)

13117 FFFFSF QQQQQ

775 FFS QQ

117 117 FF QQ

1311 1311 FF QQ

Z powyższych zależności wyznaczyć można poszczególne moce filtrów

kVArQF 3925 kVArQF 2807 kVArQF 17811 kVArQF 15013

Na rysunku 3 pokazano graficzną postać otrzymanych wartości poszczególnych mocy filtrów.

Rys. 3. Moce poszczególnych filtrów prostych


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

5

QF

QFn

QF

QF5

QF7 Q

F11Q

F13

Korzystając ze wzorów (3) i (6) można wyznaczyć parametry L i C poszczególnych filtrów.

nr 5 7 11 13C [F] 33.24 24.23 15.61 13.24L [mH] 12.2 8.5 5.4 4.5

Rys. 4. Charakterystyka impedancyjna zespołu filtrów

Rysunek 4 przedstawia charakterystykę impedancyjną zespołu filtrów zaprojektowanych wgzależności (7), (6) i (3). Jak widać minima impedancji są dokładnie takie jakie zaplanowanonatomiast maksima są poprzesuwane, nie pokrywają się z 6., 9. i 12 harmoniczną. Filtr może wznacznym stopniu przepuszczać te harmoniczne co w pewnych sytuacjach może prowadzić dorezonansu.Ta niedogodność jest spowodowana nie uwzględnieniem wzajemnego wpływu indukcyjności ipojemności poszczególnych filtrów poprzez wybór zależności (7) do podziału mocy biernej.Istnieje możliwość „poprawnego” zaprojektowania charakterystyki zespołu filtrów. Należyuświadomić sobie, że impedancja całego filtru dla poszczególnych eliminowanych harmonicznychma wynosić zero (przy założeniu RFn = 0), natomiast impedancja zaporowa dla pulsacji pośrednichpowinna wynosić nieskończoność. Wyznaczając indukcyjności poszczególnych filtrów z zależności(3) zapewniamy pierwszy warunek. Jeżeli impedancja filtru dla pulsacji pośrednich ma wynosićnieskończoność to korzystając z zależności

pmFZ czyli 01pm

FZ (8)

Można sformułować równania

0111

11211

pmFnpmFnpmFn n

ZZZ

0111

22221

pmFnpmFnpmFn n

ZZZ (9)

.

.

0111

21

mnmm pmFnpmFnpmFn ZZZ

gdzie:


0 1 5 6 7 9 11 12 13 150

100

200

300

400

500

ZF

n

n – liczba filtrówm – ilość pulsacji pośrednich, m=n-1

Stąd widać że brakuje jednego równania aby móc jednoznacznie rozwiązać układ równań. Tymrównaniem będzie zależność na moc bierną całej grupy filtrów wg zależności (5).

2111

111

21UQj

ZZZF

FnFnFn n

(10)

Dla przypomnienia RFn=0.

Do równań (9) i (10) można podstawić równanie (4), co umożliwi przedstawienie układu równań wpostaci

-

--

-

--

-

--

-

--

2

2

1

21

2

22

122

21

121

22

2

222

22

221

21

22

2

222

22

221

21

22

2

222

22

221

21

0

00

111

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

1

1

UQC

CC

nn

nn

nn

pn

np

pn

np

pn

np

pn

np

pn

np

pn

nppn

np

pnnp

pnnp

FFn

F

F

n

n

mn

nm

m

m

m

m

mn

nm

m

m

m

m

mn

nm

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

(11)

Zależność (11) jest to układ równań liniowych, który można w prosty sposób rozwiązać.

WACF -1 (12)

Poniżej zestawiono wyznaczone parametry filtrów wyznaczone metodą macierzową dla takichsamych danych jak w przykładzie wcześniejszym.

nr 5 7 11 13C [F] 45.33 19.95 10 10.7L [mH] 8.9 10.4 8.4 5.6

Rysunek 5 przedstawia charakterystykę impedancyjną zespołu filtrów.


Rys. 5. Wykres wypadkowej impedancji zespołu filtrów

Zespół filtrów jednak nie będzie odseparowany lecz będzie współpracował z odbiornikiem, któryzazwyczaj ma charakter indukcyjny (zakładamy Ro = 0). Indukcyjność odbiornika ma także wpływna charakterystykę filtru. Jeżeli założymy, że Lo = 10mH, to na rysunku 6 pokazano charakterystykęimpedancyjną zespołu filtrów połączonych równolegle z odbiornikiem.

Rys. 6. Charakterystyka impedancyjna zespołu filtrów połączonych równolegle z odbiornikiem

Rysunek 6 pokazuje wpływ impedancji (indukcyjności) odbiornika na charakterystykę wypadkowąobiektu widzianą od strony zasilania. Minima impedancji są nadal dla eliminowanychharmonicznych, natomiast maksima zostały przesunięte w kierunku wyższych częstotliwości. Imindukcyjność odbiornika jest mniejsza, tym następuje większe przesunięcie. Stąd wniosek, że wfazie projektowania filtru należy uwzględnić impedancje odbiornika. Można to zrobić modyfikująctrochę wzór (11).


0 1 5 6 7 9 11

12

13

15

0

100

200

300

400

500

|ZF|

n

0 100

200

300

400

500

600

700

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

|ZF||

Zo|

n

-

-

-

-

--

-

--

-

--

-

--

2

1

1

1

2

1

21

2

22

122

21

121

22

21

222

221

221

211

22

21

222

221

221

211

22

21

222

221

221

211

1

1

1

111

2

1

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

1

1

UQ

pZ

pZ

pZ

C

CC

nn

nn

nn

pnnp

pnnp

pnnp

pnnp

pnnp

pnnp

pnnp

pnnp

pnnp

F

mO

mO

mO

Fn

F

F

n

n

mn

nm

m

m

m

m

mn

nm

m

m

m

m

mn

nm

m

m

m

m

nm

m

m

m

m

m

(13)

Rys. 7. Charakterystyka impedancyjna grupy filtrów połączonych równolegle z odbiornikiem

Rysunek 7 przedstawia charakterystykę impedancyjną zespołu filtrów połączonych równolegle zodbiornikiem gdy podczas projektowania filtrów uwzględniono impedancje odbiornika. Kształt tejcharakterystyki jest taki jak był wymagany w założeniach. Poniżej zestawiono wyznaczone parametry filtrów wyznaczone metodą macierzową zuwzględnieniem impedancji odbiornika dla takich samych danych jak w przykładziewcześniejszym.

nr 5 7 11 13C [F] 38.77 21.67 12.28 13.46L [mH] 10.5 9.5 6.8 4.5

Moce poszczególnych filtrów o parametrach powyższych

kVArQF 4565 kVArQF 2507 kVArQF 14011 kVArQF 15313


0 100

200

300

400

450

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

|ZF||

Zo|

n

Na rysunku 8 zestawiono moce filtrów otrzymane w kolejnych obliczeniach

Rys. 8. Zestawienie mocy poszczególnych filtrów wyznaczone w kolejnych metodach projektowych

Od strony zasilania często dołączane są elementy o charakterystyce indukcyjnej np. transformatory.Na rysunku 9 pokazano schemat zastępczy układu widzianego od strony sieci energetycznej.

Rys. 9. Schemat zastępczy układu widzianego od strony sieci energetycznej

Rysunek 10 przedstawia charakterystykę systemu z rys. 8 dla LTr = 6mH.


ZTr

ZoZ

FSieć energetyczna

1 5 7 11 130

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

5

met 1.met 2.met 3.

QFn

n

Rys. 10. Impedancja układu widziana od strony sieci energetycznej

Z rysunku 10 wynika, że układ będzie ściągał z sieci harmoniczne dla których impedancja układujest minimalna, jednak nie są to harmoniczne dostrojeniowe filtrów. Dla tych harmonicznych możewystąpić rezonans jeżeli takie harmoniczne pojawią się w sieci generowane przez inne odbiornikinieliniowe znajdujące się w pobliżu.Nienależny także zapominać o współpracy filtru z siecią ze względu na harmoniczne generowaneprzez analizowany odbiornik nieliniowy. Schemat zastępczy do takiej analizy pokazano na rysunku11. Dla przykładu Ls = 6mH

Rys. 11. Schemat zastępczy układu do analizy systemu pod względem rezonansu z siecią zasilającą


0 100 200 300 400 500 600 700 8000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

n

Zo

ZS Z

FŹródło harmonicznych

|(ZF||Zo)+ZT

r|

Rys. 12. Charakterystyka systemu widziana od strony odbiornika

Z rysunku 12 wynika, że harmoniczne generowane przez odbiornik nieliniowy w dużej mierze będąpozostawały w układzie odbiornik – filtr i nie będą się przedostawać do sieci energetycznej. Istniejenatomiast zagrożenie, że inne harmoniczne, które mogą wystąpić w sieci np. czwarta harmonicznamoże być powodem wystąpienia rezonansu.

Od teorii do praktyki jest jednak dość daleko. Pomimo prób uwzględnienia coraz większegootoczenia projektowanych filtrów ciągle mogą wystąpić przypadki dla których zaprojektowany filtrmoże być przyczyną nieprawidłowej pracy systemu. Dokonaliśmy szybkiej analizy projektowaniagrupy filtrów prostych jednak w rzeczywistości stosuje się równie często inne struktury filtrów,których analiza już nie jest tak prosta. Również źródłem poważnych błędów może być przyjęteuproszczenie, że RF = Ro = RS = 0. Jest jednak możliwość projektowania grupy filtrów o dowolnej strukturze z uwzględnieniem bardzoszerokiego otoczenia układu oraz bez uproszczeń RF = Ro = RS = 0. Tą możliwość daje dokładnemodelowanie systemu energetycznego w pakietach symulacyjnych np. takich jak Matlab orazzastosowanie optymalizacji metodami z grupy sztucznej inteligencji takimi jak np. AlgorytmyGenetyczne. Metoda optymalizacji, która umożliwia dobór parametrów systemu przy jednoczesnymwykorzystaniu możliwie dokładnego modelu bez uproszczeń i wyidealizowanych założeń jestmetodą godną polecenia.

LITERATURA1. Chi-Jui Wu, Jung-Chen Chiang etc.: Investigation and mitigation of harmonic amplification caused by single-tuned

filters. IEEE Trans. on Power Delivery, 13, 3, 1998.2. Goldberg D. Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning, WNT (in polish) 19953. Hanzelka Z., Klempka R.: Filtry wyższych harmonicznych – wybrane zagadnienia. Napęd i Sterowanie, 3, 9, 2000.4. Hanzelka Z., Klempka R., Pasywne filtry wyższych harmonicznych, Elektroinfo 6/2003


0 100

200

300

400

500

600

700

800

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

|(ZF||Z

S)+Z

o|

n

5. Klempka R., Designing a group of single-branch filters, Electrical Power Quality and Utilisation 2003, Kraków6. Klempka R.: Projektowanie grupy filtrów prostych z uwzględnieniem ich wzajemnych wpływów, Elektroinfo

7/8/20047. Klempka R., Filtry rezonansowe podwójnie nastrojone projektowane algorytmem genetycznym, JUEE 8. Klempka R., Hanzelka Z.: Application of Genetic Algorithm in Double Tuned Filters Design, EPE 2001, Graz,9. Klempka R., Hanzelka Z.: Filtr pasywny podwójnie nastrojony, zaprojektowany Algorytmem Genetycznym.

SENE’01, Łodz, 2001 10.Klempka R., Hanzelka Z.: Filtering Properties of the Selected Double Tuned Passive Filter Structures Designed

Using Genetic Algorithm, EPE PEMC 2002, Dubrovnik,11.Harder J.E.: AC filter arrester application. IEEE Trans. on Power Delivery, 11, 3, 1996.12.Xiao Yao: Algorithm for the parameters of double tuned filter. 8th Int. Conf. on Harmonics and Quality of Power,

Oct. 14-16, 1998, Athens.



__________________________________________________________________0_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

dr inż. Jerzy Przybylskidr inż. Zbigniew SzulcInstytut Sterowania i Elektroniki PrzemysłowejPolitechniki Warszawskiej

Współczesna automatyka napędu elektrycznego a kształtowanie się THD wśrodowisku elektroenergetycznym odbiorcy przemysłowego i jego otoczeniu

1. WstępWspółczesna automatyka napędu elektrycznego opiera się na wykorzystaniu

energoelektronicznych przekształtników i informatyki przemysłowej. Przekształtnikienergoelektroniczne pozwalają na precyzyjne dostarczanie energii elektrycznej o takichparametrach, aby była przetworzona w silniku elektrycznym na energię mechaniczną w postacimomentu napędowego i prędkości obrotowej o wartościach wymaganych przez maszynę roboczą.Układy informatyki przemysłowej sterują i monitorują ten proces. Taka struktura nowoczesnegonapędu elektrycznego pozwala zaspokoić wymagania nowoczesnych technologii przemysłowychoraz oszczędnie gospodarować energią elektryczną.

Źródłem energii elektrycznej dla przekształtników energoelektronicznych jest najczęściej siećelektroenergetyczna zakładów przemysłowych. Struktura obwodów wejściowych przekształtnikówpowoduje, że prąd pobierany z sieci zasilającej ma charakter odkształcony od sinusoidy. Prąd ten naimpedancji sieci zasilającej powoduje spadki napięcia, co w konsekwencji odkształca napięciezasilające. Odkształcony prąd (wg normy – zaburzenie) powoduje szereg objawiających siępogorszeniem się jakości pracy innych odbiorników przyłączonych do tej samej sieci.

Najczęściej stopień odkształcenia prądu lub napięcia ocenia się na podstawie współczynnikazniekształceń harmonicznych (THD – Total Harmonic Distortion) ze wskaźnikami I dla prądu i Udla napięcia.Według definicji:

1

2

2

U

ITHDI

n

hh

(1)

1

2

2

U

UTHDU

n

hh

(2)


przy czym:

I1, U1 – wartość skuteczna pierwszej harmonicznej prądu i napięciaIh, Uh – wartość skuteczna h-tej harmonicznej prądu i napięciah – rząd harmonicznejn – ostatni rząd harmonicznej wzięty do obliczeń

Wartość n przyjmuje się 40 lub 50 (np. norma IEEE519 zaleca sumować do n = 50). Wartościgraniczne przyjmuje się względem wartości znamionowej pierwszej harmonicznej (wg EN 61800-3). Powyższe współczynniki są wynikiem rozkładu odkształconego przebiegu wedługprzekształcenia Fouriera i definicji.

Każdą harmoniczną można odnieść do wartości pierwszej harmonicznej i wówczas dla h-tejharmonicznej prądu i napięcia podaje się współczynniki:

1I

IhHDI h (3)

1U

UhHDU h (4)

Wartości współczynników THD i HD często używa się także w procentach.

2. Przykłady prądów odkształconych

Rys.2.1. Oscylogram prądu zasilającego 3-fazowy tyrystorowy przekształtnik 6-cio pulsowy przy zasilaniu silnika prądu stałego o mocy 160kW / 440V przy znamionowym obciążeniu.


a)

b c)

Rys.2.2. Oscylogramy prądu zasilającego przemiennik częstotliwości z 1-fazowym obwodem wejściowym dla różnychwartości obciążenia. a)- przebieg teoretyczny, , b) prąd rzeczywisty dla 150% obciążenia znamionowego, silnik 540

kW/690V, c)- prąd rzeczywisty dla 50% obciążenia znamionowego, silnik 1,5kW/380V

Rys.2.3. Oscylogram prądu zasilającego falownik napięcia z 6-pulsowym obwodem wejściowymzasilającym silnik klatkowy 740kW/ 660V dla znamionowego obciążenia.

a) b)

Rys.2.4. Oscylogram prądu zasilania falownika małej mocy (750W) z 1-fazowym obwodem wejściowym bez i zzastosowaniem filtru wejściowego (silnik obciążony 60% nominalnego obciążenia).


4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

1 4 0

1 6 0

1 8 0

2 0 0

1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 1 9 0 1

Serie1

5 0

7 0

9 0

1 1 0

1 3 0

1 5 0

1 7 0

1 9 0

1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 1 9 0 1

Serie1

Rys 2.5. Oscylogram prądu zasilania falownika dużej mocy (800kW/690V) z 12-pulsowym obwodem wejściowym(obciążenie silnika 80% nominalnego).

Rys.2.6. Oscylogram prądu zasilającego falownik prądu poprzez transformator 6 kV/3x2,2 kV z 18-pulsowymobwodem wejściowym (silnik 1250kW/6kV, przy obciążeniu 75% wartości znamionowej).


I15_S2

50

70

90

110

130

150

170

190

210

1 25 49 73 97 121

145

169

193

217

241

265

289

313

337

361

385

409

433

457

481

505

529

553

577

601

625

649

673

697

721

745

769

793

817

841

865

889

913

937

961

985

Rys.2.7. Oscylogram prądu w linii zasilającej zakład przemysłowy na poziomie 15kV.

4,19 4,03

11,04 11,13

1,87 1,98

4,313,87 3,813,64

1,54

11,22

0

2

4

6

8

10

12

R1 S1 T1 R2 S2 T2 R3 S3 T3 R8 S8 T8

Rys.2.8. Wartości THDI[%] w rozdzielni 15kV

2,95

10,99

2,66 2,65 3,02

11,0911,19

1,661,22

1,47

3,213,41

0

2

4

6

8

10

12

R1(5) S1(5) T1(5) R2(5) S2(5) T2(7) R3(7) S3(7) T3(7) R8(7) S8(7) T8(7)

[%] HDI

Rys.2.9. Wartości HDI[%] dla piątej (5) i siódmej (7) harmonicznej w prądach fazowych w rozdzielni 15kV

2,942,21

5,07

7,04

4,74

10,07

2,79

3,38

0

2

4

6

8

10

12

R01 R02 R03 R04 R05 R06 R07 R0SF

[%] THDI

Rys.2.10. Wartości THDI[%] w prądach fazowych rozdzielni 6kV.


2,05

8,09

5,08

2,89

6,61

4,54

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

R04(5) R04(11) R06(5) R07(5) R07(7) R07(11)

% HDI

Rys.2.11. Wartości HDI[%] 5-ej (5), 7-ej (7) i 11-ej (11) harmonicznej prądów w rozdzielniach 6kV z najbardziejodkształconymi prądami fazowymi.

Na Rys.2.1 do Rys.2.7 przedstawiono oscylogramy przebiegów prądów odkształconychpobieranych z sieci zasilającej przez rzeczywiste odbiorniki nieliniowe (wyjątek – Rys.2.2aprzebieg teoretyczny). Wszystkie przebiegi wykonano w obiektach przemysłowych. Na Rys. 2.8 doRys.2.11 przedstawiono wykresy rozkładu prądów na harmoniczne składowe z zaznaczeniemwartości THDI% i HDI%. Wartości liczbowe opisują ilościowo przebiegi i umożliwiająsprawdzenie z wartościami granicznymi (maksymalnymi) ujętymi w normach i przepisach.Większość tych przedstawionych zaburzeń powodowała pogorszenie jakości pracy innychodbiorników zasilanych z tej samej sieci elektroenergetycznej.

3. Przykłady odkształconego napięcia sieci elektroenergetycznej

Rys.3.1. Oscylogram napięcia sieci 230 V zakłóconej pracą przekształtników tyrystorowych zasilanych z tego samegoźródła.


Rys.3.2. Oscylogram napięcia w sieci 6kV.

Rys.3.3. Oscylogram napięcia linii 15kV zasilającej zakład przemysłowy.

2,06 2,03

3,51 3,49 3,48

0,6980,95 0,893

1,83

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

RS1 ST1 TR1 RS2 ST2 TR2 RS8 ST8 TR8

[%] THDU (przewodowe)

Rys.3.4. Wartości THDU[%] dla napięć przewodowych w rozdzielni 15kV.\

1,91

1,56

2,041,89

3,41

1,52

0,82

2,28

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

R01 R02 R03 R04 R05 R06 R07 R0SF

[%] THDU

Rys.3.5. Wartości THDU w rozdzielniach 6kV.________________________________________________________________________________Seminarium WYBRANE ZAGADNIENIA JAKOŚCI ZASILANIA I UŻYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ 71

U15_R2

70

90

110

130

150

170

190

1 25 49 73 97 121

145

169

193

217

241

265

289

313

337

361

385

409

433

457

481

505

529

553

577

601

625

649

673

697

721

745

769

793

817

841

865

889

913

937

961

985

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Seria1

Na Rys.3.1 do Rys.3.3 przedstawiono odkształcone przebiegi napięć w sieci jednofazowej 230V,sieci 3-fazowej 6kV i 15kV. Na Rys.3.4 I Rys.3.5 przedstawiono wykresy wartości współczynników THDU% w rozdzielniach6kV i 15kV dużego zakładu przemysłowego, w którym pracuje duża ilość napędów prądu stałegozasilanych z przekształtników tyrystorowych oraz napędy prądu przemiennego z falownikaminiskiego napięcia.

4. Ocena ilościowa środowiska elektroenergetycznego ze współczesnymi układaminapędowymi

Przedstawione powyżej przebiegi prądów i napięć uwidaczniają skalę problemów. Odkształconyprąd pobierany przez odbiorniki energoelektroniczne powoduje harmoniczne zaburzenia napięciasieci zasilającej. Wszystkie odbiorniki przyłączone do tej sieci będą zasilane odkształconymnapięciem o współczynniku THDU i będą zawierały wyższe harmoniczne rzędu h o wartościachokreślonych przez HDU(h). W silnikach prądu przemiennego zasilanych bezpośrednio z tej sieci powstaną dodatkowe stratymocy:- w rezystancjach uzwojeń straty te będą proporcjonalne do (THDI)2

- w obwodzie magnetycznym każda harmoniczna powoduje dodatkowe straty proporcjonalne do:

3,1hU i 2

hf- w izolacji silnika dodatkowe straty mocy są dla każdej harmonicznej napięcia proporcjonalne do:

2hU i hf (częstotliwość h-tej harmonicznej)

oraz htg (tangensa kąta stratności dla danej harmonicznej)

Straty te nagrzewają silnik i izolację przyczyniając się do skrócenia czasu życia technicznegourządzenia.Podobne zależności obowiązują również dla transformatorów przyłączonych do tej samej sieci.W kondensatorach kompensujących każda harmoniczna spowoduje dodatkowy prąd o wartości:

Przy dużych wartościach fh i Uh wartość tego prądu dla wszystkich harmonicznych możedoprowadzać do przekroczenia dopuszczalnego prądu całkowitego i uszkodzenia kondensatora.Odbiorniki włączane do tej sieci w obecności kondensatorów kompensujących, własnychpojemności i pojemności sieci oraz indukcyjności występujących we własnych obwodach oraz wsieci mogą stworzyć warunki do powstania zjawiska rezonansu i to czasem o kilku wartościachczęstotliwości rezonansowej.

Zaburzenia napięcia sieci bardzo często mogą być przyczyną niewłaściwej pracy wszystkichurządzeń opartych o technikę cyfrową. Dotyczy to komputerów oraz mikroprocesorowych układówpomiarów i automatyki.

W celu oceny współczynnika THD wygodnie oprzeć się o normy. Szczególnie może byćprzydatna norma P-EN 61800-3 – Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) z uwzględnieniemspecjalnych metod badań. Zakres normy dotyczy elektrycznych układów napędowych oregulowanej prędkości.

Na podstawie wartości granicznych podanych w tej normie, wykonując pomiary (w istniejącychobiektach) lub obliczając teoretycznie wartości THD lub HD można ocenić stan środowiska


elektroenergetycznego pod względem harmonicznych napięcia i przewidzieć skutki mogącewystąpić.

5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI· Energoelektroniczne układy sterujące silnikami elektrycznymi pobierają odkształcony

prąd z sieci zasilającej powodując zaburzenia napięcia· Współczynnik THDU ilościowo ocenia te zaburzenia i jego wartość najlepiej

wykorzystywać z pomiarów w istniejących obiektach lub wyznaczać teoretyczne podczasprojektowania nowych instalacji.

· Silny wpływ zaburzeń napięcia sieci na wszystkie odbiorniki przyłączane do niej zmuszado dokładnej analizy współczynnika THD.

· Stale rosnąca liczba układów napędowych z przekształtnikami energoelektronicznymipowoduje stałe zwiększanie się wartości THDU we wszystkich sieciach średniegonapięcia i niskiego napięcia

· Najlepszym sposobem ograniczenia wartości THD jest jego analiza podczasprojektowania i stosowanie urządzeń o niewielkich zaburzeniach wprowadzanych dosieci zasilającej:

· W przypadku już istniejących instalacji należy zmierzyć wartość THDU i rozważyćmożliwość stosowania filtrów biernych, aktywnych lub zaprojektować nową linięzasilającą.

· Działania techniczne ograniczające wartość THD są kosztowne i w każdym przypadkunależy przeprowadzić analizę techniczno-ekonomiczną uwzględniając nakłady i efekty.Analiza taka często jest utrudniona ze względu na brak jednoznacznych oszacowańefektów i wymaga dużego doświadczenia w tej dziedzinie.



__________________________________________________________________0_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Krzysztof Lorek [email protected]

Celowość monitorowania jakości i kosztów energii elektrycznej.

Z zagadnieniami jakości energii elektrycznej spotykają się przede wszystkim jejużytkownicy jak również i dostawcy oraz producenci. Jednak ze względu na zupełnie odmiennepotrzeby każdej z tych grup jakość energii najchętniej rozumiana byłaby indywidualnie. Wdawnych latach, gdy produkcja i dystrybucja energii znajdowała się w rękach państwowegomonopolisty, świadomość i oczekiwania użytkownika ograniczały się do biernej konsumpcji, jeżelito oczywiście tylko było możliwe. Same ograniczenia w dostawach energii wprowadzane przezKrajową Dyspozycję Mocy jak i pogarszający się stan techniczny systemów zasilania, którychelementy często pracowały jeszcze długo po zamortyzowaniu się, zwiększając zagrożenie awariiskutkowały dużą nieprzewidywalnością. Konsekwencje takiego stanu były przede wszystkimekonomiczne w postaci strat i kosztów usuwania skutków przerw w dostawach energii. Jednakokres przemian nie ominął i branży energetycznej, wprowadzono ustawę Prawo Energetyczne ipotraktowano energię elektryczną jako towar z wszystkimi tego konsekwencjami.

Prawo a rzeczywistośćGłówną właściwością każdego towaru jest jego jakość, czyli zespół cech, warunki

dostarczania, warunki odbioru i skojarzona z nimi cena jednostkowa. W okresie od 1997 roku dochwili obecnej można było zaobserwować kolejne etapy ewolucji tego prawa w kierunkurzeczywistego urynkowienia i umocnienia odbiorcy energii elektrycznej w pozycji współpartnera.Aby to było możliwe konieczne stało się określenie z jednej strony charakterystycznych cechpoboru energii, jakie musi spełniać odbiorca, aby nie wpływając na pogarszanie jej właściwościmógł zrealizować swoje potrzeby, a z drugiej strony, jeżeli nastąpi niezależne od użytkownikapogorszenie wybranych cech pobieranej energii to należy się zadość uczynienie lub rekompensata wpostaci na przykład obniżenia ceny. Z punktu widzenia dostawcy, jeżeli użytkownik nie dotrzymujewarunków poboru energii zapisanych w umowie wpływając na pogorszenie warunków zasilaniainnych użytkowników możliwe są konsekwencje finansowe w postaci dodatkowych opłat bądźnawet czasowego odłączenia. Aby więc można było prosto i jednoznacznie mówić oposzczególnych cechach energii i jej poboru wprowadzone zostały pojęcia standardówjakościowych. Wykorzystane tu zostały między innymi parametry określane w Polskich Normachktóre nie są obowiązkowe. Niestety jak wiele rzeczy w Polsce tak i tu nie obyło się bez problemówi niejednoznaczności. Brak jest niestety wykładni prawa regulującej wymagania techniczne naprzyrządy do określania parametrów jakości energii. Skutkiem tego jedyne, co jest wymaganeformalnie to legalizacja liczników energii elektrycznej służących do sprzedaży, czyli rozliczeńfinansowych między dostawcą a odbiorcą. Merytoryczne wątpliwości budzi również brakjednoznacznych przepisów regulujących wymagania techniczne torów pomiarowych w zakresiepomiarów szerokopasmowych. Brak świadomości ograniczeń jakie wprowadzają przekładnikipomiarowe skutkuje tym, że metrologicznie nie jesteśmy w stanie określić nawet błędów z jakimiwykonywanie są pomiary zawartości poszczególnych harmonicznych i THD co według mniestanowi swego rodzaju paradoks. W samej wykładni prawa nie obyło się również bez poważnychbłędów. Do najbardziej znaczących można by zaliczyć ustalenie poziomu THD dla niskiegonapięcia na poziomie 1,5% co mogłoby wpędzić dostawców energii w nie lada kłopoty finansowegdyby próbowano to wyegzekwować, ponieważ w wielu ośrodkach miejskich parametr tenkształtuje się na poziomie 2,5-4%. Od dłuższego czasu pojawiają się również sygnały o próbachwprowadzenia współczynników migotania światła, na razie bez ostatecznego skutku.________________________________________________________________________________Seminarium WYBRANE ZAGADNIENIA JAKOŚCI ZASILANIA I UŻYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ 89

Jak będą jednak przebiegały kolejne procesy legislacyjne i czym się to zakończy to taknaprawdę dopiero czas pokaże, bądźmy jednak dobrej myśli i wiary w obiektywne podejścieinstytucji za to odpowiedzialnych.

Cechy jakościowe energii elektrycznej a praktyka i paradoksy eksploatacyjnePodstawowe parametry

jakościowe zostały określonejako standardy jakościowe woparciu o doświadczenia iwymagania eksploatacyjne takiejak ograniczenie poboru średniejmocy czynnej 15.-minutowej iśredniego tangensa w okresiemiesiąca rozliczeniowego oraztolerancji napięcia iczęstotliwości uzupełniającdodatkowymi parametrami woparciu o istniejącą normę PN-EN 50160. Pojawił się równieżparametr średniego napięcia 15.-minutowego z dwomaprzedziałami tolerancji odktórych jest możliwe wyliczenie bonifikaty za niespełnienie warunku lolerancji. Pojawiły sięrównież średnia 10.-minutowa zawartość poszczególnych harmonicznych oraz współczynnikazawartości harmonicznych THD w napięciu. Znaczące jest również określenie cech niezawodnościzasilania określającego sumaryczny czas przerw w dostawie energii wynikający z planowanegowyłączania oraz z nieprzewidywalnych awarii. Tyle po stronie ustawodawcy, a co po stronie realnejrzeczywistości. Jakość energii elektrycznej została potraktowana szerzej w kategoriachkompatybilności elektromagnetycznej. Dotyczy to Norm serii 61000. Precyzują one szczegółowozarówno parametry jakimi opisuje się energię elektryczną jak i zasady pomiarów i wyznaczaniaposzczególnych parametrów. Określone są w nich również wymagania dotyczące przyrządówpomiarowych. Do ciekawych należy norma dotycząca efektu migotania światła wywołanegowahaniami napięcia określanego powszechnie jako Flicker. Posłużono się w niej uproszczeniempolegającym na wyliczaniu intensywności zjawiska świetlnego na podstawie skomplikowanegoalgorytmu analizującego napięcie i przybliżenie wyników na podstawie modelu żarówki. W efekciewspółczynniki Pst i Plt mają sens tylko wtedy gdy dotyczą eksploatacji takich właśnie odbiornikówenergii, a jest ich powoli coraz mniej. Wszelkie inne uogólnienia wykorzystania tychwspółczynników do szeroko pojętej analizy zjawisk o częstotliwościach poniżej 50Hz mają raczejwątpliwą wartość merytoryczną.

Na jakość energii elektrycznej należy również spojrzeć od praktycznej strony eksploatacji.Ciągłość pracy urządzeń jest zagwarantowana ciągłością dostarczania im energii. Chwiloweobniżenie wartości napięcia lub jego brak wywołany chwilowym zwarciem w sąsiednim obwodzie,zasilanym z tego samego punktu i trwającym tyle co czas zadziałania zabezpieczenia tego obwodumoże mieć różne skutki. Najczęściej, dobrze dobrany zasilacz własnego urządzenia posiada rezerwęenergii wystarczającą na takie okoliczności. Może jednak się zdarzyć, że po powrocie napięcia donormy zasilacz bardzo szybko uzupełni brakującą energię, a jeżeli takich urządzeń w naszymobwodzie zasilającym jest więcej, objawem może być chwilowy zwiększony pobór mocy


Wykres przebiegu napięć:[AS-Multi] TE_KL / Miernik 2

228,0

230,0

232,0

234,0

236,0

238,0

240,0

242,0

244,0

246,0

248,0

00:0

001

:00

02:0

003

:00

04:0

005

:00

06:0

007

:00

08:0

009

:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

22:0

023

:00

00:0

0

U [ V ]

U L1U L2U L3

Okres: 2004-03-30 00:00 -2004-03-31 00:00Zakresy zmian napięcia: 229,48 ... 245,75 [ V ] 229,20 ... 245,50 [ V ] 229,23 ... 245,48 [ V ]

wszystkich urządzeń jednocześnie. Takie zjawisko przy braku świadomości podczas projektowaniastruktury zasilania może mieć bardzo złe skutki. Opisane zjawisko jest efektem pewnego stanuprzejściowego występującego losowo. Tu należy przypomnieć, że określenia jakościowewynikające z ustawodawstwa mają charakter statystyczny czyli uśrednianie i zliczanie zjawisk wskali tygodnia, miesiąca bądź roku co ma się nijak do potrzeby nieprzerwanej pracy, czasowozsynchronizowanych procesów technologicznych.

Należy w tym miejscu powiedzieć, że problem impulsowego poboru mocy jest zjawiskiempowszechnym od momentu gdy odbiornikami energii stały się urządzenia elektronicznewyposażone w prostownik z kondensatorem, a jest to już znacząca większość urządzeńpowszechnego użytku i starsze przemysłowe rozwiązania elektronicznego sterowania silnikamielektrycznymi. Analizując przebiegi chwilowe prądów nie trudno zauważyć, że realny przepływprądu w każdym półokresie odbywa się w okolicy maksymalnej wartości chwilowej napięcia.Efektem tego jest, że jeżeli płynie prąd o wartości skutecznej np.: 1A to wartość chwilowa prądupłynącego przez na przykład 2ms każdego półokresu musi osiągnąć co najmniej 5A. Na skalęzjawiska wpływa jednak nie pojedyncze urządzenie lecz miliony urządzeń pracujących w sposóbzsynchronizowany napięciem 50Hz. W efekcie przebiegi chwilowe napięcia w ośrodkach miejskichposiadają charakterystyczne zniekształcenie kształtu sinusoidy w okolicy maksimum wywołanedodatkowymi skumulowanymi spadkami napięcia na poszczególnych odcinkach linii zasilających.Wynikiem tego zjawiska jest pojawianie się wyższych harmonicznych w napięciu i wszystkieskutki eksploatacyjne z tym związane. Jednym z nich są zjawiska rezonansu prądów oraz rezonansunapięć w elementach RLC. Aby zjawiska rezonansów mogły wystąpić konieczne jest jednoczesnespełnienie kilku warunków. Głównym jest skojarzenie elementów LC tak aby ich wypadkowaczęstotliwość rezonansowa była wielokrotnością 50Hz. Elementami mogą być uzwojenia silników,pierwotne i wtórne uzwojenia transformatorów, dławiki, kondensatory baterii kompensacji mocybiernej. Zdolność tłumienia drgań rezonansowych zależy od wypadkowej stratności (niekonieczniemusi mieć charakter liniowy rezystancyjny, szczególnie w obwodach magnetycznych). Tu paradokspolega na tym, że dążymy do jak najdoskonalszych bezstratnych instalacji a niestety zmniejszająone tłumienie potęgując i opóźniając gaśnięcie drgań rezonansowych. Aby jednak zaszło zjawiskorezonansu równoległego w napięciu zasilającym musi wystąpić znacząca wartość harmonicznej oczęstotliwości rezonansowej wypadkowego obwodu. Efektem tego pomiędzy elementami LCwystąpi przepływ dużego prądu tej harmonicznej i może dojść do wielu zjawisk ubocznych np.:przekroczenie prądów nominalnych zwiększający temperaturę elementów bądź wejście obwodówmagnetycznych w zakres nasycenia histerezy. Rezonans szeregowy powstanie w wyniku przepływuprądu z dużą zawartością harmonicznej równej częstotliwości rezonansowej obwodu czego efektembędzie pojawienie się harmonicznej napięcia o znacznej wartości mogącej doprowadzić najczęściejdo przebicia elementu pojemnościowego jako bardziej wrażliwego na tego typu zjawiska.Pobudzenie obwodu rezonansowego może oczywiście wystąpić w wyniku ciągłego występowaniadanego pobudzenia lecz dużo częściej następuje na skutek stanów nieustalonych w wyniku załączeńi wyłączeń poszczególnych odbiorów bądź gwałtownego wzrostu poboru mocy.

Inne zjawisko związane z harmonicznymi polega na wspomnianym wcześniej zjawiskupojawiania się harmonicznych napięcia w wyniku przepływu prądów wyższych harmonicznych odużych wartościach. Element pojemnościowy na przykład kompensator mocy biernej podłączonydo sieci posiada reaktancję pojemnościową zmieniającą się odwrotnie proporcjonalnie do numerukażdej kolejnej harmonicznej. Dlatego też element pojemnościowy stanowi coraz większeobciążenie dla kolejnych wyższych harmonicznych. Jeżeli zgodnie z prawem zawartość na przykład23.-harmonicznej była by mniejsza od 5% (THD jest wówczas na pewno <8%) to prąd jakipłynąłby przez kondensator przekroczyłby wielokrotnie prąd składowej 50Hz i spowodowałby napewno jego zniszczenie. Tu znów paradoks polegający na tym, że średnie zawartości


harmonicznych wynikające z prawa mają się nijak do wymienionych wcześniej zjawiskszkodliwych.

Przepływ prądów wyższych harmonicznych ma jeszcze jeden skutek uboczny. W liniach 4-przewodowych pojawia się prąd w przewodzie neutralnym, który w niektórych przypadkach możeosiągnąć znaczne wartości w stosunku do prądów fazowych i może stanowić zagrożenie dla kablizasilających jeżeli nie zostały pod tym kątem zaprojektowane.

Kolejną cechą określającą jakość jest średnia moc 15-minutowa i jej nie przekraczanie.Możliwie i często stosowane jest automatyczne kontrolowanie jej poziomu przez AutomatycznyStrażnik Mocy zarówno z powodów rozliczeniowych jak i czysto eksploatacyjnych. Zdarza sięjednak przewrotne stosowanie jego pojęcia, a mianowicie chwilowe, znacznie przeciążanie np.wtryskarki zgrzewarki, tak aby średnia moc była w normie. W efekcie występują zjawiska ubocznezapadów napięcia, istnieje również ryzyko jednoczesnego nałożenia się kilku takich zjawisk odsiebie niezależnych czego efektem może być zadziałanie zabezpieczenia i przerwa w dostawieenergii. Jeżeli zachodzi konieczność zaplanowania poziomu zapotrzebowania na moc średnią tochwilowe maksymalne pobory mocy są wręcz niezbędne do oszacowania ryzyka przekroczeniaustalonego progu, szczególnie jeżeli występują duże, chwilowe pobory mocy w stosunku do małejmocy średniej.

Podobnie jest w przypadku analizy mocy biernej. Tu dochodzi jeszcze zjawiskoprzekompensowania wynikające z niewłaściwego doboru nastaw regulatora bądź nawetniewłaściwego doboru sposobu kompensacji. Rzeczywista eksploatacja kompensacji mocy biernejpodsuwa jeszcze inne zjawiska mogące mieć wpływ na jakość. W trakcie eksploatacji bateriikondensatorów może dojść w wyniku chwilowego przeciążenia prądami wyższych harmonicznychdo zadziałania bezpiecznika topikowego wyłączającego konkretny stopień baterii. W przypadkubaterii dławikowych stosuje się zabezpieczenia przed przegrzaniem termicznym dławikaodłączające go. Ponieważ zjawiska te mogą wystąpić w sposób nieoczekiwany, a mają wpływ naskutki finansowe, często są widoczne dopiero po dłuższym czasie natomiast w systemiemonitorowania mogą być zauważone natychmiast,. Jeżeli proces kontroli przepływu mocy średnichzostanie przeprowadzony w rozbiciu na poszczególne fazy może okazać się, że rzeczywistaasymetria obciążeń jest zdecydowanie większa, a konfiguracja uproszczonego pomiaru napięć iprądów do kompensacji mocy biernej była nieoptymalna.

Analiza kosztów zużycia energii jest równie ważnym i coraz bardziej docenianymproblemem wynikającym z eksploatacji energii elektrycznej. Określenie właściwej taryfy jestważnym elementem jednak w przypadku zastosowania układu rozliczeniowego jednotaryfowegojest to raczej nie możliwe. W przypadku analizy kosztów na poziomie pojedynczych odbiorównawet jednofazowych dochodzi jeszcze problem ilości zastosowanych urządzeń.

Co dotychczas w monitoringuMożna by powiedzieć, że dla służb energetycznych czy służb utrzymania ruchu system

monitorowania jest podstawowym zmysłem pozwalającym dostrzec, zrozumieć i przewidzieć to cosię dzieje lub może zdarzyć w systemie zasilania podczas eksploatacji energii elektrycznej. Dlategobardzo istotne jest jakie ma możliwości i ile kosztuje. Panuje jeszcze, choć na szczęście powolizanika zjawisko, że o zakupach decyduje księgowy. Zdarzały się więc przypadki, że zakupionezostały falowniki bez filtrów, go filtr kosztuje czasem prawie drugie tyle, a falownik bez filtru teżbędzie działał., że wyposaża się rozdzielnice w konwencjonalne mierniki analogowe bo sąnajtańsze mimo że trzeba przy nich stać aby cokolwiek zauważyć. Tak naprawdę wydać pieniądze,aby się ich pozbyć jest bardzo prosto. Jednak, aby mieć z tego właściwy pożytek obecnie i nanajbliższą przyszłość to już jest sprawa trudniejsza. W branży energetycznej pojawiło się


dodatkowo bardzo niekorzystne zjawisko demagogii marketingowej. Prawie każdy przyrządpomiarowy mierzący podstawowe parametry elektryczne: napięcia prądy czy moce od razu nazywasię analizatorem. Często porównuje się przyrządy pomiarowe bo jeden i drugi jest analizatorem,tylko jeden jest znacznie tańszy. Agresja marketingi i brak odpowiedzialności za ewentualne skutkiniedomówień stają się niestety coraz bardziej powszechne i uciążliwe.

Celowość monitorowaniaPodstawą każdej decyzji i działania są zebrane wcześniej informacje na odpowiednim

poziomie szczegółowości, odpowiednia wiedza oraz przyjęty wcześniej cel jaki zamierzamyosiągnąć lub do którego zamierzamy dążyć. Obserwując to co w zakresie jakości energiielektrycznej dzieje się w Polsce można by powiedzieć, że powoli rośnie świadomość, że jakośćenergii elektrycznej ma bezpośrednie przełożenie na koszty jej eksploatacji i ekonomiczne skutkidziałalności gospodarczej. Możliwość analizy właściwości otrzymywanej energii i z drugiej stronywpływu na jakość pobieranej energii od dostawcy wywołuje naturalny odruch ekonomiczny każdejze stron, czyli dbanie o własny interes. Jest to chyba najbardziej naturalna siła napędowa postępu wtej branży. W interesie użytkownika jest taki pobór energii aby spełniać warunki umowy zakupu, aw przypadkach wątpliwych mieć informacje uzupełniające na potwierdzenie tego faktu. Wprzypadku dostawcy, w jego interesie jest mieć szczegółowe rozeznanie kto jest przyczynąwystępujących zaburzeń aby w przypadku roszczeń innych odbiorców przenieść odpowiedzialnośćza ewentualne skutki. Każda ze stron ma szansę poznawać i modyfikować własny system zasilaniajeżeli zostaną wykryte zaburzenia funkcjonowania wewnątrz systemu. Zastosowanie dobrzeprzemyślanego systemu monitorowania wprowadza nową jakość do eksploatacji. Automatyczniegromadzone są informacje do których jest natychmiastowy dostęp z dowolnego miejsca.Minimalizuje się w ten sposób czas dostępu do informacji mając jednocześnie gwarancjęgromadzenia wszystkich oczekiwanych zjawisk. Jednoznaczność czasowa rejestrowanych zjawisk ianaliz zużycia energii jest możliwa w systemach w których świadomie nadzoruje się synchronizacjęczasu. Bezpieczeństwo danych może być zwiększone jeżeli przenoszone są już wcześniejzgromadzone dane, a dane pośrednie są kasowane dopiero wtedy gdy to jest konieczne.Podstawowe cechy systemu monitorowania takie jak: wiarygodność, jednoznaczność,bezpieczeństwo danych, odporność na przerwy w komunikacji, odporność na niedoskonałościsystemów informatycznych i wiele innych ma znaczący wpływ na celowość monitorowania.

Podsumowując powtórzę jeszcze raz wcześniejsze słowa, że celowością monitorowaniajakości energii i kosztów zużycia jest dbanie o własny interes każdej ze stron oraz, że nie wszystkiekorzyści da się wprost przeliczyć bezpośrednio na złotówki dlatego często uzasadnieniem jest jużsama eksploatacja systemu w którym dostrzeżemy związek między skutkami a przyczynamiposzczególnych zjawisk aby nie musiały zagrażać w przyszłości. Aby to było jednak możliweważne jest dokładne poznanie właściwości poszczególnych elementów oferowanych systemów, abyspełniały nasze oczekiwania teraz i w najbliższej przyszłości.



__________________________________________________________________0_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


#11Warszawa

Documents

Transcript of #11Warszawa