#12 Bielsko Biała

Seminarium nt.

JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ- OBOWIĄZKI DOSTAWCY I ODBIORCY ENERGII

ELEKTRYCZNEJ

POLSKIE PARTNERSTWO JAKOŚCI ZASILANIA

Europejski Program Leonardo da Vinci

Bielsko-Biała, 17.05.2005

3

SPIS TREŚCI

17 maj 2005 seminarium z cyklu

JAKOŚĆ UŻYTKOWANEJ ENERGII ELEKTRYCZNEJ pt.:

„Jakość energii elektrycznej – obowiązki dostawcy i odbiorcy energii

elektrycznej” 1. Roman TARGOSZ - Polskie Centrum Promocji Miedzi, Wrocław, Zbigniew HANZELKA - Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, Jakość Energii Elektrycznej – Edukacja przez Internet – Europejski Program LPQI

(Leonardo Power Quality Initiative)…………………………………………................................ 5 2. Zbigniew HANZELKA - Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, Podstawowe wymagania w zakresie jakości energii elektrycznej oraz możliwość jej

spełnienia – Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu

i eksploatacji tych sieci z dnia 20 grudnia 2004r.………………………………………………… 15 3. Andrzej FIRLIT - Akademia Górniczo – Hutnicza, Kraków Pasywne i aktywne sposoby eliminacji odkształcenia napięcia ………………………………... 27 4. Krzysztof MATYJASEK – ELMA CAPACITOR, Olsztyn,

Urządzenia do kompensacji mocy biernej w środowisku napięć i prądów odkształconych … 48 5. Mirosław BRANCZEWSKI - SIEMENS Sp. z o.o., Szybka i dokładna identyfikacja słabych punktów systemu elektroenergetycznego

podstawą osiągnięcia wysokiej jakości energii …………………………………………………... 69

6. Alicja MIŁOSZ – SEMICON Sp. z o.o, Warszawa, Przyrządy do pomiaru parametrów jakości energii w ofercie firmy LEM ……………………… 76 7. Antoni DMOWSKI, Renata DZIK, Tomasz DZIK, Mariusz KŁOS – Politechnika

Warszawska, Źródła odnawialne pracujące w układzie hybrydowym ………………….......... 93 8. Piotr ROZWADOWSKI - Zakłady Wytwórcze Sprzętu Sieciowego BELOS S.A. – Bielsko-

Biała, Wpływ jakości osprzętu sieciowego na jakość dostaw energii elektrycznej …………... 107 9. Jacek ŚWIĄTEK, Paweł SZUMOWSKI – APS Energia Sp z o.o, Nowoczesne systemy zasilania instalacji i urządzeń elektrycznych …………………………... 117

5

JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ - EDUKACJA PRZEZ INTERNET – EUROPEJSKI PROGRAM

LPQI (Leonardo Power Quality Initiative)

mgr inż. Roman TARGOSZ Polskie Centrum Promocji Miedzi, Wrocław

prof. dr hab. inż. Zbigniew HANZELKA

Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

1. Streszczenie W referacie przedstawiono Europejski Program Leonardo Power Quality Initiative. Program ten poświęcony jest edukacji o praktycznych aspektach jakości energii. Główne jego narzędzia to poradnik i strona internetowa. Projekt ten był sponosorowany przez Komisję Europejską w ramach programu Leonardo. Program poimimo formalnego rozliczenia się z Komisją Europejską biegnie dalej. Drugim tematem referatu są wyniki z porównania tradycyjnych metod nauczania o jakości energii z nauką przez internet oferowaną przez Leonardo. We wrześniu 2004 roku w Krakowie podczas 7. międzynarodowej konferencji Electrical Power Quality and Utilization (EPQU’03), zorganizowano odrębną sesję poświęconą zagadnieniom nauczania jakości energii elektrycznej. Uzupełnieniem praktycznym tej sesji był eksperyment dydaktyczny porównujący efektywność nauczania tradycyjnego z nauczaniem przez internet. Wykorzystano do tego celu moduł edukacyjny strony internetowej Leonardo Power Quality Inititive.

2. Dlaczego jakość zasilania Ilość problemów technicznych mających związek z jakością zasilania w ciągu ostatnich dwudziestu lat dramatycznie wzrosła. Problemy te dotyczą niezawodności pracy urządzeń i jakości napięcia w sieci zasilającej. Można je podzielić następująco: ciągłość zasilania; krótkie i długie przerwy w zasilaniu powodują przerwanie procesu produkcyjnego i często długą i kosztowną operację jego wznowienia zapady napięcia; skutkują zakłóceniami w pracy urządzeń zwłaszcza sprzętu informatycznego w tym elementów sterowania oraz napędów z płynną regulacją

6

prędkości obrotowej szybkie (tzw. fliker) lub wolne zmiany napięcia zasilającego, niesymetria napięć, przepięcia, problemy z uziemieniem; powodujące zmiany natężenia strumienia świetlnego i związany z tym dyskomfort dla personelu, przegrzanie, uszkodzenie lub niestabilną pracę urządzeń elektrycznych, zakłócenia elektromagnetyczne wysokoczęstotliwościowe np. w transmisji danych harmoniczne napięć i prądów i całą gamę związanych z tym problemów min. awarie silników i transformatorów, dodatkowe straty energii, przegrzanie i upalenie przewodów zwłaszcza neutralnego, zakłócenia w pracy urządzeń i systemów, zwłaszcza sterowanych elektronicznie Głównym powodem takiego stanu rzeczy jest dynamiczny rozwój energoelektroniki. Obecnie trudno sobie właściwie wyobrazić branże, w których można się całkowicie obejść bez różnych elementów energoelektronicznych, takich jak zasilacze impulsowe, prostowniki i falowniki. W ostatnich latach coraz częściej energoelektronika wkracza również w obszar wytwarzania energii. W nowoczesnych elektrowniach wiatrowych, gdzie napięcie generatora posiada częstotliwość inną od sieciowej, czy ogniwach fotowoltaicznych wytwarzających prąd stały układy energoelektroniczne służą do przekształcenia takiego prądu przemiennego lub stałego na prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz. Można się spodziewać coraz powszechniejszego stosowania takich układów z konsekwencjami dla jakości energii w sieci.

3. Leonardo W 2001 roku rozpoczęto realizację projektu Leonardo. Zanim to nastąpiło czekaliśmy na kontrakt z Komisją Europejską na sponsorowanie projektu w ramach projektu edukacyjnego Leonardo. Komisja zgodziła się sponsorować projekt na wartość ponad 600 tysięcy €uro. Kontrakt jak i cały projekt składał się z dwóch zasadniczych części. Jedna to odpowiednio dobrana wiedza o praktycznych 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, których zadaniem w projekcie jest rozwijanie części pierwszej a więc wiedzy. Pomagają w tym inne uczelnie ale też instytucjonalni i afiliowani partnerzy przemysłowi, którzy dołączają do projektu przez cały czas jego trwania. Międzynarodowe Partnerstwo LPQI dzisiaj liczy łącznie ponad 70 partnerów i już od blisko roku wykracza poza Europę. Główne narzędzia LPQI to: Poradnik Jakości Zasilania, unikalne źródło informacji publikowane w częściach. Wydano już 23 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 do magazynu „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 z dokumentami poszerzającymi i pogłębiającymi zakres prezentowanej wiedzy oraz zdjęciami, forum dyskusyjne w tym sekcja najczęściej zadawanych pytań.

7

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

3.1 Poradnik Jakości Zasilania Poradnik składa się z sześciu rozdziałów (pierwsza cyfra numeru) oznaczających kolejno: 1) Materiał wprowadzający 2) Koszty niskiej jakości zasilania 3) Harmoniczne 4) 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 Pomiar. Wielkości Metody likwidacji i łagodzenia zaburzeń Normy Poradnictwo

Można przyjąć, że dwa pierwsze rozdziały mają charakter mniej techniczny i przeznaczone są dla osób mających kluczowy wpływ na podejmowanie decyzji o sposobach reagowania na problemy jakości energii. Z kolei kategorie tematyczne od 3 do 5 przeznaczone są przede wszystkim dla projektantów i osób, zajmujących się w praktyce wdrażaniem różnych rozwiązań. Rysunek 1 Poradnik Jakości Zasilania

8

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 zasilania 3.1 Przyczyny powstawania i skutki działania 3.1.1. Interharmoniczne (w przygotowaniu do wydania polskiego) 3.1.2 Kondensatory w środowisku o dużej zawartości harmonicznych 3.2.2 Rzeczywista wartość skuteczna - jedyny prawdziwy wyznacznik 3.3.1 Filtry pasywne 3.3.3 Filtry aktywne 3.5.1 Wymiarowanie przewodu neutralnego 4.1 Odporność, Pewność, Redundancja Zasilania 4.3.1 Układy rezerwowego zasilania odbiorców 4.5.1 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 napięcia 5.4.2 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 projektowania 6.5.1 Uziemienia – podstawy konstrukcyjne

3.2 Strona Internetowa http://www.lpqi.org 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 jakości energii lub związanej z jakością energii

− Nauka przez internet; nauczanie przez internet za pomocą poradnika jakości zasilania z elementami interaktywnymi

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

− Biblioteka; w tym poradnik w wersji elektronicznej, biblioteka obrazów i innych dokumentów elektronicznych

− Forum dyskusyjne; platforma dyskusyjna typu „pear to pear” w tematach zgodnych z rozdziałami poradnika i innymi związanymi

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

9

Rysunek 2 Strona internetowa Leonardo

4. Nauczanie o jakości energii przez internet – inicjatywa Leonardo

W coraz większym stopniu wiedza jest przekazywana w nowoczesnej formie, umożliwiającej interaktywny kontakt pomiędzy nauczycielem a słuchaczem, wybór własnego tempa nauczania, szybkie pogłębianie wiedzy z innych źródeł. Uczący się, zwłaszcza studenci studiów dziennych, posiadają umiejętność sprawnego korzystania z internetu. Stąd między innymi wynika potrzeba stosowania takich narzędzi nauczania jak tematyczna strona internetowa. Ważnymi elementami takiego procesu nauczania są zadania projektowe rozbudowane o elementy nauczania programowego rozbudzające ciekawość uczącego się i skłaniające go do samodzielnego szukania rozwiązań również w internecie. Eksperyment dydaktyczny towarzyszący konferencji EPQU’04 stanowił próbę oceny skuteczności nauczania metodą tradycyjną – poprzez wykład – oraz wykorzystując do tego celu internet, a ściślej internetowe środowisko przygotowane w ramach europejskiego programu o jakości energii, Leonardo. Eksperyment został zorganizowany pod patronatem europejskiego programu dydaktycznego Leonardo Power Quality Initative (LPQI) którego uczestnikami jest liczne grono partnerów przemysłowych i uczelni technicznych z 10 krajów Europy. Inicjatorami i bezpośrednimi wykonawcami eksperymentu byli pracownicy Akademii Górniczo-Hutniczej z Krakowa oraz Centrum Promocji Miedzi z Wrocławia a także Politechniki Wrocławskiej i Łódzkiej. Data eksperymentu – dzień 17 września 2003 -

10

był pierwszym dniem organizowanej już po raz 7 w Krakowie międzynarodowej konferencji Electrical Power Quality and Utilization (EPQU’03). Jedna z 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 (w nawiasach podano liczbę studentów): Politechnikę Białostocką (1), Lwowską (1), Radomską (8), Warszawską (3), Wrocławską (13), Akademię Morską z Gdyni (5), Państwową Wyższą Szkołę Zawodową z Tarnowa (3) oraz AGH (12). Od uczestników wymagano znajomości podstaw elektrotechniki zgodnie z programem studiów. Studenci zostali podzieleni, w drodze losowania, na dwie grupy A i B, o czym powiadomiono ich wcześniej. Uczestnicy grupy A wysłuchali tradycyjnego wykładu. Uczestnicy grupy B, pracujący w laboratorium komputerowym, wykorzystywali podczas uczenia się materiały ze strony internetowej programu Leonardo w zakresie zgodnym z tematyką wykładów. Grupa A wysłucha czterech wykładów – 4 x 45 min (z jedną 15 minutową przerwą) - dotyczących jakości 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 samej tematyki w oparciu o materiały umieszczone na stronie internetowej programu LPQI. Ponieważ studenci grupy B mogli wcześniej zapoznać się ze stroną internetową programu LPQI, część z materiałów została udostępniona na stronie kilka minut przed rozpoczęciem eksperymentu. Z przeprowadzonych rozmów wynikało, że nieomal wszyscy uczestnicy grupy „internetowej” korzystali ze strony LPQI przed rozpoczęciem eksperymentu. Zasadą było, że zakres wykładów oraz końcowego testu nie może wykraczać poza ramy określone treściami strony internetowej LPQI. 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 uczestników otrzymał arkusz z 39 pytaniami, odnoszącymi się do poszczególnych tematów, na które odpowiadał, w czasie 60 min. wybierając jedną poprawną odpowiedz z pośród czterech podanych możliwości.

11

Rysunek 3 Zdjęcie uczestników eksperymentu w sali wykładowej

Na rysunku 4, z lewej przedstawiono średnie (w % maksymalnej możliwej liczby punktów i w przeliczeniu na jednego uczestnika) wyniki uzyskane w grupie wykładowej, „komputerowej” oraz dla wszystkich uczestników eksperymentu. Widoczna jest niewielka przewaga tradycyjnego wykładu. 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 uzyskania liczby

punktów i w przeliczeniu na jednego uczestnika)

Średnie wyniki dla poszczególnych wykładów uzyskane w 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 metodologicznych osiągnął, zdaniem organizatorów, dwa cele. Udowodnił, że nawet w dobie intensywnego rozwoju informatycznych metod nauczania, rewolucji komputerowej i internetu nie należy zapominać o ogromnej wartości bezpośredniego kontaktu nauczyciela i studenta, bezpośredniej wymiany

Wykład Internet Średnie0

10 20

30 40 50

60 70

% zdobytych punktów

1 2 3 4 0

10

20

30

40

50

60

70

Części testu

% zdobytych punktów

Wykład Internet Srednio

12

informacji i myśli. Truizmem będzie stwierdzenie, że komputer i wykładowca to nie wzajemnie konkurujące strony, lecz partnerzy których współdziałanie gwarantuje ostateczny sukces w postaci dobrze przygotowanych do zawodowego życia absolwentów wyższych uczelni. Organizatorzy osiągnęli jeszcze jeden, bardzo ważny efekt. Zainteresowali młodszych kolegów/studentów bardzo atrakcyjną dziedziną nauki i techniki jaką z pewnością jest jakość dostawy energii elektrycznej. Narzędziem popularyzacji tej wiedzy jest strona internetowa www.lpqi.org. Strona ta, mimo pewnych niedoskonałości, które były omawiane podczas konferencji, posiada wiele zalet; olbrzymi zasięg poprzez tłumaczenie na 11 języków, mnogość sekcji i narzędzi do nauki, wymiany poglądów, szukania informacji.

5. Europejski Przegląd Jakości Energii Zespół d/s Przeglądu Jakości Energii Leonardo realizuje obecnie projekt polegający na zebraniu danych i opinii od użytkowników energii elektrycznej, najbardziej narażonych na problemy z jakością energii. Jednym z głównych celów projektu, jest oszacowanie kosztów niedostatecznej jakości energii w Europie. Leonardo jest w fazie realizacji pilotażowego etapu projektu. Narzędziem do zbierania danych jest plik programu MICROSOFT WORD, stanowiący kwestionariusz, który po wypełnieniu w formie elektronicznej należy odesłać autorom projektu. Rysunek 5 Ankieta Leonardo

13

6. Podsumowanie Coraz szerszego i większego znaczenia nabiera zastosowanie energii elektrycznej w rozwoju nowoczesnego społeczeństwa. Wzrasta zatem waga jej jakości. Potwierdzają to różne wyniki projektu w tym wspomnianej ankiety. Jakość energii jest ciągle rzadkim przedmiotem regularnych studiów technicznych. Wiedza o dostępnych technikach eliminacji i łagodzenia skutków złej jakości energii nie dociera do jej adresatów bez przeszkód. Projekt Leonardo jest źródłem edukacji o jakości energii o międzynarodowym zasięgu w wielu aspektach nowoczesnym i innowacyjnym. Polskie Partnerstwo Jakości Zasilania bardzo aktywnie realizuje „Inicjatywę”. W 2003 roku zrealizowało cykl seminaryjny, przeprowadziło dyskusję o nauczaniu jakości energii na Konferencji EPQU’03, porównało nauczanie tradycyjne z uczeniem się przez internet, przeprowadziło ankietę jakości energii. Na tym nie koniec. Projekt będzie kontynuowany wykorzystując istniejące narzędzia projektu ale wprowadzane są też zmiany służące zdynamizowaniu Inicjatywy. Rozszerza się też zakres międzynarodowego partnerstwa Leonardo, które liczy już ponad 70 partnerów a przykładem wyjścia Leonardo poza Europę jest dołączenie EPRI PEAC z USA do grona partnerów Leonardo. Wyrazem uznania dla LPQI jest przyznanie w grudniu 2004 roku na konferencji w Masstricht jednej z trzech głównych nagród Programu Edukacyjnego Unii Europejskiej naszemu projektowi. Na konkurs wpłynęło łącznie 165 projektów. Rysunek 6 Nagroda EU Leonardo

14

Dodatkowo, szerzej jeszcze niż dotychczas Leonardo, sięga projekt Leonardo - Energy. Leonardo Energy (www.leonardo-energu.org)polega na rozwijaniu kompetencji w dziedzinie energii, zwłaszcza aspektów jej efektywnego wykorzystania, również w kontekście polityki energetycznej Unii Europejskiej elektrycznej i komunikowaniu o tym w obiektywny i fachowy sposób.

15

Podstawowe wymagania w zakresie jakości energii elektrycznej oraz możliwość jej spełnienia –

Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci

elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci z dnia 20 grudnia 2004 r.

prof. dr hab. inż. Zbigniew HANZELKA Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy w sprawie szczegółowych warunków.... będące przedmiotem niniejszego artykułu jest w praktyce wprowadzeniem do polskim przepisów postanowień normy europejskiej PN EN 50 160: 2002 Charakterystyki napięcia w publicznych sieciach zasilających. Norma ta w jej oryginalnej postaci ma charakter opisu stanu jakości zasilania w typowej europejskiej sieci zasilającej w normalnych warunkach pracy. Jest to stan pracy sieci rozdzielczej, w którym pokryte jest zapotrzebowanie na moc, obejmujący operacje łączeniowe i eliminację zaburzeń przez automatyczny system zabezpieczeń przy równoczesnym braku wyjątkowych okoliczności spowodowanych wpływami zewnętrznymi lub czynnikami pozostającymi poza kontrolą dostawcy. Norma dotycząca sieci nn i SN, została w Rozporządzeniu rozszerzona o wymagania odnoszące się do sieci WN oraz wymagania w zakresie ciągłości dostawy energii elektrycznej. Parametry napięcia podane w niniejszym rozporządzeniu tj. częstotliwość, wartość, kształt przebiegu czasowego oraz symetria w układach trójfazowych nie są przeznaczone do stosowania jako dopuszczalne poziomy emisji zaburzeń przewodzonych dla odbiorców zasilanych z publicznych sieci rozdzielczych. Warunkiem utrzymania dolnych parametrów napięcia zasilającego w podanych granicach jest pobieranie przez odbiorcę mocy nie większej od mocy umownej, przy współczynniku tgφ nie większym niż 0,4. Wymagania podane w Rozporządzeniu mogą być zastąpione w całości lub w części kontraktem zawartym pomiędzy indywidualnym odbiorcą a dostawcą energii elektrycznej.

16

Częstotliwość sieciowa częstotliwość napięcia zasilającego - liczba powtórzeń w przebiegu czasowym składowej podstawowej napięcia zasilającego zmierzona w określonym przedziale czasu. Znamionowa częstotliwość napięcia zasilającego powinna wynosić 50 Hz. W normalnych warunkach pracy wartość średnia częstotliwości, mierzonej przez 10 s, powinna być zawarta w przedziale - dla sieci połączonych synchronicznie z systemem elektroenergetycznym

50 Hz ± 1 % (tj. 49,5... 50,5 Hz) przez 95 % roku, 50 Hz + 4 %/-6 % (tj. 47... 52 Hz) przez 100 % czasu.

- dla sieci bez synchronicznego połączenia z systemem elektroenergetycznym (np. sieci zasilających na niektórych wyspach) 50 Hz ± 2 % (tj. 49... 51 Hz) przez 95 % tygodnia, 50 Hz ± 15 % (tj. 42,5... 57,5 Hz) przez 100 % czasu.

Nie ma trudności z spełnieniem wymagań dotyczących tego zaburzenia. W przypadku niektórych przyrządów pomiarowych (gorszej jakości) mogą wystąpić odstępstwa zmierzonej częstotliwości w stosunku do wartości znamionowej jako efekt błędnych algorytmów pomiarowych. Wartość napięcia napięcie zasilające - Wartość skuteczna napięcia w określonej chwili w złączu sieci elektroenergetycznej, mierzona w określonym przedziale czasu.

W każdym tygodniu, 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale odchyleń: ±10% napięcia znamionowego dla sieci o napięciu znamionowym 110 kV i 220 kV +5%/-10% napięcia znamionowego dla sieci o napięciu znamionowym 400 kV ±10% napięcia znamionowego dla odbiorców zaliczanych do grup przyłączeniowych III-V W okresie przejściowym do końca roku 2008 dopuszcza się przedział napięcia 230/400V +6%/-10%, a po tym okresie ±10% napięcia znamionowego. Spełnienie wymagań dotyczących tego zaburzenia to typowa praktyka dostawcy energii, powszechnie znana i w ogromnej większości przypadków stosowana z sukcesem. Nie należy jednakże zapominać, że przyjęcie percentyla 95% jako podstawę regulacji wartości napięcia oznacza, że podczas 5% czasu tygodnia (ponad 8 h) napięcie może przekroczyć dopuszczalne przedziały wartości (niekiedy bardzo znacznie) z wszystkimi z tego faktu wynikającymi konsekwencjami. Pomiary, szczególnie na poziomie WN, wykazują najczęściej silną korelację pomiędzy wartością napięcia i prądem obciążenia w skali czasu: doby, tygodnia miesiąca (rys. 1).

17

Rys. 1. Zmiany wartości skutecznej napięć fazowych w okresie przykładowego tygodnia oraz

wzajemna zależność napięć i prądów fazowych (110 kV)

W przebiegu dobowym, na rysunku 2, wyraźnie widoczny jest wzrost obciążenia w okresie pracy zakładów przemysłowych oraz wieczorny szczyt obciążeniowy spowodowany głównie przez odbiorców komunalnych. Na rysunku 3 przedstawiono, na tle przykładowego przebiegu dobowej zmiany prądu, wzrost wartości skutecznej napięcia na skutek skokowego odciążenia linii.

Rys. 2. Przykładowa dobowa zmiana wartości

napięcia na tle zmian prądów

Rys. 3. Przykładowa tygodniowa zmiana napięć

fazowych i prądów Wahania napięcia wahania napięcia - seria zmian napięcia lub cykliczna zmiana obwiedni napięcia Poziom dyskomfortu spowodowanego migotaniem światła, wyznaczany jest metodą pomiarową UIE-IEC i określany za pomocą wskaźnika długookresowego migotania światła (PIt), obliczonego w sekwencji 12 kolejnych wartości Pst występujących w okresie dwóch godzin. Przez 95% czasu każdego tygodnia, wskaźnik długookresowego migotania światła PIt spowodowanego wahaniami napięcia zasilającego nie powinien być większy od:

- 0,8 dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych I i II - 1,0 dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych III-V.

18

Zaburzenie to pojawia się po raz pierwszy w polskich regulacjach dotyczących jakości energii. Można przypuszczać, że egzekucja spełniania wymagań określonych w rozporządzeniu będzie trudna z dwóch powodów: (1) znaczącego poziomu wahań w „miękkich” sieciach zasilających nn oraz (2) ze względu na brak dobrej aparatury pomiarowej – mierników migotania. Przykład 1

Rys. 4. Schemat ideowy analizowanego obwodu (Przykład 1)

Rysunek 4 przedstawia schemat ideowy przykładowego, analizowanego obwodu zasilającego wraz z zaznaczonym punktem przyłączenia przyrządu pomiarowego. Odbiorca X skarżył się na migotania światła żarówek, zbieżne w czasie z pracą jednofazowej spawarki (4,8kVA) w zakładzie blacharskim odbiorcy Y. Tygodniowa rejestracja wartości skutecznej napięcia wykazała, że jego wartość przez 100% czasu pomiaru zawarta była w przedziale 230V+5%,-10% (rys. 5). Pomiar wahań napięcia potwierdził jednakże zasadność skarg odbiorcy – rysunek 5.

Faza A

Min. 205.5V Śred. 229.7V Max. 236.0V

Faza B Min. 197.0V Śred. 228.4V Max. 241.8V

Faza C Min. 175.1V Śred. 228.0V

Max. 233.7V

Rys. 5. Tygodniowa rejestracja wartości skutecznej napięcia w punkcie przyłączenia odbiorcy X (rys. 4)

Zgodnie z Rozporządzeniem ...w dowolnym tygodniu, długookresowa uciążliwość migotania światła spowodowanego wahaniami napięcia powinna spełniać warunek

1≤LtP przez 95% czasu pomiaru. Warunek ten nie został spełniony w fazach B i C – rysunek 6. Warunki zasilania, jeżeli chodzi o wahania napięcia nie są więc prawidłowe. W analizowanym przypadku znaczącą redukcję wahań uzyskano zastępując spawarkę jednofazową, trójfazowym półautomatem spawalniczym:

SN=100kW Yzn5 4,25% PCu=1,722kW PFe=0,469kW

YAKY 4x35mm2 AL 4x35mm2 AL 4x25mm2

Odbiorca X

AsXS 4x50mm2 YAKY 4x35mm2

Odbiorca Y

Miejsce przyłączenia przyrządu

50m 447m 16m

0,4kV

15,75kV

19

SN=5,3kVA, 92,0cos =ϕ , współczynnik przeciążenia = 1,11. Analiza obwodu wykazała możliwość uzyskania maksymalnej redukcji napięcia wywołanej pracą spawarki do wartości około 0,5%. W przypadku spawarki jednofazowej o mocy 4,8 kVA (stan pierwotny), względny spadek napięcia szacowano na poziomie 1,13%. Przedstawiony przykład ilustruje tezą, że w warunkach „miękkich” sieci zasilających istotnym problemem, z punktu widzenia zarówno negatywnych skutków, jak i trudności technicznych oraz dużych kosztów eliminacji, będą w polskich warunkach wahania napięcia. Przykład 2 Testowi poddano przyrządy do pomiaru uciążliwości migotania światła skonstruowane zgodnie z postanowieniami normy PN EN 61000-4-15. Celem była ocena przydatności tych mierników do pomiarów wahań napięcia o różnym przebiegu w czasie, występujących w systemach zasilania. Eksperyment miał odpowiedzieć na pytanie, czy wskazania przyrządów spełniających wymagania stosownej normy, są zgodne między sobą w przypadku pomiaru tego samego sygnału napięciowego o losowo zmodulowanym przebiegu czasowym. W pomiarach wykorzystano dziesięć różnych mierników migotania światła, których konstruktorzy w specyfikacji technicznej zdeklarowali zgodność ich produktu z postanowieniami normy PN EN 61000-4-15. Schemat rozdzielni wraz z zaznaczonym miejscem podłączenia poszczególnych mierników przedstawiono na rysunku 7. Punkty pomiarowe znajdowały się po stronie wtórnej transformatora zasilającego, na poziomie napięcia międzyfazowego

30=RMSU kV. Przyrządy biorące udział w pomiarach zostały podłączone poprzez przekładniki napięciowe o wartości napięcia strony wtórnej 100 V.

WSPÓŁCZYNNIK PLT PRZEBIEG UPORZĄDKOWANY Faza A

Faza A

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

1,19% 9,52% 19,05% 29,76% 39,29% 50,00% 59,52% 69,05% 80,95% 89,29% 97,62%

% czasu pomiaru

PLT

Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie A, wartość współczynnika PLT przekracza 1 – 2,38%.

20

Faza B

Faza B

0,0000,2000,4000,6000,8001,0001,2001,4001,6001,8002,000

1,19% 9,52% 17,86%26,19%34,52%42,86%51,19%60,71%71,43%80,95%89,29%98,81%

% czasu pomiaru

PLT

Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie B, wartość współczynnika PLT przekracza 1 – 9,6%.

Faza C

Faza C

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

1,2% 9,5% 17,9% 26,2% 35,7% 46,4% 54,8% 63,1% 71,4% 79,8% 88,1% 96,4%

% czasu pomiaru

PLT

Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie C, wartość współczynnika PLT przekracza 1 – 19,2%.

Rys. 6. Przebiegi czasowe współczynników PLT oraz wykresy uporządkowane dla poszczególnych faz układu

Pomiar trwał siedem dni. Synchronizację pomiarów poszczególnych przyrządów zrealizowano poprzez zsynchronizowanie wewnętrznych zegarów mierników oraz zegarów komputerów wykorzystanych w trakcie pomiarów względem GPS. Przebieg zmian wskaźnika Plt, wraz z powiększeniem wybranego fragmentu zamieszczono na rysunkach 8 i 9.

21

Rys. 7. Schemat ideowy układu zasilania elektrostalowni, miejsca przeprowadzenia testów

Rys. 8. Przebieg zmian wskaźnika Plt

Rys. 9. Zmiany Plt w wybranym okresie czasu

Wartości wskaźników Plt, które nie były przekroczone przez 95 % (CP95) i 99 % (CP99) czasu pomiaru podano w Tabeli 1.

TR1 160 MVA

6 6

8 7

25 MVA 105 MVA

II Ia

5 4

21,6 Mvar + 9,0 Mvar

Piec 21,6 Mvar

Piecokadź 20,7 Mvar

30 kV Instrument 4,9

Instrument 10

Instrument 5

Instrument 1,2,3,6,7,8

22

Tabela 1. Wartości wskaźnika Plt nie przekroczone przez 95% (CP95) i 99% (CP99) czasu trwania

pomiaru Faza L1 Faza L2 Faza L3 CP95 CP99 CP95 CP99 CP95 CP99

Przyrząd 1 3,48 4,31 3,52 4,52 3,61 4,63 Przyrząd 2 7,47 9,12 7,46 9,36 7,64 9,70 Przyrząd 3 6,75 8,31 6,91 8,79 7,08 9,08 Przyrząd 4 5,70 6,91 5,58 7,50 5,83 7,42 Przyrząd 5 6,87 8,55 7,06 8,76 7,23 9,20 Przyrząd 61 15,38 16,99 15,25 17,02 15,51 17,44 Przyrząd 7 7,37 8,46 7,42 8,79 7,62 8,86 Przyrząd 82 6,92 8,42 ---- ---- ---- ---- Przyrząd 9 7,15 8,62 7,11 8,90 7,44 8,86 Przyrząd 10 7,00 8,63 7,09 9,27 7,36 9,32

1Przyrząd (6) mierzył przez 69,35% okresu pomiaru pozostałych przyrządów, dlatego jako 100% czasu trwania pomiaru dla tego przyrządu przyjęto wartość 699 (w przypadku pozostałych przyrządów 1008)

2 Przyrząd (8) mierzył wskaźnik lst tylko w fazie L1

Wszystkie mierniki uczestniczące w eksperymencie, zgodnie z deklaracją producentów i konstruktorów, spełniały wymagania określone w normie PN EN 61000-4-15. Pomimo tego wskazania przyrządów, przyłączonych w tym samym punkcie pomiarowym i mierzących w tym samym czasie ten sam sygnał napięcia, różnią się znacząco pomiędzy sobą. Można stwierdzić, że wymagania stawiane przez poprzednią wersję normy (przed jej nowelizacja w 2003 roku) nie były wystarczająco precyzyjnie sformułowane, co zostawiało konstruktorom zbyt dużą dowolność w opracowywaniu poszczególnych konstrukcji miernika migotania. Nie należy zapominać, że takie przyrządy funkcjonują jeszcze na rynku i są wykorzystywane w pomiarach. Niesymetria niesymetria napięcia - w sieciach trójfazowych stan, w którym wartości skuteczne napięć fazowych lub kąty fazowe między kolejnymi fazami nie są równe. W ciągu każdego tygodnia, 95 % ze zbioru 10-minutowych, średnich wartości skutecznych składowej symetrycznej kolejności przeciwnej napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale od: 0 do 1 % wartości składowej kolejności zgodnej dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych I i II. 0 do 2 % wartości składowej kolejności zgodnej dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych III-V. Można przypuszczać, że spełnienie wymagań rozporządzenia, z wyjątkiem szczególnych przypadków, nie powinno być trudne. Będzie to tym łatwiejsze im wyższy będzie poziom napięcia. Na rysunku 10 przedstawiono przykładowy tygodniowy przebieg czasowy współczynnika asymetrii (iloraz składowej przeciwnej i zgodnej napięcia). Jego wartość jest zauważalnie większa podczas weekendu, co

23

jest stanem typowym na poziomie WN na którym dokonano pomiaru. Szczególnie duży poziom asymetrii występuje w porze wieczornego szczytu obciążeniowego.

Rys. 10. Typowa zmiana współczynnika ka w czasie przykładowego tygodnia – poziom WN

Harmoniczne harmoniczna napięcia - napięcie sinusoidalne o częstotliwości równej całkowitej krotności podstawowej częstotliwości napięcia zasilającego. Harmoniczne napięcia mogą być określone: - indywidualnie, przez ich względną amplitudę (Un) odniesioną do napięcia

składowej podstawowej U1, gdzie h jest rzędem harmonicznej, - łącznie, na przykład przez całkowity współczynnik odkształcenia

harmonicznymi THD, obliczany zgodnie z następującym wyrażeniem:

( )∑=

=40

2

2

hhuTHD

W ciągu każdego tygodnia, 95 % ze zbioru 10 minutowych, średnich wartości skutecznych każdej harmonicznej napięcia powinno być mniejsze lub równe: - wartościom podanym w Tabeli 2 ... dla podmiotów zaliczanych do grup

przyłączeniowych I i II. Ponadto, współczynnik THD napięcia zasilającego (uwzględniający wszystkie harmoniczne, aż do rzędu 40) powinien być mniejszy lub równy 3 %.

- wartościom podanym w Tabeli 3 ... dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych III-V. Ponadto, współczynnik THD napięcia zasilającego (uwzględniający wszystkie harmoniczne, aż do rzędu 40) powinien być mniejszy lub równy 8 %.

Poziomy odkształcenia napięcia mierzone wartością współczynnika THD lub wartościami indywidualnych harmonicznych mogą zostać przekroczone. Są to najczęściej przypadki lokalne, wymagające każdorazowej analizy i indywidualnego podejścia, także w zakresie środków zaradczych. Metody redukcji odkształcenia są zasadniczo znane, a ich wybór to zadanie techniczne i ekonomiczne. Problemami, które mogą być przyczyną kłopotów są: (1) jakość przyrządów pomiarowych i konieczność weryfikacji poprawności pomiarów; (2) rozproszone odbiorniki

24

nieliniowe małej mocy i trudności przeciwdziałania ich negatywnemu, kumulującemu się wpływowi oraz problem (3) lokalizacji źródeł odkształcenia w sieci zasilającej oraz określenia stopnia odpowiedzialności dostawcy i odbiorcy energii elektrycznej.

Tabela 2: Wartości poszczególnych harmonicznych napięcia w złączu sieci elektroenergetycznej odbiorcy dla rzędów do 25, wyrażone w procentach Un

nieparzyste harmoniczne nie będące krotnością 3 będące krotnością 3

parzyste harmoniczne

rząd h

wartość względna napięcia

rząd h


rząd h


5 7 11 13 17 19 23 25

2 % 2 % 1,5 %

1,5 % 1 % 1 %

0,7 %

3 9 15

>21

2 % 1 % 0,5 % 0,5 %

2 4

>4

1,5 % 1 % 0,5 %

>25 0,2 + 0,5 ·(25/h)

Tabela 3: Wartości poszczególnych harmonicznych napięcia w złączu sieci elektroenergetycznej odbiorcy dla rzędów do 25, wyrażone w procentach Un

nieparzyste harmoniczne nie będące krotnością 3 będące krotnością 3

parzyste harmoniczne

rząd h


rząd h


rząd h


5 7 11 13 17 19 23 25

6 % 5 % 3,5 % 3 % 2 %

1,5 % 1,5 % 1,5 %

3 9 15

>15

5 % 1,5 % 0,5 % 0,5 %

2 4

>4

2 % 1 % 0,5 %

Wpływ rozproszonych odbiorników nieliniowych małej mocy Na rysunkach 11 i 12 przedstawiono typową zmianę wartości współczynnika THD podczas doby roboczej i świątecznej. Wartości te są w większości czasu pomiaru skorelowane ze zmianami prądu. Zmiany THD mają regularny charakter w poszczególnych dniach tygodnia. W przebiegu tygodniowym współczynnik THD osiąga wartość maksymalna w końcowej części weekendu (rys. 12).

25

(a) (b) Rys. 11. Zmiana współczynnika odkształcenia napięć fazowych podczas przykładowej doby (a) roboczej

i (b) świątecznej (WN)

THD i harmoniczne napięcia fazowego L1

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

THD H3 H5 H7 H11

[%]

CP99CP95CP50CP05

Rys. 12. Przykładowa zmienność tygodniowa THD napięcia fazowego

Rys. 13. Przykładowe, typowe widmo harmoniczne napięcia

Na rysunku 13 przedstawiono typowe widmo harmoniczne napięcia z dominującymi harmonicznymi, z pośród których nieomal zawsze największą wartość przyjmie składowa 5. rzędu. Lokalizacji źródeł odkształcenia w sieci zasilającej Często, w przypadku znaczącego odkształcenia napięcia w sieci zasilającej, w złączu pomiędzy dostawcą i odbiorcą energii elektrycznej, występuje potrzeba zlokalizowania źródła tego zaburzenia. Nabiera to szczególnego znaczenia w okresie formułowania kontraktów na dostawę energii i egzekwowania, poprzez taryfy, opłat za pogarszanie jakości zasilania. W wielu przypadkach wymagane jest także określenie ilościowego udziału dostawcy i odbiorcy (odbiorców) energii w całkowitym odkształceniu napięcia w punkcie wspólnego przyłączenia (PWP). Wiele praktycznych metod lokalizacji źródeł harmonicznych opiera się na badaniu kierunku przepływu mocy czynnej dla poszczególnych harmonicznych. Metoda ta nie zawsze daje poprawne wyniki.

26

Podsumowanie Rozporządzenie nie obejmuje takich zaburzeń jak: krótkie przerwy w zasilaniu i zapady napięcia, przepięcia oraz interharmoniczne. Szczególnie ważne są dwa pierwsze zaburzenia, ze względu na ich skutki techniczne i ekonomiczne oraz wpływ na sposób pomiaru wszystkich innych zaburzeń – podczas ich wystąpienia nie należy prowadzić pomiarów innych zaburzeń. Są one także przykładem zaburzeń, które powinny być w coraz większym stopniu uwzględniane w kontraktach na dostawę energii zawieranych pomiędzy jej dostawcą i odbiorcą. LITERATURA: 1. Bień A., Hanzelka Z., Hartman M. i inni: Voltage fluctuations measurement – experiment in the

industrial environment. Electrical Power Quality and Utilisation, 7, 2, 2001 2. PN-EN 61000-4-15: 1999 Metody badań i pomiarów – Miernik migotania światła 3. Test Protocol – IEC Flickermeter Used in Power System Monitoring. Prepared by UIE WG2

“Power Quality” 2001. 4. PN EN 50 160: 2002 Charakterystyki napięcia w publicznych sieciach zasilających 5. PN-EN 61000-4-7: 1998 Ogólne wytyczne dla przyrządów i metod pomiarów harmonicznych

i interharmonicznych dla systemów zasilania i urządzeń przyłączonych do sieci 6. ROZPORZADZENIE MINISTRA GOSPOGARKI I PRACY z dnia 20 grudnia 2004 r. w sprawie

szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci

27

PASYWNE I AKTYWNE SPOSOBY ELIMINACJI ODKSZTAŁCENIA NAPIĘCIA

mgr inż. Andrzej FIRLIT1) Akademia Górniczo – Hutnicza, Kraków

1. WPROWADZEINIE

Przyczyną odkształcenia napięć i prądów w danym punkcie systemu elektroenergetycznego jest powszechne stosowanie układów energoelektronicznych oraz dużych odbiorników asymetrycznych (np. piece łukowe, indukcyjne), które są nieliniowe i niestacjonarne. W krajach wysoko rozwiniętych, z nowoczesną technologią przemysłu około 70% produkowanej energii elektrycznej przekształca się przy użyciu układów energoelektronicznych. Szacuje się, że w USA w 1992r. 15%-20% energii elektrycznej zużywały odbiorniki nieliniowe, natomiast w 2001r. było to już 60%-80% [3][8]. Wzrost liczby odbiorników energoelektronicznych (odbiorników nieliniowych) przyczynił się do znacznego zwiększenia poziomu zawartości wyższych harmonicznych (wh) oraz uwidocznił ich negatywny wpływ na sieć zasilającą. Dla przykładu, na rysunku Rys.1 [1][4] pokazano dynamikę wzrostu zawartości piątej harmonicznej w napięciu sieci zasilającej niskiego napięcia na przestrzeni 20 lat w Niemczech.

2,0

2,53,0

3,54,0

4,55,0

5,56,0

6,5

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997Rok

Zaw

arto

ść 5

. har

mon

iczn

ej w

st

osun

ku d

o po

dsta

woj

[%]

Rys.1 Zawartość 5. harmonicznej w sieci zasilającej nn w Niemczech

1) Akademia Górniczo – Hutnicza, 30-059 Kraków, Al. Mickiewicza 30,

tel. 012 6173593, fax. 012 6332284, e-mail: [email protected]

28

Natomiast, na rysunku Rys.2 przedstawiono przykładowe przebiegi napięcia i prądu oraz widmo przebiegu napięcia zarejestrowane w jednym z krakowskich zakładów przemysłowych, w którym pracuje duża liczba napędów przekształtnikowych. Zmierzone wartości współczynników odkształcenia napięcia i prądu wynosiły: THDu = 14,5%, THDi = 120%.

Rys.2 Przebiegi napięcia i prądu zarejestrowane w środowisku przemysłowym oraz widmo napięcia

Nową jakością w dziedzinie wyższych harmonicznych jest fakt, że w coraz większym stopniu rolę dominujących źródeł wh pełnią nie odbiorniki przemysłowe, lecz rozproszone odbiorniki komunalne o małych mocach jednostkowych, lecz występujące w bardzo dużej liczbie. Ich łączne negatywne oddziaływanie na sieć zasilającą uwidacznia się szczególnie w porze wieczornego szczytu obciążeniowego (Rys.3).

Rys.3 Przykładowa dobowa wartość 5. harmonicznej w napięciu sieci 110kV (a)

oraz dobowe wartości 3., 5., 7. harmonicznej i THD w sieci nn w środowisku komunalno-przemysłowym (b)

Na rysunku Rys.4 przedstawiono uproszczony schemat systemu elektroenergetycznego. Składowa prądu zasilającego odbiornik nieliniowy – )(nI wywołuje na impedancji zastępczej sieci zasilającej )(nsZ spadek napięcia

( ) )()( nnsn IZU =∆ . Spadek ten powoduje odkształcenie napięcia w punkcie wspólnego przyłączenia (PWP).

(a) (b)

29

PWP

U(1) )()1()1( nPWP UUUU ∆+∆+=

Odbiornik nieliniowy

Odbiornik czuły na wh napięcia

)()1( nII +

)(

)1(

nS

S

Z

Z

)()()(

)1()1()1(

nnSn

S

IZU

IZU

=∆

=∆

t t

Rys.4 Odkształcenia napięcia w PWP będącego rezultatem spadku napięcia )(nU∆

2. SPOSOBY ELIMINACJI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH

Rys.5 Metody redukcji skutków obecności wyższych harmonicznych

Redukcja wartości wh napięcia, tym samym redukcja skutków ich obecności, to zespół technicznych działań dotyczących każdego z trzech elementów środowiska elektromagnetycznego: źródła zaburzenia, odbiornika oraz układu sprzęgającego odbiornik ze źródłem harmonicznych. Błędem jest obarczanie odpowiedzialnością za złą jakość energii elektrycznej wyłącznie końcowych jej odbiorców i zmuszanie wyłącznie ich do ograniczenia wartości generowanych harmonicznych. Również dostawca energii powinien wśród wielu różnych działań prowadzić ciągłą kontrolę poziomu odkształcenia napięcia, aby wykluczyć niebezpieczeństwo jego rezonansowego wzrostu. Rozwiązania techniczne podejmowane w celu redukcji wartości generowanych harmonicznych zależą od rodzaju odbiornika. Dotyczą, bowiem zmian w jego strukturze lub zmian technologicznych. Przykładowo w przypadku pieca łukowego jest to cały zespół działań zmierzających do „uspokojenia” pracy pieca. Na rysunku Rys.5 przedstawiono schematycznie zestawienie różnych przedsięwzięć technicznych, celem, których jest zmniejszenie

Wzrost mocy zwarcia w PWP

Metody redukcji harmonicznych

Filtry wh Odpowiednie skojarzenie uzwojeń transformatora

Redukcja wartości wh w prądzie odbiornika

np. w przekształtnikach

aktywne pasywne

hybrydowe Aktywne interfejsy wejściowe

Kształtowanie prądu w strukturze przekształtnika

Obwody pasywne Aktywne kształtowanie prądu wejściowego

Metody magnetyczne

Przekształtniki z jednostkowym współczynnikiem mocy

Układy wielopulsowe

Kompensacja strumieni

30

szkodliwego harmonicznego oddziaływania układów nieliniowych na sieć zasilającą. Szczegółowe omówienie każdego z nich przekracza ramy tego opracowania. Zainteresowani czytelnicy mogą zapoznać się z nimi w licznych pozycjach książkowych z dziedziny energoelektroniki. W dalszej części opracowania została omówiona tylko technika filtracji pasywnej i aktywnej.

3. FILTRACJA PASYWNA

Rys.6 Przykładowy schemat klasyfikujący różne rodzaje filtrów wh

3.1. Równoległe pasywne filtry wyższych harmonicznych W przypadku, gdy współczynnik odkształcenia napięcia przekracza (dla instalacji istniejących) lub przekroczyłby (dla nowo projektowanych instalacji) dopuszczalną wartość, powstaje potrzeba przyłączenia do szyn zasilających filtrów wh. Są to obecnie prawie wyłącznie filtry równoległe, które w efekcie odpowiedniego doboru wartości elementów biernych LC stanowią gałąź o małej impedancji bocznikującą impedancję sieci zasilającej. Spełniają podwójną rolę. Odciążają system zasilający od wh prądu oraz są źródłem potrzebnej do kompensacji mocy biernej podstawowej harmonicznej. Wszystkie konfiguracje filtrów dla tej harmonicznej mają charakter pojemnościowy. Układ filtrów jest projektowany każdorazowo dla konkretnego punktu zasilania systemu tak, aby uzyskać pożądany przebieg częstotliwościowej charakterystyki impedancyjnej. Rys.6 przedstawia schemat klasyfikujący różne rodzaje filtrów wh. Filtry rezonansowe proste i podwójnie nastrojone gwarantują małą impedancję dla wybranych częstotliwości rezonansu szeregowego gałęzi, podczas gdy filtry tłumione mają małą impedancję w szerokim przedziale wartości częstotliwości. Stąd ich inna nazwa – filtry szerokopasmowe. Najczęściej stosuje się filtry rezonansowe dla pojedynczych harmonicznych oraz filtr szerokopasmowy. Nie wyklucza to oczywiście możliwości stosowania innych rozwiązań – korzystnych technicznie i ekonomicznie - w konkretnych przypadkach zastosowań.

FILTRY WH

Aktywne Wejściowe np. w układach energoelektronicznych

Szeregowe Równoległe Szeregowo-równoległe

Proste, jednogałęziowe

Podwójnie nastrojone

Pierwszego rzędu

Drugiego rzędu Trzeciego rzędu

Pasywne

Tłumione

31

Rys.7 Schemat zastępczy filtru prostego (a) oraz jego typowe charakterystyki impedancyjne:

filtru (b); filtru wraz z siecią zasilającą (c)

Schemat zastępczy oraz typowe charakterystyki impedancyjne filtru prostego oraz układu filtr prosty - sieć zasilająca przedstawia rysunek Rys.7. Rezystancja R jest głównie rezystancją dławika, bowiem jej wartość dla kondensatorów jest praktycznie pomijalna. Gałąź filtru przyłączona do zacisków odbiornika nieliniowego dostrojona do generowanej przez niego harmonicznej n-tego rzędu powoduje, że w idealnych warunkach płynie ona tylko w jego obwodzie, a nie jest obecna w sieci zasilającej. Filtry są w zasadzie projektowane tak, aby każda z filtrowanych częstotliwości miała swój własny obwód filtracyjny dostrojony – poprzez odpowiedni dobór wartości indukcyjności i pojemności – do rezonansu szeregowego dla wybranej częstotliwości filtrowanej harmonicznej. Znając wartości wh prądu występujących w miejscu przewidywanego zainstalowania filtrów, zakłada się ich eliminację zaczynając od najmniejszej występującej harmonicznej sprawdzając następnie kolejno współczynnik odkształcenia napięcia, aż do uzyskania pożądanego ograniczenia jego wartości. Rysunek Rys.8 przedstawia przykładową instalację filtrów dla napędu przekształtnikowego prądu stałego wraz ze schematem zastępczym oraz charakterystyką impedancyjną w PWP. Do współpracy z układem przekształtnikowym 6-pulsowym stosuje się najczęściej filtry 5. harmonicznej, rzadziej, głównie przy dużych mocach układów tyrystorowych – filtry 5. i 7. harmonicznej. W tym ostatnim przypadku istotny jest optymalny – z punktu widzenia przyjętego kryterium np. minimum strat, kosztów lub gabarytów itp. – rozdział mocy biernej dla harmonicznej podstawowej pomiędzy poszczególne filtry.

n

Impedancja filtru ZF oraz sieci zasilającej

n

Impedancja filtru ZF

ZF

C (XC)

L (XL)

R

(a)

(b)

(c)

32

10

5

][ΩZ

IFSP IF5

IFSPIF7IF5IS

I(n)

Harmoniczne prądu – n = 5, 7, 11, 13, ...

F5 F7

R

Filtr szerokopasmowy (FSP) (a)

IFŹródło harmoniczne

IS

IF

(b)

f [Hz]

100 200 300 400 500 600

Impedancja sieci zasilającej

Impedancja sieci zasilającej i filtrów

Rys.8 Przykładowa instalacja filtrów dla napędu przekształtnikowego prądu stałego (a) wraz z:

schematem zastępczym (b) oraz charakterystyką impedancyjną w PWP (c)

33

3.2 Szeregowe pasywne filtry wyższych harmonicznych

Impedancja zastępcza filtru szeregowego ZF

)(nI

Odbiornik nieliniowy

Impedancja zastępcza sieci zasilającej ZS

U

Układ energo-elektroniczny

ZF ZF

Szeregowy filtr pasywny

Szeregowy filtr aktywny

Równoległy filtr pasywny o rzędzie częstotliwości rezonansowej - nR (a)

Rys.9 Filtr szeregowy do redukcji wh w sieci zasilającej (a) oraz charakterystyki częstotliwościowe szeregowego filtru pasywnego (b)

Do grupy rozwiązań technicznych kształtujących impedancję sieci zasilającej należy zaliczyć również filtry szeregowe. W tym przypadku celem działania nie jest redukcja impedancji zastępczej źródła zasilania lecz wręcz przeciwnie jej wzrost dla wybranej/wybranych wh (Rys.9b). Dzięki temu zasadniczej poprawie podlega skuteczność działania równoległych filtrów pasywnych przyłączanych do zacisków nieliniowego odbiornika reprezentowanego na rysunku Rys.9 przez źródło prądu )(nI . Impedancja zastępcza filtru szeregowego ZF powinna mieć wartość: − bliską zero dla podstawowej harmonicznej (aby nie wpływała na wymianę energii

pomiędzy źródłem zasilania i odbiornikiem w dziedzinie tej harmonicznej), − bardzo dużą dla harmonicznej filtrowanej przez pasywny filtr równoległy (o rzędzie

nR). Spowoduje to, że prąd tej harmonicznej będzie płynął prawie wyłącznie w obwodzie tego filtru, nie będzie obecny w sieci zasilającej.

Pasywny filtr szeregowy może być zrealizowany, w najprostszej postaci, jako dwójnik równoległy LC połączony szeregowo pomiędzy źródło zasilania i odbiorniki, w którym występuje rezonans równoległy dla harmonicznej o rzędzie nR. Dla tej harmonicznej impedancja filtru ma bardzo dużą wartość, tym samym blokowany jest jej przepływ w sieci zasilającej.

(b)

34

3.3 Wady filtrów pasywnych1

1. System elektroenergetyczny wraz z filtrami pasywnymi stanowi słabo tłumiony układ RLC wymagający na etapie projektowania uważnej analizy charakterystyk częstotliwościowych w celu wykluczenia zjawisk rezonansowych. Już dla częstotliwości bliskiej częstotliwości rezonansowej następuje silne wzmocnienie tej harmonicznej w napięciu zasilających (pod warunkiem, że występuje pobudzenie harmoniczne w układzie).

2. Skuteczność działania filtru zależy bardzo silnie od impedancji systemu zasilającego w punkcie jego przyłączenia. Zwykle jej wartość nie jest dokładnie znana i zmienia się wraz ze zmianą konfiguracji sieci.

3. Filtry ulegają rozstrojeniu na skutek zmian częstotliwości zasilania oraz zmian wartości elementów składowych LC (np. w efekcie procesu starzenia kondensatorów). Negatywny tego skutek można zredukować między innymi poprzez odpowiednie dostrojenie filtru lub zmniejszenie jego dobroci. Ten ostatni sposób daje jednakże wzrost strat mocy czynnej oraz wzrost nie filtrowanej harmonicznej w napięciu. Idealna filtracja przy pomocy filtrów pasywnych nie jest więc możliwa szczególnie w przypadku niestacjonarnych wh.

4. W prądzie filtru zawarte są również wh płynące pod wpływem harmonicznych napięcia źródła zasilania. Możliwy jest przypadek rezonansu szeregowego filtru z impedancją systemu.

5. Filtrowaniu podlegają tylko wybrane wh o dominujących wartościach. Nie są filtrowane harmoniczne uznane za niecharakterystyczne dla odbiornika, które mogą jednakże wystąpić w jego prądzie zasilającym.

6. Filtry pasywne stanowią duży i kosztowny element systemów kompensacji. W przypadku filtrów pojedynczych harmonicznych ich liczba odpowiada ilości filtrowanych wh. Stosowanie w ich miejsce filtrów wyższych rzędów w praktyce obniża skuteczność filtracji, wymaga elementów składowych o dużych mocach oraz obniża sprawność instalacji.

7. Filtry powodują zakłócenia teletransmisyjne.

1 Opracowano wiele aktywnych układów energoelektronicznych, które instalowane w gałęziach filtrów pasywnych

poprawiają skuteczność ich działania.

35

4. FILTRACJA AKTYWNA

W obliczu intensywnego wzrostu harmonicznych zanieczyszczeń w sieciach zasilających oraz wad tradycyjnych metod redukcji ich negatywnych skutków, zaistniała potrzeba opracowania elastycznego, dynamicznego oraz „samodostrajającego się” urządzenia umożliwiającego eliminację zaburzeń i zakłóceń oraz poprawę parametrów pracy sieci elektroenergetycznych. Urządzenie to znane jest jako energetyczny filtr aktywny2 EFA.

XLXSZródlo zasilania

SE

NieliniowyodbiornikEFA

Zródlo zasilania:• sinusoidalne• symetryczne• sztywne

Odbiornik:• niegenerujacy wyzszych harmonicznych• niepobierajacy mocy biernej (DPF = 1, PF = 1)• symetryczny


SE



SE


Zródlo zasilania:• sinusoidalne• symetryczne• sztywne

Odbiornik:• niegenerujacy wyzszych harmonicznych• niepobierajacy mocy biernej (DPF = 1, PF = 1)• symetryczny

Rys.10 Idea energetycznego filtru aktywnego

Zadaniem EFA Rys.10, w przypadku idealnym, jest zapewnienie takiego stanu w danym punkcie systemu elektroenergetycznego, aby ze strony odbiornika „widoczne” było sinusoidalne, symetryczne i sztywne zasilanie. Natomiast ze strony systemu elektroenergetycznego „widoczny” był niegenerujący wh, niepobierający mocy biernej oraz symetryczny odbiornik. Przy czym sam EFA nie powinien stanowić obciążenia dla systemu energetycznego. Technika aktywnej filtracji jest już dojrzałą, dziedziną energoelektroniki umożliwiającą w chwili obecnej:

− filtrację wyższych harmonicznych prądu, − kompensację mocy biernej, − filtrację wyższych harmonicznych napięcia, − symetryzację zasilania i obciążenia, − stabilizację napięcia, − eliminację wahań napięcia – zjawisko migotania światła (flicker efekt), − bezprzerwowe zasilanie – niektóre systemy EFA łączą aktywną filtrację

z funkcją bezprzerwowego zasilania. Szeroki zakres zadań może zostać osiągnięty indywidualnie lub w kombinacji, w zależności od konfiguracji oraz strategii sterowania EFA, które powinny zostać odpowiednio określone w oparciu o zapotrzebowanie. Warto zwrócić również uwagę na takie zalety EFA, jak: zabezpiecza przed zmianami częstotliwości, np. podczas pracy generatora awaryjnego, nie występuje ryzyko rezonansu przy żadnej częstotliwości harmonicznej, możliwość programowania przez użytkownika tak, aby w razie potrzeby eliminował wybrane częstotliwości harmoniczne. EFA jest rozwiązaniem stosunkowo łatwym do zastosowania nawet przy złożonych problemach. Dzięki swojej elastyczności, co do możliwości zastosowania, może być dalej wykorzystywany nawet po zmianach w konfiguracji w danej sieci elektroenergetycznej.

2 W literaturze anglojęzycznej spotykane są nazwy i skróty: Active Filters AF, Active Power Line Conditioners APLC,

Instantaneous Reactive Power Compensators IRPC, Active Power Filters APF, Active Power Quality Conditioners APQC.

36

Problematyka poprawy jakości energii elektrycznej staje się w coraz większym stopniu, jednym z pierwszoplanowych zagadnień współczesnej elektrotechniki. Stąd ilość publikacji dotyczących aktywnej filtracji jest bardzo duża i ciągle rośnie. Dziedzina ta stanowi obecnie jedną z intensywniej rozwijających się gałęzi współczesnej energoelektroniki. Wynika to przede wszystkim z:

− wzrostu wymagań dotyczących jakości energii elektrycznej zarówno ze strony producenta, dystrybutora, jak i odbiorcy;

− względów ekonomicznych: efektywna gospodarka energią elektryczną, unikanie strat spowodowanych awariami, unikanie kosztów wynikających z ewentualnych kar finansowych, dbałość o jakość produktu itp.;

− współczesna technika półprzewodnikowa pozwala konstruować przekształtniki o dużej mocy i dużej sprawności – opracowano elementy energoelektroniczne o krótkich czasach wyłączania, tj. bipolarne tranzystory BJT (bipolar junction transistors), tranzystory typu MOSFET, tyrystory SIT (static induction thyristors), tyrystory GTO (gate–turn–off thyristor) oraz tranzystory mocy IGBT (insulated gate bipolar transistors);

− możliwe jest przetwarzanie sygnałów w krótkim czasie, odpowiednim do śledzenia szybkich zmian stanu energetycznego niespokojnych i nieliniowych odbiorników, dzięki rozwojowi technologii czujników pomiarowych, wzmacniaczy izolacyjnych i separatorów oraz mikroelektroniki ze szczególnym uwzględnieniem procesorów sygnałowych DSP;

− nie bez znaczenia jest również ciągły rozwój istniejących oraz poszukiwanie nowych metod umożliwiających opracowanie układu (algorytmu) sterowania EFA.

4.1. Klasyfikacja EFA EFA można podzielić ze względu na typ przekształtnika, topologię i układ zasilania.

A. Typ zastosowanego przekształtnika: typu źródło napięcia VSI3 – dominujący, typu źródło prądu CSI4.

B. Topologia układu: równoległa, szeregowa, kombinacja szeregowego i równoległego EFA – uniwersalny

EFA, hybrydowa – kombinacja szeregowego EFA i równoległego FP.

C. Układ zasilania: jednofazowy – dwuprzewodowy, trójfazowy:

− trójprzewodowy, − czteroprzewodowy.

3 ang. voltage source inverter – VSI 4 ang. current source inverter – CSI

37

4.1.1. Klasyfikacja EFA ze względu na typ przekształtnika

Przekształtnik typu źródło napięcia VSI

Źródło zasilania

SE

Nieliniowe obciążenie

iS iL

iC

vd

Źródło zasilania

SE


iS iL

iC

vd

Rys.11 EFA na bazie falownika napięcia VSI

Na Rys.11 przedstawiono schemat równoległego EFA do realizacji, którego wykorzystano falownik napięcia PWM na bazie tranzystorów IGBT, gdzie elementem gromadzącym energię jest kondensator. Ten typ przekształtnika jest dominujący w zastosowaniu do EFA. Do jego zalet należy możliwość tworzenia układów wielopoziomowych i wielostopniowych w celu uzyskania lepszych parametrów pracy oraz zmniejszenia częstotliwości łączeń. Przekształtnik typu źródło prądu CSI

Źródło zasilania

SE


iS iL

iC

id

Źródło zasilania

SE


iS iL

iC

id

Rys.12 EFA na bazie falownika prądu CSI

Rys.12 przedstawia schemat równoległego EFA do realizacji, którego wykorzystano falownik prądu PWM na bazie tranzystorów IGBT z dławikiem, jako elementem gromadzącym energię. Zachowuje się on jak niesinusoidalne źródło prądu. Układy o topologii CSI są stosowane rzadziej niż VSI, między innymi ze względu na gabaryty dławików stałoprądowych spełniających funkcję magazynu energii (analogiczną jak kondensator w układach VSI). Ich główną zaletą jest wyższa odporność na zwarcia w porównaniu do układów typu VSI.

38

4.1.2. Klasyfikacja ze względu na topologię układu Rozróżnia się dwa podstawowe sposoby przyłączania układów EFA do linii zasilającej: równolegle i szeregowo. W zależności od tego mówi się o równoległych EFA i szeregowych EFA oraz filtracji (kompensacji) równoległej – prądowej i szeregowej – napięciowej. Ponadto, jako oddzielne wyróżnia się jeszcze dwie grupy: szeregowo-równoległe EFA nazywane uniwersalnymi EFA, będące kombinacją szeregowego i równoległego EFA oraz hybrydowe EFA powstałe w wyniku kombinacji najczęściej szeregowego EFA i równoległego FP.

• TOPOLOGIA RÓWNOLEGŁA

Źródło zasilania

SE


iS iL

iC

vd

Źródło zasilania

SE


iS iL

iC

vd

iC

vd

iC

vd

Rys.13 Równoległy EFA

Równoległy EFA Rys.13 jest najczęściej stosowanym układem filtracji aktywnej. Stanowi sterowane źródło prądu dodawczego iC przyłączone równolegle do odbiornika. Suma prądu iC oraz iS pobieranego z linii zasilającej daje prąd iL pobierany przez odbiornik. W rezultacie (w przypadku idealnym i przy odpowiednim sterowaniu) można doprowadzić do tego, że wszystkie składowe prądu iL niepożądane w prądzie sieci iS przepływają wyłącznie w obwodzie odbiornik – EFA i nie obciążają źródła napięcia. Równoległy EFA wprowadza do układu prąd kompensujący będący w przeciwfazie do niepożądanej składowej prądu iL, aby wyeliminować wyższe harmoniczne i/lub składową bierną prądu w punkcie wspólnego podłączenia. W ten sposób równoległe EFA umożliwiają:

filtrację wyższych harmonicznych prądu, praktycznie niezależną od impedancji sieci i na poziomie nieosiągalnym dla filtrów biernych LC,

kompensację mocy biernej (składową bierną prądu odbiornika o częstotliwości podstawowej),

symetryzację obciążenia, redukcję wahań napięcia (zjawisko migotania światła).

Stosowany jest najczęściej na wejściu nieliniowego odbiornika końcowego. Układy te, poza większymi możliwościami funkcjonalnymi, charakteryzują się również znacznie lepszymi właściwościami dynamicznymi niż kompensatory tradycyjne np. FC/TCR.

39

• TOPOLOGIA SZEREGOWA

Źródło zasilania

SE


iS iL

vd

vAFŹródło zasilania

SE


iS iL

vd

vAF

Rys.14 Szeregowy EFA

Szeregowy EFA Rys.14 dołączony jest do sieci elektroenergetycznej za pomocą transformatora dopasowującego. Wprowadza w ten sposób w szereg ze źródłem napięcia VSE dodatkowe sterowanie źródło napięcia dodawczego VAF. Suma napięć źródła VSE i VAF układu szeregowego EFA pomniejszona o spadki napięcia na impedancji linii zasilającej jest napięciem odbiornika. Szeregowe EFA można wykorzystać np. do:

eliminacji wyższych harmonicznych napięcia wprowadzanych przez źródło zasilania oraz odbiornik,

symetryzacji oraz regulacji (stabilizacji i redukcji załamań) napięcia na zaciskach odbiornika lub danego punku sieci elektroenergetycznej (umożliwiają zabezpieczenie się przed negatywnymi skutkami zapadów napięcia),

niektóre konfiguracje umożliwiają eliminację wyższych harmonicznych prądu odbiornika, kompensację mocy biernej oraz redukcję wahań napięcia (zjawisko migotania światła).

• TOPOLOGIA SZEREGOWO-RÓWNOLEGŁA – UNIWERSALNY EFA

Źródło zasilania

SE


Linia zasilająca

iS iL

iC

vAFŹródło zasilania

SE


Linia zasilająca

iS iL

iC

vAF

Rys.15 Uniwersalny EFA

40

Bardzo korzystne ze względu na połączenie cech użytkowych są systemy składające się z szeregowego i równoległego EFA Rys.15. Systemy takie, mogące również współpracować z filtrami pasywnymi LC w połączeniu hybrydowym, nazywane są zintegrowanymi sterownikami przepływu mocy (układami UPFC5) lub uniwersalnymi EFA (UEFA). W układach UEFA ważną rolę odgrywa obwód pośredniczący dc z elementem magazynującym energię, który uczestniczy w wymianie mocy czynnej między szeregowym i równoległym EFA. Bez niego cechy użytkowe UEFA byłyby tylko prostą sumą cech stosowanych układów EFA. Dla układu z Rys.15 funkcję elementu magazynującego energię spełnia bateria kondensatorów. Jeśli UEFA jest budowany na bazie układów EFA o topologii CSI, to wspólnym magazynem energii jest dławik, nadający obwodowi dc uczestniczącemu w wymianie mocy charakter prądowy. Możliwy jest też łączony charakter obwodu dc, prądowo-napięciowy lub napięciowo-prądowy, w zależności od połączenia układów EFA (CSI-VSI lub VSI-CSI). Wymiana energii przez element źródłowy umożliwia stosowanie UEFA wtedy, gdy jeden z układów EFA (zazwyczaj szeregowy) jest stale źródłem/odbiornikiem energii. W szczególności taka sytuacja występuje wówczas, gdy regulowane jest napięcie odbiornika. W przypadku zastosowania w tym celu tylko szeregowego EFA musi być zapewniona możliwość dodatkowego dostarczania i odbioru energii z elementów źródłowych. W układzie UEFA, przedstawionym na Rys.15, w celu podtrzymana wartości energii zgromadzonej w kondensatorze, drugi EFA np. równoległy pobiera/oddaje moc czynną o wartości takiej samej jak pierwszy szeregowy EFA (powiększoną lub pomniejszoną o moc strat). Poza regulacją (stabilizacją) napięcia odbiornika, obszar zastosowań układów UEFA w zakresie poprawy jakości energii elektrycznej obejmuje również:

nadążną kompensację mocy biernej i szybkozmiennych wahań mocy czynnej, symetryzację obciążenia, symetryzację i regulację napięcia w stacjach rozdzielczych, eliminację wyższych harmonicznych prądów i napięć.

W układach UEFA ze względów praktycznych istotna jest kolejność dołączenia szeregowego i równoległego EFA do linii zasilającej. Na przykład łącząc EFA w innej kolejności niż pokazana na Rys.15 w przypadku filtracji harmonicznych prądu odbiornika oraz napięcia zasilania, przez obydwa układy EFA przepływają odkształcone prądy, a na ich zaciskach występują odkształcone napięcia. W takim przypadku będzie zachodziła wymiana mocy czynnej związanej z harmonicznymi prądu i napięcia. Jeden EFA będzie niepotrzebnie pobierał z sieci, a drugi oddawał pewną średnią moc czynną. Taka cyrkulacja mocy czynnej nie wystąpi w układzie EFA o kolejności połączeń układów EFA jak na Rys.15. W tym przypadku prąd płynący przez szeregowy EFA i napięcie na zaciskach równoległego EFA są sinusoidalne i występują tylko wysokoczęstotliwościowe pulsacje chwilowej mocy czynnej. Warto zaznaczyć, że podobne zagadnienie występuje przy jednoczesnej symetryzacji prądu odbiornika i napięcia zasilania. UEFA umożliwia dostarczenie tzw. czystej energii do krytycznych odbiorników takich, jak specjalistyczny sprzęt informatyczny, czy sprzęt medyczny itp.

5 ang. Unified Power Flow Controller – UPFC

41

• TOPOLOGIA HYBRYDOWA – kombinacja EFA i równoległego filtru pasywnego FP

Źródło zasilania

SE


iS iL

np. i(5)

vAF

vd

Źródło zasilania

SE


iS iL

np. i(5)

vAF

vd

Źródło zasilania

SE


iS iL

np. i(5)iC

vd

Źródło zasilania

SE


iS iL

np. i(5)iC

vd

Źródło zasilania

SE


iS iL

iC

vAF

Źródło zasilania

SE


iS iL

iC

vAF

Rys.16 Hybrydowe EFA

Filtrami hybrydowymi nazywa się ogólnie połączenia energetycznych filtrów pasywnych LC z układami EFA. Główną częścią filtru hybrydowego jest filtr pasywny eliminujący wyższe harmoniczne niższego rzędu. Układy EFA, w zależności od topologii filtru hybrydowego, pracują, albo jako sterowanie źródła napięcia, albo jako źródła prądu dodawczego. Ich zadaniem jest przede wszystkim poprawa właściwości kompensacyjno-filtrujących FP. Z kolei dołączenie filtru pasywnego do układu EFA pozwala poprawić jego właściwości energetyczne, ponieważ pracując bez układów biernych mają dużą moc pozorną, porównywalną z mocą kompensowanych składowych, co jest ich zasadniczą wadą. W wyniku tego otrzymujemy zmniejszenie napięcia występującego na zaciskach lub prądu wyjściowego EFA, a przez to również ustalonej jego mocy, co pozwala na zmniejszenie rozmiaru i kosztów. Duża popularność tego rozwiązania wynika, również z faktu pracujących już w systemie elektroenergetycznym filtrów pasywnych. Istnieje wiele konfiguracji filtrów hybrydowych, przykładowe pokazano na Rys.16.

42

4.1.3. Klasyfikacja ze względu na układ zasilania (liczbę faz)

• JEDNOFAZOWE – dwuprzewodowe Jednofazowe EFA są stosowane w trzech konfiguracjach, jako: szeregowe, równoległe i uniwersalne (kombinacja szeregowego i równoległego) z obydwoma typami falowników PWM: napięcia VSI i prądu CSI. Szeregowe EFA zasadniczo stosuje się do eliminacji zaburzeń o charakterze napięciowym oraz filtracji wyższych harmonicznych napięcia. Natomiast równoległy EFA jest używany do filtracji wyższych harmonicznych prądu i kompensacji mocy biernej.

• TRÓJFAZOWE – trójprzewodowe Wszystkie konfiguracje EFA przedstawione na rysunkach Rys.11–Rys.16 są stosowane w układach trójfazowych trójprzewodowych. Równoległe EFA projektowane są również na bazie trzech jednofazowych EFA z oddzielnymi transformatorami izolacyjnymi, w celu odpowiedniego dopasowania napięcia oraz niezależnej kompensacji każdej fazy.

• TRÓJFAZOWE – czteroprzewodowe Do sieci trójfazowej czteroprzewodowej oprócz odbiorników trójfazowych mogą być dołączone odbiorniki jednofazowe. W przypadku ich dużej liczby oraz nierównomiernego obciążenia poszczególnych faz przyczynia się to do nadmiernej wartości prądu w przewodzie neutralnym oraz niesymetrii obok poboru mocy biernej i obecności wyższych harmonicznych. W celu eliminacji tych problemów opracowano trójfazowe, czteroprzewodowe EFA, których najczęściej stosowane równoległe struktury przedstawiono na rysunkach Rys.17– Rys.19. Oprócz równoległych EFA stosowane są również szeregowe, hybrydowe i uniwersalne EFA, z falownikami PWM zarówno napięcia VSI, jak i prądu CSI. W konfiguracji przedstawionej na Rys.17 zastosowano dzieloną pojemność. Układ ten znalazł zastosowanie w zakresie mniejszych wartości nominalnych, gdyż cały prąd przewodu neutralnego przepływa przez kondensator Cdc. Konfigurację z falownikiem czterogałęziowym przedstawia Rys.18. Dodatkowa gałąź falownika jest wykorzystywana do stabilizacji prądu przewodu neutralnego EFA. Trzecia konfiguracja EFA Rys.19, złożona z trzech jednofazowych przekształtników dołączonych do obwodu głównego za pomocą transformatorów, umożliwia odpowiednie dopasowanie napięcia dla elementów energoelektronicznych oraz podniesienie niezawodności systemu.

iCa

iSa iLa

iLb

iLc


iCc iCb

iSb

iSc

Cdc

Cdc

ab

c

iLniSn

iCn

Źródło zasilania

SE

iCa

iSa iLa

iLb

iLc


iCc iCb

iSb

iSc

Cdc

Cdc

ab

c

Cdc

Cdc

ab

c

Cdc

Cdc

ab

c

iLniSn

iCn

Źródło zasilania

SE

Rys.17 Czteroprzewodowy równoległy EFA z dzieloną pojemnością

43

iSa iLa

iCa

iLb

iLc


iCc iCb

iSb

iSc

iLniSn

iCn

Cdca

bc

n

Źródło zasilania

SE

iSa iLa

iCa

iLb

iLc


iCc iCb

iSb

iSc

iLniSn

iCn

Cdca

bc

n

Źródło zasilania

SE

Rys.18 Czteroprzewodowy równoległy EFA z czterogałęziowym przekształtnikiem

iSa iLa

iLb

iLc


iSb

iSc

iLniSn

Cdc

a

b

c

TriCciCbiCa

Źródło zasilania

SE

iSa iLa

iLb

iLc


iSb

iSc

iLniSn

Cdc

a

b

c

TriCciCbiCa

Źródło zasilania

SE

Rys.19 Czteroprzewodowy równoległy EFA złożony z trzech przekształtników jednofazowych

44

4.2. Przykładowe przebiegi oraz widma napięć i prądów przed i po zastosowaniu EFA

4.2.1. Równoległy EFA

Schemat blokowy badanego układu trójfazowego, równoległego EFA przedstawiono na rysunku Rys.20.

Cdc

EFA

UKŁAD

STEROWANIA

iLT

iLS

iLRRLdc

ODBIORNIK

LLdc

RuR

RuS

ZS

iST

iSS

iSR

ZS

ZS

ŹRÓDŁO ZASILANIA

S

T

R

iF

Rys.20 Schemat równoległego EFA

Rozważano pracę układu w warunkach odkształconego napięcia zasilania oraz niezerowej impedancji wewnętrznej źródła zasilania. Celem EFA jest uzyskanie po stronie źródła współczynnika mocy PF = 1 oraz sinusoidalnego prądu iS, odpowiadającego podstawowej harmonicznej prądu odbiornika iL. Jako nieliniowy odbiornik, którego oddziaływanie na sieć podlega kompensacji, zastosowano 6-pulsowy sterowany przekształtnik tyrystorowy z filtrem RL po stronie dc oraz dwójniki rezystancyjne w fazach R, S w celu wytworzenia stanu asymetrii prądowej. Odkształcenie napięcia zasilającego uS(t), o impedancji wewnętrznej ZS, w punkcie podłączenia odbiornika było na poziomie THDUs ≈ 4,5 %, będące w głównej mierze skutkiem oddziaływania innych odbiorników podłączonych do tego punku. Przebieg napięcia zasilającego uS (t), oraz jego widmo dla fazy R przedstawia rysunek Rys.21.

Rys.21 Przebieg napięcia zasilającego uSR(t), uSS(t), uST(t) (a) oraz jego widmo dla fazy R (b)

6-pulsowy przekształtnik tyrystorowy wraz z dwójnikami rezystancyjnymi w fazach R i S stanowi nieliniowe oraz niesymetryczne obciążenie. Przebiegi prądów fazowych odbiornika iLR(t), iLS(t), iLT(t) oraz ich widma przedstawia rysunek Rys.22 (kąt wysterowania przekształtnika α = 45°). W widmie prądów fazowych odbiornika oprócz harmonicznych charakterystycznych pojawiły się harmoniczne potrójne ze względu na asymetrię odbiornika.

(a) (b)

45

Rys.22 Przebiegi prądów odbiornika iLR(t), iLS (t), iLT(t) (a) oraz ich widma (b)

Otrzymane przebiegi referencyjnych sygnałów kompensacyjnych prądu iFref wypracowanych przez algorytmy sterowania przedstawia Rys.23b. W wyniku eliminacji prądu iF ≈ iFref otrzymano sinusoidalne przebiegi prądów w poszczególnych fazach po stronie źródła oraz współfazowość przebiegów napięć i prądów.

Rys.23 Przebiegi prądów po stronie źródła iSR(t), iSS(t), iST(t) (a)

oraz przebiegi kompensacyjnych sygnałów referencyjnych prądu iFref(t) (b)

W tabeli Tabela 1 zestawiono wartości parametrów, po zastosowaniu równoległego EFA, po stronie źródła oraz odbiornika.

Tabela 1 Zestawienie wartości parametrów układu po zastosowaniu EFA

po stronie odbiornika po stronie źródła zasilania

współczynnik mocy PF 0,65 1,0 R 48,3 0,01 S 39,1 0,02 współczynnik THDIR

[%] T 29,83 0,02 R 11,7 8,26 S 9,61 8,25

wartość skuteczna prądu IRMS

[A] T 13,55 8,25 współczynnik niesymetrii

prądu UFI [%] 20,0 0,0

iLR

iLS

iLT

(a) (b)

(b)(a)

46

4.2.2. Filtr hybrydowy – szeregowy EFA współpracujący z równoległym FP Schemat blokowy rozważanego układu trójfazowego, szeregowego EFA współpracującego z równoległym FP przedstawiono na rysunku Rys.24.

Filtr pasywny 5. harmonicznej

Filtr pasywny 7. harmonicznej

JEDNOFAZOWE

NIELINIOWE

ODBIORNIKI

Rys.24 Schemat szeregowego EFA z równoległym FP dla 5. i 7. harmonicznej

Uzyskane przebiegi: prądu w przewodzie neutralnym, napięć i prądów fazowych po stronie źródła zasilania przy włączonym i wyłączonym układzie EFA-FP pokazano na Rys.25. Włączenie układu EFA-FP następuje w 140ms. W wyniku działania EFA-FP otrzymujemy symetryzację napięć zasilających, filtrację wyższych harmonicznych prądu odbiornika, eliminację przesunięcia fazowego między napięciem i prądem po stronie zasilania (kompensacja mocy biernej) oraz redukcję wartości prądu w przewodzie neutralnym niemalże do zera.

Rys.25 Przebiegi: a) prąd w przewodzie neutralnym, b) napięcia fazowe, c) prąd fazowy

Korzystny efekt działania szeregowego EFA ujawnia się również w przypadku pojawienia się zapadu napięcia od strony zasilania. Utrzymuje on prawie niezmienioną wartość napięcia na zaciskach odbiornika podczas zapadu Rys.26, chroniąc odbiornik przed ewentualnym wyłączeniem, np. przez automatykę zabezpieczającą.

47

Rys.26 Działanie szeregowego EFA w przypadku zapadu napięcia

LITERATURA: [1] “Power Quality in European Electricity Supply Networks – 1st and 2nd edition”, The Union of the Electricity

Industry EURELECTRIC, 2002, 2003 [2] Akagi H.: “Trends in Active Power Line Conditioners”, IEEE Transactions on Power Electronics,

Vol. 9, No. 3, May 1994 [3] Baranecki A., Niewiadomski M., Płatek T.: „Odbiorniki nieliniowe – problemy i zagrożenia”, Wiadomości

Elektrotechniczne nr 3, 2004, str. 24-26 [4] Gawlik W. H. M.: ” Time Domain Modelling of Active Filters for Harmonic Compensation”, 2003 IEEE

Bologna PowerTech, June 23th-26th, Bologna, Italy [5] Hanzelka Z.: “Jakość energii elektrycznej”, www.twelvee.com.pl [6] Hanzelka Z.: “Wyższe harmoniczne napięć i prądów”, Materiały Sympozjum Ciągłość i Jakość Zasilania,

25.11.2003, Tarnów, str. 98-111 [7] Morán A. L., Dixon W. J., Espinoza R. J., Wallace R. R.: „Using active power filters to improve power

quality”, 5th Brazilian Power Electronics Conference, COBEP’99 [8] Pasko M., Maciążek M.: “Wkład elektrotechniki teoretycznej w poprawę jakości energii elektrycznej”,

Wiadomości Elektrotechniczne nr 7-8, 2004, str. 37-46. [9] Pinheiro R. F., Jacobina C. B., Lima A. M. N, Cabral da Silva E. R.: “A Revision Of The State Of The Art In

Active Filters”, Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência, Foz do Iguaçu. Anais do 5o Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência, 1999, p. 857-862

[10] Piróg S.: „Energoelektronika – negatywne oddziaływania układów energoelektronicznych na źródła energii i wybrane sposoby ich ograniczenia”, AGH, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne Kraków 1998

[11] Rudnick H., Dixon J., Morán L.: “Delivering Clean and Pure Power”, IEEE Power & Energy Magazine, 09/10 2003

[12] Singh B., Al–Haddad K., Chandra A.: „A review of active filters for power quality improvement”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 46, No. 5, October 1999

[13] Strzelecki R., Supronowicz H.: „Współczynnik mocy w systemach zasilania prądu przemiennego i metody jego poprawy”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000

[14] www.lpqi.org

48

URZADZENIA DO KOMPENSACJI MOCY BIERNEJ W ŚRODOWISKU NAPIĘĆ I PRĄDÓW ODKSZTAŁCONYCH

dr inż. Krzysztof Matyjasek ELMA capacitors, Olsztyn

1. Informacje wstępne Jednym z podstawowych zadań przemysłowych służb elektroenergetycznych jest właściwa gospodarka energią bierną często, w znaczeniu bardzo wąskim, określana jako poprawa współczynnika mocy. W tradycyjnym, powszechnym jeszcze kilka lat temu, ujęciu zagadnienia gospodarki mocą bierną (kompensacji mocy biernej) obejmowały takie aspekty ekonomiczno-techniczne, jak:

a) likwidacja opłat za energię bierną pobraną i oddaną, b) zwiększenie możliwości przesyłania mocy czynnej bez zmiany

przepustowości (obciążalności prądowej) elementów układu zasilająco-rozdzielczego,

c) minimalizacja przesyłowych strat mocy i energii (w przypadku zachowania obciążenia mocą czynną na stałym poziomie przed i po zainstalowaniu urządzeń kompensacyjnych),

d) ograniczenie spadków napięć, e) polepszenie warunków rezerwowania i niezawodności układów

zasilania. Powyższe cele kompensacji mocy biernej w pełni zachowują swą aktualność. W przypadku zdecydowanej większości odbiorców przemysłowych likwidacja opłat za energię bierną będzie stanowiła podstawę rachunku ekonomicznego przy podejmowaniu decyzji dotyczących zakupu i zainstalowania urządzeń do poprawy współczynnika mocy. Dla dystrybutorów energii elektrycznej główne znaczenie będą miały pozostałe, wyszczególnione powyżej, aspekty kompensacji mocy biernej. Uwzględniając fakt radykalnego wzrostu wymagań w zakresie jakości energii, na zagadnienia poprawy współczynnika mocy należy spojrzeć znacznie szerzej. Tym bardziej, że włączenie urządzeń kompensacyjnych do sieci może znacząco

49

poprawiać parametry jakościowe energii, ale w przypadku wyboru niewłaściwych rozwiązań technicznych, możemy spowodować ich pogorszenie. Potencjalne skutki zainstalowania urządzeń kompensacyjnych przedstawiono w tablicach 1 i 2. Tablica 1. Możliwe efekty kompensacji mocy biernej dla właściwie dobranych urządzeń kompensacyjnych.

KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ I POPRAWA PARAMETRÓW

JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ

OGRANICZENIE LUBLIKWIDACJA POBORU Z SIECI

ENERGII BIERNEJ

REGULACJA NAPIĘCIANA ZACISKACHODBIORNIKÓW

SYMETRYZACJANAPIĘĆ

FAZOWYCH

OGRANICZENIE WAHAŃ NAPIĘCIA

I FLIKERINGU

FILTRACJA WYŻSZYCH HARMONICZNYCH (OGRANICZENIE

LUB LIKWIDACJA SKŁADOWYCHODKSZTAŁCENIA

Tablica 2. Potencjalne negatywne skutki będące konsekwencją włączenia do sieci niewłaściwie dobranych urządzeń kompensacyjnych.

POGORSZENIE JAKOŚCIENERGII

GENEROWANIE STANÓWPRZEJŚCIOWYCH,NIEUSTALONYCH

GENEROWANIE WYŻSZYCHHARMONICZNYCH

(SKŁADOWYCH ODKSZTAŁCENIA)

WZMACNIANIE WYŻSZYCHHARMONICZNYCH

(SKŁADOWYCH ODKSZTAŁCENIA)

KRÓTKOTRWAŁE PRZEPIĘCIAZAPADY NAPIĘCIA

PRZERWY ZASILANIA

DŁUGOTRWAŁE WZROSTY

NAPIĘCIA

INNE ZAKŁÓCENIA

KRÓTKOTRWAŁE PRZEPIĘCIAZAPADY NAPIĘCIA

PRZERWY ZASILANIA

ZJAWISKA CHARAKTERYSTYCZNE DLA ZWARĆ,KTÓRE MOGĄ BYĆ KONSEKWENCJĄ BŁĘDÓWW SZTUCE PROJEKTOWANIA, NIEWŁAŚCIWEJ EKSPLOATACJI LUB ZASTOSOWANIANIEWŁAŚCIWYCH PODZESPOŁÓW

W WYNIKU ZJAWISK REZONANSOWYCH (BŁĘDNEGO DOBORU RODZAJU URZĄDZEŃKOMPENSACYJNYCH LUB NIEWŁAŚCIWEJEKSPLOATACJI FILTRÓW W.H.

SKUTKI SPECYFIKI ZASTOSOWANYCHROZWIĄZAŃ TECHNICZNYCH Z ZAKRESUREGULACJI MOCY BIERNEJ URZĄDZEŃKOMPENSACYJNYCH

50

2. Maszyny i urządzenia do kompensacji mocy biernej Aktualnie stosowane urządzenia kompensacyjne można podzielić generalnie w następujący sposób:

Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje energoelektronicznych filtrów aktywnych APF: - aktywne filtry równoległe, - aktywne filtry szeregowe.

Filtry APF równoległe pozwalają na nadążną: - likwidację składowej biernej prądu odbiorników, - likwidację wyższych harmonicznych prądu (w wysokim stopniu), - symetryzację obciążenia.

Dzięki aktywnym filtrom szeregowym możemy uzyskać nadążną: - filtrację wyższych harmonicznych napięcia, - symetryzację napięcia, - kompensację reaktancji indukcyjnej układu zasilającego.

Podstawową wadą filtrów aktywnych jest ich cena. Znaczne obniżenie kosztów przy dużej skuteczności kompensacji mocy biernej i filtracji wyższych harmonicznych uzyskuje się w układach hybrydowych. Stanowią one połączenie filtrów aktywnych oraz kompensatorów LC (filtrów pasywnych) na bazie kondensatorów energetycznych. W przypadku maszyn synchronicznych i asynchronicznych maszyn synchronizowanych wykorzystuje się zjawisko oddawania mocy biernej pojemnościowej przy odpowiednio wysokiej wartości prądu wzbudzenia (przewzbudzaniu maszyny synchronicznej). Możliwości wykorzystania silnika synchronicznego charakteryzują tzw. krzywe V, przedstawione na rys. 1.

51

Prąd wzbudzenia Rys. 1. Krzywe V silnika synchronicznego

Należy zwrócić uwagę na fakt, że w przypadku maszyn synchronicznych nie występują zagrożenia występowaniem groźnych zjawisk rezonansowych. Jednakże pozyskiwanie energii biernej przy wykorzystywaniu napędów synchronicznych wiąże się ze stosunkowo wysokimi stratami mocy czynnej. Straty te mogą osiągać poziom od 80kW do 120kW na 1MVar mocy biernej pojemnościowej. Ze względu na efekty ekonomiczne oraz niewątpliwe walory eksploatacyjne, do których można zaliczyć: - minimalne straty mocy czynnej (od 0,1 do 0,4W/kVar), - stosunkowo małe gabaryty, - możliwość zastosowania w urządzeniach o złożonych wymaganiach

(kompensacja nadążna, symetryzacja napięć fazowych, filtracja wyższych harmonicznych),

- możliwość budowy instalacji na najwyższe napięcia, - możliwość przystosowania instalacji kompensacyjnych opartych na

kondensatorach energetycznych do skrajnych warunków klimatycznych (m.in. temperatura pracy od -40°C do +55°C),

- brak części ruchomych (poza łącznikami stykowymi), - minimalne wymagania w zakresie konserwacji i napraw, - duża żywotność nowoczesnych kondensatorów i ich odporność na skutki stanów

nieustalonych oraz długotrwałe odstępstwa od znamionowych parametrów zasilania,

- łatwość montażu i wymiany, - stosowanie w nowoczesnych kondensatorach materiałów biodegradalnych

i nieszkodliwych ekologicznie, w dalszych rozważaniach uwzględniono instalacje oparte na kondensatorach energetycznych. Dotyczy to zarówno urządzeń niskich, jak i średnich napięć.

52

3. Źródła wyższych harmonicznych prądu i napięcia

Dynamiczny rozwój energoelektroniki i związane z tym szerokie stosowanie w przemyśle nieliniowych przekształtników (stacje prostownikowe trakcji elektrycznej, regulowane napędy elektryczne, technika grzewcza) wiąże się z generowaniem w sieci wyższych harmonicznych. Do innych odbiorników nieliniowych, generujących wyższe harmoniczne należy zaliczyć przede wszystkim: - piece łukowe, - zgrzewarki, - spawarki.

W tych przypadkach, oprócz przesyłu mocy czynnej i biernej, mamy do czynienia z przesyłaniem mocy odkształcenia przebiegów sinusoidalnych. Przesyłanie zarówno mocy biernej, jak i mocy odkształcenia wywołuje szereg ujemnych skutków, charakterystycznych dla przesyłania dużych mocy pozornych. Odbiorniki nieliniowe generują spektrum wyższych harmonicznych obejmujące od kilku do kilkudziesięciu wyższych harmonicznych. Przykładowo, na rys. 2 przedstawiono spektrum w.h. prądów generowanych przez piec łukowy 120Mg/30kV.

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

200,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Rząd harmonicznej n

Prąd

har

mon

iczn

ej [A

]

Rys. 2 Spektrum w.h. prądów generowanych przez piec łukowy 120Mg/30kV.

W przypadku przekształtników tyrystorowych zasilanych z prostownika 6-cio pulsowego znaczącymi harmonicznymi będą:

5h, 7h, 11h, 13h, 17h, 19h, ... a dla prostownika 12-to pulsowego:

11h, 13h, 23h, 25h, ... Zgrzewarki i spawarki 1-fazowe generują spektrum zbliżone rzędami wyższych harmonicznych do pieca łukowego.

53

4. Zjawiska rezonansowe w przypadku pracy kondensatorowych urządzeń kompensacyjnych w środowisku napięć i prądów odkształconych

W złożonych obwodach o reaktancji indukcyjno-pojemnościowej, na które składają się elementy indukcyjne sieci rozdzielczej lub zasilająco-rozdzielczej oraz pojemnościowe związane z zainstalowanymi kondensatorami do kompensacji mocy biernej, w przypadku występowania wyższych harmonicznych prądu i napięcia (odkształceń liniowych) mogą wystąpić zjawiska rezonansowe, których skutkiem będzie: - wzrost zawartości wyższych harmonicznych powyżej wartości normatywnych, - wzrost napięcia na szynach zbiorczych do wartości uniemożliwiającej zasilanie

odbiorników energii elektrycznej (zadziałanie zabezpieczeń nadnapięciowych), - praca kondensatorów w stanie permanentnego przeciążenia lub uniemożliwienie

ich pracy wskutek zadziałania zabezpieczeń nadmiarowo-prądowych. Jednym z najbardziej niebezpiecznych, zagrażających zarówno samej instalacji kompensacyjnej jak również aparaturze rozdzielczej w miejscu zainstalowania baterii jest rezonans równoległy (rezonans prądów). Zjawisko to występuje, gdy dla jednej harmonicznej (lub kilku w przypadku baterii wielostopniowych) reaktancja sieci przyjmuje wartość równą lub zbliżoną do reaktancji baterii kondensatorów. Uproszczony schemat takiego przypadku (z pominięciem elementów rezystancyjnych) przedstawiono na rys. 3, a schemat zastępczy dla n-tej harmonicznej występującej w prądzie i napięciu na rys. 4.

SZ

Tr

Odbiorniki energiielektrycznej nie generującewyższych harmonicznych

(np. napędy asynchroniczne)

Bateria kondensatorów o reaktancji Xc (dla 50Hz)

Generatorywyższych

harmonicznych

Reaktancja układuzasilającego Xdla 50Hz

S

Rys. 3. Przykładowy, prosty schemat układu zasilającego ze źródłem wyższych harmonicznych prądu i napięcia

54

Xn

C

In ICn

In - wartość skuteczna n-tej harmonicznej

ISn

nX S

nXS =Xn

C

Rys.4. Schemat zastępczy układu zasilającego z rys.3 dla n-tej harmonicznej (z pominięciem elementów rezystancyjnych)

Reaktancję zastępczą baterii kondensatorów i sieci względem źródła prądu n-tej harmonicznej możemy zapisać:

nXnX

XXXC

S

CSWn

−= , (1)

gdzie: oznaczenia jak na rys. 4. W przypadku idealnego rezonansu równoległego zachodzi dla n-tej harmonicznej równość:

nXnX C

S = (2)

Stąd mianownik wyrażenia (1) na reaktancję wypadkową osiąga wartość zerową, a tym samym reaktancja wypadkowa XWn osiąga teoretycznie wartości nieskończenie duże. Dla wydatku In źródła prądowego, niezależnego od obciążenia, na zaciskach baterii (szynach zbiorczych) napięcie wzrasta teoretycznie do nieskończenie dużej wartości. To napięcie wymusi nieskończoną wartość prądu ISn obciążającego sieć (wzmocnienie n-tej harmonicznej). W układach praktycznych elementy rezystancyjne oraz brak idealnej równości w zapisie równania (2) sprawiają, że prądy i napięcia towarzyszące rezonansowi osiągają wartości skończone, lecz na tyle wysokie aby uważać je za bardzo groźne. Na rys. 5 przedstawiono przykładową zależność stopnia przeciążenia baterii kondensatorów w funkcji mocy baterii dołączonej do sieci o określonych warunkach zwarciowych (reaktancji indukcyjnej i rezystancji) wskutek wystąpienia rezonansu prądu dla konkretnej n-tej harmonicznej.

55

Parametry określone: SZ – moc zwarciowa układu zasilająco-rozdzielczego (reaktancja XS, rezystancja

RS); spektrum wyższych harmonicznych

Rys. 5. Stopień przeciążenia prądowego baterii kondensatorów w funkcji załączonej mocy pojemnościowej w środowisku napięć i prądów odkształconych

5. Ochrona baterii kondensatorów przed zjawiskami rezonansowymi

Zjawiskom rezonansowym możemy skutecznie zapobiec włączając szeregowo z kondensatorami właściwie dobrany dławik, zwany zgodnie z PN-EN60289 dławikiem strojeniowym lub filtracyjnym (rys. 6).

X L

XC

U N

Rys. 6. Bateria kondensatorów z szeregowym dławikiem strojeniowym (filtr pasywny 2-giego rzędu).

56

Ponieważ reaktancja indukcyjna jest wprost proporcjonalna do częstotliwości: XL = ωL (3) a pojemnościowa odwrotnie proporcjonalna:

C1XC ω

= (4)

parametry LC możemy tak dobrać, że dla pewnej częstotliwości charakterystycznej obie wartości reaktancji będą sobie równe, a wypadkowa reaktancja układu bateria-dławik będzie równa zeru. Dla tej częstotliwości, zwanej częstotliwością rezonansową własną fr (nr), zachodzi szeregowy rezonans napięć. Określa ją zależność:

L

CNr X

Xff = (5),

a przy wykorzystaniu pojęcia rzędu częstotliwości:

L

Cr X

Xn = (6).

Charakterystyki częstotliwościowe dwójnika LC z rys. 6 przedstawiono na rys. 7.

Rys.7. Charakterystyki częstotliwościowe dwójnika z szeregowymi elementami LC

57

Dla częstotliwości o wartościach poniżej rezonansowej fr (nr), w tym podstawowej 50Hz, dwójnik posiada charakter pojemnościowy i pełni funkcję kompensatora mocy biernej indukcyjnej. Po przekroczeniu wartości fr, dla wyższych harmonicznych charakter kompensatora pasywnego LC zmienia się na indukcyjny. Ponieważ indukcyjność z indukcyjnością nie może tworzyć obwodów rezonansowych, taka bateria może pracować bezpiecznie pomimo występowania wyższych harmonicznych prądu i napięcia. Jeżeli częstotliwość rezonansowa własna fr pokrywa się z częstotliwością (rzędem częstotliwości) jednej z występujących w sieci wyższych harmonicznych, wówczas mamy do czynienia z pasywnym filtrem tej harmonicznej. Schematy zastępcze sieci i filtru LC dla n-tej harmonicznej przedstawiono na rys. 8.

RF

nXL

In Ifn

Reaktancja siecidla n-tejharmonicznej

Źródło prądowe n-tej harmonicznejo wydatku In

ISn

nXS

X nC

0R,0

nXnX,nn F

CLr ≈=−=

Z = 0,ponieważ dlan = n

F

r

In ~In

ISn ≈ 0

nXS

nXL = X nC

Rys. 8. Schemat zastępczy sieci i filtru LC dla n-tej filtrowanej harmonicznej. Zasady filtracji przy wykorzystaniu filtrów pasywnych.

58

Ponieważ dla rozpatrywanego przypadku filtru, dla danej wyższej harmonicznej impedancja dwójnika LC jest w przybliżeniu równa zeru, zgodnie z prawami elektrotechniki, cały prąd tej harmonicznej przepłynie przez filtr, odciążając sieć. Tym samym również spadek napięcia dla rzędu filtrowanej harmonicznej na impedancji systemu zasilająco-rozdzielczego jest zbliżony do zera (nie występuje w napięciu na szynach zbiorczych filtrowana wyższa harmoniczna napięcia). Jeżeli zasadniczym celem stosowania dławików szeregowych jest ochrona baterii przed zjawiskami rezonansowymi, co praktycznie występuje w zdecydowanej większości przypadków instalacji kompensacyjnych automatycznie regulowanych, częstotliwość rezonansowa własna przyjmuje wartości mniejsze niż najniższa częstotliwość wyższej harmonicznej występującej w sieci. W stosowanej terminologii możemy wówczas mówić o bateriach z dławikami ochronnymi lub pasywnych filtrach odstrojonych. Przykładowo, jeżeli w sieci najniższą występującą wyższą harmoniczną jest 5-ta (250Hz), częstotliwość rezonansowa dwójnika LC w wykonaniu ochronnym zazwyczaj zawiera się w przedziale od 170 do 210Hz. O wyborze konkretnej wartości częstotliwości rezonansowej własnej dwójnika LC decyduje wiele czynników, takich jak: - wartość skuteczna prądów wyższych harmonicznych, - proporcje reaktancji sieci i reaktancji baterii dla rozpatrywanych harmonicznych

(wykluczenie możliwości przeciążenia kondensatorów), - napięcie znamionowe kondensatorów, - oczekiwania odnośnie stopnia filtracji danej harmonicznej.

Instalacje z dławikami ochronnymi pełnią również funkcję filtru, z reguły dominującej wyższej harmonicznej, a rzędu najniższego w występującym spektrum. Oczywiście, skuteczność filtracji, wskutek odstrojenia filtru, będzie na znacznie niższym poziomie niż w przypadku filtru klasycznego. Z reguły waha się w granicach od 20% do 60%. Taka instalacja spełnia również pozytywną rolę w odniesieniu do harmonicznych wyższych rzędów. Należy brać jednak pod uwagę fakt, że im wyższy rząd harmonicznej, tym skuteczność filtracji jest mniejsza.

6. Ocena możliwości pracy baterii kondensatorów bez dławika szeregowego w obecności wyższych harmonicznych prądu i napięcia

Występowanie w układzie zasilająco-rozdzielczym odbiorników nieliniowych i przekształtników tyrystorowych stanowiących generator wyższych harmonicznych prądu nie oznacza konieczności stosowania baterii kondensatorów z dławikami rezonansowymi, co wiąże się ze wzrostem kosztów zakupu instalacji kompensacyjnej o 30% do 60%. Ponadto, w przypadku instalacji z dławikami wzrosną koszty eksploatacyjne wynikające ze strat mocy czynnej w dławiku, które kształtują się na poziomie 2÷8kW/MVar, podczas gdy w bateriach bez dławików wynoszą one 0,15÷0,40kW/MVar.

59

O możliwości zastosowania baterii kondensatorów bez dławików rezonansowych decyduje analiza możliwości wystąpienia zjawisk rezonansowych w obwodzie: reaktancja indukcyjna układu zasilającego-reaktancja pojemnościowa baterii. Podstawowym kryterium możliwości pracy baterii kondensatorów w obecności wyższych harmonicznych jest sumaryczny prąd obciążenia baterii kondensatorów, który nie może przekroczyć wartości 1,3ICN (prądu znamionowego kondensatorów). Taka analiza musi uwzględniać: - wszystkie znaczące źródła wyższych harmonicznych występujące w sieci

(spektrum wyższych harmonicznych prądu lub napięcia), - wszystkie możliwe konfiguracje układu zasilającego i ich parametry reaktancyjne

i rezystancyjne (kierunki zasilania, odczepy transformatorów zasilających), - wszystkie możliwe poziomy mocy załączonych urządzeń kompensacyjnych, - inne urządzenia kompensacyjne. Firma ELMA capacitors posiada oryginalne, własne oprogramowanie komputerowe pozwalające na modelowanie układów zasilająco-rozdzielczych z bateriami kondensatorów i pełną analizę zjawisk rezonansowych. Przykładowe wyniki dla trzech obiektów przemysłowych (UN = 6,3kV) zostały przedstawione w formie graficznej na rys. 8.

a)

b)

60

c)

Rys. 8. Stosunek prądu Irms obciążenia baterii do prądu znamionowego baterii ICN dla konkretnych obiektów przemysłowych o napięciu rozdziału energii UN = 6,3kV: a), b) – cementownia; c) – huta

miedzi dla trzech odczepów transformatora zasilającego Z zaprezentowanych wykresów wynika, że istnieją „obszary” mocy znamionowych baterii kondensatorów dla których zjawiska rezonansowe nie występują i, uwzględniając wszystkie wcześniej wyszczególnione warunki skutecznej analizy, można wyznaczyć moce baterii bez dławików szeregowych, które można załączyć do sieci z wyższymi harmonicznymi. Zastosowanie instalacji kompensacyjnych bez dławików rezonansowych będzie możliwe, jeżeli „obszary” mocy baterii kondensatorów spełniających warunek Irms<1,3Icn pokrywają się z zapotrzebowaniem na moc bierną pojemnościową zarówno co do mocy całkowitej instalacji, jak i stopni regulacji dla instalacji wielostopniowych, w tym automatycznie regulowanych. Znacznie prostszy jest dobór baterii o stałej mocy znamionowej. Należy jednak zwrócić uwagę, że w przypadku rozpatrywanej cementowni (rys. 8 a i b) bez problemu można zainstalować automatycznie regulowaną baterię złożoną z członów o mocach: 600kVar, 1200kVar i 2400kVar (szereg regulacyjny 1:2:4). Daje to łączną moc 4,2MVar, stopień regulacji 0,6MVar i 7 możliwych poziomów mocy bez ryzyka zagrożeń zjawiskami rezonansowymi. W przypadku huty (rys. 8 c), taką instalacją, pod warunkiem że nie występują inne konfiguracje układu zasilającego, może być automatycznie regulowana bateria o mocach członów 1200kVar i 2400kVar.

7. Klasyfikacja kondensatorowych urządzeń do kompensacji mocy biernej przystosowanych do pracy w środowisku napięć i prądów odkształconych. Przykłady rozwiązań.

Klasyfikacji urządzeń kompensacyjnych z dławikami rezonansowymi należy dokonać w oparciu o szereg istotnych kryteriów. Ze względu na wysokość napięcia: - niskich napięć: do 1kV - średnich napięć: do 60kV - wysokich napięć: powyżej 60kV

61

Foto 1. Automatycznie regulowana bateria niskich napięć KMD720R 400V z dławikami (filtry odstrojone) fr = 189Hz. Produkcja firmy ELMA capacitors. Eksport do

Holandii.

Foto 2. Filtry odstrojone średnich napięć 6,3kV (fr = 189Hz). Realizacja firmy ELMA capacitors w Hucie Głogów S.A.

Z punktu widzenia sposobu zasilania: - jednofazowe, - trójfazowe.

62

Foto 3. Jednofazowy kompensator nadążny 400V do zgrzewarek punktowych

i liniowych. Produkcja ELMA capacitors (eksport do Indii) Uwzględniając warunki środowiskowe (miejsce zainstalowania), baterie kondensatorów można generalnie podzielić na instalacje w wykonaniu: - wnętrzowym, - napowietrznym, - wnętrzowo-napowietrznym, - do specjalnych warunków środowiskowych (np. do podziemi kopalń, do montażu

na statkach, do pomieszczeń zapylonych, itp.).

O wyborze rozwiązań napowietrznych lub wnętrzowo-napowietrznych (np. człony kondensatorowe są w wykonaniu napowietrznym, pola regulacyjne w wykonaniu wnętrzowym) często decyduje brak miejsca w istniejących rozdzielniach zakładów przemysłowych, które podjęły decyzję o zainstalowaniu lub rozbudowie układów kompensacji mocy biernej.

Foto 4. Napowietrzna, nasłupowa bateria kondensatorów 15kV. Produkcja ELMA

capacitors

63

Foto 5. Automatycznie regulowana bateria BSCR-3 6,3kV dopuszczona do podziemi

kopalń. Produkcja ELMA capacitors

Częstotliwości rezonansowe własne instalacji kompensacyjnych, zgodnie z wcześniejszymi ustaleniami, pozwalają podzielić przedmiotowe urządzenia na: - filtry odstrojone (baterie z dławikami rezonansowymi chroniącymi przed

zjawiskami rezonansowymi), - pasywne filtry wyższych harmonicznych.

Istotnym problemem z punktu widzenia skuteczności kompensacji jest dostosowanie mocy urządzeń kompensacyjnych do chwilowego zapotrzebowania na moc bierną pojemnościową w danym węźle sieci zasilająco-rozdzielczej. Z tego punktu widzenia możemy wyodrębnić baterie: - włączone do sieci na stałe (bez możliwości regulacji), - regulowane ręcznie, - regulowane automatycznie.

Należy podkreślić fakt, że pierwsze dwa z powyższych rozwiązań spotykane są obecnie coraz rzadziej. W nowoczesnych automatycznie regulowanych bateriach, do sterowania ich pracą wykorzystuje się mikroprocesorowe sterowniki, pełniące wiele funkcji (np. pomiary, zabezpieczenia, alarmy) i współpracujące z łącznikami stykowymi lub bezstykowymi. O wyborze konkretnego urządzenia decydują przede wszystkim dynamika zmian obciążenia oraz rachunek ekonomiczny. Według powyższego kryterium urządzenia kompensacyjne można podzielić na: - przeznaczone dla obciążeń wolnozmiennych (z czasem reakcji 1 minuta dla

baterii nn i 5 minut dla baterii SN i WN),

64

- przeznaczone do obciążeń o średnim poziomie dynamiki zmian obciążenia (czasy reakcji układu kompensacyjnego 1...3sek.) – kompensacja quasi-nadążna,

- przeznaczone do obciążeń szybkozmiennych (czas reakcji kompensatorów poniżej 40ms) – kompensacja nadążna.

W pierwszym przypadku, odpowiadającym większości zakładów przemysłowych i praktycznie wszystkim przypadkom kompensacji w sieciach dystrybutorów energii elektrycznej, mikroprocesorowy regulator dobiera właściwą ilość członów bateriii wysyła sygnały napięciowe do łączników stykowych (styczniki, wyłączniki) wytypowanych członów baterii. Jest to więc regulacja skokowa z określoną mocą stopnia regulacji. Na rysunku 9 przedstawiono schemat automatycznie regulowanej baterii kondensatorów o łącznej mocy 60MVar/30kV. Baterię stanowią: filtr 2-giej harmonicznej typu „C” z rezystorami tłumiącymi oraz dwa filtry 2-giej harmonicznej. Widok instalacji – Foto 6.

OA

ZA 3MA

ŁA

OB

ZB

MB

ŁB

OC

ZC

MC

ŁC

3h20MVar/30kV

B

2h20MVar/30kV

A

3h20MVar/30kV

C

FiltrMocBateriaCzasrozładowania

OP

WP

30kV

110kV

ACZ ASP ASO

2x75MVA

Energia bierna oddanaEnergia bierna pobranaEnergia czynna

60s (!) 300s 300s

Rys. 9 . Schemat automatycznie regulowanej baterii kondensatorów o łącznej mocy 60MVar/30kV.

65

Filtr typu „C” 2-giej harmonicznej z rezystorami tłumiącymi. Zdjęcie w trakcie prac montażowych.

Filtry 3-ciej harmonicznej wysokiego napięcia (42kV – 2x35MVar) pieca łukowego w Hucie Ostrowiec

S.A.

Foto 6. Automatycznie regulowany zespół filtrów do kompensacji mocy biernej pieca łukowego 120Mg, 30kV. Łączna moc zainstalowana kondensatorów 116,2MVar.

Realizacja ELMA capacitors. Ze względu na konieczność łagodzenia stanów nieustalonych, towarzyszących łączeniu pojemności, w bateriach kondensatorów stosuje się następujące aparaty: - dla kompensatorów nn – styczniki powietrzne z rezystancjami wstępnego

zwierania styków głównych, - dla kompensatorów SN – styczniki i wyłączniki próżniowe lub z izolacją SF6, - dla kompensatorów WN – wyłączniki próżniowe lub z izolacją SF6.

66

W kompensatorach quasi-nadążnych (czas reakcji układu kompensacyjnego od 1 do 3 sekund) właściwy efekt uzyskuje się najczęściej poprzez wprowadzenie do baterii z łącznikami stykowymi układów szybkiego rozładowania baterii kondensatorów. W bateriach nn są to najczęściej dodatkowe rezystory dołączane do zacisków kondensatora w momencie odłączenia członu baterii. W bateriach średnich i wysokich napięć, w zależności od mocy baterii, są to przekładniki napięciowe lub transformatory energetyczne. Celem uzyskania przebiegu tłumionego aperiodycznego należy zagwarantować odpowiednie obciążenie obwodów wtórnych tych urządzeń.

Foto 7. Transformator 63kVA/30kV do szybkiego rozładowania baterii głównej filtra C 2-giej harmonicznej w Hucie Celsa. Moc baterii 33MVar/38,48kV. Realizacja ELMA

capacitors

Do takich odbiorów jak zgrzewarki, piece łukowe, maszyny wyciągowe kopalń, należy stosować kompensatory nadążne. W tym przypadku uproszczona klasyfikacja będzie obejmowała; - jedno- lub wieloczłonowe kompensatory z regulacją skokową (TSC), - systemy regulacji bezstopniowej SVC.

Foto 8. Bateria KMT-3...D (z dławikami rezonansowymi) 400V w systemie TSC.

Produkcja ELMA capacitors

67

W kompensatorach nadążnych stosowane są tylko i wyłącznie łączniki bezstykowe, najczęściej tyrystorowe. Takie rozwiązania nie tylko gwarantują dużą szybkość reakcji układu kompensacji, ale również brak stanów nieustalonych. Kompensatory TSC z regulacją skokową (rys. 9) wyposażone są w określoną ilość członów załączanych łącznikami tyrystorowymi. W systemach SVC (rys. 10) baterie kondensatorów, najczęściej w układzie filtrów wyższych harmonicznych, włączone są na stałe do sieci. Do wspólnych szyn dołączone są dławiki robocze, których moc QL jest równa mocy rzeczywistej pojemnościowej QC układu kompensacyjnego. Sterownik, poprzez regulację kąta zapłonu łączników tyrystorowych w obwodzie indukcyjności roboczych (w każdej fazie indywidualnie), płynnie reguluje moc indukcyjną pobieraną przez kompensator z sieci. Różnica mocy pojemnościowej baterii kondensatorów i indukcyjnej dławika roboczego (QC – QL) odpowiada chwilowemu zapotrzebowaniu na moc bierną pojemnościową. Systemy SVC najczęściej stosowane są przy piecach łukowych.

Rys. 10. System TSC skokowej regulacji nadążnej

Rys. 11. System SVC kompensacji nadążnej

68

8. Podsumowanie Poprzez prawidłowy wybór i dobór urządzeń kompensacyjnych możemy nie tylko zlikwidować opłaty za energię bierną, lecz również wydatnie poprawić parametry jakościowe energii elektrycznej. Szczególnie ostrożnie należy postępować w przypadku projektowania instalacji kondensatorowych mających pracować w środowisku napięć odkształconych. Stosując szeregowe dławiki rezonansowe, kosztem wzrostu nakładów inwestycyjnych oraz zwiększonych strat mocy czynnej, możemy skutecznie zapobiegać występowaniu zjawisk rezonansowych oraz ograniczać wartości skuteczne wyższych harmonicznych w układzie zasilającym.

69

SZYBKA I DOKŁADNA IDENTYFIKACJA SŁABYCH PUNKTÓW SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO

PODSTAWĄ OSIĄGNIĘCIA WYSOKIEJ JAKOŚCI ENERGII

mgr inż. Mirosław BRANCZEWSKI Siemens Sp. z o.o.,

na podstawie materiałów informacyjnych firmy Siemens. W dzisiejszych czasach wzrasta konkurencja wśród dostawców energii elektrycznej. Równocześnie rosną wymagania klientów przemysłowych i komercyjnych w zakresie jakości odbieranej energii elektrycznej. Zakłócenia w postaci zwarć i nieprawidłowości w jakości napięcia zasilania tj. spadki napięcia, wahania oraz długotrwałe zmiany muszą być wykrywane i analizowane bezzwłocznie, aby mieć możliwość szybkiego zapobiegania im. SIMEAS R to cyfrowy rejestrator zakłóceń oraz urządzenie do kontroli parametrów jakości energii dla elektrowni, sieci śN, WN i NN jak również do zastosowań w przemyśle. W zakresie jakości energii SIMEAS R mierzy i rejestruje kluczowe dane, zdefiniowane w normie międzynarodowej EN50160. Dzięki dużej liczbie zintegrowanych funkcji, szybko i pewnie identyfikuje słabe punkty w zasilaniu. Jeśli pojawi się zwarcie, wszystkie znaczące dane są zapisywane oraz przesyłane do dalszego przetworzenia i archiwizacji. Do transmisji danych można wykorzystać Ethernet, modemy ISDN oraz analogowe. Umożliwia to szybkie podejmowanie decyzji i rozwiązywanie pojawiających się problemów. Wielofunkcyjność SIMEAS R – upraszcza życie SIMEAS R jest wielofunkcyjnym rejestratorem z następującymi funkcjami: Cyfrowy Rejestrator Zakłóceń do dynamicznej rejestracji zwarć

Rejestrator zakłóceń rejestruje kanały analogowe prądu i napięcia oraz kanały binarne, gdy tylko pojawi się zwarcie na stacji lub linii. W przypadku wyzwolenia, wszystkie wejścia analogowe i binarne są rejestrowane łącznie z okresem

70

przedzwarciowym, zmiennym czasem trwania zwarcia (zależnym od sposobu wyzwolenia rejestracji) oraz zdefiniowanym okresem pozwarciowym. Oprogramowanie „Diagnosis” można wykorzystać do wyliczenia odległości do miejsca zwarcia. Przy pomocy wejść binarnych można rejestrować informacje o stanach np. położenia wyłączników odłączników itp. Inteligentny system kontroli sekwencji wyzwalania zapewnia, że rejestrowane są tylko te dane, które są niezbędne do analizy zakłócenia. Inną doskonałą zaletą tego urządzenia jest bardzo dynamiczny zakres prądów znamionowych i zwarciowych, dzięki 16 bitowej rozdzielczości z częstotliwością próbkowania 256 próbek / cykl. Rejestrator mocy i częstotliwości do rejestracji napięcia i kołysań mocy w elektrowniach Funkcja rejestracji mocy i częstotliwości koncentruje się na równowadze mocy oraz stabilności częstotliwościowej w elektrowniach i sieci. W przypadku zwarcia w sieci elektroenergetycznej, mogą pojawić się problemy ze stabilnością w związku z utratą mocy generowanej. Wówczas, występuje nagła zmiana mocy generowanej w elektrowniach nie dotkniętych zwarciem. W SIMEAS R, zmiana równowagi mocy w elektrowni a tym samym możliwa zmiana częstotliwości systemu zostanie szczegółowo zarejestrowana łącznie z czasem przed zakłóceniem. Podczas gdy, opisany powyżej rejestrator zakłóceń zapisuje przebiegi krótkich zdarzeń trwających kilka sekund, o tyle rejestrator mocy i częstotliwości został zaprojektowany do rejestracji zdarzeń trwających godzinami. Obie funkcje mogą być aktywne równocześnie o ile tak skonfigurujemy urządzenie. Np. rejestrator mocy i częstotliwości może nadzorować i rejestrować z dużą rozdzielczością i dokładnością 30 minut przed zakłóceniem oraz dodatkowo 2 godziny zmian częstotliwości i mocy po zwarciu w sieci. Cyfrowy rejestrator ciągły – wartości skutecznych oraz rejestrator parametrów jakości energii – 450MByte rocznie Rejestrator wartości skutecznych i jakości energii monitoruje i rejestruje sygnały wejściowe w długim okresie czasu. Dzięki takiej rejestracji ciągłej opartej na buforze cyklicznym, można rejestrować wszystkie ważne dane systemu elektroenergetycznemu tj. wartości skuteczne napięć i prądów, moc czynną i bierną, harmoniczne prądu i napięcia, współczynnik mocy, częstotliwość, składowe zgodne i przeciwne oraz współczynnik zniekształceń THD sygnałów prądowych i napięciowych. Funkcja ta może zostać wykorzystana również do rejestracji krótkich spadków napięcia oraz efektu migotania napięcia w stacja elektroenergetycznych. Przy rejestracji zgodnie z normą jakości energii IEC50160, ilość danych w rejestratorze wynosi ok. 450MByte rocznie. Z taką ilością danych radzi sobie zintegrowana pamięć oparta o flash-disk, o ile zarejestrowane dane zbierane są dwa razy do roku. Szybka transmisja w połączeniu z kompresją danych pozwala przesłać taką ilość danych. Rejestrator umożliwia dodatkową ochronę: jest on kontrolą jakości on line. Jakość systemu elektroenergetycznego jest określana zgodnie z normą IEC50160 i może służyć do celów weryfikacji w przypadku sporów. Dostarcza również ważne informacje oraz dane do optymalizacji urządzeń pierwotnych, które jest ważnym kryterium do inwestycji w przyszłości.

71

Rejestrator zdarzeń – szybszy od milisekundy

Rejestrator zdarzeń rejestruje operacje łączeniowe na stacji oraz inne informacje binarne tj. zadziałanie zabezpieczenia lub stan pracy zabezpieczenia. Wszystkie sygnały binarne próbkowane są, co 0,5ms i rejestrowana jest każda zmiana stanu we właściwej sekwencji czasowej. Jeśli np. mamy zarezerwowane dla tej funkcji 5MByte w pamięci flash, odpowiada to120 000 zmian stanu sygnałów, co wystarcza na wiele lat – w rozproszonym archiwum danych. Dzięki przyporządkowaniu sygnałów binarnych do rejestracji analogowych, użytkownik otrzymuje szczegółowe informacje nt pracy systemu elektroenergetycznego w formie graficznej. Dodatkowo, dane przedstawiane są w formie listy ze znacznikiem czasu rzeczywistego, z rozdzielczością do 1ms oraz z opisem tekstowym. Wysoka rozdzielczość i dokładność

Aby możliwa była szczegółowa rejestracja zjawisk związanych z jakością energii, sygnały prądowe i napięciowe muszą być próbkowane z dużą dokładnością w zakresie ich wielkości znamionowych. Z drugiej strony, rejestrator zakłóceń musi rejestrować w przypadku zwarcia z dużą dokładnością wartości do 50x wartość znamionowa, nawet w przypadku występowania w prądzie dużej składowej stałej. Dzięki nowej koncepcji przetworników w SIMEAS R oraz 16 bitowemu przetwarzaniu A/C, wymagania te mogą zostać spełnione bez utraty jakości. SIMEAS R jest głównym elementem rozwiniętego systemu wykrywania i rejestracji zakłóceń, w skład którego wchodzą: Rejestrator SIMEAS R

Urządzenie dostępne jest w dwóch typach obudowy. Mniejsza wyposażona jest w jeden moduł akwizycji danych (DAU), natomiast większy 19” można wyposażyć w max. 4 moduły DAU. OSCOP P oprogramowanie do parametryzacji i przetwarzania danych

Wszystkie dane zarejestrowane przez SIMEAS R mogą być analizowane przy pomocy pakietu oprogramowania OSCOP P. OSCOP P służy również do parametryzacji SIMEAS R oraz do archiwizacji rejestracji zakłóceń i wartości skutecznych. Przy pomocy opcji „COMTRADE file Import and Export”, rejestracje zakłóceń można analizować bardziej szczegółowo przy pomocy innych elementów oprogramowania. DAKON komputer przemysłowy

Dakon jest komputerem przemysłowym, do którego można podłączyć kilka SIMEAS R oraz zabezpieczeń cyfrowych z protokołem IEC60870-5-103. W trybie automatycznym, DAKON może zbierać dane z SIMEAS R jak również rejestracje zakłóceń z zabezpieczeń oraz zapisywać je w pamięci wewnętrznej. Ponadto DAKON umożliwia synchronizacje czasu podłączonych SIMEAS R z wystarczającym stopniem dokładności. Jeśli wymagana jest bardziej dokładna synchronizacja czasu, należy stosować odbiornik GPS z modułem Sychbox.

72

Komputery do przetwarzania oraz elementy komunikacji

Bezpośrednie podłączenie komputera z SIMEAS R umożliwia jego parametryzację oraz analizę danych. Ponadto w skład elementów komunikacyjnych wchodzą np. przetworniki światłowodowe, hub’y, koncentratory oraz modemy. Komunikacja ethernet’owa pomiędzy kilkoma SIMEAS R, komputerami DAKON oraz komputerem roboczym można zrealizować na kilka sposobów, np. w formie sieci WAN (Wide Area Network) lub sieci LAN (Local Area Network) z protokołem TCP/IP z połączeniami elektrycznymi i światłowodowymi poprzez konwertery jak również hub’y. Alternatywnie, można zestawić komunikację poprzez modemy analogowe lub ISDN oraz koncentratory (starcoupler). Elementy synchronizacji czasu

Aby mieć możliwość porównywania zapisów rejestratorów zakłóceń oraz zabezpieczeń rozmieszczonych w różnych miejscach, konieczna jest dokładna synchronizacja czasu wszystkich SIMEAS R oraz DAKON. Można to zrealizować przy pomocy dodatkowych elementów tj. odbiorniki GPS z protokołem IRIG-B lub DCF77 oraz modułu Synchbox. Oprogramowanie SICARO PQ oraz Diagnose Opcjonalne oprogramowanie SICARO PQ służy do przetwarzania i wizualizacji danych jakości energii oraz tworzenia raportów. Moduł oprogramowania Diagnose jest modułem opcjonalnym oprogramowania OSCOP P. Przy pomocy tego modułu można obliczyć odległość do miejsca zwarcia. KAŻDA SŁABOŚĆ ZOSTANIE ODKRYTA Im więcej rejestrujesz tym więcej danych zbierzesz. W myśl tej prostej zasady należy się liczyć z pewnymi komplikacjami w przypadku rozległych zakłóceń w sieci, gdy trzeba w bardzo krótkim czasie przesłać i przetworzyć wszystkie dane. SIMEAS R i OSCOP P zdejmują z ekspertów od sieci elektroenergetycznych znaczą część presji, umożliwiając szybkie przesłanie do biura informacji potrzebnych do analizy. Ponadto zintegrowany lokalizator miejsca zwarcia w połączeniu z pakietem OSCOP P umożliwiają diagnostykę systemu elektroenergetycznego w biurze lub w centrum dyspozytorskim. Systemy rejestracji – automatyczna analiza danych z OSCOP P

OSCOP P działa w systemie MS Windows i służy do automatycznego zbierania danych z rejestratorów SIMEAS R jak również do zdalnej parametryzacji tych urządzeń. Zebrane dane można przetworzyć szybko dla celów analizy zakłócenia. To coś więcej niż graficzne oprogramowanie do obróbki danych – monitoruje on również cały system rejestracji zakłóceń. W zależności od nastaw, wyniki rejestracji można przesłać automatycznie i zapisać w rozległej bazie danych. Dzięki OSCOP P przetwarzanie danych i analiza zakłóceń jest prosta i zajmuje niewiele czasu ponadto oprogramowanie jest przyjazne użytkownikowi. Wiele czynności zostało zautomatyzowanych: przesył rejestracji zakłóceń, wizualizacja na ekranie, wysłanie wyników na drukarkę lub fax itp. Użytkownik nie musi naciskać ani jednego klawisza w celu aktywacji któregokolwiek z tych zadań.

73

Wyszukiwanie danych jest proste

OSCOP P jest wydajnym oprogramowaniem do nowoczesnego zarządzania danymi oraz posiada zintegrowaną bazę danych. W połączeniu z bazą danych na kartach flash każdego z podłączonych SIMEAS R, posiada ogromną rozproszoną bazę danych. Dzięki instalacji dodatkowych serwerów, użytkownik może stworzyć firmową sieć danych rozproszonych dla rejestracji zakłóceń, danych rejestratora częstotliwości i mocy, rejestratora wartości skutecznych, rejestratora jakości energii oraz rejestratora zdarzeń. Stąd, możliwy jest dostęp do zarejestrowanych i zapisanych danych z każdego miejsca w firmie bez problemów, nawet dla rejestracji sprzed kilku lat. Koncepcja sprzętowa SIMEAS R – technologia jutra stosowana dziś

SIMEAS R składa się z modułu jednostki centralnej, max. 4 modułów zbierania danych (DAU) oraz zasilacza. Moduł zbierania danych VCDAU posiada 4 wejścia prądowe i 4 napięciowe, CDAU posiada 8 wejść prądowych natomiast VDAU – 8 wejść napięciowych. Moduł DDAU może rejestrować 8 sygnałów DC. Równocześnie wszystkie te moduły mogą rejestrować 16 sygnałów binarnych. Jeśli musimy rejestrować dodatkowe sygnały binarne można posłużyć się modułem BDAU z 32 wejściami binarnymi. Przez co SIMEAS R oferuje wysoki stopień elastyczności konfiguracji a przez to może optymalnie adaptować się do dowolnych aplikacji rejestracji i kontroli. SIMEAS R dzięki temu, że wszystkie potrzebne sygnały są rejestrowane lub obliczane przez szybkie procesory sygnałowe z dużą dokładnością czyni inne urządzenia rejestrujące przestarzałymi.

1 Integracja w jednym urządzeniu cyfrowego rejestratora zakłóceń, rejestratora mocy i częstotliwości, rejestratora wartości skutecznych, rejestratora jakości energii oraz rejestratora zdarzeń

Oszczędność kosztów, uproszczone połączenia zewnętrzne (odrutowanie)

2 Przekładniki prądowe i napięciowe zostały zintegrowane w urządzeniu i dopasowane do zastosowania na stacja elektroenergetycznych

Dzięki temu ogranicza się dodatkowe koszty boczników, materiałów łączeniowych, okablowania i dokumentacji.

3 Dzięki wysokiej częstotliwości próbkowania, rozdzielczości, dokładności jak również synchronizacji GPS, możliwe jest porównywanie różnych rejestracji zakłóceń z różnych miejsc w sieci

Odgrywa to ważną rolę w przypadku reklamacji odbiorców energii, i pozwala oszczędzić koszty.

4 Krótkie czasy transmisji dzięki zintegrowanej bazie danych, automatyczne zbieranie danych oraz wysoki stopień kompresji danych

Oszczędzasz koszty połączeń telefonicznych przy wykorzystaniu połączeń modemowych analogowych i ISDN. Personel może skoncentrować się analizie rzeczywistych problemów

5 Kompaktowa obudowa 7XP Oszczędza miejsce w szafie i obniża koszty montażu

6 Istniejącą infrastrukturę sieci telefonicznej analogowej, ISDN lub Ethernet 802.3 z protokołem TCP/IP można przystosować do przesyłu danych na duże odległości

Wynikiem tego są niskie koszty inwestycyjne dla wysokiej jakości transmisji danych. System staje się prosty i łatwy w rozbudowie na przyszłość

7 Kalibracja i strojenie nie jest potrzebne Oszczędza koszty pracy i uruchomień

8 Uruchomienie możliwe jest z biura poprzez połączenie na duże odległości

Oszczędza koszty pracy i uruchomienia

9 Dzięki rozwiązaniu inteligentnej rozproszonej bazy danych, wszystkie zarejestrowane dane dostępne są przez kilka lat

Umożliwia to obserwacje zmian w zachowaniu systemu oraz pozwala na łatwe planowanie modernizacji

74

Pojemność pamięci i kompresja danych skracają czas transmisji

Wysoka częstotliwość próbkowania zwykle skutkuje długimi czasami transmisji a tym samym wysokimi kosztami połączeń telefonicznych oraz kosztami stosowania większych pamięci masowych. Ale nie przy naszym systemie kompresji danych dla rejestracji zakłóceń. Zwiększa on wydajność pamięci oraz zdecydowanie skraca czasy transmisji. Ogromna pamięć danych

Dane zebrane przez SIMEAS R zapisywane są do pojemnej wewnętrznej pamięci masowej. Dla zastosowań w sieci elektroenergetycznej, elektrowniach lub przemyśle, w normalnych warunkach, aby zapełnić pamięć o takiej pojemności potrzeba kilku miesięcy. Jeśli się to zdarzy pamięć zacznie pracować w trybie cyklicznym. Oznacza to, że najstarsze wartości zostaną nadpisane przez najnowsze. Zapisane dane są przesyłane z każdego SIMEAS R do komputera DAKON lub stacji roboczej z oprogramowaniem OSCOP P. Może się to odbywać ręcznie lub automatycznie. W stacji roboczej również znajduje się pamięć masowa o dużej pojemności oraz wydajna baza danych. Zapewnia to, że przesłane dane zostaną zapisane, przez co mogą być dostępne przez bardzo długi czas nawet kilku lat. Proste połączenia

Dopasowanie wejścia prądowego, problemy z maksymalnym prądem zwarciowym, potencjometry i przełączniki do kalibracji, to rzeczy, którymi nie ma potrzeby już więcej się zajmować. SIMEAS R zawsze rejestruje właściwy prąd z wysoką rozdzielczością i w szerokim zakresie. Urządzenie jest całkowicie bezobsługowe, nie ma potrzeby kalibrować wejścia sygnałowe. Montaż jest również bardzo prosty, wejścia prądowe i napięciowe znajdują się na zaciskach z tyłu urządzenia. Całe uruchomienie można przeprowadzić wygodnie z biura. Wbudowany UPS –bezpieczny po wszystkie czasy Wbudowany moduł zasilacza może być wyposażony w moduł akumulatora. Nawet w przypadku zaniku zasilania na stacji SIMEAS R może kontynuować rejestrację wszystkich potrzebnych danych. Możliwe jest również określenie przyczyny zaniku zasilania na stacji o ile odpowiednie sygnały są rejestrowane. Transmisja danych na duże odległości – koncepcja sieci Rozproszony system rejestracji zakłóceń na stacji obejmujący kilka SIMEAS R można zbudować w prosty sposób z zastosowaniem Ethernet’u. W standardowej aplikacji urządzenia należy połączyć przy pomocy hub’a do komputera DAKON PC jako jednostki centralnej. Z DAKON PC dane można przesyłać do serwera np. w centrali lub centrum dyspozytorskim. Wydajny algorytm kompresji danych zastosowano również przy wymianie danych pomiędzy DAKON PC a serwerem. Dlatego, pomimo zastosowania powolnych łączy przez linie telefonii analogowej, czas transmisji danych nadal będzie znajdował się w akceptowalnym zakresie.

75

Inteligentna analiza zakłóceń i problemów z jakością energii

Zwarcia oraz zdarzenia związane z jakością energii w systemie elektroenergetycznym stają się coraz bardziej skomplikowane. Szczególnie jest to widoczne w przypadku, gdy podczas zwarcia rozwijającego się działa wiele zabezpieczeń. W zależności od rodzaju zwarcia oraz rodzaju linii wymagane są różne sposoby analizy zakłócenia. Przykład, obliczenie miejsca zwarcia na linii przesyłowej złożonej z odcinka napowietrznego, kablowego i zbliżenia równoległego z inną linią będzie bardziej złożone niż obliczenie odległości do miejsca zwarcia dla linii jednorodnej. Opcjonalny wydajny system diagnostyczny zintegrowany w OSCOP P pomaga analizować zwarcia i identyfikować miejsce wystąpienia zwarcia w bardzo krótkim czasie. Przy pomocy opcjonalnego modułu oprogramowania do analizy jakości energii SICARO PQ, można monitorować jakość napięcia systemu elektroenergetycznego oraz tworzyć raporty. Oprogramowanie to przedstawia wyniki w formie graficznej w bardzo czytelny sposób. Prezentacja graficzna – stworzona specjalnie do analizy zwarć

Oprogramowanie OSCOP P zostało stworzone dla ekspertów zajmujących się problemami systemów elektroenergetycznych. Dzięki narzędziu „Eval” z OSCOP P, mają oni możliwość analizy przebiegów rejestracji zakłóceń na różne sposoby oraz mogą tworzyć raporty zawierające szczegółowe wykresy. Dzięki elastyczności, można dodawać lub usuwać z raportu w formie wykresu różne kanały, aby uzyskać np. najważniejszą informację w formie jednej strony papieru. Dzięki wydajnym narzędziom parametryzacji, możliwe jest zarządzanie wszystkimi dostępnymi danymi oraz parametrami podłączonych rejestratorów SIEMEAS R oraz zabezpieczeń z protokołem IEC60870-5-103.

76

PRZYRZĄDY DO POMIARU PARAMETRÓW JAKOŚCI

ENERGII W OFERCIE FIRMY LEM

mgr inż. Alicja MIŁOSZ SEMICON Sp. z o.o Warszawa

1. Informacje ogólne

Oferta firmy LEM w dziedzinie analizatorów parametrów jakości energii elektrycznej skierowana jest do szerokiego kręgu odbiorców. Oferowane przyrządy (lub całe systemy) umożliwiają rejestrację parametrów jakości w sieciach wysokiego napięcia, średniego oraz niskiego, w konfiguracji trójkąta oraz gwiazdy. LEM oferuje przyrządy typu przenośnego lub stacjonarnego. Łączy je możliwość pomiaru zasadniczych parametrów napięcia zasilającego według normy P EN 50160, którymi są:

wahania napięcia harmoniczne napięcia (zwykle do 40-tej) THD U (współczynnik zawartości harmonicznych napięcia) Współczynniki migotania Pst i Plt zdarzenia (zapady, przepięcia, krótkie i długie przerwy w zasilaniu) niesymetria częstotliwość sygnały napięciowe do transmisji informacji (z wyjątkiem ANALYST-a 3Q)

Wyposażenie prezentowanej aparatury w wejścia prądowe zwiększyło zakres

pomiarów o pomiary mocy i energii. Pomiary wielkości elektrycznych dokonywane są wg obowiązujących norm metrologicznych. Analizatory przeznaczone do pracy w trudnych warunkach atmosferycznych posiadają stopień ochrony obudowy IP65 (TOPAS 1000, MEMOBOX 300 smart). SEMICON Sp. z o.o, 04-761 Warszawa, ul. Zwoleńska 43 tel. (48-22) 6157371, 6156431 fax. (48-22) 6157375 e-mail: [email protected]; http:/WWW.semicon.com.pl

77

Wykonywane pomiary umożliwiają:

Zapewnienie jakości dzięki

Analizie jakości napięcia zgodnie z P EN 50160 w okresie 7 dni Sprawdzaniu otrzymanych wartości z wymaganiami standardu

Analizę zniekształceń poprzez

Długoterminową analizę napięcia sieci Rozwiązywanie problemów z zapadami napięcia i składowymi harmonicznymi Pomiar współczynników migotania Sprawdzanie poziomu napięciowych sygnałów do transmisji informacji Poszukiwanie przyczyn zakłóceń na podstawie korelacji mierzonych wielkości

(prądu, napięcia, migotania) z czasem wystąpienia zjawiska i ich powtarzalnością

Optymalizację sieci poprzez: Pomiar obciążenia (badanie możliwości podłączenia nowych odbiorców energii) Pomiar prądów Wychwytywanie skoków prądu Badanie skuteczności systemów kompensacji

Pomiary mocy polegającej na:

Długoterminowej analizie mocy czynnej, biernej i pozornej Długoterminowej analizie współczynnika mocy i symetrii

W przypadku analizatorów jakości energii bardzo ważną rolę odgrywają

programy analizujące zarejestrowane dane. W firmie LEM poddawane one są ciągłym modyfikacjom realizując potrzeby zgłaszane przez użytkowników. Długoletnie doświadczenie w tej dziedzinie sprawia, że są doskonałym narzędziem ułatwiającym poszukiwanie związków między niepożądanymi zjawiskami w sieci.

Każdy z przyrządów generuje graficzny obraz sytuacji w wybranym punkcie sieci elektroenergetycznej (wg P EN 50160) w obserwowanym okresie, uśrednianych w interwałach czasowych wymaganych przez normę np. 10 minut (można zaprogramować dowolne).

Rys 1. Graficzny obraz sytuacji w sieci elektroenergetycznej w badanym okresie

78

Wybrane parametry (kilka na jednym wykresie) można oglądać na ekranie komputera w postaci przebiegów (programowany czas uśredniania), w postaci widma napięcia fazowego(harmoniczne, THD). Generowane są również raporty zgodności z normą, zestawienia, statystyki, histogramy, pliki tekstowe do wykorzystania np. w arkuszu EXCEL. Tworzona jest tabela UNIPEDE , DISDIP lub krzywa CBEMA klasyfikujące zarejestrowane zdarzenia pod względem czasu trwania i amplitudy. Dzięki pracy w trybie ON LINE przyrządy umożliwiają obserwację zmian parametrów sieci w czasie rzeczywistym.

Do najciekawszych przenośnych analizatorów z punktu widzenia korzyści osiąganych przez użytkownika należą: TOPAS 1000, MEMOBOX 808, MEMOBOX 300 smart, ANALYST 3Q.

2. WYBRANE PRZYRZĄDY DO BADANIA JAKOŚCI ENERGII

ELEKTRYCZNEJ I ICH ZASTOSOWANIE

2.1 Analizator TOPAS 1000

Rys.2. Analizator TOPAS 1000 TOPAS 1000 jest wielozadaniowym analizatorem sieci zasilającej średniego i niskiego napięcia.. Posiada możliwość pomiaru stanów nieustalonych wysokiej częstotliwości (częstotliwość próbkowania - 100kHz ÷10MHz ) oraz możliwość pracy oscyloskopowej (przebiegi napięcia i prądu). Użytkownik ma możliwość programowania trybów wyzwalania pomiarów (dodatkowa opcja TRIGGER). Przekroczenie progów ( wartości chwilowej lub wartości rms) może wyzwolić rejestrację harmonicznych (1-50), wartości skutecznych napięć, prądów i mocy, wartości chwilowych prądu i napięcia, stanów nieustalonych HF oraz napięć sygnałowych. Wszystko to czyni przyrząd idealnym narzędziem do diagnostyki w zakłóceń wpływających na jakość sieci. Topas 1000 jest wyposażony w funkcję autotestowania. Badane są kanały wejściowe, sondy, pamięć, interfejs i baterie. Wynikiem jest raport wyjściowy. Analogowe kanały są testowane za pomocą pomiaru napięcia szumu i napięcia offsetu. Możliwe jest wykonanie kalibracji. Menu kalibracji pokazuje dane kalibracyjne dla wszystkich ośmiu wejść analogowych i podłączonych sond. Menu to może być użyte do kalibracji kanałów, sond a także do sprawdzenie odchyleń w porównaniu z odpowiednim referencyjnym przyrządem oraz źródłem sygnału.

WYKONYWANE POMIARY:

Analiza zakłóceń i ich przyczyn. Określenie rezerw obciążalności transformatorów Wykrywanie i analiza stanów nieustalonych HF

(transiens) Monitorowanie jakości napięcia wg normy P EN

50160 Wykrywanie interferencji i uciążliwych udarów mocy Analiza sygnałów napięciowych do transmisji

informacji

79

Mechaniczna konstrukcja obudowy (IP65) umożliwia wykonywanie pomiarów w warunkach dużych zanieczyszczeń i wilgotności. Wewnętrzna pamięć o pojemności ( ok. 1GB ) zapewnia długotrwały okres rejestracji stanowiąc bardzo rozbudowaną bazę danych.

TOPAS 1000 posiada 8 identycznych, izolowanych kanałów pomiarowych, które mogą być skonfigurowane jako 4 wejścia napięciowe i 4 wejścia prądowe lub 8 wejść napięciowych. Częstotliwość próbkowania jest automatycznie synchronizowana do częstotliwości podstawowej harmonicznej 45 – 65 Hz ( błąd < 10 ppm). Przyrząd wykonany jest w klasie dokładności A wg Normy EN 61000–4–7.

Przykłady zastosowania przyrządu w badaniach jakości energii elektrycznej

Przykład 1: Poszukiwanie przyczyny migotania światła Na oscylogramach pokazano przebiegi zmian wartości skutecznej napięcia i prądu (rys.3) oraz przebieg wartości chwilowej prądu (rys. 4). Widoczne są (rys 3) wahania napięcia o amplitudzie 8V powtarzające się co 0.7 s wywołane okresowym włączaniem grzałki 2kW.

Rys. 3 Zmiany wartości skutecznych napięcia i prądu

Rys.4. Oscyloskopowy przebieg prądu z widocznym momentem włączenia grzałki

(sterowanie grupowe)

80

Przykład 2: Analiza harmonicznych prądu w elektrowni wiatrowej

Rys.5. Oscyloskopowe przebiegi napięcia i prądu – widoczny wpływ 5-tej harmonicznej

Rys. 6. Analiza widmowa napięcia – dominująca harmoniczna podstawowa

81

Rys.7. Analiza widmowa prądu – dominująca piąta harmoniczna

2.2 Analizatory MEMOBOX 808 i MEMOBOX 300 smart Rys. 8. Analizator MEMBOX 808 Rys. 9. MEMOBOX 300 smart

WYKONYWANE POMIARY:

Monitorowanie jakości napięcia wg normy P EN 50160 Analiza zakłóceń i ich przyczyn Optymalizacja sieci zasilającej Pomiar poziomu sygnałów napięciowych do transmisji

informacji

82

MEMOBOX 808 i MEMOBOX 300 smart są uniwersalnymi urządzeniami do analizy sieci elektrycznych, analizy zniekształceń i optymalizacji sieci niskich i średnich mocy. Dopasowane do konkretnego zastosowania funkcje pomiarowe pozwalają na pomiar najbardziej istotnych parametrów z punktu widzenia konkretnego zastosowania Za pomocą programu CODAM PLUS wybiera się jedną z dwóch funkcji pomiarowych:

Q: Analiza jakości napięcia i lokalizacja zakłóceń

P: Pomiar mocy i optymalizacja sieci A Kombinacja funkcji P + Q Analizatory (funkcja A) rejestrują sygnały doprowadzone do wejść pomiarowych: napięcia L1,L2,L3 oraz prądy L1,L2,L3,N . Wyliczają parametry mocy i energii sieci 3-fazowych. Dokonują analizy harmonicznych napięcia i prądów (do 50-tej, metoda FFT) oraz wyliczają współczynniki THD U, THD I

1

240

2

U

UUTHD

nn∑==

1

250

2

I

IITHD

nn∑==

Un wartość RMS n-tej harmonicznej In wartość RMS n-tej harmonicznej U1 wartość RMS harmonicznej podstawowej I1 wartość RMS harmonicznej podstawowej

MEMOBOX 808 posiada stopień ochrony obudowy IP50, MEMOBOX 300 smart – IP65. Analizatory mierzą, rejestrują i wyliczają wszystkie parametry jakości napięcia wymagane przez normę PEN 50160 oraz parametry mocy i energii, a także harmoniczne prądu. Analogowe sygnały wejściowe poddawane są konwersji na sygnał cyfrowy przez 16-sto bitowy konwerter A/C. Częstotliwość próbkowania wynosi 10.24 kHz. 2048 próbek sygnału służy do obliczenia 200ms wartości skutecznej rms sygnału wejściowego (U i I).

Te wartości są podstawą do obliczania średniej wartości skutecznej w zaprogramowanym interwale pomiarowym (1s, 3s,s, 10s, 30s, 1min, 5 min,10min, 15min, 60 min).

83

time

U N

Measuring period

1 interval

Rys. 10. Zasada obliczania wartości średniej RMS w interwale czasowym Dokładność pomiaru napięć wynosi 0,1% wartości mierzonej, prądów z użyciem cęgów - <0,3% , a z użyciem elastycznych cegów LEM-flex - <2 %. Rozdzielczość pomiaru wynosi 10 ms(=1/2 okresu) co oznacza, że rejestrator zapamięta zapady lub przepięcia o minimalnym czasie trwania równym 10 ms .

Zeit

90% Un

Duration

Depth

Heigth

Duration

100% Un110% Un

Rys. 11 Zasada pomiaru parametrów zdarzeń Jest to również minimalna wartość programowanego czasu uśredniania przy pomiarach wartości minimalnych i maksymalnych sygnału mierzonego. U

Max. value

Min. value

t

Interwał pomiarowy Rys 12. Zasada pomiaru wartości ekstremalnych

84

Zakres pomiaru jest programowany i wynosi: Napięcie wejściowe F-N: 115 V/ 230 V/ 480 V AC F-F: 200 V/ 400 V/ 830 V AC Napięcie nominalne < 999 kV zależy od przekładnika Prądy wejściowe Pomiar z cęgami LEMflex L1, L2, L3, N: 15 / 150 / 1500 / 3000 A AC Zakres pomiaru: 0,75 A … 3000 A AC, Pomiar z użyciem cęgów Zakresy wejść II: nominalnie 0.5 V AC (dla II)

Transformator prądowy przekładnia : ≤ 999 kA / ≤ II Prąd nominalny < 999 kA zależy od przekładnika Pamięć typu Flash pozwala na długookresowe pomiary. Można zarejestrować 13 000 zdarzeń (zapady, przepięcia i przerwy). Sposób zapełniania pamięci (liniowy lub cykliczny) jest programowany. Wyniki pomiarów zapamiętywane są wraz ze znacznikami czasowymi. Analizator MEMOBOX 808 może być wyposażony opcjonalnie w wewnętrzny UPS zapewniający zasilanie awaryjne przez co najmniej 5 godzin. Transmisja danych do komputera odbywać się może za pośrednictwem interfejsu RS232 lub (opcjonalnie) modemu analogowego, modemu GSM lub siecią Ethernet. Rejestrator programowany jest za pośrednictwem komputera. Programuje się czas rejestracji, rodzaj startu rejestracji, wartości progowe dla zdarzeń oraz dla normy PEN 50160, interwały pomiarowe, zakresy wejściowe, konfiguracja sieci (F-N, F-F), model pamięci, przekładnie transformatorów itp. Analizatory automatycznie rozpoznają przyłączone cęgi prądowe lub LEM-flexy wprowadzając odpowiednie korekcje współczynników. Ważną zaletą przyrządów jest możliwość oglądania mierzonych wielkości w czasie pomiaru (funkcja ON LINE). Przyrządy dostarczane są z programem CODAM PLUS służącym do programowania pomiaru, odczytu i analizy danych. Program tworzy tabele zdarzeń DISDIP, statystyki, wykresy... Zarejestrowane parametry jakości energii wymagane przez normę EN50160 są podstawą do generowania raportów zgodności z normą. Zmiany wymagań normy są łatwe do wprowadzenia, polegają bowiem jedynie na programowej zmianie wartości progów. Zdarzenia w obserwowanej sieci są łatwe do analizy , gdyż jednocześnie na ekranie można oglądać do 9-ciu przebiegów, wykorzystując funkcje graficzne takie jak np. funkcja ZOOM. Zgromadzone dane można przesłać do arkusza kalkulacyjnego MS- EXCEL celem dalszej obróbki. Przykłady możliwości programu CODAM PLUS:

85

Rys 13. Graficzne zestawienie wg normy EN50160:

Rys 14. Zmiany wybranych parametrów w czasie ( tu: 7 parametrów)

86

Rys 15. Rozkład harmonicznych

Rys 16. Tabela zdarzeń UNIPEDE DISDIP

Rys 17. Eksport danych typu ASCII

87

Przykład: Zastosowanie przyrządu do analizy wahań napięcia (migotanie światła)

Na rys.18 pokazano układ sieci zasilającej biurowiec oraz plac budowy. Pracownicy biurowca uskarżali się na wadliwie działające oświetlenie. Wykonane pomiary parametrów jakości energii elektrycznej, których wyniki pokazano na rys.19, wykazały znaczne przekroczenie wskaźników migotania światła we wszystkich fazach napięcia zasilającego.

Rys.18. Schemat sieci zasilającej badany obiekt – algorytm rozwiązania problemu

Rys. 19. Zbiorcze zestawienie wyników pomiarów parametrów jakości energii elektrycznej w badanej

sieci

prykład - dźwig 1

Memobox 808 - Migotanie światłaskutkiem pracy dźwigu budowlanego

Skargi pracowników biurowca na zjawisko migotania światła

Punkt pomiarowy

pomiary

sposób rozwiązania problemu

88

Analiza otrzymanego obrazu sieci w punkcie pomiarowym wykazała:

współczynnik migotania światła przekroczył limit we wszystkich fazach zarejestrowano zapady i przepięcia zmiany napięcia zasilającego nie przekroczyły dozwolonej wartości + 10 %

Ponadto stwierdzono, że:

Wskaźnik Pst znacznie przekraczał ustalony limit od poniedziałku do piątku (dni robocze) – wyniki pomiarów pokazano na rys.20.

Migotanie światła występuje w godzinach pracy dźwigu (od godz. 7:00 do godz. 12:30), a w przebiegach widoczna jest przerwa śniadaniowa operatora dźwigu (około godz.9:00) – rys.21.

Rys.20. Przebieg zmian krótkookresowego wskaźnika migotania światła w okresie tygodnia

Rys.21. Przebieg zmian krótkookresowego wskaźnika migotania światła w okresie doby

89

WNIOSEK: Dźwig musi być zasilany autonomicznie, bezpośrednio ze stacji transformatorowej. 2.3. Rejestrator ANALYST 3Q Rys.22. Rejestrator ANALYST 3Q

ANALYST 3Q został opracowany z myślą o pracownikach serwisu i utrzymania ruchu, umożliwiając im bardzo szybką ocenę jakości energii, co w sytuacji obowiązujących przepisów czyni go doskonałym narzędziem w przypadku reklamacji odbiorców.

Przyrząd został wyposażony w duży, kolorowy wyświetlacz z podświetleniem pozwalając na przedstawienie mierzonych parametrów jakości zasilania w sposób cyfrowy lub graficzny, w trybie pracy ONLINE lub trybie rejestratora o długim czasie rejestracji.

ANALYST 3Q ma możliwość przedstawiania przebiegów czasowych napięć i prądów (tryb oscyloskopu). tworzy wykres wektorowy dla szybkiej oceny niesymetrii i przerw. zapamiętania do 50 chwilowych przebiegów z wyświetleniem. transmisji danych do komputera oraz aktualizacji oprogramowania wewnętrznego

przyrządu za pośrednictwem interfejsu RS232 tworzy pliki w formacie PQDIF, które można przeglądać wykorzystując

przeglądarki internetowe (Rys. 23 i 24 .) dostarczany jest z programem PQlog (Rys. 25 i Rys. 26)

Rys.23. Wynik rejestracji parametrów według normy EN50160.

WYKONYWANE POMIARY:

Monitorowanie jakości napięcia wg normy P EN 50160

Analiza zakłóceń i ich przyczyn Pomiar mocy i energii Rejestracja stanów nieustalonych (> 500 µs)

90

Rys.24. Współczynnik migotania PLT1 (analiza pliku PQDIF)

Przykład : Pomiar 1-fazowy , odbiorniki prądu : lamka i czajnik, interwał 10 s

Rys. 25 Wartości RMS na wejściach pomiarowych 3 U + 4 I

91

Ostatnie trzy przebiegi są obrazem szumów w nie podłączonych przewodach L2, L3, N. Aby uzyskać bardziej przejrzysty obraz, w menu można wybrać tylko 1 kanał napięciowy i 1 kanał prądowy. Wtedy wykresy (górny to napięcie RMS, a dolny prąd RMS) będą następujące : Rys.26 Wartości RMS napięcia L1 i prądu L1

Rys. 27 Statystyka wartości mierzonego napięcia

92

Rys. 27. Statystyka wartości mierzonego prądu

Przyrządy opisane w niniejszym artykule są jedynie częścią oferty firmy LEM w tej dziedzinie. Szersze informacje można znaleźć na stronie internetowej www.lem.com. oraz w firmie Semicon Sp. z o.o.

93

ŹRÓDŁA ODNAWIALNE PRACUJĄCE W UKŁADZIE HYBRYDOWYM

prof. dr hab. inż. Antoni DMOWSKI, [email protected] mgr Renata DZIK, [email protected]

mgr inż. Tomasz DZIK, [email protected] mgr inż. Mariusz KŁOS, [email protected]

Politechnika Warszawska

1. STRESZCZENIE

W referacie przedstawiono definicję oraz omówiono zalety i wady hybrydowych jednostek wytwórczych, wykorzystujących odnawialne źródła energii pierwotnej, tj.: słońca i wiatru, pracujących w układach wyspowych jak również zintegrowanych z siecią elektroenergetyczną. Referat zawiera opis podstawowych odnawialnych źródeł energii (OZE). Omówiono układy elektrowni słonecznych, wiatrowych i małych elektrowni wodnych ze szczególnym uwzględnieniem ich wad. Przedstawiono układy hybrydowe, w skład których wchodzi źródło pierwotne ze swoim układem energoelektronicznym i magazynem energii. Dalsze zwiększenie niezawodności i dyspozycyjności źródeł odnawialnych jest możliwe poprzez połączenie kilku źródeł w jeden system energetyki rozproszonej. W referacie opisano dwa przykładowe takie systemy. W opisie tych systemów szczególną uwagę zwrócono nie tylko na część elektryczną, ale również na część sterowania i nadzoru, bez których praca tego typu układów nie jest możliwa. Przedstawiono także metodykę oceny efektywności pozyskiwanej energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych.

94

2. WSTĘP

Wzrost zapotrzebowania na energię przy jednoczesnym kurczeniu się zasobów kopalnianych jak również względy ekologiczne i społeczne zwiększyły zainteresowanie nowymi sposobami wytwarzania energii. Zakłada się, że w niedalekiej przyszłości odnawialne źródła energii, współpracujące z wysokosprawnymi urządzeniami energoelektronicznymi, będą miały znaczący udział w globalnym bilansie energetycznym.

Odnawialne źródła energii można podzielić na źródła pierwotne i wtórne. W tych pierwszych następuje bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego, wiatru i wody na prąd elektryczny. Natomiast we wtórnych OZE, do których należą: energia geotermalna, biomasa i biogaz, energia uprzednio skumulowana jest zamieniona na energię cieplną lub elektryczną za pośrednictwem dodatkowych przemian energetycznych. Pierwotne źródła odnawialne w stosunku do wtórnych wykazują podstawową wadę, która polega na silnej zależności ilości produkowanej energii od warunków atmosferycznych (natężenia promieniowania słonecznego, siły wiatru, itp.), w wyniku czego prognozowanie ilości energii produkowanej przez te źródła jest bardzo kłopotliwe. Chcąc zwiększyć możliwości wykorzystania tych źródeł do produkcji zaczęto stosować układy hybrydowe.

Hybrydowe układy (systemy) wytwórcze są to małe zespoły współpracujących jednostek wytwórczych energii elektrycznej albo energii elektrycznej i ciepła, o zróżnicowanych nośnikach energii pierwotnej (odnawialne i nieodnawialne), przy czym sterowanie i koordynacja ich współpracy odbywa się przy wykorzystaniu zaawansowanych układów energoelektronicznych.

3. ENERGIA ELEKTRYCZNA POCHODZĄCA Z MAŁYCH ELEKTROWNI WODNYCH

Ze względu na bezpieczeństwo powodziowe i dający się odczuć brak wody

w wielu regionach kraju konieczna stanie się odbudowa już istniejących i budowa nowych małych zbiorników wodnych. Woda z tych zbiorników może być użyta jednocześnie do produkcji energii elektrycznej. Produkcja tej energii będzie możliwa, jeśli woda nie będzie potrzebna jednocześnie do produkcji rolnej, zwierzęcej lub dla celów konsumpcyjnych. Jest to wadą omawianego źródła energii, ponieważ lokalni właściciele zbiorników wodnych będą sami decydować o przeznaczeniu wody, która dopiero, jeśli będzie jej w nadmiarze zostanie użyta do produkcji energii elektrycznej. Z tego powodu energetyka zawodowa może w małym stopniu liczyć na dostarczanie w sposób planowy energii z tych źródeł. Może to prowadzić do określonych niestabilnych stanów w pracy systemu energetycznego, który będzie współpracował z wieloma małymi elektrowniami wodnymi. Opisaną poprzednio wadę małych elektrowni wodnych można by znacznie ograniczyć lub całkowicie zlikwidować gdyby udało się opracować długookresowy magazyn energii elektrycznej. Energia pobierana z tego magazynu mogłaby być w sposób stały doprowadzona do odbiornika niezależnie od poziomu wody w zbiorniku. W przypadku nadmiaru energii wodnej, wytworzona w tym czasie energia elektryczna, mogłaby być magazynowana.

95

4. ELEKTROWNIE SŁONECZNE

Jedną z pierwszych idei było połączenie baterii słonecznej z baterią akumulatorów. Na rys. 1 przedstawiono schemat blokowy takiej elektrowni, pracującej na odbiornik wydzielony stałoprądowy. W tym układzie bateria akumulatorów pracuje jako zasobnik energii, umożliwiając zasilanie odbiornika w okresach niedostatecznej wydajności energetycznej baterii słonecznej (niskie nasłonecznienie, godziny nocne).

Rys. 1. Schemat blokowy elektrowni słonecznej z baterią akumulatorów

Zaletą tego rozwiązania jest prosta budowa i proste sterowanie. Wadą układu

jest to, że bateria słoneczna nawet podparta baterią akumulatorów nie jest w stanie zasilić odbiornika w ciągu całej doby, gdyż energia produkowana w tym układzie jest silnie zależna od warunków nasłonecznienia i pory roku. Układ jest w stanie magazynować i oddawać energię elektryczną tylko w krótkich okresach czasu. Nadaje się do zasilania odbiorników, gdzie ciągłość zasilania nie jest sprawą priorytetową.

Elektrownie słoneczne mogą współpracować z siecią energetyczną lub pracować na sieć wydzieloną. [2]

Wartość energii elektrycznej uzyskiwaną w tych elektrowniach w ciągu roku przedstawia rysunek 2. [2]

Rys. 2. Roczna produkcja energii elektrycznej w elektrowni słonecznej

W przypadku elektrowni sieciowej fluktuacja produkowanej energii może być pokrywana z systemu energetycznego. Jeśli system taki nie będzie dostatecznie duży w stosunku do mocy elektrowni fotowoltaicznej to niestabilność wartości produkowanej energii przez elektrownie fotowoltaiczne może się odbić na stabilnej

96

pracy tego systemu (wahania napięć). Na przedstawionym rysunku nr 2 wykresie średniej produkcji energii elektrycznej przez elektrownię fotowoltaiczną można zauważyć wyraźny deficyt energii w miesiącach zimowych. Rozwiązaniem problemu byłby tu „magazyn” energii, który mógłby zmagazynować nadmiar energii w miesiącach letnich i oddać tę energię w miesiącach zimowych. Sprawność tego typu układów zależy, w znacznym stopniu, od sprawności zastosowanych urządzeń energoelektronicznych. Sprawności tą można poprawić dobierając odpowiedni typ urządzenia przetwarzającego energię do danej instalacji oraz poprawiając sprawność samego układu energoelektronicznego.

5. ELEKTROWNIE WIATROWE

Obecnie instalowane elektrownie wiatrowe mają moce 0,1 - 4,5 MW. W warunkach polskich elektrownie wiatrowe charakteryzują się czasem wykorzystania mocy zainstalowanej około 1500 - 2000 h na rok. W elektrowniach tych, w wyniku zmian prędkości wiatru następują znaczne zmiany w ilościach produkowanej energii, co widać jest na rys 3.

14

12

10

8

6

4

2

0

prąd

[A

]

00:0

3:03

00:4

3:03

01:2

3:03

02:0

3:03

02:4

3:03

03:2

3:03

04:0

3:03

04:4

3:03

05:2

3:03

06:0

3:03

06:4

3:03

07:2

3:03

08:0

3:03

08:4

3:03

09:2

3:03

10:0

3:03

10:4

3:03

11:2

3:03

12:0

3:03

12:4

3:03

13:2

3:03

14:0

3:03

14:4

3:03

15:2

3:03

16:0

3:03

16:4

3:03

17:2

3:03

18:0

3:03

18:4

3:03

19:2

3:03

20:0

3:03

20:4

3:03

21:2

3:03

22:0

3:03

22:4

3:03

23:2

3:03

Rys. 3. Przykładowy dobowy wykres prądu wytwarzanego przez turbinę wiatrową (17 kwiecień)

W przypadku dołączania dużej liczby elektrowni wiatrowych do sieci energetycznej mogą powstać problemy związane z niestabilnością systemu energetycznego (wahania napięć). Problem ten można częściowo złagodzić stosując w elektrowni wiatrowej złożone systemy maszyn elektrycznych pracujące w połączeniu z układami energoelektronicznymi jak przedstawiają to rysunki nr 4 i nr 5.

Rys. 4. Turbina wiatrowa z prądnicą synchroniczną, prostownikiem i falownikiem.

97

Rys. 5. Turbina wiatrowa z maszyną dwustronnie zasilaną (pierścieniową) i układem

energoelektronicznym.

Są to jednak rozwiązania znacznie droższe niż układy z maszyną asynchroniczną i tylko częściowo rozwiązują problem. Ze względu na negatywny wpływ elektrowni wiatrowych, wraz z wzrastającą ich mocą, na sieć energetyczną w Polsce koniecznym jest włączenie tych elektrowni do sieci WN.. Rozwiązanie takie jest akceptowalne z punktu widzenia techniki. Pociąga za sobą jednak znaczne koszty. Poza nakładami inwestycyjnymi związanymi z typem oraz mocą siłowni wiatrowej należy uwzględnić również takie elementy jak wyprowadzenie mocy (GPZ).

Z punktu widzenia operatora systemu jak również odbiorcy energii najlepszym rozwiązaniem byłoby zainstalowanie generatora wiatrowego w węźle systemu, do którego dołączono odbiorców (sieć dystrybucyjna np.: 15 kV). Dzięki temu konsumpcja energii miałaby miejsce w punkcie jej wytworzenia. Takie rozwiązanie zmniejszyłoby znacznie koszty całej inwestycji jednocześnie zwiększając dyspozycyjność całego układu.

ZASOBNIK ENERGII

PRZETWORNICA ENERGOELEKTRONICZNA

UKŁAD STEROWANIA I NADZORU

BATERIA CHEMICZNA LUB OGNIWO PALIWOWE

SYSTEMENERGETYCZNY

15 kV

ODBIORY

Rys. 6. Turbozespół wiatrowy z zasobnikiem energii i transformatorem izolującym Układ zasobnika (np.: bateria akumulatorów + przetwornica energioelektro-

niczne DC/AC) kompensuje „niedobory” i „nadwyżki” energii w węźle sieci energetycznej [14]. Układ jest w pełni dyspozycyjny. Takie rozwiązanie umożliwi uśrednienie mocy w węźle systemu elektroenergetycznego.

98

6. ELEKTROWNIE HYBRYDOWE

Pewnym rozwiązaniem w miarę stabilnego przekazywania energii do odbiornika lub sieci energetycznej wydaje się łączenie elektrowni wykorzystujących źródła odnawialne w elektrownie hybrydowe. Rysunek 7 przedstawia schemat blokowy hybrydowej elektrowni słoneczno - wiatrowej.

Rys. 7. Hybrydowa elektrownia słoneczno – wiatrowa.

Przeprowadzone badania wykazały, że w układzie jest stosunkowo łatwo

realizować zasadę „maksimum energii ze źródła najtańszego”. Niestety system nie pokrywa zapotrzebowania na energię przez cały czas. Wynika to z faktu, że w warunkach polskich występują znaczne przedziały czasu, w których brak jest jednocześnie dostatecznego promieniowania słonecznego i wiatru.

Rozwiązaniem tego problemu może być połączenie trzech źródeł: baterii słonecznej (BS) z generatorem wiatrowym (TW) i generatorem prądu przemiennego napędzanym silnikiem Diesla (GD). Na rys. 8 przedstawiono schemat blokowy takiej elektrowni [3]. Przy niesprzyjających warunkach atmosferycznych (bateria słoneczna i generator wiatrowy nie pracują) odbiornik jest zasilany z agregatu prądotwórczego, w skład którego wchodzą: silnik Diesla i sprzęgnięty z nim generator prądu przemiennego.

Rys. 8. Schemat blokowy hybrydowej elektrowni słoneczno-wiatrowej z generatorem prądu

przemiennego napędzanym silnikiem Diesla

99

W celu zapewnienia możliwości pełnego wykorzystania elektrowni słonecznej niezależnie od pory roku i intensywności oświetlenia słonecznego zaproponowano tu rozszerzenie elektrowni o dołączenie dwu dodatkowych źródeł energii. Autorzy tego rozwiązania zaproponowali maksymalne wykorzystanie źródła słonecznego, turbina wiatrowa ze względu na zużywanie się części mechanicznych zostanie włączona w celu szybkiego doładowania baterii akumulatorów przy braku dostatecznego oświetlenia słonecznego, a generator napędzany silnikiem Diesla jest włączony tylko w przypadku głębokiego rozładowania baterii i będzie wyłączony po pełnym naładowaniu baterii akumulatorów. Wadą układu są duże koszty całej instalacji. Nadzór nad pracą całego systemu sprawuje mikroprocesorowy system sterowania i nadzoru. Sprawność takiego układu zależy od użytych przetwornic energoelektronicznych.

7. MAGAZYNY DO DŁUGOTRWAŁEGO PRZECHOWYWANIA ENERGII

Rysunek 9 przedstawia blokowy schemat układu, który zapewnia zapotrzebowania w energię domu mieszkalnego.

Maksymalne wykorzystanie energii produkowanej przez elektrownię fotowoltaiczną jest możliwe w wyniku wprowadzania „magazynu wodoru”. Pełne zaopatrzenie w energię budynku jest jednak możliwe przy współpracy z siecią elektryczną i gazową.

Rys. 9. Zaopatrzenie w energię domu mieszkalnego.

100

Rysunek 10 przedstawia inny przypadek zastosowania „magazynu - wodoru” dla usprawnienia pracy układu z turbiną wiatrową.

Rys. 10. Elektrownia wiatrowa z magazynem wodorowym.

Na rysunku 10 przedstawiono elektrownie wiatrową, w której dla wydłużenia czasu wykorzystania energii elektrycznej produkowanej przez turbinę wiatrową użyto elektrolizera, zbiornika wodoru i turbiny napędzanej wodorem sprzężonej z generatorem energii elektrycznej. Na obecnym etapie rozwoju ogniw paliwowych turbinę gazową i elektrolizer można zastąpić rewersyjnym ogniwem paliwowym. Ogniwo paliwowe może pracować jako przetwornik energii zawartej w wodorze na energię elektryczną lub jako ogniwo rewersyjne tzn. produkując wodór i zamieniając wodór w energię elektryczną. Ta zamiana odbywa się w tym samym ogniwie.

8. OGNIWA PALIWOWE

Rysunek 11 przedstawia schemat blokowy najprostszej wersji ogniwa zasilanego wodorem.

Rys. 11. Zasada działania ogniwa paliwowego.

101

Przez zastosowanie odpowiedniego przemiennika chemicznego zwanego reformerem ogniwo paliwowe zasilane wodorem może być zasilane np.: gazem ziemnym lub metanolem. Tabela nr 1 zawiera zestawienie różnego rodzaju ogniw paliwowych.

Rysunek 12 przedstawia przykładowe porównania sprawności energetycznej

elektryczną. Porównanie to wypada na korzyść ogniwa paliwowego.

Rys. 12. Porównanie sprawności różnych przetworników energii.

Sprawność układu można zwiększyć wykorzystując ogniwo paliwowe w tak

zwanym układzie skojarzonym.

9. UKŁADY ELEKTRONICZNE W SYSTEMACH ZE ŹRÓDŁAMI ODNAWIALNYMI I OGNIWAMI PALIWOWYMI

W skład układów ze źródłami odnawialnymi i ogniwami paliwowymi wchodzi dzisiaj wiele urządzeń energoelektronicznych umożliwiających współpracę odnawialnych źródeł między sobą, z układami energetyki rozproszonej lub z siecią energetyczną.

Tabela 1 Porównanie różnych typów ogniw paliwowych Typ ogniwa

paliwowego „Zestalone tlenki” Stopione węglany Kwasowy Zasadowy

Z membraną wymiany protonów

Elektrolit Ceramika Stopiona sól H3PO4 KOH Polimer Temperatura pracy 1000 °C 650 °C 190 °C 80 – 120 °C 80 – 140 °C

Paliwo Wodór

Tlenek węgiel Produkty reformowania

Wodór Produkty

reformowania

Wodór Produkty

reformowania Wodór

Wodór Produkty

reformowania

Reformowanie Zewnętrzne, wewnętrzne Zewnętrzne, wewnętrzne Zewnętrzne Zewnętrzne

Sprawność > 60% > 60% 40 – 50 % 40 – 50 % 40 – 50 %

Zakres mocy > 100MW > 100MW 200kW do 10MW

100W do 20kW

10W do 10MW

102

Zadaniem tych urządzeń jest:

• zamiana napięcia stałego z ogniwa paliwowego na przemienne napięcie sieci energetycznej umożliwiając przesyłanie energii z ogniwa paliwowego do tej sieci

• ochrona ogniwa paliwowego od przeciążeń.

Układy energetyki ze źródłami odnawialnymi i ogniwami paliwowymi są dzisiaj przygotowane do pracy w bezobsługowych układach energetyki rozproszonej. Oznacza to, że jedno centrum sterująco - serwisujące będzie nadzorowało pracę kilku lub kilkunastu układów energetyki rozproszonej. Takie sterowanie i nadzorowanie nie będzie możliwe bez wykorzystanie nowoczesnych mediów komunikacyjnych a w tym:

sieci telekomunikacyjnych • sieci GSM • sieci LAN • internet itp.

Rysunek 13 przedstawia schemat blokowy systemu OZE z ogniwem

paliwowym, który jest sterowany i nadzorowany przez sieć GSM.

Rys. 13. Systemy sterowania i nadzoru w układach z OZE i ogniwem paliwowym.

Rysunek 14 przedstawia schemat lokalnego systemu energetycznego z wieloma źródłami energii zaproponowany do zastosowania w energetyce niemieckiej [7]. W skład układu wchodzą zarówno źródła odnawialne jak i klasyczne.

103

Rys. 14. Struktura sieci komunikacyjnej w elektrycznych sieciach rozdzielczych z rozproszonymi

źródłami energii Sterowanie pracą rozproszonych źródeł energii (RZE) okazało się w praktyce

możliwe i dzięki zastosowaniu sieci informacyjnej opartej na złączach komunikacyjnych (rysunek 15) uzyskano wysoki stopień wykorzystania mocy wytwarzanej. Z praktyki wynika, ze do sterowania rozpływami mocy powinno używać się źródeł od mocy powyżej 3% mocy zainstalowanej w sieci.

Rys. 15. Sieć informacyjna oparta na złączach komunikacyjnych.

104

Rysunek 16 przedstawia opracowany wspólnie Instytut Energetyki PW oraz firmę APS Energia przykładowy zasilacz z wodorowym ogniwem paliwowym. Przyjęta modułowa koncepcja zasilacza umożliwia bezprzerwowe zasilanie odbiorników energii o mocy od 2,5 do kilkudziesięciu kilowatów. Układ nie wymaga stosowania baterii chemicznych jak i też źródeł energii elektrycznej z silnikami spalinowymi.

Rys. 18. System zasilania z ogniwem paliwowym typu PULSAR.

W trakcie opracowywany jest system zasilany metanolem.

10. PROPOZYCJA ZINTEGROWANEJ METODYKI OCENY EFEKTYWNOŚCI HYBRYDOWYCH UKŁADÓW WYTWÓRCZYCH

Dzisiejsze czasy zmuszają potencjalnych inwestorów do przeprowadzenia

szeregu analiz, na podstawie których szacuje się opłacalność danej inwestycji (w naszym przypadku opłacalność budowy elektrowni hybrydowej) i ich wpływ na środowisko naturalne.

W wysoko rozwiniętych krajach zachodnich wprowadzono bardzo szeroki zakres oceny oddziaływania przedsięwzięć inwestycyjnych na środowisko. Są to oceny o charakterze inter i multidyscyplinarnym. Uwzględnia się w tej ocenie w równym stopniu aspekty mierzalne, jak też i niewymierne. Zmierza się do zintegrowanych ocen obejmujących ocenę społeczną, techniczną, środowiskową czy analizę ryzyka, przy wykorzystaniu wielu metod i technik analizy [6].

Przyjmując za cel zastosowania metody kompleksową ocenę ogólnogospodarczej, długookresowej efektywności inwestycji w źródła odnawialne można tę metodę przedstawić jak na rys. 19.

Danetechniczne

Ocenawydajności

energetycznejDane

ekonomiczne

Daneekologiczne i

społeczne

Efektywnośćekonomiczna

Efektywnośćspołeczno -ekologiczna

Wyznaczenieefektu

ekologicznego

Efektywnośćinwestycji

proekologicznej

Rys. 19. Schemat metodyki oceny efektywności pozyskiwanej energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych

105

Dokonując oceny technicznej należy wyznaczyć roczną wydajność energetyczną elektrowni hybrydowej. Jest to niezbędne do dalszej oceny ekonomicznej, gdyż na tej podstawie można oszacować wielkość przychodów ze sprzedaży. Jest to również konieczne dla wyznaczenia efektywności społeczno-ekologicznej, ponieważ od wielkości produkcji zależą korzyści ekologiczne.

Szacując efektywność ekonomiczną możemy się posłużyć metodami statycznymi takimi jak: okres zwrotu (Payback Period), księgowa stopa zwrotu (Accounting Rate of Return) oraz metodami dynamicznymi do których należą: metoda wartości zaktualizowanej netto (NPV - Net Present Value), wewnętrzna stopa zwrotu (IRR - Internal Rate of Return), wskaźnik zyskowności (PI – Profitability Index) [7].

Miary statyczne są łatwe do zastosowania, jednak nie uwzględniają zmiany wartości pieniądza w czasie. Służą zwłaszcza do wstępnej selekcji projektów inwestycyjnych i są stosowane głównie na etapie studiów przedrealizacyjnych .

Miary dynamiczne są najbardziej precyzyjnym narzędziem oceny opłacalności przedsięwzięć, uwzględniającym rozłożenie w czasie przewidywanych wpływów i wydatków związanych z inwestycją.

Jednak metody te nie uwzględniają efektu ekologicznego, który należy brać pod uwagę w ocenie efektywności inwestycji proekologicznych.

Dla tego typu inwestycji warto zastosować metodę dynamicznego kosztu jednostkowego (DGC - dynamic generation cost). Wskaźnik DGC jest łatwy do zrozumienia nawet przez osoby, które go nie znają, ponieważ posługuje się wielkościami, z którymi każdy człowiek spotyka się na co dzień. Jest wyrażony w złotówkach na jednostkę efektu ekologicznego.

Charakteryzuje go wzór:

( )

( )∑

∑=

=

=

=

+

+

+

== nt

tt

t

nt

tt

tt

EE

iEEiKEKI

pDGC

0

0

1

1

gdzie: pEE - cena za jednostkę efektu ekologicznego, KIt - koszty inwestycyjne

poniesione w danym roku, i – stopa dyskonta, KEt - koszty eksploatacyjne poniesione w danym roku, EEt - efekt ekologiczny w danym roku [8].

Przy ocenie inwestowania w elektrownie z OZE należy dodać, że Unia

Europejska stworzyła programy, których celem jest dofinansowanie działań na rzecz racjonalnego gospodarowania energią.

106

11. WNIOSKI

Odpowiednie wykorzystanie pierwotnych odnawialnych źródeł energii szczególnie zwiększenie ich dyspozycyjności jest możliwe dzięki wprowadzeniu na szeroką skale przetwarzających urządzeń energoelektronicznych.

Budowa wieloźródłowych systemów energetycznych będzie możliwa jedynie przy zastosowaniu do celów sterowania i nadzoru układów elektroniki informacyjnej.

Obserwując gwałtowny rozwój energetyki rozproszonej można stwierdzić, że systemy energetyczne będą przeradzały się do postaci, w której do minimum skracane będą drogi przesyłu energii elektrycznej. Eliminowane będą zbędne przemiany energetyczne oraz zagospodarowywane będą wszelkie dostępne formy energii (np. źródła odnawialne, energia odpadowa, itp.). Budowa hybrydowych jednostek o średniej i małej mocy bazujących na odnawialnych źródłach energii pierwotnej, które będą zlokalizowane blisko odbiorców pozwolą uniknąć części kosztów przesyłu i dystrybucji. Niebagatelne znaczenie ma rola tego typu układów w zakresie ochrony środowiska, gdyż wiele z tych źródeł nie emituje żadnych zanieczyszczeń do atmosfery.

LITERATURA:

[1] Buchholz, Styczyński: Elektryczne sieci rozdzielcze z rozproszonymi źródłami energii. VII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Nowoczesne urządzenia zasilające w energetyce” Warszawa 2004

[2] Christian Wunderlich and Franz Reichenbach, PEM Fuel Cell Cogeneration Power Plant Optimization – On the way to a commercial product, Fuel Cell Home, Lucerne/Switzerland, 2001

[3] Dmowski, Biczel, Kras: „Stand-alone telecom power system supplied by PEM fuel cell and renewable sources”. International Fuel Cell Workshop 2001, str.244, Kofu, Japonia, 12-13 listopada 2001

[4] Dmowski, Biczel, Kras: Aspekty techniczno-ekonomiczne wykorzystania wybranych odnawialnych źródeł energii w energetyce. Ekologiczne Aspekty Wytwarzania Energii Elektrycznej, Warszawa, 14-16.11.2001

[5] Europa auf dem Weg zur Energiewende Solarbrief 1/98 [6] Łojewski S.: Ekonomia środowiska. Wydawnictwo ATR, Bydgoszcz 1998. [7] Pazio W.: Analiza finansowa i ocena efektywności projektów inwestycyjnych przedsiębiorstw.

Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002. [8] Rączka J.: Analiza efektywności kosztowej w oparciu o wskaźnik dynamicznego kosztu

jednostkowego, Wydawnictwo NFOŚiGW, Warszawa 2002 [9] Szczupak: Optymalizacja układów energoelektronicznych hybrydowej elektrownii z baterią

słoneczną i turbiną wiatrową. Rozprawa doktorska Politechniki Warszawskiej, Warszawa, kwiecień 2001

107

WPŁYW JAKOŚCI OSPRZĘTU SIECIOWEGO NA JAKOŚĆ DOSTAW ENERGII ELEKTRYCZNEJ

mgr inż. Piotr ROZWADOWSKI Zakłady Wytwórcze Sprzętu Sieciowego

BELOS S.A. Bielsko-Biała

1. Wstęp Problem jakości dostawy energii elektrycznej staje się w Polsce, podobnie jak w wielu innych krajach, w których dokonano lub dokonuje się przekształceń w sektorze elektroenergetyki, kategorią nie tylko techniczną, lecz przede wszystkim ekonomiczną. Zrezygnowano z modelu, w którym istniał jeden, państwowy właściciel elektrowni, sieci przesyłowych i rozdzielczych na rzecz modelu, w którym konkurują ze sobą na rynku niezależne podmioty w trzech podsektorach. Energia elektryczna stała się towarem i jak w przypadku każdego towaru zaczęto zwracać większą uwagę na problemy jakości. Nowe wyzwania, jakie stanęły przed dostawcami polegają na dostarczeniu energii elektrycznej o ściśle określonych parametrach jakościowych. Problem jakości dotyczy również samej usługi tzn. można mówić o jakości zasilania odbiorców. Ważnym elementem pozwalającym osiągnąć wysoką jakość zasilania jest niezawodność poszczególnych elementów systemu elektroenergetycznego. Jakość stosowanego osprzętu sieciowego jest bardzo ważnym, choć często nie docenianym czynnikiem wpływającym na pewność zasilania odbiorców.

2. Parametry jakości

Na jakość dostaw energii elektrycznej składają się: jakość napięcia (zwana też jakością energii), niezawodność (ciągłość) zasilania i jakość obsługi odbiorców.

Nie należy jednak utożsamiać jakości energii z jakością zasilania ponieważ czym innym jest jakość realizacji procesu dostarczania energii elektrycznej jako „towaru“, a czym innym są istotne parametry tego towaru, określające jego jakość.

108

Jakość energii elektrycznej jest identyfikowana w rozporządzeniu „przyłączeniowym“ [1] przez parametry napięcia: częstotliwość, poziom napięcia, kształt krzywej napięcia. Natomiast w normie [2] zdefiniowane są charakterystyki napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych, dotyczące: częstotliwości, wartości, kształtu przebiegu czasowego, symetrii napięć w układzie trójfazowym.

Dla systemu dystrybucyjnego obliczanymi wskaźnikami niezawodności są zwykle: oczekiwana liczba zakłóceń (przerw w zasilaniu), średni czas trwania zakłócenia, roczna niedyspozycyjność (wskaźnik nieciągłości zasilania) węzła odbiorczego czy też wartość odłączonej mocy lub niedostarczonej energii. Do najczęściej stosowanych wskaźników oceny ciągłości dostaw energii elektrycznej należą [3]: a) SAIFI (System Average Interruption Frequency Index) – systemowy wskaźnik

średniej liczby (częstości) przerw na odbiorcę, zdefiniowany jako iloraz liczby wszystkich przerw nieplanowanych w ciągu roku do liczby odbiorców przyłączonych do sieci. Zatem jest to średnia liczba nieplanowanych przerw w zasilaniu, jakiej może oczekiwać odbiorca w ciągu roku. Jeżeli nie ustalono inaczej, SAIFI nie obejmuje krótkich przerw o czasie trwania poniżej 3 minut (lub 1 minuty w zależności od przyjętej konwencji);

b) CAIFI (Customer Average Interruption Frequency Index) – średnia liczba przerw na dotkniętego wyłączeniem odbiorcę, zdefiniowana jako iloraz liczby wszystkich przerw nieplanowanych w ciągu roku do liczby wyłączonych odbiorców;

c) CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index) – średni czas trwania przerwy. Jest to średni czas potrzebny do przywrócenia zasilania odbiorcy w przypadku wystąpienia przerw nieplanowanych. Obliczany jest jako suma czasu trwania wszystkich przerw w zasilaniu odbiorców (w minutach) podzielona przez liczbę wszystkich wyłączeń odbiorców. Jeżeli nie ustalono inaczej, CAIDI nie obejmuje krótkich przerw o czasie trwania poniżej 3 minut (lub 1 minuty);

d) ASAI (Average Service Availability Index) – wskaźnik dyspozycyjności zasilania, określony jako stosunek czasu w ciągu roku (w odbiorco-godzinach) gdy zasilanie było dostępne do czasu, gdy było ono zapotrzebowane;

e) AENS (Average Energy Not Supplied) – średnia (oczekiwana) roczna ilość energii niedostarczonej, określona jako stosunek energii niedostarczonej odbiorcom w ciągu roku do liczby odbiorców przyłączonych do sieci.

3. Gwarancje jakości osprzętu sieciowego Jakość zaopatrywania odbiorców w energię elektryczną w dużym stopniu jest

zdeterminowana przez niezawodność poszczególnych elementów systemu elektroenergetycznego, w tym również przez jakość zastosowanego osprzętu sieciowego. Wieloletnie doświadczenie w konstruowaniu i produkcji osprzętu sieciowego uzyskane m.in. dzięki kontaktom z naszymi klientami powoduje, że bierzemy pełną odpowiedzialność za wyroby i skutki ich eksploatacji.

Jesteśmy producentem o wysokiej renomie co potwierdza System Zarządzania Jakością Spółki, który został pozytywnie oceniony przez holenderską firmę certyfikującą N.V. KEMA zrzeszoną w międzynarodowej organizacji IQNet. W 1999 r. otrzymaliśmy certyfikat potwierdzający, że wdrożony System Zarządzania Jakością spełnia wymagania normy ISO 9001. Wysoka jakość kolejny raz została potwierdzona otrzymaniem w maju 2001r. wyróżnienia Śląskiej Nagrody Jakości.

109

Nasz System kładzie nacisk na następujące elementy:

- określenie wymagań i potrzeb klientów, - jakość konstrukcji wyrobu, - odpowiedni proces technologiczny wytwarzania wyrobów, - dbałość o optymalny dobór dostawców materiałów i surowców, - prawidłowy przebieg procesu produkcyjnego, - skuteczna kontrola jakości dostaw materiałów i surowców, wyrobów w toku

produkcji oraz kontrola końcowa. Każdy z wymienionych elementów ma bezpośredni wpływ na jakość wyrobu

finalnego tym nie mniej wiąże się z koniecznością ponoszenia nakładów finansowych i przez to znajduje swe odbicie w cenie wyrobu finalnego, co zilustrowano na poniższych rysunkach.

Na rynku krajowym coraz częściej możemy spotkać się z wyrobami niezgodnymi

z normami, których jakość nie odpowiada wymaganiom stawianym osprzętowi przeznaczonemu do stosowania w energetyce. Należy pamiętać o tym, że stosowanie takiego osprzętu może okazać się katastrofalne w skutkach, a przede wszystkim powoduje zwiększenie kosztów eksploatacji w dłuższym okresie. Można to zobrazować na wykresie, gdzie w sposób ideowy porównano koszty zakupu i koszty eksploatacji.

110

W ostatnim czasie rośnie świadomość, że produkty tanie nie gwarantują odpowiedniej jakości, a ich zakup wiąże się z ryzykiem ponoszenia dodatkowych kosztów w dłuższym horyzoncie czasowym. Podstawowymi czynnikami branymi pod uwagę przez nabywcę przy zakupie są cena, jakość i terminowość dostaw. Ważnym elementem jest też wiarygodność producenta. Wartość tych współczynników według naszych badań kształtuje się w sposób pokazany na poniższym rysunku.

4. Wady występujące w osprzęcie sieciowym dostępnym na rynku - skutki wynikające z zastosowania takich produktów

Wszystkie omawiane wady występują w produktach zbliżonych lub identycznych do produktów ZWSS BELOS S.A. jednak wyprodukowanych przez innych (czasami nieznanych) producentów. Brak cechy producenta lub oznaczenie wykonane w sposób nietrwały

Taki sposób oznaczania uniemożliwia identyfikację producenta w przypadku uszkodzenia lub zniszczenia wyrobu w trakcie eksploatacji. Ponadto jest niezgodny z Polską Normą [4], która określa, że znakowanie powinno zapewnić możliwość identyfikacji każdej części składowej osprzętu.

Osprzęt produkowany przez ZWSS „Belos” oznaczany jest naszym znakiem towarowym. Umieszczany jest też numer katalogowy lub minimalne obciążenie niszczące oraz data produkcji. Stosuje się też oznaczenie zakresu średnic przewodu przy zestawach osprzętu, a także wymiary szczęk do zaprasowania w przypadku osprzętu zaprasowywanego na przewodzie.

Osobny problem stanowi sprzedaż przez niektórych producentów wyrobów oznakowanych znakiem firmowym Belos-u. Wyroby te są dość łatwo rozróżnialne ponieważ posiadają zazwyczaj bardzo niską jakość i oferowane są w cenie odbiegającej od naszej oferty cennikowej.

111

Elementy osprzętu cynkowane galwanicznie

Doświadczenie wskazuje, że cynkowanie galwaniczne zapewnia skuteczną ochronę metalu od 1 do 5 lat, w zależności od intensywności narażeń eksploatacyjnych (warunki klimatyczne, zanieczyszczenia, itp.). Polska Norma [4] precyzuje, że wszystkie części składowe osprzętu wykonane z materiału zawierającego żelazo (oprócz części wykonanych ze stali nierdzewnej) powinny być chronione przez cynkowanie ogniowe lub w inny sposób zapewniający równoważną ochronę.

Zważywszy na trwałość, powłokę galwaniczną o grubości ok. 10 µm należy traktować jako dekoracyjną a nie ochronną, a więc nie spełniającą kryteriów normy. Elektrolityczna powłoka cynkowa może mieć teoretycznie grubość do 25 µm, jednak praktycznie uzyskuje kilkanaście µm, podczas gdy powłoki uzyskane za pomocą cynkowania ogniowego powinny, w zależności od gatunku i postaci materiału, osiągać minimum wartości 55-85 µm, a w praktyce można uzyskiwać znacznie większe grubości. Przyjmując, że roczny ubytek warstwy cynku w wyniku utleniania wynosi ok. 4 µm można założyć, że w normalnych warunkach eksploatacyjnych element osprzętu ocynkowany ogniowo jest skutecznie chroniony powłoką cynku przez minimum 20 lat Ostre krawędzie

Występowanie ostrych krawędzi w osprzęcie wynika z niewłaściwego procesu technologicznego lub też z pominięcia obróbki wykańczającej. Ostre krawędzie oprócz poważnych konsekwencji funkcjonalnych utrudniają montaż i mogą stanowić zagrożenie dla monterów.

W zależności od grupy wyrobów występowanie ostrych krawędzi powoduje następujące konsekwencje: • Osprzęt ochronny - brak zaokrągleń krawędzi elektrody powoduje intensyfikację

zjawiska ulotu i zwiększenie zakłóceń radioelektrycznych; • Uchwyty przelotowe, uchwyty odciągowe i wszystkie elementy osprzętu mające

styczność z przewodem – występowanie ostrych krawędzi w uchwytach powoduje uszkodzenie linek, osłabienie miejscowe przewodu i w konsekwencji może doprowadzić do zerwania przewodu i przerwy w zasilaniu odbiorców;

• Elementy cynkowane – nietrwałość powłoki ochronnej na powierzchniach zakończonych ostrymi krawędziami skutkuje powstawaniem korozji i może doprowadzić zniszczenia elementów.

Niewłaściwe wykonanie zacisków Al-Cu

Do najistotniejszych wad zacisków spotykanych na rynku należą:

• powierzchnie stykowe nie szlifowane w celu uzyskania odpowiedniej gładkości, • korpusy mosiężne nie zabezpieczone powłoką cynową, • brak zabezpieczenia w miejscu połączenia korpus-łapa.

Norma [4] określa, że konstrukcja połączenia powinna być taka, aby zapewnić

stabilną rezystancję elektryczną połączenia oraz temperaturę połączenia nie przekraczającą temperatury przewodu. Wymienione wyżej wady powodują zwiększenie rezystancji złącza Al-Cu, co w konsekwencji skutkuje podwyższeniem

112

temperatury pracy (możliwość obserwacji na kamerze termowizyjnej) i w konsekwencji prowadzi do upalenia się złącza.

5. Przykłady wyrobów zbliżonych lub identycznych do produktów ZWSS BELOS S.A.

ŁĄCZNIK PRZEDŁUŻAJĄCY JEDNOWIDLASTY NK 3837

1) brak cechy producenta;

2) niesymetrycznie zespawane okładzin

powodujące nierównomierny rozkład obciążeń

mechanicznych;

3) pozostawione ostre krawędzie;

4) zawleczka stalowa-cynkowana galwanicznie.

UCHWYT ODCIĄGOWY ZAPRASOWYWANY NK 2571

1) elementy złączne cynkowane galwanicznie;

2) powierzchnie stykowe nie zabezpieczone

przed utlenianiem pastą stykową;

3) powierzchnie stykowe nie są obrabiane

mechanicznie celem poprawienia ich

przewodności - mniejsza powierzchnia

stykowa;

4) wyjście z tulei nie jest zakończone

promieniem – ostra krawędź.

113

ŁĄCZNIK DWUUCHOWY SKRĘCONY NK 3532

1) brak ulepszania cieplnego, co powoduje

pozostawienie wewnętrznych naprężeń

powstałych przy kuciu i skutkuje niższą

wytrzymałością na rozciąganie;

2) bezprawne użycie znaku towarowego ZWSS

BELOS S.A.

ŁĄCZNIK GŁÓWKOWY DO ROŻKÓW NK 3422

1) niedopuszczalne zakucia na szyjce, na

powierzchni współpracującej z gniazdem;

2) widoczne pozostałości wypływu po kuciu;

3) łączniki nie są ulepszane cieplnie;

4) wygląd i oznaczenia identyczne jak w łączniku

produkcji ZWSS BELOS;

Wady łącznika powodują poważne zagrożenie wytrzymałości zmęczeniowej na skutek drgań eolskich.

PIERŚCIEŃ JEDNOELEKTRODOWY- DOLNY NK 32955


2) brak zaokrągleń krawędzi elektrody co

powoduje zwiększenie zakłóceń

radioelektrycznych, podobnie w przypadku

powierzchni kuli, która posiada zbyt dużą

chropowatość;

3) brak oznaczeń producenta.

114

ROŻEK OCHRONNY NK 32010


2) ostre krawędzie;

3) pozostałości wypływki na kuli;

4) mała estetyka wykonania;


UCHWYT PRZELOTOWY WAHLIWY KABŁĄKOWY NK 2161

1) fatalny stan powłoki cynkowej;

2) śruby kabłąkowe, strzemię, podkładka

i zawleczka cynkowane galwanicznie;

3) sworzeń wykonany z pręta i przyspawanej

cienkiej podkładki pełniącej rolę łba;

4) niesymetryczne wygięcie strzemiona;

5) szerokość śruby kabłąkowej nie pasuje do

rozstawu otworów;

6) bardzo ostre krawędzie podkładki;

7) bezprawne umieszczenie znaku BELOS.

ZACISK Al.-Cu NK 570146

1) powierzchnia mosiężna niezabezpieczona

poprzez cynowanie;

2) pozostawione wióry po obróbce

mechanicznej;

3) brak zabezpieczenia w miejscu połączenia

korpus-łapa;


115

ŁĄCZNIK ORCZYKOWY DWURZĘDOWY NK 38253

1) pozostawione ostre krawędzie;

2) sworznie i zawleczki cynkowane

galwanicznie;

3) zbyt duża długość sworzni;

4) otwory nieskrawędzone;

5) bezprawne użycie znaku towarowego BELOS.

6. Podsumowanie

Przedstawione produkty są tylko przykładami. Oceniamy, że skala problemu jest znacznie większa niż zaprezentowano i może mieć w przyszłości duży wpływ na AWARYJNOŚĆ LINII ELEKTROENERGETYCZNYCH oraz występowanie problemów eksploatacyjnych. Należy podkreślić, że przepisy norm nie są oderwanymi od praktyki aktami administracyjnymi, lecz stanowią wynik wieloletnich badań i doświadczeń eksploatacyjnych. Producenci, którzy przy projektowaniu i wytwarzaniu osprzętu sieciowego nie przestrzegają tych zasad pomimo konkurencyjnej ceny, nie gwarantują jakości oferowanego przez siebie osprzętu, a tym samym przyczyniają się do obniżenia jakości dostarczania energii elektrycznej.

Czas eksploatacji poszczególnych elementów systemu elektroenergetycznego

wynosi niekiedy nawet kilkadziesiąt lat. Dlatego przy podejmowaniu decyzji o budowie czy modernizacji tych elementów należy kierować się rachunkiem ekonomicznym, uwzględniającym nie tylko składnik kosztów zakupu, ale także takie czynniki jak koszty remontów i wyłączeń linii, koszty niedostarczonej energii czy też koszty niedyspozycyjności zasilania. Znaczenie wszystkich tych kosztów będzie rosło wraz z rozwojem rynku energii i powiększającą się ilością odbiorców finalnych uprawnionych do wyboru dostawcy energii elektrycznej.

116

Literatura:

[1] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 25 września 2000 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, obrotu energią elektryczną, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców.

[2] PN-EN 50160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. [3] Paska J.: Jakość energii elektrycznej, niezawodność zasilania, bezpieczeństwo energetyczne.

„Elektroenergetyka”. Nr 4, 2003. [4] PN-EN 61284 Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Wymagania i badania dotyczące

osprzętu. [5] Hanzelka Z., Kowalski Z.: Kompatybilność elektromagnetyczna i jakość energii elektrycznej

w dokumentach normalizacyjnych .„Jakość i użytkowanie Energii Elektrycznej”. Tom V, Zeszyt1,1999.

117

NOWOCZESNE SYSTEMY ZASILANIA INSTALACJI I URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH

mgr inż. Jacek ŚWIĄTEK, Tel. (22) 762 0025, 0-606-740-562, e-mail: [email protected]

dr inż. Paweł SZUMOWSKI Tel. (22) 762 0000, 0-602-133-805, e-mail: [email protected]

APS Energia sp. z o.o. ul. Marecka 47, 05-220 Zielonka. Wstęp W wielu instalacjach przemysłowych istnieje konieczność zapewnienia awaryjnego, gwarantowanego zasilania o jak najwyższej niezawodności. W zależności od rodzaju instalacji stosuje się zasilanie awaryjne prądem stałym lub przemiennym. Jakie cechy powinien spełniać taki system spełniać :

1) Niezależnie od tego jaka energia potrzebna jest do tego zasilania, magazynowana jest ona w baterii akumulatorów. Z tego powodu niezawodność takiego zasilania w dużym stopniu zależy od kondycji baterii akumulatorów oraz aktualnego stanu jej naładowania. Niezwykle ważnym jest więc zapewnienie baterii szybkie uzupełnienie zgromadzonego w niej ładunku.

2) Niezbędne jest zapełnienia odpowiedniej jakości prądu ładowania czyli minimalnej zawartości składowej zmiennej w prądzie buforowym baterii. Jest to ważny element powodujący wydłużenie żywotności baterii.

3) Ważnym elementem systemu jest zapewnienie informacji – czyli ciągły monitoring parametrów zasilania oraz stanu baterii;

Poniżej omówimy każdy z wyżej wymienionych elementów.

1. Ładowanie akumulatora.

118

Ładowanie jest odnowieniem własności funkcjonalnych akumulatora, czyli procesem odwrotnym do rozładowania. Jest to proces zamiany energii elektrycznej doprowadzonej do akumulatora wtórnego na energię chemiczną. Parametrami ładowania są : - prąd ładowania ; - napięcie ładowania; - temperatura w ogniwach podczas ładowania; Ładowanie możemy sklasyfikować ze względu na tryb pracy akumulatora, w którym jest przeprowadzane oraz ze względu na dobór parametrów. Pokazuje to tabela nr 1. Tabela 1. Klasyfikacja ładowania

Ze względu na tryb pracy Ze względu na dobór parametrów Ładowanie odtwarzające energię chemiczną po rozładowaniu

Stałoprądowe - przy stałym prądzie , charakterystyka I;

Ładowanie buforowe konserwacyjne uzupełniające ubytek energii na skutek samo- rozładowania

Stałonapięciowe - przy stałym napięciu, charakterystyka U;

Ładowanie wyrównawcze uzupełniające energię w najsłabszych ogniwach połączonych szeregowo.

Stałomocowe - przy stałej mocy, charakterystyka W.

Najtrudniejsze jest dobranie odpowiedniej charakterystyki ładowania odtwarzającego. Można to przeprowadzić przy stałym napięciu, prądzie lub mocy) lub charakterystyką kombinowaną, Ładowania buforowe i wyrównujące wykonywane są tylko metodą stałonapięciową. Jak dobrać optymalnie prąd i napięcie na każdym etapie ładowania odtwarzającego, aby nie dopuścić do przegrzania wnętrza ogniwa (temperatura elektrolitu nie może przekroczyć 45-50oC). Z tego powodu bezpieczniej jest stosować łagodne charakterystyki ładowania (napięciowe), a przy prądowych ograniczenia wartości prądu (do 0.1- 0.3C10). Jednakże z drugiej strony należy jak najszybciej odtworzyć pojemność ogniwa, zapewnić jego walory użytkowe i uchronić przed pozostawaniem przez długi okres w stanie nawet częściowo rozładowanym. Poniżej jak możemy ładować baterię stacjonarną o pojemności C10=200Ah po jej całkowitym, dopuszczalnym rozładowaniu. Dla porównania jak szybko naładować taki akumulator przyjęto następujące modyfikacje charakterystyki ładowania IU: Rysunek 1: faza 1 ładowanie stałym prądem I1= 20A do napięcia 2,23V, faza 2

ładowanie stałym napięciem buforowym U2=2,23V); Rysunek 2: faza 1 ładowanie stałym prądem I1= 20A do napięcia 242V (dla całej

baterii), faza 2 ładowanie stałym napięciem 242 V (zwykle ok. U1 = 2,30V/ogniwo) faza 3 ładowanie stałym napięciem buforowym U2=2,23V/ogniwo);

Omawiając wykresy przedstawione na rysunkach 1, 2 widzimy, jak trudno jest naładować akumulator. W pierwszym wariancie na rysunku 1 czas naładowania akumulatora do pełnej pojemności będzie trwał ponad miesiąc. Zastosowanie takiej, zbyt powolnej metody ładowania może skutkować zbyt długim utrzymywaniem baterii w stanie nie naładowanym, co powoduje zasiarczenie elektrod i utratę pojemności. Przy wykonaniu ładowania charakterystyką przedstawioną na rysunku 2 (gdzie wystarczy dłużej ładować fazą prądową do wyższego napięcia. Przełączanie na ładowanie napięciem buforowania jest z zastosowaniem kryterium prądowego. Podczas ładowania stałym napięciem prąd spada – jeżeli prąd spadnie do ok. 20% prądu 10 godzinnego – wtedy nastąpi przełączenie na ładowanie buforowe. Jest to metoda ładowania DBC (Dynamic Battery Charging) przy której zastosowaniu czas

119

ładowania skraca się już do 2-3 dni. Jeszcze szybsze czasy ładowania uzyskamy przy podniesieniu ograniczenia prądowego do 0,2 lub 0.3 C10 lub stosując bardzo szybkie ładowanie stałym prądem lub wysokim napięciem równym i większym niż 2.40V/ogniwo. W takich przypadkach może już występować zagrożenie przeładowania ogniw co będzie powodowało korozję elementów akumulatora, puchnięcie płyt lub uszkodzenie od zbyt wysokiego napięcia elementów w rozdzielni potrzeb własnych. Rysunek 1 Krzywa ładowania akumulatora kwasowego, charakterystyka IU

gdzie - I1= 20A, U2=2,23V; Napięcie U [V] 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 Czas rozładowania [godz.] Prąd I [A] . 40 30 I=20A 20 10 C= 100Ah, t=5 h C = 155Ah, t=12 h C= 170 Ah, t=24h 5 50% C10 78% C10 85% C10 Czas pełnego naładowania 2 t = 30-40 dni 1 Ik=0,06A 0,1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 Czas rozładowania [godz.] Rysunek 2: Krzywa ładowania akumulatora kwasowego, charakterystyka I U1 U2 gdzie - I=20A do U1=242V (ok. 2.30V/ogn.) i potem U2 = 2,23V/ogniwo;

U=2,23V/ogniwo

Napięcie U [V]

120

2,4 U=242V co daje ok. 2.30V/ogniwo 2,3 U =2,23V/ogniwo 2,2 2,1 2,0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 Czas rozładowania [godz.] Prąd I [A] 40 C= 190Ah, t=18h 30 I=20 A 95% C10 20 10 5 C = 170Ah, t= 8.5h C = 198 Ah, t=24h, 99% C10 2 85% C10 Czas pełnego naładowania 30-40 godz. (1.5-2 dni) 1 Ik=0,06A 0,1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 Czas rozładowania [godz.] Rysunek 2: Krzywa ładowania akumulatora kwasowego, charakterystyka IU gdzie - I1=20A do U1=2,40V i potem U2 = 2,23V/ogniwo; Szczegółowo metoda ładowania DBC została opisana w artykule [1] podanej literatury.

2. Składowa zmienna w prądzie ładowania baterii akumulatorów:

Podczas przetwarzania energii prądu przemiennego na energię prądu stałego w prostownikach stosowanych do ładowania baterii akumulatorów występuje efekt uboczny, którym jest składowa zmienna, czyli tętnienia prądu ładowania. Zjawisko to jest konsekwencją ograniczonej dokładności procesu przetwarzania energii. Zawartość tętnień w prądzie wyprostowanym zależy od typu zasilacza i sposobu przetwarzanie energii. Jeżeli prostownik został wykonany w starszej technologii, a przetwarzanie energii realizowane było przez prostszy układ z zastosowaniem elementów starszej generacji, zawartość składowej zmiennej prądu stałego była większa. Poniżej przedstawimy dlaczego jest to szkodliwe dla baterii (pełne wyjaśnienie zjawiska przedstawiono w pozycji [2] literatury). W tabeli nr 2 zestawiono przykładowe wartości tętnień dla różnych typów obecnie stosowanych prostowników. Tabela nr 2 . Przykładowe porównanie składowej zmiennej w różnych typach zasilaczy. LP. Typ zasilacza Zawartość składowej zmiennej w

napięciu wyjściowym pp. 1 Tyrystorowy < 10 % 2 Tyrystorowy z filtrami LC < 2.5% 3 Impulsowy < 0.5 % Dla baterii akumulatorów, którą obsługuje prostownik ideałem jest ładowane prądem stałym o możliwie jak najmniejszej zawartości tętnień. Wynika to z tego, że zbyt duża

121

zawartość składowej zmiennej w procesie ładowania jest szkodliwa powodując między innymi: nadmierne gazowanie akumulatorów, podniesienie temperatury elektrolitu, zwiększoną korozję elementów ogniw lub mikro-cykle (czyli cykliczne, płytkie rozładowania baterii). Skutkiem powyższego jest ograniczenie żywotności ładowanych baterii a w przypadku akumulatorów VRLA (z rekombinacją gazu) może to nawet doprowadzić do ich szybkiego zniszczenia. Szczególnie niebezpiecznym jest przypadek tętnień „rozładowujących” oraz tryb pracy buforowej kiedy następują okresowe, cykliczne rozładowania baterii przez jej obciążenie od strony odbiorów. Wszystko to powoduje mikro-cykle. Rysunek nr 3: Przykładowy oscylogram prądu wyprostowanego w zasilaczu tyrystorowym.

Zalecenia eksploatacyjne i DTR producentów baterii oraz przyjęte standardy podają oczywiście dopuszczalne limity, których nie powinny przekraczać tętnienia, aby zapewnić nominalną żywotność eksploatowanych baterii.

a) EUROBAT : „ ... Międzyszczytowa wartość składowej zmiennej napięcia ładowania buforowego baterii pp. (peak to peak) nie może być większa niż 2.5% od zalecanej wartości napięcia idealnego ...” [3].

b) NORMA EN 50272-2: „ ... We wszystkich momentach składnik prądu ładowania konserwacyjnego powinien wykazywać dodatnią wartość i być w typowym zakresie od 0.1 mA do 1.0mA na 1 Ah.. W warunkach ładowania konserwacyjnego i ładowania przyspieszonego zaleca się aby wartość skuteczna składowej zmiennej prądu ładowania I EFF (RMS) była ograniczona do wartości ….. dla ładowania konserwacyjnego max. 5A/100Ah (5%) dla ładowania przyśpieszonego max. 10A/100Ah (10%). [4].

Każde z ww. zaleceń ma na celu eliminowanie sytuacji kiedy zachodzą mikro-cykle. Występuje to przy napięciu DC prostownika zawartością tętnień niższych niż 2.5%. W takim przypadku nie dochodzi więc do mikro-cyklicznego rozładowywania baterii, ale maksymalne wartości chwilowe wartości napięcia ładowania wywołują przepływ prądu o znacznej wartości szczytowej. Skutkiem takiego kształtu prądu jest jego zbyt duża wartość skuteczna, wpływająca na niepożądane zwiększone wydzielanie się ciepła w ładowanej baterii. Omówione powyżej zależności nie występują przy ładowaniu baterii napięciem o maksymalnej zawartości składowej zmiennej napięcia nie przekraczającej 0.5% (max. do 1%). W tym przypadku najniższe wartości chwilowe napięcia ładowania nie powodują mikro-cykli a jednocześnie szczytowe

T

T

T T 1 > 1 >

2 > 1) Ch 1: 100 Volt 10 ms 2) Ch 2: 500 mVolt 10 ms

Napięcie 100V/dz

Prąd 5A/dz

122

wartości prądu ładowania nie wywołują nadmiernego wydzielania się ciepła w ładowanej baterii i nie wywołują skrócenia żywotności baterii. Dlaczego mikro-cykle są szkodliwe dla baterii? Podczas ładowania baterii, która jeszcze nie osiągnęła pełnej pojemności należy wyodrębnić dwa stany: - Stan ładowania baterii od 0 –do 80 % pojemności - wtedy akumulator dostarczoną

energię elektryczną zamienia na energię elektrochemiczną (występujące straty związane są tylko ze sprawnością ładowania).

- Ładowanie akumulatora powyżej 80% pojemności jest spowolnione – część energii zamieniana jest na energię elektrochemiczną a część energii rozpraszana jest w postaci ciepła. Ilość traconej energii i wydzielanego ciepła zwiększa się w miarę dochodzenia do stanu pełnego naładowania.

- Po osiągnięciu przez akumulator 100% pojemności energia jak już wspomniano jest całkowicie przetwarzana w ciepło.

Jeżeli podczas ładowania buforowego występują mikro-cykle wówczas ładowanie buforowe (następujące po mikro rozładowaniu) tylko nieznacznym stopniu spowoduje odtworzenie energii elektrochemicznej zaś spowoduje wydzielanie się dużej ilości ciepła. W tym przypadku jedynie niewielka część energii ładowania przekształcana jest w energię elektrochemiczną. Niestety pomimo tego, że energia pobrana z baterii podczas takiego rozładowania jest mniejsza od energii dostarczonej, to bilans energetyczny przeprowadzony dla energii elektrochemicznej jest dla tej ostatniej niekorzystny. Oznacza to w praktyce, że tylko niewielka część energii zużywana jest na odtworzenie materiału aktywnego płyt. Powoduje to powolne rozładowywanie baterii. Zjawisko to doprowadziłoby do całkowitego jej rozładowania gdyby nie fakt, że jak już wspomniano wraz ze zmniejszaniem się pojemności dysponowanej baterii procentowy udział energii cieplnej w fazie mikrocyklicznego ładowania maleje na korzyść energii elektrochemicznej. W konsekwencji bateria osiąga stan równowagi, w którym (przy określonej pojemności) ilość energii elektrochemicznej dostarczonej podczas ładowania jest równa energii pobranej podczas rozładowania (w ramach jednego mikro-cyklu). Okazuje się, że w zależności od typu baterii i „głębokości” mikro-cykli pojemność dysponowana baterii spada po 6 do 12 miesiącach w do około 80% pojemności znamionowej. Powyższe spowoduje ograniczenie pojemności baterii akumulatorów i konieczność jej przedwczesnego wycofania z eksploatacji.

3. Monitoring parametrów zasilania.

Nowoczesne układy są bardzo rozbudowane co do dostępnych możliwości ale liczba elementów które trzeba sprawdzać i czynności eksploatacyjnych takiego sprzętu często rośnie Z drugiej strony ekonomiści ograniczają środku na eksploatacji a co za tym idzie ilość pracowników którzy mogą nadzorować układ. Spory inżyniersko - ekonomiczne zwykle kończą się kompromisem, który najczęściej pozostawia niedosyt dla obu stron. Ekonomistom wydaje się, że służby ruchowe są przeinwestowane , Inżynierowie nie zawsze mogą podołać wszystkim swoim obowiązkom i zadaniom. Wyjściem z takiej sytuacji jest automatyzacja pewnych czynności eksploatacyjnych w tym wdrożenie, dedykowanego pod potrzeby

123

użytkownika systemu monitoringu, zapewniającego zarówno kontrolę i diagnozowanie stanu pracy elementów systemu. System monitoringu powinien być prosty i przekazywać wszystkie najistotniejsze informacje. Musi zapewnić dużą efektywność pracy przy minimalizacji kosztów wykonania. W systemach zasilania gwarantowanego nadzorem trzeba objąć układ zasilający oraz baterię. Biorąc pod uwagę powyższe do oceny pracy baterii należy objąć:

- Kontrolę napięcia baterii; - Pomiar prądu baterii; - Kontrolę napięć poszczególnych ogniw/ monobloków np. 18 punktów

pomiarowych; - Kontrola stanu izolacji baterii; - Pomiar temperatury otoczenia baterii.

Operator powinien w każdej chwili uzyskać informacje o stanie układu, dotyczy to zarówno normalnego i alarmowego stanie. Przykładowa synoptyka opisana w literaturze [5] pokazana jest na poniższym rysunku: Rys. 4. Okno szczegółowej synoptyki układu.

Pola z wartościami wielkości mierzonych mają kolor tła zależny od stanu danej wielkości pomiarowej. Jeżeli pomiar jest bezbłędny i nie przekracza progów ostrzeżeń i alarmów tło ma kolor zielony. Wystąpienie ostrzeżenia zmienia kolor na żółty, alarmu na czerwony a w przypadku wystąpienia błędu pomiaru pojawia się tło w kolorze niebieskim. Kolejną możliwością systemy jest w formie graficznej rozkładu napięć na poszczególnych monoblokach. Kolor słupka jest zależny od wartości napięcia. Jeżeli napięcie nie przekracza progów ostrzeżeń kolor słupka jest zielony. Kolor żółty oznacza przekroczenie progów ostrzeżeń a kolor czerwony progów alarmowych. Kolor niebieski oznacza wystąpienie błędu pomiaru, a więc chwilowy brak wiarygodności wskazywanej wartości (rys. 5). Rys. 5. Okno rozkładu napięć na monoblokach.

124

Oprócz rozkładu napięć na monoblokach pojawia się informacja o napięciu baterii, prądzie baterii, ładunku baterii oraz jej temperaturze. Dodatkowo wyświetlana jest informacja kiedy ostatnio bateria była konserwowana (został przeprowadzony cykl rozładowania – ładowania) oraz kiedy powinna być przeprowadzona następna konserwacja. Jest możliwe również zdalne przeprowadzenie cyklu rozładowania i ładowania baterii. Operator ma wybór co do sposobu rozładowania, warunków zakończenia rozładowania i sposobu ponownego ładowania (rys. 6). Rys. 6. Okno wyboru opcji konserwacji baterii

5. Podsumowanie. Współczesne układy zasilania gwarantowanego z jednej strony muszą spełniać oczekiwania niezawodności, z drugiej strony muszą także poprawnie pracować przy ograniczonym zakresie nadzoru i czynności eksploatacyjnych. Wszystko to implikuje konieczność zastosowania wysoko jakościowych urządzeń. Przy pracy baterii bardzo ważnym zagadnieniem jest zapewnienie jej jak najlepszych parametrów prądu ładowania buforowego jak i szybkie odzyskanie pojemności po rozładowaniu. Okazuje się, że jest to dużo istotniejsze dla współczesnych akumulatorów niż dla typów produkowanych w latach 60 i 70. Rosnące wymagania rynku wymuszają na producentach pogoń za coraz lepszymi parametrami akumulatorów i minimalizację

125

kosztów ich wytwarzania – powoduje to, że są to urządzenia delikatne. Rozwój energoelektroniki szczególnie w dziedzinie przyrządów półprzewodnikowych spowodował, że dziś producenci prostowników są w stanie sprostać rosnącym wymaganiom. Nie można już technicznie zaakceptować starych układów ładowania dla wszystkich typów akumulatorów. Dotyczy to zarówno akumulatorów VRLA z rekombinacją gazu jak i klasycznych z odgazowaniem swobodnym. Należy ładować je prostownikami impulsowymi z zawartością tętnień (napięcia) mniejszą niż 1% (najlepiej mniej niż 0,5%). Prostowniki takie coraz częściej umożliwiają również realizowanie ładowania według ściśle określonej dla danego typu baterii charakterystyki (np. prostowniki firmy APS Energia realizujące program DBC ang. Dynamic Battery Charging).

Literatura : [1] Paweł Szumowski, Paweł Ozimek “DBC - metoda dynamicznego ładowania baterii

akumulatorów” V Międzynarodowa Konferencja Naukowo Techniczna Kozienice 2002 [2] Jacek Świątek, Paweł Ozimek „Składowa zmienna w prądzie ładowania baterii

akumulatorów” Elektro-Info 12/2004. [3] Eurobat – Zbiór pojęć podstawowych dla ogniw i baterii ołowiowo kwasowych

z odgazowaniem przez zawór, COSiW SEP, 2002. [4] Dariusz Krawczyk, “Wybrane zagadnienia normy EN 50272-2” V Konferencja Naukowo Techniczna – Kozienice 6-8.03.2002 [5] Dr inż. Rafał BUGYI, mgr inż. Jacek DRĄŻKIEWICZ, mgr inż. Bartłomiej KRAS,

„Zaawansowany monitoring baterii na przykładzie systemu wdrożonego na Stacji Energetycznej 400/220/110kV Wielopole” VII Konferencja Naukowo Techniczna – Kozienice 10-12.03.2004 .

#12 Bielsko Biała

Documents

Transcript of #12 Bielsko Biała