Zaburzenia napięcia - European Copper Institute

Zaburzenia napięcia
Norma EN 50160
5.4.2
Parametry napięcia zasilającego
w publicznych sieciach rozdzielczych
zapad napięcia, ∆t < 10 ms
krótka przerwa w zasilaniu
∆t < 3min
Zaburzenia napięcia
Zaburzenia napięcia
Norma EN 50160 –
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
Prof. dr hab. inż. Henryk Markiewicz i Dr inż. Antoni Klajn
Politechnika Wrocławska
Lipiec 2004
Niniejszy Poradnik został opracowany jako część europejskiego programu edukacyjnego i szkoleniowego Jakość
Zasilania Inicjatywa Leonardo (LPQI), wspieranego przez Komisję Europejską (w ramach Programu Leonardo da
Vinci) i Międzynarodowe Stowarzyszenie Miedzi. Dla uzyskania bliższych informacji odwiedź stronę LPQI www.lpqi.org.
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. (PCPM)
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. jest organizacją non-profit, finansowaną przez dostawców miedzi oraz
producentów pragnących zachęcić odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promujących ich prawidłowe
i efektywne zastosowanie. Działalność Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy są
zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum również zapewnia łączność między jednostkami
badawczymi a przemysłem wykorzystującym miedź w produkcji oraz utrzymuje bliską łączność z innymi organizacjami zajmującymi
się rozwojem miedzi na całym świecie.
Europejski Instytut Miedzi (ECI)
Europejski Instytut Miedzi jest spółką joint venture Międzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi
(ICA) i IWCC. ECI, dzięki swoim członkom, zajmuje się w imieniu największych producentów miedzi
na świecie i czołowych europejskich producentów - promocją miedzi w Europie. Powstały w styczniu
1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dzięki sieci dziesięciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu,
we Francji, w Niemczech, Grecji, na Węgrzech, we Włoszech, w Polsce, Skandynawii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo
rozwija swoją działalność podjętą przez CDA powstałą w 1959 roku oraz dzięki INCRA (Międzynarodowemu Towarzystwu Badań
Miedzi) powstałemu w 1961 roku.
Zrzeczenie się odpowiedzialności
Niniejszy projekt nie musi odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej ani nie nakłada na Komisję Europejską żadnej
odpowiedzialności.
Europejski Instytut Miedzi, Deutsches Kupferinstitut i Polskie Centrum Promocji Miedzi zrzekają się wszelkiej odpowiedzialności
za wszelkie bezpośrednie lub pośrednie skutki jak również nie przewidziane szkody, które mogą być poniesione w wyniku użycia
informacji lub nieumiejętnego użycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.
Copyright© European Copper Institute, Deutsches Kupferinstitut and Polskie Centrum Promocji Miedzi.
Reprodukcja materiału zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w całości i po dania jej źródła.
Promocja LPQI w Polsce prowadzona jest w ramach Polskiego Partnerstwa Jakości Zasilania:
Politechnika Wrocławska
Akademia Górniczo-Hutnicza
Instytut Szkoleniowy Schneider Electric Polska
Medcom Sp. z o.o.
Zaburzenia napięcia
Norma EN 501601
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
Wstęp
Energia elektryczna jest produktem i, jak każdy inny produkt, powinna spełniać odpowiednie wymagania jakościowe. Prawidłowe działanie urządzeń elektrycznych wymaga, aby wartość napięcia zasilającego zawierała się
w określonym przedziale wokół wartości znamionowej. Znaczna część obecnie użytkowanych urządzeń elektrycznych, szczególnie elektronicznych i komputerowych, wymaga wysokiej jakości energii. Jednakże te same
urządzenia są często przyczyną odkształceń napięcia zasilającego w instalacji, gdyż z powodu nieliniowości swoich charakterystyk pobierają niesinusoidalny prąd przy sinusoidalnym napięciu zasilającym (p. zeszyt 3.1 niniejszego Poradnika).
Tak więc, utrzymywanie zadowalającej jakości energii jest wspólną odpowiedzialnością dostawcy i odbiorcy energii
elektrycznej. Zgodnie z normą EN 50160 [1], dostawca jest stroną, która dostarcza energię elektryczną za pośrednictwem
publicznej sieci rozdzielczej, a odbiorca jest nabywcą energii od dostawcy. Użytkownik ma prawo wymagać, aby jakość
energii elektrycznej dostarczanej przez dostawcę była odpowiednia. W praktyce, poziom jakości energii jest kompromisem między odbiorcą a dostawcą. Jeżeli jakość energii nie jest wystarczająca dla potrzeb użytkownika, niezbędne będzie
podjęcie środków poprawy jakości energii i wykonanie analizy kosztów i korzyści (p. zeszyt 2.5 niniejszego Poradnika).
Koszty niskiej jakości energii zwykle przewyższają koszty środków potrzebnych do jej poprawy. Ocenia się, że straty powodowane niską jakością energii elektrycznej w przemyśle i handlu Unii Europejskiej, wynoszą około 10 mld euro rocznie (p. zeszyt 2.1 niniejszego Poradnika).
Energia elektryczna jest jednak bardzo specyficznym produktem. Możliwości jej magazynowania, w ilościach, które
miałyby znaczenie, są bardzo ograniczone, stąd też jest ona zużywana w chwili wytwarzania. Pomiar i ocena jakości dostarczanej energii muszą być wykonane w czasie jej poboru. Pomiary jakości energii stanowią złożony problem, ponieważ dostawca i odbiorca, którego urządzenia są nie tylko wrażliwe, ale same są także źródłem zaburzeń, mają odmienne punkty widzenia.
Norma IEC 600382 [2] rozróżnia dwa napięcia w sieciach i instalacjach elektrycznych:
!
napięcie zasilania - napięcie międzyfazowe lub fazowe w punkcie wspólnego przyłączenia, tj. w punkcie
dostawy.
!
napięcie użytkowe - napięcie międzyfazowe lub fazowe w gnieździe wtyczkowym lub na zaciskach urządzenia.
Zasadniczym dokumentem formułującym wymagania po stronie dostawcy jest norma EN 50160, która określa parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. Jest to norma europejska, której w niektórych
regionach lub krajach towarzyszą normy uzupełniające, jak [3] w Niemczech lub [4] w Polsce. Wiele przepisów lokalnych, takich, jak niemieckie TAB [3], odnosi się do indywidualnych zakładów energetycznych, ale zostały one
ujednolicone w ramach liberalizacji niemieckiego rynku energii elektrycznej. Zgodnie z normą IEC 60038, zarówno norma EN 50160, jak i przepisy [3,4] dotyczą napięcia zasilającego, tj. napięcia mierzonego w punkcie wspólnego przyłączenia.
Po stronie odbiorcy istotne znaczenie ma jakość energii dostarczanej do jego urządzeń. Prawidłowe działanie urządzeń
elektrycznych wymaga, aby poziom oddziaływań elektromagnetycznych na urządzenia był utrzymany poniżej pewnych wartości granicznych. Na urządzenia elektryczne mają wpływ zaburzenia elektromagnetyczne w zasilaniu oraz
oddziaływanie innych urządzeń przyłączonych do instalacji, które także oddziałują na zasilanie. Zagadnienia te zostały zebrane w serii norm EN 61000 dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), które określają graniczne wartości zaburzeń przewodzonych. Wrażliwość urządzeń na jakość napięcia użytkowego, jak również środki
redukcji zaburzeń, przedstawiono w zeszycie 3 – „Harmoniczne”, i w zeszycie 5 – „Zaburzenia napięcia”, niniejszego Poradnika.
Tematem niniejszego zeszytu jest szczegółowe omówienie normy EN 50160 i analiza jej wymagań dotyczących działania
wybranych urządzeń. Przedstawiono również metody pomiaru parametrów napięcia zasilającego.
1
2
Odpowiednikiem normy EN 50160 jest Polska Norma PN-EN 50160:1998 [1].
Odpowiednikiem normy IEC 60038 jest Polska Norma PN-IEC 60038:1999 [2].
1
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
Podstawowe definicje parametrów napięcia
Norma EN 50160 definiuje szereg parametrów napięcia. Najważniejszymi z nich są:
Napięcie zasilające – wartość skuteczna napięcia w określonej chwili w złączu sieci elektroenergetycznej, mierzona
w określonym przedziale czasu.
Napięcie znamionowe sieci (Un) – wartość napięcia określająca i identyfikująca sieć elektroenergetyczną, do której odniesione są pewne parametry charakteryzujące jej pracę.
Deklarowane napięcie zasilające (Uc) – jest w normalnych warunkach równe napięciu znamionowemu Un sieci. Jeżeli,
w wyniku porozumienia między dostawcą a odbiorcą, w złączu sieci elektroenergetycznej występuje napięcie różniące
się od znamionowego, wówczas to napięcie jest deklarowanym napięciem zasilającym Uc.
Normalne warunki pracy – stan pracy sieci rozdzielczej, w którym spełnione są wymagania dotyczące zapotrzebowania
mocy, obejmujący operacje łączeniowe i eliminację zaburzeń przez automatyczny system zabezpieczeń przy równoczesnym braku wyjątkowych okoliczności spowodowanych wpływami zewnętrznymi lub czynnikami pozostającymi poza
kontrolą dostawcy.
Zmiana wartości napięcia – zwiększenie lub zmniejszenie się wartości napięcia spowodowane zazwyczaj zmianą całkowitego obciążenia sieci rozdzielczej lub jej części.
Migotanie światła – wrażenie niestabilności postrzegania wzrokowego spowodowane przez bodziec świetlny, którego luminancja lub rozkład spektralny zmienia się w czasie.
Uciążliwość migotania światła – poziom dyskomfortu spowodowanego migotaniem światła, wyznaczony metodą pomiarową migotania UIE-IEC i określony za pomocą następujących wielkości:
!
wskaźnik krótkookresowego migotania światła (Pst) mierzony w okresie dziesięciu minut,
!
wskaźnik długookresowego migotania światła (Plt) obliczony z sekwencji 12 kolejnych wartości Pst, występujących w okresie dwóch godzin, zgodnie z następującą zależnością:
12
Plt = 3
Psti3
∑ 12
(1)
i=1
Zapad napięcia zasilającego – nagłe zmniejszenie się napięcia zasilającego do wartości zawartej w przedziale od 90% do
1% napięcia deklarowanego Uc, po którym w krótkim czasie, następuje wzrost napięcia do poprzedniej wartości. Umownie czas trwania zapadu napięcia wynosi od 10ms do 1 minuty. Głębokość zapadu napięcia definiowana jest jako różnica między minimalną wartością skuteczną napięcia w czasie trwania zapadu a napięciem deklarowanym. Zmiany napięcia zasilającego, które nie powodują obniżenia jego wartości poniżej 90% napięcia deklarowanego Uc, nie są uważane za
zapady.
Przerwa w zasilaniu – stan, w którym napięcie w złączu sieci elektroenergetycznej jest mniejsze niż 1% napięcia deklarowanego Uc. Przerwy w zasilaniu mogą być sklasyfikowane jako:
!
planowe, gdy odbiorcy są wcześniej poinformowani, mające na celu wykonanie zaplanowanych prac w sieciach
rozdzielczych,
!
przypadkowe – spowodowane np. trwałymi (długa przerwa) lub przemijającymi (krótka przerwa) zwarciami,
związanymi głównie ze zdarzeniami zewnętrznymi, uszkodzeniami urządzeń lub zakłóceniami w pracy sieci.
Przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej – o relatywnie długim czasie trwania, zwykle kilka okresów częstotliwości sieciowej, powodowane głównie przez operacje łączeniowe, nagłe zmniejszenie obciążenia lub eliminowanie zwarć.
Przepięcia przejściowe – krótkotrwałe, oscylacyjne lub nieoscylacyjne, zwykle silnie tłumione przepięcie trwające kilka
milisekund lub krócej, zwykle powodowane wyładowaniami atmosferycznymi lub niektórymi operacjami łączeniowymi,
na przykład wyłączeniem prądu indukcyjnego.
Harmoniczna napięcia – napięcie sinusoidalne o częstotliwości równej całkowitej krotności częstotliwości pod tawowej
napięcia zasilającego. Harmoniczne napięcia mogą być określone:
!
indywidualnie przez ich względną amplitudę Uh odniesioną do napięcia składowej podstawowej U1, gdzie h jest
rzędem harmonicznej.
2
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
!
łącznie, zwykle przez całkowity współczynnik odkształcenia harmonicznego THDU, obliczany zgodnie z następującym wyrażeniem:
40
THDu =
∑ (U
h
)2
h=2
(2)
U1
Interharmoniczna napięcia - napięcie sinusoidalne o częstotliwości zawartej pomiędzy harmonicznymi, tj. o częstotliwości nie będącej całkowitą krotnością częstotliwości składowej podstawowej.
Niesymetria napięcia – stan, w którym wartości skuteczne napięć fazowych lub kąty fazowe między kolejnymi fazami
w sieci trójfazowej nie są równe.
Norma EN 50160:1998 podaje główne parametry napięcia oraz dopuszczalne przedziały ich odchyleń w punkcie wspólnego przyłączenia odbiorcy w publicznych sieciach rozdzielczych niskiego napięcia (nn) i średniego napięcia (SN),
w normalnych warunkach eksploatacyjnych. W tym kontekście niskie napięcie (nn) oznacza, że skuteczna wartość znamionowa napięcia międzyfazowego nie przekracza 1000 V, a średnie napięcie (SN) oznacza, że skuteczna wartość znamionowa napięcia międzyfazowego zawarta jest między 1 kV a 35 kV.
Porównanie wymagań tej normy z wymaganiami norm kompatybilności elektromagnetycznej EN 61000, podane w tabelach 1 i 2, ukazuje znaczne różnice dla różnych parametrów. Istnieją dwa główne powody tych różnic:
!
Normy EMC, zgodnie z normą IEC 60038, dotyczą napięcia użytkowego, podczas gdy norma EN 50160 odnosi
się do napięcia zasilającego. Różnice miedzy tymi napięciami są spowodowane spadkami napięcia w instalacji
i zaburzeniami pochodzącymi z sieci oraz od innych urządzeń zasilanych z tej instalacji. Z tego powodu, w wielu normach serii EN 61000 prąd odbiornika jest istotnym parametrem, podczas gdy norma EN 50160 nie dotyczy prądu obciążenia.
!
Norma EN 50160 podaje tylko ogólne zakresy wartości, które są dla dostawcy ekonomicznie i technicznie możliwe do utrzymania w publicznych sieciach rozdzielczych. Jeżeli wymagane są bardziej rygorystyczne warunki,
musi zostać wynegocjowana oddzielna, szczegółowa umowa między dostawcą a odbiorcą. Pomiary, mające na
celu poprawę jakości energii, pociągają za sobą dodatkowe koszty i wymagają użycia aparatury, są rozważane
w innych częściach niniejszego Poradnika.
Norma EN 50160 ma dodatkowe ograniczenia – jej postanowienia nie są stosowane w nienormalnych warunkach pracy, w tym:
– w warunkach powstałych w wyniku zwarcia lub w warunkach zasilania tymczasowego
– w przypadku niezgodności instalacji lub urządzeń odbiorcy odpowiednimi normami lub z warunkami technicznymi przyłączenia odbiorców
– w przypadku niezgodności instalacji wytwórcy energii z odpowiednimi normami lub z wymaganiami technicznymi połączenia z elektroenergetycznymi sieciami rozdzielczymi
– w sytuacjach wyjątkowych pozostających poza kontrolą dostawcy, w szczególności:
– wyjątkowych warunków atmosferycznych i innych klęsk żywiołowych
– zakłóceń spowodowanych przez osoby trzecie
– strajków (zgodnych z prawem)
– siły wyższej
– niedoboru mocy wynikającego ze zdarzeń zewnętrznych.
Jak pokazuje analiza danych przedstawionych w tabeli 1, wymagania te nie są szczególnie rygorystyczne dla dostawcy. Liczne sytuacje, w których postanowienia normy nie są stosowane, mogą usprawiedliwiać większość występujących w praktyce przerw w zasilaniu i zaburzeń napięcia. Stąd wielu dostawców interpretuje wymagania normy EN 50160 jako w zasadzie informacyjne i nie przyjmuje odpowiedzialności za przekroczenie wartości dopuszczalnych.
3
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
Z drugiej strony, punkt widzenia odbiorcy jest zwykle całkowicie odmienny – wartości graniczne podane w normie EN
50160 odbiorca uważa za wymagania, które muszą być gwarantowane przez dostawcę. Jednakże, jak już wcześniej wspomniano, dla wielu odbiorców nawet spełnienie wymagań zawartych w normie EN 50160 nie zapewnia akceptowanego
poziomu jakości energii. W takich przypadkach, poziom jakości energii musi być określony w dodatkowej umowie zawartej między dostawcą i odbiorcą.
Nr
Parametr
Parametry niskiego napięcia
wg normy EMC EN 61000
Parametry napięcia zasilającego
EN 61000-2-2
1
Częstotliwość sieciow
nn, SN: średnia wartość częstotliwości
podstawowej, mierzona przez 10 s
±1% (49,5–50,5 Hz) przez 99,5% tygodnia
-6%/+4% (47-52 Hz) przez 100% tygodnia
2
Zmiany wartości
napięcia
nn, SN: ±10% przez 95% tygodnia,
10-minutowe, średnie wartości skuteczne
(rys. 1)
3
Szybkie zmiany
napięcia
nn: 5% w warunkach normalnych
10% rzadko
Plt ≤1 przez 95% tygodnia
SN: 4% w warunkach normalnych
6% rzadko
Plt ≤1 przez 95% tygodnia
Inne części
2%
±10% przez 15 minut
3% w warunkach
normalnych,
8% rzadko
Pst < 1.0
Plt < 0.8
3% w war. normalnych
4% maksimum
Pst < 1.0
Plt < 0.65
(EN 61000-3-3)
3% (IEC 61000-2-12)
4
Zapady napięcia
zasilającego
Większość: czas trwania <1s, głębokość <60% sieci miejskie:
Lokalnie: zapady spowodowane załączaniem 1-4/miesiąc
odbiorników:
nn: 10-50%, SN: 10-15% (rys. 1)
do 30% przez 10 ms
do 60% przez 100 ms
(EN 61000-6-1, 6-2)
do 60% przez 1000 ms
(EN 61000-6-2)
5
Krótkie przerwy
w zasilaniu
nn, SN: (do 3 minut)
kilkadziesiąt - kilkaset/rok
70% z nich o czasie trwania < 1 s
zmniejszenie o 95% przez 5 s
(EN 61000-6-1, 6-2)
6
Długie przerwy
w zasilaniu
nn, SN: (dłuższe niż 3 minuty)
<10-50/rok
7
Przepięcia dorywcze
o częstotliwości
sieciowej
nn: <1,5 kV (wartość skuteczna)
SN: 1,7 Uc (sieć z punktem neutralnym
uziemionym bezpośrednio lub przez
impedancję)
2,0 Uc (sieć z nieuziemionym punktem
neutralnym lub skompensowana
±2 kV, faza-ziemia
±1 kV, faza-faza
1,2/50(8/20) Tr/Th µs
(EN 61000-6-1, 6-2)
8
Przepięcia przejściowe nn: z reguły < 6kV,
sporadycznie większe;
czas narastania: ms-µs.
SN: nie zdeÞniowane
9
Niesymetria napięcia
zasilającego
nn, SN: do 2% przez 95% tygodnia,
10-minutowe, średnie wartości skuteczne,
do 3% na pewnych obszarach
2%
2%
(IEC 61000-2-12)
10
Harmoniczne napięcia
nn, SN: p. tabela 2
6% - 5; 5% -7;
3,5% -11;
3% - 13;
THD <8%
5% 3; 6% 5;
5% 7; 1,5% 9;,
3,5% 11; 3% 13;
0,3% 15;, 2% 17;
(EN 61000-3-2)
11
Interharmoniczne
napięcia
nn, SN: w trakcie opracowania
0,2%
Tabela 1. Porównanie wymagań w stosunku do napięcia zasilającego według norm EN 50160 i IEC 60038
4
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
Nieparzyste harmoniczne
Nie będące krotnością 3
będące krotnością 3
Parzyste harmoniczne
Rząd h
Względna wartość
napięcia
(%)
Rząd h
Względna wartość
napięcia
(%)
5
6
3
5
2
2
7
5
9
1,5
4
1
11
3,5
15
0,5
6 … 24
0,5
13
3
21
0,5
17
2
19
1,5
23
1,5
25
1,5
Tabela 2. Wartości poszczególnych harmonicznych napięcia
w złączu sieci elektroenergetycznej dla rzędów do 25, wyrażone w procentach Un
zakres zmian napięcia zasilającego,
przez 95% czasu zasilania
krótka przerwa w zasilaniu
∆t < 3min
zapad napięcia, ∆t < 10 ms
Rys. 1. Ilustracja zapadu napięcia i krótkiej przerwy w zasilaniu – klasyfikacja według EN 50160;
Un – znamionowe napięcie skuteczne sieci zasilającej, UA – amplituda napięcia zasilającego,
U(rms) – rzeczywista wartość skuteczna napięcia sieci zasilającej
Funkcjonowanie urządzeń i wymagania EN 50160
Prawidłowe działanie urządzeń elektrycznych wymaga aby wartość napięcia zasilającego była jak najbliższa wartości
znamionowej. Nawet relatywnie małe odchylenia od wartości znamionowej mogą powodować suboptymalne działanie
urządzeń, np. pracę ze zmniejszoną sprawnością lub zwiększony pobór mocy, połączony z dodatkowymi stratami i skróceniem czasu eksploatacji. Długotrwałe odchylenia mogą czasami powodować zadziałanie zabezpieczeń, a w konsekwencji przerwy w zasilaniu. Oczywiście, prawidłowe działanie urządzeń zależy także od wielu innych czynników, takich jak warunki środowiskowe i właściwy dobór instalacji.
5
W przypadku żarowych źródeł światła największy wpływ na strumień świetlny ma napięcie zasilania, jak ilustrują to rysunek 2
i zależność (3). Zmiany napięcia, dopuszczalne wg normy EN 50160, mogą zatem powodować znaczne zmiany strumienia świetlnego. Norma EN 50160 zezwala, na przykład, aby napięcie zasilania w długich okresach było równe Un-10% lub Un+10%; dla
takich napięć strumień świetlny lampy żarowej wyniesie odpowiednio 70% i 140% strumienia znamionowego. Ponadto, przy napięciu Un+10% czas eksploatacji tego rodzaju
lamp zmniejsza się do 25% wartości nominalnej (rys. 3), tj. około 250 godzin zamiast
typowego czasu życia, wynoszącego 1000
godzin. (Należy zauważyć, że trwałość lamp
fluorescencyjnych i lamp wyładowczych
zależy głównie od liczby cykli załączania.
Wpływ zmian napięcia jest niewielki. Wartości przedstawione na rysunkach 2 i 3 są obliczone dla stanu ustalonego przy danej wartości napięcia pracy.
Lampa żarowa
Lampa wyładowcza
Względna wartość napięcia znamionowego
Rys. 2. Względna wartość strumienia świetlnego
lampy żarowej i wyładowczej jako funkcja
napięcia zasilania, według zależności (3)
Względny czas eksploatacji
Wpływ każdego parametru napięcia zasilającego na działanie urządzeń można stosunkowo łatwo badać niezależnie, natomiast jeżeli
parametry zmieniają się równocześnie, sytuacja jest znacznie bardziej złożona. W pewnych przypadkach, po szczegółowej analizie wpływu każdego z parametrów napięcia, można stosować superpozycję wyników
w celu oszacowania łącznego wpływu wielu parametrów. Wpływ konkretnego parametru napięcia na działanie urządzenia można
ocenić na podstawie zależności matematycznych opisujących analizowane zjawiska fizyczne. Poniżej podano dwa przykłady dotyczące oświetlenia i silników elektrycznych.
Względna wartość strumienia
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
W praktyce wartość napięcia zmienia się ciągle, w zależności od warunków eksploatacji
i obciążenia w sieci, jak pokazano na rysunku 4. Charakterystyki przedstawione na rysunkach 2 i 3 są opisane zależnością:
b
F U 
= 
Fn  U n 
Względna wartość napięcia znamionowego
Rys. 3. Względna wartość czasu eksploatacji (trwałości)
lampy żarowej jako funkcja napięcia zasilania,
według zależności (4)
(3)
gdzie:
F = strumień świetlny
U = napięcie zasilania
Fn = strumień świetlny przy znamionowej wartości napięcia zasilania Un
b = współczynnik równy 3,6 dla lamp żarowych i 1,8 dla lamp wyładowczych
6
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
−14
D U 
= 
Dn  U n 
(4)
gdzie:
D = czas eksploatacji (trwałość) lampy żarowej
Dn = trwałość przy znamionowej wartości napięcia zasilania Un.
Rys. 4. Przykłady zapadów napięcia (wartość skuteczna napięcia fazowego);
oscylogramy ukazują napięcie zasilania (przebieg górny) i zmiany częstotliwości (przebieg dolny)
w punkcie wspólnego przyłączenia małego zakładu przemysłowego
Widać stąd, że wymagania normy EN 50160 dotyczące zmian napięcia nie są zbyt rygorystyczne. Utrzymanie zmian napięcia, nawet w dopuszczalnych granicach 10%, może spowodować pogorszenie działania źródeł światła. Dla uniknięcia
ujemnego wpływu na oświetlenie, zmiany te powinny być ograniczone do około 3-4%.
Wahania napięcia przedstawione na rysunku 4 ilustrują wpływ napięcia na uciążliwość migotania światła, mierzoną
i obliczaną zgodnie z zależnością (1). Pomiar migotania światła jest omówiony w innym zeszycie niniejszego Poradnika.
Dla silników elektrycznych najważniejszym czynnikiem są wahania momentu, który jest zależny od kwadratu wartości napięcia zasilającego. Problemy mogą występować podczas rozruchu napędów z dużym obciążeniem, ponieważ duży prąd rozruchowy powoduje dodatkowe spadki napięcia w instalacji (rys. 5). W praktyce, dla większości
silników trójfazowych rozruch przebiega normalnie przy napięciu zasilania wynoszącym 85%, lub więcej, napięcia znamionowego przy rozruchu z dużym obciążeniem i od 70% przy rozruchu lekkim. W tym przypadku wymagania normy EN 50160 dotyczące wahań napięcia są wystarczające. Jednak długotrwała praca silnika przy napięciu wynoszącym -10% lub +10 % wartości znamionowej Un może mieć inne, negatywne skutki: w pierwszym przypadku będzie to przeciążenie i działanie zabezpieczeń cieplnych, w drugim – praca przy nadmiernym poborze mocy i wyłączanie przez zabezpieczenia. Wszystkie zapady napięcia mogą powodować niepożądane wyzwalanie zabezpieczeń silnika.
Wpływ prądu obciążenia na napięcie zasilania instalacji zależy od impedancji sieci zasilającej. Napięcie użytkowe na zaciskach urządzeń zależy od impedancji sieci zasilającej i od impedancji instalacji odbiorcy. Wpływ prądu obciążenia na
napięcie zasilania ilustruje rysunek 6.
7
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
Innymi, istotnymi zagadnieniami, dotyczącymi silników elektrycznych, są harmoniczne napięcia i niesymetria napięcia zasilającego. Niesymetria napięcia w sieci trójfazowej wywołuje moment o przeciwnym kierunku, proporcjonalny do składowej kolejności przeciwnej napięcia. Każda harmoniczna napięcia wytwarza odpowiadający jej prąd harmoniczny i związany z nim moment, który może mieć kierunek zgodny lub przeciwny do momentu głównego,
dla różnych wartości poślizgu. Największe znaczenie mają tu harmoniczne 5 i 7. Rysunek 7 przedstawia sytuację, w której 7 harmoniczna momentu może powodować problemy podczas rozruchu silnika,
kiedy krzywe momentu silnika i momentu obciążenia przecinają się.
Dla innych urządzeń elektrycznych zależność między
napięciem zasilania a ich mocą lub sprawnością, może
być istotna. Dla większości urządzeń zmiany napięcia
w zakresie 0,9–1,1 Un nie powodują żadnych ujemnych
skutków, szczególnie w zwykłych urządzeniach grzewczych. Urządzenia o większej wrażliwości na wartość
napięcia zasilającego wymagają zainstalowania odpowiednich zabezpieczeń.
Rys. 5. Przykład zmian napięcia zasilającego
(górny przebieg) przy rozruchu silnika asynchronicznego;
dolny przebieg – prąd obciążenia w instalacji
małego zakładu przemysłowego;
na końcu przebiegu widoczny udar prądu rozruchowego
Metody pomiaru
Pomiary i badania jakości napięcia zasilającego, zgodnie z normą EN 50160, wymagają zastosowania specjalistycznej aparatury i metod pomiarowych (p. zeszyty
3.2 i 5.2, niniejszego Poradnika). Układ pomiarowy powinien umożliwiać ciągłe monitorowanie przez 7 dni,
następujących parametrów:
!
napięcia w trzech fazach
!
częstotliwość
!
całkowity współczynnik odkształcenia harmonicznego THDU
!
współczynnik asymetrii napięcia, będący stosunkiem składowej przeciwnej do składowej
zgodnej napięcia
!
szybkie i wolne zmiany napięcia, definiowane jako wskaźnik krótkookresowego migotania światła (Pst) i wskaźnik długookresowego
migotania światła (Plt), wg zależności (1).
Rys. 6. Wpływ prądu obciążenia
na zapady napięcia zasilającego
w instalacji elektrycznej
Tego rodzaju aparatura pozwala również na pomiar zapadów napięcia i przerw w zasilaniu, częstości ich występowania
i czasu trwania.
Mierzone parametry są przetwarzane i rejestrowane jako 10-minutowe przedziały czasowe uśredniania (1008 przedziałów w ciągu 7 dni). Dla każdego przedziału jest obliczana średnia wartość mierzonego parametru. Po 7-dniowym okresie rejestrowania tworzona jest tzw. charakterystyka uporządkowana wg wartości, która ukazuje sumę czasów trwania
dla danego poziomu zaburzenia w okresie obserwacji (dla pomiaru częstotliwości czas trwania każdego przedziału wynosi 10 sekund).
8
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
Moment
Przykład charakterystyki uporządkowanej przedstawiono na rysunku 8. Pokazuje on jasno czy mierzone parametry napięcia były utrzymywane na dopuszczalnym poziomie przez 95% czasu pomiaru (tabela 1).
moment od częstotliwości podstawowej
moment wypadkowy
moment obciążenia (hamujący)
moment 5 harmonicznej
moment 7 harmonicznej
Prędkość
THDu (%)
Rys. 7. Wpływ momentu asynchronicznego wytwarzanego przez harmoniczne
na charakterystykę momentu silnika asynchronicznego
Uporządkowane próbki
Rys. 8. Przykład charakterystyki uporządkowanej całkowitego współczynnika
odkształcenia harmonicznego, mierzonego w rozdzielniach zasilających
przemysłowe (1 i 3) i miejskie (2) sieci niskiego napięcia
Niektóre dodatkowe ustalenia w poszczególnych krajach
Jak wcześniej wspomniano, podczas gdy norma EN 50160 podaje ogólne wartości dopuszczalne dla publicznych sieci
rozdzielczych, wiele krajów europejskich stworzyło dodatkowe przepisy regulujące warunki zasilania. Wiele z tych przepisów krajowych obejmuje zagadnienia nie ujęte w normie EN 50160, takie jak maksymalne dopuszczalne obciążenie
harmonicznymi, które może być dołączone w PWP.
9
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
Niemiecka norma krajowa VDE 0100 stwierdza, że parametry określone w DIN EN 50160 odzwierciedlają ekstremalne sytuacje w sieci i nie są reprezentatywne dla typowych warunków. W planowanych sieciach należy stosować się do
zaleceń VDE 0100. Jeden z warunków przyłączenia TAB [3] podaje maksymalne wartości (w jednostkach względnych)
dla odbiorników rezystancyjnych sterowanych fazowo (1700 VA dla jednofazowych, 3300 VA dla dwufazowych i 5000
VA dla trójfazowych symetrycznych) oraz dla nie sterowanych prostowników z pojemnościowym filtrem wygładzającym
(300 VA dla jednofazowych, 600 VA dla dwufazowych i 1000 VA dla trójfazowych symetrycznych); cytowana jest także
norma dotycząca urządzeń VDE 0838 (EN 60555).
W Polsce, przepisy wprowadzone przez rząd [4], dotyczące dystrybucji energii elektrycznej, podają podstawowe parametry napięcia zasilającego (tab. 3) i nie odwołują się do normy EN 50160. Ponadto, odbiorcy są podzieleni na sześć grup,
dla których oddzielnie zdefiniowano dopuszczalne roczne łączne czasy przerw. Dokument ten również traktuje szczegółowo różne aspekty ekonomiczne rynku energii, zasady rozstrzygania sporów pomiędzy przedsiębiorstwami sieci energetycznych i zakładami energetycznymi, itp.
Parametr napięcia zasilającego
Wartości dopuszczalne wg [4]
Częstotliwość
nn i SN: znamionowa 50 Hz (49,5 – 50,2 Hz)
Wartość napięci
nn i SN: -10% do +5% 15-minutowej wartości skutecznej
Harmoniczne
nn: THDU ≤ 8%, dowolna harmoniczna/U1 ≤ 5%
SN: THDU ≤ 5%, dowolna harmoniczna/U1 ≤ 3%
Długie przerwy w zasilaniu
nn i SN:
60 h/rok do 31.12.2004
48 h/rok po 01.01.2005
Tabela 3. Wymagania dotyczące jakości zasilania
w polskich sieciach rozdzielczych, według [4]
We Włoszech istnieje ważny dokument dotyczący ciągłości zasilania [8]. Włoski Urząd Regulacji Energetyki i Gazu
(AEEG) ustanowił jednolity system wskaźników ciągłości dostawy oraz wprowadził system zachęt i kar, mających na
celu stopniowo doprowadzić poziomy ciągłości do zgodności z normami europejskimi. Urząd podzielił terytorium kraju na 230 stref geograficznych, zróżnicowanych następnie na obszary wg gęstości zaludnienia, i na podstawie wyników
poprzedzającego roku ustalił cele poprawy ciągłości zasilania dla każdego obszaru. Przedsiębiorstwa energetyczne, które
poprawiły swoje wyniki w większym stopniu niż założony, mogą odzyskać wyższe poniesione koszty, natomiast przedsiębiorstwa energetyczne, które nie zdołały osiągnąć celów poprawy jakości zasilania, muszą zapłacić kary. Przerwy
w zasilaniu, będące wynikiem działania siły wyższej lub spowodowane przez stronę trzecią, nie są uwzględniane w tych
obliczeniach.
Docelowym zadaniem jest doprowadzenie poziomów ciągłości zasilania do zgodności z krajowymi wskaźnikami, opartymi na normach europejskich - roczny łączny czas przerw przypadający na użytkownika: 30 minut w dużych miastach
(duża gęstość zaludnienia); 45 minut w średniej wielkości miastach (średnia gęstość) i 60 minut na obszarach wiejskich
(mała gęstość). Podobne zasady, ustalone przez ciała regulacyjne, obowiązują także w innych krajach.
W Wielkiej Brytanii istnieje szereg dokumentów, które składają się na kodeks dystrybucji energii. Jednym z najważniejszych jest dokument G5/4, omawiany w innym miejscu niniejszego Poradnika, który reguluje przyłączanie do punktu
wspólnego przyłączenia odbiorników nieliniowych, emitujących harmoniczne. Środki mające na celu popieranie poprawy ciągłości zasilania są w gestii Office of Gas and Electricity Markets (OFGEM) [Biuro Rynków Gazu i Energii Elektrycznej].
Wnioski
Dla dostawców energii elektrycznej wymagania normy EN 50160 nie są trudne do spełnienia. Parametry napięcia zasilającego winny zawierać się w określonym zakresie (tab. 1) przez 95% czasu pomiaru, podczas gdy w pozostałych 5% tego
czasu ich odchyłki mogą być znacznie większe. Na przykład, średnia wartość napięcia przez 95% czasu winna zawierać
się między 90% a 110% wartości znamionowej. Oznacza to, że odbiorca może być zasilany w sposób ciągły napięciem
wynoszącym 90% wartości znamionowej, a przez 5% czasu napięcie może być znacznie niższe. Jeżeli, w skrajnej sytu-
10
Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
acji, inne parametry są również na granicy dopuszczalnej przez normę, np. harmoniczne napięcia lub niesymetria napięcia, to istnieje prawdopodobieństwo wadliwego działania urządzeń.
Normę tę można poprawić. Na przykład wymóg, aby średnie wartości mierzonych parametrów napięcia mieściły się
w zakresie ±5% w całym okresie pomiarowym, mógłby zagwarantować, że napięcie zasilania nie będzie utrzymywane
długotrwale na górnej lub dolnej granicy wartości dopuszczalnej. Dopuszczalna liczba zapadów napięcia (do 1000 w roku) oraz liczby krótkich i długich przerw w zasilaniu są z punktu widzenia odbiorcy raczej wysokie. Zapady napięcia
o głębokości do 30% napięcia znamionowego i czasie trwania dłuższym niż 0,3 s, mogą powodować zadziałanie zabezpieczeń podnapięciowych lub odpadnięcie styczników w obwodach silników. Stąd rzeczywista liczba przerw w procesie
technologicznym będzie znacznie większa niż liczba, której można oczekiwać w wyniku przerw w zasilaniu
Normę EN 50160 należy traktować jako odzwierciedlenie kompromisu między dostawcą a odbiorcą. Wymaga ona aby
dostawca zapewniał, jako minimum, zaledwie wystarczającą jakość zasilania. Większość dostawców rutynowo przekracza wymagania normy z dużym zapasem, ale nie gwarantuje tego. Jeżeli odbiorca ma wyższe wymagania, należy zastosować środki redukcji zaburzeń lub wynegocjować umowę o wyższej jakości zasilania.
Natomiast istotnymi zaletami normy są:
!
zdefiniowanie parametrów napięcia istotnych dla jakości energii elektrycznej
!
ilościowe określenie wartości, stanowiących punkt odniesienia dla oceny jakości energii elektrycznej.
Zadaniem urzędu regulacyjnego jest ustalenie poziomu jakości, który od dostawcy wymaga najlepszej praktyki, nie ustalając przy tym poziomu zbyt wysoko, aby nie powodować wzrostu cen energii dla wszystkich użytkowników.
LITERATURA I ŹRÓDŁA
[1]
Polska Norma PN-EN 50160:1998, Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych.
[2]
Polska Norma PN-IEC 60038:1999, Napięcia znormalizowane IEC.
[3]
Technische Anschlussbedingungen, VDEW.
[4]
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 25 września 2000, w sprawie szczegółowych warunków przyłączania podmiotów
do sieci elektroenergetycznych, obrotu energia elektryczna, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci
oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców. Dziennik Ustaw Nr 85, poz. 957
[5]
Baranecki A. i in., Poprawa jakości zasilania w sieciach nn i SN, Elektronizacja 1-2/2001.
[6]
Seipp G G, Elektrische Installationstechnik, Berlin – München, Siemens AG, 1993
[7]
DIN VDE 0100-100 (VDE 0100 part 100): 2002-08.
[8]
Decision 128/1999: Definizione di obblighi di registrazione delle interruzioni del servizio di distribuzione dell’energia elettrica
e di indicatori di continuita del servizio.
[9]
Decision 144/00: Determinazione dei livelli effettivi base e dei livelli tendenziali di continuita del servizio per ogni ambito territoriale
e per ogni anno del periodo 2000-2003 ai sensi dell’articolo 7 della deliberazione dell’Autorita per l’energia elettrica e il gas 28
dicembre 1999, n. 202/99 e per la determinazione della media nazionale dei livelli tendenziali di continuita del servizio per l’anno 2004,
ai sensi dell’articolo 9, comma 9.4, della medesima deliberazione.
11
Notatki
12
Partnerzy główni i referencyjni
European Copper Institute (ECI)
www.eurocopper.org
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
www.etsii.upm.es
LEM Instruments
www.lem.com
Akademia Górniczo-Hutnicza (AGH)
www.agh.edu.pl
Fluke Europe
www.fluke.com
MGE UPS Systems
www.mgeups.com
Centre d’Innovació Tecnològica en Convertidors
Estàtics i Accionaments (CITCEA)
www-citcea.upc.es
Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW)
www.htw-saarland.de
Polskie Centrum Promocji Miedzi (PCPM)
www.miedz.org.pl
Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)
www.ceiuni.it
Hogeschool West-Vlaanderen
Departement PIH
www.pih.be
University of Bath
www.bath.ac.uk
Copper Benelux
www.copperbenelux.org
Istituto Italiano del Rame (IIR)
www.iir.it
Università di Bergamo
www.unibg.it
Copper Development Association (CDA UK)
www.cda.org.uk
International Union for Electricity Applications (UIE) Utto-Von-Guericke-Universität Magdeburg
www.uie.org
www.uni-magdeburg.de
Deutsches Kupferinstitut (DKI)
www.kupferinstitut.de
ISR - Universidade de Coimbra
www.isr.uc.pt
University of Manchester Institute of Science and
Technology (UMIST)
www.umist.ac.uk
Engineering Consulting & Design (ECD)
www.ecd.it
Katholieke Universiteit Leuven
(KU Leuven)
www.kuleuven.ac.be
Politechnika Wrocławska
www.pwr.wroc.pl
EPRI PEAC Corporation
www.epri-peac.com
Laborelec
www.laborelec.com
Zespół redakcyjny
David Chapman (Chief Editor)
CDA UK
[email protected]
Prof Angelo Baggini
Università di Bergamo
[email protected]
Dr Araceli Hernández Bayo
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
[email protected]
Prof Ronnie Belmans
UIE
[email protected]
Dr Franco Bua
ECD
[email protected]
Jean-Francois Christin
MGE UPS Systems
[email protected]
Prof Anibal de Almeida
ISR - Universidade de Coimbra
[email protected]
Hans De Keulenaer
ECI
[email protected]
Gregory Delaere
Lemkco
[email protected]
Prof Jan Desmet
Hogeschool West-Vlaanderen
[email protected]
Dr ir Marcel Didden
Laborelec
[email protected]
Dr Johan Driesen
KU Leuven
[email protected]
Stefan Fassbinder
DKI
[email protected]
Prof Zbigniew Hanzelka
Akademia Górniczo-Hutnicza
[email protected]
Stephanie Horton
LEM Instruments
[email protected]
Dr Antoni Klajn
Politechnika Wrocławska
[email protected]
Prof Wolfgang Langguth
HTW
[email protected]
Jonathan Manson
Gorham & Partners Ltd
[email protected]
Prof Henryk Markiewicz
Politechnika Wrocławska
[email protected]
Carlo Masetti
CEI
[email protected]
Mark McGranaghan
EPRI PEAC Corporation
[email protected]
Dr Jovica Milanovic
UMIST
[email protected]
Dr Miles Redfern
University of Bath
[email protected]
Dr ir Tom Sels
KU Leuven
[email protected]
Prof Zbigniew Styczynski
Universität Magdeburg
[email protected]
Andreas Sumper
CITCEA
[email protected]
Roman Targosz
PCPM
[email protected]
Hans van den Brink
Fluke Europe
[email protected]
Prof. dr hab. inż. Henryk Markiewicz
Politechnika Wrocławska
Wybrzeże Wyspiańskiego 27
50-370 Wrocław
Polska
Tel:
Fax:
Email:
Web:
00 48 71 320 34 24
00 48 71 320 35 96
[email protected]
www.pwr.wroc.pl
Dr inż. Antoni Klajn
Politechnika Wrocławska
Wybrzeże Wyspiańskiego 27
50-370 Wrocław
Polska
Tel:
Fax:
Email:
Web:
00 48 71 320 39 20
00 48 71 320 35 96
[email protected]
www.pwr.wroc.pl
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o.
50-136 Wrocław
pl. 1 Maja 1-2
Polska
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
Fax:
e-mail:
Website:
Tel:
Fax:
Email:
Website:
00 48 71 78 12 502
00 48 71 78 12 504
[email protected]
www.miedz.org.pl
00 32 2 777 70 70
00 32 2 777 70 79
[email protected]
www.eurocopper.org