10. metody i środki badania parametrów jakości energii elektrycznej

10. METODY I ŚRODKI BADANIA
PARAMETRÓW JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ
10.1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z problematyką oceny jakości energii
w instalacjach elektrycznych, w szczególności w odniesieniu do parametrów napięcia
zasilającego. W zakres ćwiczenia wchodzi pomiar i ocena wybranych wielkości
charakteryzujących jakość napięcia zasilającego, głównie w oparciu o ustalenia normy
PN-EN 50160 [10.1].
10.2. Wiadomości podstawowe
Prawidłowa praca urządzeń elektrycznych uwarunkowana jest m.in.
parametrami zasilającej je energii elektrycznej, przy czym za parametr podstawowy
uważane jest napięcie zasilające. Pożądane jest, aby parametry napięcia zasilającego
na zaciskach przyłączeniowych urządzeń były równe znamionowym, lub mieściły się
w przedziałach dopuszczalnych odchyleń i deformacji. Przyczyną zakłóceń napięcia
zasilającego są czynniki leżące tak po stronie dostawcy energii (zwarcia w sieci,
przerwy w zasilaniu, niedostateczna kompensacja mocy biernej, jakość urządzeń
zasilających), jak i po stronie odbiorcy (odbiorniki pobierające prąd odkształcony,
nieodpowiednie zwymiarowanie instalacji odbiorczej i niezadowalająca jakość jej
elementów). W ostatnich latach coraz bardziej znaczącą przyczyną niezadowalającej
jakości energii jest stale rosnąca liczba odbiorników nieliniowych. Przykładowo
szacuje się, że ich udział w USA wynosił w 1992 roku 15-20 % całego obciążenia,
a obecnie wynosi już 50-70 %. Udział odbiorników o charakterystykach nieliniowych
przekraczający 25% całego obciążenia może oddziaływać negatywnie na pracę innych
urządzeń i w pewnych przypadkach staje się konieczne dokonanie określonych
przedsięwzięć technicznych zapewniających spełnienie wymogów dotyczących
jakości energii. Dlatego dotrzymanie odpowiednich parametrów napięcia zasilającego
to zadanie dotyczące tak dostawców jak i odbiorców energii elektrycznej.
W przypadku dużych odbiorców przemysłowych zawierane są odpowiednie umowy
pomiędzy dostawcą i odbiorcą, dotyczące dopuszczalnego poziomu zakłóceń
wprowadzanych do sieci przez urządzenia odbiorcze. Ponieważ wprowadzenie takich
ustaleń byłoby niezwykle trudne w przypadku indywidualnych odbiorców zasilanych
z sieci komunalnych, dlatego określono dopuszczalne poziomy emisyjności zakłóceń
dla odbiorników powszechnego użytku, które sprecyzowano w zeszytach normy
o ogólnym numerze PN-EN 61000-x-x. Norma ta dotyczy kompatybilności
elektromagnetycznej urządzeń odbiorczych, a do jej postanowień powinni się
stosować producenci tych urządzeń. Z drugiej strony istnieją ustalenia dotyczące
dostawców energii. W przypadku odbiorców przemysłowych są one określone
w indywidualnych umowach na dostawę energii, natomiast podstawowe wymogi
dotyczące dotrzymania odpowiedniej jakości napięcia zasilającego dla odbiorców
zasilanych z sieci komunalnych są określone w normie PN-EN 50160 [10.1]. Chociaż
norma ta nie ma charakteru dokumentu obligatoryjnego, stanowi ona punkt
odniesienia w ocenie jakości energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom.
Norma PN-EN 50160 [10.1] ustala m.in. wymagania dotyczące
charakterystycznych parametrów napięcia zasilającego, podaje sposoby ich
wyznaczania oraz graniczne dopuszczalne odchylenia od wartości znamionowych.
Wymagania te podane są zarówno dla sieci zasilających niskiego (Un ≤ 1000 V) jak
i średniego napięcia (1000V < Un ≤ 35 kV), przy czym dla sieci niskiego napięcia
odnoszą się one do parametrów mierzonych w złączu instalacji elektrycznej. Norma
[10.1] podaje definicje i zakresy dopuszczalnych zmian następujących parametrów:
•
•
•
•
•
•
Częstotliwość napięcia zasilającego; Znamionowa częstotliwość napięcia
zasilającego powinna wynosić 50 Hz.
Wartość napięcia zasilającego, to znormalizowane napięcie skuteczne sieci
zasilającej.
Zmiany napięcia zasilającego, to zwiększenie lub zmniejszenie wartości napięcia
spowodowane zwykle zmianą całkowitego obciążenia sieci rozdzielczej lub jej
części.
Szybkie zmiany napięcia zasilającego, to zmiany wartości skutecznej napięcia
pomiędzy dwoma jego kolejnymi poziomami, które utrzymują się przez
skończony, lecz nieokreślony przedział czasu. Zmiany te są powodowane głównie
zmianami obciążenia w instalacji odbiorczej lub procesami łączeniowymi w sieci
zasilającej.
Zapady napięcia zasilającego, to zmniejszenie się wartości napięcia zasilającego
do wartości zawartej w przedziale od 90% do 1% napięcia znamionowego sieci,
po którym, w krótkim czasie następuje wzrost napięcia do poprzedniej wartości.
Umownie czas trwania zapadu napięcia wynosi od 10 ms do 1 minuty. Głębokość
zapadu napięcia definiowana jest jako różnica między minimalną wartością
skuteczą napięcia w czasie trwania zapadu a napięciem znamionowym sieci.
Zmiany napięcia zasilającego, które nie powodują obniżenia jego wartości poniżej
90 % napięcia znamionowego nie są uważane za zapady.
Przerwy w zasilaniu, to stan, w którym napięcie w złączu sieci
elektroenergetycznej jest mniejsze niż 1% napięcia znamionowego. Przerwy
w zasilaniu są sklasyfikowane jako:
- planowe, gdy odbiorcy są wcześniej poinformowani; przerwy planowe mają
na celu umożliwienie wykonania zaplanowanych prac w sieci,
- przypadkowe, spowodowane zwykle trwałymi lub przemijającymi
zwarciami, uszkodzeniami urządzeń lub zakłóceniami w ich pracy; przerwy
przypadkowe dzieli się na:
krótkie przerwy w zasilaniu, których czas trwania nie przekracza
3 minut
długie przerwy w zasilaniu których czas trwania przekracza
3 minuty.
Dorywcze przepięcia o częstotliwości sieciowej, to przepięcia o relatywnie
długim czasie trwania, występujące w określonym miejscu sieci.
Przepięcia przejściowe, to krótkotrwałe oscylacyjne lub nieoscylacyjne
przepięcia, zwykle silnie tłumione, trwające kilka milisekund lub krócej.
Niesymetria napięcia zasilającego, to w sieci trójfazowej stan, w którym wartości
skuteczne napięć fazowych lub kąty fazowe między kolejnymi fazami nie są
równe.
Uciążliwość migotania światła, to poziom dyskomfortu wzrokowego
odczuwanego przez człowieka, spowodowanego migotaniem światła. Uciążliwość
ta określana jest na drodze pomiarowej i określają ją:
- wskaźnik krótkookresowego migotania światła Pst, mierzonego przez
10 minut,
- wskaźnik długookresowego migotania światła Plt, obliczonego z sekwencji
12 kolejnych wartości Pst występujących w okresie 2 godzin, zgodnie
z zależnością:
•
•
•
•
12
Plt = 3
P
∑ 12sti
.
(10.1)
i =1
•
Harmoniczne napięcia, to napięcie sinusoidalne o częstotliwości równej
krotności częstotliwości podstawowej napięcia zasilającego. Harmoniczne
napięcia mogą być określone:
- indywidualnie, przez względną wartość amplitudy danej harmonicznej Uh
odniesionej do napięcia składowej podstawowej Un (tabela 10.1):
- łącznie, np. przez całkowity współczynnik odkształcenia harmonicznymi
THDu, obliczany z zależności:
40
∑U h2
THDu =
i=2
U1
.
(10.2)
W normie zawarta jest informacja, że ustalone wartości charakterystycznych
parametrów napięcia zasilającego dotyczą normalnych warunków pracy.
Postanowienia normy nie są stosowane m.in. w odniesieniu do:
•
•
pracy sieci po wystąpieniu zwarcia i w sytuacji tymczasowych układów zasilania
utworzonych w celu zapewnienia ciągłości zasilania odbiorców oraz w przypadku
prowadzenia prac zmierzających do zminimalizowania czasu trwania przerwy
oraz obszaru dotkniętego przerwą w zasilaniu,
w sytuacjach wyjątkowych, w szczególności takich jak:
- klęski żywiołowe i szczególnie niekorzystne warunki atmosferyczne,
- zakłócenia spowodowane przez osoby trzecie,
- działania władz publicznych,
- strajki,
- siły wyższe,
- niedobór mocy wynikający ze zdarzeń zewnętrznych.
Tab.10.1. Dopuszczalne wartości skuteczne napięcia poszczególnych harmonicznych
Uh wyrażone w procentach harmonicznej podstawowej
Nieparzyste harmoniczne Nieparzyste harmoniczne
Parzyste harmoniczne
nie będące krotnością 3
będące krotnością 3
Wartość
Wartość
Wartość
Rząd
harmoniczna
Rząd
harmoniczna
Rząd
harmoniczna
h
Uh [%]
h
Uh [%]
h
Uh [%]
Sieci
Sieć
Sieci
Sieć
Sieci
Sieć
nn i ŚN
WN i
nn i ŚN
WN i
nn i ŚN WN i
NWN
NWN
NWN
5
6
2
2
1,5
3
5
2
2
7
5
2
1
1
9
1,5
1
4
11
3,5
1,5
0,5
0,5
15
0,5
0,3
6
13
3
1,5
0,5
0,2
21
0,5
0,2
8
17
2
1
0,5
0,2
>21
0,2
10
19
1,5
1
0,5
0,2
12
0,5
0,2
23
1,5
0,7
>12
25
1,5
9,7
>25
0,2+
25
+0,5
h
Norma PN-EN 50160 podaje dopuszczalne zmiany parametrów napięcia
zasilającego mierzone w ciągu jednego tygodnia w odcinkach 10-cio minutowych
(łącznie 1008 odcinków). Dla każdego z tych odcinków określa się średnią wartość
danej wielkości. Następnie podaje się, w jakich granicach powinno się zawierać 95%
spośród zmierzonych w ciągu tygodnia 1008 odcinków. Norma nie precyzuje
natomiast w przypadku niektórych wielkości dopuszczalnych granic ich zmienności
w pozostałych 5% odcinków 10-cio minutowych. Ten sposób klasyfikacji pomiarów
nazywa się percentylem 95-cio procentowym. Podstawowe ustalenia normy [10.1]
wraz z krótkim opisem mierzonych wielkości zawarto w tabeli 10.2.
Tab. 10.2. Parametry określające jakość napięcia oraz dopuszczalne odchylenia tych
parametrów od wartości znamionowych wg PN-EN-50160 [10.1]
Lp.
Parametr
1
2
1
Częstotliwość
2
Wartość napięcia
zasilającego
3
Zmiany napięcia
zasilającego
4
Szybkie zmiany
napięcia
5
Zapady napięcia
zasilającego
(Rys. 2)
6
Krótkie przerwy w
zasilania
( do 3 minut )
Długie przerwy w
zasilaniu
(dłuższe niż 3 min.)
7
Warunki pomiaru i dopuszczalne odchylenia od
wartości znamionowej
3
Wartość średnia częstotliwości mierzona w czasie 10s
nie powinna przekraczać o więcej niż + 1%
częstotliwości znamionowej tj. ( 49,5 – 50,5 Hz )
przez 95% tygodnia oraz + 4% i -6% tj. 47 – 52 Hz
przez pozostałe 5% tygodnia
Znormalizowane napięcie znamionowe w publicznych
sieciach rozdzielczych niskiego napięcia powinno
wynosić 400/230 V
Średnia wartość skuteczna napięcia mierzona w czasie
10 min. w normalnych warunkach pracy powinna się
mieścić w przedziale + 10% napięcia znamionowego
przez 95% tygodnia
Szybkie zmiany napięcia w normalnych warunkach
pracy nie powinny przekraczać 5% UN oraz dopuszcza
się, aby w pewnych okolicznościach zmiany te
osiągnęły kilka razy w ciągu dnia wartość do 10% UN
W normalnych warunkach pracy zapady napięcia
przekraczające 10% UN mogą występować od
kilkudziesięciu do tysiąca razy w roku; większość
zapadów charakteryzuje się czasem trwania krótszym
niż 1s i głębokością mniejszą niż 60%
W normalnych warunkach pracy liczba krótkich
przerw w zasilaniu może wynosić od kilkudziesięciu
do kilkuset w ciągu roku; czasy trwania krótkich
przerw w zasilaniu przeważnie nie przekraczają 1s
W normalnych warunkach pracy liczba przerw w
zasilaniu trwających dłużej niż 3 min. może
dochodzić do 50 w ciągu roku; nie dotyczy to
wyłączeń planowych
1
2
8
Przepięcia dorywcze
o częstotliwości
sieciowej
9
10
11
3
Niektóre uszkodzenia po stronie pierwotnej
transformatora, głównie zwarcia, mogą powodować
przepięcia po stronie niskiego napięcia, nie
przekraczające z reguły 1500 V. W przypadkach
doziemień w sieciach niskiego napięcia, na skutek
przesunięcia punktu neutralnego, napięcia faz
nieuszkodzonych względem przewodu neutralnego
mogą osiągać do 3 razy wyższe wartości
Przepięcia przejściowe są powodowane przez
wyładowania atmosferyczne lub czynności
łączeniowe, w tym działaniem bezpieczników; w
sieciach niskiego napięcia właściwie chronionych,
przepięcia z reguły nie przekraczają 6 kV
Średnie wartości skuteczne składowej symetrycznej
przeciwnej mierzone w czasie 10 min., w normalnych
warunkach pracy, w okresie każdego tygodnia, w 95%
Niesymetria napięcia pomiarów nie powinny przekraczać 2% składowej
zasilającego
zgodnej; w instalacjach odbiorców zasilanych
jednofazowo lub międzyfazowo dopuszcza się
niesymetrię w sieci trójfazowej do 3%
Harmoniczne napięcia Średnie wartości skuteczne poszczególnych
zasilającego
harmonicznych mierzone w czasie 10 min., w
normalnych warunkach pracy, w okresie każdego
tygodnia, w 95% pomiarów nie powinny przekraczać
wartości podanych w tabeli 2.
Ponadto współczynnik THDu (10.2) napięcia
zasilającego, uwzględniający harmoniczne do 40
rzędu nie powinien przekraczać 8 %
Przepięcia
przejściowe o krótkim
czasie trwania,
oscylacyjne lub
nieoscylacyjne
Niektóre typowe zakłócenia napięcia zasilającego zilustrowano na rys. 10.1.
Wyniki pomiarów parametrów napięcia zasilającego uzyskane w kolejnych odcinkach
10-cio minutowych służą do sporządzenia tzw. wykresu uporządkowanego, czyli
diagramu, na którym zaznacza się kolejne wyniki pomiarów porządkując odcinki
czasu według wartości średniej zmierzonego odchylenia danego parametru: od
największej do najmniejszej wartości. (rys. 10.2). Na osi odciętych tego diagramu
znajduje się 1008 odcinków pomiarowych z całego tygodnia. Oś odciętych rozdziela
się na dwa zakresy: pierwszy, obejmujący 5% odcinków pomiarowych o najwyższych
odchyleniach badanej wielkości, oraz drugi, obejmujący pozostałe 95% odcinków
pomiarowych, w których wartości badanej wielkości powinny zawierać się
w granicach tolerancji określonych w tabeli 10.2. Wykresy uporządkowane stanowią
podstawę do oceny danego parametru napięcia w myśl normy [10.1].
zakres dopuszczalnych zmian napiecia
zasilajacego, 95% spośród 10-cio
minutowych próbek tygodniowego pomiaru
U
1,1 UA
UA
0,9 UA
Un
t
krótka
przerwa w
zasilaniu
∆t < 3 min
zapad napięcia, ∆t > 10 ms
Rys. 10.1. Ilustracja typowych zakłóceń napięcia zasilającego w myśl normy [10.1]; UN – napięcie
znamionowe – wartość skuteczna, UA –amplituda napięcia znamionowego.
8
%
7
6
THDU
5
1
4
2
3
2
3
1
5% t
0
50 100
200
300
400
500
600
700
800
t
900
1000
[x 10 min]
Rys. 10.2. Przykładowy wykres uporządkowany pomiarów współczynnika odkształcenia napięcia
THDU w różnych punktach (1, 2, 3) zasilania.
Niedostateczne parametry napięcia zasilającego mają istotny wpływ na poprawną
pracę odbiorników energii elektrycznej. W szczególności dotyczy to elektrycznych
źródeł światła, silników elektrycznych oraz kondensatorów do kompensacji mocy
biernej [10.2, 10.3, 10.4, 10.5].
10.3. Niezbędne przygotowanie studenta
Studentów obowiązuje znajomość materiału dotyczącego oceny jakości
napięcia zasilającego w myśl normy [10.1].
10.4. Opis stanowiska laboratoryjnego
W skład stanowiska pomiarowego wchodzą:
- jednofazowy analizator parametrów napięcia typu FLUKE 43,
- zestaw komputerowy wraz z oprogramowaniem Fluke
umożliwiającym obsługę przyrządu pomiarowego,
- trójfazowy silnik indukcyjny.
View
1.0
Rys.10.3. Wygląd okna ekranowego przyrządu FLUKE 43 z listą opcji pomiarowych.
Przyrząd FLUKE 43 jest przyrządem umożliwiającym pomiary i rejestrację
następujących parametrów energii elektrycznej (rys. 10.3):
- wartości skutecznych napięcia i prądu,
- częstotliwości,
- harmonicznych napięcia zasilającego i prądu (do rzędu 51 ),
- współczynnika odkształcenia THD napięcia i prądu ( względem całkowitej
wartości skutecznej lub harmonicznej podstawowej ),
- szybkich zmian napięcia ( SAGS & SWELLS ),
- wykrywanie zdarzeń i rejestracja przebiegów nieustalonych ( TRANSIENTS ),
Dodatkowo przyrząd posiada funkcje:
- pomiaru wartości mocy czynnej, biernej i pozornej oraz współczynnika mocy,
- rejestracji przebiegów prądów rozruchowych silników,
- pomiaru rezystancji i pojemności,
- pomiaru temperatury,
- dwukanałowego oscyloskopu.
Rys.10.4.
Sposób
połączenia
przyrządu
FLUKE
43
w
wybranym
punkcie
instalacji
10.5.Program ćwiczenia.
1. Wykonać pomiary wybranych, wskazanych przez prowadzącego, parametrów
napięcia zasilającego w wybranych punktach instalacji laboratorium:
- w rozdzielnicy głównej,
- na zaciskach wybranych stanowisk laboratoryjnych,
- na zaciskach trójfazowego silnika indukcyjnego.
Ze względu na stosunkowo krótki czas trwania ćwiczenia (ok. 90 minut) pomiary
danego parametru napięcia zasilającego powinny być wykonane jedynie w kilku
bądź kilkunastu bezpośrednio po sobie następujących odcinkach czasu, najlepiej
czterominutowych.
2. Dla wykonanych pomiarów sporządzić wykresy uporządkowane analizowanych
parametrów i dokonać oceny ich zgodności z ustaleniami normy [10.1].
Pomiary na zaciskach
laboratoryjnych.
rozdzielnicy
głównej
lub
wybranych
stanowisk
Dokonać kilku bądź kilkunastu czterominutowych rejestracji wskazanych
przez prowadzącego parametrów napięcia zasilającego, w szczególności:
- zmian i zapadów napięcia,
- całkowitego współczynnika zawartości wyższych harmonicznych THDU,
- procentowej zawartości wybranych harmonicznych.
Pomiary na stanowisku należy wykonać bez jego obciążenia i podczas obciążenia
stanowiska wskazanymi przez prowadzącego odbiornikami. Pomiary zmian napięcia
zasilającego oraz zawartości wyższych harmonicznych należy dokonać przyrządem
FLUKE 43 w opisany niżej sposób. Do rejestracji pomiarów należy wykorzystać
program komputerowy Fluke View 1.0.
a)
-
Przebieg zmian wartości skutecznej napięcia zasilającego:
otworzyć Menu i wybrać opcję SAGS & SWELLS,
ustawić czas rejestracji - 4 minuty,
po zakończeniu rejestracji, zapisać w pamięci przyrządu obraz ekranu
(przycisk SAVE ),
dokonać kilku następnych identycznych pomiarów.
Rys. 10.5. Sposób prezentacji wyników pomiaru wartości współczynnika THD% (1) oraz wartości
wyższych harmonicznych (2) w napięciu zasilającym na ekranie przyrządu FLUKE 43.
b) Zawartość wyższych harmonicznych w przebiegu napięcia zasilającego:
- otworzyć Menu i wybrać opcję HARMONICS; ustawić względem jakiego napięcia
(wartość skuteczna napięcia zasilającego, bądź wartość skuteczna pierwszej
harmonicznej), ma być określony współczynnik THDU,
- odczytać wartości współczynnika THD%f (1, rys. 10.5) oraz wartości określonych
przez prowadzącego harmonicznych (2, rys. 10.5) w napięciu zasilającym;
Pomiary na stanowisku laboratoryjnym z trójfazowym silnikiem indukcyjnym.
Należy wyznaczyć następujące parametry jakości energii elektrycznej na zaciskach
silnika trójfazowego:
c)
-
Współczynnik niesymetrii napięcia zasilającego:
podłączyć przyrząd na stanowisku wg rys.10.4.
otworzyć Menu przyrządu i wybrać funkcję VOLTS/AMPS/HERTZ,
zmierzyć wartości skutecznych napięcia międzyprzewodowego (U12, U23, U31),
obliczyć średnią wartość zgodnie ze wzorem
U sr =
-
U 12 + U 23 + U 31
3
(10.3)
obliczyć wartość odchylenia od wartości średniej i wybrać wartość największą:
∆U 12 = U 12 − U sr
∆U 23 = U 23 − U sr
∆U max = max{ ∆U 12 , ∆U 23 , ∆U 31 }
→
(10.4)
∆U 31 = U 31 − U sr
-
obliczyć współczynnik niesymetrii z zależności:
n=
∆U max
* 100%
∆U sr
(10.5)
Dokonać pomiaru zmian napięcia oraz zawartości wyższych harmonicznych
w napięciu i w prądzie wybranej fazy w sposób opisany wyżej w punktach a) i b).
10.5. Sposób opracowania wyników badań
Zarejestrowane przebiegi zmian wartości skutecznej napięcia oraz współczynnika
odkształcenia THD zapisać w formacie ASCII. Na podstawie uzyskanych wyników
przy pomocy arkusza kalkulacyjnego Excel można np. sporządzić wykresy
uporządkowane (rys.10.5c) lub poddać wyniki obróbce statystycznej. Otrzymane
wyniki porównać z wartościami dopuszczalnymi. W sprawozdaniu zamieścić:
zarejestrowane wykresy zmian napięcia, wykresy uporządkowane oraz wydruki
obrazów z ekranu przyrządu pomiarowego (rys.10.5a,b).
a)
b)
c)
Średnie, 10-minutowe wartości
skuteczne napięcia U [ V ]
221
220,8
220,6
220,4
220,2
220
219,8
219,6
0
20
40
60
80
100
Czas trwania pomiaru [ % ]
Rys. 10.5. Przykład rejestracji zmian wartości skutecznej napięcia w instalacji budynku szkolnego
w okresie 1 godziny:
a) wygląd ekranu jednofazowego analizatora sieci typu FLUKE 43,
b) wykres zarejestrowany przy pomocy programu komputerowego FlukeView 1.0,
c) uporządkowany wykres zbioru 10-minutowych, średnich wartości skutecznych napięcia.
10.7. Literatura
[10.1] PN-EN 50160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach
rozdzielczych. PKN, 1998.
[10.2] Markiewicz H. : Urządzenia elektroenergetyczne, WNT Warszawa 2001 r.
[10.3] Markiewicz H.: Niezawodność dostawy i jakość energii elektrycznej jako
kryteria wyznaczające sposoby zasilania odbiorców i wykonania instalacji
elektrycznych, Opracowanie nr 19/11/2002, Polskie Centrum Promocji Miedzi,
Wrocław 2002.
[10.4] Sozański J.: Niezawodność i jakość pracy systemu elektroenergetycznego, WNT
Warszawa 1990 r.
[10.5] Teresiak Z.: Elektroenergetyka zakładów przemysłowych , Wrocław 1981 r.