Jakość energii elektrycznej w obiekcie przemysłowym

W artykule przedstawiono wyniki pomiarów parametrów napięcia zasilającego w instalacji elektrycznej zakładu przemysłowego wyposażonego w dużą liczbę odbiorników nieliniowych. W czasie pracy wymienionych urządzeń rejestrowano miernikiem parametrów sieci niewielkie zmiany napięcia zasilającego w zakresie –2,3%÷3,1%U_N (kwantyl 95% wartości średnich) o zawartości harmonicznych THD nieprzekraczającej 7%. Rejestrowano krótkotrwałe wzrosty THD nawet do 12% obliczane w kolejnych 160 ms okresach. Wysoki poziom harmonicznych w napięciu zasilającym powodowały urządzenia elektryczne pobierające prądy odkształcone zawierające duże wartości 5. i 7. harmonicznej, powodujące m.in. uszkodzenie kondensatorów w baterii do poprawy współczynnika mocy cosφ.

Powszechnie stosowane układy elektroniczne w sterowaniu urządzeń produkcyjnych i przesyłaniu danych w obiektach przemysłowych są wrażliwe na przepięcia i zapady napięcia zasilającego. Przy wymienionych zaburzeniach w instalacji elektrycznej układy sterujące mogą powodować niepoprawną pracę części silnoprądowej urządzeń (przekształtniki napięcia, napędy silników, spawarki elektryczne itp.), prowadzącą do utraty kontroli nad właściwym przebiegiem poszczególnych etapów procesu produkcyjnego [1]. Zapewnienie przez spółkę dystrybucyjną energii elektrycznej odpowiedniej jakości energii zgodnie z rozporządzeniem [2] i normą [3] zasadniczo dotyczy częstotliwości, czasu długotrwałych przerw w zasilaniu, poziomu napięcia i jego kształtu w przyłączu zakładu przemysłowego. Natomiast w obiekcie przemysłowym obowiązują już wymagania podane w normie [4], w zależności od klasy stosowanych urządzeń. Norma określa, podobnie jak dla sieci publicznych, szereg wymagań w zakresie poziomu napięć, składowych harmonicznych napięcia, zapadów, krótkotrwałych przerw w zasilaniu, podając jednoznaczne dla prawidłowej eksploatacji odbiorników energii elektrycznej wartości odniesienia. 

Należy nadmienić, że często sam odbiorca wprowadza niewłaściwą jakość energii wskutek korzystania z dużej liczby odbiorników o charakterze nieliniowym lub eksploatacji nieprawidłowo zaprojektowanej instalacji (np. niewłaściwy dobór przekrojów i zabezpieczeń). Występują wówczas znaczne odkształcenia napięcia w sieci oraz przypadkowe wyłączenia utrudniające prawidłową eksploatację urządzeń.

W normie [4] podano poziomy kompatybilności dla następujących zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości w sieciach zakładów przemysłowych:

• zmiana napięcia,
• zapad napięcia,
• krótkotrwała przerwa w zasilaniu,
• niesymetria napięcia,
• odchylenie częstotliwości,
• harmoniczne i interharmoniczne napięcia.

Dopuszczalne wartości zaburzeń uzależniono od klas środowiska elektromagnetycznego, w których eksploatowane są urządzenia odbiorcze (tab. 1). Klasa 1. dotyczy urządzeń wrażliwych na jakość energii elektrycznej, takich jak oprzyrządowanie laboratoriów technologicznych, urządzenia automatyki i zabezpieczeń, niektóre komputery, przyłączanych w miejscach, w których zapewniono dodatkową ochronę przed zaburzeniami. Poziomy kompatybilności w tej klasie są niższe w porównaniu z siecią publiczną [3]. Klasa 2. dotyczy zasadniczo wewnętrznych miejsc przyłączenia urządzeń w instalacji obiektu przemysłowego oraz wspólnych miejsc połączenia z siecią publiczną. Poziomy kompatybilności tej klasy są podobne jak dla sieci publicznych, podane w wymaganiach normy [3] i rozporządzeniu [2].

Dla urządzeń przyłączonych w środowisku przemysłowym wydzielono dodatkową klasę 3. o wyższych poziomach kompatybilności dla niektórych zaburzeń podanych w klasie 2. Klasę tę należy przyjąć w przypadku eksploatacji odbiorników zasilanych z przekształtników, urządzeń spawalniczych, urządzeń o znacznych wahaniach pobieranej mocy.

Poziomy dopuszczalnych zaburzeń w obiekcie przemysłowym

Graficzną prezentację zaburzeń w układzie współrzędnych czas zaburzenia – amplituda napięcia zgodnie z normą [3] pokazano na rys. 1. Zmiany napięcia obliczone jako średnia ze zbioru wartości skutecznych kolejnych 20 ms okresów (przy f_n=50 Hz) w 10-minutowym czasie uśredniania nie powinny wg normy [3] przekraczać –15%÷10% w stosunku do napięcia znamionowego. Dla wartości znormalizowanej napięcia zasilającego publicznych sieci niskiego napięcia (nn) U_n = 230 V [3] poziom dopuszczalny powinien mieścić się w zakresie 207÷253 V dla 95% otrzymanych wyników za okresy 10-minutowe. Wartości napięcia powyżej 1,1 U_n norma [3] określa przepięciem krótkotrwałym (czas trwania do kilku ms) lub dorywczym o częstotliwości sieciowej. Poziom napięcia w zakresie 0,01 ÷ 0,9 U_n zdefiniowano jako zapad napięcia. Niższe wartości napięcia traktowane są jako krótkie (do 3 minut) lub długie (powyżej 3 minut) przerwy w zasilaniu. Przepisy [3] wymagają, aby ilość krótkich przerw w zasilaniu (do 3 minut) nie przekraczała wielkości kilkudziesięciu÷kilkuset/rok, przy czym 70% z nich powinno trwać krócej niż 1 sekunda, natomiast ilość długich przerw w zasilaniu (ponad 3 minuty) nie powinna przekraczać 10÷50/rok. Inne wymagania podaje norma [4] obowiązująca dla zakładu przemysłowego. W klasie 2., odpowiadającej wymaganiom dla publicznych sieci rozdzielczych, nie podaje się wymagań co do przerw w zasilaniu, a czas trwania zapadów nie powinien przekraczać 3 sekund.

Natomiast wymagania przepisów [2] i zaleceń norm [3, 4] na poziom częstotliwości, asymetrię napięcia, współczynnik odkształcenia napięcia, zawartość poszczególnych składowych harmonicznych są podobne (tabela 1). Wszystkie dopuszczalne wartości nie mogą być przekroczone przez 95% wartości średnich obliczanych za okresy 10-minutowe.

Rysunek 1. Klasyfikacja zaburzeń ze względu na wartość skuteczną napięcia U_sk i czas trwania t 

Podane w tabeli dopuszczalne poziomy składowych harmonicznych napięcia dotyczą stanów ustalonych, które podano w normie dla harmonicznych o rzędach 2 ÷ 40. Do harmonicznych przejściowych odnosi się tylko norma [4], która dopuszcza wartości 1,5 raza większe podczas okresu uśredniania danych pomiarowych krótszego niż 15 sekund.

Norma [4] nie podaje informacji dotyczących poziomu przepięć w instalacji obiektu przemysłowego, który zgodnie z zaleceniami [5] nie powinien przekraczać 4 kV dla urządzeń przemysłowych podłączonych na stałe (kategoria III), a 2,5 kV dla urządzeń przenośnych kategorii II. W przypadku poprawnie zaprojektowanej i wykonanej instalacji przepięciowej przepięcia można obniżyć do poziomu 2,5 kV w części rozdzielczej i 1,5 kV dla punktów końcowych instalacji. Współpraca falowników z silnikami powoduje narażenia przepięciowe związane z przełączaniem elementów energoelektronicznych, powtarzające się w krótkich odstępach czasu, które mogą, mimo ograniczania do poziomu wymaganego przez normę, prowadzić do przyspieszonego starzenia izolacji [6]. 

Tabela 1. Dopuszczalne zaburzenia napięcia zasilającego w obiekcie przemysłowym (podano tylko wymagania dla składowych harmonicznych rzędów 1÷10) 

Przykładowe wyniki pomiarów jakości napięcia zasilającego

Do kontroli parametrów energii elektrycznej, szczególnie w systemach bezprzerwowego zasilania urządzeń przetwarzających dane, wykorzystuje się w wybranych punktach instalacji różnego rodzaju przyrządy pomiarowe, np. rejestratory parametrów sieci pozwalające na wykrywanie zakłóceń o czasach rzędu kilkudziesięciu mikrosekund i oscyloskopy cyfrowe, w których rejestrowane przebiegi mogą być nawet na poziomie pojedynczych ns.

Badania parametrów napięcia w zakładzie przemysłowym wyposażonym w dużą liczbę odbiorników nieliniowych przeprowadzono w głównej rozdzielni zakładu na zaciskach nn transformatora zasilającego o parametrach: 15,75/0,4 kV, S=1000 kVA, I_n=1450 A, układ połączeń Dyn5. Do rejestracji parametrów technicznych charakteryzujących jakość energii elektrycznej zgodnie z [3] użyto analizatora jakości energii typu 2292 firmy METREL, próbkującego rejestrowane napięcia w trybie standardowym, to znaczy w przypadku pomiarów jakości energii z częstotliwością 6400 Hz. Program komputerowy PWRlink współpracujący z przyrządem umożliwia analizę zebranych danych pomiarowych w celu wykonania stosownych analiz statystycznych, wg wymagań [3]:

• częstotliwości napięcia – rejestrowano wartość maksymalną, minimalną i średnią z zebranych próbek za okresy 10-minutowe,
• poziomu napięcia, czyli wartości średnich, maksymalnych i minimalnych wyznaczonych ze zbioru napięć skutecznych kolejnych okresów w czasie 10 minut,
• całkowitego współczynnika harmonicznych napięcia THD_U i prądu THD_I wyliczanego w kolejnych 8 okresach (160 ms) napięcia zasilającego i prądu obciążenia, z zebranych przez 10-minutowy czas analizy próbek przyrząd wyznaczał wartość maksymalną i średnią całkowitego współczynnika zawartości harmonicznych,
• wartości poszczególnych harmonicznych tj. 3., 5., 7., 9., 11., 13. napięcia zasilającego i prądu obciążenia, z zebranych przez 10 minut próbek przyrząd wyznaczał wartość maksymalną dla poszczególnych wymienionych powyżej harmonicznych.

Otrzymane wyniki pomiarów porównywano z parametrami dopuszczalnymi zaburzeń dla klasy 2., podanymi w normie [4] i zestawionymi w tabeli 1. Wybór klasy 2. środowiska elektromagnetycznego wynika z braku wydzielonego zasilania odrębnymi transformatorami odbiorników niespokojnych w zakładzie. Na podstawie zebranych informacji próbowano ustalić przyczynę uszkodzenia kondensatorów w baterii do poprawy współczynnika mocy cosφ.

Częstotliwość napięcia zasilającego

Częstotliwość napięcia zasilającego zakład nie wykraczała poza zakres 50 Hz ± 0,1 Hz w całym okresie rejestracji. Normy [3, 4] zalecają dopuszczalny zakres zmian 49,5 ÷ 50,5 Hz przez 95% dni w roku oraz 47 ÷ 52 Hz przez cały czas. Rejestrowane zmiany mieszczą się w dopuszczalnym zakresie, a przykład zmian częstotliwości napięcia pokazano na rys. 2.

Rysunek 2. Poziomy zarejestrowanych częstotliwości napięcia zasilającego, U1 Min, Avg, Max, odpowiednio minimalna, średnia i maksymalna częstotliwość wyznaczona na podstawie kolejnych okresów napięcia w czasie 10 minut

Napięcie fazowe

W tabeli 2 zestawiono zbiorcze porównanie 95% kwantyli średnich i maksymalnych napięć skutecznych w poszczególnych fazach obliczonych za okresy 10-minutowe. W trakcie pomiarów nie zanotowano zmian poziomu napięcia zasilającego ponad wartości dopuszczalne, zawierające się zgodnie z wymaganiami normy [4] w zakresie 207 ÷ 253 V.

Wartości skuteczne napięcia wyznaczone za kolejne okresy 20 ms zawierają się w zakresie 202 ÷ 241 V (rys. 3, 4). Różnica napięć pomiędzy poszczególnymi fazami jest rzędu pojedynczych woltów. Zmniejszenie napięcia do 202 V w fazie L1 wystąpiło tylko raz w ciągu tygodnia i nie było poprzedzone nagłymi zmianami napięcia. Podane w tabeli 95% kwantyle wartości maksymalnych i średnich zawierają się w dopuszczalnym dla wartości średnich zakresie 230 V ±10%. Zmiany napięcia mające miejsce w fazach L1, L2, L3 w zakresie 202 ÷ 241 V mogą wynikać z różnic rezystancji połączeń układu szyn zasilających lub nierównomierności obciążenia poszczególnych faz. Na przykładowym przebiegu zmian wartości maksymalnych średnich i minimalnych napięcia fazy L1 w ciągu tygodnia można zaobserwować periodyczne zmiany wynikające z pracy zakładu w godzinach od 6⁰⁰ do 18⁰⁰. Około godziny 13⁰⁰ występuje najniższy poziom napięcia zasilającego w sieci, przy największych wahaniach napięcia związanymi z różnicą pomiędzy wartościami maksymalnymi i minimalnymi rejestrowanymi w cyklu 10-minutowym. Asymetria napięcia nie przekracza wartości 1% i jest zgodna z wymaganiami [4], która dopuszcza poziom 2%.

Rysunek 3. Wartości skuteczne napięć fazowych w tygodniowym okresie pomiarowym, U1 Min, Avg, Max, odpowiednio minimalna, średnia i maksymalna wartość skuteczna napięcia fazy L1 obliczona na podstawie kolejnych okresów napięcia w czasie 10 minut, THDU1 – średni współczynnik zawartości harmonicznych napięcia obliczony na podstawie kolejnych 8 okresów (160 ms)

Współczynnik migotania światła

Oprócz powolnych zmian napięcia zasilającego norma podaje dopuszczalne szybkie wahania napięcia, które nie powinny przekraczać ustalonych wartości zgodnie z krzywą migotania światła. Zmiany te określa długookresowy współczynnik migotania światła P_lt, którego wartość powinna spełniać warunek P_lt<1 w 95% analizowanego okresu.

Harmoniczne napięcia

Przykładowy wykres współczynnika zawartości harmonicznych THDU w fazie L1 pokazany na rys. 3 i 4 wskazuje na niewielką ilość harmonicznych napięcia za wyjątkiem składowej piątej i siódmej. 

 Rysunek 4. Wartości skuteczne napięć fazowych w okresie 2-dniowym, U1 Min, Avg, Max, odpowiednio minimalna, średnia i maksymalna wartość skuteczna napięcia fazy L1, obliczona na  podstawie kolejnych okresów napięcia w czasie 10 minut, THDU1 – średni współczynnik zawartości harmonicznych napięcia, obliczony na podstawie kolejnych 160 ms

Poziom THD nie przekracza 7%, poza kilkoma krótkotrwałymi wzrostami do poziomu 11%, mającymi miejsce w fazach L2 i L3. Szczegółowa analiza poszczególnych harmonicznych wskazuje na dominujący udział składowych 5. i 7., przy czym ich poziom nie przekracza odpowiednio 3% i 6%. Harmoniczne parzyste nie występują, a pozostałe nieparzyste, oprócz 5., 7., 11., nie przekraczają 1%. W większości przypadków otrzymane wartości są zgodne z wymaganiami normy [4] zestawionymi w tabeli 1. Przekroczenie 5% poziomu granicznego 7. harmonicznej może być źródłem uszkadzania baterii kondensatorów, tym bardziej że dla pozostałych 5% próbek pomiarowych występuje przekroczenie 8% progu wartości THD w napięciu zasilającym. W czasie pomiarów stwierdzono występowanie wartości maksymalnych 7. harmonicznej napięcia nawet do 10%, co pokazano w tablicy 3 i na rys. 6. Według rys. 5 prąd 7. harmonicznej baterii kondensatorów osiąga poziom około 300 A. Duże odkształcenia napięcia powodują przepływ znacznych prądów 7. harmonicznej przez baterię kondensatorów, ich nadmierne nagrzewanie i w konsekwencji mogą być przyczyną zmiany kształtu, aż do rozerwania obudowy włącznie. Odkształcenia napięcia wymuszają również znaczne poziomy składowych harmonicznych w prądzie zasilającym, co może powodować nadmierne nagrzewanie transformatora i dalsze odkształcanie krzywej napięcia zasilającego.  

Rysunek 5. Siódma harmoniczna napięcia U1 h7 Avg (wartość średnia) przekracza wg [3, 4] dopuszczalny poziom 5%, I1 h7  – wartości maksymalne prądu 7. harmonicznej 

Tabela 2. Kwantyle 95% wartości średnich i maksymalnych ze  zbioru napięć skutecznych rejestrowanych w kolejnych okresach 10-minutowych (największe wartości wyróżniono kolorem czerwonym)

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono w instalacji elektrycznej zakładu przemysłowego parametry jakościowe napięcia zasilającego zgodne z wymaganiami normy [4]. Obserwowano uśrednione wahania napięcia zasilającego w zakresie 224 ÷ 237 V (pomiar w okresie 20 ms 202 ÷ 241 V), które pozostają w zgodzie z wymaganiami normy odnośnie poziomu napięcia zasilającego. Nie stwierdzono odchyleń częstotliwości poza wartości dopuszczalne.

Liczne odbiorniki o charakterze nieliniowym, umieszczone na hali produkcyjnej i pobierające znaczne prądy odkształcone, powodują, że w czasie pracy zakładu zawartość harmonicznych w napięciu zasilającym dochodzi nawet do 11% w stanach przejściowych i 7% w stanie ustalonym. Poza godzinami pracy zakładu współczynnik zawartości THD (godziny 1800 – 600) jest rzędu 3%.

Obserwowany wysoki poziom 7. harmonicznej napięcia zasilającego wymuszał krytyczny poziom prądu 7. harmonicznej w baterii kondensatorów, który może być przyczyną przegrzewania izolacji kondensatorowej i odkształcania obudów.

^Bibliografia

^{[1] Z. Hanzelka, Zapady napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu, Konferencja Automatyka, Pomiary, Zakłócenia. Jurata, 19–21 maja 2005. Gdańsk: INFOTECH, 2005[2] Rozporządzenie ministra gospodarki i pracy z 20.12.2004 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci, Dz. U. Nr 2, poz. 5 i 6, 2005[3] PN – EN 50160: 2002, Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych[4] PN-EN 61000-2-4:2003 (U), Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – część 2–4: Środowisko – Poziomy kompatybilności dotyczące zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości w sieciach zakładów przemysłowych [5] PN-EN 60664-1:2006, Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych w układach niskiego napięcia – część 1: Zasady, wymagania i badania[6] B. Górnicka, L. Górecki, Badanie wpływu narażeń pochodzących od przekształtników na trwałość izolacji międzyzwojowej, Przegląd Elektrotechniczny, nr 3, 2001}UR

Marek Olesz pracuje na Politechnice Gdańskiej na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki

Autor:

Marek Olesz