542ebook Pl

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