Politechnika Radomska im. Kazimierza Pułaskiego

Wydział Transportu

Zakład Elektrotechniki i Energetyki

ul. Malczewskiego 29

tel.: 3617767                                         

LABORATORIUM
JAKOŚCI I UŻYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Pomiar parametrów jakości energii elektrycznej

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1.     Wprowadzenie

Problem jakości energii elektrycznej występuje w różnych krajach i badania nad nim są inicjowane i koordynowane przez organizacje międzynarodowe – IEC, CIGRE, UIE i in. Prowadzone badania dotyczą: wytwarzania zaburzeń, określania ich szkodliwego wpływu na pracę innych odbiorników i określenie wartości dopuszczalnych, określenie zasad przyłączenia do sieci tzw. odbiorników niespokojnych (wytwarzających zaburzenia), metod pomiarowych umożliwiających kontrolę oraz sposobów ograniczania nadmiernych zaburzeń.

Jakość energii elektrycznej można rozumieć jako spełnianie odpowiednich jej parametrów, cech, wskaźników, poziomów pod kątem zapewnienia prawidłowej pracy odbiorników korzystających z tejże energii. Pojęcie jakości związane jest z zagadnieniami kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) definiowanej jako zdolność urządzenia lub systemu do zadowalającego działania w określonym środowisku elektromagnetycznym,
a zarazem bez wprowadzania do tego środowiska niedopuszczalnych zaburzeń elektromagnetycznych.

W  ukazujących się pracach kładziony jest nacisk, by traktować energię jako towar lub produkt, do którego należy stosować takie same, jak dla innych produktów rynkowych kryteria techniczno-ekonomiczne.  Pociąga to jednak za sobą pewne konsekwencje dla producentów, dostawców i użytkowników energii elektrycznej. Producenci i dostawcy powinni zapewniać produkt o odpowiednich parametrach technicznych (określanych przez normy i rozporządzenia), a odbiorcy  ograniczać, na ile jest to możliwe, niekorzystny wpływ zainstalowanych u siebie odbiorników. Brak odpowiedniej koordynacji prac pomiędzy energetyką zawodową a dużymi odbiorcami, mającymi wpływ na jakość niektórych parametrów energii elektrycznej, jest jedną z przyczyn braku odpowiednich i dostatecznie jasnych uregulowań prawnych.

W połowie 1994 roku w Europie Zachodniej zaczęła obowiązywać norma, znana jako EN 50160, która definiuje ograniczenia, wartości i dopuszczalne limity parametrów jakości napięcia. Od 1998 roku  norma ta jest wdrażana w Polsce, jej celem jest wprowadzenie do przepisów krajowych parametrów napięcia zasilającego w złączach publicznych sieci rozdzielczych średniego i niskiego napięcia  stosowanych w krajach Unii Europejskiej. Stwarza to podstawy do roszczeń i przyznaje pewne prawa konsumentom w przypadku złych parametrów i wskaźników energii dostarczanej przez dostawcę, co oznacza, iż jakość dostarczanego napięcia staje się jak najbardziej wartością wymierną. Norma ta ma jednak pewne ograniczenia tzn. zapisy w niej zawarte dotyczą wartości mierzonych w punkcie dostawy, w normalnych warunkach pracy sieci. Oprócz tego w normie istnieje zapis mówiący o tym, iż może być ona zastąpiona częściowo lub w całości przez odrębną umowę zawartą pomiędzy dostawcą a odbiorcą energii elektrycznej. Dotyczyć to może w szczególności odbiorców wprowadzających silne zaburzenia do sieci, które mogą mieć wpływ na innych użytkowników.

Inną rangę, jako aktu wykonawczego do ustawy „Prawo energetyczne” posiada Rozporządzenie Ministra Gospodarki z 25.09.2000r, które określa standardy jakościowe obsługi odbiorców. Nakłada ono na przedsiębiorstwo sieciowe i operatora systemu obowiązek dotrzymywania parametrów jakości zasilania, określonych w przepisach lub sprecyzowanych w umowie o sprzedaży energii elektrycznej. Prezes Urzędu Regulacji Energetyki jest zobowiązany do kontroli parametrów jakościowych energii elektrycznej dostarczanej do odbiorców. Niedotrzymanie parametrów jakościowych  wiązać się może z odpowiedzialnością finansową przedsiębiorstwa sieciowego oraz ze stosowaniem upustów finansowych w stosunku do odbiorcy.

2. Akty prawne dotyczące jakości energii

2.1. Prawo energetyczne

Zmieniająca się sytuacja gospodarcza w Polsce doprowadziła do zmiany aktów prawnych, dotyczących jakości energii elektrycznej. Chodzi przede wszystkim o ustawę Prawo Energetyczne i wydane w ramach tego Prawa Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 25 września 2000 roku w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, obrotu energią elektryczną, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców.

Ustawa Prawo Energetyczne, jest nowym narzędziem regulującym na poziomie państwowym funkcje różnych podmiotów gospodarczych ich wzajemne powiązania oraz zasady finansowych rozliczeń.

W ustawie pojawiło się sformułowanie, że przedsiębiorstwa energetyczne zajmujące się przesyłaniem i dystrybucją paliw lub energii mają obowiązek zapewniać wszystkim podmiotom świadczenie usług polegających na przesyłaniu paliw lub energii wydobywanych lub wytwarzanych w kraju, z uwzględnieniem warunków technicznych i ekonomicznych, na warunkach uzgodnionych przez strony w drodze umowy.

Poza tym do kontrolowania parametrów jakościowych dostaw i obsługi odbiorców w zakresie obrotu paliwami gazowymi i energią elektryczną, zobowiązany jest Prezes Urzędu Regulacji Energetyki.

Prawo Energetyczne funkcjonuje wraz z całym szeregiem dokumentów wykonawczych – przedmiotowych rozporządzeń. Ich celem jest między innymi stworzenie podstaw prawnych gwarantujących: zapewnienie właściwych parametrów jakości energii elektrycznej odbiorcom finalnym, zasilanym z sieci dostawcy, ochronę sieci dostawcy przed nadmiernym, negatywnym oddziaływaniem na nią odbiorników, zainstalowanych u odbiorców, oraz określenie wymagań w zakresie ciągłości dostawy energii elektrycznej.

2.2. Polska Norma PN-EN 50160

Przedmiotem normy jest opis parametrów napięcia zasilającego dotyczących:

-    częstotliwości,

-    wartości,

-    kształtu przebiegu czasowego,

-    symetrii napięć trójfazowych.

Parametry te podlegają zmianom podczas normalnej pracy sieci na skutek zmian mocy obciążenia, zaburzeń powodowanych przez niektóre urządzenia i zwarć powodowanych głównie przez zdarzenia zewnętrzne.

Energia elektryczna w formie dostarczonej odbiorcom ma kilka zmiennych parametrów, które określają jej użyteczność. Z punktu widzenia jej użytkowania pożądane jest, aby napięcie zasilające zmieniało się ze stałą częstotliwością, miało sinusoidalny kształt przebiegu czasowego i stałą wartość. W praktyce istnieje wiele czynników, powodujących odstępstwa od tak określonych wskaźników. W odróżnieniu od innych wyrobów, sposób wykorzystania energii elektrycznej jest jednym z głównych czynników, powodujących zmianę jej charakterystycznych parametrów.

Energia elektryczna dociera do odbiorców za pomocą systemu urządzeń wytwórczych, przesyłowych i rozdzielczych. Każdy element tego systemu podlega uszkodzeniu lub awarii, wywołanych oddziaływaniem elektrycznym, mechanicznym lub chemicznym, powstającymi w wyniku wielu przyczyn, włączając w to ekstremalne warunki atmosferyczne, procesy starzenia się, wpływ działalności człowieka, ptaków, zwierząt itp. Takie uszkodzenie może oddziaływać na zasilanie jednego lub wielu odbiorców, a nawet spowodować przerwę w zasilaniu.

Istnieje wiele innych zjawisk, które mogą mieć zakłócający lub niszczący wpływ na urządzenia odbiorców lub nawet na ich samych. Niektóre z tych zaburzeń są spowodowane przez nieuniknione zjawiska przejściowe w samym systemie zasilającym, wywołane zwarciami lub procesami łączeniowymi bądź spowodowane zjawiskami atmosferycznymi (wyładowaniami atmosferycznymi). Inne są wynikiem różnych zastosowań energii elektrycznej, które bezpośrednio zmieniają kształt przebiegu czasowego napięcia, zmieniają w szczególny sposób jego wartość lub nakładają na przebieg czasowy napięcia jako sygnały związane z transmisją informacji. Równocześnie z obecnym wzrostem liczby urządzeń wywołujących takie efekty występuje także wzrost liczby urządzeń wrażliwych na zaburzenia.

Szczególną cech energii elektrycznej jest to, że na wartość niektórych jej parametrów mają raczej wpływ odbiorcy, a w mniejszym stopniu wytwórcy lub dostawcy. W tych przypadkach odbiorca jest zasadniczym partnerem dostawcy w wysiłkach zmierzających do zachowania właściwej jakości energii elektrycznej.

Z ekonomicznego punktu widzenia odbiorcy korzystne jest, aby norma dotycząca warunków zasilania odnosiła się raczej do normalnych, oczekiwanych warunków niż do rzadkich przypadków.

W normie EN 50160 zdefiniowano, dla tych zjawisk, dla których jest to możliwe, typowe prawdopodobne zmiany wartości charakteryzujących je parametrów. W innych przypadkach w normie podano możliwie najbardziej dokładnie ich wartości, które mogą wystąpić w praktyce.

Odnośnie niskiego napięcia norma definiuje i określa wartości następujących parametrów:

1. Częstotliwość sieciowa

Częstotliwość napięcia zasilającego jest to liczba powtórzeń w przebiegu czasowym składowej podstawowej napięcia zasilającego zmierzona w określonym przedziale czasu.

Znamionowa częstotliwość napięcia zasilającego powinna wynosić 50 Hz. W normalnych warunkach pracy norma podaje, że wartość średnia częstotliwości, mierzonej przez 10 s

-                dla sieci pracujących synchronicznie z systemem elektroenergetycznym powinna być zawarta w przedziale

              50 Hz ± 1% (tj. 49,5 ... 50,5 Hz) przez 95% tygodnia,

50 Hz + 4% / -6% (tj. 47 ... 52 Hz) przez 100% tygodnia.

-                dla sieci bez synchronicznego połączenia z systemem elektroenergetycznym (np. sieci zasilających na niektórych wyspach) powinna być zawarta w przedziale

50 Hz ± 2% (tj. 49 ... 51 Hz) przez 95% tygodnia.

50 Hz ± 15% (tj. 42,5 ... 57,5 Hz) przez 100% tygodnia.

2. Wartość napięcia zasilającego

Napięcie zasilające jest to wartość skuteczna napięcia w określonej chwili w złączu sieci elektroenergetycznej, mierzona przez określony przedział czasu.

Znormalizowane napięcie znamionowe Un publicznych sieci niskiego napięcia, według normy wynosi

-                dla sieci trójfazowych, czteroprzewodowych

Un = 230 V pomiędzy fazą a przewodem neutralnym,

-                dla sieci trójfazowych, trójprzewodowych

Un = 230 V pomiędzy fazami.

3. Zmiany napięcia zasilającego

Zmiana wartości napięcia zasilającego jest to zwiększenie lub zmniejszenie wartości napięcia spowodowane zazwyczaj zmianą całkowitego obciążenia sieci rozdzielczej lub jej części.

W normalnych warunkach pracy, wyłączając przerwy w zasilaniu, w każdym tygodniu, 95% ze zbioru 10-minutowych, średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale Un ±10%.

4. Szybkie zmiany napięcia

Szybka zmiana napięcia definiowana jest jako pojedyncza, szybka zmiana wartości skutecznej napięcia pomiędzy dwoma kolejnymi jego poziomami, które utrzymują się przez skończony, ale nieokreślony przedział czasu.

a) wartość szybkich zmian napięcia

Szybkie zmiany napięcia zasilającego powodowane są głównie zmianami obciążenia w instalacjach odbiorców lub procesami łączeniowymi w sieci zasilającej.

W normalnych warunkach pracy szybka zmiana napięcia nie przekracza z reguły zgodnie z normą 5% Un, jednak w pewnych okolicznościach, kilka razy w ciągu dnia, mogą wystąpić zmiany napięcia o krótkim czasie trwania, osiągające do 10% Un.

5. Zapady napięcia zasilającego

Zapad napięcia zasilającego definiuje się jako 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 10 ms do 1 minuty. Głębokość zapadu 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.

Zapady napięcia są z reguły powodowane przez zwarcia występujące w instalacji odbiorców lub publicznych sieciach rozdzielczych. Są one zdarzeniami nieprzewidywalnymi, głównie losowymi. Roczna częstość ich występowania zmienia się znacznie w zależności od rodzaju sieci zasilającej i miejsca obserwacji. Ich rozkład w ciągu roku może być bardzo nieregularny.

W normalnych warunkach pracy oczekiwana w ciągu roku liczba zapadów napięcia może wynosić od kilkudziesięciu do jednego tysiąca. Większość zapadów napięcia charakteryzuje się czasem trwania krótszym niż 1 s i głębokością mniejszą niż 60%. Jednak rzadko mogą wystąpić również zapady głębsze i o dłuższym czasie trwania. Na pewnych obszarach mogą występować bardzo często zapady napięcia o głębokości od 10% do 50% Un, jako następstwo łączenia odbiorników w instalacjach odbiorców.

6.  Krótkie przerwy w zasilaniu

Przerwa w zasilaniu jest to stan, w którym napięcie w złączu sieci elektroenergetycznej jest mniejsze niż 1% napięcia deklarowanego Uc.

W niektórych dokumentach za krótkie przerwy w zasilaniu uważa się przerwy o czasie trwania nie przekraczającym jednej minuty. Niekiedy jednak stosowane są układy automatyki zabezpieczeniowej wymagające czasu działania do trzech minut w celu uniknięcia długich przerw w zasilaniu.

W normalnych warunkach pracy roczna liczba krótkich przerw w zasilaniu według normy mieści się w przedziale od kilkudziesięciu do kilkuset. Czas trwania ok. 70% krótkich przerw w zasilaniu może być mniejszy niż jedna sekunda.

7. Długie przerwy w zasilaniu

Nie jest możliwe wskazanie typowych wartości rocznej częstości i czasu trwania długich przerw w zasilaniu, ze względu na znaczące różnice struktury sieci w poszczególnych krajach, jak również ze względu na nieprzewidywalne skutki działania osób trzecich oraz ze względu na warunki atmosferyczne.

Norma podaje, że w normalnych warunkach pracy roczna częstość występowania przerw w zasilaniu trwających dłużej niż trzy minuty, może być mniejsza niż 10 lub może zbliżać się do 50 w zależności od obszaru.

8. Dorywcze przepięcia o częstotliwości sieciowej między przewodami pod napięciem a  ziemią.

Dorywcze przepięcie definiowane jest jako przepięcie w określonym miejscu, o relatywnie długim czasie trwania.

Dorywcze przepięcie o częstotliwości sieciowej występuje głównie w czasie trwania zwarcia z ziemią w publicznej sieci rozdzielczej lub w instalacji odbiorcy i znika po usunięciu zwarcia. Przepięcie może zwykle osiągnąć wartość napięcia międzyprzewodowego ze względu na przesunięcie punktu neutralnego trójfazowego układu napięć.

W pewnych okolicznościach zwarcie występujące w sieci po stronie pierwotnej transformatora wytworzy, w czasie, w którym przepływa prąd zwarcia, dorywcze przepięcie po stronie nn. Wartość skuteczna takiego przepięcia nie przekracza z reguły 1,5 kV.

9.  Przejściowe przepięcia między przewodami pod napięciem a ziemią

Przepięcie przejściowe jest to krótkotrwałe, oscylacyjne przepięcie, zwykle silnie tłumione, trwające kilka milisekund lub krócej. Są one zwykle spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi, operacjami łączeniowymi lub zadziałaniem bezpieczników.

Przejściowe przepięcia z reguły nie będą przekraczały 6 kV wartości szczytowej, jednakże sporadycznie występują także wartości większe. Czas narastania obejmuje szeroki przedział, począwszy od milisekund w dół do czasów znacznie mniejszych niż mikrosekunda.

10.  Niesymetria napięcia zasilającego

Niesymetria napięcia w sieciach trójfazowych definiowana jest jako stan, w którym wartości skuteczne napięć fazowych lub kąty fazowe między kolejnymi fazami nie są równe.

W normalnych warunkach pracy, w ciągu każdego tygodnia, 95% ze zbioru 10-minutowych, średnich wartości skutecznych składowej symetrycznej kolejności przeciwnej napięcia zasilającego powinno według normy mieścić się w przedziale od 0 do 2% wartości  składowej zgodnej. Na pewnych obszarach, na których występują instalacje odbiorców przyłączone częściowo jednofazowo lub między dwie fazy, niesymetria w sieci trójfazowej osiąga wartość do ok. 3%.

W normie podane są jedynie wartości dla składowej kolejności przeciwnej, ponieważ ta składowa jest istotna z punktu widzenia możliwego zakłócenia pracy urządzeń przyłączonych do sieci zasilającej.

11. Harmoniczna napięcia

Harmoniczna napięcia jest to napięcie sinusoidalne o częstotliwości równej całkowitej krotności częstotliwości podstawowej napięcia zasilającego. Harmoniczne napięcia zasilającego są spowodowane głównie przez nieliniowe odbiorniki u odbiorców, przyłączone do sieci zasilających o różnych napięciach znamionowych. Harmoniczne prądu przepływając przez impedancję sieci powodują powstanie harmonicznych napięcia. Harmoniczne prądów i impedancji sieci, a zatem również harmoniczne napięcia w złączach sieci elektroenergetycznych zmieniają się w czasie.

W normalnych warunkach pracy, w ciągu każdego tygodnia, 95% ze zbioru 10-minutowych, średnich wartości skutecznych dla każdej harmonicznej napięcia powinno , zgodnie z normą , być mniejsze lub równe wartościom podanym w tabeli 1. rezonanse mogą spowodować wystąpienie większych wartości dla indywidualnej harmonicznej.

Tablica 1- wartości poszczególnych harmonicznych napięcia w złączu sieci elektroenergetycznej odbiorcy dla rzędów do 25, wyrażone w procentach Un.