Aby zapewnić możliwość odbioru prądu o wymaganej wielkości i przebiegu źródło zasilające musi mieć odpowiednią moc, która jest znacznie większa od pobieranej mocy średniej. Jak pamiętamy, wartość skuteczna prądu sinusoidalnego wynosi 1.11 wartości średniej. Jeśli prąd pobierany jest bardzo odkształcony, jego wartość skuteczna wielokrotnie przewyższa jego wartość średnią.

Rys. 3. Prostownik - prąd odbiornika

Rys. 4. Prostownik - prąd pobierany z sieci

Rys. 5. Odbiornik nieliniowy - wymagana wydajność prądowa źródła zasilającego

 

Rys. 6. Impulsowy przebieg prądu - wartość skuteczna

Obrazowo pokazuje to rysunek 6, gdzie dla poboru mocy 1 wat w postaci prądu stałego sinusoidalnego i prostokątnego o różnym wypełnieniu bardzo silnie zmienia się wartość skuteczna prądu, płynącego ze źródła i grzejąca urządzenia zasilania. Rysunek ten pokazuje, że w tych przypadkach wydajność źródła prądowego musi być kilka razy większa od zapotrzebowania na średnią pobieraną energię.

Pobór prądu mocno odkształconego ze źródła powoduje zniekształcenie napięcia w sieci zasilającej, co nie pozostaje bez wpływu na inne odbiorniki, przyłączone do tego samego źródła. Przebiegi przykładowe zniekształconej sinusoidy napięcia są pokazane na rysunku 7:

Rys. 7. Odbiorniki nieliniowe - zniekształcenia napięcia

• zniekształcenia napięcia, dostarczanego odbiorcom, wymagającym zasilania sinusoidalnego,
• wzrost prądu w przewodzie neutralnym,
• nadmierne grzanie się transformatorów i silników asynchronicznych,
• pojawianie się prądów pasożytniczych, niepotrzebnie grzejących urządzenia i mogących wywołać rezonanse lub wibracje,
• występowanie naskórkowości w przewodach ,
• awarie kondensatorów do kompensacji mocy biernej,
• błędne działanie zabezpieczeń,
• przyspieszenie degradacji izolacji transformatorów i silników.

Kompensacja mocy biernej

Jest możliwość zapobiegania tym negatywnym skutkom nieliniowego odbioru prądu, ale wymaga to stosowania specjalnych urządzeń do korekty poboru prądu. Sposób kompensacji pobieranego prądu odkształconego jest pokazany na rysunku 8.

Rys. 8. Energetyczny filtr aktywny - kompensacja prądu odbiornika

Urządzenia te są jednak dość skomplikowane, zwiększają rzeczywisty pobór energii (straty w urządzeniu przetwarzającym) i powodują znaczące koszty na zakup i eksploatację tych urządzeń. Do rozwiązania pozostaje problem, gdzie takie urządzenia należy instalować. Optymalnym rozwiązaniem wydaje się stosowanie takich urządzeń na wejściu wszystkich urządzeń nieliniowych, ale jest to nierealne ze względu na koszty. Prawdopodobnie realne byłoby stosowanie takich urządzeń na wejściu dużych odbiorów.

Jednym z takich odbiorów są podstacje trakcyjne prądu stałego. Są one dla energetyki jednymi z większych odbiorników nieliniowych. Pobierając w skali krajowego systemu energetycznego blisko 4% całkowitej energii elektrycznej są źródłem poważnych odkształceń napięcia. Zagrożenie, jakie stanowią podstacje trakcyjne dla poprawnej jakości energii elektrycznej w sieciach rozdzielczych średniego napięcia (na poziomie 15 kV) i w sieciach niskiego napięcia wynika między innymi z następujących powodów:

• stosunkowo małych wartości mocy zwarciowej w rozdzielniach średniego napięcia.
• dużych, jak na sieć średniego napięcia obciążeń mocą czynną wielu podstacji trakcyjnych.
• niekorzystnej liczby tętnień stosowanych zespołów prostownikowych
• stosowania baterii kondensatorów w głębi sieci rozdzielczej i na wyjściu z podstacji.

PKP obecnie nie eksploatuje jeszcze pojazdów trakcyjnych, wyposażonych w nowoczesne sterowanie napędem, ale w najbliższej przyszłości będzie to nieuniknione, niezależnie od tego, czy będą to pojazdy trakcyjne PKP, czy innych przewoźników. Wtedy problemy z odbiorem prądu, mimo stosowania napięcia stałego w sieci trakcyjnej, mogą jeszcze powiększyć się. Pewne nadzieje daje perspektywa stosowania podstacji trakcyjnych, zasilanych bezpośrednio z napięcia 110 kV. Odkształcenia napięcia i prądów na wejściu do podstacji trakcyjnej mogą i powinny być kompensowane. Schemat włączenia filtra aktywnego na wejściu do podstacji pokazuje rysunek 9, a kształt napięcia i prądów zasilających podstację bez filtra i z filtrem aktywnym pokazano na rysunek 10.

Rys. 9. Filtr aktywny dla stacji trakcyjnej

Wnioski

Rozpowszechnione stosowanie odbiorników nieliniowych spowoduje pogarszanie jakości energii elektrycznej w systemie zasilania. Skutkować to będzie pogorszeniem warunków zasilania dla dużej liczby odbiorników, wymagających zasilania napięciem sinusoidalnym, dodatkowymi stratami w liniach przesyłowych i transformatorach energetycznych i innymi negatywnymi zjawiskami. Jest to zagadnienie szczególnie ważne, jako że w gospodarstwach domowych znaczny procent pobieranej energii elektrycznej jest zużywany na oświetlenie. Ostatnia decyzja Unii Europejskiej o wycofaniu produkcji tradycyjnych żarówek drastycznie zwiększy negatywne dla energetyki skutki stosowania świetlówek. Pilnie należy podjąć prace studialne i badawcze majce na celu określenie skutków tej decyzji i ewentualnie sposobów ich neutralizacji.

Należy liczyć się z koniecznością kompensowania tych zakłóceń. Nie można wykluczyć, że w nieodległej przyszłości będzie wymagana kompensacja odkształceń prądu pobieranego na wejściu większości odbiorników.

Literatura:
[1] Geppart A., Polaczek A.: Określenie i analiza czynników mających wpływ na parametry jakościowe napięcia w sieciach elektroenergetycznych śn i 110 kV zasilających podstacje trakcyjne PKP. Opracowanie Instytutu Energetyki nr NSR-752/86, Katowice 1986

[2] Materiały informacyjne, udostępnione przez firmę MEDCOM Warszawa

Autor: Jan Pabiańczyk