ARTYKUŁY Energetyka Analiza i ocena jakości energii elektrycznej jako efektu monitoringu jej parametrów w wybranych punktach sieci zasilającej odbiorców indywidualnych |
|
Analiza i ocena jakości energii elektrycznej jako efektu monitoringu jej parametrów w wybranych punktach sieci zasilającej odbiorców indywidualnych
Ciągły wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną, wzrost jej ceny, i idący za tym wzrost kosztów, zarówno u odbiorców indywidualnych jak i przemysłowych, powodują, że rosną również wymagania tych odbiorców co do jakości dostarczanej energii elektrycznej. Energia elektryczna jest bardzo specyficznym rodzajem energii m.in. z racji tego, że nie można jej magazynować i nie można sprawdzić parametrów jej jakości bezpośrednio przed dostarczeniem do odbiorcy ani też po jej dostarczeniu (chyba że po negatywnych skutkach złej jakości energii). Chcąc określić jakość energii elektrycznej, można tego dokonać jedynie w trakcie jej dystrybucji.
Jakość energii ma kluczowe znaczenie nie tylko ze względu na rosnące wymagania konsumentów, ale także z uwagi na obowiązujące standardy zawarte w dokumentach UE. Obecnie parametry określające jakość energii elektrycznej zostały uregulowane w odpowiednich rozporządzeniach i normach. W Polsce obowiązuje norma PN-EN 50160, która jest implementacją normy obowiązującej na terenie całej Unii Europejskiej - EN 50160. Do 2010 r. przywołana norma dotyczyła jakości napięć zasilających w sieciach rozdzielczych do 35 kV (czyli sieci nN i SN) i nosiła nazwę „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych”. Po jej nowelizacji w 2010 r., norma ta funkcjonuje pod nazwą „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych” [3], a jej zakres został rozszerzony i obecnie obejmuje również sieci elektroenergetyczne wysokiego napięcia (WN). Ponadto ta nowelizacja wprowadziła wiele uściśleń i dodatkowych objaśnień niektórych wcześniejszych zapisów, m.in. wprowadziła do normy dwie kategorie zaburzeń napięcia, wyraźnie podkreślając ich odmienny charakter co do częstości występowania, jak i co do ich związku z czasem. Wyróżniła ona zaburzenia napięcia jako: trwałe zaburzenia napięcia (ustawiczne, ciągłe) oraz przypadkowe zaburzenia napięcia.
We wspomnianej normie europejskiej, do trwałych zaburzeń napięcia zasilającego zalicza się: odchylenia częstotliwości podstawowej, zmiany poziomów napięcia (odpowiada im polski termin: odchylenia napięcia), szybkie zmiany napięcia (w tym pojedyncze, szybkie zmiany napięcia oraz zmiany powodujące migotanie światła - polski termin to wahania napięcia), niesymetrię napięcia oraz wyższe harmoniczne. Na podstawie zapisów znowelizowanej normy, w tabeli zestawiono standardy jakości dla trwałych zaburzeń napięć zasilających odbiorców z sieci nN.
Wybrane parametry jakości energii elektrycznej dla sieci nN wg normy PN-EN 50160:2010
Parametr napięcia elektrycznego | Wartości dopuszczalne parametrów dla sieci nN | Wymagania pomiarów i oceny wyników | |||
Miara podstawowa | Przedział uśrednienia | Czas pomiaru | Procent liczby pomiarów* | ||
| Częstotliwość podstawowa | 50 Hz± 1% | wartość średnia | 10 s | rok | 99,5 |
| 50 Hz + 4%/-6% | brak ustaleń | 100 | |||
| Odchylenia (zmiany napięcia) | 230 V ± 10% | wartość skuteczna (RMS) | 10 min. | tydzień | 95 |
| 230 V ± 15% | 100 | ||||
| Szybkie zmiany napięcia - uciążliwość migotania światła (flicker) | wskaźnik długookresowej uciążliwości < 1 | wartość względna | 2 h | tydzień | 95 |
| Asymetria | wskaźnik asymetrii kolejności przeciwnej <2%, na wydzielonych obszarach < 3% | wartość skuteczna (RMS) | 10 min. | tydzień | 95 |
| Wyższe harmoniczne | THD < 8% | wartość skuteczna (RMS) | 10 min. | tydzień | 95 |
| Interharmoniczne | brak ustaleń | ||||
* umożliwia określenie liczby wartości danego parametru spośród całkowitej liczby pomierzonych wartości w okresie pomiarowym
Charakterystyka punktów pomiarowych
Pomiary mające na celu pozyskanie danych i dokonanie oceny jakości energii elektrycznej w wybranych punktach sieci elektroenergetycznej wykonane zostały w pięciu losowo wybranych stacjach transformatorowych na terenie jednego z rejonów energetycznych PGE.
W artykule zostaną zamieszczone wybrane wyniki badań jednej ze stacji, gdyż wyniki dla pozostałych okazały się porównywalne. Do wybranej do prezentacji wyników stacji transformatorowej dołączone są cztery linie nN, zasilające indywidualnych odbiorców (indywidualne gospodarstwa domowe) oraz jeden obwód oświetlenia ulicznego.
Poniżej przedstawiono parametry stacji transformatorowej.
Stacja:
- rodzaj stacji - słupowa napowietrzna,
- napięcie robocze - 15 kV,
- napięcie izolacji - 15 kV.
Transformator:
- typ - TNOSCT 160/15 PNS,
- moc - 160 kVA,
- napięcie strony pierwotnej - 15,750 kV,
- napięcie strony wtórnej - 0,420 kV,
- układ połączenia -Yzn5.
Charakterystyka miernika
Do pomiarów wykorzystano analizator jakości energii elektrycznej firmy Sonel - miernik PQM 702. Analizator jakości zasilania PQM-702 jest przeznaczony do pomiaru, rejestracji i analizy jakości energii elektrycznej zgodnie z europejską normą EN 50160. Miernik ten spełnia także wymogi normy PN-EN61000-4-30:2011 klasa A. Szczegółowe informacje znaleźć można w instrukcji do miernika.
Analiza wyników pomiarów charakteryzujących jakość energii elektry cznej w wybranym punkcie pomiarowym
W artykule zaprezentowane zostaną wybrane wyniki pomiarów niektórych parametrów charakteryzujących jakość energii elektrycznej w wybranej stacji transformatorowej, z której zasilane są indywidualne gospodarstwa domowe. Na rys. 1-10 zaprezentowane są kolejno wyniki dla wybranych parametrów charakteryzujących jakość energii elektrycznej.
- Częstotliwość - jej wartość powinna wynosić 50 Hz, a dopuszczalna zmiana to ±1%. Wynik taki powinno uzyskać 99,5% wszystkich pomiarów. Największa wartość, jaką zaobserwowano wyniosła 50,07 Hz, najmniejsza zaś - 49,93 Hz. Zatem obie skrajne wartości częstotliwości mieszczą się w granicach wyznaczonych przez normę.
- Odchylenia (zmiany) napięcia - wartość napięcia powinna wynosić 230 V, a dopuszczalne odchylenia napięcia nie powinny przekraczać ±10% wartości napięcia. W tych granicach musi mieścić się 95% wszystkich wyników pomiarów. Otrzymane wyniki pomiarów pokazują, że w badanym punkcie spełniony jest warunek normy PN-EN 50160 - największa zmierzona wartość napięcia wyniosła 244,8 V, natomiast najmniejsza - 228,7 V.
- Szybkie zmiany napięcia - określane także jako uciążliwe migotanie światła. Rozróżnia się dwa rodzaje tego zjawiska i stosuje odpowiednie wskaźniki: krótkookresowy Pst, którego wartość wyznacza się raz na 10 minut oraz długookresowy Plt, którego wartość wyliczana jest na podstawie kolejnych 12 wartości Pst, czyli co 2 godziny. Według obowiązującej normy wskaźnik długookresowej uciążliwości Plt nie może przekroczyć wartości 1 przez 95% wyników pomiarów. Rysunki 3 i 4 przedstawiają przebiegi zmian odpowiednio wskaźnika krótkookresowego Pst i długookresowego Plt w trzech fazach w ciągu tygodniowych pomiarów. Największa zarejestrowana wartość dla Pst wyniosła 9,82, zaś dla Plt - 4,98. W obu przypadkach wartości te wystąpiły w fazie L2 i znacznie przekroczyły wartości dopuszczane w normie. W pozostałych dwóch fazach również przekroczone zostały dopuszczalne wartości, ale w mniejszym stopniu: w fazie L1 największa zarejestrowana wartość wyniosła 1,21, natomiast w fazie L3 - 1,41.
- Asymetria napięć - wg obowiązujących przepisów wskaźnik asymetrii, tzn. stosunek składowej kolejności przeciwnej do składowej zgodnej (U2/Ut) nie powinien przekroczyć wartości 2% spośród 95% zarejestrowanych pomiarów. Otrzymane wyniki pomiarów pozwalają stwierdzić, że badana sieć spełnia ten warunek. Największa wartość wskaźnika asymetrii wyniosła 0,65% (rys. 5).
- Wyższe harmoniczne - odkształcenie krzywej napięcia jest określane za pomocą współczynnika zawartości harmonicznych THDU oraz przez dopuszczalne wartości udziału wyższych harmonicznych napięcia. Wartość współczynnika THDU napięcia nie może przekroczyć progu 8% dla 95% zarejestrowanych pomiarów, zaś wartości dopuszczalne udziału każdej z wyższych harmonicznych napięcia przedstawione są szczegółowo w normie. Badana sieć spełnia wymagania stawiane przez normę co do zawartości harmonicznych napięcia. Na rys. 6 widać harmoniczne rzędu 3. o wartości 0,29%, 5. ‒ o wartości 0,59%, 7. ‒ o wartości 0,77% oraz śladowo 11. i 13. harmoniczną. Wszystkie wartości tych harmonicznych odniesione do podstawowej harmonicznej są dużo niższe niż progi wyznaczane przez obowiązującą normę.
- Zapady napięcia - wg obowiązujących przepisów zapad napięcia definiowany jest jako obniżenie napięcia poniżej 90% wartości znamionowej napięcia w przedziale czasu od 10 ms do 1 min. Podczas wykonywania pomiarów w ciągu tygodnia zostało zarejestrowane aż 8 zapadów napięcia ‒ maksymalny czas trwania najdłuższego z nich wyniósł 0,650 s, zaś minimalna wartość napięcia podczas najgłębszego z zapadów to 34,72 V. Rysunek 7 przedstawia zapad napięcia w fazie L3 oraz napięcie UN-PE. Napięcie w fazach L1 oraz L2 wynosi 235 V, natomiast w fazie L3 waha się w granicach od 90 do 170 V. W czasie trwania zapadu w znacznym stopniu wzrosło także napięcie UN-PE, a jego wartość waha się od 0 do 30 V. Na rys. 8 pokazano zmianę kształtu sinusoidy w fazie L3 podczas trwania zapadu napięcia.
Rys. 1. Przebieg zmian wartości częstotliwości w funkcji czasu w ciągu tygodnia.
Rys. 2. Przebieg zmian wartości napięcia fazowego w trzech fazach w ciągu tygodnia.
Rys. 3. Przebieg zmian krótkookresowego wskaźnika Pst dla trzech faz w ciągu tygodnia.
Rys. 4. Przebieg zmian długookresowego wskaźnika Plt dla trzech faz.
Rys. 5. Przebieg zmian współczynnika asymetrii napięć U2/U1 (przebieg górny) oraz współczynnika U0/U1 (przebieg dolny) w funkcji czasu.
Rys. 6. Widmo harmonicznych w napięciu dla trzech faz.
Rys. 7. Zapad napięcia w fazie L3.
Rys. 8. Kształt sinusoidy napięcia fazy L3 podczas zapadu napięcia.
Rys. 9. Przebieg zmian współczynnika DPF.
Rys. 10. Przebieg zmian współczynnika tgφ.
Analiza wyników pomiarów dotyczących mocy czynnej, biernej, pozornej oraz współczynników DPF (często opisywany jako cosφ) oraz tgφ
Zaprezentowane zostaną tylko wyniki pomiarów dotyczące współczynników DPF i tgφ, bowiem tu stwierdzono nieprawidłowości. Na rys. 9 przedstawiono przebieg zmian współczynnika DPF fazy L2. Wartość tego współczynnika przyjmuje zróżnicowanie wartość od 0,99 do 0,55. Takie zróżnicowanie jest spowodowane załączaniem u odbiorców indywidualnych coraz większej liczby odbiorników o charakterze innym niż rezystancyjny.
Współczynnik tg(p w umowie sprzedaży energii elektrycznej określany jest na poziomie 0,4. Rysunek 10 przedstawia przebieg zmian wartości współczynnika mocy tgφ fazy L2. Zarejestrowany współczynnik przez większość czasu trwania pomiarów w znaczny sposób przekraczał umowną wartość 0,4. Oznacza to znaczny udział mocy biernej w przesyle energii elektrycznej w tym punkcie sieci. Największa wartość, jaka została zarejestrowana wyniosła 1,50, zaś najmniejsza ‒ 0,17.
Podsumowanie
Celem pomiarów było dokonanie oceny jakości energii elektrycznej w losowo wybranych punktach systemu elektroenergetycznego, skąd zasilani są odbiorcy indywidualni. Otrzymane wyniki pomiarów zostały porównane z wielkościami dopuszczanymi przez odpowiednie normy i rozporządzenia aktualnie obowiązujące, i na tej podstawie można stwierdzić, że w badanych punktach sieci zasilającej parametry jakości energii elektrycznej są w zasadzie spełnione. Jedynym parametrem, który nie jest spełniony, jest wartość współczynnika długotrwałego migotania światła. Zgodnie z obowiązującymi normami co najmniej 95% zmierzonych wartości tego współczynnika musi zawierać się w przedziale 0-1. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że ten warunek nie został spełniony w żadnej z trzech faz. W fazie L1 w granicach wyznaczonych przez normy mieści się 80,72% wyników pomiarów, a wartość tego współczynnika wyniosła 1,11. Najgorsze wyniki zanotowano w fazie L2 ‒ w której tylko 73,49% zarejestrowanych pomiarów mieściło się w wyznaczonych granicach, a wartość współczynnika wyniosła 3,31. W fazie L3 jest to odpowiednio 75,9% wyników i współczynnik 1,2%.
Problemem do analizy, który pojawił się w trakcie pomiarów jest niedotrzymywanie współczynnika tgφ przez odbiorców indywidu
alnych. Ale dopóki nie jest to związane z karami - nie stanowi to problemu dla tej grupy odbiorców - jest to raczej problem dla energetyki.
LITERATURA:
[1] Błajszczak G., Firlit A.: Narzędzia do oceny i analizy jakości energii elektrycznej. Energetyka 2009 nr 12.
[2] Łatka M.: Assessing electric power quality parameters in Street lighting system using LED-type light sources. Przegląd Elektrotechniczny 2014 nr 1.
[3] Norma PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych.
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
