Energia elektryczna w przemyśle - jakość energii i efektywność energetyczna

Część 1. Jakość energii elektrycznej

Energia elektryczna jest najwszechstronniejszą formą energii – zasila odbiorniki bezpośrednio lub jest przetwarzana w inną, na przykład mechaniczną lub cieplną. Podstawowy dokument, który w Polsce reguluje jej dystrybucję, to rozporządzenie ministra klimatu i środowiska w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Zobowiązuje ono przedsiębiorstwa energetyczne do utrzymywania niezawodności dostaw energii elektrycznej i jej parametrów jakościowych (patrz: ramka). Wymogi dla tych ostatnich opierają się na normie PN-EN 50160.

Według niej napięcie zasilania charakteryzuje częstotliwość, wartość i kształt przebiegu. Skutkiem pogorszenia jakości energii elektrycznej są odchylenia częstotliwości, czyli jej wolne zmiany i zachodzące szybko wahania. Są powodowane trwałymi lub przejściowymi zaburzeniami bilansu mocy czynnej. W normie PN-EN 50160 do zjawisk wpływających na jakość energii elektrycznej zaliczono też: zapady napięcia, przerwy w zasilaniu, wahania napięcia, migotanie światła, asymetrię, harmoniczne.

Czym są zapady napięcia?

Większość problemów z zasilaniem powodują zapady napięcia, czyli jego nagłe spadki do 1...90% wartości znamionowej. Stan ten po krótkim czasie mija, a napięcie wzrasta do poprzedniej wartości. Przyjmuje się, że trwa to od 10 milisekund do 1 minuty. Głębokość zapadu określa różnica między minimalną wartością skuteczną napięcia w czasie wystąpienia tego typu zaburzenia a wartością napięcia deklarowanego.

Dwie najczęstsze przyczyny zapadów napięcia to: zwarcia i załączenia odbiorników dużej mocy. Te o dużej głębokości mogą spowodować przerwę w zasilaniu, słabsze natomiast zakłócają działanie komputerów, oświetlenia, układów sterowania i układów napędowych.

By zdiagnozować problem potencjalnie spowodowany zapadem napięcia należy dokonać pomiarów obciążenia, dla którego pierwszego zaobserwowano symptomy tego zaburzenia. Jeśli jego przyczyna leży po stronie zasilania, odnotujemy spadek prądu oraz napięcia. Jeżeli natomiast problemem jest obciążenie, pobór prądu wzrośnie, zaś napięcie spadnie. Należy także porównać czas awarii sprzętu i wystąpienia zapadu. Jeśli nie ma między nimi korelacji, przyczyną awarii prawdopodobnie nie jest zaburzenie tego typu. Ochronę przed zapadami napięcia zapewniają m.in. zasilacze UPS.

Przerwy, przepięcia, odchylenia, wahania

Całkowity zanik napięcia powoduje przerwę w zasilaniu. Napięcie w przyłączu sieci spada wtedy poniżej 1% wartości deklarowanej. Jeżeli jest to planowane, odbiorca jest uprzedzany. Przerwa może mieć jednak także charakter przypadkowy. Te losowe dzieli się na krótkie i długie trwające odpowiednio poniżej i powyżej 3 minut.

Pierwsze są powodowane uszkodzeniami przemijającymi albo takimi, które zostają samoczynnie naprawione przez automatykę sieci elektroenergetycznej. Drugie są wynikiem uszkodzeń trwałych. Skutkiem przerwy w zasilaniu jest wyłączenie urządzenia, o ile nie jest zaprojektowane do automatycznego samoczynnego ponownego załączenia. Dlatego jeżeli nastąpi wtedy, gdy sprzęt pracuje bez nadzoru, przyczyna jego wyłączenia może nie zostać prawidłowo zidentyfikowana.

Kolejne zaburzenie to dorywcze przepięcia o częstotliwości sieciowej i względnie długim czasie trwania (kilka okresów). Ze względu na typowo małą wartość nie zagrażają izolacji, ale jeżeli się przeciągają i wywołują wzrost poboru prądu, mogą powodować termiczne uszkodzenie urządzenia. Problemem są również odchylenia i wahania napięcia.

Pierwsze, podobnie jak w przypadku częstotliwości, zachodzą wolno (nie szybciej niż 2% napięcia znamionowego na sekundę), a drugie szybko. Wahania napięcia definiuje się jako wzrost lub spadek napięcia wynikający ze zmiany obciążenia sieci rozdzielczej lub jej części. Odchyłki klasyfikowane w ten sposób nie powinny przekraczać ±10% napięcia znamionowego sieci. Większe są uznawane za zapady napięcia zasilającego albo przerwy w zasilaniu.

Migotanie

Migotanie to cykliczne wzrosty i spadki wartości strumienia świetlnego na skutek wahań i zapadów napięcia zasilania. Wywołują odczucie niestałości wrażenia wzrokowego. Powoduje to dyskomfort i bywa niebezpieczne, jeżeli na przykład dotyczy oświetlenia pracującej linii produkcyjnej. Próg, powyżej którego migotanie staje się denerwujące, zależy od częstotliwości powtarzania i amplitudy wahań – przy pewnych częstotliwościach nawet bardzo małe amplitudy mogą przeszkadzać, powodując na przykład bóle głowy. Dla zjawiska tego definiuje się uciążliwość. Do jej oszacowania wykorzystuje się dwa współczynniki: krótkookresowy mierzony 10 minut i długookresowy. Pierwszy oblicza się według znormalizowanego wzoru, który uwzględnia reakcję ludzkiego oka oraz mózgu, natomiast długookresowy na podstawie 12 kolejnych wartości wskaźników krótkookresowych występujących w ciągu dwóch godzin. Migotanie może również prowadzić do skrócenia żywotności źródła światła.

Asymetria

Niekorzystna jest także asymetria napięcia zasilającego. Jest to stan w sieci trójfazowej, w którym wartości skuteczne napięć albo kąty fazowe między kolejnymi napięciami fazowymi nie są sobie równe. Asymetria jest powodowana głównie nierównomiernym obciążeniem poszczególnych faz. Zwykle przyczyną tego zaburzenia są odbiorniki energii elektrycznej, jednofazowe albo trójfazowe, o niesymetrycznym obciążeniu. Czasem zdarza się jednak też, że źródło asymetrii występuje po stronie dostawcy energii, na przykład w przypadku różnic parametrów linii napowietrznych.

Maksymalna asymetria napięcia między fazami nie powinna przekraczać 2%. W przeciwnym razie można się spodziewać negatywnych skutków, zwłaszcza w przypadku odbiorników trójfazowych. Przykładem jest nadmierne nagrzewanie się silników oraz transformatorów – asymetria napięć o zaledwie około 2% skutkuje asymetrią prądu o prawie 18% i wzrostem temperatury aż o 30°C. Inne niepożądane efekty to nasilenie się wibracji, głośniejsza praca, skrócenie żywotności.

Wartości parametrów jakości energii elektrycznej, które zobowiązany jest zapewnić jej dostawca, podane są w rozporządzeniu ministra klimatu i środowiska w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Różnią się one w zależności od kategorii odbiorcy energii. Na podstawie napięcia znamionowego, do którego przyłączone są jego sieci, instalacje albo urządzenia i mocy przyłączeniowej, wyróżnia się sześć grup. Są to: I (>110 kV), II (110 kV), III (1 kV – 110 kV), IV (≤ 1 kV, > 40 kW), V (≤ 1 kV, < 40 kW), VI (przyłącze tymczasowe). W tabeli przedstawiono wybrane parametry jakości gwarantowane w sieci funkcjonującej bez zakłóceń dla podmiotów zaliczanych do wybranych grup przyłączeniowych.

Harmoniczne, przepięcia

Opisane zaburzenia należą do grupy zmieniających wartość napięcia. Harmoniczne z kolei zalicza się do kategorii zmieniających kształt przebiegu napięcia zasilającego.

Przebieg odkształcony to suma wielu składowych, poza składową stałą, harmonicznej podstawowej o częstotliwości przebiegu odkształconego i wyższych harmonicznych, których częstotliwości są wielokrotnościami harmonicznej podstawowej. Stopień odkształcenia opisuje wskaźnik THD (Total Harmonic Distortion), który nie powinien przekraczać 8%.

Źródłem harmonicznych są przede wszystkim odbiorniki nieliniowe, pobierające prąd odkształcony. Przykładami takich są: spawarki i piece łukowe, dławiki, transformatory, przekształtniki. Skutkiem harmonicznych jest głównie przegrzewanie się urządzeń. Powodują też spadek ich sprawności i skrócenie żywotności oraz nieprawidłowe działanie zabezpieczeń. Negatywny wpływ harmonicznych pozwalają ograniczyć filtry, pasywne i aktywne, a w przypadku gdy ich źródłem jest przemiennik częstotliwości, wybór tego z prostownikiem 12- albo 18-pulsowym zamiast 6-pulsowego.

Do tej samej kategorii co harmoniczne zaliczane są przepięcia krótkotrwałe. Mają one charakter przejściowy, zazwyczaj powtarzalny, i czas trwania rzędu kilku milisekund. Ich główne przyczyny to wyładowania atmosferyczne oraz operacje łączeniowe (nagłe zatrzymanie urządzeń, przełączanie kondensatorów, ponowne załączenie zasilania po jego awarii, przełączanie obciążeń silników, transformatorów).

Normy pomiarów jakości energii elektrycznej Zalecenia w zakresie pomiarów jakości napięcia zasilającego zawarte są w normach z serii PN-EN 61000-4-x. Zestandaryzowano w nich metody pomiarowe dla grupy przyrządów przeznaczonych do wieloparametrowych pomiarów wielkości elektrycznych i wyznaczania wskaźników jakości energii elektrycznej. Najważniejszym dokumentem jest PN-EN 61000-4-30 pt. "Kompatybilność elektromagnetyczna. Część 4-30: Metody badań i pomiarów. Metody pomiaru jakości energii". Norma określa metody pomiaru parametrów jakości energii elektrycznej i interpretacji wyników dla systemów zasilających prądu przemiennego o zadeklarowanej częstotliwości podstawowej 50 Hz / 60 Hz. Zalecania dotyczą wyłącznie zaburzeń przewodzonych. Parametry jakościowe uwzględnione w tym dokumencie dotyczą: częstotliwości, wartości napięcia zasilającego, jego wahań, zapadów i wzrostów, przerw w zasilaniu, napięć przejściowych, asymetrii napięcia zasilającego, jego harmonicznych, interharmonicznych i szybkich zmian oraz pomiarów prądu. W PN-EN 61000-4-30 opisano zalecany sposób pomiaru każdego z nich w warunkach, które dają wiarygodne i powtarzalne wyniki.

Analizatory jakości energii elektrycznej

Jakość energii elektrycznej mierzą analizatory. Przyrządy te wyznaczają m.in.: średnie, minimalne, maksymalne i chwilowe wartości napięć oraz prądów, współczynniki szczytu dla prądu i napięcia, częstotliwość, moc czynną, bierną, wraz z określeniem charakteru (pojemnościowy, indukcyjny), pozorną, energię czynną, bierną, pozorną i współczynnik mocy. Umożliwiają też analizę harmonicznych i pomiar współczynnika THD, rejestrowanie stanów nieustalonych i zdarzeń napięciowych (przepięć, zapadów, zaników, gwałtownych zmian, odkształceń), asymetrii, prądów rozruchowych i migotania światła.

Analizatory jakości energii zasilającej dostępne są w wersjach stacjonarnych i przenośnych. Wybór zależy od tego, czy jakość energii elektrycznej chcemy monitorować w sposób ciągły, by na przykład móc porównać wyniki pomiarów w różnych miejscach w zakładzie, wykryć ewentualne prawidłowości w zakresie występowania anomalii lub udokumentować zdarzenia dotyczące jakości energii, czy bardziej zależy nam na mobilności, dzięki której personel w terenie uzyska dostęp do aktualnych odczytów. To pozwala szybciej rozpoznać problem. Analizatory przenośne są też zwykle bardziej intuicyjne w obsłudze.

Warto w ich przypadku zwrócić uwagę na opcje zasilania przyrządu. Przydatną funkcją jest możliwość zasilania przyrządu bezpośrednio z mierzonego obwodu, dzięki której nie trzeba szukać dodatkowego przyłącza do podłączenia miernika. Ważna jest również pojemność akumulatora.

Wybierając analizator przenośny, trzeba też ocenić ergonomiczność konstrukcji. W przypadku analizatorów do pomiarów ciągłych z kolei warto sprawdzić możliwości konfiguracji w zakresie rejestrowanych parametrów i ich automatycznego zapisywania. Istotne jest oprogramowanie do analizy wyników pomiarów. Przydatne opcje to m.in.: śledzenie trendu, raportowanie, zestawianie wyników z odczytami archiwalnymi i normami branżowymi.