Jakość energii

We współczesnym świecie, coraz bardziej specjalizowane urządzenia, posiadające coraz bardziej złożoną konstrukcję, wymagają coraz lepszej jakości energii.

W punktach zasilania, oczekuje się zarówno niezawodnej (bezprzerwowej) dostawy energii elektrycznej jak i jakości tej energii, która umożliwia prawidłowe działanie tych odbiorników. Idealne źródło zasilania prądu przemiennego, to niczym nie zakłócony sygnał sinusoidalny o częstotliwości 50 Hz (Europa).Na podstawie pomiarów oraz badań sieci można stwierdzić, że spotykany w praktyce prąd przemienny nie ma przebiegu czysto sinusoidalnego. Przyczyną takich zjawisk są generowane zakłócenia zarówno po stronie dostawcy jak również po stronie odbiorcy energii.
Jakość energii elektrycznej jest opisana szeregiem parametrów wielkości fizycznych związanych z napięciem, tj. wartość skuteczna, częstotliwość, współczynnik odkształcenia THDu, zawartość harmonicznych, itd.

W celu poszerzenia wiedzy, polecamy zapoznać się z artykułem Pana Zbigniewa Hanzelka z AGH pt. "Jakość energii elektrycznej - wyższe harmonicze" dostępnej do pobrania tutaj

Wysoki poziom harmonicznych w sieci zasilającej powoduje nieprawidłową pracę wielu urządzeń oraz jest przyczyna uszkodzeń i zniszczeń odbiorników. W przypadku zasilania infrastruktury krytycznej, jakość energii staje się więc jednym z kluczowych czynników wpływających na dostępność do jej usług.
Urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne takie jak: przemienniki częstotliwości silników i napędów, UPS, świetlówki i żarówki energooszczędne, sprzęt komputerowy, zasilacze prądu stałego są jednymi z powszechnie wykorzystywanych urządzeń, które generują harmoniczne wskutek pobierania niesinusoidalnego prądu. Generalnie im więcej urządzeń elektronicznych i energoelektronicznych w systemie, tym mogą wystąpić większe zniekształcenia i większe współczynniki THD (Total Harmonic Distortion).

Duży poziom odkształceń wpływa na nieprawidłową pracę zabezpieczeń elektroenergetycznych, wyłączników różnicowoprądowych, urządzeń sterowania i regulacji, sieci transmisji danych, komputerów, sterowników, itp. Harmoniczne mogą być przyczyną przeciążenia i uszkodzeń baterii kondensatorów, transformatorów, silników indukcyjnych, urządzeń przekształtnikowych, kabli zasilających, itp. Zakłócenia w sieci zasilającej pochodzące od wyższych harmonicznych są odpowiedzialne m.in. za wzrost mocy biernej i mocy odkształceń, zwiększenie strat przesyłowych, niestabilną pracę układu zasilania, rezonansowe wzrosty napięcia oraz inne niepożądane zjawiska negatywnie wpływające na prace i trwałość urządzeń.
Harmoniczne (określane w stosunku do prądu lub napięcia) to sygnały o częstotliwości będącej wielokrotnością częstotliwości znamionowej zniekształcające swoją obecnością sygnał zasilający, wpływając na jego przebieg przez zmianę parametrów zasilania.

W większości instalacji technicznych o znaczeniu krytycznym konsekwencją zaniedbań w ciągłym śledzeniu jakości energii może być skrócenie żywotności urządzeń poniżej oczekiwanych czasów MTBF (skutki odsunięte) lub po prostu, niespodziewane awarie (skutki natychmiastowe) odczuwalne jako przerwy w zasilaniu wywołane przez przełączanie torów zasilających odstawianych przez zabezpieczenia, losowe przepięcia lub zadziałanie wyzwalaczy podnapięciowych wyłączników rozdzielnic głównych, zadziałanie zabezpieczeń termicznych urządzeń, itp.

Skutki odsunięte nie są odczuwalne natychmiast, jednakże przyczyniają się do zwiększonej awaryjności odbiorników, a także powodują wymierne straty finansowe. Te zjawiska powodowane głównie przez odbiorniki nieliniowe, powodujące szereg niekorzystnych zjawisk mogących wystąpić w sieci wewnętrznej, w tym:

• pojawienie się dodatkowej straty energii przetwarzanej na ciepło w silnikach indukcyjnych na skutek występowania prądów wirowych od harmonicznych prądu w wyniku zjawiska histerezy magnetycznej,
• pojawienie się dodatkowej straty mocy czynnej w silnikach indukcyjnych na skutek występowania harmonicznych napięcia tego samego rzędu, powodując że nagrzewanie nawojowych uzwojeń w których, izolacja pod wpływem wzrostu temperatury ulega stopniowemu nagrzewaniu, tracąc przy tym swoje właściwości, co w konsekwencji doprowadzić może do powstania zwarcia,
• zwiększenie strat energii na przesyle (kable i transformatory) na skutek przegrzania wywołanych zwiększeniem wartości skutecznej prądu, w tym:

1. 1. wystąpienie przegrzania izolacji przewodu N zasilania odbiorników niskiego napięcia zasilanych przez lokalne transformatory, w których dolne uzwojenie nawinięte jest w gwiazdę, co w przypadku zasilania odbiorników niesymetrycznych powoduje zamknięcie wszystkich prądów fazowych na przewodzie neutralnym i znaczny wzrost tego prądu w stosunku do wartości w przewodach fazowych i w konsekwencji jego przegrzanie,
   2. nawet kilkukrotnie szybsza degradacja izolacji kabli, uzwojeń silników i transformatorów, na skutek zwiększonej temperaturą pracy w efekcie wystąpienia zjawiska naskórkowości,
   3. nawet 2 krotne zwiększenie straty prądu w samym rdzeniu transformatora na skutek powstania prądów wirowych oraz zwiększenie strat przewodzenia na skutek tzw. zjawiska naskórkowości powodujących nadmierne ich nagrzewanie, często połączone z pogorszeniem odprowadzenia ciepła,

• Wywoływanie odkształcenia napięcia na elementach rozdzielczych, głównie transformatorach, co powoduje dodatkowe odkształcanie prądu i jego przepływ przez elementy liniowe,
• przeciążanie elementów pojemnościowych, np. kondensatorów w bateriach i obwodach pośredniczących prądu stałego na skutek przepływu dodatkowych prądów pojemnościowych od wyższych harmonicznych,
• odkształcenia napięcia powodujące zakłócenia w pracy urządzeń elektronicznych: sterowników, falowników, itp.

W celu wyeliminowania zjawiska pogarszania jakości energii należy prowadzić ciągły pomiar. Pomiary prowadzone nie rejestrują zmienności parametrów w czasie. Ciągłe pomiary parametrów sieci polegają na rejestrowaniu szeregu wielkości charakteryzujących energię elektryczną. Analizator mierzy wartość każdego parametru z określoną częstotliwością (np. 50 razy na sekundę), co przy analizie zmian przebiegu wielkości mierzonych pozwala na lokalizację źródeł występowania zakłóceń w wewnętrznej sieci rozdzielczej. Ciągłe pomiary dają również możliwość oceny dostarczanej jakości energii elektrycznej muszą w punkcie poboru od dostawcy. W razie zmian w konfiguracji infrastruktury technicznej ciągłe pomiary pozwalają na pomiary poprawności doboru baterii kondensatorów w celu oceny działania kompensacji mocy biernej.

Aktualnie jedynie poprawnym i sprawdzonym sposobem eliminacji wyższych harmonicznych jest stosowane aktywnych filtrów harmonicznych w sieci. Poprawnie dobrane filtry umożliwiają:

• Poprawę współczynnika mocy,
• Redukcję zakłóceń harmonicznych sieci,
• Redukcję prądu przewodu neutralnego,
• Redukcję nierównomiernego obciążenia faz,
• Redukcję spadków napięć na transformatorach i kablach,
• Zmniejszenie prądu rozruchowego pobieranego z sieci,
• Obniżenie zapotrzebowania na moc transformatorów,
• Obniżenie zapotrzebowania na moc agregatów prądotwórczych,
• Redukcję temperatury transformatorów i kabli,
• Ustanie ryzyka występowania rezonansu harmonicznych,
• Obniżenie kosztów wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej.

Zastosowanie filtru aktywnego redukuje również koszty:

• energii elektrycznej związane z wprowadzaniem mocy biernej indukcyjnej i pojemnościowej,
• koszty materiałowe (brak konieczności przewymiarowania przewodów neutralnych i transformatorów czy agregatów),
• ryzyka uszkodzenia urządzeń elektronicznych spowodowanych zakłóceniami w sieci elektrycznej
• zysk związany z brakiem przewymiarowania agregatów prądotwórczych n/p zniekształceń,
• wydłuża okres eksploatacji urządzeń i kabli,