Szybkie zmiany napięcia w układach elektroenergetycznych

Wartość skuteczna napięcia zasilającego w sieciach rozdzielczych i instalacjach elektroenergetycznych jest jednym z najważniejszych parametrów określających jakość zasilania. Wartość napięcia musi spełnić określone wymagania jakościowe zawarte między innymi w rozporządzeniu [1], które określa dopuszczalne odchylenia w stosunku do wartości znamionowej. Dla sieci elektroenergetycznych niskiego napięcia wymagane jest, aby w każdym tygodniu 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego mieściło się w przedziale odchyleń ±10% napięcia znamionowego. Przywołane rozporządzenie bazuje na zapisach normy [2], która określa większą liczbę parametrów jakościowych napięcia. W systemie elektroenergetycznym możliwa jest regulacja wartości skutecznej napięcia poprzez zmianę zaczepów transformatorów lub poprzez zmianę bilansu mocy biernej. Możliwa jest regulacja w sieciach niskiego napięcia poprzez włączenie dodatkowych urządzeń regulujących [3].

Fot. stock.adobe/romaset

Zobacz:

• Praca pod napięciem – rozwój techniki, planowanie, bezpieczeństwo
• Jak łatwiej naprawiać i eksploatować napowietrzne linie elektroenergetyczne
• Produkty budowlane
• Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych bez barier

Praca odbiorników energii elektrycznej jest silnie uzależniona od rzeczywistej wartości skutecznej napięcia. Moment silników asynchronicznych jest uzależniony od kwadratu wartości napięcia. Wartość strumienia światła zależy od rodzaju lampy i od wartości napięcia. Praca odbiorników elektronicznych bądź energoelektronicznych przy niewłaściwym poziomie napięcia w ogóle może być niemożliwa. Nie tylko wartość napięcia, ale również ciągłość zasilania jest ważna. Wynika stąd stosowanie w szczególnie wymagających przypadkach szeregu różnych rozwiązań zasilania rezerwowego i bezprzerwowego. Rozwiązania te obejmują zasilanie rezerwowe z sieci publicznej, generatory spalinowe czy różne układy zasilania bezprzerwowego typu UPS [4], mogące również współpracować z odnawialnymi źródłami energii.

Istotnym aspektem pracy odbiorników są szybkie zmiany napięcia w obwodzie zasilającym. Zmiany te mogą być spowodowane niestabilną pracą odbiorników. Zmiana poboru prądu będzie prowadziła do zmian spadków napięcia w torze prądowym, co w sposób bezpośredni będzie przekładało się na wartość napięcia zasilającego odbiorniki w rozpatrywanym obwodzie. Miarą tych zmian są wskaźniki migotania światła krótkookresowego P i długookresowego P. Sam proces wyznaczania tych wskaźników jest dość skomplikowany i został szeroko opisany w literaturze fachowej [2, 5, 6]. Schemat blokowy miernika migotania światła przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Schemat blokowy miernika migotania światła UIE . Na rysunku przedstawiono przebiegi sygnałów w wybranych punktach miernika, stosując odpowiedź na zmodulowany sinusoidalnie sygnał wejściowy [5]

Wartość krótkookresowego migotania światła wyznacza się zgodnie ze wzorem [5, 7]:

gdzie współczynniki k_0,1 do k₅₀ to współczynniki ważenia i ich wartość wynika z przyjętych procedur obliczeniowych, a P_0,1 do P₅₀ to poziomy migotania światła, dla których określone jest prawdopodobieństwo ich nieprzekroczenia. Aby uzyskać zwiększoną odporność współczynnika P na skokowe zmiany wartości, wprowadzono dodatkowe punkty pomiarowe:

Przyjmuje się, że wartość współczynnika powyżej jedności związana jest z uciążliwymi wahaniami napięcia. Krótkookresowy wskaźnik migotania światła odpowiedni jest do oceny wahań napięcia dla pojedynczego odbiornika. W celu analizy wpływu wielu odbiorników we wspólnym punkcie przyłączeniowym lub przy długim cyklu pracy właściwym będzie zastosowanie długookresowego wskaźnika migotania światła:

Przyjęto, że oblicza się jego wartość dla przedziału czasu dwugodzinnego, uwzględniając w nim dwanaście 10-minutowych wartości współczynnika P. Wartość tego wskaźnika jest o tyle istotna, że została ujęta w normie [2] i rozporządzeniu [1]. Wymagane jest, aby przez 95% czasu każdego tygodnia wskaźnik długookresowego migotania światła P_lt, spowodowanego wahaniami napięcia zasilającego, nie był większy od 1.

Przykładowa zależność pomiędzy wartościami wskaźników P_st i P_lt przedstawiona została na rys. 2. Można zauważyć, że pojawiają się krótkotrwałe, ale znaczące zmiany współczynnika P_st, który osiąga znaczne wartości, różne dla poszczególnych faz napięcia zasilającego. Zmianom tym odpowiadają podwyższone wartości współczynnika P_lt.

Rys. 2. Zmienność wartości współczynników krótko- i długookresowego migotania światła dla wybranego zakładu przemysłowego

W celu redukcji migotania światła stosuje się tak naprawdę dwa sposoby [5, 7]:

• zwiększenie mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia odbiornika niespokojnego (w stosunku do mocy odbiornika); w praktycznych działaniach oznacza to: (a) przyłączanie odbiornika do szyn o coraz wyższym napięciu znamionowym, (b) wydzielanie specjalnych, dedykowanych linii bezpośrednio z sieci WN do zasilania tej kategorii odbiorników, zasilanie odbiorników spokojnych i niespokojnych z oddzielnych uzwojeń transformatorów trójuzwojeniowych lub oddzielnych transformatorów (separacja odbiornika niespokojnego), (c) zwiększanie mocy transformatora zasilającego odbiornik niespokojny, (d) instalowanie kondensatorów szeregowych itp.;
• zmniejszenie zmian mocy biernej w sieci zasilającej poprzez instalację tzw. kompensatorów/stabilizatorów dynamicznych.

W dalszej części artykułu:

• Spadek napięcia uzależniony od mocy biernej
• Statyczne generatory mocy biernej

dr inż. Andrzej Książkiewicz Astat Sp. z o.o.

mgr inż. Magdalena Jatczak Astat Sp. z o.o.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. Nr 93, poz. 623).
2. PN-EN 50160:2010 – Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych.
3. A. Książkiewicz, M. Karczewski, Systemy regulacji napięcia w liniach niskiego napięcia wyposażonych w instalacje PV, „Wiadomości Elektrotechniczne” 5/2020, doi: 10.15199/74.2020.5.5.
4. T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną – urządzenia i układy COSiW SEP 2007.
5. Z. Hanzelka, Jakość dostawy energii elektrycznej. Zaburzenia wartości skutecznej napięcia, Wydawnictwo AGH 2013.
6. M. Bątkiewicz-Pantuła, The problem of deter- mining the coefficient of flicker in accordance to normative regulations, „Przegląd Elektrotechniczny” 1(96)/2020.
7. Z. Hanzelka, Wahania napięcia, „Automatyka, Elektryka, Zakłócenia” 3(5)/2011.
8. S. Kujszczyk, Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2004.
9. W. Dołęga, M. Kobusiński, Projektowanie instalacji elektrycznych w obiektach przemysłowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 2009.
10. A. Lange, M. Pasko, Wpływ pieców łukowych na krótkotrwały (P_st) i długotrwały (P_lt) współczynnik migotania światła, „Przegląd Elektrotechniczny” 4(92)/2016.
11. R. Kowalak, Kompensatory i ich wpływ na pracę systemu elektroenergetycznego, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 2019.
12. G. Hołdyński, Z. Skibko, Wpływ asymetrycznego obciążenia na pracę układów kompensacyjnych, „elektro.info” 3/2019.