Predavanje 15

Pokazatelji i norme kvaliteta električne energije

Distributivne i industrijske mreže, TF Čačak

Električna energija je specifičan komercijalni proizvod. Obezbeđenje kvaliteta je potrebno za kvalitetan rad električnih prijemnika.

Zato mora da podleže određenim normama, standardima ili preporukama u pogledu kvaliteta.

Za kvalitet električne energije zainteresovana je i šira društvena zajednica, pa te propise donose državni organi i stručne organizacije. U njima se kvantitativno specificiraju pojedini pokazatelji i dozvoljeni opsezi promene.

Problemi kvaliteta električne energije posebno su važni kod industrijskih potrošača gde dominiraju energetski pretvarači, pogoni sa velikim udarima opterećenja, uređaji koji funkciju zasnivaju na električnom luku (zavarivanje), snažni jednofazni prijemnici i drugi.

Pojam "kvaliteta električne energije" ima više aspekata, kao što su:

Kvalitet učestanosti, koji je vezan za održavanje učestanosti na propisanoj vrednosti. Kvalitet učestanosti je mera performansi EES-a u odnosu na potrošače.
Kvalitet napona, čija je mera odstupanje veličine napona i oblika naponskog talasa od idealnih referenci. On je, kao i kvalitet učestanosti, mera performansi EES-a u odnosu na potrošače.
Kvalitet struje, koji je komplementaran pojmu kvaliteta napona i odnosi se na odstupanje talasa struje od idealne reference. Kvalitet struje karakteriše performanse potrošača u odnosu na sistem.
Kvalitet snage (ili energije), koji je kombinacija kvaliteta napona i struje i karakteriše interakciju između sistema i potrošača.
Kvalitet isporučioca (potrošača) obuhvata sve tehničke i komercijalne aspekte kvaliteta učestanosti i napona, koji su od uticaja na kupca (isporučioca).

Osnovni pokazatelj kvaliteta isporuke električne energije je neprekidnost napajanja. Ona se definiše raznim indeksima pouzdanosti (to se neće detaljnije izlagati; videti odgovarajuću literaturu). Na osnovu njih se planiraju proširenja mreže i izgradnja novih objekata.

Pokazatelji kvaliteta koji se normiraju obično se vezuju za dve najvažnije promenljive koje karakterišu rad elektroenergetskog sistema (EES-a):

Učestanost.
Napon.

Preko njih se preslikavaju sve abnormalnosti u radu sistema na potrošače.

Normirani pokazatelji po pravilu se vezuju za normalan radni režim EES-a. Poremećeni režimi zbog velikog broja različitih poremećaja obično se ne razmatraju kod normiranja kvaliteta električne energije.

Pokazatelji kvaliteta vezani za učestanost

Učestanost karakteriše održavanje ravnoteže između proizvodnje i potrošnje.

Ona je sistemska promenljiva, tako da distributivna i industrijska preduzeća ne utiču na njenu regulaciju.

Karakteristični pokazatelji su:

1. Odstupanje trenutne od nominalne učestanosti

\Delta F(t) = F(t) - F_n.

2. Odstupanje srednje vrednosti učestanosti u nekom vremenskom periodu $\boldsymbol{T}$ (15 minuta, 1 sat, 1 godina i slično) u odnosu na nominalnu učestanost

\Delta F_T = F_T - F_n;

F_T = \frac{1}{T}\int\limits_0^T F(t)\,\mathrm{d}t \quad - \text{ srednja vrednost učestanosti u periodu } T.

3. Srednje-kvadratno odstupanje (standardna devijacija) učestanosti u nekom vremenskom periodu $\boldsymbol{T}$ u odnosu na srednju vrednost $\boldsymbol{F_T}$

\sigma_{\Delta F} = \sqrt{\frac{1}{T}\int\limits_0^T [F(t) - F_T]^2\,\mathrm{d}t}.

4. Sa odstupanjem učestanosti direktno je vezan pojam sinhronog vremena

T_{syn} = \frac{1}{F_n}\int\limits_0^T F(t)\,\mathrm{d}t + T_{syn}^0,

gde je $T_{syn}^0$ sinhrono vreme na početku intervala.

Takođe, normira se i odstupanje sinhronog vremena u odnosu na tačno (astronomsko) vreme $T_{astr}$ .

Sinhrono vreme je globalni pokazatelj održavanja ravnoteže između proizvodnje i potrošnje tokom dužeg perioda:

\Delta T_{syn} = T_{syn} - T_{astr} = \frac{1}{F_n}\int\limits_0^T [F(t) - F_n]\,\mathrm{d}t.

5. Kolebanje učestanosti je razlika između maksimalne ( $\boldsymbol{F_T^{max}}$ ) i minimalne vrednosti ( $\boldsymbol{F_T^{min}}$ ) trenutne učestanosti tokom perioda $\boldsymbol{T}$

\Delta F_{T,kol} = F_T^{max} - F_T^{min}.

6. Pri brzim promenama učestanosti (većim od 0,2 Hz/s) definiše se brzina promene učestanosti

v_F = \frac{\mathrm{d}F(t)}{\mathrm{d}t}.

Neki primeri iz propisa su:

Dopušteno odstupanje učestanosti u normalnom radnom režimu:

±0,1 Hz trajno
±0,2 Hz privremeno

Odstupanje sinhronog vremena ±120 s (u UCTE ±20 s)

Pokazatelji kvaliteta vezani za napon

Najznačajniji i kritični problemi vezani za napon su prekidi napajanja i odstupanja napona iznad dozvoljenih granica.

Karakteristični pokazatelji su:

1. Odstupanje trenutne od nominalne vrednosti napona

\Delta V(t) = V(t) - V_n, \text{ ili } \Delta V(t) = \frac{V(t) - V_n}{V_n} \quad [\%].

Ako su amplitude trenutnih odstupanja veće od 10 %, govori se o naponskim udarima (za pozitivne) i propadima (za negativne).

Većina zemalja dozvoljava odstupanje napona u granicama ±(5−10) % nominalnog napona kada se napajaju elektromotorni pogoni, dok se za osvetljenje ove granice iznose ±(2,5−5) %.

2. Odstupanje srednje vrednosti napona u nekom vremenskom periodu $\boldsymbol{T}$

\Delta V_T = V_T - V_n;

V_T = \frac{1}{T}\int\limits_0^T V(t)\,\mathrm{d}t \quad - \text{ srednja vrednost napona u periodu } T.

3. Srednje-kvadratno odstupanje (standardna devijacija) napona u nekom vremenskom periodu $\boldsymbol{T}$ u odnosu na srednju vrednost $\boldsymbol{V_T}$

\sigma_{\Delta V} = \sqrt{\frac{1}{T}\int\limits_0^T [V(t) - V_T]^2\,\mathrm{d}t}.

Prethodni pokazatelji su analogni kao kod učestanosti.

Ne postoje pokazatelji napona vezani za sinhrono vreme.

4. Pad napona je razlika modula napona između dve tačke, izazvana protokom struje kroz poveznu impedansu

\Delta V = V_1 - V_2.

5. Brza kolebanja napona (flikeri) karakterišu se amplitudom ( $\boldsymbol{\Delta V_f}$ ) i učestanošću ponavljanja

f_v = 1 + \frac{6}{n} = 1 + \frac{\Delta t}{10},

gde su:

$n$ – broj treptaja (kolebanja) u minutu;
$\Delta t$ – prosečni vremenski razmak između kolebanja.

6. Pomeraj nulte tačke trofaznog sistema napona (karakteriše prisustvo napona nultog redosleda u nesimetričnom sistemu)

V_0 = \frac{V^0}{V^d} = \frac{\left|\ph{V}_a + \ph{V}_b + \ph{V}_c\right|}{\left|\ph{V}_a + \ph{a}\ph{V}_b + \ph{a}^2\ph{V}_c\right|} \approx \frac{V^0}{V_n}.

7. Nesimetrija trofaznog sistema definisana kao odnos inverzne i direktne komponente napona

V_i = \frac{V^i}{V^d} = \frac{\left|\ph{V}_a + \ph{a}\ph{V}_b + \ph{a}^2\ph{V}_c\right|}{\left|\ph{V}_a + \ph{a}^2\ph{V}_b + \ph{a}\ph{V}_c\right|} \approx \frac{V^i}{V_n}.

U ovom slučaju uslovi rada pojedinih faza nisu jednaki. Ovakvi uslovi mogu nastati iz raznih razloga: simetričan potrošač priključen na nesimetrični sistem napona, trofazni potrošač troši nejednaku snagu po fazama, veliki jednofazni potrošači (indukcione peći, uređaji za zavarivanje, elektrootporne peći i drugi) i slično.

Sa nesimetričnim opterećenjem smanjuje se propusna moć EES-a, povećavaju gubici energije, povećavanje zagrevanja mašine i opreme, smanjenje pouzdanosti i drugi problemi.

Na pojavu nesimetrije posebno su osetljivi sinhroni i asinhroni motori. Smatra se da se pri nesimetriji struja statora od $0{,}1I_n$ radni vek motora smanjuje za polovinu.

Nesimetrija od 2 % na krajevima potrošača se dozvoljava, pri čemu se postavljaju i dodatni uslovi na trajanje nesimetrije.

Osnovni poremećaji kvaliteta električne energije za oblik talasa napona (struje)

Oblik talasa napona koji odstupa od idealne sinusoide važan je pokazatelj. Neki od praktičnih pokazatelja oblika talasa napona su:

Naponski propadi su smanjenje amplitude napona industrijske učestanosti, čije je trajanje u opsegu 0,01 s do 1 minut

Sinusoida napona čija se amplituda za nekoliko perioda smanji, pa se vrati na prethodnu vrednost.

Prekidi napajanja predstavljaju potpuni gubitak napona (ispod 10 % od nominalne vrednosti). Trenutni prekidi traju 0,01−3 s, privremeni prekidi između 3−60 s i trajni prekidi > 60 s

Sinusoida napona koja posle dve periode padne na nulu, ostane na nuli neko vreme, pa se vrati.

Naponski udari su privremena povećanja napona za više od 10 % od nominalne vrednosti, a trajanja 0,01−60 s

Sinusoida napona čija se amplituda za nekoliko perioda poveća, pa se vrati na prethodnu vrednost.

Prolazne distorzije (tranzijentne promene) talasa napona su impulsne promene koje se ponavljaju

Sinusoida napona sa tri kratka impulsa, uskim šiljcima koji nadvisuju talas, na različitim mestima perioda.

Harmonici predstavljaju sinusoidne talase napona, čije su učestanosti celobrojni ili razlomljeni umnožak osnovne učestanosti. One se superponiraju na talas osnovne učestanosti.

Viši harmonici: samo neparni sa celobrojnim umnoškom većim od 1
Subharmonici: razlomljeni umnožak manji od 1
Interharmonici: necelobrojni umnožak veći od 1

Izvori harmonika su nelinearni potrošači i uređaji energetske elektronike (statički konvertori, invertori, lučne peći i drugi uređaji).

Sadržaj viših harmonika u sinusoidi napona koji karakteriše izobličenje napona:

V_h = \sqrt{\sum_{i=3}^{\infty} V_{hi}^2};

V_h(\%) = \frac{V_h}{V_{h1}} \cdot 100,

gde su:

$V_{hi}$ – efektivna vrednost i-tog harmonika ( $i$ = 3, 5, 7, ...);
$V_{h1}$ – efektivna vrednost osnovnog harmonika.

Granica sadržaja viših harmonika u sinusoidi napona ne sme biti veći od 5 % od efektivne vrednosti napona osnovne učestanosti.

Primer harmonijske distorzije (prisustva harmonika):

Talas napona izobličen harmonicima: umesto sinusoide, svaka poluperioda ima spljošten vrh sa udubljenjem.

Fluktuacije (kolebanja) napona okarakterisane su sistemskim varijacijama anvelope amplitude talasa napona (obično u opsegu 90−110 %)

Ove varijacije su svojstvene flikerima.

Sinusoida napona čija amplituda polako opada, pa raste iznad početne: anvelopa talasa se menja.

Elektrolučne peći, aparati za zavarivanje i upravljivi poluprovodnički pretvarači su tipični za brzo-promenljiva opterećenja. Kolebanja napona izazivaju treperenja sijalica, ometaju rad televizora i računara, sredstava veze, statičkih pretvarača i drugih. Posledica kolebanja napona je iritiranje organa vida neprijatnim treperenjem sijalica (učestanost 4 do 10 Hz), što dovodi do neprijatnih psihofizičkih efekata.

Kolebanja napona karakterišu se:

Rasponom promene

\delta V = V_{max} - V_{min}.

Frekvencija promene napona ( $m$ je broj promena u periodu $T$ )

F = \frac{m}{T}.

Odstupanje napona manifestuje se u promeni perioda talasa napona

Sinusoida napona čije se periode prvo skraćuju, pa produžavaju: menja se trajanje periode talasa.

Kvalitet električne energije u industrijskim mrežama i kompenzacija reaktivnih snaga

Problem kompenzacije reaktivnih snaga je podjednako važan u fazi planiranja razvoja i u eksploataciji elektroenergetskog sistema (EES-a).

U fazi planiranja treba rešiti sledeće probleme:

Koje izvore reaktivne snage ugraditi.
Optimalna lokacija tih izvora.
Optimalna snaga izvora.
Način regulacije izvora.

Opšti je trend u modernim industrijskim postrojenjima da je rast potrošnje reaktivne snage brži od rasta potrošnje aktivne snage. Osnovne negativne posledice povećanog transporta reaktivne snage su:

Povećani gubici aktivne snage i energije.
Povećani padovi napona.
Smanjenje prenosnih kapaciteta transformatora i opreme.

To su, naravno, generalni problemi koje rešava kompenzacija. Iz pregleda faktora snage pojedinih industrijskih postrojenja vidi se da je problem kompenzacije u industrijskim mrežama vrlo važan.

Međutim, u današnjim industrijskim pogonima sve je prisutnije postojanje brzo promenljivih i nelinearnih potrošača, koji imaju povećanu potrošnju reaktivne snage (energetski pretvarači, elektrotermička postrojenja, valjaonice i slično).

Ovi uređaji pored problema lošeg faktora snage imaju i problem kvaliteta električne energije (flikeri).

To znači da se u tom slučaju klasična kompenzacija (postrojenja sa regulisanim ili neregulisanim baterijama kondenzatora) ne mogu primeniti, jer ne rešavaju problem.

Osnovni problemi su:

Moguća prekompenzacija (naročito kod fiksne kompenzacije).
Mogućnost pojave rezonanse (naime baterije kondenzatora do 1000 Hz mogu da ulaze u rezonansu – praktično do 20-tog harmonika).

To su veliki i nerešivi problemi za baterije kondenzatora.

Zbog toga se u industrijskim preduzećima najčešće primenjuje dinamička, ili brza kompenzacija reaktivne snage. Takva postrojenja su najčešće kombinovana sa filterima.

Tako se ostvaruju dve osnovne pretpostavke:

Filter eliminiše više harmonike.
Problem brzo promenljivog reaktivnog opterećenja rešava se brzim regulisanim tiristorskim prekidačima.

Načini smanjivanja zahteva za reaktivnom snagom su:

Zamena slabo opterećenih asinhronih motora sa motorima manje snage.
Smanjivanje napona kod slabo opterećenih asinhronih motora.
Ograničavanje trajanja praznog hoda motora i transformatora za zavarivanje.
Primena sinhronih motora kada to tehnologija dozvoljava.
Primena adekvatnih energetskih pretvarača i sistema za njihovo upravljanje.

Ako ove mere nisu dovoljne, primenjuje se kompenzacija. Osnovna sredstva u industrijskim mrežama su:

Tiristorski kontrolisane kapacitivnosti (TCC)

Sabirnica sa koje se napaja nelinearni potrošač sa brzom promenom snage, a uz njega grana sa induktivnošću Lc, kondenzatorom C i tiristorskim prekidačem TP od dva antiparalelna tiristora prema zemlji.

Osnovni element su tiristorski kontrolisane kapacitivnosti. Princip rada se sastoji u podešavanju ukupne susceptanse kontrolisanjem broja paralelnih grana koje su u stanju provođenja (na prethodnoj slici prikazana je samo jedna grana). Ovo je diskretna stepenasta regulacija.

Svaka paralelna grana sadrži manju induktivnost vezanu na red, zbog ograničenja struje u trenutku uključenja.

Drugo slično rešenje je Tiristorski kontrolisani reaktor (TCR)

Sabirnica sa nelinearnim potrošačem sa brzom promenom snage i granom sa promenljivom induktivnošću L i tiristorskim prekidačem TP prema zemlji.

U praksi se najčešće primenjuje sledeće kombinovano rešenje, koje predstavlja tipičnu šemu dinamičke kompenzacije u industrijskim mrežama:

Sabirnica sa tri grane: filter od induktivnosti Lc i kondenzatora C prema zemlji, TCR od promenljive induktivnosti L i tiristorskog prekidača TP prema zemlji, i nelinearni potrošač sa brzom promenom snage.

Energetski filter eliminiše struju 5-og harmonika.

Na osnovnom harmoniku filter je izvor reaktivne snage (ponaša se kao baterija kondenzatora).

Teme

Regulacija napona · Kompenzacija reaktivne snage

Predavanje u PDF-u, na Drive-u

Folder predmeta Distributivne i industrijske mrežeNa Drive-u: Predavanja