ei_2004_03_s054.pdf

instalacje elektroenergetyczne

ukryte koszty

złej jakości energii

Hans De Keulenaer – European Copper Institute (tłum. Przemysław Berowski)

€ 600 000 i 3 dni produkcji z

powodu awarii dwóch transforma-

torów. Pożar w banku, spowodowa-

ny przegrzaniem przewodu neutral-

nego, skutkuje stratami w wysoko-

ści powyżej miliona euro. Nie są to

odosobnione przypadki. Ostatnie

publikacje [2, 4] szacują światowe

straty spowodowane złą jakością

energii na 500 miliardów euro rocz-

nie, co jest równe połowie obrotów

światowej energetyki. Dla wielu ko-

mercyjnych użytkowników koszty

złej jakości energii przewyższają

opłaty za energię elektryczną. I

koszty te stale rosną na skutek

przerw, zapadów, zawartości harmo-

nicznych i innych zakłóceń. Niektó-

re z nich, np. harmoniczne prądów

i napięć, są stosunkowo nowe, na-

tomiast inne, takie jak przerwy i za-

pady, są znane od lat, ale ich wpływ

na koszty zwiększa się dramatycz-

nie. Pojedyncze zakłócenie w fabry-

ce półprzewodników może spowo-

dować straty rzędu 3,8 miliona

euro. Każda minuta przerwy w za-

silaniu telekomunikacji kosztuje

€ 30 000 [8]. Skutkami są utracona

produkcja, uszkodzenia urządzeń,

bezczynność personelu, utrata da-

nych i w konsekwencji: odroczenie

dochodów, negatywny wpływ na

płynność ﬁ nansową, utrata zaufa-

nia klientów, a nawet zmniejszenie

udziału w rynku. Czasem efekty nie

są aż tak oczywiste – zakłócenia har-

moniczne, powodujące dodatkowe,

ukryte straty w systemie i przyspie-

szają starzenie się urządzeń na sku-

tek spowodowanego przez nie do-

datkowego nagrzewania.

W artykule autor stara się odpo-

wiedzieć na niektóre pytania:

czy zła jakoś energii jest naprawdę

problemem?

na ile poważnym?

jakie jest ryzyko narażenia?

w jakim kierunku należy podej-

mować zapobiegawcze decyzje in-

westycyjne?

kłócenia.

Koszt kilowatogodziny, nie do-

starczonej z powodu przerwy w za-

silaniu, znacznie przewyższa cenę

kilowatogodziny dostarczonej zgod-

nie z potrzebami. Należy wypełnić

lukę między liczbą dziewiątek nie-

zawodności zasilania, zwykle 3-4,

a sześcioma wymaganymi przez

obecne społeczeństwo informacyj-

ne. Cztery dziewiątki oznaczają zasi-

lanie dostępne przez 99,99% czasu,

co odpowiada 52 minutom przerw

w zasilaniu rocznie, podczas gdy 6

dziewiątek pozwala jedynie na 30

sekund przerw rocznie.

Jednak dziewiątki niezawod-

ności nie przedstawiają całej praw-

dy. Jednorazowy 52-minutowy za-

nik zasilania powoduje znacznie

mniej strat niż 52 nieplanowane

zaniki jednominutowe. Czasem

przerwy trwające poniżej minuty

nie są nawet uwzględniane w sta-

tystykach. Według [3] przeciętny

odbiorca doświadcza 16 przerw w

zasilaniu rocznie. Przerwy stanowią

około 6% zakłóceń w jakości energii,

ale są odpowiedzialne za znacznie

większą część kosztów powodowa-

nych złą jakością energii.

Zakłócenia napięcia zdarzają

się często zarówno od strony sieci,

jak i odbiorcy. Monitorowanie staje

się coraz bardziej niezbędne i rów-

nocześnie coraz bardziej dostępne.

Badanie przeprowadzone na grupie

ponad 100 odbiorców pokazało, że

odczuwali oni zakłócenia średnio

289 razy w ciągu roku, czyli czę-

ściej niż raz w ciągu dnia robocze-

go, przy czym u niektórych odbior-

ców w ogóle nie zanotowano zakłó-

ceń, podczas gdy u innych ich liczba

przekroczyła 14 000 rocznie [3].

Kryterium decydującym o lo-

kalizacji zakładów powinna być

jakość dostaw energii. Między re-

gionami występują znaczne różni-

ce w dostępności i w jakości ener-

zła jakość energii

Idealne źródło zasilania jest za-

wsze dostępne i ma przebieg ideal-

nie sinusoidalny, pozbawiony za-

burzeń, a jego napięcie i częstotli-

wość zawsze mieszczą się w grani-

cach tolerancji [1]. Oczywiście to

stwierdzenie trzeba odnieść do

czułości odbiorników na różne ro-

dzaje zaburzeń. Koszty jakości ener-

gii są określone:

jakością dostarczanego napięcia,

rodzajem odbiorników w obiek-

cie,

czułością tych odbiorników na za-

Rys. 1 Częstość występowania typowych problemów związanych ze złą jakością energii elektrycznej

www.elektro.info.pl

nr 3/2004

H uta Szkła we Francji traci

instalacje elektroenergetyczne

gii. Zła jakość energii, przez inwe-

stycje w jej poprawę lub dostosowa-

nie do niej, dramatycznie zwiększa

koszty prowadzenia działalności go-

spodarczej. W regionach wiejskich,

zaopatrywanych za pośrednictwem

długich linii napowietrznych, zwy-

kle istnieje minimalna możliwość

poprawienia jakości energii od stro-

np. służących do poprawy współ-

czynnika mocy, spowodowane

nieoczekiwanymi zjawiskami re-

zonansowymi lub uszkodzenia

transformatorów;

dodatkowe straty związane z na-

grzewaniem transformatorów, ka-

bli i silników;

zmniejszenie dopuszczalnego

szacują straty na kilkaset miliardów

euro rocznie w skali świata.

terach osobistych mogą wymagać

inwestycji w instalację elektrycz-

ną: ﬁ ltry, zwiększenie przekro-

ju przewodu neutralnego czy sie-

ci dedykowane. Koszty inwestycji

łagodzącej muszą być porównane z

kosztami wymiany wszystkich za-

silaczy impulsowych na jednostki

wyższej jakości.

jakość energii

jako współczesny problem

Instalowane urządzenia są co-

raz czulsze na zakłócenia, które czę-

sto same wytwarzają. Jakość źró-

deł zasilania nie wzrośnie, ponie-

waż tak naprawdę

podnoszenie jako-

ści energii byłoby

nieuzasadnione

ekonomicznie za-

równo pod wzglę-

dem zasilania, jak

i wymagań okre-

ślonych przez

społeczeństwo

informacyjne. Na

szczęście spore

pole manewru w kwestii rozwiąza-

nia tego problemu istnieje po stro-

nie odbiorcy.

Informacje o zakłóceniach wy-

twarzanych przez urządzenia elek-

troniczne oraz o odporności tych

urządzeń na zakłócenia, powinny

znajdować się w ich dokumenta-

cji, a i same urządzenia powinny

być poddane analizie rynku. Dla

przykładu, niskiej jakości zasila-

cze impulsowe (SMPS) w kompu-

występujące problemy

Rys. 2 Poziomy zabezpieczeń przy łagodzeniu złej jakości energii

European Copper Institute

przeprowadził w 2001 roku wśród

zarządzających zakładami i budyn-

kami w 1400 miejscach, w 8 kra-

jach badanie dotyczące problemów

z jakością energii [5]. Jak się oka-

zało, każdy z problemów przedsta-

wionych na rysunku 1 , wystąpił u

5 – 25% respondentów. Faktycznie

dane te mogą być zaniżone z po-

wodu braku świadomości wystą-

pienia problemu lub niemożności

rozpoznania go jako skutku złej ja-

kości energii.

Takie problemy występują we

wszystkich gałęziach gospodarki

i powodują ciągłe niedogodności.

Według [6] problemy ze złą jako-

ścią energii w Hiszpanii zdarzają się

przynajmniej w 2/3 zakładów pracy

raz w miesiącu i raz w tygodniu w

1/3 tych zakładów pracy.

ny zasilania.

Harmoniczne istnieją od daw-

na, ale dziś stają się wszechobecne

z powodu upowszechnienia urzą-

dzeń energoelektronicznych w za-

silaczach komputerów, w lampach

energooszczędnych i układach na-

pędowych z regulacją prędkości.

Zawartość harmonicznych w sie-

ci rozdzielczej powoduje dodatko-

we koszty:

przedwczesne awarie urządzeń,

obciążenia, czego skutkiem jest

zwiększenie kosztów urządzeń.

Wymagane jest scharaktery-

zowanie skali problemów związa-

nych z harmonicznymi w budynku

i oszacowanie jej wpływu na urzą-

dzenia elektryczne. Poza kilkoma

podstawowymi pracami, wpływ

harmonicznych na koszty nie zo-

stał jak dotąd należycie zrozumia-

ny, ale ostatnie raporty Eurelectric

możliwe rozwiązania

Rys. 3 Najpopularniejsze rozwiązania stosowane u użytkowników (na podstawie wyżej omówionych badań) [5]

Rozwiązania można stoso-

wać na 4 poziomach (na rysun-

ku 2 z [7]):

1. Poprawiając parametry urządzeń:

najdroższe rozwiązanie przy sto-

sowaniu w całym zakładzie, ale

opłacalne w szczególnych przy-

padkach.

2. Zabezpieczając podzespoły urzą-

dzeń. Takie rozproszone rozwią-

zanie może być zastosowane za-

równo do sterowania, jak i do

układów UPS czy filtrów. Jest to

kompromis między koszta-

www.elektro.info.pl

nr 3/2004

instalacje elektroenergetyczne

mi, doborem i elastycznością.

3. Stosując globalne działania zabez-

pieczające i łagodzące w skali za-

kładu.

4. Działając po stronie sieci zasilają-

cej.

Pozostaje jednak pytanie: „Kto

zapłaci za łagodzenie skutków złej

jakości energii?” Zasada „winny po-

nosi koszty” może być trudna do za-

stosowania, ze względu na możliwe

zaangażowanie wielu podmiotów.

Nawet jeśli zakłócenie pochodzi z

sieci, to kosztami jego złagodzenia

wciąż można obciążyć użytkowni-

ka. Współczesne poglądy ewoluują

w kierunku określenia podstawo-

wego poziomu jakości energii do-

starczanej opisanego w normie EN

50610. Poziom ten jest uwzględnio-

ny w taryfach energii elektrycznej,

ale nie jest wystarczający dla wielu

procesów. Doskonała jakość energii

może być osiągnięta zarówno dzię-

ki rozwiązaniom u użytkowników,

jak i dzięki porozumieniu z dostaw-

cą. Jednak wydaje się, że kontrak-

ty na dostawę energii wysokiej ja-

kości znalazły zastosowanie tylko

w wąskim zakresie. Rozwiązania

po stronie użytkowników są pod-

stawowym środkiem łagodzącym

[9]. Rysunek 3 pokazuje przegląd

najpopularniejszych rozwiązań po-

prawy jakości energii.

ocena kosztu inwestycji

w poprawę jakości energii

Rys. 4 Roczne koszty złej jakości energii oraz koszty środków łagodzących na przykładzie fabryki tworzyw sztucznych

zakłócenia;

obliczania rocznego kosztu złej

jakości energii jako podstawy do

dalszych analiz.

Następnie metoda szacowania

wpływu różnych środków łagodzą-

cych przez określenie odporności

na każdy rodzaj zakłóceń czy przez

zmniejszenie kosztów w przypad-

ku ich wystąpienia. Otrzymuje się

koszt złej jakości energii, przy zasto-

sowaniu każdego ze środków łago-

dzących. Dodając roczne koszty złej

jakości energii do kosztów inwesty-

cji, uzyskujemy wykres jak na ry-

sunku 4 , co pozwala podejmować

decyzje, uwzględniając różne dodat-

kowe korzyści wynikające z dobrej

jakości energii:

zwiększona ciągłość funkcjonowa-

nia;

zmniejszenie ryzyka: straty spo-

wodowane zanikami są parame-

trem statystycznym, przy czym

jego wartość maksymalna jest

znacznie powyżej średniej;

lepsze samopoczucie personelu

spowodowane pracą w środowi-

sku bezawaryjnym.

dla wielu sektorów gospodarki.

Znaczna część przedsiębiorstw po-

nosi straty związane z obniżeniem

jakości energii (ponad 50%).

Problemy zdarzają się przynajm-

niej raz w miesiącu, a często raz w

tygodniu.

Obecnie dostępne są zaawan-

sowane rozwiązania monitorują-

ce, a przecież właśnie od monito-

ringu rozpoczyna się poznawanie

kosztów złej jakości energii. Możli-

we jest powiązanie jakości energii

z kosztami i podjęcie decyzji doty-

czącej rodzajów środków zapobie-

gawczych.

Dobra jakość energii zmniej-

sza ryzyko, obniża koszty prowa-

dzenia działalności gospodarczej,

a w związku z tym poprawia bilans

przedsiębiorstw. Zgodnie z bada-

niami przeprowadzonymi w Hisz-

panii [6] i obejmującymi 100 za-

kładów, zwrot kosztów poniesio-

nych na działania łagodzące, na-

stępuje w czasie od 7 miesięcy do

5 lat, ale zwykle okres ten nie prze-

kracza 2 lat.

2. Task force 38.06.01, Methods to

consider customer interruption

costs in power system analy-

sis, Aug 2001, CIGRE report 119,

www.cigre.org.

3. Douglas S Dorr, Point of Utiliza-

tion Power Quality Study Results,

1994, IEEE IAS meeting.

4. Eurelectric, Power Quality in Eu-

ropean Electricity Supply Ne-

tworks - 1st edition, Feb 2002, re-

port 2002-2700-0005, www.eure-

lectric.org.

5. Hans De Keulenaer, Power Qu-

ality Self-Assessment Guide, Nov

2002, Power Quality Application

Guide 1-2, www.lpqi.org.

6. Jonathan Manson, Business Mo-

del for investing in PQ solutions,

In print, Power Quality Applica-

tion Guide 2-2, www.lpqi.org.

7. Mark McGranaghan, Economic

Evaluation of Power Quality, Feb

2002, IEEE Power Engineering Re-

view.

8. David Chapman, The Cost of Poor

Power Quality, April 2002, Power

Quality Application Guide 2-1,

www.lpqi.org.

9. LEONARDO Power Quality Initia-

tive, Literature Survey, Feb 2002,

Summary report available from

hdk@eurocopper.org., Not publi-

shed.

Metodologia łagodzenia spo-

radycznych wydarzeń (przerw i

zapadów), omówiona w [7], sta-

je się podstawą dobrej praktyki w

zakresie:

charakteryzowania jakości energii

przez określenie zdarzeń, miejsc i

częstości ich wystąpień;

grupowania zdarzeń według ty-

pów;

szacowania kosztów każdego typu

literatura

wnioski

1. David Chapman, Introduction to

Power Quality’, April 2002, Po-

wer Quality Application Guide 1-

1, www.lpqi.org.

Koszty złej jakości energii są

wysokie i wciąż rosną:

Zła jakość energii jest problemem

www.elektro.info.pl

nr 3/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: