Wpływ sposobu zasilania nowoczesnych układów oświetleniowych na jakość energii elektrycznej.pdf

MATERIAŁY KONFERENCYJNE MITEL'06

Wpływ sposobu zasilania nowoczesnych układów oświetleniowych

na jakość energii elektrycznej

Kazimierz Herlender, Edward Cadler

Gospodarka rynkowa wymusiła zmiany struktury

odbiorców energii elektrycznej. Zmiany te pojawiają się

w sektorze przemysłowym, publicznym, a zwłaszcza

w miejscach, gdzie w większym stopniu korzysta się

z odbiorników nieliniowych i niespokojnych.

Wyższe harmoniczne prądów i napięć

Występowanie w obwodach elektrycznych wyższych harmonicz-

nych powoduje niepożądane skutki, do których zalicza się [3]:

– rezonans sieciowy dla określonej harmonicznej, która przepięciem

lub podwyższonym prądem może obciążać elementy sieciowe,

– przegrzewanie oraz przeciążanie elementów sieciowych (kable,

transformatory),

– błędna praca zabezpieczeń (tzn. różne zabezpieczenia transforma-

tora, przeciwdziałające nagłym dużym obciążeniom),

– zakłócenie linii telekomunikacyjnych (z powodu indukowanego

szumu, generowanego przez zerową składową harmoniczną prądu

przepływającego w przewodach),

– niesprawne działanie obwodów sterowniczych urządzeń sterowa-

nych elektronicznie.

Zmiany struktury zużycia są spowodowane przede wszystkim

ogromnym rozpowszechnieniem technologii informatycznych

i energetycznie oszczędnych urządzeń odbiorczych. Jest oczywiste,

że mają one wpływ na parametry jakości energii elektrycznej.

Należy zdawać sobie sprawę, że nie ma jednego rozwiązania dla

problemów dotyczących jakości energii. Dla każdego rodzaju pro-

blemu istnieją pewne metody postępowania, które mogą pomóc go

rozwiązać. W konkretnych zastosowaniach jest prawdopodobne, że

kilka problemów będzie występować jednocześnie i przyjęte roz-

wiązania muszą być kompatybilne wzajemnie oraz kompatybilne

z odbiornikami w instalacji.

Coraz większa liczba eksploatowanych urządzeń zasilanych za

pośrednictwem układów przekształtnikowych (począwszy od stero-

wanych urządzeń gospodarstwa domowego, poprzez komputery,

oprawy oświetleniowe z lampami wyładowczymi, a skończywszy

na przekształtnikowych układach napędowych dużej mocy i pie-

cach łukowych) powoduje odkształcenie napięcia zasilającego.

Wówczas głównym problemem jest niesinusoidalny charakter prą-

du płynącego przez układy przekształtnikowe.

Różnice w cyklu pracy urządzeń elektrycznych i zmienność cha-

rakteru ich pracy mają swój udział w ciągle zmieniającym się obcią-

żeniu. W rezultacie problemy związane z jakością energii mają czę-

sto charakter statystyczny i wymagają starannego monitorowania,

aby można było je w pełni zdefiniować.

W dokumentach [1, 2] do najważniejszych parametrów energii

elektrycznej zaliczono:

– odchylenie częstotliwości napięcia zasilającego i jego wartości od

wartości znamionowych,

– asymetrie napięcia zasilającego i wskaźniki długotrwałego migo-

tania światła,

– zawartość harmonicznych w napięciu,

– przerwy w dostarczaniu energii elektrycznej.

TABELA I. Wartości poszczególnych harmonicznych napięcia w złączu

sieci elektroenergetycznej (odbiorcy) dla napięć do 1 kV i rzędów do 25,

wyrażone w procentach U c ( U n )

Harmoniczne nieparzyste

Harmoniczne parzyste

nie będące krotnością 3

będące krotnością 3

rząd

wartość

względna

napięcia

[%]

rząd

wartość

względna

napięcia

[%]

rząd

wartość

względna

napięcia

[%]

3,5

1,5

5,0* )

1,5

0,5

6–24

0,5

* ) W zależności od układu sieci, wartość trzeciej harmonicznej może być znacząco

mniejsza. Uwaga. Nie podano wartości harmonicznych o rzędach większych niż 25,

ponieważ są one zwykle małe i w dużym stopniu niemożliwe do przewidzenia ze

względu na efekty rezonansowe.

TABELA II.

Dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu dla sprzętu klasy C

Rząd harmonicznej

Maksymalny dopuszczalny

prąd harmonicznej wyrażony

w procentach składowej podstawowej

prądu wejściowego [%]

Ze względu na ograniczoną objętość artykułu i obszerną problema-

tykę dotyczącą jakości energii, w niniejszym opracowaniu zostanie

zaprezentowane zagadnienie wpływu sposobu zasilania wybranych

odbiorników nieliniowych na zawartość wyższych harmonicznych.

11 ≤ n ≤ 39

(tylko harmoniczne nieparzyste)

30 λ

Mgr inż. Kazimierz Herlender – Instytut Energoelektryki Politechniki

Wrocławskiej, mgr inż. Edward Cadler – ENEA SA, Oddział Dystrybucji

Gorzów Wlkp.

λ – współczynnik mocy obwodu

Rok LXXIV 2006 nr 3

MATERIAŁY KONFERENCYJNE MITEL'06

Wyższe harmoniczne napięcia charakteryzuje współczynnik od-

kształcenia harmonicznych napięcia – THD u , którego wartość dla

napięcia zasilającego zgodnie z normą PN-EN 50160: 2002 [2] po-

winna być mniejsza lub równa 8%. W normie [2] podano również

wartości poszczególnych harmonicznych napięcia w złączu sieci

elektroenergetycznej dla rzędów do 25, wyrażone w procentach

(tab. I).

Innym bardzo istotnym elementem jest emisja harmonicznych

prądu w obwodach elektrycznych przez urządzenia w nich zainsta-

lowane. W normie PN-EN 61000-3-2: 2004 [4] dokonano klasyfi-

kacji urządzeń na klasy: A, B, C i D. Dla każdej klasy podano tam

dopuszczalne poziomy prądów poszczególnych harmonicznych.

Opisywane w artykule lampy wyładowcze należą do klasy C, dla

której poziom dopuszczalnych prądów wyższych harmonicznych

podano w tabeli II.

Sposoby ograniczania skutków harmonicznych

Poprawę jakości energii elektrycznej ze strony odbiorców zasila-

nych z sieci niskiego napięcia można uzyskać przez:

– wzmocnienie i rekonstrukcję własnej sieci,

– filtracje składowej zerowej spowodowanej przez trzecią harmo-

niczną, przy zastosowaniu odpowiedniego transformatora zasila-

jącego,

– filtry pasywne,

– filtry aktywne.

Praktyczne aspekty poprawy parametrów jakości energii elek-

trycznej w obwodach oświetlenia zewnętrznego z wykorzystaniem

filtrów pasywnych i aktywnych opisano w pracy [5]. W niniejszym

artykule zaprezentowano możliwość poprawy parametrów jakości

energii elektrycznej związanej z występowaniem wyższych harmo-

nicznych, przez wykorzystanie innych sposobów zasilania odbior-

ników nieliniowych niż tylko ze wspólnej sieci rozdzielczej.

Okazuje się, że w wielu przypadkach odbiorniki, które są wraż-

liwe na obecność harmonicznych, zasila się już z wydzielonych

obwodów. Zaleca się również zasilanie odbiorów o dużych mo-

cach i znacznych prądach rozruchowych z własnych (osobnych)

obwodów, tak aby podczas rozruchu nie oddziaływały na inne od-

biorniki.

Przebiegi czasowe i widma amplitudowo-częstotliwościowe prądu oraz zmierzone

parametry obwodu dla oprawy OUS 400 z wysokoprężną lampą sodową WLS 400 W,

zasilaną z: a) przetwornicy tyrystorowej, b) wydzielonego obwodu, c) publicznej sieci

rozdzielczej

Wyniki pomiarów harmonicznych

w nowoczesnych układach oświetleniowych

W niniejszym artykule przedstawiono wybrane wyniki pomiarów

współczynników charakteryzujących oddziaływanie wyższych har-

monicznych przy zasilaniu nieliniowych odbiorników – nowocze-

snych układów oświetleniowych, przeprowadzone dla trzech róż-

nych systemów zasilania:

– publicznej sieci niskiego napięcia,

– wydzielonego w stacji transformatorowej 15/0,4 kV obwodu ni-

skiego napięcia,

– przetwornicy tyrystorowej DC/AC firmy Bening [6].

Nowoczesne układy oświetleniowe z lampami wyładowczymi są

powszechnie stosowane [5]. Na rysunku przedstawiono przebiegi

czasowe i widma amplitudowo-częstotliwościowe prądu oraz zmie-

rzone parametry obwodu dla przykładowej oprawy OUSd 400

z wysokoprężną lampą sodową WLS: P n = 400 W, U n = 220 ÷240 V,

pracującej z układem stabilizacyjno-zapłonowym i zasilanej

z trzech różnych układów zasilających.

Na rysunku zamieszczono następujące współczynniki, które uzy-

skano w trakcie prowadzonych pomiarów:

Współczynnik odkształcenia harmonicznych prądu THD i (Total

Harmonic Distortion), który oblicza się jako pierwiastek kwadra-

towy z sumy kwadratów pierwszych 31 harmonicznych, podzielony

przez kwadrat podstawowej harmonicznej [7].

Rzeczywisty współczynnik mocy TP F (True Power Factor)

– zdefiniowany jako stosunek mocy czynnej do pozornej.

Współczynnik szczytu prądu K S (jest to iloraz wartości szczy-

towej i skutecznej).

Wpółczynnik oddziaływania odkształconego prądu na transfor-

mator K F , uwzględniający wagowy udział harmonicznych, będący

syntetycznym wskaźnikiem szkodliwego oddziaływania prądu od-

kształconego na transformator. Wskazuje on, ile razy wzrosną stra-

ty dodatkowe w transformatorze przy danym obciążeniu nielinio-

wym. W przypadku braku harmonicznych K F =1.

Rok LXXIV 2006 nr 3

MATERIAŁY KONFERENCYJNE MITEL'06

W celu wyeksponowania różnej wartości parametrów jakości

energii elektrycznej (przy różnych systemach zasilania), wykonano

pomiary na siedmiu lampach sodowych różnej mocy, wyproduko-

wanych przez dwóch producentów, które pracowały w oprawach

trzech firm. Wyniki pomiarów przedstawiono jako średnie wartości

z kilkunastu pomiarów wykonanych w różnym czasie, przy różnych

współczynnikach odkształcenia napięcia zasilającego THD u . Po-

miary i ich rejestrację wykonano przenośnym analizatorem harmo-

nicznych i mocy typu HARMONALYZER HA 2000 [7].

Wartości współczynników odkształcenia prądu THD i wysoko-

prężnych lamp sodowych o dużej intensywności promieniowania

HID (High Intensity Discharge), pracujących w oprawach o mocy:

50, 70, 100, 150, 250 i 400 W, zasilanych z przetwornicy tyrystoro-

wej, zawierały się w przedziale 17,3÷25,3. Współczynnik ten dla

wydzielonego obwodu zasilającego oprawy wzrósł o ok. 50%,

z wyjątkiem lampy 100 W (inny producent) – wzrost o 97%

i 400 W (wzrost o 21%). Dalszy wzrost nastąpił w obwodzie zasila-

nym z publicznej sieci rozdzielczej (od 2 do 3 razy).

Współczynnik mocy opraw TP F najkorzystniejszy był w obwo-

dach zasilanych z przetwornicy tyrystorowej, a najmniej korzystny

w obwodach zasilanych z publicznej sieci rozdzielczej. Jeszcze

większe dysproporcje zaobserwowano dla współczynników oddzia-

ływania odkształconego prądu na transformator K F . W obwodzie za-

silanym z publicznej sieci rozdzielczej był on 6÷9-krotnie większy

niż w obwodzie zasilanym z przetwornicy tyrystorowej.

Współczynnik szczytu prądu K S oprawy 150 W był najbardziej

zbliżony do optymalnego i wynosił 1,40 w obwodzie zasilanym

z przetwornicy tyrystorowej i nie przekraczał dopuszczalnej warto-

ści 1,8, podanej w normie PN-EN 60662:2002 [8].

Trzecia harmoniczna prądu (małej wartości) wyraźnie dominuje

w obwodach zasilanych z przetwornicy tyrystorowej. W wydzielo-

nych obwodach istotne znaczenie mają 3. i 5. harmoniczna. Nato-

miast w obwodach zasilanych z publicznej sieci rozdzielczej najbar-

dziej znaczącą rolę spełniają 5. harmoniczne. Współczynnik od-

kształcenia napięcia THD u o większej wartości powoduje pogorsze-

nie współczynników: odkształcenia prądu THD i , oddziaływania od-

kształconego prądu na transformator K F i kształtu K S oraz mocy TP F .

Norma [4] określa dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu

dla sprzętu oświetleniowego klasy C o wejściowej mocy czynnej

większej od 25 W, które nie powinny przekraczać dopuszczalnych

wartości względnych podanych w tabeli II. W czasie wykonywania

pomiarów w obwodzie elektrycznym zasilanym z przetwornicy ty-

rystorowej, zawartość harmonicznych w napięciu zasilającym opra-

wy nie przekroczyła wartości określonych w ww. normie.

We wszystkich typach opraw sodowych zmierzona wartość prądu

7. harmonicznej przekroczyła wartość dopuszczalną (od 4 do 62%).

Najczęstsze przekroczenie wartości dopuszczalnej prądu zaobser-

wowano dla 13. i 15. harmonicznej. W obwodach zasilających: wy-

dzielonego i z publicznej sieci rozdzielczej nie wykonano analizy,

ponieważ zawartość harmonicznych w napięciu zasilającym prze-

kroczyła wartości dopuszczalne.

Podsumowanie

Jakość energii elektrycznej jest złożoną dziedziną, obejmującą

kilkanaście obszarów problemowych, dla których istnieje jeszcze

większa liczba rozwiązań. Jednym z mało rozpowszechnionych me-

tod poprawy jakości energii elektrycznej w sieciach rozdzielczych

jest instalowanie w jej węzłach bateryjnych zasobników energii ty-

pu BES (Bartery Energy Storage) [9].

W artykule przedstawiono możliwość redukcji występowania

wyższych harmonicznych w obwodach zasilających odbiorniki nie-

liniowe, przez zastosowanie wydzielonych obwodów zasilających

te odbiorniki.

Jest mało prawdopodobne, że pojedyncze rozwiązanie będzie sku-

teczne. Przeważnie potrzebne jest staranne projektowanie rozwią-

zań łącznych, indywidualnie dopasowanych do istniejących proble-

mów związanych z jakością energii elektrycznej, oparte na dokład-

nym zrozumieniu przyczyn problemów związanych z jakością ener-

gii. Może to być m.in.: określenie przez producentów odbiorników

(urządzeń) nieliniowych (np. energooszczędnych układów oświetle-

niowych) widm prądowych generowanych przez te odbiorniki oraz

ich zmianę w czasie (przy określonym poziomie współczynnika od-

kształcenia napięcia THD u ).

LITERATURA

[1] Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 20 grudnia 2004 r. w sprawie

szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych,

ruchu i eksploatacji tych sieci. Dz.U. 2005 nr 2 poz. 6

[2] Norma PN-EN 50160: 2002 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach

rozdzielczych

[3] Dan A. i in.: Jakość energii elektrycznej w sieciach niskiego napięcia. Polskie Cen-

trum Promocji Miedzi, Wrocław 2002

[4] Norma PN-EN 61000-3-2: 2004 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część

3–2: Dopuszczalne poziomy. Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu

(fazowy prąd zasilający odbiornika ≤ 16 A)

[5] Cadler E.: Praktyczne aspekty poprawy parametrów jakości energii elektrycznej

w obwodach oświetlenia zewnętrznego. III Lubuska Konferencja Naukowo-Tech-

niczna MITEL-2004, Gorzów Wlkp. 2004

[6] Instrukcja fabryczna producenta. Przetwornica DC/AC FBE 220/230/2,5 EUE firmy

BENNING Power Electronics

[7] Instrukcja obsługi analizatora harmonicznych i mocy. Harmonalyzer HA 2000 firmy

Amprobe Instrument, 1997

[8] Norma PN-EN 60662: 2002 Lampy sodowe wysokoprężne

[9] Herlender K., Stawski P., Harasimowicz L.: Współpraca bateryjnych zasobników

energii z siecią elektroenergetyczną Elektro-Info 2003 nr 7

Szanowni Państwo!

W trosce o Naszych Czytelników i Współpracowników, chcielibyśmy prosić o zwrócenie szczególnej uwagi

na pisma i formularze przesyłane przez firmę CONSTRUCT DATA VERLAG AG , dotyczące usługi FAIRGUIDE .

Anglojęzyczny formularz, wyglądający na prośbę o potwierdzenie danych,

w rzeczywistości okazuje się być zamówieniem reklamy, wiążącym zamawiającego

z firmą VERLAG na trzy lata.

Rok LXXIV 2006 nr 3

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: