Καραπιπέρης Κ. Βασίλειος

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ, ΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΕΝΕΡΓΩΝ ΚΑΙ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΦΙΛΤΡΩΝ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΝ ΥΠΟΣΤΑΘΜΟ 20/0,4kV ΤΟΥ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΟΥ ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΥ ΜΙΚΤΩΝ ΘΕΙΟΥΧΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΥΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΟΛΥΜΠΙΑΔΑ ΧΑΛΚΙΔΙΚΗΣ Διπλωματική Εργασία Καραπιπέρης Κ. Βασίλειος Επιβλέπων Δημουλιάς Χαράλαμπος Επίκουρος Καθηγητής ΑΠΘ Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2015 i

2 ii

3 iii

4 iv

5 Πρόλογος Κατά τη διάρκεια των πρακτικών μου ασκήσεων το καλοκαίρι του 2011 στο Στρατώνι και τα καλοκαίρια των 2012 και 2013 στην Ολυμπιάδα Χαλκιδικής, στα αντίστοιχα τμήματα συντήρησης Ηλεκτρολόγων και Αυτοματιστών, των εργοστασίων εμπλουτισμού μικτών θειούχων μεταλλευμάτων, εκπόνησα μια σύντομη μελέτη με τίτλο «Μελέτη εξάλειψης αρμονικών, αντιστάθμισης αέργου ισχύος και εξοικονόμησης ενέργειας». Η μελέτη αυτή ήταν η αφορμή για τη διαμόρφωση του θέματος της διπλωματικής μου εργασίας. Στο σημείο αυτό, ευχαριστώ ιδιαίτερα τον επιβλέποντα, Επίκουρο Καθηγητή κ. Χάρη Δημουλιά, για την τεχνογνωσία, την καθοδήγηση και τις πολύ χρήσιμες επιστημονικές συμβουλές που μου παρείχε κατά την εκπόνηση αυτής της εργασίας. Επίσης, ευχαριστώ τον Καθηγητή κ. Δημήτρη Λαμπρίδη για την προθυμία του να ασχοληθεί μαζί μου, όποια στιγμή τον χρειαζόμουν αλλά και για την επίλυση των διαδικαστικών θεμάτων με την εταιρεία. Στη συνέχεια, θέλω να ευχαριστήσω τον κ. Μιχάλη Θεοδωρακόπουλο, Μεταλλειολόγο Μηχανικό και Διευθύνων Σύμβουλο της «Ελληνικός Χρυσός Α.Ε.», που δέχθηκε να πραγματοποιηθούν μετρήσεις στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις της Ολυμπιάδας και να απασχοληθώ εκεί για όλο αυτό το διάστημα των 12 μηνών. Ξεχωριστά θέλω να αναφέρω το Διπλωματούχο Ηλεκτρολόγο Μηχανικό και Μηχανικό Υπολογιστών κ. Σάκη Χλιοπάνο, προϊστάμενο του τμήματος Αυτοματιστών του εργοστασίου της Ολυμπιάδας. Η ολοκλήρωση της μελέτης μου κατά τη διάρκεια των θερινών απασχολήσεων ήταν η αρχή της υπέροχης συνεργασίας μας. Κατά τη διάρκεια παραμονής μου στην Ολυμπιάδα, εκτός της παραχώρησης του οργάνου μέτρησης, είχα την ευκαιρία να πειραματιστώ με το ενεργό φίλτρο αρμονικών και να πραγματοποιήσω μετρήσεις σε κάθε σημείο της εγκατάστασης χρησιμοποιώντας μόνος μου τον απαραίτητο εξοπλισμό. Η εμπιστοσύνη που μου έδειξε ο Σάκης, αλλά και η ελευθερία που μου παρείχε, πάντα με μέτρο τη δική μου ασφάλεια, υπήρξε στην ουσία ο πολύ σημαντικός δρόμος εφαρμογής των πανεπιστημιακών μου γνώσεων σε μια βιομηχανική εγκατάσταση μεγάλης κλίμακας. Τον ευχαριστώ πολύ για όλα, καθώς και για το ότι συνεχίζει να είναι ένας πολύ καλός μου φίλος. v

6 Ο κ. Μάκης Μήλιος, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και προϊστάμενος του ομώνυμου τμήματος, με βοήθησε στην επίλυση κάθε πρακτικού προβλήματος που αντιμετώπισα στην Ολυμπιάδα, παρέχοντάς μου οποιαδήποτε πληροφορία χρειάστηκα σχετικά με τη λειτουργία της ηλεκτρικής εγκατάστασης. Το ίδιο και το προσωπικό των τμημάτων Ηλεκτρολόγων και Αυτοματιστών τους οποίους ευχαριστώ επίσης. Και φυσικά, το σπουδαιότερο ρόλο έπαιξε η οικογένειά μου, ο αδερφός μου Αχιλλέας, η αδερφή μου Βίκυ και οι γονείς μου Κώστας και Αθηνά, με την υπομονή, τη στήριξη και το ενδιαφέρον τους σε όλα αυτά τα χρόνια σπουδών. Τους ευχαριστώ θερμά και τους αγαπώ πολύ, ακόμη κι αν δεν τους το λέω συχνά. vi

7 Περίληψη Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, ασχολείται με θέματα ποιότητας ισχύος και αρμονικών σε βιομηχανικές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις. Το μεγάλο πλήθος των μη γραμμικών φορτίων που συνδέονται στη χαμηλή τάση των μετασχηματιστών ισχύος βιομηχανικών καταναλωτών, έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική παραμόρφωση του ρεύματος. Έτσι, οι αρμονικές συνιστώσες του ρεύματος σε συχνότητες πολλαπλάσιες της θεμελιώδους, οδηγούν σε σημαντική αύξηση των απωλειών θερμότητας στα καλώδια και των απωλειών φορτίου στους μετασχηματιστές ισχύος. Οι απώλειες αυτές υπολογίζονται σε πλήθος σημείων μιας βιομηχανικής ηλεκτρικής εγκατάστασης, έπειτα από τη διενέργεια μετρήσεων. Εξετάζεται ακόμη η επίδραση παθητικών και ενός ενεργού φίλτρου αρμονικών, τα οποία χρησιμοποιούνται για την απόσβεση συγκεκριμένων αρμονικών συνιστωσών του ρεύματος αλλά και για την αντιστάθμιση της άεργης ισχύος. Στη συνέχεια μελετάται το φαινόμενο της ανομοιόμορφης κατανομής μη ημιτονοειδών ρευμάτων, σε παράλληλα συνδεδεμένους αγωγούς, οι οποίοι οδεύουν σε μεταλλική σχάρα. Μετρήσεις πραγματοποιούνται σε συγκεκριμένο αριθμό καλωδίων της εγκατάστασης και εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος και τις απώλειες θερμότητας του καθενός. Τέλος, υπολογίζονται τα ισοδύναμα στοιχεία των βασικών ηλεκτρικών συσκευών ενός τμήματος της εγκατάστασης, με σκοπό τη μοντελοποίηση του σε ειδικό λογισμικό. vii

8 viii

9 Περιεχόμενα Περιεχόμενα iχ 1 Αρμονικές ρεύματος στο δίκτυο Εισαγωγή Γραμμικά και μη γραμμικά φορτία Πηγές των αρμονικών Επιπτώσεις των αρμονικών Μέθοδοι μείωσης των αρμονικών Παθητικά φίλτρα αρμονικών Ενεργά φίλτρα αρμονικών Πρότυπα για τα επίπεδα αρμονικών Ηλεκτρική βιομηχανική εγκατάσταση και μετρήσεις Χώρος διεξαγωγής μετρήσεων Περιγραφή της παραγωγικής διαδικασίας μεταλλεύματος Περιγραφή της ηλεκτρικής εγκατάστασης Επιλογή των σημείων μέτρησης Όργανα μέτρησης που χρησιμοποιήθηκαν Τοποθέτηση και λειτουργία των οργάνων μέτρησης Χρονοδιάγραμμα μετρήσεων Επεξεργασία των μετρήσεων Υπολογισμός απωλειών λόγω αρμονικών στα καλώδια ισχύος Υπολογισμός αντιστάσεων καλωδίων Απώλειες καλωδίων με το ενεργό φίλτρο συνδεδεμένο Απώλειες καλωδίων με το ενεργό φίλτρο αποσυνδεδεμένο Συγκρίσεις και σχολιασμός αποτελεσμάτων Υπολογισμός απωλειών λόγω αρμονικών στους μετασχηματιστές ισχύος ix

10 3.2.1 Υπολογισμός στοιχείων μετασχηματιστών ισχύος Υπολογισμός απωλειών μετασχηματιστών ισχύος με το ενεργό φίλτρο συνδεδεμένο Υπολογισμός απωλειών μετασχηματιστών ισχύος με το ενεργό φίλτρο αποσυνδεδεμένο Συγκρίσεις και σχολιασμός αποτελεσμάτων Συμπεράσματα Επίδραση των παθητικών και του ενεργού φίλτρου στην ηλεκτρική εγκατάσταση Εισαγωγή Υπολογισμός συχνότητας συντονισμού παθητικών φίλτρων αρμονικών Μετρήσεις ρευμάτων των παθητικών φίλτρων αρμονικών Χρονική μεταβολή αρμονικών ρεύματος Υπολογισμός συνιστωσών άεργης ισχύος Φορτία Μ/Σ ισχύος Φορτίο ΠΚ-THIC DF Διερεύνηση κατανομής μη ημιτονοειδών ρευμάτων σε παράλληλους αγωγούς Εισαγωγή Περιγραφή σημείων μέτρησης Υπολογισμός απωλειών λόγω αρμονικών στους παράλληλα συνδεδεμένους αγωγούς Επιβεβαίωση αποτελεσμάτων με χρήση θερμοκάμερας Ανασκόπηση Συμπεράσματα Προτάσεις 173 Παράρτημα Α Μοντελοποίηση της ηλεκτρικής εγκατάστασης με τη βοήθεια λογισμικού πρόταση για περαιτέρω έρευνα 175 Α.1 Φιλοσοφία μοντελοποίησης Α.2 Υπολογισμός στοιχείων της εγκατάστασης στο PSIM Βιβλιογραφία 189 x

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Αρμονικές ρεύματος στο δίκτυο 1.1 Εισαγωγή Η αρμονική παραμόρφωση των κυματομορφών είναι ένα από τα σημαντικότερα θέματα που έχει σήμερα να αντιμετωπίσει η ηλεκτρική βιομηχανία, λόγω του αξιοσημείωτου ποσού της ηλεκτρικής ισχύος που μετατρέπεται από εναλλασσόμενο ρεύμα (ac) σε άλλες μορφές ηλεκτρισμού, οι οποίες απαιτούνται σε πολλαπλές εφαρμογές. Είναι επίσης ένα σημαντικό θέμα που απασχολεί τεχνικές ομάδες εργασίας οι οποίες εκδίδουν συστάσεις και πρότυπα για τα όρια της παραμόρφωσης των κυματομορφών. Οι κατασκευαστές εξοπλισμού και οι εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας, προσπαθούν να βρουν τις κατάλληλες συνθήκες για να σχεδιάσουν και να εγκαταστήσουν συσκευές ισχύος, που να μπορούν να λειτουργήσουν αξιόπιστα σε περιβάλλοντα με αρμονικές και, ταυτόχρονα, να διατηρούν τα επίπεδα αρμονικών εκπομπών εντός των προτεινόμενων τιμών [1]. Οι βιομηχανικές εγκαταστάσεις είναι με διαφορά οι μεγαλύτεροι παραγωγοί αρμονικών ρευμάτων. Οι περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές περιλαμβάνουν διαφόρων ειδών μετατροπείς ισχύος για να εκτελέσουν διεργασίες που απαιτούν υψηλής ισχύος dc κινητήρες ή μετατροπείς ισχύος μεταβλητής συχνότητας (variable frequency drives, VFDs). Άλλες, τροφοδοτούν μεγάλους ηλεκτρικούς κλιβάνους, ηλεκτροσυγκολλήσεις ή φορτιστές μπαταριών, οι οποίοι είναι σημαντικοί παραγωγοί αρμονικών ρευμάτων. Οι συσκευές που παράγουν αρμονικά ρεύματα, έχουν εξαπλωθεί από βιομηχανικές, σε εμπορικές και οικιακές εγκαταστάσεις κυρίως ως αποτέλεσμα της εξάπλωσης των ηλεκτρονικών υπολογιστών, οι οποίοι απαιτούν ανορθωμένη ισχύ. Επιπρόσθετα, η χρήση συσκευών εξοικονόμησης ενέργειας όπως τα ηλεκτρονικά ballast σε εμπορικό φωτισμό και οι παροχές αδιάλειπτης ισχύος (UPS) που παρέχουν στήριξη της τάσης κατά τη διάρκεια διακοπών, κάνει το πρόβλημα ακόμη μεγαλύτερο [1]. 1.2 Γραμμικά και μη γραμμικά φορτία Ιδανικά, μια ηλεκτρική παροχή θα έπρεπε κατά κανόνα να εμφανίζει ένα τέλεια ημιτονοειδές σήμα τάσης σε κάθε τοποθεσία του καταναλωτή. Ωστόσο, για πολλούς λόγους, οι πάροχοι ηλεκτρικής ενέργειας δυσκολεύονται να διατηρήσουν τέτοιες, επιθυμητές συνθήκες. Η απόκλιση των κυματομορφών της τάσης και του ρεύματος από τις ημιτονοειδείς εκφράζεται ως αρμονική 1

12 παραμόρφωση [1]. Ο όρος «αρμονικές», προήλθε από το πεδίο της ακουστικής, όπου σχετίζεται με τη δόνηση μιας χορδής ή μιας στήλης αέρα σε συχνότητα που είναι πολλαπλάσια της βασικής συχνότητας. Η αρμονική συνιστώσα σε ένα ac σύστημα ισχύος ορίζεται ως η ημιτονοειδής συνιστώσα μιας περιοδικής κυματομορφής, που έχει συχνότητα ίση με ένα ακέραιο πολλαπλάσιο της θεμελιώδους συχνότητας του συστήματος. Οι αρμονικές των κυματομορφών της τάσης και του ρεύματος, μπορούν τότε να ληφθούν ως τέλεια ημιτονοειδείς συνιστώσες, σε συχνότητες πολλαπλάσιες της θεμελιώδους συχνότητας: όπου είναι ένας ακέραιος [1]. Γραμμικά φορτία, είναι αυτά των οποίων οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος ακολουθούν η μία την άλλη πολύ κοντά, όπως η πτώση τάσης που αναπτύσσεται σε μια σταθερή αντίσταση, η οποία μεταβάλλεται σα συνάρτηση του ρεύματος που τη διαρρέει. Αυτή η σχέση είναι γνωστή ως νόμος του Ohm και δηλώνει ότι το ρεύμα που περνά από μια αντίσταση, η οποία τροφοδοτείται από μια μεταβλητή πηγή τάσης, προκύπτει ως: Αυτός είναι ο λόγος που οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος σε γραμμικά κυκλώματα μοιάζουν μεταξύ τους. Έτσι, ο υπολογισμός των κυματομορφών αυτών διευκολύνεται, αλλά και τα ποσά θερμότητας που δημιουργούνται από ωμικά, γραμμικά φορτία όπως θερμικά στοιχεία ή λάμπες πυρακτώσεως, μπορούν εύκολα να καθοριστούν επειδή είναι ανάλογα με το τετράγωνο του ρεύματος. Εναλλακτικά, η εμπλεκόμενη ισχύς μπορεί να προκύψει ως το γινόμενο του ρεύματος και της τάσης [1]. Αν η τάση που τροφοδοτεί το γραμμικό φορτίο είναι: και η σύνθετη αντίσταση αυτού είναι: τότε το ρεύμα που θα διαρρέει το φορτίο είναι: όπου - το μέτρο της σύνθετης αντίστασης του φορτίου - οι ενεργές τιμές της τάσης και του ρεύματος αντίστοιχα, με, - η γωνιακή ταχύτητα με τη θεμελιώδη συχνότητα λειτουργίας, - η διαφορά φάσης μεταξύ τάσης και ρεύματος [11]. 2

13 Σε επαγωγικά φορτία η τάση προηγείται του ρεύματος και σε κυκλώματα που περιέχουν πυκνωτές αντιστάθμισης, το ρεύμα προηγείται της τάσης. Ως εκ τούτου, σε κάθε περίπτωση οι δύο κυματομορφές δε θα είναι σε φάση μεταξύ τους. Ωστόσο, δε θα υπάρχει καμία παραμόρφωση των κυματομορφών [1]. Το Σχήμα 1.1 αναπαριστά τη σχέση μεταξύ της τάσης, του ρεύματος και της ισχύος σε ένα γραμμικό φορτίο που αποτελείται από μια εναλλασσόμενη πηγή, τροφοδοτώντας ένα καθαρά ωμικό φορτίο. Η στιγμιαία τιμή της ισχύος,, δεν είναι ποτέ αρνητική επειδή οι δύο κυματομορφές είναι σε φάση και το γινόμενό τους θα είναι πάντα μια θετική ποσότητα. Το ίδιο αποτέλεσμα παρατηρείται αν η ισχύς προκύψει ως το γινόμενο της αντίστασης με το τετράγωνο του ρεύματος [1]. Σχήμα 1.1: Σχέση μεταξύ τάσης, ρεύματος και ισχύος σε ένα καθαρά ωμικό φορτίο [1]. Το Σχήμα 1.2(α) δείχνει τη σχέση μεταξύ των ίδιων παραμέτρων για την περίπτωση που το ρεύμα έπεται της τάσης, το οποίο θα αντιστοιχούσε σε ένα επαγωγικό φορτίο και το Σχήμα 1.2(β) την περίπτωση που το ρεύμα προηγείται της τάσης, όπως σε ένα χωρητικό φορτίο. Είναι σημαντικό πως στις περιπτώσεις αυτές το γινόμενο έχει θετικές και αρνητικές τιμές. Οι θετικές τιμές αντιστοιχούν στην απορρόφηση ρεύματος από το φορτίο και οι αρνητικές τιμές στη ροή ρεύματος προς την πηγή [1]. Σχήμα 1.2(α): Ρεύμα έπεται της τάση (επαγωγικό φορτίο) [1]. 3

14 Σε κάθε περίπτωση, η ημιτονοειδής φύση των κυματομορφών της τάσης και του ρεύματος διατηρείται όπως στην περίπτωση του Σχήματος 1.1, που περιλαμβάνει ένα καθαρά ωμικό φορτίο. Ιδιαίτερο είναι ότι και το γινόμενο έχει ίσους θετικούς και αρνητικούς κύκλους με μηδενική μέση τιμή. Είναι θετικό όταν και είναι θετικά και αρνητικό όταν ή είναι αρνητικό [1]. Σχήμα 1.2(β): Ρεύμα προηγείται της τάση (χωρητικό φορτίο) [1]. Συνηθισμένα γραμμικά φορτία είναι οι λαμπτήρες πυρακτώσεως και η ηλεκτρική θέρμανση (ωμικά φορτία), οι ηλεκτρικοί επαγωγικοί κινητήρες και τα πηνία που χρησιμοποιούνται σε φίλτρα για τον περιορισμό των αρμονικών (επαγωγικά φορτία) και τέλος οι πυκνωτικές τράπεζες διόρθωσης του συντελεστή ισχύος, υπόγεια καλώδια, μονωμένα καλώδια και πυκνωτές που χρησιμοποιούνται σε φίλτρα αρμονικών (χωρητικά φορτία) [1]. Μη γραμμικά φορτία είναι αυτά στα οποία η κυματομορφή του ρεύματος δε μοιάζει με αυτή της εφαρμοζόμενης τάσης εξαιτίας πολλών παραγόντων, όπως για παράδειγμα η χρήση ηλεκτρονικών διακοπτών οι οποίοι άγουν το ρεύμα του φορτίου μόνο για ένα κλάσμα της περιόδου. Εναλλακτικά, μη γραμμικά μπορούν να θεωρηθούν τα φορτία στα οποία ο νόμος του Ohm δε μπορεί να περιγράψει τη σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος [1]. Η χρήση μετατροπέων με ηλεκτρονικά ισχύος μεταξύ του φορτίου και της πηγής, έχει ως αποτέλεσμα το σύστημα αυτό να φαίνεται σα μη γραμμικό φορτίο. Τα μη γραμμικά φορτία απορροφούν από το δίκτυο εν γένει μη ημιτονοειδή ρεύματα. Τα μη ημιτονοειδή ρεύματα ισοδυναμούν με άθροισμα ημιτονοειδών ρευμάτων με διαφορετικές συχνότητες οι οποίες είναι συνήθως ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους (50 Hz), όπως περιγράφηκε παραπάνω [1]. Λόγω της μη ημιτονοειδούς συμπεριφοράς των μη γραμμικών φορτίων, κάνοντας χρήση της αρμονικής ανάλυσης Fourier, η τάση θα είναι: όπου η συνιστώσα της τάσης στη θεμελιώδη συχνότητα του δικτύου και 4

15 η συνιστώσα της τάσης στη συχνότητα θεμελιώδους., η οποία είναι πολλαπλάσια της Ομοίως για το ρεύμα, θα δίνεται από τη σχέση: όπου η συνιστώσα του ρεύματος στη θεμελιώδη συχνότητα του δικτύου και η συνιστώσα του ρεύματος στη συχνότητα της θεμελιώδους [11]., η οποία είναι πολλαπλάσια Αν η κυματομορφή του ρεύματος επαναλαμβάνεται στη μόνιμη κατάσταση ισορροπίας με περίοδο Τ, όπως είναι γνωστό, η ενεργός (rms) τιμή του ρεύματος προκύπτει από την εξίσωση [2]: Έτσι, με τη βοήθεια της rms τιμής, προκύπτει η παρακάτω σχέση [2]: Ο σημαντικότερος δείκτης ποιότητας ισχύος κάτω από αρμονική παραμόρφωση, είναι ο συντελεστής ολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD), ο οποίος λαμβάνει υπόψη τη συνεισφορά κάθε ξεχωριστής αρμονικής συνιστώσας στο σήμα. Ο THD ορίζεται για την τάση και το ρεύμα αντίστοιχα: όπου, είναι η rms τιμή της αρμονικής τάσης και ρεύματος αντίστοιχα τάξης και, είναι η rms τιμή της τάσης και του ρεύματος της πρώτης (βασικής) αρμονικής [1]. 5

16 Οι αριθμητές των δύο τελευταίων σχέσεων αποτελούν την τάση και το ρεύμα, αντίστοιχα, παραμόρφωσης και συμβολίζονται ως εξής [2]: Ένα στοιχείο που πρέπει να αναφερθεί είναι πως οι όροι του ρεύματος στις αρμονικές συχνότητες, δε συνεισφέρουν στην πραγματική/ενεργό ισχύ [2]. Αυτό μπορεί να περιγραφεί καλύτερα μέσω του εκπαιδευτικού και ιδιαίτερα χρήσιμου λογισμικού, «Alex McEACHERN s Power Quality Teaching Toy Edition 3.0.4» του «Power Standards Lab» [16]. Στα παρακάτω Σχήματα 1.3, 1.4 και 1.5 απεικονίζονται οι κυματομορφές τάσης, ρεύματος και ενεργής ισχύος της 3 ης, 5 ης και 7 ης αρμονικής συνιστώσας ενός μη γραμμικού φορτίου. Σχήμα 1.3: Τάση, ρεύμα και ισχύς 3 ης αρμονικής [16]. Στη θεμελιώδη συχνότητα, με την κατάλληλη επιλογή της γωνίας φάσης μεταξύ τάσης και ρεύματος, υπάρχει ροή ισχύος, όπως περιγράφηκε παραπάνω. Ωστόσο, με το αρμονικό ρεύμα δεν έχει σημασία ποια είναι η γωνία 6

17 φάσης, καθώς πάντα η συνολική ενεργή ισχύς θα είναι μηδενική (υποθέτοντας πως η τάση είναι πάντα η θεμελιώδης, δηλαδή δεν είναι παραμορφωμένη). Σχήμα 1.4: Τάση, ρεύμα και ισχύς 5 ης αρμονικής [16]. Σχήμα 1.5: Τάση, ρεύμα και ισχύς 7 ης αρμονικής [16]. 7

18 Τα αρμονικά ρεύματα δηλαδή, δε μεταφέρουν καθόλου από την ισχύ του δικτύου. Όλη τους η ισχύς μεταφέρεται μπρος και πίσω μεταξύ της πηγής και του φορτίου, όπως φαίνεται στα παραπάνω σχήματα, με τα «Positive Watts» και «Negative Watts» να είναι πάντα ίσα. Το εμβαδό της κυματομορφής της ισχύος πάνω και κάτω από τον οριζόντιο άξονα είναι το ίδιο. Σε κάποιες περιπτώσεις βέβαια, ενδέχεται να υπάρχει και παραμόρφωση της τάσης. Η αιτία εμφάνισης παραμόρφωσης στην τάση είναι το παραμορφωμένο ρεύμα. Η τάση τροφοδοτείται ως, σχεδόν τέλειο, ημιτονοειδές σήμα από τον πάροχο, αλλά λόγω των μη γραμμικών φορτίων, εμφανίζεται στην έξοδο των τελευταίων ένα παραμορφωμένο ρεύμα, το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί παραμορφωμένες πτώσεις τάσης σε καλώδια και αγωγούς, προκαλώντας τελικά αρμονική παραμόρφωση στην τάση. Το μέγεθος της πτώσης τάσης και της παραμορφωμένης τάσης, εξαρτάται από το μέγεθος της σύνθετης αντίστασης του δικτύου. Εάν η τάση παραμορφωθεί, τότε ακόμη και γραμμικά φορτία θα απορροφούν παραμορφωμένο ρεύμα. Το Σχήμα 1.6 αναπαριστά τις κυματομορφές ρεύματος και τάσης κατά τη διάρκεια της διακοπτικής δράσης ενός διπολικού τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT), μιας κοινής συσκευής στερεάς κατάστασης ηλεκτρονικών ισχύος. Αυτός είναι ο πιο απλός τρόπος αναπαράστασης ενός μη γραμμικού φορτίου στο οποίο το ρεύμα δεν ακολουθεί την ημιτονοειδή κυματομορφή της τάσης της πηγής, εκτός κατά τη διάρκεια που οι παλμοί έναυσης FP1 και FP2 (στο Σχήμα 1.6) βρίσκονται στην κατάσταση ON. Όταν η ίδια διαδικασία εφαρμόζεται σε τριφασικό εξοπλισμό και το μέγεθος του φορτίου είναι σημαντικό, μια αντίστοιχη παραμόρφωση μπορεί να εμφανιστεί στο σήμα της τάσης [1]. Σχήμα 1.6: Σχέση τάσης και ρεύματος σε ένα τυπικό μη γραμμικό φορτίο [1]. Συνηθισμένα μη γραμμικά φορτία είναι ρυθμιστές στροφών κινητήρων, ηλεκτροσυγκολλήσεις, ανορθωτές, UPS, ηλεκτρονικά ballast, λαμπτήρες εκκένωσης, τροφοδοτικά υπολογιστών, φορτιστές μπαταριών και επαγωγικοί φούρνοι [14]. 8

19 1.3 Πηγές των αρμονικών Διαφορετικά μη γραμμικά φορτία, παράγουν διαφορετικά αλλά αναγνωρίσιμα αρμονικά φάσματα. Αυτό κάνει το έργο του εντοπισμού πιθανών εκπομπών αρμονικής παραμόρφωσης πιο απλό [1]. Στο Σχήμα 1.7 παρουσιάζονται τυπικές κυματομορφές ρεύματος μη γραμμικών φορτίων. Σχήμα 1.7: Τυπικές κυματομορφές ρεύματος μη γραμμικών φορτίων [11]. Πριν την ανάπτυξη, όμως, των διακοπτικών συσκευών με ηλεκτρονικά ισχύος, η διάδοση των αρμονικών ρευμάτων μελετούνταν από την πλευρά του σχεδιασμού και της λειτουργίας των συσκευών με μαγνητικό πυρήνα σιδήρου, όπως οι ηλεκτρικές μηχανές και οι μετασχηματιστές [1]. Κύρια πηγή αρμονικών ήταν και είναι, οι μετασχηματιστές υποσταθμών και καταναλωτών που λειτουργούν στην κορεσμένη περιοχή. Οι κορεσμένοι μετασχηματιστές, αποτελούν πηγές αρμονικών από την αρχή που ο ηλεκτρισμός παράγεται και διανέμεται μέσω γραμμών ισχύος για εμπορικούς 9

20 σκοπούς. Ένας μετασχηματιστής μπορεί να επέλθει σε συνθήκες κορεσμού του πυρήνα στις ακόλουθες περιπτώσεις: α) Όταν λειτουργεί πάνω από την ονομαστική ισχύ. β) Όταν λειτουργεί πάνω από την ονομαστική τάση. Η πρώτη κατάσταση μπορεί να εμφανιστεί κατά τη διάρκεια περιόδων μέγιστης ζήτησης και η δεύτερη σε συνθήκες χαμηλού φορτίου, ειδικά αν οι τράπεζες πυκνωτών δεν αποσυνδεθούν αναλόγως και η τάση τροφοδοσίας αυξηθεί πάνω από τις ονομαστικές τιμές. Η λειτουργία του μετασχηματιστή κοντά στη ζώνη κορεσμού είναι αποτέλεσμα υπερβολικής μαγνητικής ροής μέσω του πυρήνα, που περιορίζει τη γραμμική αύξηση της πυκνότητας μαγνητικής ροής. Ένας μετασχηματιστής που λειτουργεί στην περιοχή κορεσμού, θα παρουσιάσει ένα μη γραμμικό ρεύμα μαγνήτισης, το οποίο περιέχει μια ποικιλία από περιττές αρμονικές με την 3η να κυριαρχεί. Το αποτέλεσμα θα είναι πιο έντονο με την αύξηση του φορτίου. Αν σχεδιαστεί το ρεύμα μαγνήτισης ως προς το χρόνο, για κάθε τιμή της ροής, η τελική κυματομορφή του ρεύματος, θα απέχει πολύ από την ημιτονοειδή (Σχήμα 1.8). Σχήμα 1.8: Παραμορφωμένο ρεύμα κάτω από συνθήκες κορεσμού μετασχηματιστή [1]. Στα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, οι αρμονικές λόγω του ρεύματος μαγνήτισης των μετασχηματιστών, αγγίζουν τις μέγιστες τιμές τους νωρίς πριν την αυγή όταν το σύστημα είναι ελαφρά φορτισμένο και το επίπεδο τάσης υψηλό [1]. Από την άλλη πλευρά, ως αποτέλεσμα μικρών ασυμμετριών στα αυλάκια του στάτη ή του δρομέα μιας στρεφόμενης μηχανής ή ελαφρών ανωμαλιών στο τριφασικό τους τύλιγμα, μπορεί να αναπτυχθούν αρμονικά ρεύματα. Αυτές οι αρμονικές επάγουν μια ηλεκτρεγερτική δύναμη στα τυλίγματα του στάτη, σε μια συχνότητα, ίση με το λόγο της ταχύτητας προς το μήκος κύματος. Η επακόλουθη παραμόρφωση των ΜΕΔ στη μηχανή, παράγει αρμονικές που είναι συναρτήσεις της ταχύτητας. Επιπρόσθετα αρμονικά ρεύματα μπορεί να δημιουργηθούν λόγω κορεσμού του πυρήνα. Ωστόσο, αυτά είναι συνήθως μικρότερα από αυτά που αναπτύσσονται όταν οι μηχανές τροφοδοτούνται από VFDs [1]. 10

21 Η αυξανόμενη χρήση των ρυθμιστών ισχύος στους οποίους οι παράμετροι όπως η τάση και η συχνότητα μεταβάλλονται για να προσαρμοστούν σε συγκεκριμένες βιομηχανικές και εμπορικές διαδικασίες, έχει κάνει τους μετατροπείς ισχύος την πιο ευρέως διαδεδομένη πηγή αρμονικών στα συστήματα διανομής. Οι ηλεκτρονικοί διακόπτες βοηθούν στο να ανορθωθεί η ac ισχύς 50 Hz σε dc ισχύ. Σε dc εφαρμογές, η τάση μεταβάλλεται μέσω ρύθμισης της γωνίας έναυσης της ηλεκτρονικής συσκευής. Βασικά, στην ανόρθωση το ρεύμα επιτρέπεται να περάσει μέσα από την ημιαγωγική συσκευή μόνο για ένα κλάσμα της θεμελιώδους συχνότητας, για το οποίο οι μετατροπείς ισχύος ονομάζονται συχνά «συσκευές εξοικονόμησης ενέργειας». Αν η ενέργεια πρέπει να χρησιμοποιηθεί ως ac αλλά σε διαφορετική συχνότητα, η dc έξοδος του μετατροπέα περνά μέσα από έναν αντιστροφέα (inverter) ηλεκτρονικών διακοπτών που μετατρέπει το dc πάλι σε ac. Οι μετατροπείς ισχύος ομαδοποιούνται στις ακόλουθες κατηγορίες [1]: α) Μεγάλης ισχύος μετατροπείς σε χυτήρια μετάλλων ή HVDC συστήματα μεταφοράς όπου μεγάλα ποσά ενέργειας μετατρέπονται από ac σε dc, με την ονομαστική ισχύ να είναι τάξης MVA. β) Μεσαίου μεγέθους μετατροπείς σε βιομηχανίες κατασκευής, τάξης kva, για τον έλεγχο της ταχύτητας κινητήρων και στη βιομηχανία τρένων. γ) Μικρής ισχύος ανορθωτές σε οικιακές και εμπορικές εφαρμογές όπως τηλεοράσεις, υπολογιστές, UPS και φορτιστές μπαταριών. Στην κατηγορία των μετατροπέων ισχύος ανήκουν τα VFDs (Variable Speed Drives). Ο λόγος που αναφέρονται ξεχωριστά είναι επειδή από μόνα τους συνιστούν μια ευρεία περιοχή εφαρμογών σε ποικίλες και πολλαπλές βιομηχανικές διεργασίες. Διακρίνονται δύο ειδών VFDs: - Αυτά που ανορθώνουν ac ισχύ και τη μετατρέπουν πάλι σε ac μεταβλητής συχνότητας και - Αυτά που ανορθώνουν ac ισχύ και απευθείας την τροφοδοτούν σε dc κινητήρες βιομηχανικών εφαρμογών. Και στις δύο περιπτώσεις, ο ανορθωτής, ο οποίος μπορεί να λειτουργεί με διόδους, θυρίστορ, IGBT ή άλλους ημιαγώγιμους διακόπτες, λειτουργεί με τη διαδικασία της μεταγωγής, όπου το ρεύμα μεταφέρεται από τη μια φάση στην άλλη. Αυτή η απαίτηση του ρεύματος «σε κομμάτια» («σε φέτες», βλέπε Σχήμα 1.3), παράγει σημαντική παραμόρφωση ρεύματος και αιχμές τάσης στην πλευρά της πηγής. Ο σχεδιασμός των VFD θα καθορίσει και πού θα έχουν κατά κύριο λόγο επίδραση τα αρμονικά ρεύματα. Για παράδειγμα τα inverter πηγής τάσης παράγουν πολύπλοκες κυματομορφές έχοντας σημαντική αρμονική παραμόρφωση στην τάση και λιγότερη στο ρεύμα. Από την άλλη πλευρά, τα inverter πηγής ρεύματος παράγουν κυματομορφές ρεύματος με σημαντικό αρμονικό περιεχόμενο και κυματομορφές τάσης πιο κοντά στην ημιτονοειδή [1]. 11

22 Οι λαμπτήρες φθορισμού είναι ιδιαίτερα μη γραμμικοί κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους και προκαλούν περιττά αρμονικά ρεύματα μεγάλου μεγέθους. Σα μια σύντομη απεικόνιση της λειτουργίας των λαμπτήρων φθορισμού, μπορεί να αναφερθεί πως τα πηνία μαγνητικού πυρήνα που περιέχονται μέσα στα ballast έχουν σκοπό να περιορίσουν τα ρεύμα στο λαμπτήρα. Παρομοίως, χρησιμοποιείται πυκνωτής για να αυξήσει την αξιοπιστία του ballast αυξάνοντας το συντελεστή ισχύος του. Τα ηλεκτρονικά ballast λειτουργούν σε μεγαλύτερες συχνότητες. Η χρήση υψηλότερων συχνοτήτων, τους επιτρέπει να δημιουργήσουν περισσότερο φως για την ίδια ισχύ εισόδου, το οποίο χρησιμοποιείται πλεονεκτικά για να μειώσει την ισχύ εισόδου [1]. Η διαδικασία χύτευσης σε βιομηχανικούς φούρνους είναι γνωστή για την παραγωγή σημαντικών ποσών αρμονικής παραμόρφωσης. Οι αλλαγές της τάσης που προκαλούνται από τυχαίες μεταβολές του τόξου, οδηγούν σε μια σειρά από μεταβολές της συχνότητας με εύρος από 0.1 ως 30 khz. Αυτό το φαινόμενο είναι περισσότερο ορατό στη φάση της χύτευσης, κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων κατά μήκος των τόξων [1]. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου το ρεύμα του φούρνου όχι μόνο δεν είναι περιοδικό, αλλά ενδέχεται να περιέχει αρμονικές σε συχνότητες οι οποίες δεν είναι ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους [12]. Η πρόκληση των σχεδιαστών ηλεκτρικών συστημάτων για παρόχους και βιομηχανίες είναι να σχεδιάζουν τα νέα συστήματα υιοθετώντας τα υφιστάμενα, ώστε να λειτουργούν με κλιμακώμενα επίπεδα αρμονικών. Οι πηγές αρμονικών στα ηλεκτρικά συστήματα του μέλλοντος θα είναι ποικίλες και περισσότερες. Το πρόβλημα γίνεται ακόμη πιο περίπλοκο με την αυξημένη χρήση ευαίσθητων ηλεκτρονικών σε βιομηχανικές αυτοματοποιημένες διαδικασίες, προσωπικούς υπολογιστές, ψηφιακές επικοινωνίες και πολυμέσα. Οι πάροχοι, που γενικά δε συγκαταλέγονται στους μεγάλους παραγωγούς αρμονικών, ίσως γίνουν παραγωγοί αρμονικών με την αυξημένη διασύνδεση διανεμημένων πηγών. Φωτοβολταϊκά, άνεμος, φυσικό αέριο, καύσιμα από άνθρακα ακόμη και υδρογόνο αναμένεται να παίξουν σημαντικό ρόλο στη διαχείριση του ηλεκτρισμού στο μέλλον. Οι διανεμημένες γεννήτριες, που προς το παρόν παρέχουν στήριξη στους παρόχους ειδικά κατά τη διάρκεια αιχμών ζήτησης, πρόκειται να συνοδευτούν από πολλές μονάδες-παραγωγούς αρμονικών με καύσιμο φυσικό αέριο ή ακόμη και τον άνεμο, που λέγονται μικροτουρμπίνες [1]. 1.4 Επιπτώσεις των αρμονικών Ένας σημαντικός αριθμός χρηστών του ηλεκτρισμού είναι εντελώς εκτεθειμένοι στις επιπτώσεις της αρμονικής παραμόρφωσης σε βιομηχανικά, εμπορικά και οικιακά φορτία. 1) Μείωση του συντελεστή ισχύος cosφ 12

23 Η επίδραση των αρμονικών ρεύματος στο συντελεστή ισχύος ενός φορτίου είναι ιδιαίτερα σημαντική, με τον τελευταίο για μη ημιτονοειδή κυματομορφή ρεύματος, να προκύπτει από την ακόλουθη σχέση [11]: όπου είναι η rms τιμή του συνολικού ρεύματος, είναι η rms τιμή του ρεύματος στη θεμελιώδη συχνότητα, είναι ο συντελεστής ισχύος στη θεμελιώδη συχνότητα, ο οποίος για μη ημιτονοειδή ρεύματα ονομάζεται συντελεστής μετατόπισης και συμβολίζεται ως,. Λαμβάνοντας υπόψη την εξίσωση 1.15, προκύπτει: Παρατηρώντας λοιπόν την τελευταία εξίσωση, η αύξηση της αρμονικής παραμόρφωσης του ρεύματος έχει σαν αποτέλεσμα μείωση του συντελεστή ισχύος. Επιπλέον, οι αρμονικές του ρεύματος, όπως αναλύθηκε προηγουμένως, δε μεταφέρουν ενεργό ισχύ αλλά συντελούν στην αύξηση της άεργης ισχύος. Αυτό συνεπάγεται μεγαλύτερο ρεύμα για μια δεδομένη ενεργό ισχύ. Έτσι οι αρμονικές αυξάνουν τις απώλειες ενέργειας στα καλώδια και στους μετασχηματιστές όπως περιγράφεται στη συνέχεια. 2) Αύξηση απωλειών στα καλώδια Είναι σύνηθες να θεωρούμε τη μετάδοση θερμότητας στα ηλεκτρικά δίκτυα και ειδικότερα στους αγωγούς και τα καλώδια, ως την ποσότητα, αναφερόμενοι στις ηλεκτρικές απώλειες, όπου είναι η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό και η αντίστασή του. Για την περίπτωση της αρμονικής παραμόρφωσης, οι συνολικές απώλειες μπορούν να εκφραστούν ως το άθροισμα των ξεχωριστών απωλειών κάθε αρμονικής συχνότητας [1]: Η ικανότητα μεταφοράς ρεύματος ενός καλωδίου μειώνεται όταν το ρεύμα που μεταφέρει περιέχει ανώτερες αρμονικές. Αυτή η μείωση οφείλεται στις αυξημένες θερμικές απώλειες που εμφανίζουν τα καλώδια όταν διαρρέονται από ρεύματα υψηλότερων συχνοτήτων, καθώς σε αυτές τις συχνότητες οι ωμικές αντιστάσεις των καλωδίων είναι μεγαλύτερες [10]. 13

24 Όταν ένας κυλινδρικός αγωγός διαρρέεται από dc ρεύμα η πυκνότητα του ρεύματος είναι ομοιόμορφη. Αντίθετα, όταν ο αγωγός διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα η πυκνότητα του ρεύματος δεν είναι ομοιόμορφη [10]. Το φαινόμενο της ανομοιομορφίας της κατανομής του εναλλασσόμενου ρεύματος εξαιτίας της εσωτερικής μαγνητικής ροής είναι γνωστό ως επιδερμικό φαινόμενο και προκαλεί την αύξηση των ωμικών απωλειών σε ένα καλώδιο. Το μεγαλύτερο μέρος μάλιστα των ωμικών απωλειών στα καλώδια οφείλεται στο επιδερμικό φαινόμενο, όπου κατά κανόνα, η πυκνότητα του ρεύματος είναι μεγαλύτερη όσο πλησιάζουμε στην επιφάνεια του αγωγού και μικρότερη κοντά στο κέντρο του. Έτσι, μειώνεται η ενεργός διατομή και αυξάνεται η ac αντίσταση. Η αύξηση της ac αντίστασης και κατά συνέπεια των απωλειών του αγωγού προκαλείται από αρμονικές συνιστώσες ρεύματος υψηλών συχνοτήτων [10]. Ένα άλλο φαινόμενο που προκαλεί αύξηση της ωμικής αντίστασης των καλωδίων όταν διαρρέονται από εναλλασσόμενο ρεύμα, είναι το φαινόμενο της γειτνίασης, το οποίο εκφράζεται ως η ανομοιομορφία του ρεύματος σε έναν αγωγό, η οποία οφείλεται στην παρουσία άλλων, γειτονικών αγωγών. Τέλος, το τρίτο φαινόμενο που παρατηρείται σε καλώδια που διαρρέονται από εναλλασσόμενα ρεύματα και αυξάνει την αντίστασή τους, είναι η δημιουργία δινορευμάτων. Το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τη ροή εναλλασσόμενου ρεύματος σε έναν αγωγό προκαλεί την ανάπτυξη δινορευμάτων σε όλα τα γειτονικά με τον αγωγό αγώγιμα μέρη, όπως είναι άλλοι αγωγοί και η μεταλλική σχάρα όδευσης. Λόγω του φαινομένου αυτού, ακόμη και αγωγοί οι οποίοι δε μεταφέρουν ρεύμα, εάν βρεθούν μέσα σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, αναπτύσσουν δινορεύματα που με τη σειρά τους λόγω του φαινομένου της γειτνίασης, επιδρούν στην πυκνότητα του ρεύματος των άλλων αγωγών του συστήματος, αυξάνοντας περαιτέρω την αντίστασή τους [10]. Οι απώλειες όλων των αγώγιμων μερών του καλωδίου μπορούν να υπολογιστούν ξεχωριστά, σύμφωνα με την παρακάτω σχέση [10]: όπου,, είναι οι επιπρόσθετες απώλειες του καλωδίου εξαιτίας των ac ωμικών απωλειών στους αγωγούς, τη θωράκιση και το μανδύα αντίστοιχα. Ο όρος των απωλειών στους αγωγούς μπορεί να αναλυθεί σε επιμέρους όρους, σύμφωνα με τη σχέση [10]: όπου,, είναι οι όροι που εκφράζουν την αύξηση των απωλειών λόγω του επιδερμικού φαινομένου, του φαινομένου της γειτνίασης με τους άλλους αγωγούς και του φαινομένου της γειτνίασης με το μανδύα αντίστοιχα. Λόγω του ότι μας ενδιαφέρουν οι ac απώλειες στους αγωγούς, συνδυάζοντας τις δύο παραπάνω σχέσεις, η ac αντίσταση του αγωγού θα προκύπτει ως εξής [11]: 14

25 όπου αντίστοιχα είναι η dc αντίσταση του αγωγού και,, είναι οι ποσότητες για την εμφάνιση του επιδερμικού φαινομένου, του φαινομένου της γειτνίασης με άλλους αγωγούς και του φαινομένου της γειτνίασης με το μανδύα. Γνωρίζοντας λοιπόν τις ac αντιστάσεις σε όλες τις συχνότητες, υπολογίζονται στη συνέχεια και οι ωμικές απώλειες που προκαλεί η κάθε αρμονική ρεύματος [11]: Οι συνολικές ωμικές απώλειες που εμφανίζει το καλώδιο είναι ίσες με το άθροισμα των επιμέρους απωλειών σε όλες τις συχνότητες [11]: Το Σχήμα 1.9 παρουσιάζει τη μεταβολή του λόγου με τη συχνότητα. Τα ρεύματα που τροφοδοτούν τα μη ημιτονοειδή φορτία χαρακτηρίζονται από υψηλή αρμονική παραμόρφωση. Οι αυξημένες rms τιμές των ρευμάτων λόγω της αρμονικής παραμόρφωσης της κυματομορφής, οδηγούν σε μετάδοση της θερμότητας στον εξοπλισμό αλλά και μείωση της ικανότητας μεταφοράς του ρεύματος των καλωδίων η οποία πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη για τη διαστασιολόγηση των καλωδίων ισχύος και των μέσω προστασίας τους (και όχι θεωρώντας ημιτονοειδή ρεύματα συχνότητας 50 Hz) [10]. Ένας άλλος σημαντικό παράγοντας που επιδρά στην ικανότητα μεταφοράς ρεύματος του καλωδίου, είναι η ύπαρξη της μεταλλικής σχάρας. Η τοποθέτηση των καλωδίων σε μεταλλικές σχάρες είναι μια πρακτική η οποία εφαρμόζεται κυρίως στα βιομηχανικά δίκτυα. Η ικανότητα μεταφοράς ρεύματος των καλωδίων επηρεάζεται από την ύπαρξη της μεταλλικής σχάρας εξαιτίας [10]: α) της μεταβολής στην απαγωγή της παραγόμενης θερμότητας από τις θερμικές απώλειες στα καλώδια, β) της αύξησης της αντίστασης στα καλώδια λόγω του φαινομένου προσέγγισης με τη μεταλλική σχάρα και γ) εξαιτίας των δινορευμάτων που αναπτύσσονται στη σχάρα. Οι πραγματικές απώλειες στο καλώδιο εξαρτώνται τόσο από τον προσανατολισμό του καλωδίου ως προς τη σχάρα όσο και από το αρμονικό φάσμα του ρεύματος στις φάσεις και στον ουδέτερο. 15

26 Σχήμα 1.9: Μεταβολή του λόγου σε σχέση με τη συχνότητα [6]. Ωστόσο, οι απώλειες στη σχάρα λόγω των δινορευμάτων είναι πολύ μικρές σε σύγκριση με τις απώλειες στους αγωγούς του καλωδίου. Έτσι, η συνεισφορά τους στην ικανότητα μεταφοράς του καλωδίου είναι ελάχιστη [7]. 3) Αύξηση απωλειών στους μετασχηματιστές Τα σύγχρονα βιομηχανικά και εμπορικά δίκτυα, επηρεάζονται ολοένα και περισσότερο από σημαντικά ποσά αρμονικών ρευμάτων, τα οποία παράγονται από μια πληθώρα μη γραμμικών φορτίων όπως variable speed drives, ηλεκτρικούς και επαγωγικούς φούρνους και φωτισμό φθορίου. Πρέπει σε αυτή τη λίστα να προστεθούν τα UPS και ο τεράστιος αριθμός των οικιακών συσκευών, περιλαμβάνοντας τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Όλα αυτά τα ρεύματα παρέχονται μέσω μετασχηματιστών [1]. Σε ένα μετασχηματιστή οι απώλειες διακρίνονται σε απώλειες κενού και απώλειες φορτίου. Οι απώλειες κενού εξαρτώνται από το εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο στον πυρήνα, δηλαδή από την τάση. Θεωρούνται ανεξάρτητες από τη φόρτιση, δηλαδή υπάρχουν συνέχεια και είναι σταθερές όσο ο μετασχηματιστής βρίσκεται υπό σταθερή τάση. Αποτελούνται από τις απώλειες υστέρησης, που εξαρτώνται από το μαγνητικό πεδίο και είναι ανάλογες της συχνότητας και από τις απώλειες δινορευμάτων, που εξαρτώνται από το τετράγωνο του πεδίου, δηλαδή από το τετράγωνο της εφαρμοζόμενης τάσης και από το τετράγωνο της συχνότητας. Από την άλλη πλευρά, οι απώλειες φορτίου εξαρτώνται από το ρεύμα του φορτίου που διαρρέει τα τυλίγματα και η συνεισφορά τους είναι σημαντική [5]. Διακρίνονται σε ωμικές απώλειες και σε απώλειες διασποράς [9]. 16

27 Οι ωμικές απώλειες (ή απώλειες χαλκού) είναι στην ουσία οι θερμικές απώλειες που εμφανίζονται στις αντιστάσεις των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή και είναι ανάλογες του τετραγώνου του ρεύματος. Έτσι, σε περιβάλλον με αρμονικές, οι απώλειες χαλκού στο ανά μονάδα σύστημα (pu) είναι [9]: όπου είναι η pu τιμή της αντίστασης των τυλιγμάτων και είναι η rms τιμή του ρεύματος στην αρμονική συνιστώσα τάξης στο pu Οι απώλειες διασποράς προκαλούνται λόγω των δινορευμάτων που ρέουν στα τυλίγματα, στον πυρήνα, στα μεταλλικά περιβλήματα και σε όλα τα δομικά μέρη ενός μετασχηματιστή [14]. Σύμφωνα με το πρότυπο IEEE C , όταν μελετούμε κάποιον μετασχηματιστή ο οποίος λειτουργεί σε δίκτυο που περιέχει μη-ημιτονοειδή ρεύματα, μπορούμε να θεωρήσουμε πως οι απώλειες διασποράς εμφανίζονται μόνο στα τυλίγματα του μετασχηματιστή λόγω των δινορευμάτων και αυξάνονται με το τετράγωνο του ρεύματος και της συχνότητας [9]. Αυτό φυσικά δε συμβαίνει στην πραγματικότητα, απλά η συνεισφορά των απωλειών λόγω δινορευμάτων στα υπόλοιπα μέρη του μετασχηματιστή, στις συνολικές απώλειές του, είναι αμελητέα [11]. Τέλος, σύμφωνα με το παραπάνω πρότυπο έχουμε: όπου είναι οι απώλειες δινορευμάτων στο pu και η rms τιμή του ρεύματος στην αρμονική συνιστώσα τάξης στο pu σύστημα. Ο συντελεστής προσδιορίζεται από τον κατασκευαστή του μετασχηματιστή. Ωστόσο, τυπική τιμή για μετασχηματιστές ισχύος λαδιού με ονομαστική ισχύ μικρότερη των, είναι, ή pu [9]. Τελικά, οι συνολικές απώλειες φορτίου του μετασχηματιστή θα είναι το άθροισμα των δύο παραπάνω σχέσεων: Σύμφωνα με τα παραπάνω, όσο μεγαλύτερες αρμονικές εμφανίζονται στο ρεύμα του μετασχηματιστή, τόσο μεγαλύτερες θα είναι οι απώλειές του [11]. 17

28 4) Συντονισμός πυκνωτών-μετασχηματιστών Οι πυκνωτές αντιστάθμισης σε συνδυασμό με τις αυτεπαγωγές σκέδασης κυρίως των μετασχηματιστών αλλά και των καλωδίων, δημιουργούν παράλληλα LC κυκλώματα. Το παράλληλο LC κύκλωμα έχει μία συχνότητα συντονισμού, στην οποία η ολική σύνθετη αντίσταση είναι πολύ μεγάλη (θεωρητικά άπειρη). Εάν ένα τέτοιο κύκλωμα τροφοδοτηθεί με ρεύμα συχνότητας ίσης με τη συχνότητα συντονισμού του, τότε το κύκλωμα συντονίζεται με θεωρητικό αποτέλεσμα την ανάπτυξη άπειρης τάσης στους ακροδέκτες του κυκλώματος (στη συγκεκριμένη περίπτωση στους ακροδέκτες των πυκνωτών και των μετασχηματιστών) και πολύ μεγάλα ρεύματα, τα οποία κυκλοφορούν μέσα στο βρόγχο πυκνωτής-μετασχηματιστής [11]. Στην πράξη όμως, ο συντονισμός δεν είναι τέλειος λόγω των ωμικών αντιστάσεων τόσο του μετασχηματιστή όσο και των καλωδίων αλλά και επειδή είναι σπάνιο να υπάρχουν τα ακριβή μεγέθη πυκνωτή και μετασχηματιστή τα οποία θα συντονιστούν ακριβώς σε κάποια ακέραιη αρμονική ρεύματος. Πάντως, όσο πιο κοντά στη συχνότητα συντονισμού βρίσκεται το ρεύμα του μη γραμμικού φορτίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενίσχυσή του στο εσωτερικό του κυκλώματος LC. Αυτό μπορεί να συμβεί στην πράξη και έχει ως αποτέλεσμα την κυκλοφορία μεγάλων ρευμάτων στους πυκνωτές αντιστάθμισης και στους μετασχηματιστές και επομένως την υπερφόρτιση και την καταστροφή τους [11]. Στο παρακάτω διάγραμμα του Σχήματος 1.10, φαίνεται η κατά προσέγγιση συχνότητα συντονισμού (σαν πολλαπλάσιο των 50 Hz) για διάφορες τιμές της συνολικής χωρητικής αντιστάθμισης (σε βήματα των 50 kvar) και για μετασχηματιστή 2000 kva [11]. Σχήμα 1.10: Συχνότητα συντονισμού - άεργη ισχύς αντιστάθμισης [11]. 18

29 5) Αύξηση αρμονικής παραμόρφωσης τάσης και αύξηση απωλειών στους κινητήρες Οι αρμονικές ρεύματος, καθώς ρέουν στα καλώδια, δημιουργούν αντίστοιχες πτώσεις τάσης. Αν η σύνθετη αντίσταση του καλωδίου είναι μεγάλη, τότε δημιουργείται και παραμόρφωση της τάσης με αρμονικές. Αυτή η παραμορφωμένη τάση, επιβάλλεται και σε γραμμικά φορτία όπως οι κινητήρες. Σε αυτές τις περιπτώσεις αυξάνονται οι απώλειες σιδήρου των κινητήρων. Επιπλέον, ορισμένες αρμονικές όπως η 5 η, 8 η, 11 η, 14 η, 17 η, κλπ, δημιουργούν αντίστροφα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στους κινητήρες, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται αντίστροφες ροπές σε αυτούς, το οποίο ισοδυναμεί με πέδησή τους. Αυτά γίνονται αντιληπτά σαν υπερθέρμανση των κινητήρων, η οποία βαθμιαία οδηγεί σε γήρανση της μόνωσής των και τελικά συχνή αλλαγή της [11]. 6) Παρεμβολές σε κυκλώματα τηλεπικοινωνιών και ελέγχου - αντικανονική λειτουργία συσκευών Σε ορισμένες περιπτώσεις, η παραμόρφωση της τάσης μπορεί να επεκταθεί μέχρι και το σημείο κοινής σύνδεσης της βιομηχανίας με το Διαχειριστή του Δικτύου (ΔΔ), οπότε ενδεχομένως να υπάρχουν ανάλογες κυρώσεις για μόλυνση του δικτύου. Σύμφωνα με την οδηγία 120 της ΔΕΗ, η ανοχή στην παραμόρφωση της τάσης μπορεί να είναι από 0.5% ως 6%, αναλόγως του μεγέθους της αρμονικής [11]. Οι αρμονικές μεγάλης συχνότητας δημιουργούν προβλήματα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών και ειδικά σε βιομηχανικούς χώρους στη λειτουργία των διαφόρων ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου (προβλήματα PLC, λανθασμένες εντολές ελέγχου, κλπ.) [11]. Κάτω από απρόσμενες καταστάσεις, η αρμονική παραμόρφωση μπορεί να οδηγήσει σε πολλαπλούς μηδενισμούς της τάσης, εμποδίζοντας τη λειτουργία των συστημάτων ελέγχου που χρησιμοποιούν το μηδενισμό ως χρονικό ή μετρητή (αναφορά). Επιπλέον προβλήματα, μπορεί να είναι παρεμβολές στους ρυθμιστές ταχύτητας των κινητήρων και αντικανονική λειτουργία των VFDs, όταν οι rms τιμές των ρευμάτων και των τάσεων μεταβάλλονται με την αρμονική παραμόρφωση [1]. 7) Συσκευές φωτισμού Όπως αναφέρθηκε ξανά, η χρήση μαγνητικών και ηλεκτρονικών ballast σε λαμπτήρες φθορισμού, οδηγούν στην παραγωγή αρμονικών ρευμάτων. Αυτό το φαινόμενο, εν τούτοις, δεν έχει αντίκτυπο στα επίπεδα φωτεινότητας. Οι συνιστώσες που δεν είναι ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας, γνωστές και ως ενδοαρμονικές (π.χ. αρμονική 3.5 ης τάξης στα 175 Hz), είναι πιο επιρρεπείς για να προκαλέσουν ταλαντώσεις της τάσης που θα οδηγήσουν σε Flicker (το φαινόμενο της οπτικής ενόχλησης από τις διακυμάνσεις της φωτεινότητας λαμπτήρων πυρακτώσεως, εξαιτίας αντίστοιχων διακυμάνσεων της τάσης τροφοδοσίας τους). Οι κύριες πηγές υπεραρμονικών είναι οι κυκλομετατροπείς (cycloconverters ή AC/AC μετατροπείς) συσκευές που έχουν 19

30 καθορισμένο πλάτος και συχνότητα στην είσοδο, αλλά στην έξοδο μπορεί να μεταβάλλονται. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανίες μετάλλου, τσιμέντου και ορυκτών καθώς επίσης και σε χυτήρια και συγκολλήσεις. Το Flicker είναι μια από τις κυριότερες συνέπειες των υπεραρμονικών λόγω της διαμορφωμένης υπεραρμονικής τάσης στην κατάσταση μόνιμης λειτουργίας [1]. 8) Γεννήτριες Οι γεννήτριες που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας, έχουν θεμελιωδώς σχεδιαστεί για να τροφοδοτούν γραμμικά φορτία. Ωστόσο, όταν ο τύπος του φορτίου είναι κυρίως μη γραμμικός, τα συστήματα παραγωγής πρέπει να συμμορφώνονται με κάποιες απαιτήσεις που τα επιτρέπουν να λειτουργούν σε σταθερές συνθήκες χωρίς να εκτίθενται σε αυξημένη θερμότητα και δονήσεις περιστροφικής ροπής, οι οποίες μπορεί να ξεπεράσουν τα επιθυμητά όρια λειτουργίας [1]. Ουσιαστικά, ένα μη γραμμικό φορτίο παράγει μια παραμορφωμένη κυματομορφή τάσης στους ακροδέκτες της γεννήτριας. Αυτό συνεπάγεται τα ακόλουθα για τη λειτουργία της γεννήτριας [1]: Παραγωγή θετικής (1 ης, 4 ης, 7 ης, 10 ης, 13 ης, τάξης) και αρνητικής (2 ης, 5 ης, 8 ης, 11 ης, 14 ης, τάξης) ακολουθίας ρευμάτων, τα οποία παράγουν περιστροφικές ροπές και δονήσεις στον άξονα του δρομέα. Αυτές μπορεί να φθείρουν πρόωρα τα έδρανα του άξονα. Παραμόρφωση της κυματομορφής της τάσης στο σύστημα διέγερσης του κυκλώματος τροφοδοσίας, το οποίο μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα ρύθμισης τάσης. Υπερβολικά ρεύματα αρνητικής ακολουθίας, τα οποία συνεισφέρουν στην αύξηση ασυμμετριών στην τάση. 1.5 Μέθοδοι μείωσης των αρμονικών Η αντιμετώπιση του προβλήματος των αρμονικών ρεύματος γίνεται με την εγκατάσταση κατάλληλων φίλτρων. Τα φίλτρα διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: τα ενεργά και τα παθητικά. Τα ενεργά φίλτρα είναι ιδιαίτερα αποδοτικά στην αντιμετώπιση των αρμονικών αλλά έχουν πολύ μεγάλο κόστος. Τα παθητικά φίλτρα απαιτούν προσεκτικό σχεδιασμό για να γίνουν αποτελεσματικά αλλά έχουν μικρότερο κόστος. Η επιλογή του τύπου του φίλτρου, του μεγέθους του και της συνδεσμολογίας, γίνεται μετά από μετρήσεις αρμονικών ρεύματος και τάσης στα διάφορα σημεία της εγκατάστασης. Επιπλέον απαιτούνται υπολογισμοί και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη και προσομοίωση του ηλεκτρικού δικτύου της εγκατάστασης με ειδικό λογισμικό. Διαφορετικά, είναι πολύ πιθανόν να οδηγηθεί κάποιος σε καταστροφή των ίδιων των φίλτρων λόγω υπερφόρτισής τους. Τόσο τα ενεργά όσο και τα παθητικά φίλτρα συμβάλουν στην αντιστάθμιση άεργης ισχύος [14]. 20

31 1.5.1 Παθητικά φίλτρα αρμονικών Τα παθητικά φίλτρα αρμονικών μπορούν να σχεδιαστούν ως συντονισμένα (single-tuned) στοιχεία παρέχοντας μια χαμηλή σύνθετη αντίσταση στα αρμονικά ρεύματα σε μια συγκεκριμένη συχνότητα ή ως μη συντονισμένα (band-pass ή high-pass), φιλτράροντας αρμονικές σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων (Σχήμα 1.11) [1]. Σχήμα 1.11: Παθητικά φίλτρα αρμονικών [1]. Το συντονισμένο φίλτρο είναι ο εν σειρά συνδυασμός μιας αυτεπαγωγής και μιας χωρητικότητας. Στην πραγματικότητα, απουσία μιας φυσικά σχεδιασμένης αντίστασης, πάντα θα υπάρχει μια αντίσταση σε σειρά η οποία είναι η εσωτερική αντίσταση του σε σειρά πηνίου που μερικές φορές χρησιμοποιείται για την αποφυγή υπερθέρμανσης του φίλτρου. Όλα τα αρμονικά ρεύματα των οποίων η συχνότητα συντονισμού συμπίπτει με αυτή του συντονισμένου φίλτρου, θα δουν μια χαμηλή σύνθετη αντίσταση μέσω του φίλτρου [1]. Τα συντονισμένα φίλτρα, λοιπόν, συντονίζονται με ακρίβεια στη συχνότητα κάποιας αρμονικής, απαλείφοντας σχεδόν στο 100% την αρμονική παραμόρφωση η οποία προέρχεται από το ρεύμα που βρίσκεται στη συχνότητα συντονισμού τους [11]. Η συχνότητα συντονισμού μπορεί να εκφραστεί ως [1]: όπου είναι η συχνότητα συντονισμού σε Hertz, είναι η αυτεπαγωγή του φίλτρου σε Henry και είναι η χωρητικότητα του φίλτρου σε Farad Η σύνθετη αντίσταση του κλάδου του φίλτρου δίνεται από [1]: όπου,, είναι η αντίσταση, η αυτεπαγωγή και η χωρητικότητα των στοιχείων του φίλτρου αντίστοιχα και είναι η γωνιακή συχνότητα του συστήματος ισχύος. Η κατάσταση συντονισμού του φίλτρου ισοδυναμεί με την περίπτωση που το φανταστικό μέρος του γίνεται μηδέν, οπότε και ισούται με 21

32 το πραγματικό - η μόνη συνιστώσα της σύνθετης αντίστασης είναι η ωμική. Η συχνότητα στην οποία συντονίζεται το φίλτρο, ορίζεται από την τιμή του που κάνει την επαγωγική και χωρητική αντίδραση στην παραπάνω εξίσωση, να αναιρέσουν η μία την άλλη [1]. Λόγω του ότι τα παθητικά φίλτρα παρέχουν πάντα αντιστάθμιση άεργης ισχύος σε ένα βαθμό που υπαγορεύεται από το μέγεθος της φαινόμενης ισχύος και της τάσης της τράπεζας πυκνωτών που χρησιμοποιείται, μπορούν στην πραγματικότητα να σχεδιαστούν για το διπλό σκοπό του να παρέχουν δράση φίλτρου και να αντισταθμίζουν άεργη ισχύ (συντελεστής ισχύος στο επιθυμητό επίπεδο). Αν χρησιμοποιούνται περισσότερα του ενός φίλτρα για παράδειγμα σετ των 5 ης και 7 ης αρμονικής ή 11 ης και 13 ης αρμονικής θα είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη πως όλα αυτά παράγουν ένα σημαντικό ποσό άεργης ισχύος [1]. Τα παθητικά φίλτρα μεταφέρουν ένα ρεύμα που μπορεί να εκφραστεί ως κλάσμα του ρεύματος του φορτίου στη θεμελιώδη συχνότητα. Ως προς το κόστος, είναι πιο ακριβά από πηνία που τοποθετούνται σε σειρά για απόσβεση αρμονικών, αλλά έχουν το πλεονέκτημα της παραγωγής άεργης ισχύος στη θεμελιώδη συχνότητα. Η διαδικασία σχεδιασμού του φίλτρου είναι συνδυασμός μεταξύ πολλών παραγόντων όπως χαμηλή αντίσταση, οικονομία και αξιοπιστία. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αναζητούμε το σχεδιασμό του πιο απλού φίλτρου που να πετυχαίνει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Για πρακτικούς λόγους, χρησιμοποιούνται ουσιαστικά στη βιομηχανία [1]. Από την άλλη πλευρά, τα μη συντονισμένα φίλτρα, δε συντονίζονται πλήρως με τη συχνότητα κάποιας αρμονικής συνιστώσας του ρεύματος. Έτσι, αποφεύγεται η περίπτωση καταστροφής τους λόγω της μηδενικής σύνθετης αντίστασης που θα εμφάνιζαν στη συχνότητα συντονισμού. Αυτό μπορεί να στερεί από το φίλτρο τη δυνατότητα πλήρους αποκοπής κάποιας αρμονικής, του παρέχει όμως τη δυνατότητα μείωσης των αρμονικών σε ένα εύρος συχνοτήτων και μάλιστα σε ικανοποιητικό βαθμό [11]. Τα μη συντονισμένα φίλτρα ξεχωρίζουν για τη μικρή σύνθετη αντίσταση που παρουσιάζουν πάνω από τη συχνότητα αποκοπής. Η συχνότητα αυτή πρέπει να τοποθετείται κάτω από όλα τα σημαντικά αρμονικά ρεύματα που εμφανίζονται στην εγκατάσταση και δίνεται από την παρακάτω σχέση [1]: Τα παθητικά φίλτρα έχουν τη δυνατότητα να συνδεθούν σε σειρά ή παράλληλα (Σχήμα 1.12). Συγκεκριμένα, οι αρμονικές μπορεί να παρεμποδίζονται να περάσουν στο δίκτυο συνδέοντας: α) μια, μεγάλης τιμής, εν σειρά μιγαδική αντίσταση, β) μια, μικρής τιμής, παράλληλη μιγαδική αντίσταση ή γ) κάποιο συνδυασμό των δύο παραπάνω [15]. 22

33 Σχήμα 1.12: (α) φίλτρα εν σειρά, (b) φίλτρα παράλληλα [15]. Ένα εν σειρά φίλτρο, μπορεί να μεταφέρει ολόκληρο το ρεύμα του κυρίως κυκλώματος και πρέπει να είναι μονωμένο για πλήρη τάση στη γη. Το παράλληλο φίλτρο γειώνεται στο ένα άκρο και μεταφέρει μόνο το αρμονικό ρεύμα για το οποίο είναι ρυθμισμένο μαζί με ένα θεμελιώδες ρεύμα πολύ μικρότερο όμως από αυτό του κυρίου κυκλώματος. Έτσι, ένα παράλληλο φίλτρο είναι πολύ φθηνότερο σε σύγκριση με ένα εν σειρά φίλτρο της ίδιας αποτελεσματικότητας. Τα παράλληλα φίλτρα έχουν ακόμη ένα πλεονέκτημα έναντι των εν σειρά, πως τα πρώτα, για τη θεμελιώδη συχνότητα τροφοδοτούν το δίκτυο με την απαιτούμενη άεργη ισχύ, ενώ τα τελευταία καταναλώνουν άεργη ισχύ [15] Ενεργά φίλτρα αρμονικών Παρά τις αρνητικές επιπτώσεις των μη γραμμικών φορτίων στο δίκτυο και στους καταναλωτές, οι οποίες αναφέρθηκαν νωρίτερα, η κύρια πηγή του προβλήματος, τα ηλεκτρονικά ισχύος, μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά ως ενεργά φίλτρα με στόχο την απαλοιφή των αρμονικών από το δίκτυο και τη βελτίωση του συντελεστή ισχύος [13]. Η λειτουργία των ενεργών φίλτρων βασίζεται στην εξής διαδικασία: με μια μετρητική διάταξη λαμβάνεται η τιμή του ρεύματος γραμμής του φορτίου. Στη συνέχεια, απομονώνεται η πρώτη αρμονική του ρεύματος αυτού και αφαιρώντας την από το ρεύμα της γραμμής, λαμβάνεται η συνολική παραμόρφωση του ρεύματος γραμμής, η οποία αποτελείται από όλες τις αρμονικές εκτός της πρώτης. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας μια διακοπτική διάταξη, η οποία αποτελείται από IGBT ή MOSFET, δημιουργείται στο φίλτρο ένα ρεύμα ίσο και αντίθετο με το ρεύμα της παραμόρφωσης. Το ρεύμα αυτό εισάγεται στο δίκτυο, έτσι ώστε να προστίθεται στο ρεύμα της γραμμής. Εφόσον οι αρμονικές του ρεύματος γραμμής είναι ίσες με τις αρμονικές που εισάγει το φίλτρο, θα αποσβένονται διανυσματικά και το ρεύμα γραμμής δε θα περιέχει πλέον αρμονικές [12]. Η εγκατάσταση των ενεργών φίλτρων συνήθως γίνεται στην είσοδο των μη γραμμικών φορτίων για την αποτελεσματικότερη αντιμετώπιση των επιπτώσεών 23

34 τους. Επίσης, παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών μέσων αντιστάθμισης, όπως τα παθητικά φίλτρα, μερικά από τα οποία είναι [13]: 1. Αυτόματη προσαρμογή στις μεταβολές του φορτίου. 2. Αντιστάθμιση αρμονικών υψηλών συχνοτήτων. 3. Δεν επηρεάζονται από μεταβολές των χαρακτηριστικών του δικτύου, μειώνοντας τον κίνδυνο εμφάνισης συντονισμών μεταξύ του φίλτρου και της σύνθετης αντίστασης του δικτύου. 4. Καταλαμβάνουν μικρότερο χώρο. Τα μειονεκτήματα που υπάρχουν συνοψίζονται στο υψηλό κόστος κατασκευής και στην πολυπλοκότητα του συστήματος ελέγχου [13]. Υπάρχουν δύο τύποι κυκλωμάτων ισχύος που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των ενεργών φίλτρων οι οποίοι περιγράφονται στη συνέχεια. Τα ενεργά φίλτρα πηγής ρεύματος χρησιμοποιούν ένα πηνίο,, ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας για τη συνεχή κυκλοφορία του dc ρεύματος. Παρουσιάζουν καλή αξιοπιστία, αλλά έχουν σημαντικές απώλειες και απαιτούν μεγαλύτερους πυκνωτές στην έξοδό τους, οι οποίοι λειτουργούν ως φίλτρα αποκοπής των ανεπιθύμητων αρμονικών υψηλής συχνότητας [13]. Η συγκεκριμένη τοπολογία παρουσιάζεται στο ακόλουθο Σχήμα Σχήμα 1.13: Ενεργό φίλτρο πηγής ρεύματος [13]. Τα ενεργά φίλτρα πηγής τάσης είναι καταλληλότερα για τις εφαρμογές απαλοιφής αρμονικών, διότι παρουσιάζουν πλεονεκτήματα, όπως μικρό κόστος και βάρος αλλά και καλύτερο έλεγχο. Ένας πυκνωτής, ο οποίος χρησιμοποιείται ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας, διατηρεί στα άκρα του μια συνεχή τάση με μικρή κυμάτωση για λόγους ελεγξιμότητας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.14 [13]. 24

35 Σχήμα 1.14: Ενεργό φίλτρο πηγής τάσης [13]. Ως προς την τοπολογία, έχουμε ενεργά φίλτρα παράλληλης συνδεσμολογίας, συνδεσμολογίας σειράς και υβριδικά. Ένα ενεργό φίλτρο παράλληλης συνδεσμολογίας συνδέεται παράλληλα με το φορτίο όπως φαίνεται στο Σχήμα Η λειτουργία του βασίζεται στην ανίχνευση των αρμονικών του ρεύματος φορτίου και την εν συνεχεία απαλοιφή τους μέσω της παραγωγής ενός ρεύματος αντιστάθμισης στο σημείο κοινής σύνδεσης. Λειτουργούν δηλαδή ως πηγές ρεύματος. Όπως περιγράφηκε παραπάνω, το ρεύμα αντιστάθμισης είναι ίδιο με το ρεύμα διαταραχής του φορτίου με αντίθετο πρόσημο, οπότε το ρεύμα δικτύου (στο σημείο σύνδεσης φίλτρου - φορτίου) θα είναι ημιτονοειδές [13]. Σχήμα 1.15: Ενεργό φίλτρο παράλληλης συνδεσμολογίας [13]. Τα ενεργά φίλτρα συνδεσμολογίας εν σειρά συμπεριφέρονται ως πηγές τάσης οι οποίες συνδέονται σε σειρά με το δίκτυο και το φορτίο μέσω μετασχηματιστών και λειτουργούν σύμφωνα με την αρχή της απομόνωσης των αρμονικών (Σχήμα 1.16). Παρουσιάζουν υψηλή σύνθετη αντίσταση στη 25

36 θεμελιώδη συχνότητα και χαμηλή στις ανώτερες αρμονικές, αποτρέποντας έτσι τη ροή των αρμονικών από και προς το δίκτυο [13]. Σχήμα 1.16: Ενεργό φίλτρο συνδεσμολογίας σειράς [13]. Τα υβριδικά ενεργά φίλτρα αποτελούν συνδυασμό των ενεργών και παθητικών τεχνικών αντιστάθμισης και εφαρμόζονται με επιτυχία όχι μόνο για την απαλοιφή των αρμονικών αλλά και για την αρμονική απομόνωση μεταξύ δικτύου και φορτίου και τη ρύθμιση των διακυμάνσεων της τάσης. Η υλοποίηση αυτή αποτελεί συχνά μια οικονομικοτεχνική εναλλακτική πρόταση έναντι των καθαρά ενεργών φίλτρων. Τα παθητικά φίλτρα είναι συντονισμένα σε συγκεκριμένη συχνότητα για την αντιστάθμιση αρμονικών ρευμάτων συνήθως χαμηλών συχνοτήτων, μειώνοντας έτσι σημαντικά το μέγεθος του ενεργού φίλτρου. Στα παρακάτω Σχήματα 1.17(α), (β), (γ) φαίνονται κάποιες τοπολογίες υβριδικών φίλτρων. Σχήμα 1.17(α): Ενεργό και παθητικό φίλτρο συνδεδεμένα παράλληλα [13]. Σχήμα 1.17(β): Ενεργό φίλτρο συνδεδεμένο εν σειρά και παθητικό παράλληλα [13]. 26

37 Σχήμα 1.17(γ): Ενεργό φίλτρο συνδεσμολογίας εν σειρά, σε σειρά με παράλληλο παθητικό φίλτρο [13]. Τέλος, στην κατηγορία των ενεργών φίλτρων, εντάσσονται οι σύνθετοι ρυθμιστές ποιότητας ισχύος (Unified Power Quality Conditioner, UPQC), αποτελώντας ένα συνδυασμό ενεργών φίλτρων, εν σειρά και παράλληλης συνδεσμολογίας. Το φίλτρο της εν σειρά συνδεσμολογίας καταστέλλει και απομονώνει τις αρμονικές της τάσης και το φίλτρο της παράλληλης εξαλείφει τις αρμονικές του ρεύματος. Συνήθως, το στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας είναι κοινό για τις δύο συνδεσμολογίες (Σχήμα 1.18) [13]. Υπάρχουν δύο είδη τέτοιων ρυθμιστών. Στον πρώτο, το εν σειρά φίλτρο εγκαθίσταται κοντά στο φορτίο και το παράλληλο κοντά στο δίκτυο, με το πρώτο να χρησιμοποιείται για την απαλοιφή των αρμονικών της τάσης του φορτίου και το δεύτερο για την εξάλειψη των αρμονικών του ρεύματος και τη βελτίωση του συντελεστή ισχύος. Στο δεύτερο είδος, η θέση σύνδεσης διαφοροποιείται, με το ενεργό φίλτρο παράλληλης συνδεσμολογίας να τοποθετείται κοντά στο φορτίο για την αντιστάθμιση των αρμονικών του ρεύματος φορτίου και το εν σειρά φίλτρο στην πλευρά του δικτύου για την απαλοιφή των αρμονικών της τάσης του δικτύου [13]. Σχήμα 1.18: Τοπολογία σύνθετου ρυθμιστή ποιότητας ισχύος [13]. Ολοκληρώνοντας, πέρα από τα παθητικά και ενεργά φίλτρα αρμονικών, είναι σημαντικό να αναφερθούν κάποιες ακόμη τεχνικές που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία για τον έλεγχο της ροής ρευμάτων αρμονικών που παράγονται από μη γραμμικά φορτία σε συστήματα ισχύος. Αυτές περιλαμβάνουν την 27

38 αναδιαμόρφωση της τοπολογίας του δικτύου, την αύξηση της ακαμψίας των πηγών, τη χρήση μετατροπέων πολλών παλμών (για την ακύρωση αρμονικών), τη χρήση πηνίων σε σειρά και τέλος τη συμμετρία φάσεων [1]. 1.6 Πρότυπα για τα επίπεδα αρμονικών Τα πιο διαδεδομένα πρότυπα για τον έλεγχο των αρμονικών παγκοσμίως, είναι της IEEE για τις Η.Π.Α. και της IEC διεθνώς. [1]. Σχετικά με την ΙΕΕΕ, λόγω των ανωτέρω προβλημάτων, έχει ορισθεί το IEEE- 519 και καθορίζει, όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα του Σχήματος 1.19, τα όρια αρμονικών ρεύματος στο σημείο σύνδεσης μιας βιομηχανίας με τον αντίστοιχο διαχειριστή του δικτύου (ΔΔ). Η αρμονική παραμόρφωση έχει περισσότερο νόημα όταν μελετάται στο σημείο αυτό - γνωστό και ως σημείο κοινής σύνδεσης (Point of Common Coupling PCC) [1]. Ο συντελεστής παραμόρφωσης ζήτησης (Total Demand Distortion - TDD) προκύπτει ως εξής: όπου είναι η τάξη της αρμονικής, η αρμονική του ρεύματος στην τάξη και είναι το μέσο μέγιστο ρεύμα που απορροφά η βιομηχανία [1]. Τα προτεινόμενα όρια από τον παρακάτω πίνακα του Σχήματος 1.19, ορίζονται ως συνάρτηση του λόγου μεταξύ του ρεύματος βραχυκύκλωσης στο σημείο κοινής σύνδεσης της βιομηχανίας με το ηλεκτρικό δίκτυο και του μέσου ρεύματος, που αντιστοιχεί στη μέγιστη ζήτηση του φορτίου (συνιστώσα της θεμελιώδους συχνότητας), στο ίδιο σημείο [23]. Σχήμα 1.19: Όρια ρεύματος αρμονικής παραμόρφωσης ως ποσοστό του τάση έως V) [23]. (για Τα πρότυπα της IEC για αρμονικές θέτουν όρια για τον εξοπλισμό του καταναλωτή, με αποκλειστική αναφορά σε οικιακές εγκαταστάσεις. Μετά από πολλές αναθεωρήσεις, το τελευταίο πρότυπο αρμονικών IEC επικεντρώνεται στον περιορισμό της κατανάλωσης αρμονικών από τον εξοπλισμό, με τον τελευταίο να αναφέρεται σε μονοφασικές και τριφασικές μονάδες, με ρεύματα ανά φάση που φτάνουν τα 16 Α [1]. Συγκεκριμένα, το πρότυπο θεωρεί τέσσερις διαφορετικές κλάσεις εξοπλισμού για τη θέσπιση ορίων αρμονικών ρευμάτων [1]: 28

39 Class A: Συμμετρικά τριφασικά συστήματα, dimmer λαμπτήρων πυρακτώσεως (αλλά όχι άλλος εξοπλισμό φωτισμού), εξοπλισμός ήχου. Class B: Φορητά ηλεκτρικά εργαλεία ισχύος. Class C: Κάθε εξοπλισμός φωτισμού, εκτός των dimmer λαμπτήρων πυρακτώσεως. Class D: Μονοφασικά φορτία, υπολογιστές, οθόνες, δέκτες τηλεόρασης. Ο πίνακας του Σχήματος 1.20, παρουσιάζει τα όρια για ξεχωριστά αρμονικά ρεύματα, κάθε μιας από τις κλάσεις ταξινόμησης του εξοπλισμού. Τα όρια δίνονται σε ampere για τον εξοπλισμό των κλάσεων A και B και σε ποσοστό της θεμελιώδους για την κλάση C. Για την κλάση D, τα επίπεδα καθορίζονται σε milliampere ανά watt για εξοπλισμό ονομαστικής ισχύος μεγαλύτερης από, αλλά μικρότερης από ή σε ampere για εξοπλισμό μεγαλύτερο από. Σημειώνεται πως δεν καθορίζονται όρια για το συντελεστή αρμονικής παραμόρφωσης [1]. Σχήμα 1.20: Όρια ρεύματος σύμφωνα με το IEC [1]. 29

40 30

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ηλεκτρική βιομηχανική εγκατάσταση και μετρήσεις 2.1 Χώρος διεξαγωγής μετρήσεων Η διερεύνηση λειτουργίας των ενεργών και παθητικών φίλτρων της παρούσας εργασίας, αφορά τη διενέργεια μετρήσεων, καθώς και τη μετέπειτα επεξεργασία τους, στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις του εργοστασίου εμπλουτισμού μικτών θειούχων μεταλλευμάτων της Ελληνικός Χρυσός Α.Ε., στην Ολυμπιάδα Χαλκιδικής. Σε ό, τι αφορά την εταιρεία, τον Ιανουάριο του 2004 απέκτησε με σύμβαση που υπογράφηκε από το ελληνικό δημόσιο τα μεταλλευτικά δικαιώματα των Μεταλλείων Κασσάνδρας, ενώ το Φεβρουάριο του 2012 ξεκίνησε να λειτουργεί ως θυγατρική της καναδικής εταιρείας Eldorado Gold [27]. Η Eldorado Gold είναι μια εταιρεία μεσαίου μεγέθους που δραστηριοποιείται στο μεταλλευτικό και μεταλλουργικό κλάδο. Η έδρα της είναι στο Βανκούβερ του Καναδά και είναι εισηγμένη στα Χρηματιστήρια του Καναδά και της Νέας Υόρκης με κύκλο εργασιών που ξεπερνά το 1 δις δολάρια ετησίως. Σήμερα διαθέτει επτά ενεργά μεταλλεία και αρκετά σε αναπτυξιακό ή και κατασκευαστικό στάδιο στην Κίνα, την Τουρκία, την Ελλάδα και τη Βραζιλία. Στην Ελλάδα κατέχει το 95% της Ελληνικός Χρυσός Α.Ε. (όπου το υπόλοιπο 5% παραμένει στην κατοχή του ομίλου ΕΛΑΚΤΩΡ) και το 100% της Χρυσωρυχεία Θράκης [27]. Τα Μεταλλεία Κασσάνδρας βρίσκονται στην ΒΑ Χαλκιδική, εντός των διοικητικών ορίων του Δήμου Αριστοτέλη, σε μία περιοχή που περικλείεται από τα χωριά Ολυμπιάδα, Στρατώνι, Στρατονίκη, Στάγειρα, Νεοχώρι, Παλαιοχώρι και Μεγάλη Παναγία. Κύριο χαρακτηριστικό της περιοχής είναι η πλούσια μεταλλοφορία του υπεδάφους της με κοιτάσματα μολύβδου, ψευδαργύρου, χαλκού, χρυσού και αργύρου. Σε αυτά περιλαμβάνονται τα γνωστά κοιτάσματα «Μαύρες Πέτρες», «Ολυμπιάδα» και «Σκουριές» [27]. Το υφιστάμενο εργοστάσιο εμπλουτισμού της Ολυμπιάδας, έχει κατασκευαστεί το και έχει λειτουργήσει για τον εμπλουτισμό μικτών θειούχων μεταλλευμάτων του κοιτάσματος της Ολυμπιάδας Χαλκιδικής από τον Οκτώβριο του 1976 μέχρι και 21/12/1995, όπου από τις 22/12/1995 έπαυσε η δραστηριότητά του [27]. Το έτος 2010 ξεκίνησε η συντήρηση επισκευή και αναβάθμιση του υφιστάμενου εργοστασίου εμπλουτισμού, προκειμένου να καθαριστεί και στη 31

42 συνέχεια εμπλουτιστεί το υφιστάμενο (αποθηκευμένο σε παρακείμενο χώρο απόθεσης λίμνη τελμάτων) τέλμα εμπλουτισμού μικτών θειούχων μεταλλευμάτων (παλαιότερων εκμεταλλεύσεων). Η συνολική ποσότητα του τέλματος ανέρχεται σε ~2.5 εκατ. τόνους, με μέση περιεκτικότητα θείου (S): 6.0%, σιδήρου (Fe): 6.0%, αρσενικού (As): 1.9%, και χρυσού (Au): 3.4 γρ./τόνο. Η ολοκλήρωση των εργασιών επισκευής και η έναρξη λειτουργίας του εργοστασίου πραγματοποιήθηκαν το έτος 2012 (Σχήμα 2.1) [24]. Σχήμα 2.1: Εργοστάσιο εμπλουτισμού μικτών θειούχων μεταλλευμάτων Ολυμπιάδας [27]. Στόχος των εργασιών είναι η απομάκρυνση των παλαιών τελμάτων από το χώρο απόθεσης, η μεταφορά στο υφιστάμενο, παρακείμενο εργοστάσιο εμπλουτισμού και ο καθαρισμός τους από τον περιεχόμενο αρσενοπυρίτη και σιδηροπυρίτη (συμπύκνωμα πυριτών), με τη μέθοδο της επίπλευσης. Από τον καθαρισμό των τελμάτων παράγονται δύο υλικά, ένα εμπορεύσιμο συμπύκνωμα πυριτών ~ τόνους με περίπου 20 γρ./τόνο χρυσό (Au) και ένα μερικώς εμπορεύσιμο υπόλειμμα ~ τόνους [24]. Ειδικά για το υπόλειμμα, υπάρχει εγκατεστημένη διάταξη ταξινόμησής του σε δύο κλάσματα, αδρομερές και λεπτομερές, τα οποία υφίστανται πύκνωση και διήθηση ώστε η διαχείρισή τους να γίνεται υπό σχεδόν ξηρή μορφή. Παράλληλα με τις εργασίες απομάκρυνσης και καθαρισμού των τελμάτων, πραγματοποιούνται και εργασίες σταδιακής αποκατάστασης του χώρου που ελευθερώνεται [24]. 32

43 Η υφιστάμενη λίμνη τελμάτων βρίσκεται στην πεδινή περιοχή της Ολυμπιάδας, 500m βόρεια τον υφιστάμενων εγκαταστάσεων εμπλουτισμού. Η λίμνη κατασκευάστηκε και τέθηκε σε λειτουργία το 1976 από την τότε ιδιοκτήτρια εταιρεία Α.Ε.Ε.Χ.Π.&Λ. για τη διάθεση των στερεών καταλοίπων (τελμάτων) εμπλουτισμού του μεταλλεύματος μικτών θειούχων. Στην ίδια λίμνη εναποτίθονταν και τα υγρά απόβλητα (λάσπη) από τη μονάδα κατεργασίας των νερών μεταλλείου [26]. Η λίμνη αποτελεί έναν τεχνητό ταμιευτήρα απόθεσης τελμάτων με φράγμα ύψους έως 15.5m, με βαθμιδωτά πρανή κλίσης 1:3 και καταλαμβάνει μία συνολική επιφάνεια (περιλαμβανομένου και του φράγματος) 265 στρεμμάτων. Το τέλμα του εργοστασίου οδηγούνταν με αντλίες στη λίμνη τέλματος περιφερειακά. Τα στερεά του τέλματος με φυσική καθίζηση αποθηκεύονταν στη λίμνη και το νερό του τέλματος, διαυγές πλέον, οδηγούνταν μέσω υπερχειλιστήρων και υπογείων αγωγών στη λίμνη διαύγασης και αποθήκευσης βιομηχανικών νερών (Σχήμα 2.1), πλησίον του εργοστασίου [26]. Στο Σχήμα 2.2 παρουσιάζεται φωτογραφία της λίμνης απόθεσης τελμάτων. Σχήμα 2.2: Λίμνη τελμάτων [27] Περιγραφή της παραγωγικής διαδικασίας μεταλλεύματος Στις εγκαταστάσεις του εργοστασίου περιλαμβάνονται [24]: Μονάδα θραύσεως του μεταλλεύματος (τριβείο). Μονάδα εμπλουτισμού του μεταλλεύματος διαφορικής επίπλευσης (πλυντήριο). Κλειστές και ανοιχτές αποθήκες υλικών. Λίμνη τέλματος & λίμνη διαύγασης νερών τέλματος. 33

44 Κτηριακές εγκαταστάσεις γραφείων και υποσταθμών ηλεκτρικού ρεύματος. Αποθήκες προϊόντων εμπλουτισμού (PbS, ZnS & FeS2 FeAsS). Το υλικό της λίμνης, από τη στεγασμένη πλατεία τροφοδοσίας του τριβείου (Σχήμα 2.3) προωθείται με χρήση φορτωτή σε χοάνη τροφοδοσίας (Σχήμα 2.4). Με δονούμενο τροφοδότη (Σχήμα 2.5) οδηγείται σε αναδευόμενη δεξαμενή πολφοποίησης (Σχήμα 2.6) όπου με προσθήκη βιομηχανικού νερού, παράγεται πολφός. Από τη δεξαμενή πολφοποίησης, ο πολφός οδηγείται υδραυλικά μέσω της δεξαμενής τροφοδοσίας των αντλιών του κυκλώματος λειοτρίβησης στον υφιστάμενο σφαιρόμυλο (Σχήμα 2.7) για λειοτρίβηση [26]. Στη δεξαμενή προοδοποίησης που βρίσκεται στην αρχή κάθε γραμμής επίπλευσης (Σχήμα 2.8), γίνεται η προσθήκη των αντιδραστηρίων. Στις εν λόγω δεξαμενές επιτυγχάνεται ομοιογενής διασκορπισμός των αντιδραστηρίων μέσα στη μάζα του πολφού και παράλληλα αύξηση του χρόνου επαφής των αντιδραστηρίων με το λειοτριβημένο υλικό. Από τις δεξαμενές προοδοποίησης ο πολφός οδηγείται στις κυψέλες επίπλευσης (Σχήμα 2.9), μια συστοιχία 24 δοχείων, στα οποία επιτυγχάνεται έντονη ανάδευση του προς επεξεργασία πολφού, με ταυτόχρονο διασκορπισμό φυσαλίδων αέρος εντός του πολφού (Σχήμα 2.10). Στο κύκλωμα της επίπλευσης, περιλαμβάνονται επίσης αντλίες για τη διακίνηση του πολφού, πεχάμετρα, δοσομετρικές συσκευές, ρυθμιστές παροχής αέρα κλπ. [26]. Ο αφρός και από τις τέσσερις γραμμές επίπλευσης οδηγείται στους δύο εκ των τεσσάρων υφιστάμενων πυκνωτών (Σχήμα 2.11), ενώ η υπορροή του κάθε πυκνωτή οδηγείται σε αντίστοιχο δισκόφιλτρο (Σχήμα 2.12), από όπου λαμβάνεται το τελικό συμπύκνωμα πυριτών με υγρασία 7% (Σχήμα 2.13). Η υπερροή του πυκνωτή του συμπυκνώματος πυριτών, που είναι διαυγές νερό (Σχήμα 2.14), ανακυκλώνεται στη δεξαμενή βιομηχανικού νερού. Όλος ο ηλεκτρομηχανολογικός εξοπλισμός της λειοτρίβισης και της επίπλευσης βρίσκεται εντός του κτιρίου της επίπλευσης [26]. Όσον αφορά το υπόλειμμα της κατεργασίας, το οποίο είναι πλέον απαλλαγμένο από αρσενοπυρίτη και σιδηροπυρίτη, υφίσταται αρχικά μία ταξινόμηση σε συστοιχία κυκλώνων (Σχήμα 2.15). Το αδρομερές κλάσμα οδηγείται στους υπόλοιπους δύο υφιστάμενους πυκνωτές (Σχήμα 2.11) που βρίσκονται δίπλα στους προαναφερθέντες πυκνωτές του συμπυκνώματος πυριτών και είναι ίδιων διαστάσεων με αυτούς, η υπορροή των οποίων διηθείται με χρήση των υφιστάμενων δισκόφιλτρων (Σχήμα 2.16), για μείωση της υγρασίας σε επίπεδα <15%. Το λεπτομερές τώρα κλάσμα του υπολείμματος, οδηγείται σε έναν άλλο υφιστάμενο πυκνωτή (Σχήμα 2.17), η υπορροή του οποίου οδηγείται σε μια φιλτρόπρεσσα (Σχήμα 2.18) για μείωση της υγρασίας σε επίπεδα <15%. Επομένως, από την παραπάνω διαχείριση του υπολείμματος παράγονται δύο προϊόντα σχεδόν ξηρής μορφής, εκ των οποίων το ένα είναι αμμώδους κοκκομετρίας και το άλλο πηλώδους και τα οποία διατίθενται προς πώληση (Σχήμα 2.19) [26]. 34

45 Το συμπύκνωμα πυριτών (ένα μίγμα αρσενοπυρίτη και σιδηροπυρίτη) μεταφέρεται με μεταφορικές ταινίες στις δύο στεγασμένες αποθήκες έτοιμων προϊόντων, επιφάνειας 1000m 2 έκαστη. Για την πώληση του προϊόντος, πραγματοποιείται μεταφορά με σκεπαστά φορτηγά αυτοκίνητα στεγανής καρότσας (Σχήμα 2.20), προς υφιστάμενες λιμενικές εγκαταστάσεις από όπου φορτώνεται σε φορτηγά πλοία σε μορφή χύδην ή σκεπασμένο σε containers για εξαγωγή (Σχήμα 2.21). Το υπόλειμμα της κατεργασίας, ταξινομημένο ή μη, μεταφέρεται με μεταφορικές ταινίες για προσωρινή απόθεση σε υπαίθρια πλατεία, από όπου μεταφέρεται στη συνέχεια με σκεπαστά φορτηγά αυτοκίνητα στεγανής καρότσας, στα έργα και τις δραστηριότητες που θα χρησιμοποιηθεί (Σχήμα 2.19). Οι χρήσεις του υπολείμματος είναι σε σκυροδέματα, ασφαλτικά σκυροδέματα, αντιολισθηρά ασφαλτομίγματα και κονιάματα [26]. Παράλληλα με τις εργασίες απομάκρυνσης και καθαρισμού των τελμάτων, πραγματοποιούνται και εργασίες σταδιακής αποκατάστασης του χώρου που θα ελευθερώνεται. Οι εργασίες αυτές περιλαμβάνουν την αποκατάσταση του υποβάθρου ώστε αυτό να μετατραπεί σε έδαφος κατάλληλο για φύτευση και την επακόλουθη αποκατάσταση με αυτόχθονα είδη της περιοχής (Σχήμα 2.22). Ακολουθούν τα Σχήματα 2.3 έως 2.22 που απεικονίζουν την παραγωγική διαδικασία μεταλλεύματος, όπως περιγράφηκε παραπάνω. Σχήμα 2.3: Στεγασμένη πλατεία τροφοδοσίας του τριβείου [27]. 35

46 Σχήμα 2.4: Φορτωτής και χοάνη τροφοδοσίας. Σχήμα 2.5: Δονούμενος τροφοδότης. Σχήμα 2.6: Αναδευόμενη δεξαμενή πολφοποίησης. 36

47 Σχήμα 2.7: Σφαιρόμυλος για λειοτρίβηση πολφού. Σχήμα 2.8: Δεξαμενές προοδοποίησης. Σχήμα 2.9: Κυψέλες επίπλευσης [27]. 37

48 Σχήμα 2.10: Φυσαλίδες πολφού. Σχήμα 2.11: Πυκνωτές (2 συμπυκνώματος, 2 υπολείμματος). Σχήμα 2.12: Δισκόφιλτρα συμπυκνώματος [27]. 38

49 Σχήμα 2.13: Τελικό συμπύκνωμα πυριτών. Σχήμα 2.14: Βιομηχανικό νερό πυκνωτών. Σχήμα 2.15: Κυκλώνας ταξινόμησης υπολείμματος. 39

50 Σχήμα 2.16: Δισκόφιλτρα υπολείμματος. Σχήμα 2.17: Πυκνωτής λεπτομερούς κλάσματος υπολείμματος. Σχήμα 2.18: Φιλτρόπρεσσα. 40

51 Σχήμα 2.19: Προϊόντα διαχείρισης υπολείμματος. Σχήμα 2.20: Μεταφορά συμπυκνώματος με φορτηγά αυτοκίνητα. Σχήμα 2.21: Φόρτωση συμπυκνώματος σε φορτηγά πλοία. 41

52 Σχήμα 2.22: Φυτώριο αποκατάστασης [27] Περιγραφή της ηλεκτρικής εγκατάστασης Η βιομηχανία τροφοδοτείται από το δίκτυο μέσης τάσης 20 kv της ΔΕΗ. Περιλαμβάνει, αρχικά, υποσταθμό μέσης τάσης με πεδία εισόδου και προστασίας Μ/Σ γραμμών μέσης τάσης. Υπάρχουν τέσσερις μετασχηματιστές ισχύος 20/0.4 kv, ελαίου, με ονομαστική ισχύ 1600 kva ο κάθε ένας και τάσης βραχυκύκλωσης, παραλληλισμένοι μόνο στη μέση τάση. Οι Μ/Σ αναφέρονται ως «Μ/Σ 1», «Μ/Σ 2», «Μ/Σ 3» και «Μ/Σ ΑΠΟΘΗΚΗΣ». Αναλυτικότερα, τα ονομαστικά τους στοιχεία παρουσιάζονται στον παρακάτω Πίνακα 2.1. Από τους ακροδέκτες 400 V του κάθε μετασχηματιστή οδεύουν γραμμές τροφοδοσίας προς το Γενικό Πίνακα Χαμηλής Τάσης (Γ.Π.Χ.Τ.) όπου υπάρχουν πεδίο εισόδου για την άφιξή του και πεδία αναχωρήσεων προς τους πίνακες κίνησης, φωτισμού και μεγάλων κινητήρων. Επίσης, στο χώρο του Γ.Π.Χ.Τ. είναι εγκατεστημένα τα παθητικά φίλτρα (πυκνωτές αντιστάθμισης σε σειρά με στραγγαλιστικά πηνία) αλλά και ένα ενεργό φίλτρο απορρόφησης αρμονικών 450 Α. Στο παρακάτω Σχήμα 2.23, φαίνεται το μονογραμμικό σχέδιο των μετασχηματιστών στη μέση τάση (20 kv), ενώ στα Σχήματα 2.24, 2.25, 2.26 και 2.27 φαίνονται τα μονογραμμικά σχέδια των μετασχηματιστών στην πλευρά της χαμηλής τάσης (400 V) μαζί με τις αναχωρήσεις για τους υποπίνακες που τροφοδοτεί ο κάθε ένας. Επίσης, παρουσιάζονται τα παθητικά φίλτρα κάθε μετασχηματιστή, αλλά και το ενεργό φίλτρο αρμονικών, συνδεμένο στους ακροδέκτες του Μ/Σ 3. Τα ηλεκτρικά φορτία της εγκατάστασης είναι κατά κύριο λόγο επαγωγικοί κινητήρες βραχυκυκλωμένου κλωβού ισχύος από 0.25 kw έως και 400 kw, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για διαφορετικές λειτουργίες της μεταλλευτικής 42

53 παραγωγικής διαδικασίας. Επιπλέον, ιδιαίτερα σημαντικό είναι το πλήθος των συσκευών ελέγχου όπως ρυθμιστές στροφών κινητήρων (inverter), ομαλοί εκκινητές και UMC. Πίνακας 2.1: Ονομαστικά στοιχεία Μ/Σ ισχύος HV: % [kv] 46.2 [A] LV: 0.4 [kv] 2309 [A] Συνδεσμολογία: Dyn5 Τάση βραχυκύκλωσης:, Απώλειες φορτίου: [W] Απώλειες κενού: 1661 [W] Σε ό, τι αφορά τα παθητικά φίλτρα, για κάθε μετασχηματιστή έχουμε επτά συστοιχίες πυκνωτών. Οι τέσσερις από αυτές είναι των 25 kvar και οι τρεις των 50 kvar. Σε σειρά με τους πυκνωτές είναι συνδεδεμένα και κατάλληλα στραγγαλιστικά πηνία για την απορρόφηση αρμονικών (Σχήμα 2.28). Τα στοιχεία των παραπάνω, όπως δίνονται από τον κατασκευαστή, παρουσιάζονται στον παρακάτω Πίνακα 2.2, ενώ η συνδεσμολογία τους στο Σχήμα Πίνακας 2.2: Στραγγαλιστικά πηνία και πυκνωτές [21] Τύπος Περιγραφή/Τεχνικά χαρακτηριστικά R7-25 Στραγγαλιστικό πηνίο, CLMD 33S-23.3 Πυκνωτής, R7-50 Στραγγαλιστικό πηνίο, CLMD 33S-46.6 Πυκνωτής, 43

54 20 kv SF6 SF6 SF6 SF6 Μ/Σ 1 20/0.4 kv 1600KVA Dyn5 Μ/Σ 2 20/0.4 kv 1600KVA Dyn5 Μ/Σ 3 20/0.4 kv 1600KVA Dyn5 Μ/Σ ΑΠΟΘΗΚΗΣ 20/0.4 kv 1600KVA Dyn5 Σχήμα 2.23: Μονογραμμικό σχέδιο μέσης τάσης. 44

55 20 kv 1600 KVA Dyn5 Μ/Σ 1 Α Q A RVC 400 V Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 SP1 SP2 SP3 SP4 Q9 400A 800A 250A 250A 630A 630A 250A 250A 250A 400A 630A 630A ΠΚ-ΤΡΟΦ ΠΚ-ΒΜ ΠΚ-ΧΗΜ ΚΕΝΟΣ ΠΚ-P01 ΠΚ-RM ΠΚ-ΠΑΡ-1 ΠΚ- ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΩΝ ΟΡΟΦΗΣ ΠΦ ΟΡΟΦΟΥ ΚΕΝΟΣ ΚΕΝΟΣ ΠΡΕΣΣΑ ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ LC Σχήμα 2.24: Μονογραμμικό σχέδιο Μ/Σ 1. 45

56 20 kv 1600 KVA Dyn5 Μ/Σ 2 Α Q A RVC 400 V Q10 Q11 Q12 Q13 Q14 Q15 Q16 Q17 SP5 SP6 SP7 SP8 Q18 630A 630A 400A 250A 630A 630A 400A 250A 250A 630A 250A 630A 630A ΠΚ-ΠΑΡ 2 ΠΚ-ΠΑΡ 5 ΑΝΑΔΕΥΤΗΡΕΣ (Τ2-Τ3) ΓΠΦ ΕΡΓΟΤΑΞΙΑΚΟΣ ΠΚ-ΠΑΡ 3 ΠΚ-ΠΑΡ 4 ΠΚ-01 ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΟ ΚΕΝΟΣ ΚΕΝΟΣ ΚΕΝΟΣ ΚΕΝΟΣ Σχήμα 2.25: Μονογραμμικό σχέδιο Μ/Σ 2. ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ LC 46

57 20 kv 1600 KVA Dyn5 Μ/Σ 3 Α Q A RVC 400 V Q19 Q20 Q21 Q22 Q23 Q24 Q25 Q26 SP9 SP10 SP11 Q27 630A 800A 250A 250A 250A 1000A 400A 250A 400A 250A 630A 630A ΕΝΕΡΓΟ ΦΙΛΤΡΟ ΠΚ-VP- 01/02 ΠΚ-THIC DF ΠΚ- STREAM ANALYZER P-25.3 ΠΚ-P16 ΠΚ-VP- ΠΚ-BL AC-01 P.25 03/04 Σχήμα 2.26: Μονογραμμικό σχέδιο Μ/Σ 3. ΚΕΝΟΣ ΠΚ- ΕΝΕΡΓΟ ΦΙΛΤΡΟ ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ LC 47

58 20 kv 1600 KVA Dyn5 Μ/Σ ΑΠΟΘΗΚΗΣ Q A Α RVC 400 V Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 Q12 Q13 400A 630A 160A 160A 160A 250A 1000A 250A 250A 250A 250A 250A 630A ΠΚ-ΔΤ ΠΚ- ΠΦ- ΠΚ- UPS ΠΚ-AC-02 ΠΚ- ΠΚ-ΦΠ-02 ΠΚ-ΦΠ-01 A-47 ΠΦ-ΔΤ Α-48 ΑΠΟΘ 1 ΑΠΟΘ 1 ΑΠΟΘ 2 VP 05/06 Σχήμα 2.27: Μονογραμμικό σχέδιο Μ/Σ ΑΠΟΘΗΚΗΣ. ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ LC 48

59 Σχήμα 2.28: Παθητικά φίλτρα LC. Σχήμα 2.29: Συνδεσμολογία παθητικών φίλτρων LC [25]. 49

60 2.2 Επιλογή των σημείων μέτρησης Η ύπαρξη αρμονικής παραμόρφωσης σε μια ηλεκτρική εγκατάσταση, μπορεί κάποιες φορές να αξιολογηθεί μέσω μιας απλής επιθεώρησης των τύπων των φορτίων. Αυτό που απαιτείται είναι η εξοικείωση με το χαρακτηριστικό αρμονικό φάσμα κάθε τύπου από τα πιο κοινά μη γραμμικά φορτία. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη επιπρόσθετη παραμόρφωση της κυματομορφής που παράγεται από τον κορεσμό μετασχηματιστών ή από συνθήκες συντονισμού, θα πρέπει να διενεργείται μια πιο ακριβής και σχολαστική αξιολόγηση. Αυτό περιλαμβάνει απευθείας μετρήσεις σε επιλεγμένες τοποθεσίες, όπως για παράδειγμα το σημείο κοινής σύνδεσης (PCC) και ο κόμβος που συνδέονται μη γραμμικά φορτία [1]. Είναι κατανοητό πως η κύρια τοποθεσία που πρέπει να διενεργηθούν μετρήσεις, είναι η διασύνδεση καταναλωτή παρόχου, στο σημείο κοινής σύνδεσης. Αυτό ισχύει διότι η συμμόρφωση με όρια αρμονικών της IEEE και της IEC πρέπει να επιβεβαιώνονται σε αυτό το σημείο. Στις εγκαταστάσεις του μετασχηματιστή του καταναλωτή, το σημείο κοινής σύνδεσης είναι το σημείο που ο πάροχος θα μετρήσει τα στοιχεία του καταναλωτή και γενικά, αυτό είναι η πλευρά της υψηλής τάσης του μετασχηματιστή. Αν ο πάροχος μετρήσει την πλευρά της χαμηλής τάσης του μετασχηματιστή, τότε αυτό το σημείο γίνεται PCC [1]. Σε ό, τι αφορά την παρούσα ηλεκτρολογική εγκατάσταση, το σημείο σύνδεσης με τον πάροχο (επίπεδο τάσης 20 kv) φαίνεται στο Σχήμα Στο σημείο αυτό όμως, η βιομηχανία δε διαθέτει μετασχηματιστές έντασης ή πεδίο μετρήσεων ώστε να μπορέσουν να συνδεθούν οι ακροδέκτες οργάνου μέτρησης. Έτσι, η μέτρηση εδώ απορρίφθηκε εξ αρχής, καθώς τα διαθέσιμα όργανα είναι κατασκευασμένα για μετρήσεις μόνο στη χαμηλή τάση. Τα σημεία μέτρησης που επιλέχθηκαν, είναι οι ακροδέκτες χαμηλής τάσης (400 V) των τεσσάρων μετασχηματιστών ισχύος, καθώς σε αυτά συγκεντρώνονται τα αρμονικά ρεύματα όλων των φορτίων που τροφοδοτεί κάθε μετασχηματιστής. Λόγω της επικινδυνότητας πρόσβασης στα συγκεκριμένα σημεία, η μέτρηση στους τρεις από τους τέσσερις μετασχηματιστές (Μ/Σ 1, Μ/Σ 2, Μ/Σ 3) πραγματοποιήθηκε μέσω μετασχηματιστών έντασης, με λόγο μετασχηματισμού 2500/5 Α, ενώ μόνο στο Μ/Σ ΑΠΟΘΗΚΗΣ η μέτρηση έγινε απευθείας στα καλώδια των 400 V. Επιπλέον, μέτρηση πραγματοποιήθηκε και στους ακροδέκτες (400 V) του ενεργού φίλτρου, όταν φυσικά αυτό ήταν συνδεδεμένο, για να ελεγχθεί το αρμονικό ρεύμα που εισάγει στην εγκατάσταση. Στη συνέχεια, με επιθυμία των υπεύθυνων μηχανικών του εργοστασίου για επιπλέον διερεύνηση, μετρήσεις έγιναν σε κάποιες ομάδες φορτίων (υποπίνακες), με έντονο μη γραμμικό χαρακτήρα, στα οποία έχουν παρουσιαστεί δυσλειτουργίες στο παρελθόν. Η μέτρηση σε αυτά έγινε απευθείας και όχι μέσω μετασχηματιστών έντασης. 50

61 20 kv Σημείο Κοινής Σύνδεσης SF6 SF6 SF6 SF6 Μ/Σ 1 20/0.4 kv 1600KVA Dyn5 Μ/Σ 2 20/0.4 kv 1600KVA Dyn5 Μ/Σ 3 20/0.4 kv 1600KVA Dyn5 Μ/Σ ΑΠΟΘΗΚΗΣ 20/0.4 kv 1600KVA Dyn5 Σχήμα 2.30: Σημείο κοινής σύνδεσης με πάροχο. 51

62 Σε ό, τι αφορά τα παθητικά φίλτρα αρμονικών, για να εξεταστεί η επίδρασή τους στην ηλεκτρική εγκατάσταση, μετρήσεις έγιναν και σε αυτά. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, αποτελούνται από επτά συστοιχίες, τρεις των 50 kvar και τέσσερις των 25 kvar. Αρχική επιθυμία ήταν η σύνδεση των οργάνων σε σημείο (κόμβο) που συνδέονται και οι επτά συστοιχίες, για κάθε μετασχηματιστή ισχύος. Αυτό όμως ήταν δυνατό μόνο για το Μ/Σ ΑΠΟΘΗΚΗΣ. Για τις συστοιχίες των άλλων τριών μετασχηματιστών, επιλέχθηκε μία συστοιχία των 50 kvar όπου και συνδέθηκε το όργανο μετρήσεων. Η επιλογή της συστοιχίας των 50 kvar δεν είναι φυσικά τυχαία. Βασιζόμενος στην απαίτηση σε άεργο ισχύ, ο RVC αναγνωρίζει τον αριθμό των απαιτούμενων βημάτων τα οποία πρέπει να ενεργοποιηθούν. Κατόπιν ενεργοποιεί αυτόματα πρώτα τις μεγαλύτερες εξόδους, προκειμένου να αποφευχθούν οι μηαπαραίτητες ενδιάμεσες ζεύξεις. Η προκαθορισμένη ζευκτική ακολουθία είναι κυκλική και αυξάνει το χρόνο ζωής των πυκνωτών/τηλεχειριζόμενων διακοπτών [22]. Έτσι, επιλέγεται μια από τις μεγαλύτερες εξόδους για τη σύνδεση του οργάνου. Είναι σημαντικό να αναφερθεί στο σημείο αυτό πως, παρόλο που το ενεργό φίλτρο αρμονικών είναι συνδεδεμένο στους ακροδέκτες 400 V του Μ/Σ 3, όπου και αναμένεται να δράσει περισσότερο, μετρήσεις πραγματοποιούνται και σε άλλα σημεία, τόσο στους μετασχηματιστές ισχύος όσο και σε φορτία άλλων μετασχηματιστών, με το φίλτρο συνδεμένο και αποσυνδεδεμένο. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό, είναι πως η βελτίωση της ποιότητας του ρεύματος στη χαμηλή τάση του Μ/Σ 3, έχει ως αποτέλεσμα τη βελτίωση της μαγνητικής επαγωγής στο μετασχηματιστή. Έτσι, βελτιώνεται η τάση στη πλευρά της υψηλής τάσης του Μ/Σ 3 (στα 20 kv), με αποτέλεσμα να εφαρμόζεται καλύτερης ποιότητας τάση και στους άλλους μετασχηματιστές ισχύος. Για το λόγο αυτό λοιπόν, πραγματοποιείται έλεγχος και σε άλλα σημεία της εγκατάστασης, με αλλαγές στην κατάσταση του ενεργού φίλτρου. Όλα τα παραπάνω σημεία μέτρησης φαίνονται με κόκκινο στα μονογραμμικά σχέδια της εγκατάστασης στα Σχήματα 2.31, 2.32, 2.33, 2.34 που ακολουθούν. Η αναφορά δίπλα από κάθε σημείο με το γράμμα «Σ» και έναν αριθμό, αφορά τη λέξη «Σημείο» και τον αύξοντα αριθμό του συγκεκριμένου σημείου, όπως θα παρουσιαστούν για περισσότερη διευκόλυνση στη συνέχεια. 2.3 Όργανα μέτρησης που χρησιμοποιήθηκαν Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία οργάνων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διεξαγωγή μετρήσεων και μεγάλης διάρκειας καταγραφών. Οι αναλυτές ποιότητας ισχύος είναι ικανοί να διεξάγουν μετρήσεις rms τάσεων και ρευμάτων και να εκτελέσουν υπολογισμούς ενεργής, άεργης και φαινόμενης ισχύος. Επίσης, υπολογίζουν την αρμονική παραμόρφωση των σημάτων της τάσης και της έντασης παρουσιάζοντας ξεχωριστά και συνολικά αρμονικά επίπεδα [1]. 52

63 Στη συγκεκριμένη εργασία, χρησιμοποιήθηκαν δύο όργανα μέτρησης, ένα του Εργαστηρίου Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας, του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, ΑΠΘ και ένα του Τμήματος Ηλεκτρολόγων και Αυτοματιστών της Ελληνικός Χρυσός Α.Ε.. Τα δύο όργανα μετρήσεων, παραχωρήθηκαν και ήταν διαθέσιμα για όλη τη διάρκεια της διπλωματικής εργασίας. Σε ό, τι αφορά το όργανο μέτρησης του πανεπιστημίου, πρόκειται για το FLUKE 1760 Power Quality Recorder (Σχήμα 2.35). Το συγκεκριμένο όργανο έχει τη δυνατότητα μέτρησης ρεύματος, τάσης, ενεργής, άεργης και φαινόμενης ισχύος, συντελεστή ισχύος, αρμονικών ρεύματος μέχρι την 50 η, αρμονικών τάσης μέχρι την 50 η, συντελεστή αρμονικής παραμόρφωσης και τέλος, δυνατότητα απεικόνισης του ρεύματος φορτίου (λειτουργία παλμογράφου) για επιθυμητό αριθμό περιόδων [17]. Από την άλλη πλευρά, το όργανο που διαθέτει η εταιρεία, είναι το HT Power Quality Analyzer (PQA) 824 (Σχήμα 2.36), με δυνατότητες μέτρησης, παρόμοιες με του FLUKE Σχήμα 2.35: FLUKE 1760 PQ Recorder [18]. Σχήμα 2.36: HT PQA 824 [20]. 53

64 20 kv 1600 KVA Dyn5 Σ1 Μ/Σ 1 Q A Α RVC 400 V Σ10 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 SP1 SP2 SP3 SP4 Q9 400A 800A 250A 250A 630A 630A 250A 250A 250A 400A 630A 630A ΠΚ-ΤΡΟΦ ΠΚ-ΒΜ ΠΚ-ΧΗΜ ΚΕΝΟΣ ΠΚ-P01 ΠΚ-RM ΠΚ-ΠΑΡ-1 ΠΚ- ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΩΝ ΟΡΟΦΗΣ ΠΦ ΟΡΟΦΟΥ ΚΕΝΟΣ ΚΕΝΟΣ ΠΡΕΣΣΑ ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ LC Σχήμα 2.31: Σημεία μέτρησης Μ/Σ 1. 54

65 20 kv 1600 KVA Dyn5 Σ2 Q A Μ/Σ 2 Α RVC 400 V Σ11 Q10 Q11 Q12 Q13 Q14 Q15 Q16 Q17 SP5 SP6 SP7 SP8 Q18 630A 630A 400A 250A 630A 630A 400A 250A 250A 630A 250A 630A 630A ΠΚ-ΠΑΡ 2 ΠΚ-ΠΑΡ 5 ΑΝΑΔΕΥΤΗΡΕΣ (Τ2-Τ3) ΓΠΦ ΕΡΓΟΤΑΞΙΑΚΟΣ ΠΚ-ΠΑΡ 3 ΠΚ-ΠΑΡ 4 ΠΚ-01 ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΟ ΚΕΝΟΣ ΚΕΝΟΣ ΚΕΝΟΣ ΚΕΝΟΣ Σχήμα 2.32: Σημεία μέτρησης Μ/Σ 2. ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ LC 55

66 20 kv 1600 KVA Dyn5 Μ/Σ 3 Σ3 Q A Α RVC 400 V Q19 Q20 Q21 Q22 Q23 Q24 Q25 Q26 SP9 SP10 SP11 Q27 630A 800A 250A 250A 250A 1000A 400A 250A 400A 250A 630A 630A Σ6 Σ5 Σ12 ΕΝΕΡΓΟ ΦΙΛΤΡΟ ΠΚ-VP- 01/02 ΠΚ-THIC DF ΠΚ- STREAM ANALYZER P-25.3 ΠΚ-P16 ΠΚ-VP- ΠΚ-BL AC-01 P.25 03/04 Σχήμα 2.33: Σημεία μέτρησης Μ/Σ 3. ΚΕΝΟΣ ΠΚ- ΕΝΕΡΓΟ ΦΙΛΤΡΟ ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ LC 56

67 20 kv 1600 KVA Dyn5 Μ/Σ ΑΠΟΘΗΚΗΣ Σ4 Q A Α RVC 400 V Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 Q12 Q13 Σ9 400A Σ8 630A 160A 160A 160A 250A Σ7 1000A 250A 250A 250A 250A 250A Σ13 630A ΠΚ-ΔΤ ΠΚ- ΠΦ- ΠΚ- UPS ΠΚ-AC-02 ΠΚ- ΠΚ-ΦΠ-02 ΠΚ-ΦΠ-01 A-47 ΠΦ-ΔΤ Α-48 ΑΠΟΘ 1 ΑΠΟΘ 1 ΑΠΟΘ 2 VP 05/06 Σχήμα 2.34: Σημεία μέτρησης Μ/Σ ΑΠΟΘΗΚΗΣ. ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ LC 57

68 2.4 Τοποθέτηση και λειτουργία των οργάνων μέτρησης Παρόλο που τα μεγέθη μέτρησης για τα δύο όργανα είναι ίδια, λόγω του διαφορετικού κατασκευαστή υπάρχουν σημαντικές διαφοροποιήσεις, τόσο στον προγραμματισμό και στην προετοιμασία τους για μετρήσεις, όσο και στον τρόπο σύνδεσής τους στα επιθυμητά σημεία μέτρησης της εγκατάστασης και στη μεταφορά των δεδομένων για επεξεργασία σε κατάλληλα λογισμικά. Για τη λειτουργία του FLUKE 1760, απαιτείται αρχικά επικοινωνία με υπολογιστή, μέσω Ethernet ή ασύρματα, ώστε να δοθούν οι επιθυμητές παράμετροι μετρήσεων. Έτσι, έχει εγκατασταθεί σε υπολογιστή (laptop) το λογισμικό PQ Analyze , μέσω του οποίου γίνεται η προετοιμασία του οργάνου για μέτρηση με την επιλογή των επιθυμητών μεταβλητών που θα μετρηθούν, αλλά και ρύθμιση ορισμένων trigger, τα οποία θα δώσουν έναυση για μέτρηση μόλις ανιχνεύσουν το μέγεθος για το οποίο έχουν ρυθμιστεί. Για παράδειγμα, με εισαγωγή trigger ρεύματος, το όργανο θα ξεκινήσει να μετρά μόλις ανιχνεύσει στους ακροδέκτες του (μετασχηματιστές έντασης) ρεύμα μεγαλύτερο ή μικρότερο από την ορισθείσα τιμή. Αντίστοιχα, μέτρηση θα ξεκινήσει αν ανιχνεύσει στους ακροδέκτες τάσης του, κάποιο επίπεδο τάσης μεγαλύτερο ή μικρότερο από αυτό που έχει επιλεγεί κατά τη διαδικασία ρύθμιση του οργάνου. Γενικά, υπάρχουν αρκετοί τρόποι έναρξης της λειτουργίας μέτρησης, αλλά επιλέχθηκε ο συγκεκριμένος λόγω της απλότητας που παρουσιάζει. Η συσκευή του οργάνου, διαθέτει οκτώ κανάλια (channels), στα οποία προσαρμόζονται οι κατάλληλοι ακροδέκτες σύνδεσης του οργάνου με το επιθυμητό σημείο μέτρησης. Υπάρχει δυνατότητα τόσο μονοφασικών όσο και τριφασικών συνδέσεων και μετρήσεων, ωστόσο λόγο της τοπολογίας της ηλεκτρικής εγκατάστασης του εργοστασίου πραγματοποιήθηκαν μόνο τριφασικές. Για το λόγο αυτό, προσαρμόστηκαν στα τρία «κανάλια τάσης» οι ακροδέκτες που συνδέονται στις τρεις φάσεις του εκάστοτε σημείου/φορτίου. Από κάθε κανάλι, αναχωρούν δύο ακροδέκτες (τσιμπίδες), ένας κόκκινος που συνδέεται στην αντίστοιχη φάση και ένας μαύρος που θα συνδεθεί μαζί με τους υπόλοιπους μαύρους ακροδέκτες των άλλων δύο καναλιών σε κοινό σημείο γείωσης ή ουδετέρου. Από την άλλη πλευρά, στα τρία «κανάλια ρεύματος» προσαρμόστηκαν κατάλληλοι μετασχηματιστές έντασης δυνατότητας μέτρησης έως 6 Α, για τη σύνδεση με αγωγούς ή καλώδια ώστε να μετράται η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος. Η τοπολογία που περιγράφηκε παραπάνω, παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.37, (όπου οι κόκκινοι ακροδέκτες τάσης, αντιστοιχούν στους λευκούς του σχήματος). Η διαδικασία σύνδεσης, προετοιμασίας και προγραμματισμού του οργάνου πραγματοποιούνταν επί τόπου, στο σημείο όπου επρόκειτο να γίνει η μέτρηση. Για το λόγο αυτό, είτε στον Υποσταθμό Χαμηλής Τάσης όπου βρίσκεται ο Γ.Π.Χ.Τ., είτε σε κάποιον απομακρυσμένο υποπίνακα, μεταφέρονταν τόσο το όργανο και οι ακροδέκτες σύνδεσης, όσο και οι συσκευές σύνδεσης με τον υπολογιστή, αλλά και laptop με εγκατεστημένο το λογισμικό PQ Analyze, όπως φαίνεται στη φωτογραφία του Σχήματος

69 Σχήμα 2.37: Σχέδιο σύνδεσης του FLUKE 1760 [17]. Σχήμα 2.38: Μέτρηση με το FLUKE

70 Από την άλλη πλευρά, το HT PQA 824 διαθέτει οθόνη αφής μέσω της οποίας γίνεται η ρύθμιση παραμέτρων μέτρησης, αλλά και η προβολή των μετρούμενων μεγεθών. Τα μεγέθη μάλιστα προβάλλονται τη στιγμή που μετρούνται, δυνατότητα που δε διαθέτει το FLUKE Με τον τρόπο αυτό της απευθείας εποπτείας των τιμών μέτρησης, επιλέγεται η κατάλληλη λειτουργία καταγραφής και τότε ξεκινά η αποθήκευση των μετρήσεων στην εσωτερική μνήμη του οργάνου. Η σύνδεση με τον υπολογιστή είναι αναγκαία μόνο μετά την ολοκλήρωση των μετρήσεων, για την αποθήκευση των δεδομένων και πραγματοποιείται μέσω θύρας USB. Για την προβολή και επεξεργασία των μετρήσεων στον υπολογιστή έχει εγκατασταθεί το λογισμικό Topview , το οποίο συνοδεύει απαραίτητα τη λειτουργία του ΗΤ PQA 824, όπως αντίστοιχα το PQ Analyze τη λειτουργία του FLUKE Η σύνδεση του ΗΤ PQA 824 στο επιθυμητό σημείο μέτρησης είναι διαφορετική από αυτή του FLUKE 1760, αλλά ίδιας τεχνικής εφόσον αφορά και αυτό τριφασική μέτρηση στο ίδιο ηλεκτρικό δίκτυο. Εδώ υπάρχουν τρία κανάλια ρεύματος, από τα οποία αναχωρούν οι μετασχηματιστές έντασης (flex), δυνατότητας μέτρησης 3000 Α, προς τους αγωγούς ή τα καλώδια για τη μέτρηση της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν πέντε κανάλια τάσης, τρία για τη σύνδεση με τις τρεις φάσεις του δικτύου, μία για σύνδεση με τον ουδέτερο και μία για σύνδεση με τη γείωση της εγκατάστασης (Σχήμα 2.39). Σχήμα 2.39: Σχέδιο σύνδεσης του PQA 824 [19]. Η επιλογή του κατάλληλου οργάνου γα τα διάφορα σημεία μέτρησης έγινε με κριτήριο τόσο τη δυνατότητα πρόσβασης στο σημείο όσο και την ευκολία χρήσης. Λόγω της ανεξαρτησίας του ΗΤ PQA 824 από ηλεκτρονικό υπολογιστή για την προετοιμασία του πριν τη μέτρηση, προτιμήθηκε και χρησιμοποιήθηκε στα περισσότερα σημεία. Ωστόσο, λόγω της επικινδυνότητας πρόσβασης στους ακροδέκτες (400 V) των μετασχηματιστών ισχύος Μ/Σ 1, Μ/Σ 2, Μ/Σ 3, η μέτρηση εκεί έγινε χρησιμοποιώντας το FLUKE 1760, μετρώντας στους μετασχηματιστές έντασης, που είναι εγκατεστημένοι στις πόρτες των πεδίων. 60