Úvod Elektrická energia musí byť spotrebiteľovi dodávaná v požadovanom množstve a musí spĺňať určité kvalitatívne parametre, medzi ktoré patrí frekvencia siete, veľkosť napájacieo napätia, rýcle zmeny napätia, poklesy napájacieo napätia, krátkodobé a dlodobé prerušenia napájacieo napätia, nesymetria napájacieo napätia, napätie armonickýc frekvencií a ďalšie iné. Dovolené odnoty týcto parametrov sú definované v príslušnýc normác ako napr. v základnej norme o kvalite elektrickej energie STN EN 5060 Napäťové carakteristiky elektrickej energie dodávanej z verejnej distribučnej siete. S pribúdajúcim kvantitatívnym rastom nelineárnyc elektrickýc spotrebičov v domácnostiac, s pribúdajúcimi aplikáciami výkonovej elektroniky v priemysle docádza k znečisteniu elektrickýc sietí armonickými zložkami prúdu a napätia. V súčasnom období patria armonické medzi základné ukazovatele kvality elektrickej energie. Harmonické vplývajú na samotnú elektrizačnú sústavu a na jednotlivé zariadenia faktormi medzi ktoré patria napr.: prídavné činné straty, telefónne interferencie, vznik nežiaducic rezonančnýc javov atd.. Jedným z možnýc problémov súvisiaci s armonickými je ovplyvňovanie zariadení, ako sú prístrojové transformátory, ocrany, ktoré sú dôležitou súčasťou elektrizačnej sústavy. Na základe popísanýc skutočností je potrebné si uvedomiť dôležitosť udržania úrovne kvality elektrickej energie. Na meranie kvality elektrickej energie sa používajú analyzátory kvality elektrickej energie. V rámci diplomovej práce som pracoval s analyzátorom kvality el. energie Dewetron PNA 560 so softvérom od firmy BK-Elcom. V práci sa zaoberám nielen meraním armonickýc ako parametra kvality elektrickej energie, ale aj ic šírením a možnosťami ic potlačenia. --
Harmonické v elektroenergetickýc sieťac Harmonické prúdy sa v elektroenergetickýc sieťac vyskytujú už mnoo rokov. Na počiatku boli generované ortuťovými usmerňovačmi používanými v elektrickej trakcii k premene striedavéo prúdu na prúd jednosmerný a pre riadenie otáčok motora v priemysle. V poslednej dobe sa stále zvyšujú počty i druy spotrebičov, ktoré sú zdrojmi armonickýc. Môžeme predpokladať, že tento počet bude i naďalej rásť, a tak projektanti a autori noriem a predpisov musia s výskytom armonickýc počítať a poznať veľmi dobre ic negatívne pôsobenie. Prvé publikácie z oblasti armonickýc boli uverejnené na začiatku minuléo storočia a prakticky od toto obdobia odborníci neustále pokračovali v objasňovaní ic základnýc zákonitostí. Až koncom 70. rokov docádza k zisteniu výskytu armonickýc v reálnyc sieťac, oci v tomto období bola ic ladina na veľmi nízkej úrovni. V tomto období mnoo expertov predpokladalo prakticky katastrofické scenáre pre elektrizačné sústavy, nakoľko si uvedomovali čoraz početnejšie inštalácie polovodičovýc zariadení a s tým súvisiaci nárast armonickýc v sieťac. Samozrejme mnoé scenáre sa ukázali ako značne prenané. Pokiaľ v minulosti mali armonické vplyv iba na niektoré oblasti oznamovacej a zabezpečovacej tecniky, dnes sa tento problém stáva všeobecnejším v oblasti elektrickej energie, pretože negatívne ovplyvňuje i odberateľov, ktorí sú pôvodcami zníženia kvality dodávanej energie. Aj oni stále častejšie využívajú prístroje a zariadenia, ktoré sú citlivé na čistotu armonickéo priebeu prúdu a napätia. Harmonické frekvencie sú celé násobky základnej armonickej napájacieo napätia, to znamená pri základnej armonickej 50 Hz je tretia armonická 50 Hz a piata armonická je 50 Hz. Základná armonická Piata armonická (50%) Tretia armonická (70%) Obr... Základná armonická s treťou a piatou armonickou --
Obr... Deformovaný časový priebe prúdu Obr.. ukazuje sínusový priebe základnej, tretej a piatej armonickej. Na obr.. vidieť priebe základnej armonickej s obsaom 70% tretej armonickej a 50% piatej armonickej. Je potrebné poznamenať, že v skutočnosti bude väčšina deformovanýc priebeov prúdu oveľa zložitejšia, ako je v tomto prípade a bude obsaovať oveľa viac armonickýc so zložitejším fázovým posunom. Obr.. ukazuje časový priebe, ktorý nie je iba sínusový, čo znamená, že bežné meracie zariadenie, ako je napríklad multimeter merací efektívne odnoty, nebude merať správne. Na obrázku je vidieť, že takto deformovaný priebe prúdu obsauje šesť priecodov nulou za periódu, namiesto obvyklýc dvoc a teda každé zariadenie, ktoré využíva priecod prúdu nulou ako referenčný, nebude fungovať správne. Skutočnosť, že takýto priebe obsauje i iné armonické, ako základnú, musí byť vždy braná do úvay. Pokiaľ ovoríme o armonickýc v elektroenergetickýc sieťac, zaujíma nás najviac práve prúd, pretože spôsobuje vznik ďalšíc armonickýc prúdu a je zdrojom väčšiny negatívnyc vplyvov na túto sieť.. Analýza nesínusovýc prúdov a napätí Deformovaný priebe napätia a prúdu je možné rozložiť na súčet niekoľkýc čisto sínusovýc priebeov. Tieto priebey majú presne danú amplitúdu, frekvenciu a fázu. Ic veľkosť určíme pomocou Fourierovej analýzy. Je viac dôvodov, ktoré nás vedú k tomu, aby sme nelineárny priebe napätia rozkladali na niekoľko čisto sínusovýc priebeov s frekvenciami, ktoré sú celočíselnými násobkami základnej frekvencie. -3-
Základnou výodou je skutočnosť, že v prípade výskytu len sínusovýc priebeov je možné celkom jednoduco uskutočniť výpočet ustálenéo codu konvenčnými metódami pre každú armonickú zvlášť a následne analyzovať vzniknuté situácie. Ak by sme uvažovali s deformovanými priebemi napätia, realizácia ustálenéo codu by bola v takomto prípade značne náročná. Ak analyzujeme sieť, v ktorej sa vyskytujú deformované priebey napätia a prúdov, najprv realizujeme Fourierov rozklad, ktoréo výsledkom bude niekoľko priebeov. Všetky tieto priebey budú čisto sínusovéo carakteru s frekvenciami, ktoré budú celočíselným násobkom základnej frekvencie. Následne klasickými konvenčnými metódami uskutočníme analýzu siete pre každú armonickú zvlášť. Výslednú odozvu systému určíme vodnou kombináciou výsledkov jednotlivýc riešení... Harmonická analýza Skutočné nesínusové priebey napätie u(t) a prúdu i(t) môžeme rozložiť na nekonečný rad armonickýc funkcií, ak nesínusová funkcia spĺňa Diricletove podmienky, ktoré sú:. funkcia je v konečnom počte intervalov spojitá a monotónna,. funkcia má konečný počet extrémov. Ak teda periodická nearmonická funkcia spĺňa Diricletove podmienky, vieme takúto periodickú nearmonickú funkciu rozložiť do nekonečnéo Fourierovo radu: u i () t = U 0 + U sin( ωt + ϕu, ), () t = I + I sin( ωt + ϕ ), kde U 0 a I 0 sú jednosmerné zložky napätia a prúdu, U a I pre =,,3... sú maximálne odnoty jednotlivýc armonickýc, φ U, a φ I, sú počiatočné fázy vzľadom na periódu - tej armonickej. Alebo v tvare: 0 = = I, (.) u i () t = sin ωt + U, = 0 = 0 cos ωt, () t = A sin ωt + B cos ωt, A I, = 0 = 0 kde nové konštanty radu pre - tu armonickú sú: A B U, U, = U = U cos ϕ sin ϕ,, B I, U, A B I, i, = I = I cosϕ sin ϕ,, (.) (.3) -4-
a z rovnice (.3) možno naopak určiť: U tgϕ = ( A + B ), I = ( A + B ) = B A U, U, U,, U, tgϕ = B A I, I, I,. I., (.4) Pre analytické určenie koeficientov Fourierovo radu platí: π A = u( ωt) sin( ωt) dωt A = i( ωt) sin( ωt) B U U, U, = = π π π 0 π 0 π 0 u ( ωt) cos( ωt) u ( ωt) dωt dωt B I I, I, = = π π π π 0 π 0 π 0 i i ( ωt) cos( ωt) ( ωt) dωt dωt dωt (.5).. Veličiny carakterizujúce armonické Každá prúdová a jej zodpovedajúca napäťová armonická vytvára činnú a jalovú zložku výkonu. Činný výkon armonickýc neprodukuje užitočnú prácu, ale je spotrebovaný vo forme strát a podieľa sa na zarievaní prenosovýc prvkov a vlastnýc spotrebičov. Pre efektívne odnoty napätia a prúdu platí: U = I = T T T 0 T 0 = = U I sin ( ωt + ϕ ) U, sin( ωt + ϕi, ) dωt = I. = dωt = = U, (.6) Pre posúdenie deformácie krivky prúdu alebo napätia, t. j. pre posúdenie spektra a veľkosti armonickýc, zavádzame tzv. obsa základnej armonickej napätia a prúdu: g U U = = U = U U I I a gi = =, I I = (.7) kde U a I je základná armonická napätia a prúdu nearmonickéo priebeu. Najviac používaným parametrom určujúcim zastúpenie armonickýc v sieťac je činiteľ celkovéo armonickéo skreslenia - total armonic distortion factor (THD) U I kde u =, i =. U I 40 THD U = u a I = = 40 THD i (.8) = -5-
. Nepriaznivé účinky armonickýc Škodlivé účinky armonickýc na zariadenia môžu byť triedené na krátkodobé a dlodobé. Krátkodobé účinky sú spojené so zlyaním, cybnými funkciami alebo nižším stupňom kvality prevádzky prístrojov spôsobenýc posunom precodu nulou priebeu vlny napätia. Regulačné prístroje, elektronické zariadenia a počítače sú obzvlášť citlivé. Veľké amplitúdy armonickýc môžu spôsobiť cybnú funkciu prijímačov romadnéo diaľkovéo ovládania a ocrán. Precodové javy sem nie sú zarnuté. Dlodobé účinky sú v zásade tepelné. Prídavné straty a preriatie spôsobujú rýclejšie starnutie a dokonca i poškodenie kondenzátorov a rotačnýc strojov. Vznikajú od doby trvania rušenia 0 minút. Nepriaznivé vplyvy armonickýc prúdu sú spôsobené predovšetkým tým, že efektívna odnota nearmonickéo prúdu ja väčšia ako základná armonická, na ktorú je väčšina zariadení dimenzovaná. Najzávažnejšie nepriaznivé účinky armonickýc v oblasti energetiky sú: cybná činnosť regulačnýc zariadení, cybná funkcia romadnéo diaľkovéo ovládania a inýc systémov sieťovej signalizácie, ocrán a prípadne aj inýc prostriedkov riadenia, prídavné straty v kondenzátoroc a rotačnýc strojoc, prídavný luk motorov a inýc elektrickýc strojov a prístrojov, interferenčné vplyvy na dátové a telekomunikačné siete s pevnými aj bezdrôtovými linkami, zoršenie teplotnéo režimu spotrebičov, urýclenie procesu starnutia izolácie, čím sa znižuje životnosť zariadení, zníženie veľkosti dodávanéo činnéo výkonu z generátorov a tým zníženie ic účinnosti, vytváranie podmienok pre vznik rôznyc nežiaducic rezonančnýc javov v sieti, nárast cýb registračnýc a meracíc zariadení, zlyávanie batérii kondenzátorov následkom ic preťaženia. -6-
.3 Zdroje nearmonickýc veličín Hlavným zdrojom armonickýc prúdu sú tie spotrebiče, ktoré sa vyznačujú nárazovým, rýclo premenným odberom prúdu, čo je sprevádzané znížením účinníka a vznikom armonickýc zložiek prúdu. Zdrojmi armonickýc prúdu sú predovšetkým: Priemyslové zaťaženie Priemyslové zaťaženia, ktoré bývajú zdrojom značnýc úrovní armonickéo skreslenia zaŕňajú výkonové meniče (usmerňovače) riadené i neriadené, zváracie agregáty oblúkové i odporové, oblúkové a indukčné pece. Najviac rozšírenými statickými meničmi v priemyslovýc rozvodoc sú riadené i neriadené usmerňovače. Pre konkrétne zapojenie sa dá matematicky určiť tvar a veľkosť odoberanéo sieťovéo prúdu na primárnej strane usmerňovačovéo transformátora. Na striedavej strane usmerňovača sa môžu teoreticky vyskytovať len armonické, ktorýc rád je daný vzťaom: = k p ±, (.9) kde je rád armonickej, p počet impulzov usmerňovača, k prirodzené číslo (,, 3...). Tieto armonické nazývame carakteristické armonické. V skutočnosti sa vplyvom možnej nesymetrie usmerňovača, vplyvom nekonštantnej periódy opakovania priebeu, nerovnakéo ula zopnutia polovodičovýc súčiastok α, prípadne vplyvom skreslenéo napájacieo napätia usmerňovača, môžu vyskytnúť aj necarakteristické armonické, teda armonické inýc rádov. Teoreticky by mala aj amplitúda armonickýc prúdu dokonale spínajúceo usmerňovača klesať podľa vzťau: I =. (.0) I V praxi však usmerňovače nespínajú okamžite a priebey prúdu nemajú presný obdĺžnikový tvar. Amplitúda armonickýc prúdu závisí od induktívneo úbytku napätia, ktorý závisí od indukčnosti obvodu a od spínacieo ula. Avšak ulom prekrytia (komutácie) ani ulom riadenia sa nemení spektrum armonickýc na striedavej strane usmerňovača, ale iba veľkosť. Komutácia v skutočnosti znižuje amplitúdy prúdovýc armonickýc, najmä vyššíc rádov. Pri riadení usmerňovačov docádza zvyšovaním riadiaceo ula -7-
ku zmenšovaniu ula komutácie γ. Tým narastajú prúdové armonické, pričom maximum je pri α = 90 o. Nelineárne záťaže, ktoré predstavujú rôzne aplikácie polovodičovýc meničov, kedy veľkosť a spektrum prúdov armonickýc usmerňovačov, závisí predovšetkým od: - zapojenia usmerňovača (mostíkové, uzlové), - zapojenia vinutí usmerňovačovéo transformátora, - komutačnéo ula γ (závisí od X σ transformátora), - od spôsobu riadenia a veľkosti riadiaceo ula α. Fázová nesymetria Nesymetria v elektrizačnej sústave má tiež za následok vznik armonickýc zložiek. Medzi lavný zdroj môžeme zaradiť prevádzku syncrónnyc motorov v podmienkac nesymetrie. Typickým príkladom je jednofázový skrat alternátora s uzemneným neutrálnym bodom alebo dvojfázový skrat. Pri pretekaní nesymetrickýc prúdov v statorovom vinutí syncrónneo stroja vzniká v stroji jednosmerné pulzujúce magnetické pole. Pri analýze by sa zistilo, že na začiatku precodnéo javu jednosmerná zložka statorovéo prúdu spôsobí vznik prúdov párnyc násobkov základnej frekvencie v statore prúdov, ktoré sú nepárnymi násobkami základnej frekvencie prúdu v budiacom vinutí. Podobné následky má aj nesymetria spôsobená inými príčinami. V trojfázovýc sieťac sa armonické rádu 3 ako nulová zložka, armonické rádu (3 +), prípadne (3 -) ako súsledná, resp. spätná zložka. V symetrickýc sieťac sú nebezpečné armonické rádu 3, lebo v zapojení do trojuolníka sa uzatvárajú a vyvolávajú vyrovnávacie prúdy. V zapojení do viezdy zvyšujú zaťaženie neutrálneo vodiča a v sústavác bez neutrálneo vodiča vyvolávajú napätie medzi uzlom generátora a spotrebiča, ktoré môže dosianuť odnoty životu nebezpečné. Rezonancia Nelineárne záťaže produkujú spektrum armonickýc prúdov, ktorýc frekvencie môžu byť blízke rezonančným frekvenciám obvodu. Pričom pri paralelnej rezonancii na vybudenie veľkéo napätia je dostatočný aj malý prúd a pri sériovej rezonancii stačí malé napätie na vybudenie veľkéo prúdu. Prirodzená rezonančná frekvencia elektrickýc sietí sa nacádza v rozsau jednotiek kiloertz. Ak však zapojíme do obvodu batériu výkonovýc kondenzátorov, rezonančná -8-
frekvencia môže poklesnúť do rozsau frekvencií, ktoré sú produkované zdrojmi armonickýc zložiek. Rezonančnú frekvenciu f r vieme približne určiť podľa vzťau: f r X C = = f, (.) π L C X L kde L je indukčnosť obvodu, C je kapacita obvodu, f je frekvencia základnej armonickej, X C je kapacitná reaktancia, X L je induktívna reaktancia. Zaťaženia v obytnýc oblastiac Zaťaženie v obytnýc oblastiac môžu byť prevažujúcim zdrojom armonickéo skreslenia vďaka veľkému počtu spotrebičov používanýc súčasne a dlú dobu aj napriek ic menšiemu menovitému výkonu. Televízne prijímače a počítače sú všeobecne napájané spínaným zdrojom, ktorý obsauje usmerňovač a veľký vyladzovací kondenzátor s tým výsledkom, že prúd odoberaný zo siete obsauje krátke impulzy obsaujúce vysoké percento armonickýc. Používanie spotrebičov so spínanými zdrojmi má stúpajúcu tendenciu. Aj keď výkon každéo spotrebiča môže byť malý, jav romadenia môže spôsobiť značné skreslenie napájacieo napätia. Zariadenia na výrobu a rozvod elektriny Zariadenia používané na výrobu a rozvod elektrickej energie, predovšetkým generátory, transformátory a v poslednom období, aj keď v obmedzenom rozsau, zariadenia ako sú statické kompenzátory a frekvenčné meniče. Pretože u generátora nie je možné konštrukciou dosianuť čisto sínusový priebe napätia zdroja, rotačné stroje predstavujú zdroj armonickýc. Ale ic veľkosť je bežne zanedbateľná, nakoľko vodným výberom a konštrukciou je možné zabezpečiť takmer sínusový tvar generovanéo napätia. Skreslenie transformátormi je spôsobené sýtením železa v magnetickom obvode transformátora. -9-
.4 Šírenie armonickýc prúdu a napätia vedením.4. Rozbor dléo vedenia Elektricky dlé vedenie je vedenie, ktoréo priečny rozmer je zanedbateľný voči jeo dĺžke, a ktoréo pozdĺžny rozmer (dĺžka) je porovnateľný s vlnovou dĺžkou šíriacej sa elektromagnetickej vlny. Či je vedenie dlé alebo krátke, závisí nie len od absolútnej dĺžky vedenia, ale aj od frekvencie napájacieo napätia. Vlnovú dĺžku vypočítame z frekvencie podľa vzťau v λ =, (.) f kde ν je rýclosť šírenia elektromagnetickej vlny (ν = 3.0 8 m.s - ), f je frekvencia napájacieo napätia. Elektricky dlé vedenie je z ľadiska elektrickýc vlastností carakterizované štyrmi primárnymi parametrami: merný odpor R k (činný odpor vedenia pripadajúca na jednotku dĺžky), merná indukčnosť L k (vlastná indukčnosť vedenia pripadajúca na jednotku dĺžky), merná kapacita C k (kapacita kondenzátora tvorenéo úsekmi vodičov vedenia s jednotkovou dĺžkou), merný zvod G k (odnota odporu dielektrika medzi vodičmi vedenia jednotkovej dĺžky). Elektricky dlé vedenie môžeme s dostatočnou presnosťou analyzovať ako obvod, ak predpokladáme, že jeo parametre R, L, C, G sú spojito rozložené po vedení. Tým rešpektujeme skutočnosť, že vznik (zánik) magnetickej a elektrickej energie ako aj premena elektromagnetickej energie na Joulove teplo nie sú lokalizované len v určitýc oraničenýc častiac obvodu, ako sme to predpokladali u obvodov elektricky krátkyc (s koncentrovanými parametrami), ale že sa tieto energetické premeny odorávajú prakticky v každom mieste dléo vedenia. Okrem too predpokladáme nezávislosť primárnyc parametrov od prúdu resp. napätia, teda jedná sa o lineárne obvody s rozloženými parametrami. Pri odvodení rovníc dléo vedenia [] vycádzame z ic diferenciálneo tvaru. Riešením týcto rovníc pre armonický režim dostaneme rovnice, podľa ktorýc môžeme vypočítať odnoty napätia a prúdu v ľubovoľnom mieste x od začiatku vedenia. -0-
U& I& ( x ) = U& cos( γ x) Z& VI & sin( γ x), U& Z& ( x ) = sin( γ x) + I cos( γ x). V & (.3) Ak dosadíme do rovníc za x celú dĺžku vedenia, dostaneme odnoty napätia a prúdu na konci vedenia: U& = U& cos U& I& = sin Z& V ( γ l) Z& I& sin( γ l), V ( γ l) + I& cos( γ l). (.4) Často sa v praxi vyskytuje opačná úloa, zistiť odnoty na začiatku vedenia ak sú známe odnoty na konci vedenia. Príslušné rovnice dostaneme napr. lineárnou transformáciou rovníc. Výsledné rovnice potom majú tvar U& = U& cos U& I& = sin Z& V ( γ l) Z& I& sin( γ l) V ( γ l) + I& cos( γ l)., (.5) Prenosové vlastnosti dléo vedenia sú v armonickom režime určené dvoma komplexnými parametrami:. vlnovou impedanciou Z & V, ω.. činiteľom šírenia γ. Vlnová impedancia vedenia závisí od primárnyc parametrov R, L, C, G a od frekvencie Z& R L Z& + jω V = =. (.6) Y& G + jωc Komplexný činiteľ šírenia závisí od primárnyc parametrov vedenia a od prenášanej frekvencie podľa vzťau: γ = kde α je merná miera tlmenia, ( + jωl) ( G + jωc) = α + jβ R, (.7) β je merná miera fázovéo posunu. Pri riešení prenosu armonickýc vedením vycádzame zo zjednodušenej scémy na obr.., kde nelineárny spotrebič, ktorý je zdrojom armonickýc prúdu, je napájaný z dléo vedenia, ktoré je napájané z generátora G. Ďalej vycádzame z rovníc pre presný výpočet elektricky dlýc striedavýc vedení [] U & = U& cos( γ& l) + I& Z& f f V sin( γ& l), (.8) I & = U& f sin( γ& l) + I& cos( γ& l). (.9) Z& V --
Generátor X G U I U I I () I () Nelin. záťaž Obr..3. Napájanie nelineárneo spotrebiča z generátora elektricky dlým vedením Ak budeme uvažovať zjednodušenie R = 0, G = 0, potom pre armonické možno písať: Z j X L X L Z & & V = = = = Z& V Z& V, Y& j B B = (.0) C C γ& = Z & Y & = X j B = j. X B = jβ, (.) j L C L C β = β = β, β = X L BC = ω L C = π f L. C, (.) kde carakterizuje rád armonickej. Z týcto rovníc vyplýva, že vlnová impedancia Z v nezávisí od rádu armonickej a má reálny carakter (s uvažovaním danéo zjednodušenia). Merná komplexná miera prenosu γ je rovná priamo mernej miere fázovéo posunu β (pričom je frekvenčne závislá) a merná miera tlmenia α je nulová. Z ľadiska prenosu armonickýc zložiek je záťažou na konci vedenia generátor. Keďže R G << X G, môžeme pomery na konci vedenia popísať rovnicou. --
Meranie šírenia armonickýc prúdu a napätia. Meranie šírenia armonickýc prúdu a napätia na modely 0 kv vedenia v laboratórnyc podmienkac.. Model 0 kv vedenia Model vedenia 0 kv, ktorý som použil pri meraní, sa nacádza v laboratóriu KVES (viď. príloa č.) a skladá sa zo 40 π-článkov. Model zodpovedá 0 km vedeniu 0 kv s parametrami: odpor R K = 0,56 Ω.km -, indukčnosť L K =,88 mh.km -, kapacita C K = 8,945 nf.km -. Jeden π-článok predstavuje 3 km vedenia. Články možno spájať a vynecávať podľa potreby. Jeden π-článok má carakteristické odnoty: R = 0,468 Ω, L = 3,864 mh, C/ = 3,43 nf. Časť odporu predstavuje odpor cievky a na požadovanú odnotu je táto doplnená rezistorom. Indukčnosti majú maximálnu udávanú cybu 0,854 % a kondenzátory 5 %. R L C/ C/ Obr... Trojkilometrový úsek na modeli 0 kv vedenia.. Model nelineárnej záťaže Ako nelineárnu záťaž som použil 3-fázový usmerňovač KU 6 ČKD Praa 380 V / 80 A, ktorý bol po úprave zapojený ako -fázový usmerňovač: a) napäťový s kapacitným filtrom C = 0 mf (maximálne napätia na kondenzátore 00 V), b) prúdový s indukčnosťou na jednosmernej strane zapojenou do série L = 68,3 mh. Ako záťaž usmerňovača bol zapojený rezistor R = 0 Ω s maximálnou prúdovou zaťažiteľnosťou 5 A. Scéma nelineárnej záťaže je na obr... -3-
D D3 D D3 L ~ C R ~ R D D4 D D4 a) b) Obr... Scémy zapojenia nelineárnej záťaže a) napäťový usmerňovač, b) prúdový usmerňovač..3 Sieťový analyzátor BK-Elcom v ardvérovom prevedení PNA 560 Prístroj od firmy Dewetron so softvérom od firmy Elcom, a.s. tvorí komplexný systém monitoringu a analýzy kvality elektrickej energie BK-Elcom. Softvér rešpektuje v plnom rozsau normy: STN EN 6000-4-7, STN EN 6000-4-5, STN EN 5060, STN EN 6000-4-30. Podľa [] je systém BK-Elcom je založený na báze tecnológie virtuálnej inštrumentácie, to znamená, že umožňuje reagovať pružne na meniace sa požiadavky koncovýc užívateľov a doplňovať do prístroja ďalšie moduly či časti analýzy dát. Základný systém je výkonný priemyslový PC zabudovaný v odolnom plastovom kufríku. Možnosť rozširovania perifériami je zaistená rozraním USB. Systém je opatrený dotykovým displejom zaručujúcim možnosť ovládania a viditeľnosť výsledkov merania priamo na prístroji. Rozmery toto prístroja sú 340 x 45 x 90 mm, motnosť 4 kg. Po stránke odolnosti proti vibráciám, nárazom a vlkosti vyovuje americkej vojenskej norme MIL-STD 80C a taktiež európskej špecifikácii CE. Pracovná teplota je v rozmedzí 0 až +50 C. Vstupné rozsay napäťovýc kanálov sú 50, 00, 300 a 600 V AC, vstupné rozsay pre štvrtý napäťový kanál sú 5, 0, 50 a 00 V AC. Prepäťová ocrana modulu je kv rms a izolačná pevnosť 6 kv, 50 Hz po dobu minúty. Presnosť je lepšia ako +/ 0,5 %. Vstupné rozsay prúdovýc kanálov sú A alebo 5 A pre priamy prúdový vstup, ďalšou možnosťou je pripojenie prúdovýc klieští s napäťovým výstupom alebo klieští Ampflex, pre ktoré sú v analyzátore zabudované zosilňovače ic výstupnéo signálu. Presnosť je lepšia ako +/ 0,5 %. -4-
Obr..3. Sieťový analyzátor BK-Elcom v ardvérovom prevedení PNA 560 Nastavenie analyzátora pre meranie a analýzu armonickýc zložiek vyššíc rádov je popísané v kapitole 4. (Nastavenie analyzátora BK-Elcom pre meranie na modeli 0 kv vedenia)...4 Meranie frekvenčnej carakteristiky vedenia Meraním frekvenčnej carakteristiky modelu vedenia 0 kv je prioritné zistiť pri akýc frekvenciác docádza na vedení k rezonanciám, a to v stave naprázdno aj nakrátko. Môžu nastať dva prípady rezonancie: Sériová rezonancia - nastane za podmienky Im(Z) = 0, vtedy má vedenie najmenšiu impedanciu a stačí malé napätie na vybudenie veľkéo prúdu. Paralelná rezonancia - nastane za podmienky Im(Y) = 0, vtedy má vedenie maximálnu impedanciu a na vybudenie veľkéo napätia postačuje aj malý prúd. Pri meraní frekvenčnej carakteristiky bol model vedenia napájaný z nízkofrekvenčnéo zosilňovača TESLA AZK 80, ktoréo vstupom bol nízkofrekvenčný RC generátor. Nízkofrekvenčný zosilňovač bolo nutné do obvodu zapojiť z dôvodu nedostatočnéo výkonu RC generátora. Na nízkofrekvenčnom RC generátore som menil frekvenciu v rozsau od 0 do 500 Hz. Analyzátor BK-Elcom bol pripojený na začiatku vedenia, kde boli snímané odnoty napätia, prúdu a impedancie. Merania boli robené na rôznyc miestac vedenia v stave naprázdno, nakrátko a zaťažené impedanciou. -5-
L 0 km 0 km N Model vedenia 0 kv a) b) c) AZK 80 G ~ NF generátor BK-Elcom Obr..4. Scéma zapojenia pre meranie frekvenčnýc carakteristík modelu vedenia a) Meranie frekvenčnej carakteristiky modelu vedenia v stave naprázdno Pri tomto meraní nie je na konci vedenia (na 0 km) pripojená žiadna záťaž a vedenie je v stave naprázdno. Z (Ω) 4500 4000 3500 3000 500 000 500 000 500 60 km 0 km 0 0 00 400 600 800 000 00 400 600 f (Hz) Graf č... Frekvenčná závislosť impedancie vedenia v stave naprázdno Pri meraní na začiatku vedenia s rastúcou frekvenciou impedancia najskôr klesá, pokiaľ vo vedení nenastane sériová rezonancia a následne stúpa až do maximálnej odnoty, kde nastane rezonancia paralelná. Sériová rezonancia nastala pri frekvencii 60 Hz a následne paralelná pri frekvencii 80 Hz. Pri meraní na 60-tom km vedenia nastala sériová rezonancia a to pri frekvencii 300 Hz. Keď dôjde k rezonancii mení sa carakter vedenia z induktívneo na kapacitný alebo opačne. V momente rezonancie je napätie a prúd vedenia vo fáze a teda vedenie má čisto odporový carakter. -6-
b) Meranie frekvenčnej carakteristiky modelu vedenia v stave nakrátko: Svorky na konci modelu vedenia boli skratované prepojkou. Namerané odnoty sú znázornené v grafe č... Impedancia najskôr stúpa, až kým vo vedení nenastane paralelná rezonancia a následne klesá až do rezonancie sériovej. Teda nastali obe rezonancie, paralelná pri frekvencii 50 Hz a sériová pri frekvencii 00 Hz. Z (Ω) 500 000 500 000 500 0 0 00 400 600 800 000 00 400 600 f (Hz) Graf č... Frekvenčná závislosť impedancie vedenia v stave nakrátko c) Meranie frekvenčnej carakteristiky modelu vedenia pri zaťažení rezistorom Z (Ω) 500 450 400 350 300 50 00 50 50 450 650 850 050 50 450 650 f (Hz) Graf č..3. Frekvenčná závislosť impedancie vedenia zaťaženéo rezistorom -7-
Model vedenia bol zaťažený rezistorom, ktoréo veľkosť bola približne rovná vlnovej impedancii R = 390 Ω. Z grafu č..3 vidieť, že zmena impedancie s narastajúcou frekvenciou nie je taká výrazná ako pri meraní naprázdno a nakrátko. Amplitúda impedancie kmitá okolo absolútnej odnoty záťaže...5 Harmonická analýza napájacieo napätia Týmto meraním som ccel zistiť, či nedocádza k príliš veľkému skresleniu napätia zdroja a či možno napätie považovať za dostatočne sínusové. Napájací autotransformátor Metrel HSN 003 som pripojil k sieti nn a na sekundárnej strane nebol zaťažený. U (%) 00 0 0, Graf č..4. Časový priebe napätia na výstupe autotransformátora Graf č..5. Harmonická analýza napätia na výstupe autotransformátora Z grafov.4,.5 vidieť, že napätie na výstupe autotransformátora (to znamená, že aj napätie siete) je mierne deformované, no nie natoľko, aby ovplyvnilo výrazne meranie. Činiteľ celkovéo armonickéo skreslenia THD U = 3,49 %, najvýraznejšia je 5. armonická (,8 %)...6 Harmonická analýza napájacieo prúdu a napätia modelu nelineárnej záťaže Pri tomto meraní bol vynecaný model vedenia a nelineárna záťaž bola napájaná priamo z autotransformátora podľa scémy na obr..5. -8-
D D3 L C R R D D4 BK-Elcom a) b) Obr..5. Scéma zapojenia pre meranie armonickýc prúdu a napätia nelineárnej záťaže a) Harmonická analýza napájacieo prúdu a napätia modelu nelineárnej záťaže tvorenéo napäťovým usmerňovačom Analyzátorom BK-Elcom som meral prúd a napätie na striedavej strane nelineárnej záťaže ČKD KU 6 s kapacitným filtrom, kde C = 0 mf, R = 50 Ω. Následne som pomocou BK - Elcom urobil armonickú analýzu prúdu a napätia. u = f(t) i = f(t) Graf č..6. Časový priebe prúdu a napätia nelineárnej záťaže U (%) 00 I (%) 00 0 0 0, 0, Graf č..7. Harmonická analýza napätia nelineárnej záťaže (-) Graf č..8. Harmonická analýza prúdu nelineárnej záťaže (-) -9-
Zo zaznamenanýc grafov vyplýva, že model nelineárnej záťaže je skutočne zdrojom nepárnyc armonickýc prúdu, ako vidieť z armonickej analýzy (graf č..8). Najvýraznejšia bola 3. armonická prúdu, ktorá dosiala až 7 % zo základnej armonickej. Činiteľ celkovéo armonickéo skreslenia prúdu THD I = 85,67 %. Tento nearmonický prúd spôsobil na impedancii zdroja, (v tomto prípade autotransformátora), armonické úbytky napätia. To znamená, že sa efektívne odnoty napäťovýc armonickýc vyššíc rádov, a teda aj činiteľ celkovéo armonickéo skreslenia napätia THD U, zvýšili oproti stavu bez pripojenia nelineárnej záťaže. THD U sa zvýšil z 3,49 % (v stave bez pripojenia nelineárnej záťaže) na 6,04 %. Tab... Hodnoty armonickýc zložiek prúdu a napätia 3 5 7 9 U (%) 00 3,5 4,,8, 0,89 U (V) 40,4,64 0,7 0,44 0,356 I (%) 00 7 37 3 4 0 I (A) 0,866 0,64 0,3 0,3 0, 0,087 Účinník prvej armonickej, cos φ, takto zapojenej nelineárnej záťaže je síce 0,98 induktívneo carakteru, ale skutočný účinník, ktorý sa tiež nazýva faktor výkonu, je len λ = 0,73. + φ =,5 U +j I b) Harmonická analýza napájacieo prúdu a napätia modelu nelineárnej záťaže tvorenéo prúdovým usmerňovačom Graf č..9. Fázorový diagram napätia a prúdu nelineárnej záťaže Scéma zapojenia pre meranie armonickýc prúdu a napätia prúdovéo usmerňovača ja na obr..5 variant b). Z grafov č..0,. je možné usúdiť, že takto zapojený model -0-
nelineárnej záťaže nebol až takým významným zdrojom prúdovýc armonickýc u = f (t) i = f (t) I (%) 00 0 0, Graf č..0. Časový priebe prúdu a napätia záťaže Graf č... Harmonická analýza prúdu nelineárnej záťaže (-) ako napäťový usmerňovač. Prúdový usmerňovač síce dosaoval THD I asi 34 %, ale až po vyradení odporu, ktorý bol jeo záťažou spolu s cievkou. Takto ostala ako záťaž usmerňovača len indukčnosť cievky a jej vnútorný odpor (asi 0 Ω). Následkom too usmerňovač odoberal príliš veľký prúd, aby mool byť pripojený k modelu vedenia. Aby bol usmerňovač dostatočným zdrojom armonickýc aj pri menšom odoberanom prúde, musel by som mať k dispozícii cievku s ešte väčšou indukčnosťou. Preto som v ďalšom meraní prúdový usmerňovač nepoužil...7 Meranie šírenia armonickýc zložiek prúdu a napätia na modeli vedenia dĺžky0 km zaťaženom na konci nelineárnou záťažou Scéma zapojenia toto merania je na obr..6 Model nelineárnej záťaže bol zapojený na koniec modelu vedenia 0 kv dléo 0 km. Analyzátor BK-Elcom som postupne pripájal na začiatok, stred a koniec vedenia. Grafy č..,.4,.6 potvrdzujú, že armonické zložky sa vedením šíria od nelineárnej záťaže smerom ku zdroju napätia. Na konci vedenia, kde je pripojená nelineárna záťaž, je priebe napätia najviac zdeformovaný, v strede vedenia menej a na začiatku (pri zdroji napätia) má sínusový priebe. Toto potvrdzuje aj armonická analýza napätia v jednotlivýc úsekoc vedenia (grafy č..3,.5,.7). Z toto možno usúdiť, že armonické napätia smerom k zdroju napájania, teda k miestu s vyšším skratovým výkonom klesajú. --
L 0 km 60 km 0 km D D3 C R N Model vedenia 0 kv D D4 BK-Elcom Obr..6. Scéma zapojenia pre meranie šírenia armonickýc prúdu a napätia na modeli vedenia 0kV u = f (t) i = f (t) U (%) 00 THD U = 3,4 % 0 Graf č... Časový priebe prúdu a napätia (0 km) 0, Graf č..3. Harmonická analýza napätia (0 km) (-) u = f(t) i = f(t) U (%) 00 THD U = 4,34 % 0 0, Graf č..4. Časový priebe prúdu a napätia (60 km) Graf č..5. Harmonická analýza napätia (60 km) (-) --
u = f(t) i = f(t) U (%) 00 THD U = 43,5 % 0 Graf č..6. Časový priebe prúdu a napätia (0 km) 0, Graf č..7. Harmonická analýza napätia (0 km) (-) V grafoc č..4,.5 si možno všimnúť, že nastala paralelná rezonancia, a to pre 5. armonickú, ktorá zodpovedá frekvencii (50 Hz). Deformácia prúdu v jednotlivýc miestac vedenia je približne rovnaká, činiteľ celkovéo armonickéo skreslenia prúdu THD I = 5,7 % na začiatku, THD I = 5,39 % v strede a THD I =,74 % na konci vedenia. Z too vyplýva, že prúd v mieste pripojenia nelineárnej záťaže je najmenej zdeformovaný, pretože niektoré armonické zložky sa uzatvárajú cez kapacity jednotlivýc π-článkov. To, že sa niektoré armonické zložky prúdu uzatvárajú cez kondenzátory, možno dokázať aj porovnaním grafu č..8 a grafu č.8. V grafe č.8 je armonická analýza prúdu, keď bol model nelineárnej záťaže pripojený priamo k zdroju napätia a THD I vtedy dosiaol odnotu až 85,67 %. V grafe č.8 je armonická analýza prúdu, keď bol model nelineárnej záťaže pripojený k zdroju napätia cez model vedenia. THD I sa v tomto prípade poybuje len okolo 5 %. I (%) 00 0 km 60 km 0 km I (%) I (%) THDI = 5,7 % THDI = 5,39% 00 00 THDI =,74% 0 0 0 0, 0, 0, (-) (-) Graf č..8. Harmonická analýza prúdov vo vedení zaťaženom nelineárnou záťažou (-) -3-
..8 Meranie šírenia armonickýc zložiek prúdu a napätia na modeli vedenia zaťaženom nelineárnou záťažou na 60 km a rezistorom na 0 km Pri tomto meraní bol na koniec vedenia umiestnený rezistor R = 390 Ω (približne vlnová impedancia), ktorý mal predstavovať odberateľa s lineárnym odberom prúdu. Model nelineárnej záťaže bol pripojený do stredu vedenia (na 60 km). Hlavným účelom toto merania bolo zistiť, aké budú priebey napätia a prúdu na konci vedenia. V praxi to znamená do akej miery bude ovplyvnený odberateľ s lineárnou V-A carakteristikou a cos φ =. L 0 km 60 km 0 km R Z N Model vedenia 0 kv D D3 BK-Elcom D D4 C R Obr..7. Scéma zapojenia pre meranie šírenia armonickýc prúdu a napätia na modeli vedenia 0kV u = f(t) i = f(t) U (%), I (%) 00 THD U =,6 %, THD I = 6 % 0 0, (-) Graf č..9. Časový priebe prúdu a napätia (0 km) Graf č..0. Harmonická analýza napätia a prúdu (0 km) -4-
u = f(t) i = f(t) U (%), I (%) 00 THD U = 9,86 %, THD I = 8,4 % 0 Graf č... Časový priebe prúdu a napätia (60 km) 0, Graf č... Harmonická analýza napätia a prúdu (60 km) (-) u = f(t) i = f(t) U (%), I (%) 00 THD U = 9,4 %, THD I = 8,96% 0 Graf č..3. Časový priebe prúdu a napätia (0 km) 0, Graf č..4. Harmonická analýza napätia a prúdu (0 km) (-) Na obr..7 sa nacádza scéma zapojenia pre toto meranie. Z nameranýc grafov vidieť, že lineárna odporová záťaž bola napájaná deformovaným nearmonickým napätím, ktoré spôsobila nelineárna záťaž na 60 km. Z toto dôvodu precádzal lineárnou odporovou záťažou nearmonický prúd totožný s napätím a jeo THD I = 9 %. V praxi to znamená, že odberateľ s lineárnym odberom (t. j. s lineárnou V-A carakteristikou), ktorý sa nacádza za odberateľom, ktorý je zdrojom armonickýc v sieti, musí odoberať nelineárny prúd, aj keď jeo záťaž je lineárna. Podobne sa šíria a správajú nielen armonické vyššíc rádov, ale aj iné nepriaznivé vplyvy v elektrizačnej sústave, napr. blikanie (flicker). Z toto dôvodu sa odporúča, aby väčší odberatelia nearmonickéo prúdu boli pripojený cez samostatný transformátor alebo na vyššiu napäťovú ladinu, prípadne čo najbližšie k transformátoru, aby ic nearmonický odberový prúd spôsobil čo najmenšie armonické úbytky napätia na vedení. -5-
. Meranie armonickýc prúdu a napätia v elektrizačnej sústave V tejto časti diplomovej práce som sa zaoberal meraním armonickýc zložiek napätia a prúdu v praxi na rôznyc napäťovýc ladinác elektrizačnej sústavy pomocou analyzátora kvality elektrickej energie BK-Elcom. Jednou z priorít toto merania bolo zistiť, či nebola prekročená norma [8] z ľadiska armonickýc zložiek... Dlodobé meranie armonickýc prúdu a napätia v elektrizačnej sústave na ladine nn Toto meranie prebiealo v laboratóriu katedry KVES v čase od 3. 0. 006 do 7.. 006. Značne nearmonický odber prúdu (graf č..6) spôsobovalo viacero nelineárnyc záťaží (počítače, monitory, žiarivky) pripojenýc na jednu fázu v rozvádzači laboratória. Analyzátor BK-Elcom bol pripojený vo všetkýc troc fázac, aby moli byť monitorované všetky kvalitatívne parametre elektrickej energie. Počas toto merania sa náodne podarilo zaznamenať aj precodový dej, ktorý súvisel s aváriou v prepojenej elektrizačnej sústave UCTE dňa 4..006. Zaznamenané priebey boli publikované v [5] (príloa ). L L L 3 PEN I I I 3 U U U 3 N BK-Elcom... Nelineárne záťaže Obr..8. Scéma pripojenia analyzátora BK - Elcom u (V) i (A) Graf č..5. Časový priebe napätí v sieti nn t (s) Graf č..6. Časový priebe prúdov odoberanéo záťažou t (s) Činiteľ celkovéo armonickéo skreslenia THD I prúdu odoberanéo nelineárnymi záťažami dosaoval počas merania odnoty 80 až 90 %. THD U sa poyboval v rozmedzí -6-
,5 až 4 %, čo znamená, že neprekročil maximálnu dovolenú odnotu podľa normy [8], ktorá je 8 %. To však neznamená, že nemola byť prekročená odnota niektorej armonickej. Norma STN EN 5060 uvádza: za normálnyc prevádzkovýc podmienok musí byť v ľubovoľnom týždennom období 95 % desaťminútovýc strednýc efektívnyc odnôt napätia každej armonickej menšíc alebo rovnýc odnote uvedenej v tabuľke.. Tab... Úrovne jednotlivýc armonickýc napätí v percentác z U N 3 4 5 6 7 8 9 0 3 U (%) 5 6 0,5 5 0,5,5 0,5 3,5 0,5 3 4 5 6 7 8 9 0 3 4 5 U (%) 0,5 0,5 0,5 0,5,5 0,5 0,5 0,5,5 0,5,5 Analyzátorom BK-Elcom bolo teda potrebné vykonať až týždňové meranie, aby sme moli zistiť, či veľkosti jednotlivýc armonickýc napätia nepresiali odnoty podľa normy [8]. V grafe č..7 je spektrum armonickýc napätí meranýc v súlade s požiadavkami normy STN EN 5060. Sú to stredné desaťminútové odnoty prvýc dvadsaťpäť armonickýc. V grafe je pre každú armonickú znázornený čiarou 95-percentný percentil (5 % najoršíc prípadov za týždeň bolo vylúčenýc, je zobrazená najväčšia odnota z takto redukovanéo súboru nameranýc výsledkov). Krížikom je znázornená maximálna nameraná odnota v súbore dát za celý týždeň a čiernou značkou je vyznačený povolený limit pre 95- percentný percentil v súlade s normou [8]. Graf č.7. Spektrum armonickýc napätí meranýc v súlade s požiadavkami normy STN EN 5060-7-
Z grafu č..7 teda možno jednoznačne usúdiť, že nedošlo k prekročeniu normy z ľadiska napäťovýc armonickýc. Prúdové armonické síce dosaovali vysoké percentuálne odnoty (tretia armonická 74 %, piata 46 %), no napätie nebolo týmto výrazným nelineárnym odberom ovplyvnené. V norme [8] sa ďalej uvádza, že meranie by malo prebieať v mieste predaja elektrickej energie. To je dôležité najmä vtedy, ak by sme sa na základe výsledkov merania cceli domáať nejakej nápravy od distribučnéo podniku. Všeobecné pokyny na meranie armonickýc a na prístrojové vybavenie sú uvedené v norme [0]. Z analyzátora BK-Elcom možno dostať ako výstup aj protokol o armonickýc zložkác napätia podľa normy [8]. Norma [8] je len základnou normou pre kvalitu elektrickej energie a zaoberá sa medznými úrovňami pre armonické napätia na úrovni nn a vn. Uvažuje sa v nej len s rádmi po 5. armonickú, t. j. 50 Hz. Tab..3. Protokol s vyodnotením armonickýc napätia podľa STN EN 5060 Fáza (95%) (%) Fáza max (%) Fáza (95%) (%) Fáza max (%) Fáza 3 (95%) (%) Fáza 3 max (%) Limit (%) Vyovuje norme?. 0,05 0,07 0,04 0,05 0,04 0,05,00 Áno 3.,8,,37,64,66,94 5,00 Áno 4. 0,05 0,0 0,05 0, 0,05 0,,00 Áno 5.,47,86,9,58,46,94 6,00 Áno 6. 0,03 0,04 0,0 0,04 0,0 0,05 0,50 Áno 7.,6,5,34,53 0,99,4 5,00 Áno 8. 0,03 0,08 0,03 0,06 0,04 0,08 0,50 Áno 9. 0,54 0,64 0,56 0,66 0,5 0,65,50 Áno 0. 0,0 0,03 0,0 0,03 0,0 0,04 0,50 Áno. 0,5 0,70 0,55 0,77 0,48 0,63 3,50 Áno. 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,50 Áno 3. 0,48 0,86 0,50 0,96 0,43 0,74 3,00 Áno 4. 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,50 Áno 5. 0,40 0,47 0,38 0,44 0,38 0,43 0,50 Áno 6. 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,50 Áno 7. 0,5 0,33 0,7 0,45 0, 0,7,00 Áno 8. 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,50 Áno 9. 0,4 0,8 0,9 0,3 0, 0,0,50 Áno 0. 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,50 Áno. 0,6 0,3 0,6 0,30 0, 0,7 0,50 Áno. 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,50 Áno 3. 0,5 0,6 0, 0,35 0,5 0,,50 Áno 4. 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,50 Áno 5. 0,6 0,9 0,7 0,30 0,8 0,3,50 Áno Kompatibilné úrovne pre napäťové armonické sú stanovené vzľadom na možnosť vzniku rušenia od pripojenýc zariadení. Tieto odnoty boli získané dlodobým pozorovaním -8-
a štatistickým spracovaním a sú uvedené v norme STN EN 6000--4 [9]. Norma platí pre nn a vn a neuvažuje sa v nej o prúdovýc armonickýc. Norma [9] definuje tri triedy elektromagnetickéo prostredia: Trieda : sprísnené prostredie (nemocnice, výpočtové strediská). Trieda : normálne prostredie (kompatibilné úrovne tejto triedy sú identické s úrovňami pre verejné rozvodné siete). Trieda 3: týka sa bodu vo vnútri vyšetrovanej siete alebo inštalácie v priemyslovom prostredí, má zmäkčené limity armonickýc napätia. Analyzátor BK-Elcom umožňuje meranie vyodnocovať nielen podľa normy [8], ale aj podľa normy [9], pričom je možné si nastaviť aj triedu elektromagnetickéo prostredia... Dlodobé meranie armonickýc prúdu a napätia v elektrizačnej sústave na ladine vn Toto meranie prebiealo priamo v teplárni Žilina na napäťovej ladine kv v čase od 5.. 007 do 8.. 007. Analyzátor BK-Elcom bol pripojený v 8. poli, ktoré je napájané z transformátora T 03 s výkonom 40 MVA. Z toto transformátora je napájaná väčšia časť mesta Žilina. Scéma časti rozvodne s vyznačeným poľom 8 je v príloe č. 3. Prúd bol meraný pomocou prúdovýc klieští pripojenýc na vývody meracieo transformátora prúdu TTR 63., ktoréo prevod bol 000/5/5 A. Napäťové vstupy analyzátora BK-Elcom boli pripojené na merací transformátor napätia TJP 6 s prevodom 000/00 V. Graf č.8. Spektrum armonickýc napätí meranýc v súlade s požiadavkami normy STN EN 5060-9-
i (ka) Graf č..9. Spektrum armonickýc prúdu Graf č..30. Časový priebe odoberanéo prúdu t (s) Dlodobým meraním armonickýc v teplárni Žilina na transformátore T 03, z ktoréo je napájaná veľká časť Žiliny, bolo dokázané, že kvalita napätia, čo sa týka armonickýc spĺňa požiadavky normy [8]. Dokazuje to aj graf č.8, na ktorom vidieť, že ani maximálne odnoty jednotlivýc armonickýc nepresaovali povolené limity. Protokol s vyodnotením armonickýc napätia podľa STN EN 5060 sa nacádza v príloe 3. Hodnoty THD U sa poybovali od 0,8 po,4%. Sú to odnoty pomerne nízke. V takomto mieste pri transformátore je skratová impedancia malá, a teda prúdové armonické nespôsobujú veľké armonické úbytky. Veľkosť THD I sa poybovala počas merania od 3 do 6 %. V grafe č..3 je zobrazený časový priebe THD U a THD I počas jednéo pracovnéo dňa. Z priebeov možno sledovať, ako so sebou navzájom súvisia. Keď THD klesá, klesá aj THD, a naopak, ale neplatí to úplne všeobecne, pretože tvar napätia je I U ďalej ovplyvňovaný aj veľkosťou nearmonickéo prúdu. Teda čím je väčší odoberaný nearmonický prúd, tým väčšie sú odnoty jednotlivýc armonickýc a tie spôsobia na impedancii siete väčšie armonické úbytky napätia. Počas celéo merania bol transformátor najviac zaťažený na 3 MVA, t. j. na 80 %. Zaujímavosťou, ktorú si možno všimnúť pri porovnaní grafov č.3 a.3 je, že čím väčší bol odoberaný prúd, tým menší bol jeo THD a naopak. Ak je cez deň väčší prúdový odber je pripojenýc viacej lineárnyc záťaží. I -30-
THD I THD U (%) Graf č..3. Časový priebe strednýc jednominútovýc odnôt THD U a THD I I RMS (ka) Graf č..3. Časový priebe strednýc jednominútovýc efektívnyc odnôt prúdu -3-
3 Potlačenie armonickýc v elektroenergetickýc sieťac Odst rániť alebo aspoň eliminovať nepriaznivé vplyvy armonickýc je možné s využitím niektorýc opatrení na potlačenie armonickéo skreslenia. Ak majú byť úspešné je potrebné o nic uvažovať už pri projektovaní systémov pripájanýc na sieť. Medzi tieto opatrenia patria: použite viacimpulzovýc zapojení pre napájanie zariadení s polovodičovými meničmi, pripájanie zdrojov znečistenia siete väčšíc výkonov priamo na napäťovú ladinu vvn, použitie výkonovýc meničov s lepšími kvalitatívnymi vlastnosťami, vývoj novýc konštrukcií transformátorov, použitie špeciálnyc konštrukcií točivýc strojov, pripojenie kondenzátorovýc batérií do systému. Viacimpulzové zapojenie usmerňovača Najbežnejšou metódou na zníženie úrovne armonickýc v elektrickej sieti, v ktorej pracujú nelineárne záťaže reprezentované výkonovými polovodičovými meničmi, je používanie viacimpulzovýc meničov. V prípade, že by sme zapojili dva šesťimpulzové meniče s fázovým posunom napätí sekundárneo vinutia transformátora o 30 (obr. 3.) je možné eliminovať 5., 7., 7. a 9. armonickú. Výsledný efekt je ako keby sme pracovali s -impulzovými meničmi. Takéto zapojenie sa využíva na napájanie trolejovéo vedenia jednosmernej trakcie. Podobne pri zapojení dvanásťimpulzovéo meniča na sekundárne vinutie transformátora, ktoré má posun napätí 7,5 dokážeme eliminovať. a 3. armonickú. Ideálnym riešením pri používaní polovodičovýc meničov je 4Q menič, ktorý pracuje s cos φ = a nemá negatívny vplyv na elektrickú sieť. a) b) D D3 D5 D4 D6 D Z Obr. 3.. Scéma zapojenia trojfázovéo 6-impulzovéo usmerňovača -3-
D D3 D5 Z D4 D6 D D7 D9 D D0 D D8 Obr. 3.. Scéma zapojenia trojfázovéo -impulzovéo usmerňovača zloženéo z dvoc 6-impulzovýc U trojfázovéo 6-impulzovéo usmerňovača fáza jednotlivýc armonickýc prúdu závisí od zapojenia transformátora, ktorý napája usmerňovač. V prípade zapojenia transformátora ako viezda/viezda má Fourrierov rozklad odoberanéo prúdu tvar: i 3 π 5 7 () t = I cos( ωt) cos( 5ωt) + cos( 7ωt) cos( ωt ) + cos( 3ωt )... d 3, (3.) ak zapojíme transformátor v konfigurácii viezda/trojuolník, Fourrierov rozklad má potom nasledovný tvar: 3 π 5 7 () t = I cos( ωt) + cos( 5ωt) cos( 7ωt) cos( ωt ) + cos( 3ωt ) +... i d 3, (3.) zo vzťaov (3., 3.) si možno všimnúť, že 5. a 7. armonická majú pri zapojení transformátora viezda/trojuolník opačné znamienka ako pri za pojení transformátora viezda/viezda. Uvedenú skutočnosť môžeme využiť na zníženie deformácie prúdov, zapojením dvoc 6-impulzovýc usmerňovačov podľa obr. 3.. Fourrierov rozklad odoberanéo prúdu takto zapojenéo usmerňovača bude mať nasledovný tvar: 4 3 π 3 () t = I cos( ωt) cos( ωt ) + cos( 3ωt ) cos( 3ωt ) + cos( 5ωt)... i d 3 5,(3.3) v tomto prípade sú carakteristické. a 3. armonická, takýto usmerňovač je v tzv. - impulzovom zapojení. Frekvenčné spektrum odoberanéo prúdu silne závisí od zapojenia usmerňovača, typov použitýc ventilov, riadiaceo ula ako aj od pripojenej záťaže. Carakteristické armonické usmerňovačov v mostíkovom zapojení je možné vyjadriť pomocou vzťau (.9). Pokiaľ cceme obmedziť podiel armonickýc, je výodné používať usmerňovače s čo najväčším počtom nesúčasnýc komutácií za čas jednej periódy (napr. -impulzové). -33-
I (%) I (%) I (%) 0 0 0 00 00 00 80 80 80 60 60 60 40 40 40 0 0 0 0 0 0 3 4 5 6 7 8 9 0 3 4 5 6 7 8 9 0 3 4 3 5 7 9 3 5 7 9 3 5 3 5 7 9 3 5 7 9 3 5 (-) (-) (-) a) Jednofázový mostíkový b) Trojfázový 6-impulzový c) Trojfázový -impulzový usmerňovač usmerňovač usmerňovač Obr. 3.3 Porovnanie spektra armonickýc prúdu odoberanéo rôznymi typmi usmerňovačov Pripájanie zdrojov znečistenia siete väčšíc výkonov priamo na vyššiu napäťovú ladinu vvn Zariadenia generujúce armonické sa pripájajú na samostatné napájacie transformátory. Zdroje armonickýc väčšíc výkonov sa obvykle pripájajú priamo na vyššiu napäťovú ladinu vvn, čím sa obmedzuje ic vplyv na siete vn a nn. Zvolením odberovéo bodu s vyšším skratovým výkonom sa napätie armonickýc znižuje nepriamo úmerne s pomerom skratovýc výkonov. Vývoj novýc konštrukcií transformátorov Transformátory môžu eliminovať armonické vodným zapojení m ic vinutí. Ak je transformátor zapojený do trojuolníka, eliminujú sa násobky tretej armonickej. Ďalšia možnosť eliminácie armonickýc transformátorom je ic špeciálna konštrukcia, kde sa pri výpočte uvažuje s koeficientom, ktorý zoľadňuje dodatočné zorievanie transformátora, ak napája nelineárnu záťaž. Takto navrnutý transformátor má nižšiu odnotu magnetickéo toku, následkom čoo môžu tolerovať napätia spojené s armonickými a ic nulový vodič má trojnásobný prierez oproti fázovým vodičom. Tieto transformátory používajú elektromagnetické tlmenie medzi primárnym a sekundárnym vinutím každej cievky. V prípade, že nie je možné v systéme so skreslenými priebemi použiť takto navrnutý transformátor, je potrebné, aby bol bežný transformátor zaťažený menej ako je jeo menovitá odnota výkonu. -34-
Použitie špeciálnyc konštrukcií točivýc strojov Rotačné stroje je tiež možné považovať za zdroje armonickýc. Súvisí to s konštrukčným usporiadaním ic vinutí. Konštrukčným usporiadaním sa dajú eliminovať prakticky všetky armonické a to zvolením kroku cievky. Harmonické generované rotačnými strojmi môžeme v porovnaní s ostatnými zdrojmi armonickýc považovať za zanedbateľné. Ďalším spôsobom odstránenia nepriaznivýc vplyvov armonickýc je inštalovanie pasívnyc a aktívnyc filtrov. 3. Aktívne filtre Aktívne filtre sú statické polovodičové zariadenia, meniče, ktoré aktívnym spínaním na základe dynamickéo merania priebeu prúdu odoberanéo záťažou v priebeu jednej periódy, vygenerujú kompenzačný prúd, čím vlastne odfiltrujú armonické zložky. Oproti pasívnym filtrom majú nasledovné výody: nevytvárajú ostré rezonančné obvody, nie sú preťažované kondenzátory, nerozdeľujú sa dôsledkom starnutia častí filtra. Podľa zapojenia sa aktívne filtre delia na paralelné a sériové. Paralelné aktívne filtre Paralelný aktívny filter je tvorený generátorom prúdu, ktorý je pripojený paralelne k nelineárnej záťaži. Filter generuje armonické prúdu, ktoré sú rovnako veľké, ale opačnej fázy ako sú arm onické prúdu nelineárnej záťaže. Vo výslednom prúde sa odstránia zvolené armonické a následne bude upravená aj deformácia napätia spôsobená záťažou. V jednofázovom zapojení je scopný plniť funkciu filtra armonickýc, funkciu kompenzátora účinníka základnej armonickej a aj funkciu prostriedku na zvýšenie elektromagnetickej kompatibility. Pri trojfázovýc systémoc je vodné požiť trojfázový aktívny filter, ktorý dokáže riešiť aj problematiku symetrizovania nesymetrickýc záťaží. Zapojenie trojfázovéo paralelnéo aktívneo filtra je na obr. 3.4. -35-
L i s i z R U s i f Nelineárna záťaž L C U js Riadiace obvody Paralelný aktívny filter Obr. 3.4. Bloková scéma paralelnéo aktívneo filtra Sériové aktívne filtre Sériový aktívny filter má scopnosť udržovať amplitúdu napätia, kompenzovať poklesy napätia a jeo špičky, kompenzovať armonické napätia. Tento filter predstavuje veľkú impedanciu pre armonické prúdu a tak blokuje tok prúdu armonickýc zložiek zo záťaže do striedavéo zdroja a zo striedavéo zdroja do záťaže. Filter je zapojený do siete cez prevodový transformátor. Je scopný dodávať energiu pri výpadku napájacieo napätia ak je napájaný nezávislým zdrojom. 3. Pasívne filtre Problémy výskytu nepriaznivýc vplyvov armonickýc v energetickýc sieťac sú spôsobené lavne neocotou výrobcov polovodičovýc systémov, predovšetkým z ekonomickýc dôvodov, použiť vo svojic zariadeniac postupy, ktoré na jednej strane odstránia alebo výrazne obmedzia negatívne vplyvy na napájaciu sieť, ale na druej strane zariadenia predražia. Z toto dôvodu sa pasívne filtre stávajú určitým kompromisom pri riešení problematiky odstránenia nepriaznivýc vplyvov na napájaciu sieť. Pasívny filter je obyčajne tvorený sériovým zapojením tlmivky a kondenzátora a býva naladený na určitú armonickú frekvenciu. Filter má teoreticky pre naladenú rezonančnú frekvenciu nulovú impedanciu a teda predstavuje pre ňu skrat. V praxi sa využíva viac druov pasívnyc filtrov. Napríklad ornopriepustný filter prvéo rádu znižuje armonické zložky prúdu vyššíc rádov, tlmený ornopriepustný filter prvéo rádu, ktoréo tlmiaca rezistancia môže slúžiť na zníženie paralelnýc rezonancií -36-
vyššíc rádov ako aj na tlmenie toku armonickýc prúdov vznikajúcic pri rezonanciác v prípade zapojenia kondenzátorovýc batérií slúžiacic na zlepšenie účinníka. Ďalej je to tlmený sériový rezonančný filter druéo rádu, filtre vyššíc rádov a pravdepodobne najpoužívanejší filter, sériový rezonančný filter druéo rádu. Je pripájaný paralelne ku zdroju armonickýc a v dnešnej dobe predstavuje základný a najrozšírenejší spôsob filtrácie armonickýc. Môže sa použiť súčasne aj na kompenzáciu účinníka základnej armonickej. Zdroj rušenia i i Z s L 3 L 5 L C 3 f r3 C 5 f r5 C f r Obr. 3.5. Sériový rezonančný obvod X s I.X L 0 r X C / 0,707 I r. ω I r = U f R Graf č. 3.. Carakteristika sériovéo rezonančnéo obvodu ω r Graf č. 3.. Amplitúdová carakteristika rezonančnéo obvodu ω Podľa [3] pre rád armonickej zodpovedajúci naladenej rezonančnej frekvencii f r platí: X C r =, (3.5) X kde X C a X L sú kapacitná a induktívna reaktancia filtračnéo obvodu pre základnú frekvenciu 50 Hz. Priebe reaktancie v grafe č. 3. ukazuje, že filtračný obvod sa pre frekvencie nižšie ako rez onančná správa ako kondenzátor a pre frekvencie vyššie ako rezonančná sa správa ako cievka, t.j. sériový rezonančný filter potláča rezonančné javy na frekvenciác vyššíc ako je f r. L -37-
Ak budeme sledovať závislosť amplitúdy prúdu precádzajúceo sériovým rezonančným obvodom, možno pre prúd napísať vzťa: U f U f I = =, (3.6) Z R + j ωl ωc a z rovnice (3.6) dostávame pre amplitúdu: I = R + U f ( X X ) L C. (3.7) Ako je zrejmé z rovnice (3.7), precádza rezonančná krivka pri konštantnýc parametroc R, L, C pre ω = 0 počiatkom, pretože kapacitná reaktancia X C je pre ω = 0 nekonečne veľká. Pri rezonancii, keď ω = ωr, dosiane prúd precádzajúci ladeným obvodom maximálnu odnotu a potom sa s rastúcou frekvenciou zmenšuje. Pre ω sa prúd opäť blíži k nule vplyvom X L. Pre porovnanie rôznyc rezonančnýc obvodov je výodné vyjadrenie prúdu I pomocou činiteľa akosti Q a činiteľa rozladenia F, ktoré sú dané vzťami: ωr L Q = = R ω r, C R Potom môžeme rezonančnú krivku vyjadriť ako funkciu Q a F: f ( + j Q F ). ω ω r F =. (3.8) r ω ω ω ω U I = (3.9) R V oblasti ω < ω r, kde sa rezonančný obvod správa ako kondenzátor, je kompenzačný výkon daný súčtom jalovéo výkonu základnej armonickej a armonickýc vyššíc rádov. r Q C Q C Q C (Mvar) Q C = f (C) Q C = f (C) 3 Q C = f (C) C min C min Graf č. 3.3. Výkonové zložky kondenzátorov C -38-
S uvažovaním, že každá filtračná vetva je zaťažovaná len od tej armonickej, na ktorú je naladená a ostatné sú odstránené inými filtračnými vetvami, platí pre trojfázové filtre: 3 U fc Q C =, X C Q I X = C, pre = r, (3.0) C 3 kde Q C je kompenzačný výkon kondenzátorov vytvorený základnou armonickou prúdu, Q C je kompenzačný výkon kondenzátorov vytvorený -tou armonickou prúdu, U fc je napätie na kondenzátore vytvorené základnou armonickou prúdu a možno o vyjadriť: X C je kapacitná reaktancia kondenzátora. Celkový kompenzačný výkon kondenzátorov sa potom rovná: U fc = I.X C, (3.) Q C = Q C + Q C. (3. ) Ako ukazuje rovnica (5.), výkon kondenzátora je daný súčtom výkonov základnej armonickej a armonickýc vyššíc rádov, z čoo vyplýva, že pri konštantnom napätí sa zvyšuje jalový výkon základnej armonickej lineárne s kapacitou C a jalový výkon od armonickýc vyššíc rádov je nepriamo úmerný kapacite C, čo je zobrazené v grafe č. 3.3. Ďalej z toto grafu vidno, že jalový výkon Q C je v mieste C min minimálny. Pri tejto kapacite sú oba čiastkové výkony Q C a Q C rovnaké. Trvalé dovolené preťaženie kondenzátorov pre potreby prevádzky je dané Q C,35 Q C. Aby sme plne využili kondenzátor a zabránili jeo preťaženiu, uvažujeme pomer jalovýc ako Pri pripájaní kondenzátorov je potrebné zabezpečiť, aby kondenzátory neboli preťažené. výkonov danýc rovnicou Q C 3 Q C. Zodpovedajúca kapacita je označená v grafe č. 3.3 C min. Jalový výkon zodpovedajúci minimálnej kapacite kondenzátora nazývame minimálnym jalovým výkonom kondenzátora Q Cmin. vzťa: Pre kompenzačný výkon celéo trojfázovéo filtra pre základnú armonickú platí Q a 3 a U f ω C, QCFmin = 3 I U, (3.3) CF = k de a sa nazýva činiteľ zvýšenia napätia na kondenzátore pre základnú armonickú. Je daný vzťaom: U fc X C r a = = =. (3.4) U X X fr C L r -39-
Pokiaľ poznáme QCFmin, môžeme minimálnu veľkosť kapacity kondenzátora navrnúť podľa vzťau: = Q CFmin C min. (3.5) a U ω Keď vypočítame kapacitu C potom indukčnosť L vypočítame podľa Tomsonovo vzorca: L = ω r. (3.6) C Za pásmo priepustnosti filtračnej vetvy ( ω) považujeme takú časť carakteristiky, kedy sa prúd nezmenší pod odnotu 0,707 I r, (graf č. 3.). So zväčšujúcim sa činiteľom akosti Q sa pásmo priepustnosti zmenšuje. Z definície činiteľa akosti (3.8) vyplýva, že o možno zmeniť pri konštantnej indukčnosti L a kapacite C odporom R. Filtračné obvody, ktoré sa používajú v praxi, pracujú s Q < 30, pretože pri väčšíc Q je ladenie tak ostré, že malé zmeny indukčnosti L a kapacity C, spôsobené teplotou, toleranciami atď., spôsobujú značné rozladenie filtrov a tým zníženie ic účinnosti. 3.. Návr parametrov pasívnyc filtrov pre model 0kV vedenia V tejto časti diplomovej práce som sa zaoberal návrom sériovýc rezonančnýc filtrov konkrétne pre tretiu a piatu armonickú a ic aplikáciou v laboratórnyc podmienkac. Mal som k dispozícii dve vzducové toroidné cievky s parametrami L 3 = 34,67 mh, R 3 = 4,63 Ω a L 5 = 34, mh, R 5 = 4,65 Ω. Veľkosť kapacity kondenzátorov som dopočítal z Tomsonovo vzťau. Pre filter tretej armonickej je potrebná kapacita: C = = 3,47 µf 3 3 ω 34,67 0 =. (3.7) L r 3 ( π 50) A podobne možno vypočítať potrebnú kapacitu kondenzátora pre filter piatej armonickej: C = =,88 µf. 5 3 ω 34, 0 = (3.8) L r 5 ( π 50) Na filter tretej armonickej bol požitý kondenzátor s kapacitou 3 µf a na filter pre piatu armonickú kondenzátor s kapacitou µf. Pre dosianutie čo najväčšieo činiteľa akosti fi ltrov Q, nebol do rezonančnéo obvodu zaradený prídavný rezistor. Odpor sériovéo rezonančnéo obvodu predstavoval len vnútorný odpor cievok. Činiteľ akosti filtra pre tretiu armonickú možno určiť zo vzťau (3.8a): Činiteľ akosti filtra pre piatu armonickú: -3 ωr L π 50 34,67 0 Q = = = 7,06. (3.9) R 4,63-40-
-3 ωr L π 50 34, 0 Q = = =,5. (3.0) R 4,65 V praxi sa síce používajú filtre s odnotami činiteľa akosti od 5 do 30, no pre modelovanie v laboratórnyc podmienkac sú postačujúce aj tieto navrované filtre. Ak by sme cceli zväčšiť činiteľ akosti, museli by sme mať cievky s väčšou indukčnosťou, alebo s menším vnútorným odporom. 3.. Meranie amplitúdovýc carakteristík pasívnyc filtrov Na meranie amplitúdovýc carakteristík navrnutýc filtrov bolo potrebné použiť aj nízkofrekvenčný zosilňovač AZK 80 z dôvodu nedostatočnéo výkonu RC generátora. Analyzátorom BK - Elcom bola kontrolovaná frekvencia, napätie a prúd. Pri meraní amplitúdovej krivky filtra pre tretiu armonickú prúdu bola dosianutá maximálna odnota prúdu pri 47 Hz (graf č. 3.4), čo je pre laboratórne modelovanie vyovujúce. V praxi sa väčšinou filtre úmyselne ladia na frekvenciu o až 3 Hz vyššiu alebo nižšiu, aby prúd naladenej armonickej nepreťažil prvky filtra. G ~ NF generátor AZK 80 R BK-Elcom L C Obr. 3.6. Scéma zapojenia pre meranie amplitúdovýc carakteristík Graf č. 3.4. Amplitúdová carakteristika filtra pre tretiu armonickú prúdu -4-
Z nameranéo grafu a s použitím vzťau (3.8b) je možné určiť aj činiteľ rozladenia filtra: ω ωr ω 7 F = = = 0,8. (3.) ω ω ω 50 r Pri meraní amplitúdovej carakteristiky filtra pre piatu armonickú prúdu bola dosianutá maximálna odnota prúdu pri 5 Hz. r Graf č. 3.5. Amplitúdová carakteristika filtra pre piatu armonickú prúdu Tiež možno určiť činiteľ rozladenia filtra pre piatu armonickú prúdu: ω ωr ω 33 F = = = 0,3. (3.) ω ω ω 50 r r 3..3 Aplikácia navrnutýc pasívnyc filtrov na model 0 kv vedenia L N 0 km 60 km 0 km Model vedenia 0 kv D D D3 D4 C R R 3 R 5 BK-Elcom L 3 L 5 C 3 C 5 Obr. 3.7. Scéma zapojenia pre meranie šírenia armonickýc prúdu a napätia na modeli vedenia 0kV s použitím filtrov pre 3. a 5. armonickú prúdu V prvom meraní boli pasívne filtre spolu s nelineárnou záťažou umiestnené na koniec modelu vedenia, podľa scémy na obr. 3.7. Najskôr bol pripojený len filter pre tretiu -4-
armonickú prúdu, aby bolo vidieť, do akej miery filtruje tretiu armonickú a ako ovplyvňuje ostatné prúdové armonické. u = f(t) i = f(t) u = f(t) i = f(t) a) bez pasívneo filtra b) s pasívnym filtrom 3. armonickej prúdu na 0 km Graf č. 3.6. Porovnanie časovýc priebeov prúdu a napätia (0 km) I (%) 00 THD I =,74 %, THD U = 43,5 % I (%) 00 THD I = 4,0 %, THD U = 4,74 % 0 0 0, (-) (-) Graf č. 3.7. Harmonická analýza prúdov vo vedení zaťaženom nelineárnou záťažou 0, a) bez pasívneo filtra b) s pasívnym filtrom 3. armonickej prúdu na 0 km Z grafov č. 3.6 a 3.7 je vidieť, že pasívny filter pracoval správne. Tretiu armonickú prúdu eliminoval z % na %. Keďže filter mal pomerne malý činiteľ akosti (Q = 7,05), filtroval do určitej miery aj ostatné armonické. Napríklad piatu armonickú prúdu zredukoval zo 6,5 % na, %. Celkovo efektívna odnota prúdu tečúceo do záťaže sa zvýšila po pripojení filtra k záťaži približne o 40 %. Činiteľ celkovéo armonickéo skreslenia prúdu THD I sa podarilo pomocou filtra zredukovať z,74 % na 4,0 %. Zlepšil sa následne aj činiteľ THD U zo 43,5 % na 4,74 %. Filter svojou pomerne vysokou kapacitou, prekompenzoval pôvodne induktívny účinník základnej armonickej cos φ = 0,959 na kapacitný cos φ = 0,837. Kompenzačný výkon filtra -43-
pre základnú armonickú možno vypočítať zo vzťau (3.3a), upravenéo pre jednofázové filtre: Q = a U ω C =,5 44 π 50 3 0-6 CF f =,9 var. (3.) Na obr. 3.8 je zobrazený výpis veľkostí veličín z analyzátora BK-Elcom pred a po kompenzácii. Z obrázku je vidieť, že odnota jalovéo výkonu prvej armonickej bola bez pasívneo filtra Q = 5,63 var a po vložení filtra do obvodu sa zmenila na Q = -7,39 var. Hodnota Q sa zmenila o,6 var, teda vypočítaná a skutočná odnota sa líšia len veľmi málo. a) b) Obr. 3.8. Výpis veľkostí veličín z analyzátora BK-Elcom a) bez pasívneo filtra, b) s pasívnym filtrom u = f(t) i = f(t) I (%) 00 THD I =,85 %, THD U =,77 % 0 0, (-) Graf č. 3.8. Časové priebey napätia a prúdu a armonická analýza prúdu na konci vedenia s použitím pasívneo filtra pre piatu armonickú prúdu V ďalšom meraní bol použitý len filter pre piatu armonickú prúdu a bol umiestnený pred nelineárnu záťaž na konci modelu vedenia (obr. 3.7). Z armonickej analýzy prúdu v grafe č. 3.9 je zrejmé, že filter pracoval správne. Piatu armonickú prúdu zredukoval zo 6,5 % na 0,8%, čo je takmer na nulu. Filter pôsobil aj na tretiu armonickú prúdu, ktorej odnotu zmenšil z % na,5%. Aj tento filter prekompenzoval účinník základnej armonickej na kapacitný cos φ = 0,958, no nie do takej miery ako filter pre tretiu armonickú prúdu, pretože kapacita kondenzátora toto filtra bola podstatne menšia. Veľkosť jalovéo výkonu základnej armonickej sa zmenila po aplikácii filtra z Q = 5,63 var -44-
na Q = -3,533 var. Veľkosť prúdu základnej armonickej z modelu vedenia do nelineárnej záťaže sa po aplikácii filtra zmenila zo 45 ma na 594 ma. Teda cez filter tiekol prúd 69 ma prvej armonickej. Prúd základnej armonickej cez filter možno vypočítať: I U Uf 44 = j -3 j ω L 4,65+ j π 50 34,0 - ω C π 50 0 f = = Z R+ j 6 = 0,73 89 A. (3.3) Ako vidno prúd je kapacitnéo carakteru pretože pre základnú armonickú (50 Hz) platí, že jx C >> jx L. u = f(t) i = i = f(t) THD U = 3,4 % THD I = 5,7 % THD U = 4,34 % THD I = 5,39 % THD U = 43,5 % THD I =,74 % u = f(t) i = f(t) THDU = 3,38 % THD I =,8 % THD U =,4 % THD I =,7 % 0 km 60 km 0 km Graf č. 3.9. Časové priebey napätí a prúdov nameranýc na modeli 0 kv vedenia bez pasívnyc filtrov, s pasívnymi filtrami 3. a 5. armonickej prúdu Po overení správnej funkčnosti filtrov, boli oba pasívne filtre spolu pripojené k modelu 0 kv vedenia podľa scémy na obr. 3.7. Na konci vedenia bol činiteľ THD I po pripojení pasívnyc filtrov zredukovaný z,7 % na %. Časový priebe prúdu bol rovnakéo tvaru po celej dĺžke vedenia (graf č 3.9) Činiteľ celkovéo armonickéo skreslenia THD U mal na konci vedenia odnotu 8,3 % a pozdĺž vedenia smerom k zdroju napätia jeo odnota klesala, ale v strede modelu vedenia nastala paralelná rezonancia 5. armonickej a preto činiteľ THD U mal väčšiu odnotu ako na konci vedenia. THD U = 8,3 % THD I =,05 % Pasívnymi filtrami tiekol pomerne veľký prúd základnej armonickej I = 40 ma. Na konci modelu vedenia mal účinník po pripojení pasívnyc filtrov odnotu cos φ = 0,7 kapacitnéo carakteru. Pozdĺž vedenia smerom k zdroju napätia sa však jeo odnota -45-
zväčšovala vplyvom veľkej indukčnosti vedenia a na začiatku vedenia dosiaol účinník základnej armonickej odnotu cos φ = 0,957 indukčnéo carakteru. I (%) 00 THD I =,05 %, THD U = 8,3 % 0 0, Graf č. 3.0. Harmonická analýza prúdu na konci modelu 0 kv vedenia s použitím pasívnyc filtrov pre 3. a 5. armonickú prúdu Ďalšie armonické analýzy merané na modeli 0 kv vedenia s p oužitím pasívnyc filtrov pre 3. a 5. armonickú sa nacádzajú v príloe č. 4. (-) 3..4 Aplikácia navrnutýc pasívnyc filtrov na model 0 kv vedenia zaťažený nelineárnou záťažou na 60 km a rezistorom na 0 km L 0 km 60 km 0 km R Z N Model vedenia 0 kv D D3 BK-Elcom D D4 C R R 3 R 5 L 3 L 5 C 3 C 5 Obr. 3.9. Scéma zapojenia pre meranie šírenia armonickýc prúdu a napätia na modeli vedenia 0kV s použitím filtrov pre 3. a 5. armonickú prúdu Toto meranie nadväzuje na meranie v kapitole..8 (Meranie šírenia armonickýc zložiek prúdu a napätia na modeli vedenia zaťaženom nelineárnou záťažou na 60 km a rezistorom na 0 km). Pri tomto meraní bol tiež na koniec vedenia umiestnený rezistor R = 390 Ω (približne vlnová impedancia), ktorý predstavoval odberateľa s lineárnym odberom prúdu. Model -46-
nelineárnej záťaže a pasívne filtre tretej a piatej armonickej prúdu boli pripojené do stredu vedenia (na 60 km). Hlavným účelom toto merania bolo zistiť, do akej miery sa dajú odstrániť armonické zložky napätia a prúdu, aby záťaž s lineárnou V-A carakteristikou nebola vplyvom nelineárnej záťaže v strede vedenia napájaná s výrazne nearmonickým napätím, a tým nútená odoberať nearmonický prúd. Scéma zapojenia merania sa nacádza na obr. 3.9 a časové priebey prúdu a napätia pozdĺž vedenia sú v grafe č. 3.. u = f(t) i = f(t) THD U =,6 % THD I = 6 % THD U = 9,86 % THD I = 8,4 % THD U = 9,4 % THD I = 8,96 % u = f(t) i = f(t) THD U = 3,34 % THD I = 4,3 % THD U = 7,49 % THD I = 6,73 % THD U = 7,3 % THD I = 7,4 % 0 km 0 km 60 km Graf č. 3.. Časové priebey napätí a prúdov nameranýc na modeli 0 kv vedenia bez pasívnyc filtrov, s pasívnymi filtrami 3. a 5. armonickej prúdu Pomocou pasívnyc filtrov 3. a 5. armonickej prúdu sa podaril činiteľ celkovéo armonickéo skreslenia prúdu THD I v strede vedenia znížiť z odnoty 8,4 % na 6,73 % a následne aj činiteľ THD U z 9,86 % na 7,49 %. Teda lineárna záťaž na konci vedenia už nebola napájaná napätím s činiteľom THD U = 9,4 %, ale napätím s THD U = 7,3 %. Keďže záťaž b ola lineárna, precádzal ňou prúd rovnakéo tvaru akým napätím bola napájaná (THD I = 7,4 %). V praxi to znamená, že odberateľovi s lineárnou V-A carakteristikou, kto rý sa nacádza v elektrizačnej sústave za odberateľom, ktorý svojim výrazným nearmonickým odberom prúdu deformuje napätie, sa dá pomocou vodnej aplikácie pasívnyc filtrov znížiť THD U jeo napájacieo napätia pod 8 %, čo je maximálna dovolená odnota stanovená normou [8]. -47-
Elektrotecnická fakulta ŽU I (%) Diplomová práca I (%) THDI = 6 % 00 00 0 0 KVES THDI = 4,3 % 0, 0, (-) (-) Graf č. 3.. Harmonické analýzy prúdov (0 km) I (%) I (%) THDI = 8,4 % 00 00 0 0 THDI = 6,73 % 0, 0, (-) (-) Graf č. 3.3. Harmonické analýzy prúdov (60 km) I (%) THDI = 8,96% 00 I (%) 00 0 0 THDI = 7,4 % 0, 0, (-) (-) Graf č. 3.4. Harmonické analýzy prúdov (0 km) bez pasívnyc filtrov, s pasívnymi filtrami 3. a 5. armonickej prúdu Aplikáciou pasívnyc filtrov na model 0 kv vedenia sa podarilo dosianuť potlačenie armonickýc prúdu a následne aj armonickýc napätia. Filtrami tiekol pomerne veľký prúd základnej armonickej, ktorý by sa dal znížiť väčšou indukčnosťou cievky, čo by si vyžiadalo aj zmenšenie kapacity kondenzátora, a tým by sa zvýšila celková impedancia rezonančnéo obvodu pre základnú armonickú. Ďalej by sa dal prúd základnej armonickej obmedziť zaradením prídavnéo odporu do sériovéo rezonančnéo obvodu, čo však nie je ideálne riešenie, pretože by sa znížil činiteľ akosti filtra, čím by sa rozšírilo pásmo priepustnosti. -48-
Pre každú frekvenciu existuje nekoneč né množstvo LC párov s rovnakou rezonančnou frekvenciou. Hodnota kapacity kondenzátora určuje dostupnú kompenzáciu jalovéo výkonu (ktorá samozrejme nemôže byť nulová). Tým je ponecané armonické správanie na cievke. Vodným riešením, ktoré je zobrazené na obr. 3.0, je zoskupiť filtre do malýc skupín a zapínať ic individuálne tak, aby pokryli potrebnú kompenzáciu jalovéo výkonu, ako je tomu u riadenýc kompenzátorov. Tým sa môže zvážiť, či má dôjsť k vypnutiu filtrov armonickýc, keď nie je nutné toľko kompenzovať jalový výkon. Napriek tomu, že sa nejedná o ideálne riešenie s finančnéo ľadiska je veľmi efektívne. U tejto metódy je však nutné sa uistiť, že vypnutie prebiea zora nadol (na obr 3.0 sprava doľava ), inak môže jeden z filtračnýc obvodov pre vyššie frekvencie rezonovať s induktívnym sieťovým prvkom pri niektorej z armonickýc nižšej frekvencie. f o = 83,3 Hz R 3 R 5 R 7 R 9 R 3 R5 R7 R 9 L 3 C 3 L 5 C 5 L 7 C 7 L 9 C 9 L 3 C 3 L 5 C 5 L 7 C 7 L 9 C 9 f o = 50 Hz, 50 Hz, 350 Hz, 450 Hz Obr. 3.0. Kombinácia filtrov Obr. 3.. Kombinácia filtrov so zádržou pre zabránenie straty signálu HDO Niektoré energetické podniky využívajú akustické frekvencie (HDO) k ovládaniu napríklad uličnéo osvetlenia, nočnéo vykurovania skladov, dvojtarifnýc elektromerov a pre ďalšie systémy riadenie záťaže v elektrizačnej sústave. Je nutné dať pozor, aby nedošlo ku odfiltrovaniu signálu HDO pasívnym filtrom a tým k ic nefunkčnosti. Čím bližšie je frekvencia signálu HDO k rezonančnej frekvencii filtračnéo obvodu, tým nižšia je impedancia toto obvodu pre signál HDO. Podľa [] keď je inštalácia napájaná zo samostatnéo transformátora, pripojovacia indukčnosť môže byť dostatočne vysoká, aby zaistila nenarušenie frekvencií signálu HDO. Inak môže byť nutné inštalovať paralelný LC zádržný filter vyladený na frekvenciu signálu HDO, ako je znázornené na Obr. 3.. V praxi je inštalácia pasívnyc filtrov do elektrizačnej sústavy stále veľmi rozšírená. Potlačenie dominantnýc armonickýc spoločne s kompenzáciou základnéo jalovéo -49-
výkonu vyžadujú len veľmi málo úsilia a prostriedkov. Navyše väčšina dnešnýc kompenzátorov jalovéo výkonu zarňuje aj crániace cievky, takže v týcto systémoc sa vo veľa prípadoc precádza na naladenie rezonančnej frekvencie. Riziko preťaženia filtrov pri rezonancii niektorej armonickej nie je až také vysoké, ako sa všeobecne predpokladá. Je však nutné inštalovať istú rezervu. To by ale nemalo predstavovať problém, pretože prínosom je lepší filtračný efekt a lepšia energetická účinnosť pri veľmi nízkyc dodatočnýc nákladoc. -50-
4 Príprava laboratórneo merania na modeli 0 kv vedenia, obsaujúceo problematiku šírenia armonickýc s následnou možnosťou ic potlačenia. Cieľom tejto časti diplomovej práce je oboznámiť študentov s meraním spektra armonickýc pomocou analyzátora BK-Elcom. Meranie je rozdelené na dve časti a prebiea na modeli 0 kv vedenia v laboratóriu katedry KVES. V prvej časti sa meria šírenie armonickýc napätia a prúdu pozdĺž vedenia a druá časť pozostáva z návru sériovýc rezonančnýc filtrov a ic pripojenia na model 0 kv vedenia. 4. Nastavenia analyzátora BK-Elcom pre meranie na modeli 0 kv vedenia Po zapnutí sieťovéo vypínača sa po krátkej dobe objaví pracovná ploca operačnéo systém u Windows XP. Analyzátor sa do módu merania spustí prostredníctvom ikony na pracovnej ploce označenej BK measure. Po stlačení sa zobrazí lavný panel analyzátora so základnými informáciami o nastavení prístroja (obr. 4.). Obr. 4.. Hlavný panel analyzátora so základnými informáciami o nastavení prístroja Po stlačení tlačidla Užívateľ / Projekt sa zobrazí panel ktorý umožňuje: vytvoriť v databáze novéo užívateľa: Pridaj užívateľa, zmazať z databázy užívateľa: Zmaž užívateľa, pridať užívateľovi v databáze nový projekt: Pridaj projekt, -5-
zmazať z databázy projekt: Zmaž projekt. Po zadaní užívateľa, napríklad: Študent a zadaní projektu, napríklad: Meranie armonickýc, je potrebné stlačiť tlačidlo Späť. Príprava analyzátora k meraniu pokračuje voľbou zapojenia, voľbou meracíc rozsaov napäťovýc a prúdovýc vstupov a nastavením jednotlivýc modulov. Do tejto časti sa užívateľ dostane tlačidlom Nastavenia. Následne sa zobrazí panel aktuálneo nastavenia analyzátora. Obr. 4.. Panel aktuálneo nastavenia analyzátora Voľba zapojenia odpovedajúceo žiadanému spôsobu merania sa robí po stlačení tlačidla Zapojenie. Voľba spôsobu zapojenia analyzátora na meranie umožňuje zvoliť niektorý z ôsmic základnýc spôsobov merania: 3xU f + 3xI f + N trojfázové meranie, meria sa: tri fázové napätia a tri prúdy +N vodič, 3xU f + 3xI f trojfázové meranie, meria sa: tri fázové napätia a tri prúdy, 3xU s + 3xI s trojfázové meranie, meria sa: tri združené napätia a tri prúdy, 3xU f + xi f trojfázové meranie, meria sa: tri združené napätia a dva prúdy, tretí prúd sa dopočítava, xu s + xi s trojfázové meranie, meria sa: dve združené napätia a dva prúdy, xu f + xi f jednofázové meranie, 3xU f + 3xI f Y/D trojfázové meranie, meria sa: tri fázové napätia a tri prúdy, pre analýzu podľa [] sa napätie prepočítava na združené, 3xU f +3xI f Y/D+N trojfázové meranie, meria sa: tri fázové napätia a tri prúdy + N vodič, pre analýzu podľa [] sa napätie prepočítava na združené. -5-
Pre meranie armonickýc na modeli 0 kv vedenia je potrebné zvoliť zapojenie: xuf + xif jednofázové meranie. Späť do panelu Nastavenia sa užívateľ dostane tlačidlom Späť na pravej lište tlačidiel. Po voľbe spôsobu zapojenia analyzátora pokračuje príprava k meraniu voľbou meracíc rozsaov a konštánt stlačením tlačidla Rozsay v paneli Nastavenie. Obr. 4.3. Nastavenie meracíc rozsaov analyzátora Stlačením políčka s označením Prúd sa zobrazí zoznam prúdovýc klieští z ktoréo vyberieme typ MN7 5A. Následne prúdové kliešte s týmto označením pripojíme do konektora I. V políčku Napätie ponecáme odnotu 50 V a prepočítavacie konštanty KU a KI nastavíme na odnotu,00. Týmto je nastavenie analyzátora pre meranie okamžitéo spektra armonickýc na modeli vedenia kompletné. Stlačením tlačidla Späť sa dostaneme na lavný panel analyzátora. 4. Meranie spektra armonickýc pomocou analyzátora BK-Elcom Po nastavení analyzátora stlačíme Štart merania na lavnom panely analyzátora. Následne sa do sekcie merania spektra armonickýc dostaneme stlačením tlačidla FFT v spodnej lište. Analyzátor robí spektrálnu analýzu meranýc napätí a prúdov metódou diskrétnej Fourrierovej transformácie do 50. armonickej na všetkýc a prúdoc súčasne a umožňuje zobrazenie v percentác pomocou stĺpcovýc diagramov. Základný krok v spektre armonickýc je 50 Hz (päťdesiat čiar rozsa 0 500 Hz). Na pravej lište sa dá zvoliť, ktorá veličina má byť v podobe spektra zobrazená v grafe a pre ktorú fázu. -53-
Po stlačení tlačidla Harm sa dá zvoliť, pre ktorú armonickú majú byť zobrazené ďalšie vypočítané odnoty v priestore pod grafom, ktoré sú označené indexom i. Analyzátor armonickýc umožňuje rozlíšiť smer toku činnéo výkonu na zvolenej armonickej pomocou znamienka: záporná odnota odpovedá fázovému posunu medzi napätím a prúdom väčšiemu ako deväťdesiat stupňov. Ďalej umožňuje rozlíšiť carakter jalovéo výkonu na zvolenej armonickej znamienkom: záporná odnota odpovedá kapacitnému carakteru Stlačením tlačidla Tlač je vyvolaný panel, v ktorom sa dá zvoliť tlač buď na aktuálnej tlačiarni (tlačidlo Tlač) alebo tlač do súboru (tlačidlo Tlač do BMP). V prípade tlače do súboru bmp sa tento súbor uloží do podadresára _PRINT_OUTS v aktuálnom dátovom adresári. Obr. 4.4. Panel analyzátora armonickýc Obr. 4.5. Panel osciloskopu -54-