Mateusz Pietrzyk

Stały rozwój techniki sprawia, że w życiu codziennym poza wieloma ułatwieniami, musimy również stawić czoło problemom, z którymi wcześniej się nie spotykaliśmy.  Nie inaczej jest w sektorze elektroenergetyki. Wprowadzenie wciąż rosnącej liczby nowoczesnych urządzeń elektrycznych powoduje wzrost niepożądanych zjawisk związanych z sieciami elektrycznymi.

Urządzenia takie w znaczącej większości mają nieliniową charakterystykę prądowo-napięciową. Są to tak zwane odbiorniki nieliniowe. W swojej budowie zawierają układy, które pobierają prąd sieciowy, czyli taki o przebiegu sinusoidalnym o częstotliwości 50 Hz, następnie przetwarzają go na potrzeby urządzenia. W wyniku takich działań w naszej sieci elektrycznej poza prądem o częstotliwości podstawowej 50 Hz pojawiają się również przebiegi prądu o innych częstotliwościach. Prądy takie nazywamy wyższymi harmonicznymi i w negatywny sposób wpływają one na ostateczny przebieg prądu oraz napięcia w sieci elektrycznej.

W związku z występowaniem wyższych harmonicznych, możemy spotkać się z wieloma niepożądanymi zjawiskami, które wpływają nie tylko na urządzania zainstalowane w naszej sieci, ale także na nasze bezpieczeństwo. Jednym z najbardziej niebezpiecznych problemów spowodowanych występowaniem wyższych harmonicznych jest nadmierne nagrzewanie się przewodów, co  spowodowane jest faktem, iż przez przekrój przewodu poza składową podstawową prądu przepływają również prądy harmoniczne. W rzeczywistości przewód jest obciążony w znacznie większym stopniu niż to zakładano projektując instalacje. Wysoka temperatura może spowodować uszkodzenia izolacji, a w skrajnym przypadku nawet zapalenie się materiałów znajdujących się w pobliżu takiego przewodu. Innym zagrożeniem pojawiającym się podczas występowania harmonicznych w sieci elektrycznej jest niepożądane wyzwalania aparatów ochronnych. Znacznie obniża to pewność zasilania co w wielu obiektach jest kluczowe. Wyłączenie instalacji mogą spowodować straty w produkcji oraz w niektórych obiektach konieczność stosowania rezerwowych systemów zasilania. Nikt z nas nie chce doświadczyć wyłączenia zasilania w sytuacji, gdy jest nam ono niezbędne. Często obserwowana jest również skrócona żywotność urządzeń zasilanych z sieci o wysokim poziomie harmonicznych. Duża część urządzeń elektrycznych jest szczególnie wrażliwa na takie zjawiska. Jednym z przykładów takiego urządzenia może być tomograf, który do prawidłowego działania wymaga wysokiej jakości energii. Składowa harmoniczna rzędu 3 i jej wielokrotności sumują się w przewodzie neutralnym i przez przewód ten przepływa bardzo duży prąd, który w konsekwencji doprowadzić może do uszkodzenia przewodu, co stwarza duże niebezpieczeństwo dla odbiorników jednofazowych. Wysoki poziom harmonicznych wpływa również na nadmierne nagrzewanie się transformatora oraz obniżenie jego żywotności, a także ogranicza wykorzystanie jego mocy. Przy niskiej jakości energii obserwowany jest również wysoki poziom mocy biernej.

Za jakość energii w pierwszej kolejności odpowiedzialny jest nasz dostawca energii, na którego nałożone są wymagania zapisane w normie PN-EN 50160. Warto zauważyć jednak, że w większości przypadków to użytkownicy odpowiedzialni są za wprowadzanie do sieci zakłóceń harmonicznych. Po rozmowie z działem technicznym naszego dostawcy energii bardzo często otrzymamy odpowiedź, że dostarczana do nas energia spełnia zapisy normy. W takiej sytuacji należy przeprowadzić pomiary oraz analizę jakości energii po stronie odbiorcy. Na rynku istnieje wiele firm zajmujących się analizą jakości energii, jednak należy pamiętać o tym żeby pomiar został przeprowadzony w odpowiedni sposób. Co to oznacza w rzeczywistości? Poprawnie przeprowadzona analiza jakości energii w budynku powinna zawierać następujące kroki:

Analiza wykresu napięcia

W tym punkcie należy zwrócić uwagę na ewentualne zapady napięcia oraz ogólny kształt przebiegu. Zgodnie zapisami normy PN-EN 50160 wartości napięcia powinny zawierać się w przedziale ±10% U_n. Na rysunku 1 możemy zobaczyć przykładowy przebieg napięcia zarejestrowany podczas przeprowadzania pomiarów. Na podstawie tych danych można wywnioskować, że przebieg napięcia spełnia zapisy zawarte w normie.

Analiza częstotliwości

W przypadku analizy częstotliwości norma mówi, że 100% wartości musi zawierać się w przedziale -6%/+4% wartości nominalnej. W przypadku naszego kraju nominalna wartość częstotliwości w sieci wynosi 50 Hz, zatem musi się ona zawierać w przedziale 47 – 52 Hz. Poniżej (rysunek 2) przedstawiono wyniki pomiarów częstotliwości. Możemy zauważyć, że podobnie jak w przypadku napięcia tu również spełnione są wymagania normy PN-EN 50160.

Wskaźnik migotania długookresowego

Wskaźnik, który bardzo często pomijany jest podczas analiz jakości energii. Jest on związany w chwilowymi zapadami napięcia, a jego zbyt wysoka wartość negatywnie wpływa nie tylko na pracę urządzeń w sieci, ale przede wszystkim na nasze samopoczucie. Gdy parametr nie spełnia zapisów normy (<1% dla 95% zmierzonych wartości) możemy zaobserwować dolegliwości takie jak ból głowy, problemy z koncentracją, pogorszenie widzenia.

Moc bierna

W przypadku tego parametru nie ma zapisów normy, które mówiłyby o maksymalnym poziomie mocy biernej w sieci. Dostawcy energii elektrycznej określają w umowie poziom mocy biernej, po przekroczeniu, którego naliczać będą dodatkowe koszty za jej generowanie. To mu jako użytkownicy jesteśmy obciążani tymi opłatami. Warto więc wykonać analizę i sprawdzić, w jaki sposób możemy obniżyć wartość tego parametru.

Wyższe harmoniczne

W ten sposób dochodzimy to jednego z bardziej niebezpiecznych parametrów w naszej sieci. Tak jak opisano we wcześniejszej części artykułu to wyższe harmoniczne w dużej części wywołują wiele problemów, z którymi musimy borykać się w naszych sieciach. Na rysunkach 3 i 4 zobaczyć możemy poziom harmonicznych w prądzie oraz napięciu zarejestrowany podczas pomiarów trwających około tygodnia. Jak widzimy na rysunku 3 poziom harmonicznych w napięciu mieści się w zakresie opisanym w normie PN-EN 50160. W przypadku wyższych harmonicznych w prądzie (rysunek 4) sytuacja wygląda nieco inaczej. Już na pierwszy rzut oka widzimy, że niektóre harmoniczne (2,3,5,7,9) są znacznie wyższe niż pozostałe. Jest to wywołane zainstalowanymi odbiornikami, które generują prąd harmoniczny do naszej sieci. W przedstawionym przypadku należy rozważyć zainstalowanie filtrów w celu obniżenia poziomu harmonicznych oraz poprawienia jakości energii.

Pozostałe parametry

Przedstawione powyżej parametry nie są wszystkimi, które możemy sprawdzić podczas analizy jakości energii, jednak stanowią one podstawę, od której należy rozpocząć. Innymi parametrami mogą być np. asymetria napięcia, współczynnik mocy czy prąd skuteczny. Dzięki tak wykonanej analizie może wyciągnąć wnioski na temat jakości naszej energii i podjąć odpowiednie czynności, aby ją poprawić gdy uznamy, że jest to konieczne.

Jednym z rozwiązań stale rosnącym na popularności są aktywne filtry harmonicznych. Są one bardzo skuteczne dzięki swojej budowie, która w dużym uproszczeniu zawiera moduły mocy oraz elektronikę pomiarowo-sterującą. Zadaniem takiego filtra jest w sposób ciągły monitorowanie poziomu wyższych harmonicznych w sieci przy użyciu przekładników pomiarowych oraz ich kompensacja. Uzyskiwana jest ona poprzez wprowadzenie do sieci przebiegów prądu o odpowiednich parametrach, aby wyeliminować zakłócenia i sprawić, aby rzeczywisty przebieg prądu był jak najbardziej zbliżony do sinusoidy. Dzięki temu prąd o wysokim poziomie harmonicznych zamyka się w obwodzie odbiornik-filtr i nie wpływa negatywnie na pozostałe urządzenia. Przy doborze aktywnego filtra harmonicznych kluczowe jest prawidłowe wykonanie pomiarów. Ważne jest, aby w tym celu stosować analizatory parametrów sieci o wysokiej klasie. Niemniej ważne jest dobranie odpowiedniego czasu wykonywania pomiarów. Dane pomiarowe należy zbierać w czasie, gdy nasza sieć jest mocno obciążona. Najczęściej za okres pomiarów przyjmuje się od kilku do kilkunastu dni, tak aby podczas analizy danych można było znaleźć najbardziej skrajne wartości poszczególnych parametrów. Sam filtr również dobierany jest do najwyższych wartości, tak aby nie zabrakło nam mocy na kompensację wyższych harmonicznych w czasie maksymalnych obciążeń.

Innym równie popularnym rozwiązaniem są aktywne kompensatory mocy biernej. Urządzenia typu SVG (Static VAr Generator) podobnie jak aktywne filtry harmonicznych w sposób ciągły monitorują naszą sieć za pomocą przekładników, dostosowując swoją moc kompensacji do aktualnego poziomu mocy biernej. Niektóre aktywne kompensatory mają również możliwość kompensacji kilku podstawowych częstotliwości prądów harmonicznych. Mogą one być stosowane jako nieco budżetowe rozwiązanie w przypadku, gdy nie jest wymagana kompensacja harmonicznych wyższych rzędów.

Podsumowując rozważania przedstawione w artykule chciałbym zaznaczyć, że problem związany z niską jakością energii jest bardzo powszechny i nie należy go bagatelizować. Zła jakość energii to nie tylko występowanie mocy biernej, ale przede wszystkim wyższe harmoniczne, które w znaczący sposób wpływają na nasze bezpieczeństwo. Gdy więc obserwujemy niepokojące nas zjawiska występujące w naszej sieci należy rozważyć wykonanie analizy jakości energii w celu zbadania ich źródła i doboru rozwiązania, które poprawi nasze bezpieczeństwo.