Jakość energii elektrycznej – parametry, źródła i objawy złej jakości, pomiary

Jakość energii elektrycznej – parametry, źródła i pomiary Adobe Stock – genA
20.9.2023

Większość zakłóceń związanych z nieodpowiednią jakością energii elektrycznej ma swoje źródło w sieci użytkowników końcowych. To tutaj, w miejscach, gdzie energia elektryczna spełnia nasze codzienne potrzeby, często pojawiają się problemy.

W dzisiejszym środowisku biznesowym, gdzie energia elektryczna stanowi podstawę działalności wielu przedsiębiorstw, kwestia jakości dostarczanej energii nabiera ogromnego znaczenia. Wraz z rosnącym stopniem automatyzacji firm i coraz większym uzależnieniem od zaawansowanych systemów sterowania urządzeniami, które wiążą się z jakością energii, zyskują coraz większe znaczenie. Współczesne przedsiębiorstwa opierają się na technologiach, które wymagają nie tylko ciągłego zasilania, ale również stabilnego i pozbawionego zakłóceń źródła energii.

Warto podkreślić, że brak stabilności energetycznej może prowadzić do przestojów w produkcji i spadku wydajności oraz negatywnego wpływu na reputację firmy. Maszyny produkcyjne, urządzenia, systemy informatyczne oraz oświetlenie i klimatyzacja – każdy z tych elementów jest narażony na wpływ wszelkich odchyleń od oczekiwanej jakości napięcia zasilającego.

Jakość energii elektrycznej

Pojęcie jakości energii elektrycznej odnosi się do zgodności dostarczanego napięcia z modelem ideału, który opisuje sinusoidalną krzywą napięcia o częstotliwości znamionowej oraz wartości skutecznej odpowiadającej napięciu znamionowemu. Osiągnięcie tej idealnej jakości jest jednak rzadko możliwe w realnych warunkach. W praktyce jakość energii elektrycznej jest postrzegana jako satysfakcjonująca, kiedy odchylenia od wzorców nie wywierają istotnego wpływu na stabilną i efektywną pracę urządzeń oraz systemów.

Objawy złej jakości energii elektrycznej

Problemy wynikające z nieodpowiedniej jakości energii elektrycznej mogą przybierać różnorodne objawy oraz istotnie wpływać na działanie pojedynczych urządzeń i systemów. Zrozumienie tych sygnałów jest niezwykle istotne, bo umożliwia podjęcie w odpowiednim czasie działań, które mają na celu wyeliminowanie potencjalnych zagrożeń. 

Do charakterystycznych objawów, które mogą wskazywać na problemy z jakością dostarczanej energii elektrycznej, należą:

  • częste awarie lub nieprawidłowe działanie urządzeń zasilanych energią elektryczną,
  • nieoczekiwane zadziałanie zabezpieczeń nadprądowych,
  • podwyższone temperatury przewodów zasilających urządzenia,
  • naliczone na rachunku za dystrybucję energii opłaty za energię bierną,
  • sklejone styki styczników do załączania baterii kondensatorów, 
  • uszkodzone kondensatory w układzie baterii kondensatorów,
  • chwilowe zmiany jasności oświetlenia i zbyt częste uszkodzenia źródeł światła,
  • pojawiające się problemy z pracą układu pomiarowego lub sterowania,
  • hałas podczas pracy transformatora sieciowego mocy,
  • nieprawidłowa praca i uszkodzenia zasilaczy awaryjnych (UPS) i zasilaczy urządzeń informatycznych.

Rozpoznanie tych sygnałów może pomóc w identyfikacji źródła problemu oraz podjęciu odpowiednich działań naprawczych lub zapobiegawczych, które umożliwią poprawę jakości dostarczanej energii elektrycznej.

Źródła złej jakości energii

Źródła złej jakości energii elektrycznej mogą znajdować się zarówno w odbiornikach energii elektrycznej, jak i w samym systemie elektroenergetycznym. Szczególną rolę w grupie odbiorników pełnią urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne, ze względu na ich nieliniową charakterystykę prądowo-napięciową i coraz większą powszechność stosowania.

Współczesne technologie coraz częściej wykorzystują regulowane napędy elektryczne, tyrystorowe układy prostownicze i zasilacze impulsowe, które generują nieliniowe obciążenia sieci elektrycznej. Znacząco wpływać na jakość dostarczanej energii mogą lampy wyładowcze i oświetlenie LED, a także urządzenia przemysłowe, takie jak automaty spawalnicze, zgrzewarki, piece indukcyjne oraz łukowe. Powstałe w wyniku nieliniowej zależności pobieranego prądu od chwilowej wartości napięcia zakłócenia oraz fluktuacje mogą przyczyniać się do wygenerowania zakłóceń harmonicznych.

W kontekście systemu elektroenergetycznego, zła jakość energii może być spowodowana przez urządzenia służące do dystrybucji energii, np. przepięcia łączeniowe lub przepięcia powstałe wskutek wyładowań atmosferycznych.

Parametry energii elektrycznej

Przeprowadzając badania parametrów jakości energii, należy znać wymagania norm i standardów branżowych, które dotyczą parametrów napięcia, prądu, częstotliwości, odkształceń harmonicznych i innych istotnych wskaźników. Duże znaczenie w kontekście tych parametrów ma norma PN-EN 50160 „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych”. To właśnie w tym dokumencie zawarte są metody wyznaczania parametrów oraz graniczne odchylenia od wartości znamionowych. Poniżej zdefiniowano najbardziej istotne parametry, które podlegają procesom normalizacji, wraz z ich zaburzeniami oraz wpływem na pracę zasilanych urządzeń i systemów.

Częstotliwość napięcia zasilającego

Częstotliwość w systemie elektroenergetycznym jest stała, a jej znamionowa wartość wynosi 50 Hz. Odchylenia częstotliwości opisuje się jako względną różnicę między uśrednioną częstotliwością zmierzoną w określonym przedziale czasowym a wartością znamionową. Wahania częstotliwości wykraczające poza ustalone limity mogą być spowodowane awarią w systemie przesyłu energii. Duże wahania częstotliwości mogą negatywnie wpływać na wydajność maszyn wirujących, takich jak generatory i silniki elektryczne.

Napięcie zasilania

Napięcie jest najważniejszym parametrem w systemie energetycznym, który wpływa na jakość energii na kilka przedstawionych poniżej sposobów.

Przerwy w napięciu zasilania

Przerwy w zasilaniu to sytuacje, w których napięcie na złączu sieci elektroenergetycznej spada poniżej 1% napięcia znamionowego. Ten parametr określa obniżenie wartości napięcia zasilania poniżej poziomu określonego przez normę dla danego odbiorcy. Przerwa w zasilaniu może być definiowana także jako spadek napięcia do wartości bliskiej zeru w miejscu dostarczania energii elektrycznej.

Przerwy w zasilaniu klasyfikuje się ze względu na długość:

  • mikroprzerwy (przemijające) – trwają nie dłużej niż 1 s,
  • krótkie – trwają dłużej niż 1 s, ale nie dłużej niż 3 min,
  • długie – trwają powyżej 3 min i nie dłużej niż 12 godz.,
  • bardzo długie – trwają dłużej niż 12 godz., ale nie dłużej niż dobę,
  • katastrofalne – trwają powyżej 24 godziny.

Krótkotrwałe przerwy w zasilaniu mogą powodować trudności, np. podczas wykonywania czynności wsadowych lub w produkcji półprzewodników. Długotrwałe przerwy stanowią problem dla większości użytkowników. Nagła przerwa w dostawie energii może przyczynić się strat w procesach produkcyjnych, utraty danych elektronicznych, zakłóceń w funkcjonowaniu urządzeń medycznych oraz nieprawidłowego działania systemów zabezpieczeń.

Wahania napięcia

Wahania napięcia definiuje się jako serię zmian wartości skutecznej lub obwiedni przebiegu czasowego napięcia, których wielkość nie powinny przekraczać ±10% napięcia znamionowego sieci.

Głównym źródłem powstania wahań napięcia są urządzenia ze zmienną w czasie mocą bierną. Należą do nich duże silniki, napędy walcowni i piece łukowe. Różnice w napięciu zasilającym mogą powstać także podczas procesów łączeniowych baterii i kondensatorów oraz w trakcie rozruchu silników asynchronicznych, załączenia spawarek elektrycznych, pomp, wind lub dźwigów itp. Wahania napięcia mogą powodować nieprawidłowości w pracy układów stycznikowo-przekaźnikowych i niepożądane wyzwalanie zasilaczy UPS, aby przełączyć się w tryb zasilania z akumulatora. Mogą również wywołać wiele nieprawidłowości o charakterze techniczno-technologicznym oraz przyczynić się do wcześniejszego zużycia wirników silników i prądnic synchronicznych.

Asymetria napięcia zasilającego

Asymetria napięć zasilających dotyczy nierównomierności pomiędzy wartościami skutecznymi napięć fazowych lub kątami przesunięcia między kolejnymi fazami. W przypadku układów trójfazowych mówimy o asymetrii napięcia, gdy wartości skuteczne trzech napięć fazowych nie są jednakowe i/lub kąty przesunięć między nimi różnią się od 120°.

Źródła różnicy wartości skutecznej napięć fazowych lub kątów mogą wynikać m.in. z nieprawidłowego działania urządzeń, różnicy w budowie wewnętrznej transformatorów mocy lub generatorów. Asymetria napięcia może prowadzić do asymetrii prądu zasilania, co jest szczególnie zauważalne podczas zasilania silników indukcyjnych. Składowa przeciwna asymetrii napięcia wpływa na powstanie w silniku pola magnetycznego o przeciwnym kierunku, co powoduje zwiększenie temperatury uzwojeń silnika i w konsekwencji jego przeciążenie. Ponadto asymetria ma negatywny wpływ na działanie trójfazowych prostowników i przetwornic częstotliwości.

Zapad napięcia

Zapad napięcia to nagłe zmniejszenie napięcia zasilającego poniżej określonego poziomu –10% lub rzadziej –15%, a następnie powrót do wartości początkowej lub wartości do niej zbliżonej. Czas trwania zapadu definiowany jest na ogół jako przedział od 10 ms do 1 s. Głębokość zapadu napięcia określana jest jako różnica między minimalną wartością skuteczną w czasie zapadu a napięciem znamionowym.

Typowymi źródłami zapadów napięcia są rozruchy dużych silników indukcyjnych i zwarcia w sieciach przesyłających energię. Zapady mogą pojawić się także podczas przeciążenia obwodów oraz nieprawidłowego zadziałania przełączników w trakcie załączania odbiorników, które charakteryzują się dużym poborem prądu podczas rozruchu (np. piece łukowe).

Przepięcia napięciowe

Przepięcia napięcia, znane również jako zakłócenia przepięciowe, to nagłe i krótkotrwałe wzrosty napięcia powyżej 110% napięcia znamionowego.

Źródłem ich powstania mogą być wyładowania atmosferyczne, zwarcia, przełączenia obwodów lub inne zakłócenia w sieci. Ponadto przepięcia napięcia mogą pojawić się podczas podłączania baterii kondensatorów lub odłączania dużego obciążenia o charakterze indukcyjnym. Wzrost napięcia prowadzi także do nieprawidłowego działania urządzeń i chwilowego zwiększania natężenia oświetlenia. W przypadku pojawienia się wysokiego przepięcia istnieje ryzyko uszkodzenia urządzeń elektrycznych.

Stany nieustalone

Stany nieustalone (przejściowe) odnoszą się do chwilowych zmian napięcia lub prądu, które mają miejsce w bardzo krótkim czasie, zwykle trwającym mikrosekundy. Chociaż to stan niepożądany, jest praktycznie nieunikniony w realnych układach sterowania.

Wywołać stany przejściowe może wiele czynników, w tym wyładowania atmosferyczne, włączanie się obciążeń o charakterze indukcyjnym, a także „otwieranie” i „zamykanie się” obwodów pod napięciem. Nawet włączanie transformatorów do sieci elektroenergetycznej może spowodować tego rodzaju zjawiska. Nieustalone stany mogą pojawić się także w wyniku słabych lub luźnych połączeń w systemie dystrybucji energii. Intensywna aktywność stanów przejściowych może skutkować m.in. degradacją powierzchni stykowych przełączników, izolatorów oraz wyłączników. Warto uwzględnić te stany w analizie parametrów jakości energii elektrycznej, ponieważ mogą mieć istotny wpływ na działanie urządzeń elektrycznych.

Migotanie światła

Jest to wrażenie nieprzyjemnego postrzegania wzrokowego wywołane niestabilnym bodźcem świetlnym, którego luminancja lub rozkład widmowy światła szybko ulega zmianom. Bezpośrednio wiąże się to z wahaniami napięcia zasilania. Poziom dyskomfortu spowodowanego migotaniem światła wyznaczany jest metodą pomiarową i określany za pomocą współczynników. Główną przyczyną wahań napięcia jest szybkie przełączanie się procesów przemysłowych i urządzeń elektrycznych podłączonych do sieci zasilającej. Migotanie może być również spowodowane słabą jakością złącz w rozdzielni elektrycznej lub w obwodzie zasilania opraw. Wpływ migotania oświetlenia jest bardzo uciążliwy i niekorzystny dla ludzi, powoduje powstanie uczucia zmęczenia, zawroty głowy oraz ogólne złe samopoczucie.

Harmoniczne prądu i napięcia

Współcześnie coraz powszechniej w przemyśle stosuje się urządzenia oraz układy elektroenergetyczne, które pobierają prąd o charakterze niesinusoidalnym. Taki prąd generuje spadki napięcia na podłączonych urządzeniach, co w konsekwencji prowadzi do zniekształcenia pierwotnego, sinusoidalnego napięcia zasilającego. Zniekształcone napięcie i prąd powodują powstanie tzw. wyższych harmonicznych, zarówno napięcia, jak i prądu.

Harmoniczne prądy powstają w wyniku działania różnych urządzeń elektrycznych, takich jak falowniki, regulatory wentylatorów, świetlówki kompaktowe, lampy LED, zasilacze impulsowe, piece łukowe, spawarki, prostowniki, czy silniki szczotkowe prądu stałego. Przepływ prądów o zniekształconym kształcie fali ma istotny wpływ na funkcjonowanie różnych komponentów w sieci elektrycznej.

Dalsze harmoniczne napięcia powodują straty mocy czynnej w transformatorach i kablach elektroenergetycznych, wzrasta temperatura pracy zasilanych energią urządzeń oraz obniża się poziom mocy czynnej, która może być przez nie przesyłana. Mogą również wystąpić zakłócenia w sieci komunikacyjnej, błędy przy odczycie parametrów elektrycznych, niepożądane działania aparatury zabezpieczającej oraz przeciążenia baterii kondensatorów.

Współczynnik mocy cos φ

Współczynnik mocy jest miarą efektywnego wykorzystania energii w systemie elektrycznym prądu przemiennego. Wskazuje, w jaki sposób określone obciążenie wykorzystuje dostarczoną energię elektryczną do generowania mocy czynnej, która zamieniana jest na pracę użyteczną. Im wyższy współczynnik mocy, tym efektywniejsze jest wykorzystanie dostępnej mocy. Wartość idealna współczynnika mocy wynosi 1, co oznacza, że urządzenie zużywa całą dostarczoną przez źródło energię, nie powodując strat.

Współczynnik mocy ma zakres wartości z przedziału (0–1). Niski współczynnik mocy oznacza, że do wygenerowania wymaganej mocy użytecznej potrzebna jest większa moc pozorna, a tym samym większy przepływ prądu. Aby poradzić sobie w sobie z wyższymi prądami, które wynikają ze zbyt niskiego współczynnika mocy, konieczne może się okazać zwiększenie przekroju przewodów, obciążenia przełączników, wyłączników i pojemności transformatorów.

Większość odbiorników energii elektrycznej ma charakter indukcyjny, co powoduje większe zapotrzebowanie na moc bierną, której przesyłanie wymusza zwiększenie natężenia prądu. Duży prąd, przy niskim współczynniku mocy powoduje większe spadki napięcia w silnikach, transformatorach i liniach dystrybucji energii. Prowadzi to do spadku napięcia po stronie zasilania i wymusza zastosowanie dodatkowych stabilizatorów napięcia, które przeciwdziałają spadkowi napięcia lub urządzeń poprawiających jakość energii FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems).

Najprostszym sposobem na poprawę współczynnika mocy jest przyłączenie baterii kondensatorów. W praktyce poprawa współczynnika jest bardzo istotna także z ekonomicznego punktu widzenia, ponieważ przekroczenie współczynnika mocy jest równoznaczne z naliczeniem przez operatorów sieci elektroenergetycznej dodatkowych opłat.

Pomiar jakości parametrów sieci

Podczas przeprowadzania pomiarów w obwodach nieliniowych, szczególną uwagę skupia się na badaniu napięć pod kątem ich wartości średnich, minimalnych, maksymalnych i chwilowych. Podobne analizy przeprowadza się w odniesieniu do natężenia prądów, których pomiary przeprowadza się, dokonując bezpośredniego pomiaru lub używając przekładników prądowych.

Przydatnymi danymi do analizy parametrów są również współczynniki szczytu dla prądu i napięcia, które określają stosunek wartości maksymalnej do wartości skutecznej (czyli efektywnej) prądu lub napięcia w określonym interwale czasowym. Ważny jest także pomiar częstotliwości napięcia, która powinna być zgodna z wartością znamionową (standardową) dla danej sieci elektroenergetycznej. Odchylenia od tej wartości mogą wskazywać na problemy w systemie elektroenergetycznym lub na działanie innych urządzeń w sieci, które wpływają na częstotliwość.

Istotne znaczenie ma również pomiar i analiza mocy czynnej, biernej, pozornej oraz odkształceń harmonicznych. Pomiar i analiza tych parametrów umożliwiają identyfikację różnych aspektów wykorzystania energii, takich jak wydajność energetyczna, reaktywność urządzeń oraz potencjalne problemy związane z zakłóceniami harmonicznymi. Ważnym elementem jest także rejestracja oraz określenie charakteru mocy – czy jest ona pojemnościowa, czy indukcyjna.

Niebagatelne znaczenie ma również określenie współczynnika mocy (cos φ, tg φ) oraz analiza przeciążenia transformatora, które często jest efektem oddziaływania prądów harmonicznych. Przeprowadza się również analizę prądów harmonicznych, a towarzyszy im monitorowanie współczynnika zniekształceń harmonicznych dla prądu i napięcia. Wielokrotnie mierzy się także wskaźnik krótkotrwałego i długotrwałego migotania światła. Ważne jest także zdefiniowanie asymetrii napięć i prądów. Rejestrowane są również wszelkie przepięcia, wahania, przerwy oraz zapady napięcia i prądu.

O Autorze

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę