O pomiarach jakości energii

Energia elektryczna jest produktem i jak każdy inny produkt powinna spełniać odpowiednie wymagania jakościowe. Prawidłowe działanie urządzeń elektrycznych wymaga, aby wartość napięcia zasilającego zawierała się w określonym przedziale wokół wartości znamionowej.

Znaczna część obecnie użytkowanych urządzeń elektrycznych, szczególnie elektronicznych i komputerowych, wymaga wysokiej jakości energii. Do głównych zjawisk związanych z jakością energii zalicza się:

• harmoniczne i inne odstępstwa od planowanej częstotliwości przemiennego napięcia zasilającego;
• fluktuacje napięcia, szczególnie te powodujące migotanie światła;
• zapady napięcia i krótkie przerwy;
• asymetria napięć w układzie trójfazowym;
• przepięcia, mające charakterystykę wysokiej częstotliwości.

Terminologię oraz parametry zjawisk związanych z jakością energii elektrycznej określa Polska Norma PN-EN 50160:1998 pod tytułem: „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych", stanowiąca implementację Normy Europejskiej EN 50160:1994'

 

Podstawowe parametry napięcia
Norma EN 50160 definiuje szereg parametrów napięcia. Najważniejszymi z nich są:

• napięcie zasilające: wartość skuteczna napięcia w określonej chwili w złączu sieci elektroenergetycznej, mierzona w określonym przedziale czasu;
• napięcie znamionowe sieci (Un): wartość napięcia określająca i identyfikująca sieć elektroenergetyczną, do której odniesione są pewne parametry charakteryzujące jej pracę;
• deklarowane napięcie zasilające (Uc): jest w normalnych warunkach równe napięciu znamionowemu Un sieci; jeżeli, w wyniku porozumienia między dostawcą a odbiorcą, w złączu sieci elektroenergetycznej występuje napięcie różniące się od znamionowego, wówczas to napięcie jest deklarowanym napięciem zasilającym Uc;
• normalne warunki pracy: stan pracy sieci rozdzielczej, w którym spełnione są wymagania dotyczące zapotrzebowania mocy, obejmujący operacje łączeniowe i eliminację zaburzeń przez automatyczny system zabezpieczeń przy równoczesnym braku wyjątkowych okoliczności spowodowanych wpływami zewnętrznymi lub czynnikami pozostającymi poza kontrolą dostawcy;
• zmiana wartości napięcia: zwiększenie lub zmniejszenie się wartości napięcia spowodowane zazwyczaj zmianą całkowitego obciążenia sieci rozdzielczej lub jej części;
• migotanie światła: wrażenie niestabilności postrzegania wzrokowego spowodowane przez bodziec świetlny, którego luminancja lub rozkład spektralny zmienia się w czasie;
• uciążliwość migotania światła: poziom dyskomfortu spowodowanego migotaniem światła, wyznaczony metodą pomiarową migotania UIE-IEC i określony za pomocą następujących wielkości:

• zapad napięcia zasilającego: nagłe zmniejszenie się napięcia zasilającego do wartości zawartej w przedziale od 90% do 1% napięcia deklarowanego Uc, po którym w krótkim czasie następuje wzrost napięcia do poprzedniej wartości; umownie czas trwania zapadu napięcia wynosi od 10 milisekund do 1 minuty; głębokość zapadu napięcia definiowana jest jako różnica między minimalną wartością skuteczną napięcia w czasie trwania zapadu a napięciem deklarowanym; zmiany napięcia zasilającego, które nie powodują obniżenia jego wartości poniżej 90% napięcia deklarowanego Uc, nie są uważane za zapady;
• przerwa w zasilaniu: stan, w którym napięcie w złączu sieci elektroenergetycznej jest mniejsze niż 1% napięcia deklarowanego Uc; przerwy w zasilaniu mogą być sklasyfikowane jako:

• przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej: o relatywnie długim czasie trwania, zwykle kilka okresów częstotliwości sieciowej, powodowane głównie przez operacje łączeniowe, nagłe zmniejszenie obciążenia lub eliminowanie zwarć;
• przepięcia przejściowe: krótkotrwałe, oscylacyjne lub nieoscylacyjne, zwykle silnie tłumione przepięcie trwające kilka milisekund lub krócej, zwykle powodowane wyładowaniami atmosferycznymi lub niektórymi operacjami łączeniowymi, na przykład wyłączeniem prądu indukcyjnego;
• harmoniczna napięcia: napięcie sinusoidalne o częstotliwości równej całkowitej krotności częstotliwości podstawowej napięcia zasilającego; harmoniczne napięcia mogą być określone:

• interharmoniczna napięcia: napięcie sinusoidalne o częstotliwości zawartej pomiędzy harmonicznymi, tj. o częstotliwości niebędącej całkowitą krotnością częstotliwości składowej podstawowej;
• niesymetria napięcia: stan, w którym wartości skuteczne napięć fazowych lub kąty fazowe między kolejnymi fazami w sieci trójfazowej nie są równe.

 

Dopuszczalne odchylenia parametrów
Zasadniczym dokumentem formułującym wymagania po stronie dostawcy jest norma EN 50160. Natomiast wielu odbiorców ma wyższe wymagania, tak aby poziom oddziaływań elektromagnetycznych na urządzenia był utrzymany poniżej pewnych wartości granicznych. Zagadnienia te zostały zebrane w serii norm EN 61000 dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Poniższe tabele 1 i 2 przedstawiają porównanie wymagań obu norm, ukazując znaczne różnice dla różnych parametrów.

 

Porównanie wymagań w stosunku do napięcia zasilającego według norm EN 50160 i IEC 60038

 

Wartości poszczególnych harmonicznych napięcia w złączu sieci elektroenergetycznej dla rzędów do 25, wyrażone w procentach Un

 

Pomiary realizowane w miernikach parametrów sieci energetycznej

Dostępne na rynku mierniki parametrów sieci energetycznej mierzą oprócz opisanych wyżej parametrów napięcia także inne wielkości charakteryzujące jakość energii. Są to m.in.:

• wartość skuteczna prądu i napięcia;
• moc czynna, bierna, pozorna;
• energia czynna, bierna, pozorna;
• częstotliwość;
• współczynniki mocy cosφ i tgφ;
• harmoniczne dla prądu i napięcia;
• współczynniki zawartości harmonicznych THD dla prądu i napięcia;
• moc czynna 15-minutowa.

Definicje wielkości pomiarowych

Częstotliwość prądu przemiennego: ilość zmian kierunku przepływu prądu w czasie jednej sekundy; jednostką częstotliwości jest herc [Hz]:  

gdzie: T – okres

W Polsce częstotliwość w sieci elektroenergetycznej wynosi 50 Hz, natomiast niektóre kraje stosują inną wartość częstotliwości i np. w Stanach Zjednoczonych wynosi ona 60 Hz.

Wymagania odnośnie do częstotliwości sieciowej są określone zarówno dla sieci niskiego napięcia, o napięciach deklarowanych do 1 kV, jak i sieci średniego napięcia zasilającego o napięciach deklarowanych do 35 kV. Miarą jakości częstotliwości jest jej wartość średnia mierzona w warunkach normalnej pracy w przedziale czasowym wynoszącym 10 sekund.

Moc czynna: oznaczana symbolem P – w układach prądu przemiennego (także zmiennego) stanowi część mocy pobieraną ze źródła i zamienianą przez odbiornik na ciepło lub pracę. W układach prądu stałego cała moc stanowi moc czynną. Jednostką mocy czynnej jest wat [W]. Definiujemy ją jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu oraz cosinusa kąta φ przesunięcia fazowego między napięciem i prądem.

Odbiorniki jednofazowe:  

gdzie: U, I oznaczają wartości skuteczne napięć i prądów przewodowych
cosφ – współczynnik mocy

Moc bierna: moc pobierana ze źródła przez układ w ciągu okresu przebiegu zmiennego, jest przez układ magazynowana w formie energii dynamicznej lub potencjalnej, a następnie w ciągu tego samego okresu oddawana z powrotem do źródła. Jednostka mocy biernej to var. Moc ta w znacznej mierze obciąża źródło prądu, co powoduje dodatkowe straty ciepła. Moc bierna jest równa iloczynowi wartości skutecznych napięcia i prądu oraz sinusa kąta przesunięcia fazowego między napięciem i prądem:

Odbiorniki jednofazowe:  

Moc pozorna: jest wyrażana w VA. Jest geometryczną sumą mocy pobieranych przez odbiornik. Występuje jako moc znamionowa generatorów i transformatorów. Wyrażamy ją jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu: 

Współczynnik mocy

Moc czynną, bierną i pozorną można przedstawić graficznie w postaci trójkąta prostokątnego, zwanego trójkątem mocy. 

Z trójkąta tego wynika, że współczynnik mocy (oznaczany z angielskiego PF, od Power Factor) jest stosunkiem mocy czynnej do pozornej: 

Odbiorniki prądu przemiennego pobierają ze źródła moc pozorną S, a oddają na zewnątrz moc czynną P w postaci energii cieplnej lub mechanicznej. Współczynnik mocy cosφ jest więc miarą wykorzystania energii.

W przypadku obciążenia czysto oporowego współczynnik mocy jest równy jedności. Co oznacza przypadek idealny, ponieważ moc bierna jest równa zeru. W przypadku obciążenia czysto indukcyjnego i czysto pojemnościowego udział rezystancji jest zerowy, a co za tym idzie współczynnik mocy jest również zerowy. Każda inna wartość współczynnika mocy (większa od 0 i mniejsza od 1) oznacza, że przewody muszą nieść więcej prądu, niż jest to potrzebne. Pociąga to za sobą konieczność instalowania grubszych przewodów.

Współczynnik tgφ: stanowi stosunek mocy biernej do czynnej:  

Moc 15-minutowa: jest obliczana jako średnia w każdym kwadransie każdej godziny. Na początku minuty 0, 15, 30 i 45. Jest ponadto sprawdzane, czy ostatnio zmierzona wartość przekracza zapamiętaną wartość maksymalną. Jeśli tak, to ostatnia wartość jest zapamiętywana jako maksymalna. Największa 15-minutowa moc czynna pobrana z sieci w danym okresie rozliczeniowym określana jest jako moc pobrana.

Energia czynna:

 

Energia bierna:

 

Energia pozorna: