Źródła zmian wskaźników jakości energii – źródła zaburzeń

Wprowadzenie
Źródłem pogarszania się jakości energii elektrycznej jest wzajemne oddziaływanie pomiędzy systemem elektroenergetycznym a odbiorcami energii. Możliwe są następujące przyczyny pogarszania się jakości energii elektrycznej: 

• nieliniowości odbiorników powodujące odkształcenia prądów i napięć sieci zasilającej, najczęściej nieliniowości te występują w odbiornikach ze sterowanymi przełącznikami energoelektronicznymi oraz w odbiornikach z obwodem magnetycznym, także łuk elektryczny;
• gwałtowne i nie zawsze w znanym kierunku przebiegające zmiany parametrów odbiorników podczas eksploatacji (odbiorniki „niespokojne");
• impedancje wewnętrzne źródeł i linii przesyłających powodujące powstawanie nieliniowych modulacji napięcia sygnałem wolnozmiennym,wywoływanych poprzez spadki napięć od prądów odbiorników liniowych i nieliniowych.

Skutki nieodpowiedniej jakości energii elektrycznej
Oddziaływania pomiędzy odbiornikami a siecią energetyczną w zakresie zaburzeń o niskich częstotliwościach (wartość skuteczna napięcia, współczynnik migotania światła, zapady i podskoki napięcia, przerwy w zasilaniu, częstotliwość podstawowa) występujących w sieciach elektroenergetycznych powodują powstawanie obserwowalnych skutków, które można podzielić na kilka grup:

• migotanie źródeł światła, a zatem istotny dyskomfort fizjologiczny u ludzi, zmęczenie fizyczne i psychiczne;
• trudności w stabilizacji zasilania urządzeń elektrycznych i układów elektronicznych;
• niestabilna praca napędów większej mocy, powodująca szybsze zużycie elementów mechanicznych;
• zmniejszenie wydajności procesów technologicznych (np. urządzenia do elektrolizy);
• wyłączenia i załączenia dużych odbiorców lub fragmentów sieci energetycznej.

W obszarze zaburzeń o wyższych częstotliwościach (zawartość harmonicznych – THD, zawartość interharmonicznych – ITHD, zawartość wszystkich składowych widma poza podstawową – TTHD) związanych z kształtem napięcia, można wskazać następujące negatywne skutki:

• uszkodzenia lub nieprawidłowe działanie urządzeń energoelektronicznych, urządzeń sterowniczych;
• narażenia termiczne powodujące przyspieszone starzenie się izolacji, zwiększenie strat;
• oscylacje, drgania mechaniczne podwyższona temperatura pracy generatorów i silników;
• zwiększony hałas;
• ryzyko powstawania rezonansów i wystąpienia ich negatywnych skutków;
• spadek sprawności energetycznej praktycznie wszystkich rodzajów odbiorników energii elektrycznej oraz elementów systemu elektroenergetycznego.

W układach wielofazowych istotnym wskaźnikiem jakości jest asymetria napięcia, czyli brak równości napięć fazowych i kątów pomiędzy nimi (dla 3 faz przesunięcie wektorów napięcia powinno wynosić 120°). Negatywne skutki występowania asymetrii w sieci zasilającej można pogrupować w następujący sposób:

• zmniejszenie mocy silników asynchronicznych;
• wibracje mechaniczne napędów;
• powstawanie w napędach dodatkowych pulsujących momentów mechanicznych prowadzących do degradacji napędów i napędzanych nimi urządzeń;
• w układach przekształtnikowych pojawiają się pulsacje prądu ujemnie wpływające na sieć zasilającą;
• grzanie się odbiorników, spadek ich sprawności;
• odbiorniki jednofazowe też są narażone na uszkodzenia poprzez możliwość przekroczenia dopuszczalnego zakresu napięcia zasilającego.

Wszystkie opisane powyżej zjawiska pogarszające jakość energii elektrycznej oraz ich skutki praktycznie wprowadzają negatywne efekty ekonomiczne. Jonathan Manson i Roman Targosz szacują na podstawie badań przeprowadzonych w latach 2005 – 2006, że łączny koszt strat w UE, ponoszonych na skutek zasilania energią złej jakości, wyniósł w tym czasie ponad 150 mld Euro (publikacja „European Power Quality Survey Report", Vienna, 21-24 May 2007).

Ta liczba wskazuje, jaką skalę ma problem złej jakości energii elektrycznej. Trzeba również wziąć pod uwagę fakt, że negatywne efekty złej jakości energii elektrycznej wykraczają daleko poza sektor przemysłowy. W raporcie Jonathana Mansona i Romana Targosza w grupie sektorów z negatywnymi skutkami ekonomicznymi znalazły się hotele, banki, telekomunikacja, transport czy szpitale. Przytoczone dane są zdaniem autora wystarczająco przekonujące, by starać się o poprawę jakości energii elektrycznej poprzez jej monitorowanie i wprowadzanie modernizacji sieci zasilających tak, by kompensować zaburzenia wprowadzane przez odbiorców.

Analiza sygnałów sieci elektroenergetycznej dla oceny jej jakości
Aktualny stan wiedzy w zakresie pomiarów i analizy zaburzeń niskoczęstotliwościowych w napięciach sieci elektroenergetycznych obejmuje:

• analizę zjawisk oddziaływania odbiorników "niespokojnych" na sieć z uwzględnieniem jej właściwości; szczególnie interesujące są prace w zakresie propagacji zakłóceń w sieciach;
• określenie właściwości mierzonych sygnałów, tj. charakterystycznych postaci przebiegów czasowych oraz zakresów zmienności ich wartości oraz właściwości ich widm częstotliwościowych;
• adaptację algorytmów stosowanych do analizy sygnałów stacjonarnych i niestacjonarnych do właściwości mierzonych sygnałów zaburzeń występujących w sieci energetycznej;
• definicje miar wskaźników jakości energii elektrycznej oraz sposobów pomiarowego wyznaczania ich wartości.

Wartości parametrów wyznaczane poprzez pomiar i służące do oceny jakości energii elektrycznej powinny być mierzone za pomocą przyrządów pomiarowych, których struktury oraz algorytmy działania są opisane w dokumentach normalizacyjnych, a więc definicje mierzonych parametrów i ich realizacje są narzucane mocą normy z zakresu: PN-EN 60868, PN-EN 61000.

Problemy badawcze i praktyczne w pomiarach wskaźników
Aktualny stan techniki zdecydowanie powiększa problemy utrzymania wystarczającej jakości energii elektrycznej. Analiza dostępnych publikacji w czasopismach i w Internecie uwidacznia, że zarówno prace badawcze, jak i opracowywanie dokumentów normatywnych trwają i nie zanosi się na szybkie ich zakończenie.

Z jednej strony do dyspozycji mamy coraz to lepsze przyrządy pomiarowe, programy do analizy wyników pomiarów, a z drugiej nowoczesne odbiorniki wpływające na jakość energii elektrycznej i jednocześnie ją pogarszające.

Z punktu widzenia problematyki metrologicznej można mówić o dwóch kierunkach prac: pierwszy dotyczy opracowywania definicji wskaźników określających jakość energii elektrycznej, zaś drugi to zagadnienia związane z budową przyrządów pomiarowych mierzących wskaźniki jakości. Prace te są zbieżne i zmierzają do takiego opisania zagadnień dotyczących przyrządów pomiarowych i metod pomiarowych, aby powstałe w ten sposób dokumenty normalizacyjne mogły posłużyć do praktycznego realizowania pomiarów z naciskiem na wykorzystanie cyfrowych metod przetwarzania sygnałów pomiarowych.

Problemy definicyjne rozwiązywane są poprzez tworzenie definicji opartych na miarach naturalnych. Przykładami są: wartość chwilowa napięcia, wartość skuteczna, średnia, częstotliwość. Wykorzystuje się też miary bardziej złożone, "arbitralne", na przykład podające wpływ zjawiska migotania światła na fizjologię człowieka.

Nowe opracowania lub modernizacja istniejących uwzględnia następujące przesłanki:

• stosowane sposoby wymagają jednoznaczności, czyli istnienie miary dla sygnałów rzeczywistych (modyfikacja teoretycznych zależności dla zadań praktycznych);
• uzyskiwanie właściwości pomiarów umożliwiających skuteczną interpretację opisywanych zjawisk;
• duża wrażliwość przyrządów pomiarowych na zmiany parametrów związanych z wielkością mierzoną;
• mała wrażliwość na czynniki niepożądane; każda „idealna" definicja jest przecież realizowana za pomocą konkretnych środków technicznych i w rzeczywistych warunkach.

Druga grupa problemów badawczych i technicznych związana jest z realizacją pomiarów a w szczególności oceny niepewności i błędów pomiarów. Podstawowa idea współczesnego przyrządu cyfrowego polega na szybkim, o wysokiej rozdzielczości przetwarzaniu A/C mierzonego napięcia sieci, a następnie na cyfrowym przetwarzaniu wielkości mierzonych w procesorze sygnałowym lub w innym systemie przetwarzającym dane w sposób cyfrowy.

Szybkość przetwarzania wynika z niestacjonarności napięcia o okresie 20 ms i widmie obejmującym pasmo do 40. harmonicznej, natomiast wysoka rozdzielczość – ze zmienności sygnału pomiarowego, tj. na ogół niewielkich „składowych" tego napięcia na tle dużej wartości (rzędu procentów lub ułamków procentów). Implikuje to zwiększenie wymagań dotyczących przyrządu pomiarowego, a w szczególności jakości jego obwodów wejściowych. Powstają wtedy problemy oceny jakości przetwarzania oraz wzorcowania i testowania przyrządu pomiarowego.

Zakończenie
Oczywistym faktem jest, że jakość energii elektrycznej zależy od wielu parametrów związanych z systemem energetycznym i o jej stanie decyduje już etap projektu systemu energetycznego, a dalej jego budowa lub rozbudowa.

O jakości dostarczanej energii elektrycznej możemy się dowiedzieć tylko przez pomiar wskaźników związanych ściśle z jakością energii elektrycznej. W chwili obecnej nie istnieje jedna wielkość, której wartość świadczyłaby o jakości energii elektrycznej.

Zdefiniowano szereg wielkości – wskaźników, które dla pewnych grup odbiorców określają jakość energii elektrycznej. Pomiar tych wskaźników weryfikuje założenia związane z budową systemu energetycznego i może stanowić przesłankę do jego modernizacji.

Umożliwia też kontrolę zaburzeń wprowadzanych przez odbiorców. Przyrządy do pomiaru jakości energii elektrycznej podlegają przepisom ustawy z dnia 11 maja 2001 roku: „Prawo o miarach", co skutkuje rozwiązaniami prawnymi opartymi na wynikach pomiarów za pomocą tych przyrządów.

Obecnie budowane są przyrządy pomiarowe o dwóch klasach jakości pomiaru: przyrządy wzorcowe o parametrach ściśle określonych przez normy odnoszące się do budowy przyrządu i metody pomiaru oraz wskaźniki o dopuszczalnych większych błędach pomiaru, mogących wynikać z uproszczenia metody pomiaru lub stosowanego sprzętu.

Dopuszcza się stosunkowo duże różnice (rzędu pojedynczych procentów) pomiędzy wynikami pomiarów wykonanych tymi przyrządami. Trwają też prace nad określeniem klasy pośredniej. Współczesne przyrządy pomiarowe są budowane jako przyrządy cyfrowe.

Cyfrowa technika pomiarowa dostarcza nowych możliwości definiowania miar wskaźników jakości energii elektrycznej, zwłaszcza w zakresie zaburzeń o szerokim widmie. Ze względu na przestrzenny rozkład sieci elektroenergetycznych istotna jest również możliwość zdalnego wykonywania pomiarów oraz szybkiej agregacji, analizy i transmisji danych pomiarowych, np. przez Internet.

W przekonaniu autora, opartym na bardzo wielu publikacjach z zakresu jakości energii elektrycznej, nie istnieją obecnie oceny jakości energii elektrycznej wystarczająco uniwersalne i skuteczne, a przełom w tym zakresie jeszcze nie nastąpił.