8. Rušivé jevy v průmyslových sítích (energetické rušení) Základním požadavkem kladeným na průmyslové sítě je zásobovat elektrickou energií spotřebiče s předem definovaným stupněm zajištění dodávky, přičemž elektrická energie musí splňovat jisté kvalitativní parametry. Tyto parametry ovlivňuje v čím dál větší míře způsob její spotřeby. V průmyslových sítích se stále častěji vyskytují tzv. nelineární spotřebiče generující vyšší harmonické a způsobující tak zkreslení křivky napájecího napětí, dále spotřebiče s dynamicky se měnícím odběrem činného a jalového výkonu způsobující kolísání napětí atd. V závislosti na parametrech napájecí sítě (zejména na její impedanci) v místě připojení rušících spotřebičů dochází potom k vyšším či nižším úrovním tzv. energetického rušení, které zhoršuje kvalitu elektrické energie i u jiných odběratelů připojených ke stejné napájecí síti. Energetické rušení v průmyslových sítích pochází tedy jednak od vlastních rušících spotřebičů, dále pak z napájecí sítě, tj. od rušících spotřebičů jiných odběratelů. Mezi nejzávažnější jevy způsobující energetické rušení patří: - vyšší harmonické a interharmonické - kolísání napětí - nesymetrie napětí - krátkodobá přerušení a poklesy napětí - přepětí. 8.1 Nesymetrie napětí Popis jevu Nesymetrie napětí je stav třífázové sítě, při němž velikosti fázových napětí a/nebo úhly mezi po sobě jdoucími fázory napětí nejsou stejné. Podle součtu napěťových fázorů lze rozlišovat: - nesymetrická soustava nevyvážená (součet fázorů napětí je různý od nuly) - nesymetrická soustava vyvážená (součet fázorů napětí je rovný nule). Napěťová nesymetrie je charakterizována poměrem zpětné složky napětí ku sousledné složce. Tento poměr se nazývá stupeň nesymetrie: (2) u 100 % 2 (1) Jako přípustná úroveň nesymetrie v distribuční síti je uváděna hodnota u 2 =2%, která platí pro dlouhodoběji působící nesymetrie, jež mohou vést k nepřípustnému oteplení napájených zařízení. V některých případech se v síti mohou vyskytnout i vyšší hodnoty nesymetrie, např. během poruch. - 130 -
Zdroje (příčiny) nesymetrie napětí Nesymetrie je způsobena nerovnoměrně rozloženým zatížením na tři fáze trojfázové sítě. Převládající příčinou je nesymetrické jednofázové zatížení. Mezi významná jednofázová zatížení patří napájecí stanice střídavé trakce (obr. 8.1) a jednofázové elektrické pece. I I Síť 110 kv 110/27 kv, 10 MVA u 2 (2) (1) S S A k Obr.8.1 Nesymetrický odběr trakční transformovny V sítích nn jsou jednofázové odběry připojovány mezi fázový a střední vodič a pokud možno rovnoměrně rozdělovány do všech třech fází. V sítích vn a vvn se jednofázové odběry připojují mezi fázové vodiče nebo mezi fázový a střední vodič. Negativní účinky nesymetrie napětí Pro stejný činný výkon je proudové zatížení zařízení jednofázovým odběrem až cca dvojnásobné oproti symetrické i. Transformátory a vedení tak nemohou být zatíženy svým jmenovitým výkonem a dochází ke snížení jejich provozního využití. V elektrických točivých strojích vyvolávají zpětné složky proudu přídavné ztráty, které způsobují zvýšené oteplení zařízení a snížení jeho životnosti. Napěťová nesymetrie může ovlivňovat nežádoucím způsobem i funkci řídicích a regulačních zařízení. Moderní elektrické ochrany jsou vybavovány ochranami proti nesymetrickému zatížení, které mohou vyvolat jejich odpojení. Opatření pro omezení nesymetrie napětí Nesymetrii napětí by mělo být zabráněno důsledným rozložením í (zejména jednofázových) na jednotlivé fáze. Velké jednofázové spotřebiče, např. elektrické pece, se k napájecí síti připojují pomocí tzv. symetrizačních členů. 8.2 Kolísání napětí Popis jevu Změny zatížení způsobují změny napěťových úbytků na impedanci sítě a tím i změny napájecího napětí. Kolísáním napětí se rozumí sled rychlých změn napětí následujících těsně po sobě nebo rychlé periodické změny napětí. Napětí při těchto změnách se pohybuje v rozmezí ±10%n (obr. 8.2). Je třeba rozlišovat od - 131 -
pomalých změn napětí (délka trvání několik period) způsobených zapnutím velkých spotřebičů, které se pohybují rovněž v rozmezí ±10% n, ale jsou kvalifikovány jako odchylky napětí. Obr. 8.2 Obálka napětí při rychlých periodických změnách napětí Relativní změny napětí odpovídají přibližně změně výkonu e ΔS A vztažené ke zkratovému výkonu v místě připojení S kv. Při symetrické trojfázové i jsou relativní změny fázových napětí shodné se změnami sdružených napětí: fáz S A d S n Při rozběhu motoru ΔS A se rovná maximálnímu rozběhovému výkonu. Přesněji lze určit relativní změnu napětí pomocí impedance napájecí sítě v místě připojení (R kv +jx kv ) a změny proudu, resp. výkonu e: 1 1 d ( R ) ( cos sin) 2 kv PA X kv QA RkV I A X kv I A n Nejzávažnějším negativním jevem způsobeným kolísáním napájecího napětí je tzv. flikr změna zrakového vnímání vyvolaná časovou změnou světelného toku svítidel. Protože na flikr reaguje lidské oko velmi citlivě, musí se změny napětí pohybovat v úzkých mezích. Při častěji se vyskytujících změnách napětí jsou potřebné užší hranice. Lidské oko reaguje nejcitlivěji při 18 změnách za sekundu (1080 změn/minutu), takže při této četnosti změn vede k potížím již napěťová změna 0,3%. Přípustné meze pro pravidelné pravoúhlé změny napětí jsou uvedeny na obr. 8.3. Kolísání napětí je potřebné charakterizovat nejen změnou velikosti napětí, ale i četností jeho změn. V praxi se pro posuzování flikru, resp. kolísání napětí používají veličiny: míra vjemu flikru P a činitel flikru A. Jelikož obtěžování způsobené flikrem závisí i na době vystavení tomuto jevu, závažnost flikru se vyhodnocuje pro různě dlouhé časové intervaly. Tyto činitelé se definují tak, že pro všechny body křivky na obr. 8.3 platí P=1 a A=1. - 132 - nfáz fn kv
Obr. 8.3 Přípustné hladiny pro pravidelné pravoúhlé změny napětí Krátkodobá míra vjemu blikání P st (st = short term, krátkodobý) se stanovuje pro interval 10 minut. pravidelných opakujících se změn napětí velikostí d a četností r je možné pro určení míry vjemu blikání využít křivky na obr. 8.3 takto: P sti d / d lim složitějších jevů (nepravidelné a nepravoúhlé změny napětí) je možné P st vyvolané jednotlivým rušením vyjádřit pomocí doby působení flikru: 3 2,3 (100 d F) t f kde d relativní změna napětí v p.j. F činitel tvaru podle PNE 33 3430 (napěťový skok F=1). Výsledná míra vjemu blikání P se určí přibližně jako součet trvání účinku flikru vztažený na sledovaný časový interval, v němž se kolísání napětí vyskytuje: t 3 f Pst 10 min Dlouhodobá míra vjemu blikání P lt (lt = long term, dlouhodobý) se stanovuje pro interval 120 minut: t 3 f Plt 120 min Dlouhodobě působící zdroje flikru (kolísání napětí se může trvale vyskytovat déle než 30 min) smí dosahovat nižších povolených hodnot rušení, protože pravděpodobnost překrývání rušení od různých zdrojů je větší. Přípustné hodnoty flikru v distribučních sítích jsou uvedeny v tab. 8.1. - 133 -
Přípustné rušivé velikosti v sítích Přípustná velikost rušení jedním odběratelem nn vn vvn nn vn vvn P lt 0,75 0,70 0,60 0,4 0,4 0,4 P st 1,00 0,90 0,80 0,6 0,6 0,6 Tab. 8.1 Směrné hodnoty pro posouzení flikru Činitel flikru je posuzován pro časové intervaly 10 minut (krátkodobý) nebo 120 minut (dlouhodobý) obdobně jako míra vjemu blikání P. Tyto dvě veličiny 3 jsou vzájemně vázány vztahem: A P. Působení flikru z více zdrojů Míra vjemu blikání od různých nesynchronních zdrojů flikru se sčítá podle následujícího vztahu: Pcelk P P P Pro činitel flikru pak platí následující vztah: A A A... 3 3 3 3 1 2... n celk 1 2 A n Šíření flikru v síti Šíření flikru od místa vzniku (uzel C) ilustruje obr. 8.4. Flikr v uzlu C je vyjádřen pomocí rušícího napětí F způsobeného rušícím zařízením. Napětí F je rozdílem mezi skutečnou hodnotou napětí v uzlu C a napětím, které by v tomto uzlu bylo v případě, že připojené zařízení by nemělo rychle se měnící odběr, tj. nezpůsobovalo by rušení. Flikr se směrem k napájecí síti zmenšuje, neboť napětí F se rozdělí v poměru sériových impedancí. Pro uzly C a D platí: ( D) FC ZCE SK ( C ) FD ZDE SK kde S (i) K jsou zkratové výkony v jednotlivých uzlech sítě. Flikr je úměrný změnám napětí, a tak pro krátkodobou míru vjemu blikání P st v uzlu D platí vztah: ( C) ( D) ( C ) SK Pst Pst ( D) SK Jelikož velikost zkratových výkonů směrem ke zdroji stoupá, flikr směrem k napájecímu zdroji se omezí P (D) st < P (C) st. Od místa vzniku rušení (uzel C) směrem ke spotřebičům je míra vjemu ( A) ( B) ( C) blikání prakticky nezměněná P P P, jelikož impedance mezi uzly A st st - 134 - st
a C je mnohem menší než impedance mezi uzlem A a zemí, a napětí F se tedy objeví prakticky nezměněné v uzlu A. Obr. 8.4 Šíření flikru v síti Zdroje (příčiny) kolísání napětí Kolísání napětí (flikr) je způsobeno časově proměnlivou í, jejíž frekvence změn je nižší než frekvence sítě. Hlavními zdroji kolísání napětí jsou obloukové i odporové svářečky, elektrické obloukové pece, proměnlivá (např. řízený ohřev s velkým výkonem), rozběh velkých motorů (speciálně je-li periodicky opakován). Negativní účinky kolísání napětí Nejnepříznivějším vlivem kolísání napětí je kolísání světelného toku svítidel, především žárovek, tzv. flikr (blikání). Tento jev se projevuje ve změně zrakového vnímání, které ruší člověka při jeho činnosti. Obtěžování způsobené flikrem je subjektivní (různá intenzita vnímání osob) a může se měnit v závislosti na příčině blikání a délce doby, po kterou se vyskytuje (proto jsou definovány P lt a P st ). Negativně může být ovlivněn i provoz televizorů, počítačů apod. Opatření pro omezení kolísání napětí Kolísání napětí se omezuje zmenšením impedance sítě v místě připojení, tj. zvětšením zkratového výkonu, případně připojením zařízení do vyšší napěťové hladiny. Dále se k rušícímu zařízení může připojit zařízení pro dynamickou kompenzaci jalového výkonu, které sníží úroveň periodického kolísání zatížení. Další opatření mohou být provedena přímo u motorů, např. použití kotvy s nižším rozběhovým proudem, použití spouštěče, setrvačníku. - 135 -
8.3 Vyšší harmonické (harmonická napětí) Popis jevu Do napájecí sítě jsou ve stále větší míře připojovány spotřebiče, které navzdory sinusovému napájecímu napětí odebírají ze sítě proud nesinusového průběhu. Tyto spotřebiče se všeobecně označují jako nelineární spotřebiče. Proud odebíraný nelineárními spotřebiči lze stejně tak jako každou periodickou nesinusovou funkci vyjádřit součtem sinusových složek (popř. i složky stejnosměrné), které mají různou amplitudu a jejichž frekvence je celistvým násobkem frekvence nesinusové funkce, tzv. Fourierovou řadou: h0 i ( t) i h ( t), h ( h h. Sinusová složka o frekvenci shodující se s frekvencí nesinusové funkce (50 Hz), se nazývá základní harmonická. Ostatní sinusové funkce, jejichž frekvence je celistvým násobkem základní harmonické, se nazývají vyšší harmonické nebo zkráceně jen harmonické řádu h. Vlivem kolísavého odběru nelineárních spotřebičů se ve spektru odebíraného proudu mohou vyskytnout i složky, jejichž frekvence není celočíselným násobkem frekvence sítě. Tyto složky se nazývají mezilehlé harmonické nebo také interharmonické. Nelineární spotřebiče lze podle teoretických rozborů i praktických zkušeností považovat za proudové zdroje vyšších harmonických. Harmonické proudy tečou směrem od rušícího zařízení do sítě (obr. 8.5) a na impedanci sítě vyvolávají úbytky napětí příslušející danému řádu harmonické: kde i 0 (t) = I 0 a pro h>0 platí i t) 2 I sinht h Z Sh I h R S L S PCC I 1 R S hl S PCC I h síť R Z R M síť R Z 1/C S L Z L M 1/hC S hl Z pasivní rušící pasivní rušící Obr. 8.5 Náhradní schéma sítě pro základní harmonickou a harmonickou řádu h Tyto harmonické úbytky se superponují na průběh napětí a způsobují tak deformaci křivky síťového napětí ve společném napájecím bodě PCC (Point of - 136 -
common coupling). Vlivem deformované křivky napájecího napětí je ovlivněn provoz ostatních připojených zařízení v síti, zvláště zařízení citlivých na tvar napěťové křivky. Úroveň napětí harmonických v napájecí oblasti je výslednou hodnotou, k níž přispívají všechna zařízení odběratelů svými emisemi harmonických proudů. Úroveň harmonických napětí v síti závisí zejména na: - impedanci sítě pro danou harmonickou - amplitudě a fázi harmonických proudů emitovaných každým odběratelem - počtu zařízení odběratelů připojených současně k síti. Úroveň vyšších harmonických v síti není konstantní, ale během dne se mění. Obsah vyšších harmonických v napájecím napětí se hodnotí: - individuálně - pomocí efektivních hodnot jednotlivých harmonických napětí, vztažených k jmenovitému (resp. dohodnutému napájecímu) napětí liché harmonické nenásobky 3 liché harmonické násobky 3 sudé harmonické řád harmonické h harmonické napětí [%] řád harmonické h - 137 - harmonické napětí [%] řád harmonické h harmonické napětí [%] 5 6 3 5 2 2 7 5 9 1,5 4 1 11 3,5 15 0,5 6 24 0,5 13 3 21 0,5 17 2 19, 23, 25 1,5 Tab. 8.2 Úrovně jednotlivých harmonických napětí v odběrném místě sítí vn a nn podle ČSN EN 50160
- souhrnně - pomocí celkového činitele zkreslení (Total Harmonic Distortion) napětí THD 40 2 h THD h2 100 [%] 1 Impedance sítě na frekvencích vyšších harmonických Vnitřní impedance soustavy v místě připojení nelineárních spotřebičů k síti určuje, do jaké míry bude napájecí napětí deformováno zpětným působením těchto spotřebičů na síť. Impedance sítě na tónových frekvencích se může podstatně lišit od impedance sítě na frekvenci 50 Hz, neboť reaktance indukčností a kondenzátorů je silně frekvenčně závislá. Zatímco při základní harmonické má impedance sítě převážně induktivní charakter, může pro některé harmonické frekvence nabývat i kapacitního charakteru. Vzhledem k tomu, že síť obsahuje prvky induktivního i kapacitního charakteru, mohou v síti vznikat rezonanční jevy. V případě rezonance na frekvenci některé harmonické může docházet k značné deformaci napěťové křivky a k značnému proudovému přetěžování prvků sítě. Sériová rezonance může vzniknout např. mezi rozptylovou reaktancí napájecího transformátoru a kapacitou kondenzátorové baterie pro kompenzaci účiníku. Z pohledu napájecí sítě tvoří tyto prvky sériový rezonanční obvod. Rezonance nastane při rovnosti reaktancí obou prvků 1/ C, kde 2 f QC f LT uk a C. 2 S f f T Potom rezonanční frekvence obvodu bude: 50 f 50 L T S T r f 50. QC uk Lh Lh síť s obsahem harmonických ~ h I h Z T Ch C h I h Ch Obr. 8.6. Náhradní schéma pro výpočet vzniku sériové rezonance - 138 -
Pokud rezonanční frekvence odpovídá frekvenci některé harmonické složce napětí v síti ( h ), nebo leží-li v její těsné blízkosti, sériové spojení indukčnosti a kapacity představuje pro tuto harmonickou nejmenší možnou impedanci. Kondenzátorem prochází velká hodnota proudu příslušné harmonické I h (hovoří se často o odsávání vyšší harmonické ze sítě), dochází k proudovému přetěžování kondenzátoru spojenému s nárůstem oteplení, které často vede k poruše či zničení kondenzátoru. V takovém případě je bezpodmínečně nutné kondenzátory blokovat. Rezonanční frekvence sériového obvodu by se také neměla přibližovat ani frekvenci signálu HDO, neboť by tak docházelo k odsávání signálu HDO ze sítě a snižování úrovně napětí signálu HDO v dané síti. Blokování kondenzátoru proti odsávání harmonických ze sítě se provádí zařazením ochranné tlumivky či hradicích členů před kondenzátor (obr. 7.9). Zařazením ochranné tlumivky se změní rezonanční frekvence obvodu tak, aby se nekryla ani neblížila frekvenci harmonických obsažených v napájecím napětí, nebo frekvenci signálu HDO. K paralelní rezonanci může dojít mezi reaktancí sítě a kapacitou sítě nebo e (kompenzační kondenzátory apod.). Z pohledu e nastane rezonance při rovnosti admitancí obou prvků C 1/ L, kde 2 f QC f LS a C. 2 Sk f f 50 Potom rezonanční frekvence obvodu bude: S 50 f S k r f 50. QC V I h I Ch rušící h I Ch I Lh L S, R S R I h C síť h I Lh Obr. 8.7 Náhradní schéma pro výpočet vzniku paralelní rezonance Při rezonanční frekvenci dosahuje impedance obvodu nejvyšších hodnot. Bude-li rezonanční frekvence souhlasit s frekvencí některé harmonické proudu, emitovaného rušící í, může podle vztahu h Zh Ih napětí dané harmonické nabývat obzvláště vysokých hodnot a výrazně deformovat napětí v bodě připojení V a působit zvýšené rušení ostatních připojených odběratelů. Jak je vidět - 139 -
z obr. 8.7, kompenzačním kondenzátorem protéká vlivem paralelní rezonance harmonická složka proudu I Ch větší než je harmonická složka proudu I h injektovaná rušící í. V případě, že by kompenzačnímu kondenzátoru na obr. 8.7 byla předřazena ochranná tlumivka, měla by být rezonanční frekvence sériového obvodu kondenzátor-ochranná tlumivka f ser pod nejmenší harmonickou frekvencí proudu rušící e (150 Hz nebo 250 Hz). Při splnění podmínky f ser <f hmin kondenzátor hrazený tlumivkou představuje pro všechny harmonické proudy reaktanci induktivního charakteru (obr. 7.8) a nemůže tedy dojít k paralelní rezonanci s reaktancí sítě. Toto pravidlo je potřebné dodržovat například při připínání jednotlivých stupňů kompenzačních filtrů (kap.7.4.1). Při posuzování zpětného vlivu rušícího zařízení na napájecí síť lze impedanci sítě v místě připojení do sítě určit pomocí zjednodušeného náhradního schématu na obr. 8.7. Impedance Z S je tvořena impedancí napájecího transformátoru, vedení a nadřazené sítě, celková kapacita C je složena z kapacity vedení popř. kapacit kondenzátorových baterií pro kompenzaci účiníku. Tlumící odpor obvodu R představuje činné zatížení sítě P. Výsledná impedance sítě na svorkách V v závislosti na frekvenci je zobrazena na obr. 8.8. Z frekvenční charakteristiky sítě je vidět, že velikost impedance v blízkosti rezonanční frekvence závisí na velikosti ohmické e v síti. Se zvyšující se velikostí kapacitního výkonu sítě Q C (sepnutí dalšího stupně kondenzátorové baterie) se rezonanční kmitočet paralelního obvodu posouvá do oblastí nižších kmitočtů. V tomto případě je rezonanční kmitočet blízký kmitočtu 7.harmonické, jedné z výrazných harmonických emitovaných rušícím spotřebičem. Pak napětí 7.harmonické bude zvýrazněno a dojde k značnému zkreslení napětí v napájecím bodě V. impedance [Ohm] 120 100 80 60 40 20 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 řád harmonické P= 4 MW Qc=1,2 MVAr P= 15 MW Qc=1,2 MVAr P= 4 MW Qc= 5 MVAr Obr. 8.8. Frekvenční charakteristika sítě v bodě V V případech, kdy má být připojena nová technologie do průmyslové sítě, je určení úrovně harmonických ve společném napájecím bodu mnohdy komplikováno - 140 -
složitým zapojením sítě průmyslového podniku. Pro výpočty je nutné získat správné údaje o kompenzačních kondenzátorech a filtraci harmonických, včetně variant jejich provozu. Z těchto údajů se pak stanoví hodnoty impedance sítě pro jednotlivé harmonické. Impedance se většinou stanovuje pomocí výpočtových programů. Je nutné si uvědomit, že v řadě případů do veřejné sítě v místě připojení závodu poteče pouze část harmonických proudů emitovaných rušícím zařízením, neboť zbývající část je pohlcována kondenzátory v průmyslovém závodě. Zdroje (příčiny) zkreslení napětí Zdroji vyšších harmonických jsou tzv. nelineární spotřebiče, tj. spotřebiče odebírající při sinusovém napájecím napětí nesinusový proud. Mezi nejvýznamnější zdroje harmonických proudů patří: zařízení na bázi výkonové elektroniky (usměrňovače, statické frekvenční měniče, výkonové měniče napětí aj.) Tato zařízení generují převážně liché řády harmonických (5., 7., 11., 13, atd.) proudů. Velikost jednotlivých harmonických obsažených v proudu odebíraném ze sítě je nepřímo úměrná řádu harmonické: 1 I1 I n n Tento vztah se v literatuře označuje jako amplitudový zákon. Pro nejpoužívanější druhy usměrňovačů jsou číselné hodnoty harmonických proudů emitovaných do sítě uvedeny v PNE 33 3430. obloukové a středofrekvenční elektrické pece Obloukové pece představují díky nelinearitě elektrického oblouku zdroje vyšších a mezilehlých harmonických. Spektrum vyšších harmonických je těžko analyzovatelné, neboť proudy mají náhodnou povahu, odpor oblouku se mění s jeho délkou. přesycené indukčnosti elektronická zařízení (např. televizory, mikrovlnné trouby, úsporná svítidla s elektronickým předřadníkem) apod. Negativní účinky vyšších harmonických Přítomnost vyšších harmonických napětí a proudů v energetické soustavě může nepříznivě ovlivnit zařízení připojených odběratelů i provoz samotné rozvodné sítě.nejzávažnější vlivy vyšších harmonických jsou tyto: přídavné ztráty v síti, s tím spojené zhoršení účinnosti přenosu elektrické energie a omezení využitelnosti zařízení Celková efektivní hodnota proudu se v sítích s vyššími harmonickými zvyšuje I 2 I h h0. Rozvodná zařízení je třeba dimenzovat na větší zdánlivý výkon a tím klesá jejich využitelnost. Zhoršuje se i účiník napájecí sítě. - 141 -
Harmonické proudy způsobují tzv. přídavné ztráty, které se podílí na zahřívání přenosových prvků sítě i samotných spotřebičů, a lze vyjádřit jako 2 I h R h, h2 kde I h jsou harmonické proudy a R h odpor prvku sítě při frekvenci příslušné harmonické. V elektrických strojích se zvyšují ztráty v magnetických obvodech, neboť pro danou efektivní hodnotu harmonického proudu I h jsou ztráty v železe úměrné druhé mocnině frekvence. zkrácení doby životnosti transformátorů, kondenzátorů a motorů vlivem tepelného přetěžování v důsledku zvýšení velikosti průchozího proudu, a vlivem zvýšeného dielektrického namáhání izolace zařízení v důsledku přítomnosti harmonických napětí v napájecím napětí ovlivňování činnosti systému hromadného dálkového ovládání HDO chybná funkce elektrických ochran a elektronických zařízení chyby při měření energie rušivé vlivy na komunikační zařízení negativní ovlivnění zhášení obloukových zemních spojení v důsledku harmonických proudů Výskyt rezonančních jevů může ovlivnit úroveň harmonických v síti, tj. velikost h. V případě rezonance sítě na frekvenci některé harmonické se může úroveň této harmonické značně zvýšit, čímž se podstatně zvyšuje nebezpečí rušení ostatních odběratelů a namáhají se zařízení soustavy. Opatření pro omezení harmonického zkreslení napětí Povinností distributora elektrické energie je dodržet povolené zkreslení napětí u všech odběratelů. Jelikož harmonické zkreslení napětí pochází od odběratelů, odběratel musí zajistit, aby úroveň harmonického rušení, způsobená provozem jeho zařízení, nepřekračovala hodnotu, kterou stanovila distribuční společnost jako příspěvek tohoto odběratele k celkovému přípustnému rušení v dané síti (tab.8.2). Toto zajistí: Volba vhodného připojení a projektu rozvodných sítí Zvýšení zkratového výkonu (snížení impedance napájecí sítě) v místě připojení rušícího zařízení omezí deformaci napětí způsobenou pronikáním harmonických proudů do sítě. Jestliže se proud základní harmonické zpožďuje za napětím o úhel, fázový posun harmonického proudu h-tého řádu bude h. Takto lze odvodit, že harmonický proud 3.řádu se přidává k netočivé složce proudu. V případě čtyřvodičové sítě prochází středním vodičem trojnásobek proudu třetí harmonické a tím se přetěžuje střední vodič, který je podle dřívějších zvyklostí dimenzován na cca 60% průřezu fázových vodičů. - 142 -
Odběratel by měl vybudovat samostatnou síť pro nelineární spotřebiče vyvedenou do místa připojení k veřejné distribuční síti a její střední vodič navrhnout na dvojnásobný průřez v porovnání s vodičem fázovým. Použití vhodného zapojení vinutí napájecího transformátoru Zapojení transformátoru D/yn zamezí průniku třetí harmonické do napájecí sítě. Pasivní filtry Rezonanční frekvence pasivního filtru (obr. 8.9) je shodná s frekvencí některé harmonické. Pro tuto harmonickou má filtr téměř nulovou impedanci a představuje tedy pro ni zkrat. Tato harmonická proudu teče od rušícího zařízení do filtru a ve velké míře nepronikne do sítě. Filtr však představuje malou impedanci i pro harmonické proudy generované jinými rušícími zařízeními připojenými do téže sítě a v důsledku toho může dojít k nadměrnému proudovému přetěžování filtru. Pro rezonanční frekvenci filtr představuje čistě odporovou impedanci, pro frekvence f f r převažuje kapacitní reaktance a pro f f r převažuje induktivní reaktance. Filtr tedy potlačuje rezonanční jevy na frekvencích f f r, pro frekvence nižší než f r má kapacitní charakter a může tedy s reaktancí sítě vytvořit paralelní rezonanční obvod. síť X C rušící zařízení filtr X L R 1 ZF R j( L ) C f r 2 1 L C Obr. 8.9 Připojení paralelního filtru Filtry naladěné na rozdílné frekvence je možno paralelně spojovat do skupin. Při připojování filtrů je nutno dbát, aby se postupovalo od filtrů určených k filtraci nejnižší harmonické. Kdyby se připojil nejprve filtr naladěný na harmonickou vyššího řádu, představoval by pro harmonické proudy nižších řádů, které ještě nejsou připojením svých filtrů eliminovány, kapacitní reaktanci a mohlo by dojít ke zmiňované nežádoucí paralelní rezonanci. Rezonanční filtr jednak odlehčuje sít od naladěné vyšší harmonické, a jednak zajišťuje dodávku jalového výkonu, protože při frekvenci 50 Hz představuje kapacitní charakter e. Na to je nutné pamatovat při návrhu kompenzace účiníku. - 143 -
Aktivní filtry Pasivní filtry odstraňují pouze vyšší harmonické, na něž byly navrženy, neumožňují tedy pružné přizpůsobení jiným než zvoleným podmínkám. Aktivní filtry využívají řízené střídače s pulsně šířkovou modulací (PŠM). Pomocí PŠM lze realizovat průběh libovolného tvaru, např. doplněk průběhu na žádanou sinusovku. Aktivní filtr zapojený paralelně k rušící i představuje řízený generátor proudu, generující harmonické proudy, které jsou v síti nežádoucí. Tyto harmonické proudy i než (t) jsou vstřikovány do sítě, jsou ovšem v protifázi se složkami proudu rušící e. Složky filtru a e se navzájem vyruší a rušící se navenek jeví, jakoby negenerovala tyto nežádoucí harmonické proudy. Do sítě tečou z rušící e jen zbytkové harmonické proudy i zb (t), které jsou v síti již tolerovány. síť i Z (t) rušící síť i S (t) i F (t) i Z (t) rušící Vysvětlivky: i Z (t) = i 1 (t) + i h (t) = i 1 (t) + i než (t) + i zb (t) AF i S (t) = i Z (t) - i než (t) = i 1 (t) + i zb (t) i F (t) = - i než (t) Obr. 8.10 Princip působení paralelního aktivního filtru Aktivní filtr zapojený sériově mezi síť a umožňuje upravit napětí na svorkách e na sinusový průběh a může být využit při napájení e citlivé na tvar křivky napájecího napětí. Sériový aktivní filtr představuje generátor napětí, generující v protifázi nežádoucí harmonická napětí. Ta se navzájem vyruší s harmonickými síťového napětí a síť se pro jeví, jakoby napětí sítě tato harmonická napětí neobsahovalo. u h (t) síť citlivá síť AF citlivá u 1 (t) + u h (t) u 1 (t) + u h (t) u 1 (t) Obr. 8.11 Princip působení sériového aktivního filtru - 144 -
Aktivní filtr funguje jako izolační člen pro vyšší harmonické, zaručuje oddělení harmonických složek zdroje a e, a tím odstraňuje nebezpečí rezonance a chrání tak i eventuelně zapojené kompenzační kondenzátory a pasivní filtry. Aktivní filtry je možno používat v kombinaci s pasivními filtry. - 145 -