Kvalita elektřiny po změnách technologie teplárenských provozů Jaroslav Pawlas ELCOM, a.s. Divize Realizace a inženýrink
1. Kvalita elektřiny (PQ) Elektrická energie nemá stejný charakter, jako jiné výrobky, protože nemůže být po výrobě skladována a před použitím podrobena kontrole kvality. Neumožňuje to kontinuální charakter jejího toku a nutnost rovnováhy mezi výrobou a spotřebou v každém okamžiku. Elektřina je většinou generována daleko od místa spotřeby mnoha generátory a jinými zdroji a je do místa spotřeby přenášena přes několik transformací a mnoho kilometrů vedení. Pod pojmem kvalitní dodávka elektřiny si zjednodušeně můžeme představit napájení, které v je kontinuální - bez výpadků, s napětím, jehož amplituda a frekvence jsou v předepsané toleranci a které má čistě sinusový tvar vlny.
Kvalita elektřiny je tedy definovaná charakteristikami napětí v daném uzlu elektrizační soustavy, které jsou porovnávány s mezními nebo informativními hodnotami. V angličtině se používá pojem Power Quality (zkratka PQ) Defekty v kvalitě napětí můžeme rozdělit do několika kategorií: odchylky kmitočtu odchylky velikost napájecího napětí rychlé změny napětí a flikr krátkodobé poklesy napájecího napětí nesymetrie napájecího napětí harmonická a meziharmonická napětí napětí signálů v napájecím napětí krátkodobá a dlouhodobá přerušení napájecího napětí dočasná přepětí o síťovém kmitočtu nebo přechodná přepětí
Problémy, které může způsobit špatná kvalita elektřiny jsou například: Neočekávané výpadky napájení vypínání jističů a pojistek Chybná funkce nebo poruchy elektrických přístrojů Přehřívání motorů, transformátorů a vedení a tím vyvolané zkrácení jejich životnosti Poruchy citlivých elektronických zřízení (počítače, PLC) Rušení komunikačních zařízení Zvýšené ztráty při přenosu Chybná funkce ochran Chybné údaje měřicích přístrojů Zvýšené vibrace a hluk motorů a transformátorů Destrukce kondenzátorů atd.
Negativní důsledky zkreslení napětí harmonickými složkami Harmonické složky v napětí způsobují dodatečné ztráty v motorech. 5. harmonická tvoří v motoru opačně rotující magnetické pole, 7. harmonická pole rotující s nadsynchronní rychlostí, obojí způsobuje pulzaci momentu motoru. Přehřívání vodičů harmonické způsobují dodatečné ztráty, vlivem skinefektu je například činný odpor pro frekvenci 350 Hz vyšší než stejnosměrný odpor, zvýšený odpor pak způsobuje vyšší ztráty a úbytek napětí. Křivka napětí, zkresleného harmonickými, může mít v rámci jednoho cyklu 20 ms více průchodů nulou a může být rušena činnost synchronizačních zařízení. Chybná funkce ochran pokud ochrana odvozuje efektivní hodnotu veličiny z její maximální vrcholové hodnoty, může dojít k chybnému působení
Negativní důsledky zkreslení napětí harmonickými složkami Destrukce kondenzátorů paralelní rezonance mezi indukčností sítě a kapacitou kondenzátorů pro kompenzaci účiníku v blízkosti frekvence, na které jsou nelineárními spotřebiči generovány harmonické proudy, může vést k jejich zvýšení, důsledkem je zničení kondenzátorů a zvýšené rušení ostatních spotřebičů vlivem zvýšení harmonického napětí. Přehřívání transformátorů harmonické způsobují dodatečné ztráty v transformátoru (ztráty vířivými proudy v jádru rostou přibližně kvadraticky s frekvencí) a pokud je transformátor provozovaný blízko maximálního jmenovitého zatížení, tyto ztráty mohou vést k přehřívání. Přehřívání nulového vodiče - v trojfázové soustě slouží nulový vodič pouze ke zpětnému vedení proudu, daného nesymetrií zátěže. Harmonické proudy, které jsou násobkem 3 se ale v nulovém vodiči aritmeticky sečítají a protože tento vodič má často průřez menší než fázové vodiče, může dojít k jeho přetížení, i když zatížení fázových vodičů je pod jejich jmenovitou hodnotou.
2. Normy a předpisy v oblasti PQ a EMC Normy z řady (ČSN) EN 61000 pro elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) definují meze pro různé typy rušení, metody měření, atd. nejen pro oblast energetického rušení (do 2500 Hz, resp. 9 khz), ale také například pro vysokofrekvenční rušení, impulsní ručení. Elektromagnetická kompatibilita je schopnost zařízení bezchybně pracovat ve svém elektromagnetickém prostředí Je nutné zajistit, aby úrovně emisí rušení z jednotlivých zdrojů byly takové, aby jejich součet nepřekročil očekávané rušení, při kterém mohou ostatní zařízení bezchybně fungovat. Mez odolnosti zařízení proti rušení musí pro daný typ rušení vyšší, než je očekávaná úroveň rušení Kompatibilní úroveň, daná normou, je pak rozhraním mezi úrovní emise rušení všech zdrojů a úrovní odolnosti zařízení proti rušení (vztahy vysvětluje obrázek na další straně)
Vztah mezi úrovní vyzařování (emise E), úrovní odolností zařízení (imunita - I) a kompatibilní úrovní (CL) PL je tzv. plánovací úroveň, využívaná energetickými společnostmi v sítích vn a vvn je nižší než kompatibilní úroveň (rezerva pro budoucí a další nedefinované zdroje rušení)
ČSN EN 61000-2-2 : Kompatibilní úrovně pro nízkofrekvenční rušení šířené vedením a signály ve veřejných rozvodných sítích nízkého napětí Definuje kompatibilní úrovně ve společném napájecím bodu, na rozhraní mezi veřejnou distribuční sítí a odběratelem Platí pro sítě nízkého napětí do 690 V Zabývá se následujícími typy rušení: kolísání napětí a flikr, harmonické až do řádu 50 včetně, meziharmonické až do řádu 50, zkreslení napětí na vyšších kmitočtech (nad 50tou harmonickou), poklesy a krátká přerušení napětí, nesymetrie napětí, přechodná přepětí, změny kmitočtu sítě; stejnosměrné složky; signály v síti Kompatibilní úrovně v normě jsou specifikovány pro všechny typy rušení, které je možné ve veřejných distribučních sítích nízkého napětí očekávat a měly by sloužit výrobcům zařízení jako vodítko pro stanovení mezí odolnosti proti rušení
ČSN EN 61000-2-4 : Kompatibilní úrovně pro nízkofrekvenční rušení šířené vedením v průmyslových závodech Definuje kompatibilní úrovně ve napájecích bodech uvnitř závodu (IPC in-plant point of coupling) nebo jiné neveřejné sítě Platí pro sítě nízkého napětí a vysokého napětí do 35 kv Zabývá se následujícími typy rušení: odchylky napětí, krátkodobé poklesy a krátká přerušení napětí, nesymetrie napětí, změny kmitočtu sítě, harmonické až do řádu 50, meziharmonické až do řádu 50, složky napětí na vyšších kmitočtech (nad 50. harmonickou), stejnosměrná složka, přechodná přepětí. Kompatibilní úrovně v normě jsou specifikovány pro všechny typy rušení, které je možné uvnitř průmyslových sítí očekávat a slouží jako vodítko pro volbu odolnosti zařízení, instalovaných v těchto sítích, proti rušení
Norma definuje 3 třídy elektromagnetického prostředí: Třída 1 týká se chráněných napájení a má kompatibilní úrovně nižší než úrovně pro veřejné rozvodné sítě. Používá se pro uzly, ze kterých jsou připojeny zařízení, která jsou velmi citlivá na rušení v napájecí síti, například přístrojového vybavení laboratoří, některých automatizačních a ochranných zařízení, některých počítačů, atd. Třída 2 - Kompatibilní úrovně této třídy jsou identické s úrovněmi pro veřejné rozvodné sítě, Proto v této třídě průmyslového prostředí mohou být navrhovány prvky pro použití ve veřejných rozvodných sítích. Třída 3 - Tato třída má pro některé jevy rušení vyšší kompatibilní úrovně než třída 2 a měla by se zvažovat, když je splněna jakákoliv z následujících podmínek: převážná část zatížení je napájena přes měniče, jsou provozovány svářečky, velké motory jsou často rozbíhány, zatížení se rychle mění
ČSN EN 61000-2-12 : Kompatibilní úrovně pro nízkofrekvenční rušení šířené vedením a signály ve veřejných rozvodných sítích vysokého napětí Definuje kompatibilní úrovně ve společném napájecím bodu, na rozhraní mezi veřejnou distribuční sítí vn a odběratelem Platí pro sítě vysokého napětí od 1 kv do 35 kv Zabývá se následujícími typy rušení: kolísání napětí a flikr, harmonické až do řádu 50 včetně, meziharmonické až do řádu 50, zkreslení napětí na vyšších kmitočtech (nad 50. harm.), poklesy a krátká přerušení napětí, nesymetrie napětí, přechodná přepětí, změny kmitočtu sítě, stejnosměrné složky, signály v síti. Kompatibilní úrovně v normě jsou specifikovány pro všechny typy rušení, které je možné ve veřejných distribučních sítích nízkého napětí očekávat a měly by sloužit výrobcům zařízení jako vodítko pro stanovení mezí odolnosti proti rušení
ČSN EN 50160 - Charakteristiky elektrické energie dodávané z veřejné distribuční sítě Jedná se o kompromis mezi třemi stranami, které mají vliv na kvalitu elektřiny provozovatelem sítě, uživatelem sítě a výrobcem zařízení. Podstatné je, že dodavatel elektřiny zajišťuje minimální definovanou adekvátní kvalitu napájení. Norma definuje, co může odběratel očekávat v místě napojení do distribuční soustavy nejedná se o EMC normu, nedefinuje kompatibilní úrovně ani limity pro emise rušení elektrických zařízení Definuje důležité parametry napětí z pohledu kvality elektřiny Poskytuje referenční hodnoty, které mohou být použity pro hodnocení kvality elektřiny. Norma platí pro PCC společný napájecí bod (point of common coupling) hranice mezi provozovatelem sítě a uživatelem
Pravidla provozování distribuční soustavy Příloha 3: Kvalita napětí v distribuční soustavě, způsoby jejího zjišťování a hodnocení Vychází z Energetického zákona 458/2000 Sb. a z Vyhlášky Energetického regulačního úřadu č.540/2005 Sb., o kvalitě dodávek elektřiny a souvisejících služeb v elektroenergetice které mj. ukládají provozovateli distribuční soustavy (DS) stanovit parametry kvality napětí a podmínky jejich dodržování uživateli Cílem je definovat kvalitu napětí, která je jedním ze standardů kvality dodávek elektřiny a souvisejících služeb v elektroenergetice, a to stanovením řady parametrů, závazných nebo doporučených pro jednotlivé uživatele DS, způsoby zjišťování jednotlivých parametrů a požadavky na měřicí soupravy pro jejich zjišťování. Dalším cílem je definovat způsoby možného uplatnění parametrů kvality ve smlouvách o distribuci elektřiny.
Pravidla se vztahují: A. na odběratele z distribuční soustavy, připojené ze sítě nn, vn a 110 kv; B. na dodávky elektřiny z přenosové soustavy C. na dodávky elektřiny ze zdrojů připojených do DS A. Charakteristiky, popisující kvalitu napětí, dodávaného z veřejné distribuční sítě, vycházejí z normy ČSN EN 50160 a jsou to: a) kmitočet sítě b) velikost napájecího napětí c) odchylky napájecího napětí d) rychlé změny napětí (velikost rychlých změn napětí a míra vjemu flikru) e) krátkodobé poklesy napájecího napětí f) nesymetrie napájecího napětí
g) harmonická napětí h) meziharmonická napětí i) úrovně napětí signálů v napájecím napětí j) krátkodobá přerušení napájecího napětí k) dlouhodobá přerušení napájecího napětí l) dočasná přepětí o síťovém kmitočtu mezi živými vodiči a zemí m) přechodná přepětí mezi živými vodiči a zemí. Pro charakteristiky a) až i) platí pro odběrná místa z DS s napěťovou úrovní nn a vn: zaručované hodnoty, měřicí intervaly, doby pozorování, mezní pravděpodobnosti splnění stanovených limitů, stanovené v ČSN EN 50160. Pro charakteristiky j) až m) uvádí ČSN EN 50160 pouze informativní hodnoty.
B. Pro hladinu napětí 110 kv a předávací místa PS/DS platí následující charakteristiky: a) kmitočet sítě b) velikost a odchylky napájecího napětí c) rychlé změny napětí (velikost rychlých změn napětí a míra vjemu flikru) d) nesymetrie napájecího napětí e) harmonická napětí f) meziharmonická napětí g) napětí signálů v napájecím napětí (systémy HDO) h) napěťové události (přerušení, dočasné poklesy a zvýšení)
C. Charakteristiky napětí, dodávané regionálními výrobci Výrobce dodávající elektřinu do DS ovlivňuje parametry kvality jednak dodávaným proudem a jeho kolísáním, proudovými rázy při připojování zdroje k síti, dodávkou nebo odsáváním harmonických proudů a proudů signálu HDO ze sítě, dodávkou nebo odsáváním zpětné složky proudu. Projevuje se současně jako zátěž i jako zdroj. Pro elektřinu dodávanou regionálními výrobci platí ve společném napájecím bodě stejné parametry kvality, jako jsou uvedeny v části A pro dodávky elektřiny z DS.
Porovnání kompatibilních úrovní pro harmonická napětí EN 61000-2-4 (průmyslová síť do 35kV) EN 61000-2-2 EN 50160 h Třída 1 Třída 2 Třída 3 veřejná do 690V ustálené krátkodobé ustálené krátkodobé ustálené krátkodobé ustálené krátkodobé 95% 10min 1 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 5 3.00 4.50 6.00 7.80 8.00 12.00 6.00 7.80 6.00 7 3.00 4.50 5.00 6.66 7.00 10.50 5.00 6.66 5.00 11 3.00 4.50 3.50 4.88 5.00 7.50 3.50 4.88 3.50 13 3.00 4.50 3.00 4.27 4.50 6.75 3.00 4.27 3.00 17 2.00 3.00 2.00 2.97 4.00 6.00 2.00 2.97 2.00 19 1.76 2.64 1.76 2.67 3.46 5.18 1.76 2.67 1.50 23 1.41 2.11 1.41 2.22 2.76 4.13 1.41 2.22 1.50 25 1.27 1.91 1.27 2.05 2.49 3.74 1.27 2.05 1.50 29 1.06 1.59 1.06 1.77 2.07 3.10 1.06 1.77 --- 31 0.97 1.46 0.97 1.66 1.90 2.85 0.97 1.66 --- 35 0.83 1.25 0.83 1.47 1.62 2.42 0.83 1.47 --- 37 0.77 1.16 0.77 1.39 1.50 2.25 0.77 1.39 --- 41 0.67 1.01 0.67 1.25 1.30 1.94 0.67 1.25 --- 43 0.63 0.94 0.63 1.19 1.21 1.81 0.63 1.19 --- 47 0.55 0.83 0.55 1.08 1.06 1.59 0.55 1.08 --- 49 0.52 0.78 0.52 1.03 0.99 1.49 0.52 1.03 --- THD 5.00 7.50 8.00 8.00 10.00 15.00 8.00 11.00 8.00
3. Frekvenční měniče jako zdroj rušení V teplárenských provozech jsou při modernizacích používány výhradně regulované asynchronních motory s frekvenčními měniči. U regulovaných pohonů velkých výkonů jsou používány asynchronní motory vn, připojené do sítě 6 kv: přes měničový (dvouvinuťový nebo trojvinuťový) transformátor 6kV/vn (např. ABB ACS 1000) přes speciální transformátor s několika sekundárními vinutími (např. Siemens Robicon) bez měničového transformátoru s oddělovací tlumivkou (např. ABB ACS 2000) U regulovaných pohonů menších výkonů jsou používány asynchronní motory s frekvenčními měniči (s napěťovým meziobvodem), připojenými do sítě nízkého napětí za běžné distribuční transformátory, často spolu s další spotřebou
Prakticky jediným problémem u těchto frekvenčních měničů, který je nutné řešit v oblasti kvality elektřiny jsou harmonické proudy a vyvolaná harmonická napětí na impedanci sítě. Používané frekvenční měniče (i vzhledem k charakteru poháněných zařízení - čerpadla, ventilátory) nezpůsobují v síti jiné problémy (nesymetrie, poklesy napětí,...), v závislosti na způsobu řízení mohou být ale harmonické složky generovány i na vysokých frekvencích nad 2500 Hz. FM jsou ale citlivé na poklesy napětí, vyvolané jinými spotřebiči Příjemnou vlastností nejčastěji používaných frekvenčních měničů s napěťovým meziobvodem a diodovým usměrňovačem na vstupu je to, že odebírají ze sítě výkon s účiníkem blízkým 1,0 Nepříjemnou vlastností výše uvedených měničů naopak je fakt, že generované harmonické proudy nízkých řádů se od paralelně řazených měničů sečítají aritmeticky a nedochází k jejich částečné eliminaci vlivem různých fázových posunů.
Typické schéma regulovaného pohonu s frekvenčním měničem bez vstupního transformátoru
Typické schéma regulovaného pohonu s frekvenčním měničem se vstupním transformátorem
Harmonické proudy, generované ideálním třífázovým šestipulsním usměrňovače
Harmonické proudy generované ideálním třífázovým šestipulsním usměrňovačem
Harmonické proudy generované reálným usměrňovačem (FM s DC meziobvodem)
Snížení harmonických proudů použitím vícepulsního zapojení usměrňovače Pro 12-pusní zapojení jsou eliminovány harmonické řádů 5, 7, 17, 19,... (použití trojvinuťového transformátoru s fázovým posunem hodinových úhlů sekundárních vinutí o 30 Střídavé použití transformátorů Yy a Yd - má význam ho použít i pro dva různé regulované pohony (i s různými výkony) alespoň částečné snížení 5. a 7. harmonické složky.
Další možnosti snížení harmonických Použití řízeného IGBT usměrňovače (active frontend) významně redukuje harmonické nízkých řádů, může se ale objevit problém s pronikáním rušení na spínací frekvenci IGBT prvků do napájecí sítě (je nutný vstupní vyhlazovací filtr součást dodávky FM) Použití pasivních filtrů: Pasivní R-L-C obvody, naladěné například na frekvenci 5. a 7. harmonické, pro jejich filtraci. Zároveň dodávají do sítě kapacitní výkon, který samotné frekvenční měniče nepotřebují, protože pracují s účiníkem blízkým 1.0, tento výkon se musí použít pro kompenzaci neregulovaných asynchronních motorů. Použití aktivních filtrů: založené na podobné součástkové základně, jako FM (IGBT), generují do sítě proud stejné velikosti, ale v protifázi. Zvýšení zkratového výkonu použití distibučního transformátoru s vyšším výkonem, než je nutné z pohledu jeho zatížení
Vliv různých metod snížení harmonických na energetickou účinnost (převzato z materiálů firmy Danfoss)
Vliv charakteristiky napájecí sítě na harmonická napětí Paralelní rezonanční obvod, tvořený napájecím transformátorem a kondenzátorové baterie pro kompenzaci účiníku R110 110kV 16MVA 110/6.3kV 10% R6 6kV 1000kW 300kvar 1000kW 300kvar 1000kW 300kvar 500kW 150kvar 1600kW
Z [Ohm] Vliv charakteristiky napájecí sítě na harmonická napětí 18 16 14 150kvar 450kvar 750kvar 1050kvar 12 10 8 6 4 2 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 f [Hz]
Z [Ohm] Vliv charakteristiky napájecí sítě na harmonická napětí použití hrazené kompenzace (červená), s laděním na 189 Hz 35 Frekvenční charakteristika sítě 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 f [Hz]
4. Příklad realizované instalace Napáječka kotle regulovaný pohon 1550 kw - 12pulsní zapojení) Dva regulované pohony ventilátoru vzduchu (VV 400 kw) a kouřového ventilátoru (KV 940 kw) 6pulsní zapojení R22kV T2 10MVA 22/6,3kV T1 52MVA 22/10,5kV R6kV PRIVOD 22kV TG3 52MVA T3 2000kVA 6/0,69kV T4 2000kVA 6/1,9/1,9kV Dyn11d0 Tx 800-120kVA 6/0,4kV SPOTREBICE NN 400kW 940kW 1550kW 200...1250kW VV KV N51 NEREGULOVANE VENTILATORY NAPAJECKA POHONY
Vypočtené hodnoty harmonických Před instalací FM napáječky byl proveden výpočet harmonických na rozvodně 6 kv pro maximální zatížení všech regulovaných pohonů VÝPOČET Ih [A] Uh [%] h KV VV N51 CELKEM KV + VV N51 CELKEM 1 100,0 40,0 151,0 290,0 100,0 100,0 100,00 5 30,9 15,0 3,2 49,1 2,05 0,14 2,19 7 10,8 6,5 2,1 19,5 1,08 0,13 1,21 11 7,0 3,3 9,4 19,7 1,01 0,92 1,93 13 3,9 2,0 6,2 12,2 0,69 0,72 1,41 17 2,7 1,6 0,3 4,5 0,64 0,05 0,69 19 1,9 1,0 0,2 3,2 0,50 0,03 0,53 23 1,0 0,8 1,8 3,6 0,37 0,37 0,73 25 1,0 0,6 1,6 3,1 0,34 0,36 0,70 THD [%] 33,89 42,33 8,04 20,05 2,79 1,29 3,80
Naměřené hodnoty harmonických Po instalaci FM napáječky bylo provedeno měření harmonických na rozvodně 6 kv pohony KV a VV byly zatíženy jen na 20% (nízká 5. a 7. harmonická), pohon napáječky zatížený na 80% MĚŘENÍ Ih [A] Uh [%] h PŘÍVOD N51 ROZDÍL N51 ZAP N51 VYP ROZDÍL 61000-2-4 1 401 123 278 100,00 100,00 100,00 100,0 5 14 2 12 0,68 0,60 0,08 6,0 7 4 2 2 0,54 0,63-0,09 5,0 11 10 8 2 1,25 0,52 0,73 3,5 13 6 6 0 0,87 0,20 0,67 3,0 17 1 1 0 0,20 0,27-0,07 2,0 19 1 1 0 0,14 0,17-0,03 1,8 23 1 2-1 0,24 0,28-0,04 1,4 25 1 1 0 0,21 0,23-0,02 1,3 THD [%] 4,90 8,60 8,60 1,80 1,14 0,99 8,00
Naměřené hodnoty harmonických Měření bylo provedeno ve stavu s regulovaným pohonem napáječky a bez pohonu napáječky Uh [%] N51 ZAP N51 VYP Norma ČSN EN 61000-2-4 (tř.2) 100,0 10,0 1,0 0,1 1 5 7 11 13 17 19 23 25 THD [%]
Naměřené hodnoty harmonických Vliv pohonu napáječky na napětí a proud 11. harmonické (přívod rozvodny 6 kv)