Razdelilna industrijska omrežja 2015/16

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za elektrotehniko

KAKOVOST ELEKTRIČNE ENERGIJE

Seminarska naloga pri predmetu Razdelilna in industrijska omrežja

Poročilo izdelal: GREGOR LEKAN

Izvajalec predmeta: dr. Grega Bizjak

Študijsko leto 2015/16

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

I

Povzetek

Cilj seminarske naloge je bil čim bolje povzeti vse dimenzije kakovosti električne

energije. Dimenzije kakovosti električne energije so neprekinjenost napajanja,

komercialna kakovost in kakovost napetosti. Skušal sem predstaviti probleme s katerimi

se v praksi srečujemo in kako jih rešujemo.

Ključne besede: kakovost električne energije, harmoniki, zanesljivost

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

II

Gregor Lekan

Kazalo 1. Uvod ....................................................................................................................... 1

2. Definicija kakovosti električne energije ................................................................. 2

3. Neprekinjenost napajanja ....................................................................................... 3

3.1 Neprekinjenost napajanja v Sloveniji .............................................................. 5

4. Komercialna kakovost električne energije ............................................................. 7

5. Kakovost napetosti ................................................................................................. 9

5.1 Omrežna frekvenca .......................................................................................... 9

5.2 Velikost napajalne napetosti .......................................................................... 10

5.3 Odklon napajalne napetosti ............................................................................ 10

5.4 Hitre spremembe napetosti ............................................................................ 10

5.5 Upad napajalne napetosti ............................................................................... 12

5.6 Prekinitve napetosti ........................................................................................ 13

5.6.1 Načrtovane in nenačrtovane prekinitve napajanja .................................... 14

5.6.2 Razvrstitev po trajanju .............................................................................. 14

5.7 Prehodne (tranzientne) prenapetosti med faznimi vodniki in zemljo ............ 15

5.8 Občasne prenapetosti omrežne frekvence med faznimi vodniki in zemljo ... 16

5.9 Neravnotežje napajalne napetosti .................................................................. 16

5.10 Harmonska napetost ....................................................................................... 16

5.10.1 Viri harmonskih napetosti in tokov .......................................................... 18

5.10.2 Preprečitev harmonskega popačenja ........................................................ 20

5.11 Medharmonske napetosti ............................................................................... 20

5.12 Signalna napetost ........................................................................................... 20

6. Zaključek .............................................................................................................. 22

7. Viri ........................................................................................................................ 25

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

III

Gregor Lekan

Seznam uporabljenih kratic

THD angleško: Total Harmonic Distortion

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

1

1. Uvod

Dostop do električne energije je v zadnjih desetletjih postal nekaj samoumevnega. Preko

elektroenergetskega sistema se napajajo gospodinjstva, komercialne zgradbe in

industrija. Za povezavo med končnimi porabniki in proizvodnimi enotami skrbijo

sistemski operaterji prenosnega in distribucijskega omrežja. Slednji s skrbnim

načrtovanjem elektroenergetskega sistema skrbijo za obnavljanje sistema in postavitvijo

novih povezav. Njihov glavni cilj je zagotoviti čim bolj nemoteno obratovanje sistema

ter s tem zadovoljiti potrebe odjemalcev, ki so električno energijo plačali.

Že nekaj časa pa sam dostop do elektroenergetskega sistema ni več dovolj. V stroki zelo

pogosto slišimo izraz »kakovost električne energije«. Odjemalci na omrežje priklapljajo

bremena, ki za delovanje uporabljajo mikroprocesorske enote. Taka bremena so zelo

občutljiva na razne izpade in kakovost napetosti. Iz tega razloga zahtevajo odjemalci

čim bolj zanesljivo omrežje in napetost s točno določenimi parametri. Vsaka nevšečnost

namreč povzroči izgubo kapitala. Prav tako se v industriji aplicirajo motorji, ki jih

krmilijo frekvenčni pretvorniki. Te naprave vsebujejo nelinearne polprevodniške

elemente, ki slabšajo kakovost napetosti. Kompenzatorji jalove moči lahko ojačijo

harmonsko popačenje napetosti in privedejo do resonančnih razmer in dodatnih izgub.

Na kakovost vplivajo tudi razpršeni viri električne energije. Omrežje je treba tako

skrbno načrtovani, da čim bolj omilimo učinke teh motenj [1],[2].

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

2

Gregor Lekan

2. Definicija kakovosti električne energije

V literaturi in praksi lahko obstaja več različnih definicij kakovosti električne energije.

Vsak si lahko ta pojem razlaga drugače oz. ga uporabi v svojo prid. Na primer, operater

distribucijskega omrežja lahko definira kakovost električne energije kot zanesljivost

sistema in trdi, da je sistem 99,9% zanesljiv. Po drugi strani proizvajalci bremen

definirajo kvaliteto električne energije kot tiste karakteristike dovedene energije, ki

omogočajo nemoteno obratovanje njihovih bremen. S stališča odjemalca je vsako

nepravilno delovanje bremen, ki se je pojavilo zaradi prevelikega odstopanja napetosti,

toka ali frekvence, problem kakovosti električne energije[2].

Kakovost električne energije je v Sloveniji opredeljena v Energetskem zakonu (EZ-1),

ki je bil sprejet 24. februarja 2014. Pod drugo točko v 127. členu zakona je zapisano [3]:

» (2) Kakovost oskrbe v okviru izvajanja dejavnosti distribucijskega operaterja se

ugotavlja glede na naslednje dimenzije kakovosti:

– kakovost napetosti,

– komercialno kakovost in

– neprekinjenost napajanja.«

Natančneje je kakovost oskrbe opisana v podzakonskih aktih.

V členu je še zapisano, da za kakovost oskrbe vedno odgovarja distributer omrežja.

Nadzor nad kakovostjo oskrbe v Sloveniji opravlja Agencija za energijo. Od

distribucijskega operaterja se zahteva, da vsako leto do konca aprila objavi poročilo o

neprekinjenosti napajanja, komercialni kakovosti in kakovosti napetosti za prejšnje

koledarsko leto [4].

Glavne značilnosti napajalne napetosti, ki določajo kakovost napetosti, so zapisane v

standardu SIST EN 50160. Zajete so značilnosti napetosti na predajnih mestih električne

energije odjemalcu na nizkonapetostnem in srednjenapetostnem distribucijskem

omrežju pri normalnih obratovalnih pogojih [6].

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

3

Gregor Lekan

3. Neprekinjenost napajanja

Zanesljivost elektroenergetskega sistema zajema sigurnost in zadostnost. Sigurnost

pomeni odpornost sistema na motnje, zadostnost pa se nanaša na zadostno stopnjo

razvitosti sistema, ki vpliva na zahtevan nivo kakovosti električne energije. Pod

kakovost električne energije spada tudi neprekinjenost napajanja. Vsaka nenačrtovana

prekinitev napajanja povzroči odjemalcu finančno škodo. V Aktu o metodologiji za

določitev omrežnine in kriterijih za ugotavljanje upravičenih stroškov za

elektroenergetska omrežja in metodologiji za obračunavanje omrežnine in Aktu o

metodologiji za določitev regulativnega okvira in metodologiji za obračunavanje

omrežnine za elektrooperaterje so opisani minimalni standardi neprekinjenosti

napajanja, ki jih delimo na sistemske in zajamčene standarde.

Zajamčeni standardi: Določeni so z maksimalnim dopustnim trajanjem in

številom nenačrtovanih prekinitev (daljših od 3 minut), ki so posledica lastnih

vzrokov sistemskega operaterja.

Sistemski standardi: Določajo referenčno raven kakovosti oskrbe, ki jo mora

doseči sistemski operater v naprej določenem obdobju, da se približa ciljni ravni

neprekinjenosti napajanja.

V primeru, da operater krši zajamčen standard kakovosti električne energije in s tem

povzroči odjemalcu finančno škodo, je dolžan plačati nadomestilo [4],[5].

Prekinitve napajanja so definirane v standardu SIST EN 50160. Prekinitev napajalne

napetosti nastopi takrat, ko napetost na predajnem mestu manjša od 1% nazivne

vrednosti. Prekinitve ločimo na načrtovane in nenačrtovane. Pri načrtovanih prekinitvah

so odjemalci o prekinitvi predhodno obveščeni. Nenačrtovana prekinitev nastane zaradi

trajnih ali prehodnih okvar, ki so posledica zunanjih vplivov in odpovedi opreme.

Naprej ločimo prekinitve na kratkotrajne in dolgotrajne prekinitve napajanja. Prve

trajajo do treh minut in so posledica prehodnih okvar. Pri normalnih obratovalnih

pogojih je mogoče letno pričakovati od nekaj 10 do nekaj 100 kratkotrajnih prekinitev.

Dolgotrajne prekinitve napajanja povzroči trajna okvara in trajajo dlje od treh minut.

Letna pogostost takih prekinitev je pri normalnem obratovanju manjša od 10, povzpne

pa se lahko tudi do 50. Nenačrtovane prekinitve po vzroku ločimo na lastne (krivdo

privzame sistemski operater) ter tuje vzroke in višjo silo, na katere operater nima vpliva

[9],[10].

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

4

Gregor Lekan

V realnosti seveda ni mogoče in niti ni zaželeno, da bi se izognili prav vsem motnjam

in prekinitvam v sistemu. Zanesljivost tako velja kot »dobra«, ko bi stroški, ki bi jih

porabili za dodatno nadgradnjo omrežja, presegajo stroške, ki nastanejo zaradi tistih

prekinitev. Z drugimi besedami nas zanima za koliko se poveča zanesljivost sistema pri

vloženem evru v nadgradnjo na nekem delu omrežja [11].

Na število prekinitev vpliva mnogo stvari. Pogosti so stiki dreves, sneg, žled, veter in

živali. Polege tega pride do prekinitev tudi zaradi poškodovanih oz. starih komponent

omrežja, vandalizma in drugih človeških napak. Operaterji distribucijskih omrežij s

pomočjo analize tveganja načrtujejo omrežje. Vedno je zagotovljen kriterij n-1, ki

zagotavlja normalno obratovanje sistema ob izpadu ene enote. Dober način za

omejevanje daljših prekinitev je tudi sekcioniranje omrežja. Gre se za to, da z odklopniki

in varovalkami izločimo mesto okvare in tako poskrbimo za izpad manjšega števila

odjemalcev. Pomembna je tudi topologija omrežja. Najslabše zanesljivosti so deležni

odjemalci na koncu radialnih omrežij. S paralelno vezavo elementov omrežja

omogočimo napajanje bremen po drugi poti, v primeru izpada enega elementa [11].

Statistika zanesljivosti, ki zajema daljše prekinitve napajanja, služi kot glavni indikator

kakovosti električne energije za operaterje omrežja in regulatorje. Regulatorji od

operaterjev zahtevajo letna poročila o zanesljivosti sistema. Prevelika odstopanja od

dogovorjenih vrednosti se kaznujejo, hkrati pa se zadovoljiva kakovost lahko tudi

nagrajuje. Za merilo se uporabljajo kazalniki zanesljivosti. Najpogostejša kazalnika sta

SAIFI (indeks povprečne frekvence izpada sistema) in SAIDI (indeks povprečnega

trajanja izpada sistema).

𝑆𝐴𝐼𝐷𝐼 =𝑣𝑠𝑜𝑡𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑗𝑎𝑛𝑗𝑎 𝑣𝑠𝑒ℎ 𝑝𝑟𝑒𝑘𝑖𝑛𝑖𝑡𝑒𝑣 𝑛𝑎𝑝𝑎𝑗𝑎𝑛𝑗𝑎

𝑐𝑒𝑙𝑜𝑡𝑛𝑜 š𝑡𝑒𝑣𝑖𝑙𝑜 𝑢𝑝𝑜𝑟𝑎𝑏𝑛𝑖𝑘𝑜𝑣

𝑆𝐴𝐼𝐹𝐼 =š𝑡𝑒𝑣𝑖𝑙𝑜 𝑣𝑠𝑒ℎ 𝑝𝑟𝑒𝑘𝑖𝑛𝑖𝑡𝑒𝑣 𝑝𝑜𝑟𝑎𝑏𝑛𝑖𝑘𝑜𝑣

𝑐𝑒𝑙𝑜𝑡𝑛𝑜 š𝑡𝑒𝑣𝑖𝑙𝑜 𝑢𝑝𝑜𝑟𝑎𝑏𝑛𝑖𝑘𝑜𝑣

Kot rečeno se kazalnika izračunavata na podlagi dolgotrajnih prekinitev. Po

informacijah od Agencije za energijo se trenutno zajemajo podatki o prekinitvah le na

SN sistemu, saj v NN sistemu še ni vgrajene ustrezne tehnološke rešitve za avtomatsko

beleženje prekinitev. Podobno kot dolgoročne prekinitve (SAIFI) se beleži tudi število

kratkotrajnih prekinitev (kazalnik MAIFI) [10].

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

5

Gregor Lekan

Pomemben je še kazalnik CAIDI, ki nam prikaže povprečno trajanje prekinitev

uporabnika.

𝐶𝐴𝐼𝐷𝐼 =𝑆𝐴𝐼𝐷𝐼

𝑆𝐴𝐼𝐹𝐼=

𝑡𝑟𝑎𝑗𝑎𝑛𝑗𝑒 𝑣𝑠𝑒ℎ 𝑝𝑟𝑒𝑘𝑖𝑛𝑖𝑡𝑒𝑣 𝑛𝑎𝑝𝑎𝑗𝑎𝑛𝑗𝑎

š𝑡𝑒𝑣𝑖𝑙𝑜 𝑝𝑟𝑒𝑘𝑖𝑛𝑖𝑡𝑒𝑣

3.1 Neprekinjenost napajanja v Sloveniji

Elektrodistribucijska podjetja in sistemski operater vsako leto izdata letno poročilo o

kakovosti napetosti, komercialni kakovosti in neprekinjenosti napajanja.

V naslednjih tabelah se nahajata kazalca neprekinjenosti SAIDI in SAIFI za tipe

dolgotrajnih prekinitev.

Table 1: Parametra SAIDI in SAIFI po letih za nenačrtovane prekinitve – lastni vzroki [10]

Za primer lahko vidimo parameter SAIDI v letu 2014 pri Elektro Ljubljana. Zaradi

lastnih vzrokov je prekinitev na odjemalca v povprečju trajala 44,3min. Trend zadnjih

let kaže na zniževanje parametra in izboljšanje kakovosti dobave električne energije.

Prav tako se izboljšuje kazalec SAIFI, ki v letu 2014 znaša 0,86 prekinitev na odjemalca.

V nadaljevanju večjega izboljšanja ni pričakovati, saj so vrednosti kazalcev

neprekinjenosti napajanja SAIFI in SAIDI dosegli ciljne vrednosti, ki jih je določila

Agencija za energijo [10].

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

6

Gregor Lekan

Table 2: Parametra SAIDI in SAIFI po letih za nenačrtovane prekinitve – tuji vzroki [10]

Pod tuje vzroke spadajo vzroki, ki jih povzroči nekdo drug in sistemski operater nanje

nima vpliva. Pod to kategorijo spadajo živali, vandalizem, zemeljska dela, padec dreves

zaradi poseka itd. Vidimo, da je tako trajanje kot število dolgotrajnih prekinitev zaradi

tujih vzrokov krajše od tistih zaradi lastnih vzrokov.

Table 3: Parametra SAIDI in SAIFI po letih za nenačrtovane prekinitve – višja sila [10]

Iz tabele je razvidno, da je nihanje kazalnikov v primeru nenačrtovanih prekinitev zaradi

višje sile najmanj konstantno. V večini primerov je število prekinitev zaradi lastnih

vzrokov večja od tistih zaradi višje sile. Leto 2014 je izjema, saj se je v januarju in

februarju pojavil žled, ki je močno pokvaril kakovost električne energije.

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

7

Gregor Lekan

4. Komercialna kakovost električne energije

Z razliko od neprekinjenosti napajanja in kakovosti napetosti se komercialna kakovost

nanaša na ne-tehnične storitve. Pomembno je razmerje med ponudnikom električne

energije in odjemalcem. Zavezanci za poročanje o komercialni kakovosti so samo

elektrodistribucijska podjetja. Kakovost se meri v odzivnih časih na posamezne storitve.

Prav tako kot za neprekinjenost napajanja tudi tu veljajo minimalni zajamčeni in

sistemski standardi. Zapisani so v Akt o metodologiji za določitev regulativnega okvira

in metodologiji za obračunavanje omrežnine za elektrooperaterje. Standarde

prikazujeta tabela 4 in 5 [4].

Sistemski standardi se nanašajo na minimalno raven kakovosti izvajanja storitev, ki jo

uporabniki lahko pričakujejo od distribucijskega operaterja ali distribucijskega podjetja

z določenim deležem odstopanja. Uporabniki lahko ocenijo trajanje izvršitve storitve,

nimajo pa zagotovil, da bo kakovost oskrbe ravno takšna.

Zajamčeni standardi komercialne kakovosti se nanašajo na minimalne kakovosti

storitev, ki jih je distribucijski operater dolžan zagotavljati vsem porabnikom. V

primeru, da sistemski operater ob izvajanju storitve dokazano krši zajamčene standarde,

je uporabnik upravičen do kompenzacije.

Table 4: Sistemski standardi komercialne kakovosti

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

8

Gregor Lekan

Table 5: Zajamčeni standardi komercialne kakovosti

Naša elektrodistribucijska podjetja so morala:

- spremljati in poročati parametre komercialne kakovosti (parametri navedeni kot

sistemski in zajamčeni standardi v tabelah 4 in 5),

- spremljati in poročati pritožbe s področja komercialne kakovosti ter

- spremljati in poročati izplačana nadomestila ob kršitvah zajamčenih standardov

s področja komercialne kakovosti

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

9

Gregor Lekan

5. Kakovost napetosti

Mnogi ob prvi omembi kakovosti električne energije pomislijo na kakovost napetosti.

Napetost mora biti na različnih prevzemnih mestih, kjer so priključeni odjemalci,

približno konstantna. Poznamo več različnih odstopanj od popolne oblike napetosti v

omrežju. Operater distribucijskega omrežja mora zagotoviti, da so ta odstopanja vedno

v mejah, ki jih določa standard SIST EN 50610:2011 (Voltage characteristics of

electricity supplied by public distribution networks/Značilnosti napetosti v javnih

razdelilnih omrežjih). Standard določuje in opisuje trinajst parametrov oz. značilnosti

napetosti. S temi parametri opišemo kakovost napetosti.

Parametri napetosti so:

Frekvenca napetosti,

velikost napajalne napetosti,

odklon napajalne napetosti,

hitre napetostne spremembe (fliker),

upade napajalne napetosti,

kratkotrajne prekinitve napajalne napetosti,

dolgotrajne prekinitve napajalne napetosti,

prehodne (tranzientne) prenapetosti med faznimi vodniki in zemljo,

občasne prenapetosti omrežne frekvence med faznimi vodniki in zemljo,

neravnotežje napajalne napetosti,

harmonsko napetost,

medharmonsko napetost in

signalno napetost.

5.1 Omrežna frekvenca

Nazivna frekvenca napajalne napetosti v omrežju je 50Hz. Frekvenco se meri v

intervalih po 10s v nekem časovnem obdobju. Srednja vrednost osnovne frekvence mora

biti v naslednjih mejah:

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

10

Gregor Lekan

Za sisteme, ki obratujejo v interkonekciji:

o 50Hz+-1% (to je od 49,5 do 50,5 Hz) v 99,5% leta

o 50Hz +4%/-6% (to je od 47 do 52 Hz) v vsem (100%) času

Za sisteme, ki obratujejo otočno:

o 50Hz+-2% (to je od 49 do 51 Hz) v 95% enega tedna

o 50Hz+-15% (to je od 42,5 do 57,5 Hz) v vsem (100%) času

V tem primeru enake omejitve veljajo za NN omrežje kot za SN omrežje.

5.2 Velikost napajalne napetosti

Standardizirana nazivna napetost v javnih nizkonapetostnih omrežjih je:

V štirivodnih trifaznih sistemih:

o Un=230V med linijskimi (faznimi) in nevtralnim vodnikom

V srednjenapetostnih omrežjih je velikost napajalne napetosti enaka nazivni vrednosti

omrežja. Nazivna efektivna vrednost srednje napetosti (SN) je med 1000 in 35000V.

5.3 Odklon napajalne napetosti

V normalnih obratovalnih pogojih (brez prekinitev napajanja) morajo biti v katerem koli

tednu 95% 10minutnih srednjih efektivnih vrednosti dogovorjene napajalne napetosti v

mejah +- 10%. To velja za NN in SN. [9]

5.4 Hitre spremembe napetosti

Velikost hitrih sprememb napetosti

Nizka napetost

Hitre spremembe napajalne napetosti so večinoma povzročene zaradi spremembe

odjemalčevih bremen ali stikanj v omrežju. Ob normalnih obratovalnih pogojih naj hitre

spremembe ne presegajo 5% Un. V posebnih pogojih lahko nastanejo kratkotrajne

spremembe napetosti v velikosti do 10% Un.[6]

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

11

Gregor Lekan

Srednja napetost

Ob normalnih obratovalnih pogojih naj hitre spremembe ne presegajo 4% Un. V

posebnih pogojih lahko nastanejo kratkotrajne spremembe napetosti v velikosti do 6%

Un. [9]

Utripanje oz. fliker

Utripanje se pojavi zaradi hitrih vklopov in izklopov bremen kot so npr. motorji, talilne

peči in dvigala. Povzroča ga več zaporednih napetostnih sprememb, ki ne presegajo

mejnih vrednosti. Utripanje ne poškoduje naprav, niti ne zmoti občutljive opreme kot

so procesorji. Gre za pojav, ki je za uporabnika moteč. Povzroča utripanje žarnic,

monitorjev, televizorjev itd.

Slika 1: GE fliker krivulja

Na sliki 1 je prikazana GE fliker krivulja zapisana v standardu IEEE Std. 141-1993.

Spodnja krivulja označuje mejo pri kateri je utripanje zaznavno. Zgornja krivulja

prikazuje mejo, pri kateri utripanje postane moteče. Kako moteče je utripanje je odvisno

od frekvence utripanja in spremembe napetosti glede na nazivno.

Z UIE- IEC merilno metodo opredelimo zaznavanje utripanja. Spremembe napetosti z

metodo pretvorimo v parameter, ki je sorazmeren z zaznavanjem utripanja. Z metodo

dobimo dva indikatorja jakosti utripanja.

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

12

Gregor Lekan

Indikator jakosti kratkotrajnega utripanja (PST)

o Merimo utripanje v intervalu 10 minut. Primeren je za določevanje

jakosti utripanja, ki ga povzročijo kratkotrajne motnje oz. v primeru, ko

je motnja in utripanje, ki ga ta motnja povzroča, konstantno.

Indikator jakosti dolgotrajnega utripanja

o Primeren je za določevanje jakosti utripanja v primerih, ko je obratovalni

cikel naprave, ki povzroča utripanje, dolg in se s časom spreminja (talilne

peči).

o Dobimo ga po enačbi: 𝑃𝐿𝑇 = √∑𝑃𝑠𝑡𝑖

3

1212𝑖=1

3

Po standardu SIST EN 50160 mora biti ob normalnih obratovalnih pogojih v

kateremkoli tednu dolgotrajna jakost utripanja v 95% časa manjša ali enaka 1. 𝑃𝐿𝑇 ≤ 1

5.5 Upad napajalne napetosti

Upad napetosti je definiran kot nenadno znižanje izmenične napajalne napetosti na

območje med 90% in 10% referenčne vrednosti, ki mu po določenem kratkem času sledi

povratek na referenčno vrednost. Čas do povratka je lahko od nekaj ciklov, do nekaj

sekund. Upad napetost je najpogosteje karakteriziran z dvema parametroma [8]:

Globina upada napetosti ∆V: Definirana je kot razlika med referenčno

vrednostjo napetosti in napetostjo med motnjo. Večinoma je podana v procentih

referenčne napetosti.

Čas trajanja upada ∆t: Čas, ko se napetost nahaja pod mejno vrednostjo upada

napetosti (pod 90%Un).

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

13

Gregor Lekan

Viri upadov napajalne napetosti so večinoma

napake na samem distribucijskem omrežju ali pa

na električni napeljavi odjemalca. Globina

upada napetosti v točki opazovanja je odvisna od

oddaljenosti napake od te točke. Upad je večji,

če pride do kratkega stika v bližini točke

opazovanja. Trajanje upadov je v tem primeru

približno določeno z izklopnimi časi

odklopnikov in varovalk, ki izolirajo mesto

napake. Upade povzročajo tudi vklopi velikih

bremen v omrežje npr. motorjev, ki v času

zagona povzročijo velike tokove. Čas trajanja

upada je torej določen s tem prehodnim

pojavom.

Upade napetosti lahko zmanjšamo z redno

oskrbo omrežja in naprav, s krajšimi odklopnimi

časi odklopnikov in varovalk in pa z

omejevanjem toka kratkega stika [8]

V standardu SIST EN 50160 so zapisane okvirne vrednosti za upade napetosti. Ob

normalnih obratovalnih pogojih sme biti število upadov napetosti od nekaj deset do

tisoč. Večina upadov napetosti traja manj kot sekundo in ima globino upada manjšo kot

60%. Redkeje nastanejo napetostni upadi z večjo globino in daljšim trajanjem. To velja

za NN in SN.

5.6 Prekinitve napetosti

Prekinitve ločimo po vzroku nastanka, trajanju in po tem ali so bile prekinitve

načrtovane ali nepričakovane. Definirane so v standardu SIST EN 50160, nekoliko

podrobneje pa so opredeljene tudi v Aktu o pravilih monitoringa kakovosti oskrbe

z električno energijo. Prekinitev napajalne napetosti nastopi takrat, ko je napetost na

predajnem mestu manjša od 1% nazivne vrednosti.

Slika 2: Upad napetosti

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

14

Gregor Lekan

Vzroki za nastanek

Lastni vzroki so vzroki nastanka prekinitev, ki jih ni mogoče opredeliti kot tuje vzroke

ali višjo silo. Lahko so posledica vzdrževanja, obnove, stikalnih manipulacij

(prenapajanje, varnostni izklop), starost materiala itd. Med lastne vzroke štejejo tudi

atmosferske razelektritve.

Tuji vzroki so vzroki, ki jih je povzročila »tretja oseba« npr. posek drevja, zemeljska

deal, živali, vandalizem, razpad sistema itd. Med tuje vzroke se štejejo vsa nenormalna

obratovalna stanja, ki so določena v slovenskem standardu SIST EN 50160.

Višja sila je naravni dogodek zunaj okvira dejavnosti elektrooperaterja npr. sneg, žled,

vihar, orkan, snežni plaz, požar, poplava itd. [13]

5.6.1 Načrtovane in nenačrtovane prekinitve napajanja

Načrtovana prekinitev je prekinitev, o kateri so uporabniki predhodno obveščeni.

Nastopijo takrat, ko se izvajajo načrtovana dela na sistemu. Posledice načrtovanih

prekinitev oskrbe je mogoče pri porabniku zmanjšati z ustreznimi ukrepi.

Nenačrtovana prekinitev je prekinitev, ki jo povzročajo trajne ali prehodne okvare,

katerih vzrok so navadno zunanji dogodki, okvara opreme ali motnje. Nenačrtovane

prekinitve napajanja so nepredvideni in naključni dogodki, ki jih distributer ne

pričakuje. [13]

5.6.2 Razvrstitev po trajanju

Kratkotrajna prekinitev napajanja

Kratkotrajna prekinitev napajanja je prekinitev, krajša ali enaka trem minutam, ki jo

praviloma povzroči prehodna okvara. [13]

V standardu SIST EN 50160 so zapisane le okvirne vrednosti kratkotrajnih prekinitev.

Letno je mogoče pričakovati od nekaj deset do nekaj sto kratkotrajnih prekinitev.

Približno 70% jih lahko traja manj kot eno sekundo. [9]

Dolgotrajna prekinitev napajanja

Dolgotrajna prekinitev napajanja je prekinitev daljša od treh minut, ki jo praviloma

povzroči trajna okvara. Značilnih vrednosti v SIST EN 50160 ni podanih, saj letne

pogostosti zaradi nepredvidljivosti ni mogoče natančno določiti. Ob normalnih

obratovalnih pogojih je lahko takih prekinitev manj kot 10, na nekaterih območjih pa se

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

15

Gregor Lekan

številka povzpne do 50. Te okvirne vrednosti ne zajemajo načrtovanih prekinitev

[9],[13].

5.7 Prehodne (tranzientne) prenapetosti med faznimi vodniki in

zemljo

V standardu je zapisano, da napetosti na NN in SN omrežju lahko nihajo med -10% in

+10% nazivne vrednosti. Vsaka napetost, ki presega mejo +10% nazivne vrednosti, je

klasificirana kot prenapetost. Prehodne prenapetosti so kratkotrajne prenapetosti, ki

trajajo nekaj milisekund ali manj in so običajno ene polaritete. Za prenapetosti sta

značilna podatka:

Čas trajanja do temenske vrednosti (T1 na sliki) in pa čas hrbta (T2 na sliki)

Strmina čela vala, ki je podana v kV/µs.

Slika 3: Vrste prenapetosti [14]

Notranje prenapetosti so tiste prenapetosti, ki nastanejo znotraj opazovanega tokokroga.

Te so večinoma pojav stikalnih manevrov v tokokrogu. Zunanje prenapetosti so tiste

prenapetosti, ki izvirajo izven opazovanega tokokroga. Sem sodijo tiste, ki so posledica

atmosferskih razelektritev. V primeru, ko opazujemo distribucijsko omrežje, so zunanje

prenapetosti tudi tiste, ki nastanejo na prenosnem omrežju in se jih opazi na

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

16

Gregor Lekan

distribucijskem omrežju. Vse prenapetosti skušamo omejevati s prenapetostno zaščito

[14].

V NN omrežjih so večinoma prisotne prenapetosti, ki ne presegajo 6kV.[9]

5.8 Občasne prenapetosti omrežne frekvence med faznimi

vodniki in zemljo

Občasne prenapetosti so trenutne prenapetosti omrežne frekvence. Največkrat so

posledica okvare v javnem distribucijskem omrežju ali pa v odjemalčevi napeljavi.

Jakost občasne prenapetosti je odvisna od načina ozemljitve nevtralne točke omrežja. V

primeru direktno oz. preko upora ozemljene nevtralne točke občasna prenapetost ne sme

preseči 170% dogovorjene vrednosti. V primeru izolirane nevtralne točke in ozemljitve

z dušilko, prenapetost ne sme preseči 200% dogovorjene vrednosti.[9]

5.9 Neravnotežje napajalne napetosti

Neravnotežje napajalne napetosti se pojavi, ko efektivne vrednosti vseh treh faz niso

enake po amplitudi oz. fazni koti med seboj niso enaki. Nesimetričen sistem faznih

napetosti opišemo s simetričnimi komponentami. Nesimetričen sistem predstavimo z

direktnim, inverznim in ničelnim sistemom. V standardu SIST EN 50160 je zapisano,

da mora biti pri normalnih obratovalnih pogojih v kateremkoli tednu 95% vseh

10minutnih srednjih efektivnih vrednosti inverzne komponente napajalnih napetosti

med 0 in 2% direktne komponente. Nesimetrije nastajajo tam, kjer so faze zelo različno

obremenjene. [9] ,[16]

5.10 Harmonska napetost

V omrežju, kjer je prisotno veliko nelinearnih naprav, katerih tok ni proporcionalen z

njihovo napajalno napetostjo, se pojavljajo harmoniki. Gre za harmonsko popačenje

toka in napetosti.

Vsako periodično funkcijo, ki je na nekem intervalu zvezna in odsekovno odvedljiva,

lahko opišemo z vsoto sinusnih funkcij, katerih frekvenca je večkratnih frekvence

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

17

Gregor Lekan

osnovnega popačenega signala. To storimo s pomočjo Fourierove trigonometrične

funkcije. Periodično funkcijo opišemo tako z enačbo:

𝑌(𝑡) = 𝑌0 + ∑ 𝑌𝑚𝑎𝑥,𝑛𝑐𝑜𝑠(𝑛𝑡 − 𝛿𝑛)

𝑛=1

𝑌0 enosmerna komponenta signala

𝑌𝑚𝑎𝑥,𝑛 amplituda n-te harmonske komponente

krožna frekvenca

𝛿𝑛 fazni zamik n-te harmonske komponente

Harmoniki oz. harmonske napetosti so sinusne/kosinusne napetosti, katerih frekvenc so

večkratniki omrežne frekvence (f=50Hz).

Slika 4: Harmonske komponente periodičnega signala

Harmonsko popačenje povzroči tudi spremembo izračuna nekaterih električnih veličin

kot so delovna, jalova in navidezna moč ter faktor moči. Vrednost harmonskega

popačenja lahko ovrednotimo s posamičnimi izračuni relativnih vrednosti harmonikov

ali pa s skupnim faktorjem harmonskega popačenja THD.

Relativne vrednosti harmonske napetosti so razmerja med efektivno vrednostjo

harmonske napetosti in efektivno vrednostjo osnovne komponente: 𝑢𝑛 =𝑈𝑛

𝑈1

Skupno harmonsko popačenje izračunamo po enačbi:

𝑇𝐻𝐷 =√∑ 𝑈𝑛

2𝑛𝑚𝑎𝑥𝑛=2

𝑈1

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

18

Gregor Lekan

Gre torej za razmerje med efektivno vrednostjo napetosti od 2. do nmax harmonske

komponente in efektivno vrednostjo osnovne komponente.

V standardu SIST EN 50160 je zapisano, da mora biti ob normalnih pogojih v katerem

koli tednu 95% vseh 10 minutnih srednjih efektivnih vrednosti posameznih harmonskih

komponent manjših ali enakih od vrednosti iz razpredelnice. Velja tudi, da mora biti

THD napajalne napetosti (vključujoč reda 40) manjši ali enak 8%. [9]

Table 6: Mejne vrednosti harmonikov zapisane v standardu SIST EN 50160

Lihi harmoniki Sodi harmoniki

Niso večkratniki števila 3 Večkratniki števila 3

Red harmonika uh% Red uh% Red uh%

5 6 3 5* 2 2

7 5 9 1.5 4 1

11 3.5 15 0.5 6 do 24 0.5

13 3 21 0.5

17 2

19 1.5

23 1.5

25 1.5 *Glede na konfiguracijo omrežja je lahko vrednost tretjega harmonika tudi bistveno manjša

5.10.1 Viri harmonskih napetosti in tokov

Virov, ki povzročajo harmonsko popačenje napetosti je več. Večinoma je harmonsko

popačenje vzrok skupka bremen z nelinearno napetostno oz. tokovno karakteristiko.

Harmonike povzročajo fluorescentne sijalke, ki za svoje delovanje potrebujejo

predstikalno napravo, ki omogoča vžig in stabilizacijo toka v fazi gorenja. Predstikalna

naprava je lahko elektromagnetna oz. elektronska. [15]

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

19

Gregor Lekan

Slika 5: a) Predstavlja tok sijalke pri elektromagnetni predstikalni napravi, b) predstavlja tok

sijalke pri elektronski predstikalni napravi

Velik vir harmonikov so tudi motorji, krmiljeni s frekvenčnimi pretvorniki. Pojavljajo

se v prezračevalnih sistemih, dvigalih in pri mnogih procesih v industriji.

Slika 6: Tok in spekter harmonskega popačenja za motor napajan preko trifaznega frekvenčnega

pretvornika

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

20

Gregor Lekan

Harmonsko popačenje se pojavi tudi v napravah, ki imajo magnetno jedro z nelinearno

karakteristiko. To so transformatorji in nekatere dušilke. Kompenzatorji jalove energije

sami ne povzročajo harmonskega popačenja, ga pa ojačijo in lahko privedejo do

resonančnih razmer. [15]

5.10.2 Preprečitev harmonskega popačenja

Harmonsko popačenje pogosto omejimo s filtriranjem. Uporabljamo aktivne in pasivne

filtre. Slednji so sestavljeni iz pasivnih elementov kot so upori, kondenzatorji in dušilke.

Najbolj ugodno je, da so nameščeni blizu vira harmonskega popačenja. Filter lahko

vežemo serijsko ali paralelno. Pri serijski vezavi je pasovni filter izveden kot paralelni

resonančni krog, ki ima pri nekaterih frekvencah zelo visoke impedance. Tako lahko

izbranim harmonskim komponentam toka preprečuje prehod preko filtra. Večinoma pa

so filtri vezani paralelno in so izvedeni kot serijski resonančni krog. Tako izveden filter

ima za nekatere frekvence zanemarljivo impedanco in te harmonske komponente odvaja

v zemljo. Modernejši način izločevanja harmonikov je uporaba aktivnih filtrov. Aktivni

filtri za delovanje uporabljajo močnostno elektroniko. Sestavljajo ga tudi merilna enota

harmonskega toka, krmilni sistem, zaščita in visokonapetostni transformator.[15],[7]

5.11 Medharmonske napetosti

To je sinusna napetost, katere frekvenca ni večkratnik osnovne frekvence. Povzročajo

jih frekvenčni pretvorniki in podobne krmilne naprave. Medharmonske napetosti so

lahko vzrok za fliker.

5.12 Signalna napetost

Napetostni signal v omrežju je signal, dodan napajalni napetosti, da bi prenašal

informacije po javnem razdeljevalnem omrežju. Dobavitelji lahko v nekaterih državah

uporabljajo javna razdelilna omrežja za prenos signalov. V Sloveniji se uporablja MTK

(Mrežno Tonska Kontrola) signal, ki služi za izklop/vklop višje ali nižje tarife v števcih

odjemalcev. Za prenos se uporablja frekvenca okoli 210Hz.

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

21

Gregor Lekan

V 99% primerih mora biti 3-sekundna srednja vrednost signalne napetosti manjša ali

enaka vrednostim, ki so podane na naslednji sliki.

Slika 7: Napetostni ravni signalov različnih frekvenc v odstotkih Un

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

22

Gregor Lekan

6. Zaključek

V seminarski nalogi smo spoznali vse dimenzije kakovosti električne energije. Mednje

spadajo kakovost napetosti, neprekinjenost napajanja in komercialna kakovosti.

Dobavitelji morajo zagotoviti odjemalcu električno energijo določene kakovosti.

Parametri kakovosti napetosti in njihove mejne vrednosti so opisane v standardu SIST

EN 50160. Na kakovost napetosti večinoma vplivajo frekvenčni pretvorniki, nelinearni

elementi vezij ter stikalni manevri. Z različnimi načini skušamo te vplive zmanjšati.

Za neprekinjenost napajanja in komercialno kakovost so v podzakonskih aktih zapisani

sistemski in zajamčeni standardi, ki jih morajo distributerji čim bolj spoštovati.

Dolgotrajne prekinitve so lahko posledica lastnih in tujih vzrokov oz. višje sile.

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

23

Gregor Lekan

Vprašanja in domača naloga

VPRAŠANJA

1. Naštej vse dimenzije kakovosti električne energije, ki opredeljenev

Energetskem zakonu (EZ-1)!

Pod kakovost električne energije spada kakovost napetosti, neprekinjenost

dobave ter komercialna kakovost.

2. Kaj je razlika med zajamčenimi in sistemskimi standardi pri komercialni

kakovosti električne energije?

Sistemski standardi se nanašajo na minimalno raven kakovosti izvajanja storitev,

ki jo uporabniki lahko pričakujejo od distribucijskega operaterja ali

distribucijskega podjetja z določenim deležem odstopanja. Uporabniki lahko

ocenijo trajanje izvršitve storitve, nimajo pa zagotovil, da bo kakovost oskrbe

ravno takšna.

Zajamčeni standardi komercialne kakovosti se nanašajo na minimalne kakovosti

storitev, ki jih je distribucijski operater dolžan zagotavljati vsem porabnikom. V

primeru, da sistemski operater ob izvajanju storitve dokazano krši zajamčene

standarde, je uporabnik upravičen do kompenzacije.

3. Kako je definiran upad napetosti?

Upad napetosti je definiran kot nenadno znižanje izmenične napajalne napetosti

na območje med 90% in 10% referenčne vrednosti, ki mu po določenem kratkem

času sledi povratek na referenčno vrednost.

DOMAČA NALOGA

S pomočjo analizatorja je bilo določeno, da ob priključenem nelinearnem bremenu skozi

navitje teče tok z efektivno vrednostjo 75A. Vsebuje harmonike z različnimi efektivnimi

vrednostmi. Harmoniki in njihove efektivne vrednosti so podani v tabeli.

3. red 38A

4. red 21A

5. red 4.6A

6. red 3.5A

Instrument je sprogramiran, da prikazuje rezultate v amperih in ne v procentih. Glede

na podane podatke izračunajte:

a) Efektivno vrednost osnovne komponente toka v amperih in procentih

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

24

Gregor Lekan

b) Deleže tretjega, petega, sedmega in devetega harmonika in procente.

c) Harmonsko popačenje THD

Rešitev

a)

𝐼𝑅𝑀𝑆 = √𝐼12 + 𝐼3

2 + 𝐼52 + 𝐼7

2 + 𝐼92

𝐼1 = √𝐼𝑅𝑀𝑆2 − (𝐼3

2 + 𝐼52 + 𝐼7

2 + 𝐼92) = 60.88𝐴

b)

𝑖3 =𝐼3

𝐼1=

38𝐴

60.88𝐴= 0.6242 = 62.42%

𝑖5 =𝐼5

𝐼1=

21𝐴

60.88𝐴= 0.3449 = 34.49%

𝑖7 =𝐼7

𝐼1=

4.6𝐴

60.88𝐴= 0.0756 = 7.56%

𝑖9 =𝐼9

𝐼1=

3.5𝐴

60.88𝐴= 0.0575 = 5.75%

c)

𝐼1 =𝐼𝑅𝑀𝑆

√1 + 𝑇𝐻𝐷2

√1 + 𝑇𝐻𝐷2 =𝐼𝑟𝑚𝑠

𝐼1=

75𝐴

60.88𝐴= 1.232

𝑇𝐻𝐷 ≈ 0.72 = 72%

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

25

Gregor Lekan

7. Viri

[1] Kolenc Marko, Koordinirana regulacija napetosti v distribucijskih omrežjih z

razpršeno proizvodnjo, doktorska disertacija, Ljubljana 2015

[2] Duran, McGranaghan, Santoso, Wayne, Electrical Power Systems Quality, 2nd

Edition

[3] Energetski zakon (EZ-1), Uradni list RS, št. 17/2014, stran 1787

[4] Agencija za energijo, Spletni vir,

Dostop: http://www.agen-rs.si/porocanje-o-kakovosti-oskrbe

[5] Ferdinand Gubina, Delovanje elektroenergetskega sistema, Založba FE in FRI,

2006

[6] Andrej Krošel, Meritev kakovosti električne energije, diplomsko delo, april

2011

[7] T.A. Short, Electric Power Distribution Handbook, CRC Press LLC

[8] Abdelhay A. Sallam, Electric Distribution Systems, April 2011, Wiley-IEEE

Press

[9] Boštjan Kastelic, Kakovost električne energije v srednjenapetostnem in

nizkonapetostnem omrežju, Diplomsko delo visokošolskega strokovnega

študija, 15.4.2006

[10] Agencija za energijo, Poročilo o kakovosti oskrbe v letu 2014, dokument

[11] Turan Gönen, Electric Power Distribution System Engineering, Second edition,

CRC Press, Taylor & Francis Group

[12] Akt o metodologiji za določitev omrežnine in kriterijih za ugotavljanje

upravičenih stroškov za elektroenergetska omrežja in metodologiji za

obračunavanje omrežnine, Stran 8316., Uradni list RS, št. 81/2012

Dostop: https://www.uradni-list.si/files/RS_-2012-081-03196-OB~P010-

0000.PDF#!/pdf

Razdelilna in industrijska omrežja 2015/16

26

Gregor Lekan

[13] Akt o pravilih monitoringa kakovosti oskrbe z električno energijo, Uradni list

RS, št. 59/15

[14] Maks Babuder, Visokonapetostna tehnika, Skripta predavanj na visokošolskem

univerzitetnem študiju, 2004

[15] Tomaž Pfajfar, Določanje odgovornosti za harmonsko popačenje z

referenčnimi impedancami, doktorska disertacija, Ljubljana 2009

[16] Jože Voršič, Razdeljevanje električne energije, Kakovost električne energije,

študijsko gradivo

Dostopno: http://www.powerlab.uni-

mb.si/novo2012/Download/REE/Predavanja/REE_1_2_Elektroenergetski_siste

m-kakovost_2014.pdf