Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERZITET U NOVOM SADU
FAKULTET TEHNIČKIH NAUKA U NOVOM SADU
Milan Denić
MERENJE VIŠIH HARMONIKA NA FAKULTETU TEHNIČKIH NAUKA – UTICAJ KLIMA UREĐAJA I
FLUORESCENTNOG OSVETLJENJA
ZAVRŠNI - BEČELOR RAD- Osnovne akademske studije -
Mentor: prof. dr Vladimir Katić
Novi Sad, 2010.
SADRŽAJ:
1. UVOD.......................................................................................................................................2
1.1. Viši harmonici...............................................................................................................3
1.2. Izvori viših harmonika..................................................................................................4
1.3. Negativini efekti viših harmonika................................................................................4
2. OPIS APARATURE, MERNIH MESTA I NAČINA MERENJA.....................5
2.1. Aparatura korišćena pri merenjima...............................................................................5
2.2. Opis merenja harmonika...............................................................................................6
2.3. Opis mernih mesta........................................................................................................7
2.3.1. Merno mesto 1...............................................................................................7
2.3.2. Merno mesto 2...............................................................................................8
3. ANALIZA REZULTATA MERENJA.........................................................................9
3.1. Merno mesto 1 – Razvodni orman RO4 - uticaj fluorscentnih svetiljki.......................9
3.1.1. Rezultati merenja efektivnih vrednosti napona i struje...............................10
3.1.2. Rezultati merenja ukupne harmoijske distorzije..........................................12
3.1.3. Rezultati merenja induvidualne harmonijske distorzije...............................14
3.2. Merno mesto 2 – RORC2 – uticaj klima uređaja........................................................16
3.2.1. Rezultati merenja efektivnih vrednosti napona i struje...............................17
3.2.2. Rezultati merenja ukupne harmonijske distorzije........................................19
3.2.3. Rezultati merenja induvudualne harmonijske distorzije pri
maksimalnom i minimalnom opterećenju....................................................21
4. ZAKLJUČAK.....................................................................................................................24
4.1. Uticaj fluroscentnog osvetljenja na kvalitet električne energije.................................24
4.2. Uticaj klima uređaja na kvalitet električne energije...................................................24
4.3. Generalni zaključak....................................................................................................25
5. LITERATURA....................................................................................................................26
1
1.Uvod
Prisustvo velikog broja nelinearnih potrošača u distributivnim mrežama dovodi do niza negativnih efekata koji se odražavaju kako na samu mrežu tako i na ostale priključene potrošače.Zajednički interes potrošača i proizvođača električne energije je poslednjih godina doveo u žižu interesovanja probleme vezane za kvalitet električne energije, odnosno sadržaj harmonika u distributivnoj mreži i druge aspekte kvaliteta električne energije (neprekidnost napajanja, prisustvo kratkotrajnih fluktuacija i distorzija,…).
Danas je u svetu pred proizvođače i projektante uređaja energetske elektronike postavljen čitav niz standarda i preporuka iz oblasti kvaliteta električne energije. Tradicionalno se smatralo da je kvalitet električne energije u stvari pouzdanost,odnosno nepostojanje trajnih prekida u snabdevanju električnom energijom, dok moderno shvatanje kvaliteta električne energije podrazumeva i sigurno (neprekidno) napajanje i fizički kvalitet napona. Problemi neprekidnosti napajanja se uglavnom rešavaju u toku postupka planiranja i izgradnje mreže, dok je problem fizičkog kvaliteta napona usko vezan za eksploataciju. Dominantan uticaj na fizički kvalitet napona imaju nelinearni potrošači (uređaji energetske elektronike, zasićene električne mašine,elektrolučne peći, itd…),tranzijentne pojave usled komutacija u sistemu (rad prekidača),rad elektroenergetskog sistema na granicama mogućnosti, itd…
Narušavanje kvaliteta električne energije podrazumeva narušavanje osnovnih parametara napona u ustaljenim ili prelaznim režimima i deformaciju talasnih oblika. Osnovni parametri napona su njegova efektivna vrednost, frekvencija i simetrija faznih napona.
2
1.1.Viši harmonici
Napon viših harmonika je sinusni napon, čija je frekvencija celobrojni umnožak frekvencije osnovnog harmonika.Viši harmonici su nepoželjni u mrežama, jer se zbrajaju na osnovni talas i izobličuju ga, što uzrokuje problem u napajanju osetljivih potrošača, npr. medicinske opreme,koja zahteva čisti sinusni napon.
Slika 1. Talasni oblici prvog,petog i sedmog harmonika
Više harmonike u mrežnom naponu najčešće proizvode viši harmonici struja nelinearnih opterećenja potrošača, koji su priključeni na različitim nivoima distributivne mreže. Ti viši harmonici struje opterećenja stvaraju na impedansama unutar distributivne mreže odgovarajuće više harmonike napojnog napona. S druge strane, sve veća primena pretvarača frekvencije i sličnih upravljačkih uređaja utiče na povećanje vrednosti međuharmonika, čije se dopuštene vrednosti u okviru norme EN 50160 još razmatraju.U pojedinim situacijama i međuharmonici malih intenziteta izazivaju treperenje (flikere) ili smetnje u sistemu mrežnog tonfrekventnog upravljanja.
Ukupna i induvidualna harmonijska distorzija napona ili struje su faktori kojima se vrednuju viši harmonici. Induvidualna harmnijska distorzija (HDn) se definiše kao odnos efektivnih vrednosti n-tog harmonika i osnovnog harmonika (50Hz), gde je n red harmonika.
Ona se izražava u procentima :
3
(1)
Ukupna harmonijska distorzija (THD) se definiše kao kvadratni koren odnosa sume kvadrata efektivnih vrednosti pojedinačnih harmonijskih komponenti i efektivne vrednosti fundamentalnog harmonika i takođe se izražava u procentima:
(2)
1.2 Izvori viših harmonika
Izvori viših harmonika su:
1.Prekidačke napojne jedinice2.Elektronske prigušnice za fluo cevi3.Regulisani elektromotorni pogoni4.Besprekidna napajanja5.Energetski ispravljači i pretvarači6.Transformatori sa nelinearnim magnećenjem7.Elektrolučne peći8.Indukcione peći9.Aparati za elektrolučno zavarivanje...
1.3. Negativni efekti viših harmonika
Dakle problemi koje mogu da izazovu viši harmonici su brojni, oni donose razne negativne efekte, kao što su:
1.Pojava rezonancije u mreži 2.Negativan uticaj na kondenzatorske baterije 3.Uticaj na elemente za zaštitu4.Uticaj na tačnost pokazivanja standardnih mernih instrumenata 5.Dodatni gubici u električnim mašinama6.Interferencija sa telekomunikacionim signalima
Zbog toga je neophodno vršiti monitoring kvaliteta električne energije.On predstavlja proces prikupljanja, analize i interpretacije merenih podataka u svrhu izvlačenja korisnih informacija.Proces prikupljanja podataka se obično vrši kontinuiranim merenjem napona i struje u određenom vremenskom periodu.Takvo jedno merenje je izvršeno i na Falkultetnu tehničkih nauka i to u zgradi nastavnog bloka gde se sagledavao uticaj klima uređaja i fluorescentnog osvetljenja na parametre kvaliteta električne energije.
4
2.Opis aparature, mernih mesta i načina merenja
2.1.Apartaura korišćena pri merenjima
Proces monitoringa kvaliteta električne energije je sproveden upotrebom dva instrumenta-analizatora kvaliteta električne energije. Instrument sa kojim je urađen najveći deo aktivnosti je “Power & Quality Analyser C.A 8332B“, francuskog proizvođača i evropskog lidera na tržištu profesionalnih električnih mernih instrumenata - “CHAUVIN ARNOUX“-a.
Slika 2. Power & Quality Analyser C.A 8332B
Ovaj instrument ima četri strujna i četri naponska ulaza i pruža mogućnost merenja svih napona i struja (faznih i linijskih), kao i parametara kvaliteta električne energije (HD, THD, CF, PF, itd...). Ima memoriju u kojoj se može smestiti veliki broj semplova (mernih odbiraka) i omogućava kontinuirano praćenje stanja za period do mesec dana. Prikazuje minimalne, maksimalne i srednje vrednosti odabranih veličina, omogućava analizu harmonijskog spektra signala do 50-tog harmonika, ima kolor ekran na kojem se jasno vide trenutne vrednosti merenih veličina, poseduje mogućnost on-line posmatranja harmonijskog spektra signala, direktnog štampanja grafika. Takođe, poseduje priključak kojim se ostvaruje konekcija sa računarom i brojne druge mogućnosti.
U konkretim merenjima koja su sprovedena na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu, merene su vrednosti struja i napona sve tri faze i svih važnih parametara kvaliteta električne energije. Ovaj instrument ima opciju koja proračunava vrednost struje koja se prenosi neutralnim vodom.
5
Drugi instrument koji je bio korišćen je “Power Quality Analyser PLUS“, slovenačkog proizvođača “METREL“-a
Slika 3. Power Quality Analyser PLUS
Ovaj instrument pruža mogućnost merenja i upoređivanja dobijenih vrednosti parametara kvaliteta električne energije sa vrednostima definisanim standardom EN 50160, merenja flikera, posmatranje prelaznih procesa i stacionarnih stanja, itd. Takođe, poseduje priključak koji omogućava njegovo povezivanje sa računarom.
2.2.Opis merenja harmonika
Merenje viših harmonika je sprovedeno na sabirnicama unutrašnjih instalacija (PCC – point of common coupling), gde su priključene veće grupe potrošača, kako nelinearnih (izvora viših harmonika), tako i linearnih. Izvršeno je u periodu od 11.12.-18. 12. 2009. god., a uzorci (odbirci) su uzimani u intervalima od 10 minuta, u skladu sa IEC Standardom 61000-4-7. Posmatrane su i memorisane efektivne vrednosti 3 napona i 3 struje, kao i vrednost struje nultog voda. Merni uređaji su vršili on-line izračunavanja vrednosti viših harmonika. Pored toga, izračunavani su harmonijski indikatori (THDU, THDI, HDU, HDI) i njihovo poređenje sa postojećom regulativom (harmonijskim standardima i preporukama). Time je dobijena slika o stepenu distorzije napona i struje, odnosno o nivou kvaliteta električne energije.
Merenja su sprovedena na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu, u zgradi Nastavnog bloka.U cilju sagledavanja uticaja grupa nelinearnih potrošača (klima uređaja i fluorescentnog osvetljenja) malih snaga, na parametre kvaliteta električne energije, merna aparatura je bila postavljena na dva merna mesta:
1.Prvo merno mesto je razvodni orman (RO4) na trećem spratu nastavnog bloka.2.Drugo merno mesto je razvodni orman (RORC2) na trećem spratu nastavnog bloka i to u delu gde se nalazi računarski centar.
6
2.3.Opis menih mesta
2.3.1.Merno mesto 1
Razvodni orman RO4 , koji napaja osvetljenje učionica na trećem spratu Nastavnog bloka FTN-a, kao i deo osvetljenja laboratorija računskog centra ( osvjetljenje sala: L1, L3, L4 i L5, kao i hodnika HRC1). Orman se nalazi u zasebnoj prostoriji, smeštenoj na trećem spratu FTN-a (oznaka ove prostorije na projektu električnih instalacija objekta FTN-a je PRO), ispred ulaza u računski centar. Napaja se iz glavnog razvodnog ormana (GRO) vodom PP 4x16 mm2, sa osigurača od 63 A. Procenjeno opterećenje razvodnog ormana RO4 iznosi 24.9 kW. Iz razvodnog ormana RO4 napaja se fluorescentna rasveta dela računarskog centra i kompletna rasveta hodnika, učionica i sanitarnih prostorija smeštenih na trećem spratu nastavnog bloka. Dakle, ovo merno mesto je interesantno sa aspekta sagledavanja uticaja veće grupe fluorescentnih svetiljki na parametre kvaliteta električne energije. Ukupno opterećenje fluorescentnih svetiljki je 14.03 kW. U strukturi korištenih svetiljki zastupljene su fluorescentne svetiljke snage: 80, 60, 36 i 18 W.
Sa električnog aspekta, razlika između ovih svetiljki se ogleda u vrednosti njihove induktivne snage, pri čemu fluorescentne svetiljke manje aktivne snage imaju veću vrednost reaktivne (induktivne snage), odnosno lošiji faktor snage.Fluorescentne svetiljke su naglašeno induktivnog karaktera.
Slika 4. Izgled razvodnog ormana na trećem spratu nastavnog bloka sa priključenim instrumentom za merenje
7
2.3.2.Merno mesto 2
Razvodni orman RORC2 napaja klima uređaje smeštene u laboratorijama računskog centra. Kao takvo ovo merno mesto je interesantno, jer prikazuje uticaj klima uređaja na parametre kvaliteta električne energije. Orman RORC2 se nalazi na trećem spratu Nastavnog bloka Fakulteta tehničkih nauka, u hodniku računskog centra (oznaka ovog hodnika na projektu električnih instalacija objekta FTN-a je HRC3). Razvodni orman RORC2 se napaja iz glavnog razvodnog ormana (GRO) vodom PP-Y 5x25 mm2, sa osigurača od 63 A.On napaja klima uređaje računskog centra i deo osvetljenja računskog centra (osvetljenje sale L2, sale za administratore, hodnika HRC2 i hodnika HRC3). Procenjeno opterećenje razvodnog ormana RORC2 iznosi 13.2 kW.
Razvodni orman RORC2 koji je smešten u hodniku HRC3 računskog centra FTN-a, napaja klima uređaje i deo rasvete sala i hodnika računskog centra, pa je kao takvo ovo merno mesto interesantno da bi se sagledao uticaj pomenutih potrošača (klima uređaja i fluorescentnih svetiljki) na parametre kvaliteta električne energije.
Slika 5. Izgled razvodnog ormana RORC2 u računarskom centru sa priključenim instrumentom za merenje
8
3.Analiza rezultata merenja
3.1.Merno mesto 1 – Razvodni orman RO4 (uticaj fluorescentnih svetiljki)
Tabela 1. Fluorescentne svetiljke napajane sa mernog mesta 1Oznaka
salePojedinačna snaga
fluo svetiljkiUkupna snaga
fluo opterećenja u sali (W)
Proizvođačfluo svetiljki
L1 14 x 36 W + 6 x 80 W 984 Tungsram/PhilipsL3 32 x 36 W 1152 TungsramL4 12 x 36 W 432 TungsramL5 18 x 36 W 648 Tungsram
HRC1 6 x 36 W 216 Tungsram306 3 x 30 W + 21 x 80 W 1770 Tungsram/Philips307 3 x 30 W + 21 x 80 W 1770 Tungsram/Philips308 24 x 36 W 864 Tungsram309 24 x 36 W 864 Tungsram310 24 x 36 W 864 Tungsram311 3 x 30 W + 25 x 80 W 2090 Tungsram/Philips312 20 x 60 W 1200 Philips
313 (toalet) 6 x 18 W 108 Tungsram316 (toalet) 6 x 18 W 108 Tungsram
Hodnik 24 x 36 W 864 TungsramPRO sijalica sa užarenim vl. 100 Tesla
Ukupno opterećenje priključenih fluorescentnih svetiljki: 14 034 W
NAPOMENA: Zbog problema sa baterijom instrumenta nije izvršeno merenje kakvo je unapred bilo planirano. Kasnijom proverom rezultata utvrđeno je da je instrument ispravno radio samo na dan 11.12. (petak), i to u mernom periodu od 12:13h do 20:13h.Tako da će sledeći grafici prikazivati taj merni period.
9
3.1.1 Rezultati merenja efektivnih vrednosti napona i struje
Struja koju angažuju priključeni potrošači izaziva degradaciju naponskih prilika u sistemu.
214
216
218
220
222
224
226
228
230
12:1
3:00
12:4
3:00
13:1
3:00
13:4
3:00
14:1
3:00
14:4
3:00
15:1
3:00
15:4
3:00
16:1
3:00
16:4
3:00
17:1
3:00
17:4
3:00
18:1
3:00
18:4
3:00
19:1
3:00
19:4
3:00
20:1
3:00
Merni period
U [V]U1 [V]U2 [V]U3 [V]
Slika 6. Promene faznih napona sve tri faze tokom mernog perioda
Efektivne vrednosti faznih napona odstupaju od referentne vrednosti, ali je odstupanje napona unutar granica od ±5%.
U1max= 229.6V U2
max= 228.5V U3max=226V
Dok su najmanje vrednosti po fazama:
U1min= 221.4V U2
min=220.8V U3min=219.4V
Maksimalna vrednost je zabeležena kod napona prve faze, a najmanja kod napona treće faze. Kad je najmanje opterećenje imamo najmanje odstupanje napona od referentne vrednosti i obrnuto.Na slici se vidi da oko 19h efektivna vrednost napona počinje da se približava referentnoj vrednosti 230V, tada opterećenje počinje da se smanjuje jer se predavanja uglavnom završavaju u to vreme.
10
Na sledećoj slici će biti prikazane efektivne vrednosti struja tokom mernog perioda, one naravno zavise od opterećenja.
0
5
10
15
20
25
30
35
12:1
3:00
12:4
3:00
13:1
3:00
13:4
3:00
14:1
3:00
14:4
3:00
15:1
3:00
15:4
3:00
16:1
3:00
16:4
3:00
17:1
3:00
17:4
3:00
18:1
3:00
18:4
3:00
19:1
3:00
19:4
3:00
20:1
3:00
Merni period
I [A]I1 [A]I2 [A]I3 [A]
Slika 7. Promene faznih struja sve tri faze tokom mernog perioda
Vidimo da efektivne vrednosti struja sve tri faze variraju tokom mernog perioda u zavisnosti od opterećenja. Pa tako maksimalne vrednosti struja iznose:
I1max=30.87A I2
max=32.51A I3max=25.65A
Dok su najmanje vrednosti po fazama:
I1min= 16.31A I2
min=6.5A I3min= 8.98A.
U toku dana dok traju predavanja pošto je bio zimiski period uglavnom se koristilo osvetljenje, do otprilike negde oko 19h kada završavaju predavanja opterećenje je manje i efektivna vrednost struje se smanjuje.Maksimalna vrednost struje je zabeležena kod druge faze, takođe i minimalna vrednost tokom mernog perioda je zabeležena kod druge faze.
11
3.1.2 Rezultati merenja ukupne harmoijske distorzije
Promene faktora ukupne harmonijske distorzije (THDU) faznih napona dati su na sledećoj slici:
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
12:1
3:00
12:4
3:00
13:1
3:00
13:4
3:00
14:1
3:00
14:4
3:00
15:1
3:00
15:4
3:00
16:1
3:00
16:4
3:00
17:1
3:00
17:4
3:00
18:1
3:00
18:4
3:00
19:1
3:00
19:4
3:00
20:1
3:00
Merni Period
THD U [%]THD U1 [%]THD U2 [%]THD U3 [%]
Slika 8. Promene THDU sve tri faze tokom mernog perioda
Maksimalne vrednosti THDU po fazama iznose:
THD U1=3.47% THD U2=3.73% THD U3=3.56%
Vrednosti THDU sve tri faze je ispod granice propisanog limita od 5% (EN50160 Standard i IEEE Standard 519-1992)
*Merenjima 2008god dobijene su sledeće vrednosti:
THD U1=3.6% THD U2=4% THD U3=4.1%
Vidimo da su merenjima koja su sprovedena 2008god bila veća izobličenja napona. U oba merenja najmanje izobličenje je imala prva faza. Dok je 2009god najveće izobličenje imala druga faza, a 2008god treća faza.Povoljnost naponskih prilika se objašnjava krutošću mreže, kao i nevelikom snagom (sa stanovišta sistema) priključenog opterećenja.
12
Promene faktora ukupne harmonijske distorzije (THDI) faznih struja dati su na sledećoj slici:
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
12:1
3:00
12:4
3:00
13:1
3:00
13:4
3:00
14:1
3:00
14:4
3:00
15:1
3:00
15:4
3:00
16:1
3:00
16:4
3:00
17:1
3:00
17:4
3:00
18:1
3:00
18:4
3:00
19:1
3:00
19:4
3:00
20:1
3:00
Merni period
THD I [%]THD I1 [%]THD I2 [%]THD I3 [%]
Slika 9. Promene THDI sve tri faze tokom mernog perioda
Vrednosti THDI faze 1 (crna linija) i faze 3 (crvena linija) imaju pikove koji u pojedinim trenutcima prelaze iznad propisanog limita od 15% (IEE Standard 519-1992). Dok faza 2 (zelena linija) je ispod propisanog limita od 15%.
Ono što bi ovde bilo zanimljivo pogledati je THD faze2 u 15:43h (zelena linija), on je tad iznosio 12%. Taj podatak je zanimljiv jer je u tom trenutku efektivna vrednost struje druge faze imala maksimalnu vrednost I2=32,51A i to je najveća zabeležena efktivna vrednost tokom mernog perioda, a THD je imao jednu od svojih manjih vrednosti.
Ovo potvrđuje da THDI izrazito zavise od strukture priključenog opterećenja i od broja priključenih nelinearnih potrošača i da sa porastom broja priključenih nelinearnih potrošača opada vrednost ukupne distorzije.
Maksimalne vrednosti THDI po fazama su iznosile:
THD I1=16.85% THD I2=14.76% THD I3=17.27%
*Merenjima 2008god dobijene su sledeće vrednosti:
THD I1=12.2% THD I2=9.7% THD I3=17.5%
Vidimo da postoji razlika u merenjima 2008god. To je pogotovo izraženo kod faza 1 i 2 dok je rezultat za fazu 3 najpribližniji u odnosu na prethodna merenja.
13
3.1.3. Rezultati merenja induvidualne harmonijske distorzije
Priključak fluorescentnih svetiljki na mrežu izaziva određeni uticaj na naponske prilike. S tim u vezi, strukture harmoniskih spektara faznih napona date su na sledećoj slici:
0
20
40
60
80
100
120
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
Harmonik
HDU [%]
HD U1 [%]
HD U2 [%]
HD U3 [%]
Slika 10. Harmonijski spektar napona sve tri faze
U harmonijskim spektrima faznih napona najizraženiji su 5-ti i 7-mi harmonik ali oni su ispod granice limita. Harmonijski spektri faznih napona nisu bogati višim harmonicima, tj. naponske prilike su povoljne, što pokazuje i vrednosti parametara faktora ukupne harmonijske distorzije napona (THDU), čije su vrednosti ispod standardom IEEE 519 propisanog limita.
Tabela 2. Harmonijski spektar napona merenja 2009god.Red harmonik 1 3 5 7 9 11 13 15 17Line1 HDU [%] 100 1.4 2.1 2 0.2 0.1 0.1 0.6 0Line2 HDU [%] 100 1.4 2.3 2.1 0.5 0.6 0.2 0.2 0Line3 HDU [%] 100 1.4 2.3 1.9 0.2 0.2 0.2 0.2 0.1
*Rezultati merenja viših harmonika napona 2008god:
Tabela 3. Harmonijski spektar napona merenja 2008god.Red harmonika 1 3 5 7 9 11 13 15 17Line1 HDU [%] 100 1.6 2.5 2.1 0.3 0.3 0.7 0.3 0Line2 HDU [%] 100 1.7 3 2 0.01 0.3 0.3 0.2 0Line3 HDU [%] 100 1.8 3.1 2 0.1 0.5 0.5 0.2 0
Povoljnost naponskih prilika se objašnjava krutošću mreže, kao i nevelikom snagom (sa stanovišta sistema) priključenog opterećenja.
14
Harmonijski spektar struja:
0
20
40
60
80
100
120
1 3 5 7 9 11 13 15 17
Harmonik
HDI [%]
HD I1 [%]HD I2 [%]HD I3 [%]
Slika 11. Harmonijski spektar struje sve tri faze
Tabela 4. Harmonijski spektar struja merenja 2009god.Red harmonika 1 3 5 7 9 11 13 15 17Line1 HDI [%] 100 14.7 3.9 7.1 1.7 2.2 2.3 4 1.9Line2 HDI [%] 100 12.9 2.1 0.5 0.7 0.1 0.1 0.1 0Line3 HDI [%] 100 14.3 2 2 1.4 1 0.3 0.2 0.3
Posmatrajući harmonijske spektre struja grupe fluroscentnih svetiljki može se zaključiti da u njihovoj strukturi dominiraju treći, peti i sedmi harmonik. U nešto većoj meri je prisutan treći harmonik, on čak i prevazilazi dozvoljeni nivo od 12% definisan standardom IEE 519.
*Rezultati merenja viših harmonika struje 2008god:
Tabela 5. Harmonijski spektar struja merenja 2008god.Red harmonika 1 3 5 7 9 11 13 15 17Line1 HDI [%] 100 12.3 2.3 0.7 0.6 0.3 0.1 0.01 0.02Line2 HDI [%] 100 9.2 2.7 0.4 0.4 0.4 0.1 0.03 0.03Line3 HDI [%] 100 14.6 5.4 6.2 0.8 2.1 1.9 0.9 0.9
Faza 1 ima najveće prisustvo viših harmonika. I to posebno sedmog, koji je značajno veći nego pri merenju 2008god.Pri oba merenja treći harmonik sve tri faze je bio iznad propisane granice od 12%. Jedini izuzetak je faza 2 (merenje 2008).Dakle ovde se pojavljuje konstantan problem sa procentualnom vrednošću trećeg harmonika.
15
3.2. Merno mesto dva – RORC2 – uticaj klima uređaja:
Tabela 6. Prikaz broja i vrsta klima uređaja u računarskom cenru FTN-aOznaka
saleUkupan brojklima uređaja
Približna snaga klima uređaja
(W)
Proizvođačklima uređaja
L1 2 2 x 1800 LG/MideaL2 1 1200 MideaL3 2 2 x 1200 LGL4 2 2 x 1200 MideaL5 2 2 x 1200 LGL6 1 1200 Midea
ADMIN 2 1200 + 2400 LG/SamsungHRC1 - - -HRC2 - - -HRC3 1 2400 Samsung
M 1 1200 Midea
Osim klima uređaja, razvodni orman RORC2 napaja i deo osvetljenja računskog centra FTN-a Novi Sad. U sledećoj tabeli je dato ukupno opterećenje kojeg čine priključene fluorescentne svetiljke napajane iz ormana RORC2.
Tabela 7. Računarske sale čija se rasveta napaja sa mernog mesta 2Oznaka
salePojedinačna snaga
fluo svetiljkiUkupna snaga
fluo opterećenja u sali (W)Proizvođač
fluo svetiljki
L2 23 x 36 W 828.00 TungsramADMIN 6 x 36 W 216.00 TungsramHRC2 7 x 36 W 252.00 TungsramHRC3 4 x 36 W 144.00 Tungsram
Ukupno opterećenje priključenih fluorescentnih svetiljki: 1440.00 W
Opterećenje predstavljeno u prethodnoj tabeli je priključeno na fazu 1, osim osvetljenja hodnika HRC2, koje je priključeno na fazu 2. Važno je istaći da su sve fluorescentne svetiljke napajane iz razvodnog ormana RORC2 pojedinačne snage 36 W. Fluorescentne svetiljke manjih snaga (18 i 36 W) imaju veću induktivnost od fluorescentnih svetiljki veće snage (60 i 80 W).
16
3.2.1. Rezultati merenja efektivnih vrednosti napona i struje
Na slici su prikazani vremenski oblici faznih napona sve tri faze tokom posmatranog perioda.U periodima kada je nastupalo najvece opterecenje efektivne vrednosti napona su bile najniže, dok su tokom noći bila najmanja odstupanja napona.
205
210
215
220
225
230
235
240
11.12.2009 12.12.2009 13.12.2009 14.12.2009 16.12.2009 17.12.2009 18.12.2009
Merni period
U [V]U1 [V]U2 [V]U3 [V]
Slika 12. Promene efektivnih vrednosti faznih napona tokom mernog perioda
Na slici se vidi da kad je najmanje opterećenje (tokom vikenda) imamo najmanje odstupanje napona i obrnuto, tokom radnih dana je najveće odstupanje.
Makismalne zabeležene vrednosti napona:
U1max=234.3V U2
max=236.2V U3max=236.2V
Minimalne zabeležene vrednosti napona:
U1min=217.9V U2
min=219.7V U3min=221.7V
Efektivne vrednosti faznih napona odstupaju od referentne vrednosti, ali je odstupanje napona unutar granica od ±5%.
17
Efektivne vrednosti struja sve tri faze kao i struje neutralnog voda prikazane su na sledećoj slici.
0
5
10
15
20
25
11.12.2009 12.12.2009 13.12.2009 14.12.2009 15.12.2009 16.12.2009 17.12.2009
Merni period
I [A]
I1[A]I2 [A]I3 [A]In [A]
Slika 13. Promene efektivnih vrednosti faznih struja i struje neutralnog voda tokom mernog perioda
Sa prethodne slike može se uočiti da struja neutralnog voda ima dosta veće vrednosti od faznih struja, razlog za to je što tri faze nisu ravnomerno opterećene. Takođe može se uočiti da maksimalna vrednost struje neutralnog voda je veća od maksimalne vrednosti najopterećenije faze. Na fazu 1 su priključeni klima uređaji i osvetljenje učionica 304A i 302A kao i hodnika HRC3, na fazu 2 su takođe priključeni klima uređaji i osvetljenje hodnika HRC2. Dok su na fazu 3 priključeni samo klima uređaji, kako su oni bili uključeni u samo jednom trenutku mernog perioda na prethodnom grafiku se vidi pik struje faze 3 (crvena boja).
Takođe ono što može da se vidi da je tokom vikenda najmanje opterećenje i da je tada struja neutralnog voda najmanja. Dakle tada imamo najmanje problema sa kvalitetom električne energije.
Makismalne zabeležene vrednosti struja:
I1max=2.6A I2
max=20.2A I3max=9.1A
Minimalne zabeležene vrednosti struja:
I1min=0A I2
min=2.2A I3min=0A
18
3.2.2. Rezultati merenja ukupne harmonijske distorzije
Promene faktora ukupne harmonijske distorzije (THDU) faznih napona dati su na sledećoj slici:
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
11.12.2009 12.12.2009 14.12.2009 15.12.2009 16.12.2009 17.12.2009
Merni period
THD U [%]THD U1 [%]THD U2 [%]THD U3 [%]
Slika 14. Promene faktora THD Faznih napona tokom mernog perioda
U trenutku uključenja svih klima uređaja THDU po fazama:
THD U1=2.8% THD U2=3% THD U3=2.6%
Vrednosti faktora ukupne harmonijske distorzije faznih napona su unutar standardom IEEE 519 definisanog limita od 5%. Posebno treba obratiti pažnju na THD treće faze koja je opterećenja samo klima uređajima.
*Prilikom merenja 2008god pri uključenju svih klima uređaja dobijeni su sledeći rezultati:
THD U1=3.33% THD U2=3.73% THD U3=3.68%
Ovde postoje razlike u dobijenim rezultatima jer prilikom merenja 2008god. imala se mogućnost isključenja svih potrošača osim klima uređaja tako da su to relevantniji rezultati.Dok pri mernju 2009god klima uređaji su bili uključeni u subotu koja je bila radna, dakle bilo je i drugih nelinearnih potrošača koji su bili uključeni.
19
Promene faktora ukupne harmonijske distorzije (THDI) faznih struja dati su na sledećoj slici:
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
11.12.2009 12.12.2009 13.12.2009 15.12.2009 16.12.2009 17.12.2009
Merni period
THD I [%]THD I1 [%]THD I2 [%]THD I3 [%]
Slika 15. Promene faktora THD Faznih struja tokom mernog perioda
U trenutku uključenja klima uređaja THDI po fazama je iznosio:
THD I1=26.1% THD I2=14.8% THD I3=26.5%
Vrednost faktora ukupne harmonijske distorzije struje (THDI) faza 1 i 3 iznosio je značajno iznad standardom IEEE 519 zadatog limita od 15%. Dok je faza 2 bila na samoj granici dozvoljene.
*Prilikom merenja 2008god pri uključenju svih klima uređaja dobijeni su sledeći rezultati:
THD I1=14.92% THD I2=16.78% THD I3=19.48%
Interesantno je pogledati THDI faze 3 jer su na tu fazu priključeni samo klima uređaji dakle imamo homogeno opterećenje. U trenutku uključenja klima uređaja THDI skače na 26.5% što je daleko iznad standarda, što je bilo i za očekivati jer su klima uređaji nelinearni potrošači koji dakle stvaraju probleme po pitanju kvaliteta električne energije.Takođe ono što je ovde interesantno uočiti je THD faze 2(zelena linija), koji pre uključenja klima uređaja ima vrednost i preko 35%, a prilikom rada klima THD opada na 15%, ovde dakle imamo pad THD zbog istovremenog rada 2 grupe različitih nelinearnih potrošača.
20
3.2.3. Rezultati merenja induvudualne harmonijske distorzije pri maksimalnom i minimalnom opterećenju
Harmonijska analiza za max opterećenje (uključeni klima uređaji i deo rasvete).
Najveće opterećenje je bilo 12.12.2009. u 12:10h (tada su uključeni klima uređaji). Efektivne vrednosti struja su tada iznosile:
Irms line1 = 2.1AIrms line2 = 11.9AIrms line3 = 9.1AIrms neutral = 9.9A
Maksimalno opterećenje
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Harmonik
HDI [%]
LINE1 HDI LINE2 HDILINE3 HDI
Slika 16. Harmonijski spektar struje sve tri faze pri maksimalnom opterećenju
Tabela 8. Harmonijski spektar struje pri maksimalnom opterećenjuRed harmonika 1 2 3 4 5 6 7 8 9Line1 HDI [%] 100 3.6 15.7 1.8 14.6 0.3 5.2 0.3 1.4Line2 HDI [%] 100 2.2 12.7 0.7 6.1 0.3 2.3 0.3 1.7Line3 HDI [%] 100 4.6 19.6 1.4 15.2 5.2 6.5 0.2 0.9
U strukturi harmonijskog spektra struje klima uređaja dominiraju treći i peti harmonik. Njihova procentualna učešća u strukturi harmonijskog spektra struje prevazilaze standardom IEEE 519 definisanu granicu (12%).
Za razliku od računara i fluorescentnih svetiljki, u strukturi harmonijskog spektra struje klima uređaja prisutni su i parnih harmonici. Procentualno učešće drugog harmonika u strukturi spektra je, npr. veće od učešća sedmog harmonika. Drugi harmonik generiše asinhroni motor klima uređaja. Osim drugog harmonika prisutni su i: četvrti, šesti, osmi i deseti harmonik. Procentualno učešće parnih i neparnih harmonika u strukturi harmonijskog spektra struje, za red harmonika veći od desetog je zanemarivo.
21
Talasni oblik struje pri radu klima urđaja
Slika17. Talasni oblik faznih struja i neutalnog provodnika
Sa prethodne slike se može zaključiti da talasni oblik struje pri radu klima uređaja znatno odstupa od sinusoidalnog oblika, što se negativno odražava na parametre kvaliteta električne enrgije.
Harmonijska analiza za min opterećenje:
Najmanje opterećenje je bilo u dosta trenutaka tokom mernog perioda, taj period je tokom noći kada su uključeni samo poneki računari i to serveri. Kao reprezentna tačka izabran je trenutak15.12.2009. u 01:20h.Efektivne vrednosti struja su bile:
Irms line1 = 0AIrms line2 = 0.2AIrms line3 = 0AIrms neutral = 2.2A
Treba napomenuti da je osetljivost strujnih klješta 200mA, tako da vrednosti od 0A ne treba uzimati kao 100% tačne, dakle moguće je da je postojala neka struja ali strujna klješta to nisu registrovala.
22
Minimalno opterećenje
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Harmonik
HDI [%]LINE1 HDILINE2 HDILINE3 HDI
Slika 18. Harmonijski spektars struje sve tri faze pri minimalnom opterećenju
Tabela 9. Harmonijski spektar struje pri minimalnom opterećenjuRed harmonika 1 2 3 4 5 6 7 8 9Line1 HDI [%] 100 0 0 0 0 0 0 0 0Line2 HDI [%] 100 0.2 36.3 0.1 16.4 0.1 2.9 0.1 4.4Line3 HDI [%] 100 0 0 0 0 0 0 0 0
Harmonijski spektar faze 1 i faze 2 uopšte ne poseduje više harmonike, kao što je već rečeno to je zbog osetljivosti strujnih klješta (200mA). Dok faza 2 ima izrazite 3-ći i 5-ti harmonik što je posledica rada servera.Vidimo da faza 2 ima procentualno veliku vrednost trećeg harmonika ali pošto je struja bila mala to u apsolutnim jedinicama predstavlja zanemarljivu vrednost za sistem.
U strukturi harmonijskog spektra napona pri minimalnom i maksimalnom opterećenju udeo pojedniačnih hamonika je zanemarivo mali ispod 1.9%, tako da oni nisu prezentovani. Prema važećim preporukama, potrebno je da svaki pojedinačni harmonik napona bude manji od 3% u odnosu na osnovni.
23
4. Zaključak
4.1. Uticaj flurescentnog osvetljenja na kvalitet električne energije
Kao što je ranije napomenuto zbog problema sa baterijom instrumenta nije vršeno merenje koje je unapred bilo planirano tj. u trajanju od 7 dana. Međutim tokom jednog dana (petak 11.12.2009.) instrument je ispravno radio, tako da on predstavlja tipičan reprezent jednog uobičajenog radnog dana. Merenjima je ustanovljeno da je THD napona sve tri faze ispod dozvoljene granice od 5% (po standardu IEE 519) tako da je sa tog aspekta kvalitet električne energije zadovoljen.Što se tiče THD struja kod njega je situacija drugačija, ustanovljeno je da je THD prve i treće faze nešto iznad propisanog limita od 15% (IEE Standard 519-1992), dok je faza dva nešto ispod propisanog limita.Takođe analizirani su rezultati induvidualne harmonijske distorzije. HD napona je bio najizraženija za peti harmonik druge i treće faze i iznosi je HD2
5=HD35= 2,3%.Što je ispod 3%
(IEE Standard 519 for General system). HD struje je najizraženiji za treći harmonik faze jedan i iznosi je HD1
7=14.7% i iznad je granice od 12% po (IEE Standard 519).Dakle fluorescentna osvetljenja kao nelinearni potrošači generišu više harmonike struje i napona oni izazivaju degradaciju kvaliteta električne energije ali ta degradacija nije toliko velika kao kod nekih drugih nelinearnih potrošača. THD napona je ispod propisanih limita, tako da ostali potrošači koji se napajaju sa ovog mernog mesta ne bi trebali da imaju problema prilikom rada.
4.2 Uticaj klima uređaja na kvalitet električne energije
Klima uređaji su posebno interesantna grupa potrošača koja se sve više javlja kao potrošač u električnoj mreži. Manje više sad svako domaćinstvo ima barem po jedan klima uređaj. Ali ono što je ovde posebno interesantno što se analizirao uticaj grupe klima uređaja na parametre kvaliteta električne energije.Pa su tako merenjima ustanovljeni sledeći rezultati.Totalna harmonijska distorzija napona THDU je u trenutku uključenja klima uređaja bila ispod granice od 5%, tako da je sa tog aspekta kvalitet električne energije zadovoljen. Dok je kod THDI situacija drugačija, THDI prve i treće faze je iznad granice od 15% i tu dakle nemamo zadovoljavanje kvaliteta električne energije. Dok je druga faza na samoj granici.Što se tiče induvidualne harmonijske distorzije napona najveći iznos bio je treći harmonik druge faze HD2
3=1.9% Što je ispod 3%.Induvidualan harmonijska distorzija struje je najizraženija za treći harmonik faze 3 (to je ona faza gde su bili priključeni samo klima uređaj) i iznosi HD3
3=19.6%, što je iznad granice od 12% po (IEE Standard 519).Dakle i klima uređaji kao nelinearni potrošači generišu više harmonike struje i napona. I imaju „bogatiji“ harmonijski spektar nego fluroscentno osvetljenje. Posebno su izraženi treći i peti harmonik, ovde je takođe interesantna pojava parnih harmonika.THD napona je i ovde ispod „strožije“ granice od 5% tako da ostali potrošači napajani sa ovog mesta nemaju problema prilikom rada.
24
4.3. Generalni zaključak
Harmonici struje, generisani od strane nelinearnih potrošača, injektiraju se u distributivnu mrežu i utiču na ostale potrošače i opremu. Zbog izobličenih struja dolazi do izobličenih padova napona, tako da se izobličenje struje javlja i kod linearnih potrošača povezanih na isti napojni vod. Viši harmonici povećavaju ukupne gubitke u mreži smanjujući efikasnost sistema pa se primarna oprema mora dimenzionisati za veće snage. Oni dakle „kvare“ električnu energiju koja se u liberalizovanom tržištu električne energije smatra robom koja mora zadovoljiti određeni kvalitet.
U moderno vreme možemo zaboraviti da će niskonaponska mreža biti s malim iznosima izobličenja napona. Moderni uređaji zbog ušteda na energiji uključuju gotovo uvek pretvarače koji predstavljaju nelinearna potrošače. Ova nelinearnost generiše više harmonike koji se moraju analizirati.
Primeri elemenata sistema koji trpe značajan negativan uticaj su transformatori, motori i kondenzatori, kod kojih se javljaju dodatni gubici, pregrevanja, preopterećenja i vibracije. Računajući sa činjenicom da se harmonici reda deljivog sa tri direktno sabiraju u nultom provodniku, može da dođe do preopterećenja i dodatnih gubitaka u napojnim vodovima. Problemi se takođe mogu javiti i kod telekomunikacione opreme i drugih elektronskih uređaja. Dokazano je da pouzdanost prekidačkih uređaja naglo opada ako THD napona prelazi 5%(8%). Problem viših harmonika u elektroenergetskim mrežama se stoga ne sme zanemarivati, i mora se stalno pratiti i analizirati a po potrebi i reagovati.
25
5. Literatura
[1] „Kvalitet električne enrgije“ - Vladimir Katić, Amir Tokić, Tatjana Konjić –
Novi Sad,jun,2007
[2] „Merenje i analiza uticaja rada računarskog centra na nivo viših
harmonika“ – Saša Mujović, Vladimir Katić, Zoltan Čorba i Jadranka Radović
[3] EN50160 Standard 61000-4-7 – International Electrotechnical
Commission , Geneva, 2002.
[4] „Projekat postojećeg stanja elekroenergetskih instalacija zgrade
nastavnog bloka fakulteta tehničkih nauka“ – Dura Oros
[5] „Analiza kvaliteta električne energije sa velikim brojem nelinearnih
potrošača male snage“ - Mladen Zec, Čedomir Zeljković, Siniša Zubić, Petar Matić,
Elektrotehnički fakultet, Banja Luka
[6] www.csanyirgroup.com
26
