Jakość energii elektrycznej

Zła jakość energii elektrycznej to ogromne koszty, zarówno po stronie odbiorcy, jak i dostawcy. Zagadnienie to nabiera szczególnego znaczenia, gdyż rośnie liczba i moc jednostkowa odbiorników niespokojnych, nieliniowych, niekiedy również niesymetrycznych. Zmniejsza się jednocześnie odporność odbiorników na zaburzenia elektromagnetyczne i rosną koszty awarii. Z drugiej strony wzrasta efektywność przetwarzania energii, rozwija się tzw. ekologia elektromagnetyczna oraz ewoluują metody pomiaru wskaźników jakości energii. Wszystko to powoduje, że klienci zakładów energetycznych mają coraz wyższe wymagania, a dystrybutorzy muszą za nimi nadążyć.

Jakość energii elektrycznej to zbiór parametrów opisujących właściwości procesu dostarczania energii do odbiorcy w normalnych warunkach pracy, charakteryzujących napięcie zasilające oraz określających ciągłość zasilania odbiorcy. Trzeba jednak mieć świadomość, że jakość tę kształtują wszystkie podmioty tworzące sieć dystrybucji i konsumpcji energii elektrycznej – jej dostawcy, czyli sprzedawcy energii, i odbiorcy, czyli kupujący. Dostawcy energii elektrycznej odpowiadają głównie za zapewnienie napięcia zasilającego, a odbiorcy za jakość prądu – używają oni odbiorników elektrycznych, które mogą ją pogarszać. Odbiorca potrzebuje określonej ilości energii o parametrach jakościowych napięcia zasilającego spełniających wymagania określonych norm. Ilość kupionej energii elektrycznej określa się na podstawie wskazań liczników energii. Parametry jakości energii elektrycznej są zazwyczaj zapisane w umowie z dostawcą. Są one rejestrowane i oceniane przez analizatory jakości energii zainstalowane najczęściej u odbiorców komercyjnych, zwykle w zakładach przemysłowych.

Jakość energii elektrycznej wg wymagań norm i przepisów

W 2010 r. Europejski Komitet Normalizacyjny Elektroenergetyki (CENELEC) znowelizował normę EN 50160 – „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych”, która w Polsce została wprowadzona do dobrowolnego stosowania w 1998 r., a której aktualizacją zajmuje się Normalizacyjna Komisja Problemowa. Znowelizowany dokument ma tytuł „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych” [1], bo zakres normy został rozszerzony o sieci zasilające wysokiego napięcia (WN). Standardy jakościowe parametrów napięcia zasilającego odnoszą się do miejsc dostarczania energii elektrycznej do odbiorców przyłączonych do publicznych sieci zasilających o napięciu: niskim nn (do 1 kV), średnim SN (powyżej 1 kV do 36 kV) oraz wysokim WN (powyżej 36 kV do 150 kV).

Wymieniona norma definiuje parametry napięcia, opisuje sposoby pomiaru i określa ich dopuszczalne wartości:

➡ częstotliwość sieciową,

➡ wartość napięcia zasilającego,

➡ zmiany napięcia zasilającego,

➡ szybkie zmiany napięcia,

➡ zapady napięcia zasilającego,

➡ ciągłość zasilania (przerwy w zasilaniu).

W zakresie ciągłości zasilania dostawcę (przedsiębiorstwo energetyczne) i odbiorcę obowiązują: ustawa Prawo energetyczne [2], rozporządzenie w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [3], rozporządzenie w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf [4], umowa sprzedaży energii elektrycznej i taryfa opłat za energię elektryczną.

Niezawodność zasilania

Jest jednym z podstawowych parametrów oceny jakości energii elektrycznej. Ponieważ odbiorcy różnego typu mają odmienne wymagania co do tego parametru, osobna klasyfikacja dotyczy odbiorców komunalnych (zasilanych z publicznych sieci rozdzielczych), a osobna przemysłowych.

Odbiorniki przemysłowe dzielą się na trzy kategorie ze względu na skutki, jakie pociąga za sobą awaria (przerwa w pracy). Odbiorniki kategorii I to urządzenia o najwyższej pewności zasilania, których awaria może stworzyć zagrożenie dla życia ludzkiego i wielkie straty materialne. Wymagają pełnego rezerwowania zasilania. Odbiorniki kategorii II – o zwiększonej pewności zasilania. Ich awaria skutkuje stratami gospodarczymi i przestojem w produkcji podstawowej. Wymagana rezerwa – 30–60% w warunkach pracy niezakłóceniowej. Ostatnia grupa to odbiorniki kategorii III – o zwykłej pewności zasilania, czyli urządzenia niezakwalifikowane do dwóch poprzednich grup. W ich przypadku zasilanie rezerwowe nie jest konieczne, chociaż w konkretnych przypadkach jest uzasadnione, tym bardziej jeśli nie wiąże się to z wysokimi kosztami wykonania układu zasilania.

Określony stopień pewności zasilania w obrębie obiektu przemysłowego zależy nie tylko od liczby źródeł zasilania rezerwowego, lecz także od struktury wewnątrzzakładowej sieci rozdzielczej. Zakłady przemysłowe w większości ustalają z dystrybutorem indywidualne warunki zasilania, w tym warunki dotyczące niezawodności zasilania. Mogą oni indywidualnie decydować się na instalację w sieci zakładowej urządzeń zasilania rezerwowego.

Jakość napięcia – zależna od odbiorcy

Wbrew powszechnemu przekonaniu, zgodnie z którym przyczyny złej jakości energii elektrycznej leżą po stronie dostawcy, zazwyczaj należy ich szukać po stronie odbiorcy. Dostawca dostarcza energię o jakości określonej przepisami ustawy Prawo energetyczne [2] i zgodnej z normą PN-EN 50160:2010 [1], co nakłada na niego obowiązek zapewnienia ustalonej w umowie częstotliwości, czasu długotrwałych przerw w zasilaniu, poziomu napięcia i poprawnego kształtu jego sinusoidy w przyłączu zakładu przemysłowego. Jednak już na terenie obiektu przemysłowego odbiorcę obowiązują wymagania zapisane w normie PN-EN 61000-2-4:2003 – „Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 2-4: Środowisko. Poziomy kompatybilności dotyczące zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości w sieciach zakładów przemysłowych” [5]. Są to szczegółowe wymagania w zakresie poziomu napięć, składowych harmonicznych napięcia i pobieranego prądu, zapadów i krótkotrwałych przerw w zasilaniu, z uwzględnieniem wartości odniesienia niezbędnych do prawidłowego użytkowania odbiorników elektrycznych. Tymczasem często się zdarza, że konkretny odbiorca używa zbyt dużej liczby odbiorników nieliniowych (skutki: wzrost wartości skutecznej prądu obciążenia, przeciążenie przewodów zasilających, transformatorów SN/nn; odkształcenia sinusoidy napięcia w sieci zasilającej) albo instalacja w zakładzie została źle zaprojektowana. Dochodzi wówczas do obniżenia jakości energii elektrycznej, w wyniku czego występują przypadkowe wyłączenia dopływu energii elektrycznej do urządzeń produkcyjnych.

Wymagania wobec zakładu energetycznego i poczucie przewagi wobec dostawcy energii rosną w zależności od tego, im większy jest odbiorca i im więcej kupuje energii. Odbiorca przemysłowy ponosi większe opłaty za energię oraz wysokie koszty w przypadku zaburzeń (zakłócenia czy w ogóle zatrzymania produkcji). Może więc formułować zarzuty, że dostaje energię o jakości nieadekwatnej do ceny. To powoduje, że dostawcę energii elektrycznej będzie dobierać starannie, kierując się m.in. właśnie ceną i jakością serwisu, będzie też wnikliwie analizował kryteria jakości energii elektrycznej (dlatego te muszą być starannie opracowane). Do rozmów z takim klientem dostawca deleguje swoich specjalistów. Po pierwsze, doradcę technicznego, który przygotuje dla dużego klienta indywidualną ofertę, zaproponuje rozwiązania zaradcze na wypadek problemów i przedstawi możliwości bieżącej współpracy fabryki i zakładu energetycznego. Poza tym dostawca (dystrybutor) w dogodnym momencie wydeleguje do niego konsultanta, którego zadaniem jest cierpliwe wyjaśnianie wątpliwości i łagodzenie sporów między stronami, a ściślej mówiąc, zdobycie i „utrzymanie” dużego klienta.

Jakość – zależna od producenta sprzętu

Decydując się na kupno urządzenia, odbiorca ma konkretne oczekiwania co do jakości, którą tworzą niezawodność, odporność na środowisko elektromagnetyczne i energooszczędność. To przede wszystkim jakość sprzętu pracującego w zakładzie przemysłowym decyduje bowiem o jakości energii elektrycznej, którą będzie dysponował, a więc ciągłości, jakości i wydajności produkcji. Poza tym w razie przyłączenia sprzętu lub instalacji niezgodnych z obowiązującymi normami, np. powodujących nadmierne zakłócenia w sieci innego odbiorcy energii, administrator obiektu przemysłowego musiałby zapłacić karę. Z tych powodów w interesie odbiorcy energii leży, aby producent sprzętu potrafił skonstruować i dostarczyć urządzenie kompatybilne z danym, ściśle zdefiniowanym środowiskiem elektromagnetycznym, do pracy w którym jest przeznaczone. Problem stanowią np. zapady napięcia (obniżenie wartości skutecznej napięcia poniżej dopuszczalnego poziomu) i z tego powodu zakłady przemysłowe zamawiają urządzenia odporne na zapady o określonym czasie trwania i określonej amplitudzie. Przed zainstalowaniem nowych urządzeń odbiorca powinien zweryfikować ich kompatybilność elektroenergetyczną oraz odporność na dany rodzaj zaburzenia z jakością zasilania w punkcie planowanej instalacji. To, jakie parametry muszą spełniać urządzenia zasilane energią elektryczną w miejscu przyłączenia, powinno się ustalić przede wszystkim z dostawcą energii.

Urządzenia elektroniczne używane w procesie sterowania urządzeniami produkcyjnymi i przesyłania danych są wrażliwe szczególnie na przepięcia i zapady napięcia zasilającego. W przypadku wystąpienia tych zakłoceń w instalacji elektrycznej urządzenia elektroniczne mogą powodować wadliwą pracę części silnoprądowej urządzeń (przekształtników napięcia, napędów silników, spawarek elektrycznych itp.), co automatycznie zaburza porządek i ciągłość procesu produkcyjnego. Tymczasem zdarza się, że producenci sprzętu podsuwają klientowi urządzenie wymagające zasilania energią elektryczną wysokiej jakości, lecz nie informują kupującego o ich odporności na zaburzenia. Nie windują cen swoich produktów, ze względu na konkurencję, ale za to obniżają ich jakość, nie instalując elementów konstrukcyjnych, które służą podniesieniu odporności na zaburzenia (np. filtrów wejściowych) oraz zmniejszeniu ich emisyjności. Z drugiej strony działają producenci, którzy świadomie nie chcą ponosić kosztów napraw gwarancyjnych, więc oferują coraz bardziej wyspecjalizowany sprzęt o wysokiej odporności na zaburzenia, ale wówczas jest on znacznie droższy. Zatem z jednej strony istnieje rynek urządzeń tańszych, ale mniej odpornych i mniej bezpiecznych z punktu widzenia energetycznego, a z drugiej – droższych, za to o zwiększonym stopniu odporności na zaburzenia elektromagnetyczne.

W przypadku wystąpienia zaburzeń problemy najbardziej opłaca się rozwiązywać na miejscu, mając bezpośredni dostęp do urządzeń oraz instalacji należących do odbiorcy, a będących potencjalnym źrodłem zaburzeń, jak zapady napięcia i zakłócenia związane z rozruchem maszyn dużej mocy. Jednym z rozwiązań stanowiących pewne zabezpieczenie przed zakłóceniami jest budowa takiej sieci zasilającej, która zagwarantowałaby najwyższe parametry zasilania, jednak warto pamiętać, że nie każde urządzenie wymaga takich warunków pracy. Już na starcie należy zadbać o jakość samego sprzętu, czyli przede wszystkim o jego kompatybilność elektromagnetyczną.

Pomiary i zaburzenia jakości napięcia

Pomiary jakości napięcia wykonuje się przyrządami (analizatorami) pozwalającymi ocenić wielkości zaburzeń w napięciach i prądach w różnych punktach sieci zasilającej, w odniesieniu do wymagań norm. W spornych sytuacjach między dostawcą i odbiorcą energii pomiary jakości napięcia wykonuje się przyrządami klasy pierwszej. Celem pomiarów jest określenie standardów jakościowych energii elektrycznej. Zakres pomiarów obiektowych obejmuje:

➡ wahania napięcia,

➡ zapady i przepięcia napięcia,

➡ odkształcenia napięcia,

➡ asymetrię napięcia,

➡ wskaźnik długookresowej uciążliwości migotania światła,

➡ częstotliwość sieciową.

Wahania napięcia

Badania zmian napięcia zasilającego rejestruje się przez 7 dni. Według normy PN-EN 50160:2010 [1] należy wykonać 1008 (7*24*6) rejestracji 10-minutowych wartości średnich napięcia URMS.

Na podstawie otrzymanych wyników wyznacza się charakterystyczne wartości mierzonego napięcia, a mianowicie:

➡ kwantyl napięcia rzędu 95% przy pomiarach na średnim napięciu,

➡ kwantyl napięcia rzędu 100% przy pomiarach na średnim napięciu.

Zapady i przepięcia napięcia

Wieloletnie doświadczenia europejskich zakładów energetycznych pozwoliły na opracowanie tabelarycznej klasyfikacji zapadów napięcia w postaci zależności amplitudy napięcia podczas zapadu i czasu jego występowania. Liczba posortowanych zapadów napięcia podczas tygodniowego czasu obserwacji jest prezentowana w rejestrze wyników zapadów napięcia.

Odkształcenia napięcia

Badania odkształceń napięcia zasilającego rejestruje się przez 7 dni. Według normy PN-EN 50160:2010 [1] należy wykonać 1008 (7*24*6) rejestracji 10-minutowych wartości średnich napięcia Uh_RMS dla każdej harmonicznej.

Na podstawie otrzymanych wyników wyznacza się:

➡ kwantyl rzędu 95% każdej harmonicznej napięcia zasilającego,

➡ kwantyl rzędu 95% współczynnika THD napięcia zasilającego (uwzględniającego wszystkie harmoniczne aż do rzędu 40).

Asymetria napięcia

Badania asymetrii napięcia zasilającego rejestruje się przez 7 dni. Według normy PN-EN 50160:2010 [1] należy wykonać 1008 (7*24*6) rejestracji 10-minutowych wartości średnich napięcia skutecznego URMS składowej symetrycznej kolejności przeciwnej napięcia zasilającego, które powinny mieścić się w przedziale od 0 do 2% wartości składowej symetrycznej kolejności zgodnej. W normie podane są jedynie wartości dla składowej kolejności przeciwnej, ponieważ ta składowa jest istotna z punktu widzenia możliwego zakłócenia pracy urządzeń przyłączonych do sieci.

Na podstawie otrzymanych wyników wyznacza się kwantyl rzędu 95% zmian asymetrii układu napięć trójfazowych napięcia zasilającego.

Wskaźnik długookresowej uciążliwości migotania napięcia

Poziom dyskomfortu spowodowanego migotaniem napięcia odczuwalny jest przede wszystkim poprzez migotanie światła, które wyznacza się metodą pomiarową, mierząc przez dwie godziny 12 kolejnych 10-minutowych wartości wskaźnika krótkookresowego migotania światła (Pst).

Wskaźnik długookresowego migotania światła (Plt) rejestruje się przez 7 dni. Na podstawie otrzymanych wyników wyznacza się kwantyl rzędu 95% długookresowej uciążliwości migotania światła napięcia zasilającego, którego wartość powinna wynosić <= 1.

Zmiany częstotliwości sieciowej

Badania zmian częstotliwości napięcia zasilającego rejestruje się przez 7 dni. Według normy PN-EN 50160:2010 [1] należy wykonać 60 480 (7*24*360) rejestracji 10-sekundowych wartości średnich częstotliwości napięcia zasilającego.

Na podstawie otrzymanych wyników wyznacza się:

➡ kwantyl rzędu 99,5% zmian częstotliwości napięcia zasilającego,

➡ kwantyl rzędu 100% zmian częstotliwości napięcia zasilającego.

Oddziaływanie nieodpowiedniej jakości energii na pracę zakładu przemysłowego

Zła jakość energii (napięcia zasilającego) to duże zagrożenie dla ciągłości zasilania odbiorów w zakładzie przemysłowym, powoduje przestoje w pracy i wzrost dodatkowych strat energii w jego sieciach przesyłowo-rozdzielczych. Ponadto odkształcenie sinusoidy i związana z nim obecność wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym może zaburzać pracę sterowników mikroprocesorowych i innych urządzeń słaboprądowych. Odkształcone napięcie zasilające oddziałuje niekorzystnie na pracę baterii kondensatorów, powodując ich przeciążenie. Każde bezpośrednie podłączenie kondensatora do sieci zasilającej z odkształconym napięciem powoduje wzrost odkształcenia napięcia. Dołączenie samotnej baterii może również wywołać przepięcia i przetężenia rezonansowe, a w ich efekcie uszkodzenia wrażliwych odbiorników i bezpieczników.

Aby zapobiec niekorzystnemu oddziaływaniu odkształconego napięcia, stosuje się filtry LC wyższych harmonicznych lub kompensatory energoelektroniczne o działaniu dynamicznym (nadążnym). Baterie kompensacji mocy biernej w takich sieciach pracują w układzie filtrów wyższych harmonicznych (wh) lub z dławikami ochronnymi. Zastosowane środki zaradcze spowodowane złą jakością napięcia powiększają koszty infrastruktury elektroenergetycznej zakładu przemysłowego.

Podsumowanie

Dla odbiorców przemysłowych ciągła dostępność wysokiej jakości energii elektrycznej jest warunkiem funkcjonowania, stać ich także na płacenie wysokich sum za towar wysokiej jakości, zatem dla dystrybutorów stanowią oni łakomy kąsek. Dostawcy zabiegają więc o klientów z tego sektora, ponieważ chcą sprzedać jak najwięcej energii. Jednocześnie chcą uniknąć kłopotów, np. zaburzeń, które mogłyby spowodować większą awaryjność systemu zasilającego i własnych urządzeń oraz straty z tytułu niedostarczonej energii. Ponieważ dystrybutor walczy o klienta, to on bierze na siebie obowiązek dbania o jakość energii, co wymaga od niego oczywiście drogich inwestycji. Rośnie liczba i moc lokalnych źródeł energii – rozwija się tzw. energetyka rozsiana lub rozproszona, pracują elektrownie wiatrowe, funkcjonuje biogeneracja, produkcja w skojarzeniu itp. Jak z tego wynika, sektor energetyczny, tak jak inne sektory rynku, podlega prawom marketingu.

Aleksandra Solarewicz – publicystka, od 1997 r. współpracuje z prasą branżową.