Przetwarzanie energii elektrycznej na inne użyteczne postacie energii dokonuje się głównie, bo w 70-80 proc. całej konsumowanej energii, w odbiornikach niskiego napięcia zasilanych z instalacji elektrycznych. Dla prawidłowej pracy tych urządzeń jest pożądane, aby parametry napięcia zasilającego na zaciskach przyłączeniowych były równe znamionowym lub mieściły się w przedziałach dopuszczalnych odchyleń i deformacji.
Aby z kolei spełnione były te ustalenia instalacje elektryczne muszą być wykonane w sposób spełniający współczesne wymagania techniczne i pozostawać w zadowalająco dobrym stanie technicznym. W przeciwnym przypadku liczba i czasy przerw w zasilaniu mogą być nadmiernie częste i długotrwałe, a parametry napięcia na zaciskach odbiorników mogą się nawet znacznie różnić od dopuszczalnych wartości mimo, że jakość energii w sieci zasilającej i w złączu może być zadowalająco dobra. Wymóg wysokiej jakości energii (napięcia) w złączu jest zatem warunkiem koniecznym, lecz przy złym stanie technicznym instalacji może okazać się niewystarczającym, aby była ona równie wysoka na zaciskach urządzeń odbiorczych.
Dostawcy energii, jak dotychczas, nie zawsze są w pełni zainteresowani tym, aby dostarczać odbiorcom energię elektryczną wysokiej jakości bez przerw w zasilaniu. Wynika to z monopolistycznej pozycji zakładów energetycznych, jako jedynych dostawców energii na danym terenie i praktycznie braku odpowiedzialności finansowej za przerwy i niedotrzymanie wymaganych parametrów dostarczanej energii. Zapewne nie bez znaczenia są nawyki z przeszłości, kiedy to w warunkach permanentnego niedostatku energii wyłączenia i obniżenie jej jakości były sposobem na obniżenie zapotrzebowania na moc w godzinach szczytowego obciążenia, a odbiorca był uciążliwym i mało pożądanym partnerem. Obecnie wraz ze zmianami wprowadzonymi przez prawo energetyczne i stopniowym urynkowieniem obrotu energią, wielu odbiorców zaczyna w coraz większym stopniu zwracać uwagę na jakość dostarczanej energii elektrycznej tak, jak zwraca się uwagę na jakość kupowanego towaru. Przyczynia się do tego również coraz większa liczba nowoczesnych urządzeń elektrycznych, zawierających z reguły wiele elementów elektronicznych o dużym stopniu integracji, wrażliwych na złą jakość energii elektrycznej. Straty spowodowane niedostateczną jakością energii mogą być i są bardzo duże. Przykładowo roczne straty z tego tytułu ponoszone w krajach Europy Zachodniej szacowane są na 10-20 miliardów euro, natomiast straty firm amerykańskich ocenia się na około 26 miliardów dolarów.
CZYTAJ TAKŻE: Sieci i dystrybucja prądu. Jak zmniejszyć ryzyko przerw w dostawach?
Odpowiedzialnością za niedostateczną jakość energii elektrycznej nie można jednak obarczać jedynie jej dostawców, lecz w coraz większym stopniu przyczyniają się do tego sami odbiorcy. Nowoczesne urządzenia, tak wrażliwe na niewłaściwe parametry energii, często bowiem same oddziałują szkodliwie na układ zasilania, a przez to również na pracę innych urządzeń. Jest to szczególnie ważne teraz, bowiem prawie lawinowo zwiększa się liczba odbiorników o nieliniowych charakterystykach. Szacuje się, że ich udział w USA wynosił w 1992 roku 15-20 proc. całego obciążenia, a obecnie już wynosi 50-70 proc.. Udział odbiorników o charakterystykach nieliniowych przekraczający 25 proc. całego obciążenia może oddziaływać negatywnie na pracę innych urządzeń i może być konieczne dokonanie określonych przedsięwzięć technicznych zapewniających spełnienie wymogów dotyczących jakości energii.
ZOBACZ TAKŻE: Stan i potrzeby rozwojowe sieci elektroenergetycznych w procesie transformacji niskoemisyjnej w Polsce
Podstawowym zakłóceniem wpływającym negatywnie na jakość energii są nieodpowiednie parametry napięcia zasilającego. Norma PN-EN 50160 ustala m.in. wymagania dotyczące charakterystycznych parametrów napięcia zasilającego, podaje sposoby ich wyznaczania oraz graniczne dopuszczalne odchylenia od wartości znamionowych. Wymagania te podane są zarówno dla sieci zasilających niskiego jak i średniego napięcia, przy czym dla sieci niskiego napięcia odnoszą się one do parametrów mierzonych w złączu.
Parametry te, to przede wszystkim:
- częstotliwość napięcia,
- wartość napięcia zasilającego,
- zmiany napięcia zasilającego,
- szybkie zmiany napięcia,
- zapady napięcia zasilającego,
- krótkie przerwy w zasilaniu,
- długie przerwy w zasilaniu,
- dorywcze przepięcia o częstotliwości sieciowej,
- przepięcia przejściowe,
- niesymetria napięcia zasilającego,
- harmoniczne napięcia.
W normie zawarta jest informacja, że ustalone wartości charakterystycznych parametrów napięcia zasilającego dotyczą normalnych warunków pracy.
Postanowienia normy nie są stosowane m.in. w odniesieniu do:
- pracy sieci po wystąpieniu zwarcia i w sytuacji tymczasowych układów zasilania utworzonych w celu zapewnienia ciągłości zasilania odbiorców oraz w przypadku prowadzenia prac zmierzających do zminimalizowania czasu trwania przerwy oraz obszaru dotkniętego przerwą w zasilaniu,
- w sytuacjach wyjątkowych, w szczególności takich jak:
– klęski żywiołowe i szczególnie niekorzystne warunki atmosferyczne,
– zakłócenia spowodowane przez osoby trzecie,
– działania władz publicznych,
– strajki,
– siły wyższe,
– niedobór mocy wynikający ze zdarzeń zewnętrznych.
W zależności od tego, czy jest się odbiorcą, czy dostawcą energii, różny jest sposób interpretacji ustaleń normy. Odbiorcy odczytują je jako zbiór wartości wybranych parametrów energii elektrycznej, jakie powinny być bezwzględnie zapewnione przez dostawcę. Podejście takie jest jednak nie w pełni zgodne z treścią normy, w której stwierdza się, że jej celem jest zdefiniowanie i opisanie parametrów napięcia zasilającego, oraz że podane w niej wartości mają wyłącznie charakter informacyjny oraz że są one typowymi prawdopodobnymi zmianami wartości parametrów i mogą być przekroczone. Ponadto niemal każde niedotrzymanie parametrów może być wytłumaczone przez dostawcę zdarzeniami wyjątkowymi, a w każdym przypadku „siłą wyższą”, do której zalicza się m.in. warunki atmosferyczne. Wydaje się, że w kręgu tych zagadnień powinno dojść do głębokich przewartościowań i zmiany świadomości zarówno ze strony odbiorców jak i dostawców energii, gdyż odpowiedzialność za jej złą jakość nie może spadać jedynie na jej dostawcę, bowiem w coraz większym stopniu winni są sami odbiorcy.
ZOBACZ TAKŻE: Miedź wyznacza normę przewodności
Podstawową przyczyną odkształceń krzywej napięcia zasilającego są wyższe harmoniczne w prądzie pobieranym z sieci przez odbiorniki o nieliniowych charakterystykach prądowo-napięciowych. Wiele przekształtników pobiera prąd, w którym wyższe harmoniczne są niekiedy porównywalne ze składową podstawową prądu. Prądy te przepływając przez impedancję układu zasilania powodują deformację krzywej napięcia, przy czym im większy jest rząd składowej harmonicznej, tym większy jest jej wpływ na odkształcenie krzywej napięcia zasilającego od przebiegu sinusoidalnego. Ilustruje to rys. 1, na którym sieć zasilająca odwzorowana jest zastępczym źródłem prądu e oraz zastępczą impedancją ZS.
Jeśli w instalacji odbiorczej O1 pobierany jest prąd odkształcony o wartości skutecznej IO1:
gdzie Ih jest wartością skuteczną prądu h – tej harmonicznej, to spadek napięcia Uh dla h-tej harmonicznej na drodze od źródła do odbiornika wyraża się zależnością:
gdzie ZSh, ZIh, oraz ZPh – są impedancjami elementów układu (rys.1) dla h-tej harmonicznej prądu.
Ten spadek napięcia rozdziela się odpowiednio na dwa spadki: DUSh na impedancji sieci ZSh, tj. od źródła e do punktu zasilania A, oraz spadek napięcia DUIPh na zsumowanej impedancji instalacji elektrycznej ZI i impedancji przekształtnika w tej instalacji ZP (rys. 1). Względną wartość spadku napięcia na impedancji sieci dla harmonicznej rzędu h można zapisać jako:
Impedancja sieci ZS jest zależna od jej mocy zwarciowej SK” i dla harmonicznej podstawowej wyraża się zależnością:
gdzie UN jest napięciem znamionowym sieci.
Przedstawione zależności ilustrują podstawowe relacje pomiędzy głębokością zakłóceń napięcia w punkcie zasilania odbiorców A a parametrami sieci zasilającej i instalacji odbiorczej wraz z odbiornikiem. Korzystne jest aby impedancja sieci XS była możliwie niewielka w stosunku do impedancji instalacji odbiorczej ZI i odbiornika ZP (rys. 1). Wpływ odbiorników na odkształcenie napięcia w sieciach o dużych mocach zwarciowych jest mniej odczuwalny niż w sieciach o niewielkiej mocy zwarciowej. W konsekwencji należy stwierdzić, że na wartość niektórych parametrów określających jakość napięcia zasilającego znaczący wpływ mają odbiorcy, niekiedy nawet większy niż wytwórcy czy dostawcy energii. Zależy to w znacznym stopniu od parametrów i stanu instalacji odbiorczej. Stąd jednym z czynników mających wpływ na parametry dostarczanej energii, zwłaszcza w budownictwie mieszkaniowym, jest stan techniczny instalacji. Dotyczy to w szczególności odbiorców w budynkach wielorodzinnych, gdzie zakłócenia spowodowane przez jednych odbiorców mają bezpośredni wpływ na jakość zasilania innych, podłączonych do tej samej czy sąsiedniej wewnętrznej linii zasilającej budynku. Zagadnienia te nabierają szczególnego znaczenia w instalacjach sprzed 20-30 lat, wykonanych przewodami o żyłach aluminiowych w układzie sieci TN-C.
CZYTAJ CAŁY RAPORT TUTAJ: Jakość energii. Niezawodność zasilania i jakość energii w instalacjach elektrycznych
