Elektros energijos kokybės parametrai
Elektros energijos kokybė ir tiekimas objektuose turėtų būti kontroliuojami nepertraukiamame rėžime.
Kokybę apibrėžia daug parametrų:
– vardinės įtampos ir srovės,
– aktyvinė ir reaktyvinė galios,
– harmoninės srovių ir įtampų dedamosios,
– tinklo dažnis,
– faziniai kampai ir įtampų simetriškumas,
– vidutinės galių vertės reglamentuotu laiko tarpu.
Parametrų kitimo greitis taip pat randasi plačiame diapazone – nuo kelių sekundžių trukmės šuolio iki kelių valandų trunkančių švytavimų
REAKTYVINĖS GALIOS VARTOJIMAS
Reaktyvioji galia, kurią suvartoja magnetinė elektros srovė esant tokioms apkrovoms, kaip varikliuose ar fluorescenciniame apšvietime, padidina elektros srovės cirkuliaciją kabeliuose ir kanaluose tai pačiai aktyviajai galiai. Elektros srovės įtampos pokytis turi įtakos galios kokybės blogėjimui:
– atsiranda papildomų energijos nuostolių bendrajame paskirstymo tinkle (α RI2)
– transformatorių su ribota aktyviaja galia perkrova ir perkaitimas
– įtampos kritimas dėl sensorinių apkrovų avarinio veikimo
– sumažėjęs variklių ir transformatorių eksploatacijos laikas
– elektros energijos tiekėjui mokamos baudos.
Kompensuojant reaktyviąją galią galima pasiekti cos ϕ, leidžiantį ne tik sumažinti elektro išlaidas, bet ir sušvelninti reaktyviosios galios elektros srovės poveikį. Tinkama cos ϕ vertė priklauso nuo kiekvienos šalies elektros tinklų ūkio sankcijų, bet paprastai yra tarp 0,93 ir 0,97. Kompensacija turi būti pritaikyta ir priderinta prie tuo metu kompensuotinos reaktyviosios galios. Investicijos, reikalingos pagerinti instaliacijos galios faktorių paprastai atsiperka per 6 mėnesius – 1,5 metų, priklausomai nuo kompanijos darbo valandų.
TINKLO APSAUGOS
ĮTAMPOS TINKLE SVYRAVIMO PRIEŽASTYS IR TIPAI
Įtampos svyravimų priežastys:
- generatorių ar elektros linijų atjungimai ar įjungimai;
- trumpieji jungimai;
- didelių elektros imtuvų įjungimas ar išjungimas;
- visų ar dalies apkrovų pokytis;
- trumpieji jungimai;
- elektros imtuvų įjungimas ar išjungimas;
- visos ar dalies apkrovų pokytis.
Standartinė vardinė žemoji įtampa 1 fazės sistemoje yra 230 V ± 10% , 3 fazių sistemoje – 400 V ± 10%. Tiekiamos įtampos kitimas normalios veikimo, išskyrus pažaidų ar įtampos pertrūkių būsenas, sąlygomis kiekvienos savaitės visų 10 min. trukmės intervalų tiekiamos įtampos vidutinių kvadratinių verčių 95% vidurkių turi būti UN± 10
| Įtampos pokučių tipai | Leistinos vertės ir trukmė |
|---|---|
| 1. Staigieji įtampos pokyčiai | • Normaliomis veikimo sąlygomis staigieji įtampos pokyčiai neviršija 5% UN, tačiau keletą kartų per dieną tam tikrais atvejais gali viršyti 10 % UN. • Normaliomis veikimo sąlygomis 95 % savaitės trukmės ilgalaikio mirgėjimo aštrumas, atsiradęs dėl įtampos svyravimų, turi būti PIt ≤ 1 |
| 2. Staigieji įtampos kryčiai | • Normaliomis veikimo sąlygomis tikėtinų įtampos kryčių skaičius per metus gali būti nuo kelių dešimčių iki vieno tūkstančio. • Daugumos įtampos kryčių trukmė mažesnė nei 1 s ir vertė mažesnė nei 60%, tačiau kartais gali atsirasti didesnių ir ilgesnių kryčių. Kai kuriose vietose, jungiant apkrovas, galimi dažni kryčiai nuo 10% iki 15% UN. |
| 3.Trumpieji tiekiamosios įtampos pertrūkiai | • Normaliomis veikimo sąlygomis trumpųjų įtampos pertrūkių skaičius svyruoja nuo kelių dešimčių iki kelių šimtų per metus. • Maždaug 70% trumpųjų pertrūkių trukmė gali būti mažesnė nei viena sekundė. |
| 4.Ilgieji tiekiamosios įtampos pertrūkiai | • Normaliomis veikimo sąlygomis ilgesnių nei trijų minučių įtampos pertrūkių skaičius gali būti iki 10 arba iki 50 per metus, priklausomai nuo regiono. |
| 5.Laikinieji pramoninio dažnio viršįtampiai tarp laidininko ir žemės | • Viršįtampių dydis gali siekti iki 1,5 kV. • Viršįtampių periodiškumas neprognozuojamas. • VIršįtampiai trunka kol teka pažaidos srovė. |
| 6.Pereinamieji viršįtampiai tarp laidininko ir žemės | • Viršįtampių dydis gali siekti iki 6 kV. • Viršįtampių periodiškumas neprognozuojamas. • Viršįtampiai gali trukti nuo kelių tūkstantųjų iki kelių šimtųjų sekundės dalių. |
Viršįtampius iki 1000 V įtampos tinkle apibūdinantys rodikliai
Tobulėjant duomenų perdavimo, matavimo, valdymo bei kontrolės sistemoms, taip pat įvairiose srityse pradėjus naudoti mikroprocesorinę techniką dažnai susiduriama su įrenginių apsaugos nuo viršįtampių problemomis. Nustatyta, kad viršįtampiai sukelia apie 16 % visų sutrikimų elektros maitinimo grandinėse.
Bet kuri įranga, tokia kaip kompiuteris, mechatronikos sistemos,įvairios technologinių procesų valdymo, ryšių sistemos ir t. t., gali būti pažeista ar sugadinta viršįtampių, perduodamų per maitinimo ar duomenų perdavimo linijas. Viršįtampiai gali sutrikdyti ir programinės įrangos darbą.
Viršįtampis – tai laikinas elektromagnetinio lauko energijos perteklius elektrinės grandinės dalyje. Lietuvos standarte LST EN 50160 viršįtampiai, atsirandantys iki 1 kV įtampos tinkle, skirstomi į laikinuosius pramoninio dažnio (santykiškai ilgos trukmės) ir pereinamuosius (trumpalaikius švytuojančius arba nešvytuojančius). Apibūdinant viršįtampius, pagrindas yra duomenų registravimas ir jų analizė.
Didelės amplitudės viršįtampių poveikio rezultatas – sugadinta elektroninė ir elektrotechninė įranga, izoliacijos užsidegimas ir gaisro kilimo galimybė, Jautrūs viršįtampiams yra serveriai, modemai, telekomunikacijų, relinės apsaugos, automatikos įranga. Didelį pavojų kelia atmosferiniai viršįtampiai. Būtina pabrėžti, kad net esant išorinei apsaugai nuo žaibo yra didelė tikimybė pastatų instaliacijoje susidaryti viršįtampiams. Jų atsiradimo galimybė būna tuomet, kai šiurkščiai pažeidžiamos apsaugos nuo žaibo projektavimo normos bei nesilaikoma standartų
| Viršįtampiai | Atsiradimo priežastys | Parametrai | Komentarai |
|---|---|---|---|
| Laikinieji pramoninio dažnio | Nesimetrinė apkrova, gedimai skirstomajame tinkle arba vartotojų įrenginiuose | Trukmė iki kelių valandų,viršįtampiai gali būti iki linijinės įtampos dydžio | |
| Laikinieji pramoninio dažnio | Gedimai 10/0,4 kV galios transformatoriaus aukštosios įtampos pusėje | Iki 8,2 kV (pirmuoju momentu) įžeminimo įrenginiuose ir iki 1,5 kV vertės, kol teka srovė | LST EN 50160 |
| Pereinamieji perjungimų metu | Perjungimai elektros tiekimo sistemoje, arti pastatų elektros įrenginių, rezonanso reiškiniai dėl tiristorių darbo | Trukmė iki 1000 μs, amplitudė iki 4,5–6 kV (gali būti ir aukštesnė) | LST EN 50160 |
| Pereinamieji, sukelti žaibo | Tiesioginiai žaibo išlydžiai išoriniame elektros tinkle, indukuoti dėl žaibo išlydžio į artimus tinklui objektus | Trukmė iki 50 μs. Galimas potencialo padidėjimas įžeminimo sistemoje iki 100 kV, oro linijose iki 40 kV, oro kabeliuose iki 10 kV, požeminiuose kabeliuose – iki 6 kV. Indukuoti viršįtampiai galimi 0,5–2 kV ribose | Žaibo srovė 30–40 kA, didžiau-sia iki 300 kA, dažnio spektras 250–300 kHz, energija nuo 0,1 iki 100 kJ |
Ž A I B A S . A P S A U G A N U O Ž A I B O
Šiuo metu tarptautinėmis normomis priimta, kad pavojingas tiesioginio žaibo išlydis veikia 2 kilometrų spinduliu. Šioje teritorijoje elektroninės sistemos gali būti paveiktos ir netiesioginio žaibo smūgio. Tyrimo duomenimis žaibai ir viršįtampiai elektronikos įrangai padaro apie 31 % visų nuostolių. Dėl to iškyla poreikis saugotis tiesioginio ir ypač netiesioginio žaibo išlydžio poveikio.
Patikimam ir normaliam visos įrangos sistemos darbui pastatuose užtikrinti yra naudojama apsauga nuo viršįtampių. Tik išsami viršįtampio lygio pasiskirstymo sistemoje analizė ir tinkamas ribotuvų bei iškroviklių parinkimas gali užtikrinti patikimą ir geriausią apsaugą nuo viršįtampių. Priešingu atveju įrangos sistemai viršįtampiai gali padaryti didesnę žalą.
Pagal standartų IEC 1024-1 ir IEC 1312-1 rekomendacijas apsaugai nuo atmosferinių viršįtampių yra naudojami įvairūs apsaugos nuo impulsinių įtampų įtaisai. Naudojant tokius įtaisus, taikomi du pagrindiniai principai: 1) išskyrimas objektuose tam tikrų zonų LPZ (Lightning protection zone), kuriose yra leistini atitinkamo lygio viršįtampiai; 2) potencialų suvienodinimas. Pavojingiausios vietos priskiriamos 0 zonai, o mažiausiai jautrios viršįtampiams vietos – 3 zonai. Apsaugos nuo atmosferinių viršįtampių laiptai žymimi A, B, C ir D raidėmis (2 pav.).
Zona LPZ0A– tai tokia zona, kur yra tiesioginio žaibo išlydžio pavojus, LPZ0B – zona, kurioje yra netiesioginio žaibo išlydžio pavojus, į LPZ1 zoną patenka elementai, kuriems nėra pavojaus dėl tiesioginio žaibo išlydžio ir kur srovės ant visų laidžių dalių yra mažesnės nei zonoje LPZ0B. Pastarojoje zonoje elektromagnetinis laukas gali būti sumažėjęs ir dėl ekranuojančių įrenginių. LPZ2 – papildoma zona, kuri gali būti pasirinkta projektuojant vidinę apsaugą nuo žaibo, jeigu yra keliami atskiri reikalavimai (5.2 pav.).
Apsaugos priemonės zonose turi būti suderintos tarpusavyje taip, kad žemesnio laipto apsaugos nepažeistų neleistinai didelė viršįtampių energija. A klasės apsaugos įtaisai yra išorinė apsauga nuo žaibo, kuri apsaugo pastatą ir jame esančią elektros įrangą nuo tiesioginio žaibo išlydžio. B klasės apsaugos įtaisai įrengiami įvadiniame skyde ir riboja viršįtampį, kurį sukelia žaibo impulsinė srovė nuo 35 iki 70 kA. Čia naudojami iškrovikliai, kadangi jie gali slopinti didesnes išlydžio sroves, atsiradusias po žaibo išlydžio, nei ribotuvai. C klasės viršįtampių ribotuvai įrengiami skirstymo skydeliuose po B klasės ribotuvų ir dažniausiai yra galinis apsaugos nuo viršįtampių laiptas. D klasės ribotuvai įrengiami tiesiogiai prie imtuvo ir turi apriboti viršįtampį, kurį sukelia iki 3 kA žaibo impulso srovė. Šios klasės ribotuvai apriboja viršįtampį iki 275 V.
Tam, kad C klasės ribotuvas nesuveiktų anksčiau nei B klasės, tarp šių klasių ribotuvų turi būti išlaikytas 7–15 m atstumas maitinimo trasoje arba įrengtas dirbtinis uždelsimas, panaudojant droselį, kurio induktyvumas L ≥ 5μH. Tai užtikrina nuoseklų ribotuvų veikimą. Priešingu atveju didelė išlydžio srovė pažeistų žemesnės pakopos ribotuvą. Kai kurie viršįtampių ribotuvų gamintojai siūlo B klasės ribotuvus su žemu įtampos apsaugos lygiu. Tada tarp B ir C klasių ribotuvų nereikia naudoti papildomos induktyviosios varžos ar ilgo laidininko.
Kad būtų užtikrinta elektroninės ir informacinių technologijų (IT) įrangos veikimas netgi tiesioginio žaibo išlydžio atveju, reikalingi apsaugos nuo viršįtampių skaičiavimai numatant reikiamas objekto apsaugos nuo žaibo priemones. Labai svarbu įtraukti visus galimus variantus. Minėtosios apsaugos zonų koncepcijos dalis yra ir išorinė apsauga nuo žaibo panaudojant oro vėdinimo sistemas, srovės nuvediklius, objekto įžeminimą, potencialų išlyginimą.
Atsižvelgiant į reikalavimus ir įvairius įrangos duomenis, apsaugos yra skirstomos į žaibo impulso srovės ribotuvus ir viršįtampių, atsirandančių dėl perjungimo operacijų, ribotuvus, taip pat į kombinuotuosius.
Aukščiausi reikalavimai keliami žaibo impulsinės srovės ir kombinuotiesiems ribotuvams, kurie naudojami visose apsaugos zonose, nuo LPZ0A iki LPZ2.
Šie ribotuvai turi veikti greitai ir keletą kartų iš karto, nesuirdami dėl pasikartojančių dalinių žaibo išlydžio srovių. Tokiu būdu išvengiama žaibo srovės prasiskverbimo į pastato elektros instaliaciją.
Keliami reikalavimai viršįtampių ribotuvams priklauso nuo apsaugos zonos. Projektuojant apsaugą nuo viršįtampių, reikia parinkti apsaugos elementus taip, kad energija būtų absorbuojama palaipsniui žingsnis po žingsnio: pirmiausia sumažinama įeinanti žaibo išlydžio impulsinė srovė (ji gali būti pasiskirsčiusi dalimis), o po to – viduje indukuoti viršįtampiai, susidariusieji dėl perjungimų.
Parenkant elementą, saugantį įrangą nuo elektromagnetinių trikdžių, reikia žinoti pačios įrangos parametrus ir jos darbo režimą. Taigi nominalūs ribotuvo išėjimo parametrai ir saugomos įrangos įėjimo parametrai turi sutapti arba atitikti leistinas ribas.
Parenkant B ir C klasių ribotuvus, turi būti atsižvelgiama į tai, kad pirma turi suveikti B klasės ribotuvas, slopinantis 10/350μs formos bangą, o po to C klasės ribotuvas, slopinantis 8/20 formos bangas. Priešingu atveju C klasės ribotuvas būtų perkrautas ir sudegtų. Tokiu būdu suderinamas laiko skirtumas, per kurį suveikia B klasės ribotuvas, slopinantis 10/350 μs formos bangą, o lieka 8/20μs formos banga, kurią slopina C klasės ribotuvas. Be induktyviojo elemento C klasės ribotuvas suveiktų pirmiau, nes jo suveikimo įtampa yra 1,5 kV. Tokia įtampa yra nepakankama, kad suveiktų B klasės ribotuvas.
Kabelio induktyvumas priklauso nuo to, kokiu būdu sumontuotas apsauginis (PE) laidininkas (žr. 5.3 pav.). Jeigu šis yra viename kabelyje kartu su L1, L2, L3 ir nuliniu laidais (kaip NYM–J tipo kabeliuose), reikalingas bent jau 15 metrų atstumas tarp B ir C klasių elementų. Jei apsauginis PE laidininkas yra atskirai nuo fazinių ir nulinio laidų 1 metro atstumu, pakanka 5 metrų tarp B ir C klasių ribotuvų. Jeigu šių atstumų nepavyksta išlaikyti, naudojamas induktyvusis elementas. Tokiu atveju B ir C klasių ribotuvus galima įrengti vienoje plokštėje.
Skaičiuojant induktyviųjų elementų parametrus, galima pasirinkti induktyvumo dydį kiek įmanoma mažesnį, atsižvelgiant į apsaugos ribotuvų parametrus. Taip galima padidinti grandinės saugumą. Padidinus induktyvumą keletu μH, didesnės įtakos normaliam ribotuvų veikimui nebus. Tačiau daugiau padidinus induktyvumą C klasės ribotuvas gali būti perkrautas ir sugesti pirma laiko. Normaliam suderinamumui tarp B ir C klasių ribotuvų užtikrinti pakanka induktyvumo 10 μH. Tada garantuojamas patikimumas ir ilgesnis ribotuvų tarnavimo laikas.
Dėl skirtingų C ir D klasės ribotuvų parinkčių reikalingas suderinamumas ir tarp šių klasių ribotuvų. NYM–J tipo kabeliuose saugus veikimas bus užtikrintas, išlaikant tarp C ir D klasių ribotuvų ne trumpesnį kaip 5 metrų atstumą.
Apsaugai nuo šių viršįtampių sukurti būtina išnagrinėti daug klausimų, tarp jų ir paties objekto elektrinių grandinių reakciją į viršįtampių elektromagnetinių bangų poveikį bei objekto svarbą ir jautrumą viršįtampiams. Svarbių vartotojų duomenų saugyklų maitinimo išorinių tinklų apsaugai rekomenduojamas žemesnis apsaugos lygis (parodytas pav.).
Kompleksinė ryšių kanalų, maitinimo šaltinių ir kitokių elektronikos įrenginių apsaugos schema
Apsaugai nuo šių viršįtampių sukurti būtina išnagrinėti daug klausimų, tarp jų ir paties objekto elektrinių grandinių reakciją į viršįtampių elektromagnetinių bangų poveikį bei objekto svarbą ir jautrumą viršįtampiams. Svarbių vartotojų duomenų saugyklų maitinimo išorinių tinklų apsaugai rekomenduojamas žemesnis apsaugos lygis (parodytas pav.).
HARMONIKOS IR JŲ ĮTAKA
Harmonikų atsiradimo priežastys
Pastaruoju metu Lietuvoje vis aktualesnė tampa elektros tinklo įtampos kokybės kontrolės problema, ypatingai atsiradus vėjo jėgainių parkams, naudojantiems galios keitiklius ir vis daugiau elektroninės aparatūros, turinčios svarią įtaką elektros tinklo kokybiniams parametrams.
Ypatingai tuo suinteresuoti vartotojai, kurių prietaisai ar įrengimai yra jautrūs elektros įtampos formos iškraipymams. Iš kitos pusės tiekėjai taip pat nėra abejingi šiai problemai, nes kai kurių vartotojų prietaisai dėl savo veikos principo patys skleidžia iškraipymus ir triukšmus į tinklą. Įtampos kokybės parametrai ir jų vertės nustatyti “ Elektros energijos kokybės Europos standarte EN 50160”.
Kontroliuojami šie pagrindiniai elektros parametrai:
Įtampos dažnis. Vardinis tiekiamos įtampos dažnis turi būti 50 Hz. Normaliomis darbo sąlygomis vidutinis sistemos pagrindinės harmonikos dažnis per 10 s turi būti 50 Hz ±1% t. y. nuo 49,5 Hz iki 50,5 Hz ir toks dažnis turi būti 99,5 % per metus.
Įtampos asimetrija. Tiekiamos įtampos asimetrija – tai trifazės sistemos būsena, kai fazių įtampų vidutinės vertės arba fazių tarpusavio kampai nelygūs. Kai kuriose vietose, kur vartotojo įrenginiai yra iš dalies vienfaziai arba dvifaziai, trifazė įtampos asimetrija elektros tinklo nuosavybės ar eksploatavimo atsakomybės ribos taškuose gali siekti 3%.
Įtampos nesinusiškumas. Tiekiamos įtampos netiesinių iškraipymų faktorius (įtampos nesinusiškumas ) turi būti mažesnis arba lygus 8% (įskaitant visas harmonikas iki 40 ).
Įtampos nesinusiškumo normuojamieji rodikliai[9]:
- įtampos kreivės sinusiškumo iškraipymo koeficientas;
- įtampos n – sios harmoninės dedamosios koeficientas.
Nenormalių rodiklių priežastys šiuo atveju yra įvairių nelinijinių EI panaudojimas:
- lygintuviniai keitikliai;
- galios elektros įrenginiai su tiristoriniu valdymu;
- lankinės ir indukcinės krosnys;
- liuminescencinės lempos;
- lankinio ir kontaktinio suvirinimo įrenginiai:
- dažnio keitikliai;
- buitinė technika (kompiuteriai, televizoriai ir kt.)
Darbo proceso metu šie įrenginiai naudoja pagrindinio dažnio energiją, kuri eikvojama ne tik naudingam darbui ir nuostolių padengimui, bet ir aukštesniųjų harmonikų srauto sudarymui, kuris “išmetamas” į išorinį tinklą).
Įtampos ir srovės aukštesniųjų harmonikų sukeliami efektai
Akimirkinio (momentinio) tipo efektai yra tokie[4]:
• maitinimo įtampos formos iškraipymai;
• įtampos kritimai skirstomajame tinkle;
• harmonikų, kartotinių 3 efektas (trifaziam tinkle);
• rezonansiniai aukštesniųjų harmonikų dažnių reiškiniai;
• infiltracijos telekomunikaciniuose ir valdymo sistemų tinkluose;
• padidintas akustinis triukšmas elektromagnetinėje įrangoje;
• vibracijos elektromašininėse sistemose.
Ilgalaikės problemos:
• įšilimas ir papildomi nuostoliai transformatoriuose ir elektros mašinose;
• kondensatorių įšilimas;
• kabelių skirstomuose tinkluose įšilimas.