Niepożądana asymetria
Korzyści ekonomiczne dostawców energii i ich użytkowników są silnie uzależnione od niezawodności, bezpieczeństwa i wydajności systemu elektroenergetycznego. Jednym ze zjawisk, które bardzo mocno związane jest z wydajnością systemu zasilania jest asymetria.
Asymetria prądu i napięcia degraduje wydajność systemu elektroenergetycznego. Powoduje zmniejszenie wydajności generacji, przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej. Ostatecznie przekłada się to na zwiększenie ceny energii elektrycznej. Odbiorca energii elektrycznej również poniesie dodatkowe koszty spowodowane zmniejszeniem wydajności urządzeń elektrycznych wraz z pojawieniem się asymetrii napięcia.
Rysunek 1. Asymetria a sieci powoduje zwiekszone koszty energii elektrycznej.
O asymetrii
W sieci energetycznej mogą pojawić się trzy stany asymetrii. Jest to asymetria prądu, asymetria napięcia oraz jednoczesne wystąpienie zarówno asymetrii prądu jak i napięcia.
W odniesieniu do układów trójfazowych asymetrię napięcia definiuje się jako stan, w którym wartości skuteczne trzech napięć fazowych nie są jednakowe i/lub kąty przesunięć między nimi różnią się od 120° jak na rys. 2b. Dowolny trójfazowy układ wektorów napięć lub prądów można rozłożyć na sumę składającą się z trzech symetrycznych układów: kolejności zerowej, zgodnej oraz przeciwnej. W celu opisu ilościowego zjawiska asymetrii napięć i pądów stosowane są odpowiednie współczynniki.
Rysunek 2. Wykres fazowy w a) odzwierciedla idealną symetrię w trójfazowym systemie zasilania. Wszystkie wektory odpowiadające trzem fazom mają tę samą wartość, a pomiędzy dwoma sąsiednimi wektorami występuje kąt 120 °. Wykres fazowy w b) odzwierciedla asymetrię w systemie elektroenergetycznym. Wektory mają różną długość, a przesunięcia kątowe są inne niż 120 ° między sąsiednimi fazami.
Źródła asymetrii
Asymetria napięcia i asymetria prądu to dwa różne rodzaje asymetrii w systemie zasilania. Źródło i natura tych asymetrii są różne. Asymetria napięć wynika z asymetrii strukturalnej (różnic w budowie wewnętrznej) generatorów, transformatorów, linii przesyłowych i dystrybucyjnych. Ponadto asymetria może być spowodowana przez spadek napięcia na impedancji systemu przez asymetryczne prądy. Z kolei głównym źródłem asymetrii prądu jest brak równowagi obciążenia, spowodowany jednofazowym obciążeniem w systemie dystrybucyjnym lub usterki po stronie obciążenia.
Asymetria napięcia może również powodować asymetrię prądu zasilania. Jest to szczególnie widoczne w prądzie silników indukcyjnych zasilanych napięciem asymetrycznym. Na przykład 1% asymetrii napięcia zasilania może powodować kilkukrotnie większą asymetrię prądu w silnikach indukcyjnych.
Negatywny wpływ asymetrii
Asymetria prądu i wystąpienie składowej przeciwnej powoduje rozproszenie energii w elementach systemu elektroenergetycznego w postaci ciepła. W rezultacie obecna asymetria prądu zmniejsza wydajność przy generowaniu, przesyłaniu i dystrybucji energii elektrycznej. W związku z tym kable i przewody systemu dystrybucji muszą być dobierane z uwzględnieniem poziomu asymetrii.
Składowa przeciwna asymetrii napięcia przyczyni się do powstania pola magnetycznego o kierunku przeciwnym w silnikach indukcyjnych. To tak jakby w samochodzie jednocześnie przyśpieszać i hamować. Przykładowo, wystąpienie asymetrii napięcia o wartości nawet do kilku procent, jest w stanie znacząco zwiększyć temperaturę uzwojenia silnika i zredukować o ponad połowę żywotność uzwojenia. W związku z tym, obciążenie silników powinno być odpowiednio obniżone, aby skompensować efekty cieplne przy dodatkowych stratach wynikających z asymetrii.
Asymetria ma również negatywny wpływ na trójfazowe prostowniki i falowniki. Asymetria napięć powoduje asymetrię prądu zasilania, która zwiększa temperaturę diod prostownika i zakłóca działanie urządzeń zabezpieczających.
Rysunek 3. Wysoka asymetria sieci spowodowała przegrzanie silnika i jego spalenie.
Inne negatywne skutki występują podczas stanów przejściowych, powodowanych głównie przez usterki systemu energetycznego. Przejściowa asymetria prądu występuje przykładowo z powodu zwarć międzyfazowych. W takim przypadku wystąpią ekstremalne poziomy asymetrii prądu, które będą trwać tylko przez kilka sekund. Doprowadzić to może jednak do niestabilności i awarii systemu, jeśli przyczyny nie zostaną wyeliminowane na czas.
Metody łagodzenia asymetrii
- Przyjęcie odpowiednich standardów dotyczących dopuszczalnych poziomów asymetrii prądu i napięcia i ich kontrolę.
- Nakładanie regulacji i standardów w odniesieniu do wyposażenia i linii przesyłowej.
- Strukturalne modyfikacje obciążeń jednofazowych.
- Jednofazowe regulatory napięcia.
Parametry oraz urządzenia do pomiaru asymetrii
Powszechnie używaną w pomiarach w energetyce wielkością charakteryzującą asymetrię sieci są współczynniki asymetrii składowej przeciwnej u2 i zerowej u0 (poniżej wzory dla napięcia):
u0=U0/U1 × 100%
u2=U2/U1 × 100%
gdzie:
u0 – współczynnik asymetrii składowej zerowej,
u2 – współczynnik asymetrii składowej przeciwnej,
U0 – składowa symetryczna zerowa,
U1 – składowa symetryczna zgodna,
U2 – składowa symetryczna przeciwna.
Powszechnie stosowanymi urządzeniami do pomiaru parametrów sieci elektroenergetycznej, w tym i asymetrii, są analizatory jakości zasilania. W ofercie firmy Sonel znajduje się grupa analizatorów jakości zasilania nazwana PQM. Wszystkie analizatory z serii PQM posiadają możliwość pomiaru parametrów asymetrii.
Kilka prostych działań w celu wykonania pomiaru i diagnostyki asymetrii:
- Podłącz dowolny analizator serii Sonel PQM zgodnie z zaleceniem producenta i ustaw tryb pomiaru asymetrii napięcia i/lub prądu.
- Po odpowiednim czasie pomiaru zgraj dane do komputera i za pomocą programu Sonel Analiza wykreśl wykres czasowy przebiegu parametrów asymetrii.
- Jeśli poziom danego parametru asymetrii przekracza próg normy EN 50160 lub innych norm, podejmij działanie w celu złagodzenia niepożądanych skutków.
Rysunek 4. Konfiguracja i podłączenie analizatora Sonel PQM-707 do pomiaru asymetrii.
www.sonel.pl