Feszültségzavarok Villogásmérés

Átírás

1 Villamosenergia minőség Alkalmazási segédlet Feszültségzavarok Villogásmérés Fényáram Feszültség 10 U/U [%] V 120 V 100 V k Négyszögjel alakú feszültség-változások száma percenként Feszültségzavarok

2 Feszültségzavarok Villogásmérés Zbigniew Hanzelka & Andrzej Bień AGH University of Science and Technology október Magyar Rézpiaci Központ Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC) A Magyar Rézpiaci Központ a réztermelők és feldolgozók által támogatott non-profit szervezet, amelynek célja a réz és a rézötvözetek használatának, valamint helyes és hatékony alkalmazásának elősegítése. A szolgáltatások, beleértve a műszaki tanácsadást és információs adatközlést, mindazok rendelkezésére állnak, akik bármilyen vonatkozásban érdekeltek a réz felhasználásában. Az egyesülés összeköttetést teremt a kutatás és a felhasználó ipar között, és szoros kapcsolatot tart fenn a világ többi a rézpiac fejlesztésén tevékenykedő- szervezetével. Európai Réz Intézet European Copper Institute (ECI) Az Európai Réz Intézet az ICA (International Copper Association) és az IWCC (International Wrought Copper Council) támogató tagjai által létrehozott szervezet. Tagjain keresztül az ECI a világ legnagyobb réztermelői és Európa vezető réztermék gyártói nevében dolgozik a réztermékek európai piacfejlesztésén. Az 1996 januárjában megalakult ECI-t tíz Rézpiac Fejlesztési Egyesület (CDA-k) hálózata támogatja a Benelux államokban, Franciaországban, Németországban, Görögországban, Magyarországon, Olaszországban, Lengyelországban, Skandináviában, Spanyolországban és az Egyesült Királyságban. Ezen tevékenység folytatása azon erőfeszítéseknek, amelyeket az 1959-ben alakult Copper Products Development Association (CPDA) és az 1961-ben alakult International Copper Research Association (INCRA) kezdeményezett. Figyelmeztetés A Magyar Rézpiaci Központ és az Európai Réz Intézet elhárítja a felelősséget bármilyen közvetlen, közvetett, okozati, vagy véletlenszerű meghibásodásért, amely az ebben a kiadványban közölt információk felhasználásából, vagy az információk illetve a közölt adatok fel nem használhatóságából eredhetnek. Szerzői jog : Copper Development Association (CDA) Magyar fordítás: Magyar Rézpiaci Központ A kiadvány anyagának másolása, terjesztése engedélyezett, feltéve, hogy az teljes terjedelemben, a forrás megjelölésével történik. Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest, Képíró u. 9. Magyarország Tel: (+36 1) Fax: (+36 1) info@hcpcinfo.org Web:

3 Bevezetés A villamos energia termelése, átvitele vagy elosztása közben fellépő zavarok a táphálózat feszültségének időbeli változását okozzák. A villamos fogyasztók és a hálózat közötti kölcsönhatás a villamos energia minőségének további romlását okozza. Az ingadozó nagyságú áramot igénylő nagyteljesítményű fogyasztók, mint pl. a nagy motoros hajtások és az ívkemecék kisfrekvenciás periodikus feszültségváltozásokat okoznak, amelyek a következőket eredményezik: Feszültségzavarok fényforrások villogása, amelyek az embereken súlyos fiziológiai zavarokat, fizikai és pszichológiai fáradságot, sőt akár kóros tüneteket is előidézhetnek, a villamos készülékek és az elektronikus áramkörök stabilitásával kapcsolatos problémák. Az 1. ábra azt szemlélteti, hogy még egy kismértékű feszültségváltozás is az izzólámpák fényáramának milyen jelentős változását okozza. Fényáram Feszültség 1. ábra: Átmeneti feszültségváltozás által okozott fényáram változás [1] A hálózati feszültség amplitúdójának ismétlődő kismértékű változásai a fényforrások villogását okozzák. A jelenséget ezért nevezik villogásnak, amely a feszültségminőség fontos jellemzője. A 2. ábrán példaként egy olyan hálózati feszültségspektrum látható, amelyben villogás van jelen. Az ábrázolt spektrum olyan hálózat feszültségére jellemző, amely nagyteljesítményű, de nem állandó terhelésű villamos hajtást táplál. Az ugyanerről a hálózatról táplált izzólámpa kb. 1 Hz-es frekvenciával fog villogni. 2. ábra: Táphálózat frekvenciaspektruma; a jobb oldali ábrán az 50 Hz-es összetevő nem szerepel A villogást két paraméterrel jellemzik: a P ST rövid idejű villogásmértékkel és a P LT.hosszú idejű villogásmértékkel. Ennek a két paraméternek a mérésével ez az alkalmazási segédlet a későbbiekben foglalkozik. 3

4 A feszültségingadozások meghatározása A fényforrások villogása az energiaellátó hálózatok létezése óta ismert jelenség. Azonban előfordulásuk gyakorisága a fogyasztók számával és a felhasznált teljesítménnyel arányosan rohamosan növekszik. Emiatt a villogás mérésével és csökkentésével kapcsolatban számos kutatást végeztek. A fényforrások villogásának számszerűsítése érdekében folytatott kutatások célja alkalmas mérőműszer kifejlesztése és a jelenség hatásának csökkentését eredményező módszerek voltak. Jelen alkalmazási segédlet a mérési elveket és a mérőműszerek általános tervezési szempontjait tárgyalja. Kezdetben a műszerek a fényáram egyszerű megfigyelésén alapultak. A következő lépés a fényáram ingadozására rossz közérzet vagy idegeskedés formájában adott emberi reakció modelljének kifejlesztése volt. A modell egy 60 W-os, 230 V-os izzólámpán alapult, mivel abban az időben Európában ez volt a legelterjedtebb fényforrás. A 3. ábrán a villogás érzékelésének határértékei láthatók a feszültségváltozás százalékos értékének (y tengely) és a változás gyakoriságának (x tengely) függvényében. Ha a változások nagysága és frekvenciája a görbe felett van, akkor az a megfigyelő számára valószínűleg zavaróan hat, míg a görbe alatti változások valószínűleg nem érzékelhetők. A szaggatott vonalak különböző névleges feszültségű izzólámpákra vonatkoznak. A korai villogásmérők egy normál izzólámpából (60 W, 230 V), egy fényáram érzékelőből és az emberi reakciót szimuláló analóg modellből álltak. Az 1980-as években végzett kutatásokat követően a munka szervezettebbé vált, amelyet ma már az UIE (International Union for Electrotechnology, Nemzetközi Elektrotechnikai Egyesülés) hangol össze. A kifejlesztett szabványos mérőeszköz teljesen elektronikus; méri a feszültségingadozást és szimulálja mind a fényforrás viselkedését, mind pedig az emberi reakciót. Kétféle mérendő mennyiséget határoztak meg; az egyik a villogás rövid idejű hatásainak a jellemzésére szolgál P LT, amelyet tízperces időintervallumban kell mérni, a másik pedig hosszú időre vonatkozik P ST, amely a P ST értékek kétórás időintervallumra vonatkozó görgetett átlagértéke. Négyszögjel alakú feszültségváltozások száma percenként 3. ábra: 60 W-os izzólámpára kapcsolt négyszögjel alakú feszültségváltozások által előidézett villogás érzékelésének jelleggörbéje Rövid idejű villogásmérték mérése Az UIE jelentésben javasolt műszer blokkvázlata a 4. ábrán látható. A mért feszültségingadozásokat a wolframszálas izzólámpa fényárama és feszültsége közötti jelleggörbét leíró modell és a fényáram ingadozására adott emberi reakciót leíró modell dolgozza fel. Ez a módszer a villogás pillanatértékének mérését teszi lehetővé. Mivel az egyes emberek különbözőképpen reagálnak a fényáram változásaira, a P ST érték meghatározása sok emberen végzett kísérletek eredményeként felállított statisztikai modellen alapul. 4

5 Hálózati feszültség Izzólámpa modell Emberi reakció modell A pillanatszerű villogásérzet statisztikai kiértékelése P ST 4. ábra: A P ST villogásmérték meghatározásának lépései Az 5. ábrán a műszer részletesebb blokkdiagramja látható. Az ábra a feszültségjel feldolgozásának az UIE által javasolt és a vonatkozó szabványban [2] előírt lépéseit szemlélteti. Az ezen szabvány szerint készített műszereknek a 3. ábrán látható jelleggörbét 5% pontosságon belül kell tudniuk reprodukálni. Hálózati feszültség A/D átalakító (digitális változat) Négyzetes átalakító Felüláteresztő szűrő Aluláteresztő szűrő Fényáram-változás jel Súlyozó szűrő Négyszögjel átalakító Aluláteresztő szűrő Villogásmérték jel P ST Statisztikus kiértékelés P ST kiértékelés 5. ábra: Az UIE villogásmérő műszer felépítése Az analóg/digitális átalakítóra csak a digitális műszerek esetén van szükség. A négyszögjel átalakító és az azt követő szűrők alkotják a 60 W-os, 230 V-os wolframszálas izzólámpa modelljét. A 0,05 Hz-es felüláteresztő szűrő feladata az ennél lassabban változó feszültség kiszűrése, mivel csak a fényáram változását okozó feszültségváltozást kell mérni, a 35 Hz-es aluláteresztő szűrő pedig az izzólámpa dinamikus tulajdonságait képviseli. Az 5. ábra második sorában a fényáram változásaira adott emberi reakció modellje szerepel. A szem és az agy reakcióját egy sávszűrő modellezi az alábbi összefüggésnek megfelelően: 5

6 ahol 60 W, 230 V-os izzólámpa esetén: k = 1,74802 λ = 2π 4,05981 ω 1 = 2π 9,15494 ω 2 = 2π 2,27979 ω 3 = 2π 1,22535 ω 4 = 2π 21,9 Ez a szűrő a fényáram változásainak emberre gyakorolt hatását vizsgáló pszicho-fiziológiai kutatások eredményein alapul. Ezek a kutatások a fényáram-változások frekvenciájának és amplitúdójának az emberekre gyakorolt hatását vizsgálták. A négyszögjel átalakító és a 0,53 Hz-es aluláteresztő szűrő a fényáram-változások által okozott fáradtságot modellezik. A 6. ábra a műszerben lévő összes szűrő átviteli karakterisztikáját tartalmazza. 0,53 Hz-es felüláteresztő szűrő Súlyozó szűrő 35 Hz-es aluláteresztő szűrő Erősítés 0,53 Hz-es aluláteresztő szűrő Frekvencia (Hz) 6. ábra: A villogásmérő szűrőinek jelleggörbéi Az 5. ábra harmadik sora a digitális statisztikai kiértékelést tartalmazza. A P ST meghatározása a megfigyelési időre érvényes valószínűségi eloszlásfüggvény (Cumulative Probability Function, CPF) kiszámításán alapul. A CPF meghatározásának módját a 7. ábra szemlélteti. Megfigyelési idő (s) Pillanatnyi villogásmérték Az időnek az a százaléka, amikor a jel a határértékek között van 7. ábra: A valószínűségi eloszlásfüggvény (CPF) meghatározása Az időnek az a százaléka, amikor s(t) értéke meghaladta a vonatkozó határértékeket 6

7 A baloldali görbe a villogásmérték pillanatértékét (y tengely) mutatja az idő függvényében (x tengely) a 10 perces megfigyelési időintervallumon belül. A vízszintes rácsvonalak a méréseknek a jobb oldalon látható módon történő osztályozáshoz használt határértékeket jelölik. Itt az x tengelyen azok az időtartamok szerepelnek a megfigyelési idő százalékában kifejezve, amelyekben az egyes pillanatértékek meghaladták a vonatkozó határértéket. (Lásd a legkisebb osztályra vonatkozó példát.) A gyakorlatban a tízperces megfigyelési idő alatti mintavételezés után határozzák meg a százalékoknak megfelelő határértékeket azaz úgy, hogy mekkora érték haladja meg a tízperces megfigyelési idő 0,1, 1, 3, 10 és 50%-át. A következőkben ezeket az értékeket P 0,1, P 1, P 3 stb. módon jelöljük, míg az s alsó index (pl. P 1s, P 3s ) az alábbi módon képzett átlagértéket jelöli: A P ST értékét a következő összefüggéssel kell kiszámítani: A hosszabb megfigyelési időre vonatkozó P LT értéket a P ST értékekből a következő összefüggéssel lehet kiszámítani: ahol N a P LT érték megfigyelési idején belül a P ST értékek megfigyelési ciklusainak száma, azaz a két órás P LT érték meghatározásához 12 db. tízperces P ST mérés szükséges. A 8. ábrán a hálózatnak egy olyan pontján mért P ST regisztrátum látható, amelyhez egy ívkemence kapcsolódik. Megfigyelhető, hogy az ívkemence működése befolyásolja a P ST értékét. Ebben az esetben a P ST értéke 1:15 arányban változik. P ST Idő (perc) 8. ábra: Az ívkemence működése alatt meghatározott P ST értékek 7

8 A villogásmérő műszer kalibrálása és megfelelőségi ellenőrzése A villogás mérése a fentiekben leírtak alapján bonyolult folyamat. Annak érdekében, hogy a különböző kialakítású és gyártmányú műszerek a gyakorlatban egyező eredményeket szolgáltassanak, megfelelő jóváhagyási vizsgálatokra és kalibrálási eljárásokra van szükség. A jóváhagyási vizsgálathoz a típus megfelelőségének ellenőrzése szükséges, azaz a modellezés és a statisztikai számítás kielégítő pontosságának ellenőrzése olymódon, hogy előre meghatározott vizsgáló jelek alkalmazása esetén a megfelelő kimenetek jelét figyeljük. A vizsgáló jelek reprodukálhatósága érdekében meg kell határozni a hullámalakjuk modulációját (szinuszos vagy négyszögjel), amplitúdójukat és frekvenciájukat. A kalibráláshoz minden egyes műszernek az előzetesen meghatározott bemenő jelekkel történő bevizsgálasi mérése szükséges annak ellenőrzése céljából, hogy a kijelzett eredmény megfelelően pontos-e. A gyártónak fel kell tüntetnie, hogy a kalibrációra milyen időközönként van szükség, és biztosítania kell ezt a szolgáltatást. A villogás mérése és kiértékelése a villamos energiaellátó hálózatokon Ahogyan arról a bevezetésben már szó volt, a feszültségingadozásokat (és a fényforrások ennek következtében fellépő villogását) alapvetően a nagy villamos fogyasztók okozzák. A folyamatot a 9. ábra szemlélteti. A fogyasztó csatlakozási pontjában a feszültség kisebb a forrásfeszültségnél a következő feszültségesés miatt: ahol: I Load = a fogyasztó árama, és Z Zn = a hálózat impedanciája, amely a fogyasztó csatlakozási pontjából (a, b) mérhető. Mivel az (a, b) pontokon a feszültség ezért belátható, hogy az I Load áram, de különösen annak meddő komponensének a megváltozása az U ab feszültség nem kívánatos megváltozását okozza. A valóságos energiarendszerben a jelenség ennél sokkal bonyolultabb, de az alapelv ez. Gyakran felmerül az a kérdés, hogy egy fogyasztónak a hálózathoz tervezett csatlakoztatása okoz-e villogást, illetve a villogás szintjét megnöveli-e az előírt határérték fölé. Az erre a kérdésre adott válasz a táphálózat és minden, a jelenséget károsan befolyásoló fogyasztó paramétereitől függ. 9. ábra: A fogyasztó hatása a hálózatra 8

9 Mivel a hatást nem lehet a csatlakoztatás elvégzése előtt megmérni, a hatást becsülni kell. Az összeférhetőségi kérdésekkel az IEC szabvány [5] foglalkozik, amelyben a vonatkoztatási forrásimpedancia értékére 50 Hz-en R e (Z Zn ) = 0.4Ω and I m (Z Zn ) = 0.25Ω van megadva. Ezen kívül a szabvány lehetőséget kínál a kiértékelés javítására úgy, hogy figyelembe veszi a tápfeszültség modulációját azaz a számítások során a legkedvezőtlenebb négyszögjel alakú modulációt tételezi föl, majd ettől eltérő feszültségalakok esetén megadja a szükséges korrekciót. Tápfeszültség Idő 10. ábra: Példa egy fogyasztó feszültségprofiljára [5] A 10. ábrán az [5] irodalomból származó motoros hajtásra jellemző feszültségprofil látható, amely azt mutatja, hogy a U feszültségváltozásokat hogyan kell meghatározni a d = U/U ab kiszámításához. Az egyenértékű lépcsős paraméterek értékei a t 1, t 2, t 3 stb. értékektől függenek, mint ahogyan az a szabványban is szerepel. A feszültség effektív értékét minden félperiódusban meg kell határozni. A szabvány [5] a következőket írja elő: a rövid idejű villogásmértékre: P ST 1.0 a hosszú idejű villogásmértékre: P LT 0.65 a viszonylagos feszültségváltozás állandósult értékére: d 3% a viszonylagos feszültségváltozás legnagyobb értékére: d max 4% a feszültségváltozás időtartama alatt a d értéke 200 ms-nál hosszabb ideig nem haladhatja meg a 3%-ot. Ha a fogyasztó az U ab feszültség megváltozását óránként egy alkalomnál ritkábban idézi elő, vagy ha a feszültségváltozások kézi kapcsolások következményei, akkor a megengedett határértékek 33%-kal nagyobbak. Fontos megjegyezni, hogy a hálózati feszültséget állandónak tételeztük fel, azaz a vizsgált fogyasztó nélkül a táphálózaton nincs feszültségingadozás. A villogás nem additív jelenség ez azt jelenti, hogy a P ST és P LT mérések eredményeivel nem lehet matematikai műveleteket végezni. Összefoglalás A villogás a villamos hálózatok megjelenése óta létező jelenség. Az 1980-as évek óta a jelenség és az érzékelés folyamatának megértésében történt fejlődés elvezetett olyan mérési módszerek és műszerek szabványosításához, amelyekkel a villogást megbízhatóan lehet mérni. Ma már a gyors digitális jelfeldolgozó technikákat alkalmazó modern műszerekkel hamar meghatározhatók és megoldhatók a villogási problémák. 9

10 Irodalomjegyzék [1] Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations, Part 5, Flicker and Voltage Fluctuations, Power Quality Working Group WG2, [2] IEC 60868, Flickermeter, Functional and Design Specifications, [3] IEC , Amendment 1, Flickermeter, Functional and Design Specifications, [4] IEC :1997, Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4: Testing and Measurement Techniques Section 15: Flickermeter Functional and Design Specifications. [5] IEC :1995, Electromagnetic compatibility (EMC) Part 3: Limits Section 3: Limitation of Voltage Fluctuations and Flicker in Low-voltage Supply Systems for Equipment with Rated Current 16A. [6] Mombauer W: EMV Messung von Spannugs-schwankungen und Flickern mit dem IEC-Flickermeter, VDE VERLAG, Berlin und Offenbach

11 Referencia és Alapító Tagok* European Copper Institute* (ECI) ETSII - Universidad Politécnica de Madrid LEM Instruments Akademia Gorniczo-Hutnicza (AGH) Fluke Europe MGE UPS Systems Centre d'innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA-UPC) Hochschule für Technik und Wirtschaft* (HTW) Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) Hogeschool West-Vlaanderen Departement PIH Polish Copper Promotion Centre* (PCPC) Copper Benelux* International Union for Electricity Applications (UIE) Università di Bergamo* Copper Development Association* (CDA UK) ISR - Universidade de Coimbra University of Bath Deutsches Kupferinstitut* (DKI) Istituto Italiano del Rame* (IIR) The University of Manchester Engineering Consulting & Design* (ECD) Katholieke Universiteit Leuven* (KU Leuven) Wroclaw University of Technology* EPRI Solutions Inc Laborelec Szerkesztőségi bizottság David Chapman (Chief Editor) CDA UK david.chapman@copperdev.co.uk Prof Angelo Baggini Università di Bergamo angelo.baggini@unibg.it Dr Araceli Hernández Bayo ETSII - Universidad Politécnica de Madrid ahernandez@etsii.upm.es Prof Ronnie Belmans UIE ronnie.belmans@esat.kuleuven.ac.be Dr Franco Bua ECD franco.bua@ecd.it Jean-Francois Christin MGE UPS Systems jean-francois.christin@mgeups.com Prof Anibal de Almeida ISR - Universidade de Coimbra adealmeida@isr.uc.pt Hans De Keulenaer ECI hdk@eurocopper.org Prof Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen jan.desmet@howest.be Dr ir Marcel Didden Laborelec marcel.didden@laborelec.com Dr Johan Driesen KU Leuven johan.driesen@esat.kuleuven.ac.be Stefan Fassbinder DKI sfassbinder@kupferinstitut.de Prof Zbigniew Hanzelka Akademia Gorniczo-Hutnicza hanzel@uci.agh.edu.pl Stephanie Horton ERA Technology Ltd Stephanie.Horton@era.co.uk Dr Antoni Klajn Wroclaw University of Technology antoni.klajn@pwr.wroc.pl Kees Kokee Fluke Europe BV kees.kokee@fluke.nl Prof Wolfgang Langguth HTW wlang@htw-saarland.de Jonathan Manson Gorham & Partners Ltd jonathanm@gorham.org Prof Henryk Markiewicz Wroclaw University of Technology henryk.markiewicz@pwr.wroc.pl Carlo Masetti CEI masetti@ceiuni.it Mark McGranaghan EPRI Solutions mmcgranaghan@eprisolutions.com Dr Jovica Milanovic The University of Manchester jovica.milanovic@manchester.ac.uk Dr Miles Redfern University of Bath eesmar@bath.ac.uk Dr ir Tom Sels KU Leuven tom.sels@esat.kuleuven.ac.be Prof Dr-Ing Zbigniew Styczynski Universität Magdeburg Sty@E-Technik.Uni-Magdeburg.de Andreas Sumper CITCEA-UPC sumper@citcea.upc.edu Roman Targosz PCPC cem@miedz.org.pl

12 Prof Zbigniew Hanzelka AGH-UST Al. Mickiewicza Kraków Poland Tel: (012) Fax: (012) Web: Dr eng Andrzej Bień AGH-UST Al. Mickiewicza Kraków Poland Tel: (012) Fax: (012) Web: Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest, Képíró u. 9. Magyarország Tel: (+36 1) Fax: (+36 1) Web: European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: Fax: eci@eurocopper.org Website: