FELHARMONIKUSOK HATÁSA AZ ELSZÁMOLÁSI FOGYASZTÁSMÉRÉSRE

Budapesti Műszaki Főiskola Kandó Kálmán Villamosmérnöki Főiskolai Kar Villamosenergetikai Intézet TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT FELHARMONIKUSOK HATÁSA AZ ELSZÁMOLÁSI FOGYASZTÁSMÉRÉSRE Szerző: Hahn András IV. évfolyam Konzulensek: Horváth Miklós címzetes főiskolai docens, tudományos munkatárs (MTA- SZTAKI) dr. Morva György főiskolai tanár dr. Novothny Ferenc PhD főiskolai tanár Budapest, 2005

Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék... 2 I. A felharmonikusok... 3 1. Bevezetés... 3 2. A felharmonikusok keletkezése... 3 3. A felharmonikusok hatása... 5 3.1. A nullavezető túlterhelése... 5 3.2. Transzformátorok túlterhelése... 5 3.3. Kondenzátortelepek túlterhelése... 6 3.4. Rezonancia... 6 3.5. Vezetők túlmelegedése, szkinhatás... 6 3.6. Hullámalak torzítás... 6 3.7. Méréstechnikai problémák... 7 3.8. Megszakítók nem várt kioldása... 8 4. A felharmonikusok elleni védekezés... 8 4.1. Lineáris és nemlineáris fogyasztók különválasztása... 8 4.2. Szűrők alkalmazása... 9 4.3. Speciális transzformátortekercselések alkalmazása... 9 4.4. Fogyasztók hálózatbaráttá tétele... 9 II. Felharmonikusok és a fogyasztásmérők... 11 5. Felharmonikusok a hálózat (és üzemeltetője) szempontjából... 11 6. Harmonikusok a hazai és nemzetközi jogszabályozásban... 11 6.1. MSZ EN 50160... 12 6.2. MSZ EN 61036... 13 6.3. MSZ EN 60521... 15 7. A fogyasztásmérők mérési algoritmusa, felmerülő problémák... 17 8. Mérések... 20 8.1. Helyszíni mérések... 20 8.2 Laboratóriumi mérések... 22 8.2.1. A mérések leírása... 22 8.2.2. A mérés menete... 23 8.2.3. A mérésekhez felhasznált eszközök... 25 10. Következtetések... 27 11. Köszönetnyilvánítás... 28 11. Biblográfia... 28 Mellékletek... 30 1. Melléklet: példa egy felharmonikusra pontos mérőre... 30 2. Melléklet: példa egy felharmonikusra pontatlan mérőre... 31 2

I. A felharmonikusok 1. Bevezetés A dolgozat, a Felharmonikusok hatása a kis- és középfeszültségű elosztóhlózaton című 2004. évi TDK munka folytatása. A nem hálózatbarát fogyasztók által keltett felharmonikusok káros hatásairól értekezik, különös tekintettel a fogyasztásmérésre. A dolgozat röviden ismerteti: - felharmonikusok keletkezéseinek okait, - az egyes zavartatások mérési jellemzőit, - a felharmonikusok matematikai, fizikai jellemzését, mérési módjait, eszközeit, - a vonatkozó műszaki jogszabályozást, hazai és nemzetközi szabványok előírásait, valamint megoldásmódokat nyújt az egyes káros hatások elleni védekezésről. A harominukosok problémakörének felvázolása után, a dolgozat megvizsgálja konkrét mérési eredményekre támaszkodva a fogyasztásmérők viselkedését szennyezet környezetben, illetve ismerteti a BMF-Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Villamosenergetikai Intézetében 2004-ben, a témában végzett vizsgálatok eredményeit. Felvázolja a mérési kapcsolásokat, ismerteti a mért értékek kiértékelését, javaslatot tesz a probléma megoldására. 2. A felharmonikusok keletkezése Az ideális villamosenergia-rendszerben a hálózati feszültségforrás tisztán szinuszos, a valóságban elhanyagolható mértékben vannak jelen a felharmonikusok, és ezek hatása szintén elhanyagolható. A jelentős feszültségtorzítást a nemlineáris fogyasztók okozzák. 3

Ilyen fogyasztók az ipari áramszolgáltatás területén: a tirisztoros vezérlések (vasúti vontatás), a frekvenciaváltók (aszinkron motorok), a szünetmentes tápegységek, stb.; míg a lakossági áramszolgáltatás területén: a kapcsoló üzemű tápegységek, a szórakoztató elektronikai berendezések, az elektronikus előtétű fénycsövek, szintén a szünetmentes tápegységek, stb. Az 1. táblázat a leggyakrabban előforduló hálózatszennyezők harmonikus áramösszetevőit mutatja százalékos értékben az alapharmonikushoz képest. fogyasztó típusa harmonikus egyfázisú egyenirányító, szagatott vezetés 3 100 % egyfázisú dimmer háromfázisú diódás egyeniránító, szagatott vezetés Ívkemence 0 % 10 % 5 80 % 80 % 5 % 7 55 % 60 % 1 % 10 50% 9 40 % 0 % 0 % 11 35 % 30 % 0,5 % 13 20 % 20 % 0,3 % 2.1. táblázat [1] A torzítás mértékét a teljes harmonikus torzítással jellemezhetjük (THD). A THD jellemző értékeit a következő táblázat mutatja: THD I < 10% NORMÁL THD U <5% 10% < THD I < 50% JELENTŐS 5% <THD U <8% THD I > 50% NAGY THD U > 8% 2.2. táblázat [1] 4

3. A felharmonikusok hatása A felharmonikusok káros hatásaikat többféle módon fejtik ki: - hőmérsékletemelkedés vezetőkben, készülékekben - megszakítók nem várt kioldása - rezonancia - hullámalak torzítás - nullavezető túlterhelése - méréstechnikai problémák. 3.1. A nullavezető túlterhelése Szimmetrikus, háromfázisú feszültségrendszerben, szimmetrikus terhelés esetén a nullavezető árama zérus. Aszimmetrikus, lineáris terhelés esetén a nullavezetőben csak az aszimmetriából adódó zérus sorrendű áram folyik. Emiatt - a régi gyakorlat szerint-, a nullavezetőt általában a fázisvezető keresztmetszetének felére méretezték. Azonban, ha felharmonikusok is jelen vannak, ez a méretezési módszer nem alkalmazható. Ma már aligha találkozhatunk csak lineáris fogyasztóval terhelt hálózattal, így ez az elv elhibázott vezetékkeresztmetszet-kiválaszáshoz vezet : háromfáisú rendszerben minden hárommal osztható felharmonikus áram fázisban van egymással, ezért a nullavezetőben összegződnek, hatásuk háromszoros a fázisvezetőre gyakorolt hatásukhoz képest. Ezért a nullavezetőt a korábbi gyakorlattal szemben, célszerű nagyobb keresztmetszetűre méretezni (esetleg védelemmel ellátni). 3.2. Transzformátorok túlterhelése A transzformátorokban az örvényáramveszteség a frekvenciától négyzetesen függ, így a harmonikusok okozta örvényármveszeteség a felharmonikus rendszám négyzetével arányos. Mivel a melegedés élettartam csökkenéssel jár, tervezésnél figyelembe kell venni a felharmonikusok hatását. Delta kapcsolású transzformátoroknál külön problémát jelent, hogy nullavezető hiányában a hárommal osztható rendszámú felharmonikus áramok nem tudnak kilépni a 5

deltakörből. Ugyanakkor előnyt is jelenthet a mögötte lévő hálózat szűrése szempontjából [2] (lásd 4.3. fejezet). 3.3. Kondenzátortelepek túlterhelése Meddőteljesítmény kompenzálásra telepített fázisjavító-kondenzátor kapacitív reaktanciája a frekvencia növekedésével - tehát a felharmonikus rendszámának növekedésével csökken. Ebből következik, hogy nagy felharmonikus áramok fognak folyni a fázisjavító-kondenzátorokon, ami túlterheléshez vezet. Védekezni megfelelően méretezett, sorba kapcsolt fojtótekerccsel lehet. 3.4. Rezonancia Harmonikus jelenlétében a frekvencia elérhet rezonancia- vagy ahhoz közeli értéket, ami áram-, illetve feszültséglökést okoz. Ez a káros hatás ugyancsak a fázisjavító-kondenzátorokhoz köthető, megfelelően védekezni a kondenzátorok helyes kiválasztásával lehet. 3.5. Vezetők túlmelegedése, szkinhatás Váltakozófeszültségű áramkörben a szkinhatás miatt az áram a vezető külső részén folyik, nem a teljes keresztmetszetén. Ezt, számításoknál, egy járulékos, váltakozóáramú ellenállásnövekedésként veszik figyelembe, amely szintén frekvenciafüggő. Így minél nagyobb a felharmonikus áram rendszáma, annál nagyobb hőveszteséget okoz a vezetékben, a P v =I 2 R összefüggés miatt. 3.6. Hullámalak torzítás A felharmonikus áramok a hálózat mögöttes impedanciáján átfolyva harmonikus feszültségesést hoznak létre, melyek a gyűjtősínen, az alapharmonikus feszültségre szuperponálódva, torzítják azt. A hazai villamosenergiarendszerben sokszor előfordulnak különösen hosszú kábelszakaszok, melyek jelentős impedancia-növekedést okozva, a fogyasztók számára kedvezőtlen hullámalak torzulást eredményeznek. 6

3.7. Méréstechnikai problémák Az egyenirányítós Deprez és a hagyományos digitális multiméter az egyenirányított váltakozó jel középértékét érzékeli (abszolút középértéket), és annak 1,11-szeresét (formatényező) mutatja; vagy a csúcsértékét méri és annak 1/1,41=0,7-szeresét mutatja, mivel a műszereket szinuszos jelalakot feltételezve effektív értékre kalibrálják ( skálázzák ). Felharmonikusok jelenlétében ezek a műszerek hamis eredményt mutatnak, mivel a formatényező értéke el fog térni az 1,11-től, a csúcstényező értéke pedig az 1,41-től. Az eltérés számszerű értékeit egyszerűbb jelalakokra a következő táblázat mutatja: Mért érték Műszer Tiszta szinusz Négyszöghullám 1f diódás egyenirányító (hálózati áram kondenzátoros terhelésnél) 3f diódás egyenirányító (hálózati áram kölönböző terhelésnél) Deprez Helyes +10% -40% -5% -30% T-RMS Helyes Helyes Helyes Helyes 3.1. táblázat [3] Belátható, hogy Deprez műszert felharmonikusok jelenlétében nem célszerű használni, helyette ajánlott a True RMS-t (TRMS valódi effektív érték) mutatóműszerek alkalmazása, ha a mintavételezés elegendően nagy. Ezek a multiméterek a villamos jel mintavételezett pillanatértékét mérik, majd a J = művelet elvégzése utána a helyes effektív értéket mutatják. 1 T T 0 2 j ( t) dt (3.7.1.) A lágyvasas illetve az elektrodinamikus műszerek egy adott frekvenciatartományban valódi effektív értéket mérnek, azonban nagyobb rendszámú felharmonikus hatására a bennük alkalmazott vas telítődése okozhat problémát (hiszterézis- és örvényáramveszteség). Ha a csúcstényező növekszik 7

felharmonikusok jelenlétében, akkor az elektromechanikus műszereknél a méréshatár kiválasztása bizonytalan lesz, a nagy áramcsúcsok miatt. 3.8. Megszakítók nem várt kioldása Egy adott nagyságú leadott hatásos teljesítményhez nemlineáris fogyasztó esetében az áram-felharmonikusok miatt lényegesen nagyobb effektív- és csúcsértékű áram tartozik, mintha ugyanazt a teljesítményt lineáris fogyasztó fejtené ki. Mivel a forma- és a csúcstényező felharmonikusok jelenlétében jelentősen megnövekszik, az adott nagyságú teljesítményre méretezett megszakító nemlineáris fogyasztó esetében már a vártnál kisebb leadott teljesítménynél szükségszerűen kiold. 4. A felharmonikusok elleni védekezés A felharmonikusok elleni védekezést a következő módón oldhatjuk meg: - lineáris és nemlineáris fogyasztók különválasztása - szűrők alkalmazása - speciális transzformátortekercselések alkalmazása - fogyasztók hálózatbaráttá tétele. 4.1. Lineáris és nemlineáris fogyasztók különválasztása A felharmonikusok elleni védekezés egyik legegyszerűbb módja, ha a nemlineáris fogyasztókat különválasztjuk a lineáris fogyasztóktól: Lineáris fogyasztók Nemlineáris fogyasztók 4.1.ábra Így a hálózati leágazások impedanciája miatt a harmonikusok által a táppontig okozott hullámalak torzulást a leválasztott lineáris fogyasztók kevésbé érzékelik. Célszerű ezt a megoldást megfelelő leválasztó transzformátor beiktatásával alkalmazni, ami a későbbiekben kerül ismertetésre. 8

4.2. Szűrők alkalmazása Legtöbbet a felharmonikusok ellen a fogyasztói oldalon tehetünk, a felharmonikusok forrásánál. Hagyományos módja a védekezésnek aktív- és passzív szűrők alkalmazása. Az aktív szűrők maguk is felharmonikus generátorok. Állandóan mérik a nemlineáris fogyasztó által betáplált harmonikus áramot, és velük ellentétes fázisú harmonikus áramot generálva kioltják azt. Az aktív szűrőkkel akár 90%-os szűrés is elérhető. [4] 4.3. Speciális transzformátortekercselések alkalmazása Felharmonikusok ellen védekezhetünk leválasztó transzformátorok beiktatásával. A legegyszerűbb tekercselés a deltatekercselés, amely csak a hárommal osztható felharmonikus áramokat szűri ki azáltal, hogy a deltakörből azok nem tudnak kilépni. Ilyen esetben figyelembe kell venni a harmonikus áramok által a tekercsekben okozott túlterhelés hatását is. Hasonló eredmény érhető el kivezetett csillagpontú zegzug tekercselésű transzformátorral. [5] További megoldást jelenthet a megfelelő tekercselés és óraszám együttes megválasztása. [1] 4.4. Fogyasztók hálózatbaráttá tétele Egy fogyasztó hálózatbarát, ha a hálózat felől ohmos terhelésnek látszik. Ilyen hálózatbarát egyenirányítót (ún. pre-convertert) alkalmaznak pl. a modern kompakt fénycsövekben, számítógép-tápegységekben, stb. Problémát jelent azonban, hogy többletköltséggel jár a beépítésük a hagyományos, hálózatszennyező egyenirányítókhoz képest, de elvi akadálya is lehet alkalmazásuknak (pl. helyhiány), továbbá az egyedi megoldások nem eredményeznek általános megoldást. Ezen gondolatok nyomán született meg Horváth Miklós és dr. Borka József, az MTA-SZATKI kutatói által ajánlott újfajta elosztórendszer, ahol a hálózatbarát egyenirányítást nagyobb fogyasztói egységenként oldanák meg. Így nem kéne egyedileg beépíteni a pre- 9

convertereket, ami jelentős költségmegtakarítást jelentene, valamint a központi egyenirányító, tűzfalat képezve, leválasztaná a fogyasztót szennyezés szempontjából a hálózatról, tehát az egész objektum ohmos terhelésként látszódna. A fogyasztók táplálása egy közös DC sínről a fogyasztókhoz illesztett egyedi elektronikus energiaátalakítókkal történne. [6][7] 10

II. Felharmonikusok és a fogyasztásmérők 5. Felharmonikusok a hálózat (és üzemeltetője) szempontjából A felharmonikusok kártékony hatásukat elsősorban a kis- és középfeszültségű elosztóhálózaton fejtik ki. Magyarországon ez oly mértéket ölt, hogy a beavatkozás már középfeszültségen, áramszolgáltatói oldalról is szükségessé válik. Az alapvető probléma, hogy a magyarországi hálózatok öregek, fogyasztói oldalról is nagy az elmaradottság (idevonatkozó szabványok be nem tartása, és be nem tartatása miatt). A hazai hálózatokon: - sok a hosszú kábel- és szabadvezeték szakasz, ami növeli a mögöttes impedancia értékét, - a hálózatok gyengék, a vezetékek túlterheltek - kicsi az energiasűrűség. Szolgáltatói és fogyasztói oldalról egyaránt kis hajlandóság mutatkozik szűrők telepítésére. Nyugaton eleve az erős hálózatok miatt kisebb problémát jelentenek a felharmonikusok, mégis a szűrés egy előtérben lévő, megoldott probléma. 6. Harmonikusok a hazai és nemzetközi jogszabályozásban A harmonikusok határértékeivel, mérésével a következő főbb szabványok foglalkoznak: - MSZ EN 61000-3-2: Elektromágneses összeférhetőség (EMC). 3. rész: Határértékek. 2. főfejezet: Felharmonikus áramok kibocsátási határértékei (fázisonkénti 16 A bemenő áramerősséget meg nem haladó berendezésre) - MSZ EN 50160: A közcélú elosztóhálózatokon szolgáltatott villamos energia feszültségjellemzői 11

- MSZ EN 61000-4-7: Elektromágneses összeférhetőség (EMC). 4. rész: Vizsgálati és mérési módszerek. 7. főfejezet: Általános előírások a villamosenergia-rendszerek és a hozzájuk kapcsolódó berendezések harmonikusainak és közbenső harmonikusainak mérései és mérőműszerei számára - MSZ EN 61036: Váltakozóáramú elektronikus fogyasztásmérők aktív energia mérésére (1-es és 2-es osztálypontosság) - MSZ EN 60521: 0,5-ös, 1-es és 2-es osztályú váltakozó áramú fogyasztásmérők Ezek a szabványok a hazai és a nemzetközi jogszabályozásban egyaránt érvényesek. 6.1. MSZ EN 50160 A szabványban foglalt határértékek a csatlakozási pontokon kis- és középfeszültségre egyaránt vonatkoznak (1kV-ig, valamint 1-35kV-ig). 3-nak nem többszöröse Páratlan felharmonikusok 3-nak többszöröse Páros felharmonikusok Rendszám Relatív Rendszám Relatív Rendszám Relatív H feszültség H feszültség H feszültség 5 6% 3 5% 2 2% 7 5% 9 1,5% 4 1% 11 3,5% 15 0,5% 6-24 0,5% 13 2% 21 0,5% 17 1,5% 19 1,5% 23 25 6.1. táblázat 12

Ugyancsak előírás, hogy normál üzemi körülmények között, minden egyes felharmonikus feszültség 10 perces átlagos effektív értékeinek 95 %-a a hét bármely időszakában a határértéken belül kell lennie, valamint a THD U értéke nem haladhatja meg a 8%-ot (40-es rendszámig).[8] Az MSZ EN 50160 az a hálózat szempontjából kulcsfontosságú szabvány, melynek betartatására nem fektetett kellő hangsúlyt egyik illetékes szerv sem, nyugat-európai országokban ennek évtizedes gyakorlata van. 6.2. MSZ EN 61036 A szabvány a fogyasztásmérőkre a százalékos hibát a következőképpen definiálja : Wmért W pontos h% = 100 W pontos (6.2.1.) A következő táblázat a százalékos hibahatárokat határozza meg egyfázisú, és többfázisú (szimmetrikusan terhelt) mérőkre : Áram nagysága Teljesítménytényező közvetlen mérőváltón keresztül csatlakozású mérők csatlakozó mérők Mérők megengedett százalékos hibája osztály szerint 1 2 0,05 I b I 0,1 I b 0,02 I n I 0,05 I n 1 ±1,5 ±2,5 0,1 I b I I max 0,05 I n I I max 1 ±1,0 ±2,0 0,1 I b I 0,2 I b 0,05 I n I 0,1 I n 0,5 induktív ±1,5 ±2,5 0,8 kapacitív ±1,5-0,2 I b I I max 0,1 I n I I max 0,5 induktív ±1,0 ±2,5 0,8 kapacitív ±1,0 - Külön felhasználói kérésre 0,25 induktív ±3,5-0,2 I b I I b 0,1 I n I I n 0,5 kapacitív ±2,5-6.2. táblázat Jelölések: - I b : névleges áram - I n : mérőváltó névleges árama - I max : a szabványt kielégítő maximális áram 13

A 6.3. táblázat a százalékos hibahatárokat határozza meg többfázisú, de egy fázisban terhelt, szimmetrikus feszültséggel táplált mérőkre : Mérők megengedett százalékos hibája osztály szerint 1 2 0,1 I b I I max 0,05 I n I I max 1 ±2,0 ±3,0 0,2 I b I I max 0,1 I n I I max 0,5 kapacitív ±2,0 ±3,0 6.3. táblázat A szabvány a befolyásolások (harmonikusok, feszültség- és frekvenciaváltozás, stb.) esetén fellépő járulékos hibákra is megállapít határértékeket, a harmonikusokra vonatkozókat a 6.4 táblázat mutatja: Befolyásoló hatás *Áram- és feszültségharmonikus DC összetevő és páros rendszámú áram felharmonikusok *Páratlan rendszámú áram felharmonikusok Szubharmonikusok (áramban) Harmonikus áram nagysága Közvetlen csatlakozású mérők Mérőváltón keresztül csatlakozó mérők Áram nagysága Teljesítménytényező közvetlen mérőváltón keresztül csatlakozású mérők csatlakozó mérők Teljesítménytényező Mérők megengedett százalékos hibája osztály szerint 1 2 0,5 I max 0,5 I max 1 0,8 1 I max 2-1 3,0 6,0 0,5 I b 0,5 I n 1 3,0 6,0 0,5 I b 0,5 I n 1 3,0 6,0 6.4. táblázat 14

*dolgozat szempontjából lényeges két hatás, következő mérési feltételek mellett: - alapharmonikus I 1 = 0,5 I max - felharmonikus feszültség U 1 = U n - alapharmonikus teljesítménytényező: 1 - ötödik feszültség felharmonikus tartalom: U 5 = 10%-a U n -nek - ötödik áram felharmonikus tartalom: I 5 = az alapharmonikus áram 40 %-a - felharmonikus teljesítménytényező: 1 - alap- és felharmonikus feszültségek fázisban vannak a pozitív nullátmenetnél. [9] Az MSZ EN 61036 szabvány 2006. március 1-jén visszavonásra kerül, a már érvényben lévő MSZ EN 62053-21 fogja felváltani. 6.3. MSZ EN 60521 A szabvány vonatkozó részei sokban hasonlítanak az MSZ EN 61036-ra, eltérés a többfázisú, de egyfázisban terhelt, szimmetrikus feszültséggel táplált mérőkre megállapított százalékos hibahatárokra van: Áram nagysága Teljesítménytényező Közvetlen mérőváltón keresztül csatlakozású mérők csatlakozó mérők Mérők megengedett százalékos hibája osztály szerint 1 2 0,2 I b I I b 0,1 I n I I n 1 ±2,0 ±3,0 0,5 I b 0,2 I n 0,5 induktív ±2,0 - I b I n 0,5 induktív ±2,0 ±3,0 I b I I max I n I I max 1 - ±4,0 6.5 táblázat A szabvány a befolyásolások (harmonikusok, feszültség- és frekvenciaváltozás, stb.) esetén fellépő járulékos hibákra megállapított határértékeire vonatkozó táblázatrészlet mindössze egy sorral bővül az MSZ EN 61036-ban foglaltakhoz képest: 15

Befolyásoló hatás *Áram- és feszültségharmonikus DC összetevő és páros rendszámú áram felharmonikusok *Páratlan rendszámú áram felharmonikusok Szubharmonikusok (áramban) Jelalakban 10%-os harmadik áram felharmonikus Harmonikus áram nagysága Közvetlen csatlakozású mérők Mérőváltón keresztül csatlakozó mérők Teljesítménytényező Mérők megengedett százalékos hibája osztály szerint 1 2 0,5 I max 0,5 I max 1 0,8 1 I max 2-1 3,0 6,0 0,5 I b 0,5 I n 1 3,0 6,0 0,5 I b 0,5 I n 1 3,0 6,0 I b I n 1 0,6 0,8 6.6. táblázat *A vizsgálati feltételek ugyanazok, mint az MSZ EN 61036 szabványban foglaltak.[10] Az MSZ EN 60521 szabvány 2006. március 1-jén visszavonásra kerül, a már érvényben lévő MSZ EN 62053-11 fogja felváltani. A táblázatokban csak a dolgozat szempontjából érdekes 1-es, és 2-es osztálypontosságú mérőkre vonatkozó értékek kerültek feltüntetésre. 16

7. A fogyasztásmérők mérési algoritmusa, felmerülő problémák A villamosenergia-fogyasztás elszámolásánál különös problémát vet fel a harmonikusok jelenléte. A felharmonikust tartalmazó jelalakokra a teljesítmény a következőképpen számítható: P = (k=0,1,2,3, ) ahol k P k k= 0 P U I + U I cosϕ + U I cosϕ +... + U I 0 0 1 1 1 2 2 2 k k = cosϕ k (7.1.) (7.2.) P 0 : egyenáramú összetevőhöz tartozó-, P 1 : alapharmonikushoz tartozó teljesítmény. Valamint az egyes felharmonikusokhoz tartozó teljesítmény (k=2,3,4... esetén): P k = U k I k cos ϕ k (7.3.) Az elfogyasztott energia: W = T 0 P( t) dt (7.4.) Ha a teljesítményt kilowattban és az időt órában helyettesítjük, akkor az eredményt kilowattórában kapjuk. A fogyasztásmérők a fenti képletek alapján mérnek mechanikus, vagy elektronikus úton. Tehát adott esetben, ha valamelyik felharmonikus teljesítményhez tartozó teljesítménytényező negatív, azaz a teljesítmény negatív, (a felharmonikus áram tartalmaz visszafele folyó összetevőt) akkor a fogyasztásmérő azt a teljesítményt (energiát) nem fogja hozzáadni a pozitív előjellel mért teljesítményekhez. Ez az elv, és a felharmonikus teljesítmények nem kívánt jelenléte, problémát okoz a villamos energia elszámolásában. A 7.1. ábrán (következő oldalon) egy fiktív hálózat képe látható, melyen egy betáplálás, a hálózat mögöttes impedanciája, gyűjtősín, egy lineáris és egy nemlineáris fogyasztó található. 17

7.1. ábra A hálózat árameloszlását alapharmonikusokra a következő ábra mutatja: I 1 Z m I 2 U g Z f 7.2 ábra Az n-edik, (tipikusan páratlan) felharmonikusra: I k1 I k I k2 7.3. ábra Jól látható, hogy a visszafele folyó felharmonikus áram a pozitív előjelű felharmonikus áramokhoz hasonlóan-, az áramszolgáltatónál veszteségként fog megjelenni, azzal a különbséggel, hogy ez az energia nem kerül elszámolásra. 18

A felvett árameloszlással azonos irányú az energia, felharmonikus energia, és a teljesítmény eloszlás. Visssszzaat tááppl láál ltt hhaarrm.. teel t lj.. Generátor teljesítmény Hálózati veszteség Betáplált teljesítmény Visszatáplált harm. telj. Fogyasztói teljesítmény 7.4.. ábra A 7.4. ábra általános esetre mutatja a felharmonikust visszatápláló fogyasztó és a hálózat energiamérlegét, ezért nincs rajta az előző példában szereplő, párhuzamosan csatlakozó lineáris fogyasztó. Abban az esetben a képen feltüntetett visszatáplált harmonikus teljesítmény egy része a párhuzamosan csatlakozó lineáris fogyasztóhoz áramlana a 7.3. ábrán felvett teljesítményeloszlás szerint. Összefoglalva: a nemlineáris fogyasztók által generált harmonikus teljesítmények (előjeltől függetlenül) az áramszolgáltatóknak veszteséget okoznak. A felharmonikus teljesítmények a legtöbb esetben haszontalanok, pl. villamos fűtésre alkalmasak. Befolyva más fogyasztóhoz, veszteséget, és egyéb műszaki problémákat okoznak. Ezek után felmerül a kérdés, hogy hogyan viselkednek a mérők az ilyen szennyezett környezetben? Ezek az okok, előzmények és kérdések indították be azt a mérési sorozatot, amely 2004-ben indult a Kandón, a Budapesti Műszaki Egyetemmel karöltve. A sorozat két fő részből tevődött össze: helyszíni és laboratóriumi mérésekből. 19

8. Mérések 8.1. Helyszíni mérések A helyszíni mérések három áramszolgáltató területén hét-hét, összesen huszonegy nagyobb ipari fogyasztónál történt. A kiválasztásnál szempont volt, hogy a fogyasztó tipikusan nagy felharmonikus kibocsátó legyen (nagy felharmonikus tartalmat generáló technológiát alkalmazó gyártelepek, nagymennyiségű IT eszközt használó irodaházak, stb.). A mérések az MSZ EN 50160 szabvány alapján, egy héten keresztül, tízperces átlagolással készültek, a 0,4 kv-os oldalon, az elszámolási mérés helyén, áramszolgáltatói engedéllyel és felügyelettel. A mérések során felhasznált eszközök: TRANSANAL-16 típusú hálózatanalizátor (gyártó: RST Kft.) Pontosság: 0,2%. feszültségbemenetek bemenő ellenállása: 400kOhm az árambemenetek bemenő ellenállása: 20mOhm a bemenetek szigetelése : 4000V A kapott eredményeket, áram- és feszültség harmonikus összetételre, a következő két táblázat mutatja. Az adatok összefoglaló jellegűek, maximum, minimum és átlagértéket tartalmaznak. Mivel a mért három fázisban jelentős eltérések nem mutatkoztak, ezért az eredmények csak egy fázisra vonatkoznak. A következő táblázat a felharmonikus feszültség százalékos értékeit mutatja az alapharmonikushoz képest (táblázat a következő oldalon): 20

Felharmonikus MAX rendszám MIN Átlag 3 9,08 0,21 1,24 5 10,51 0,80 3,00 7 2,38 0,48 1,10 9 1,70 0,00 0,37 11 1,96 0,12 0,68 13 2,24 0,00 0,50 23 0,29 0,00 0,07 8.1. táblázat A következő táblázat a felharmonikus áram százalékos értékeit mutatja az alapharmonikushoz képest: Felharmonikus MAX rendszám MIN Átlag 3 78,26 0,52 9,55 5 59,32 2,58 11,81 7 16,50 1,10 6,08 9 12,02 0,00 1,90 11 11,88 0,28 3,08 13 8,22 0,40 1,88 23 2,16 0,00 0,23 8.2. táblázat Látható, hogy kirívóan magasak a felharmonikus áramkibocsátás értékek, ennek következtében előfordul egyes fogyasztóknál, hogy a mért feszültség harmonikus túllépi az MSZ EN 50160-ben rögzített értékeket (ötödik, hetedik, és kilencedik felharmonikusnál, a 8.1. táblázatban vastagon szedett számokkal kiemelve). 21

8.2 Laboratóriumi mérések A laboratóriumi mérés elvi kapcsolása a 8.1. ábrán látható: Feszültségváltó PC Omicron Vizsgált fogyasztásmérő Σ Impulzus számláló 8.1. ábra 8.2.1. A mérések leírása A helyszíni mérések alapján tizenkét pontból álló laboratóriumi mérési program készült, a felharmonikusok által a mérőkre gyakorolt hatás megfigyelésére: 1. mérés: tgϕ=0,2; U 1 U k =0 és U 1 I k =0 2. mérés: tgϕ=0,2; U 1 U k =45 és U 1 I k =0 3. mérés: tgϕ=0,2; U 1 U k =0 és U 1 I k =90 4. mérés: tgϕ=0,2; U 1 U k =0 és U 1 I k =180 5. mérés: tgϕ=0,2; U 1 U k =45 és U 1 I k =180 6. mérés: tgϕ=0,2; U 1 U k =45 és U 1 I k =90 7. mérés: tgϕ=0,4; U 1 U k =0 és U 1 I k =0 8. mérés: tgϕ=0,4; U 1 U k =45 és U 1 I k =0 9. mérés: tgϕ=0,4; U 1 U k =0 és U 1 I k =180 10. mérés: tgϕ=0,4; U 1 U k =45 és U 1 I k =180 11. mérés: tgϕ=0,4; U 1 U k =0 és U 1 I k =90 12. mérés: tgϕ=0,4; U 1 U k =45 és U 1 I k =90 22

Jelölések: U 1 az alapharmonikus; U k, I k a harmonikus feszültség és áram. A tizenkét mérés további mérésekből tevődött össze: egy-egy beállítás mellett felharmonikusokra bontva (3, 5, 7, 9, 13) történtek a vizsgálatok, az adott rendszámhoz tartozó állandó 5%-os feszültség harmonikussal. Az áram felharmonikus generálása 25, 50 és 100% tartalom mellett történt. Így jön ki összesen a 12*5*3=180 mérés mérőnként. A mérések a következő paraméterek mellett történtek: Alapharmonikus feszültség: U n = 230V Alapharmonikus áram: I n = 5A: Harmonikus feszültség: U k = 11,5V Harmonikus áram: I k = 1,25A I k = 2,5A I k = 5A Harmonikus variációk: 3., 5., 7., 9. és 13. felharmonikusok Vizsgálati frekvencia: f = 50 Hz 8.2.2. A mérés menete A harmonikusok generálása Omicron CMC 156 típusú nagypontosságú relévizsgáló készülékkel történt. A műszer három feszültség- és áramcsatornával rendelkezik. A vizsgált fogyasztásmérők áramtekercse(i) közvetlenül, míg feszültségtekercse(i) feszültségváltón keresztül csatlakoztak az Omicronhoz, melynek beállítása számítógépen keresztül történt (a műszer nem rendelkezik kezelő gombokkal, a beállítás teljes mértékben számítógépes). Nagy pontossága miatt ez a berendezés szolgált etalonként. A fogyasztásmérők által kiadott 23

impulzusokat egy impulzusszámláló fogadta, amelynek kiolvasása szintén számítógéppel történt. A mérők a mérőállandójuknak megfelelően n impulzus/kwh (pl. 1000 imp/kwh) impulzust adnak ki. Indukciós mérők esetén optoelektronikai olvasófej adta az impulzusokat a mérőtárcsa körbefordulásáról az impulzusszámlálónak. Ilyenkor a tárcsán lévő festés alapján történik az érzékelés. Erre az elrendezésre látható példa a következő képen: 8.1. kép A vizsgálat időmérés alapján történt, az impulzusszámláló 10 impulzus (vagy tárcsa körbefordulás) idejét mérte, ez alapján lehetett megállapítani a mérő hibáját. A mérő által mért energiát, úgy lehet számolni, hogy a megtett fordulatok számát (r) osztjuk a mérőállandóval: W = r c (8.2.2.1.) 24

A ténylegesen mért energia az idő alapra visszavezetett pontatlansággal korrigálva (adott fordulatszám mellett): W mért = r c t t pontos mért (8.2.2.2.) Adott fordulatszám mellett a pontos mérő által mért energia: W pontos = r c (8.2.2.3.) 6.2.1. képletbe helyettesítve az idő alapra visszavezetett százalékos hiba: t pontos h% = ( 1) 100 t mért (8.2.2.4.) A mérések kiértékelése e képlet alapján történt. 8.2.3. A mérésekhez felhasznált eszközök A mérésekhez elvégzésére a következő műszerek szolgáltak: Megnevezés Típus Gyári szám Univerzális tápegység Omicron CMC 156 Mérőtranszformátor Ganz Flo 06 IC716J 4 10 / 1 / 74 4 10 / 2 / 74 4 10 / 3 / 74 Impulzusszámláló BMF saját fejlesztése 7.3. táblázat ezen felül: - mérővezetékek, - személyi számítógép. 25

Az Omicron CMC 156 típusú relévizsgáló készülék főbb műszaki paraméterei: Feszültség generátor Áramgenerátor Általános Feszültség 0 125V eff Teljesítmény 3 x 50 VA Hiba <0,1% Torzítás <0,05% Áram 0...12,5 A eff Teljesítmény 3x40 VA Torzítás <0,1% Áram <0,07% Frekvencia 10 1000 Hz Frekvencia hiba ±0,5ppm Fázisszög -360 +360 Szöghiba <0,1 7.4. táblázat 8.2.4. Laboratóriumi összefoglaló eredmények Az összefoglaló eredményeket magában foglaló 7.5. táblázat 20 db elektronikus, és 4 db indukciós háromfázisú mérő hibái alapján készült: Mérés elve Elektronikus Indukciós Százalékos felharmonikus tartalom 25-0,59 50-1,59 100-2,75 25 0,12 50-0,28 100-2,29 Átlagos százalékos hiba 7.5. táblázat Szélsőértékek Min. -40,46 Max. 16,47 Min. -70,55 Max. 59,97 Min. -87,00 Max. 16,29 Min. -3,45 Max. 5,82 Min. -3,17 Max. 10,15 Min. -11,13 Max. 10,06 26

Lényeges eltérés látható az indukciós- és elektronikus elven mérő mérők között. Ennek több oka is van. Az egyik, hogy az indukciós mérőnél, bizonyos frekvenciánál, telítődik a méréshez használt vas, így gyakorlatilag érzéketlenné válik a kapcsain e frekvencia fölött átfolyó teljesítmény (energia) mérésére. Ezek alapján az alaphibán felül a járulékos százalékos hiba abszolút értéke, a tizenkét beállítás közül a legkedvezőtlenebb esetre: h j % = W W W 1 100 = 57,5 = = 5,11% 57,5 + 1067,75 P t P1 t 100 = P t P P 100 = (8.2.4.1.) Tehát, ha feltételezzük, hogy a mérő az alapharmonikushoz tartozó energiát hibátlanul méri, csak a felharmonikus mérés miatt 5,11%-kal nő a mérő hibája. A másik ok az elektronikus elven mérő fogyasztásmérőkben keresendő. Ugyanis ha nem valódi effektív értéket mérnek (lásd 3.7. fejezet), már nem lehet helyes a mutatott eredmény, ha valódi effektív értéket is mérnek, akkor is fontos, hogy a mintavételezés elegendően nagy legyen. Megjegyezendő, hogy a legpontosabban mérők is az elektronikus elven mérők közül valóak. Lényeges eltérés, hogy árban kb. tízszer annyiba kerülnek, mint egy indukciós, vagy egy olcsóbb elektronikus mérő. 10. Következtetések A dolgozatban vázolt problémakör megoldására felmerült megoldásként a fogyasztásmérőkre vonatkozó szabványok módosítása, miszerint csak a P 1 alapharmonikushoz tartozó teljesítményt (energiát) kellene mérniük. Mivel speciálisan hazai vonatkozású problémáról van szó, ezért elég körülményes nemzetközi szabvány módosítását véghez vinni. Valamint ez az ötlet, csak az áramszolgáltatók gazdasági problémájára ad (etikailag kifogásolható) megoldást, műszakilag nem hoz előrelépést. P 1 27

Ezért az egyetlen megoldás a hálózat nyugati szintűre fejlesztése, valamint az MSZ EN 50160 szabvány szigorú betartatása, szigorú büntetésekkel, betartásra való kötelezéssel, mivel a legjobb hatásfokú szűrést csak fogyasztói oldalról lehet elérni. Hosszúnak ígérkezik ez a folyamat a magyar villamosenergia-rendszerben, de a fenntartható fejlődésnek ez az egyetlen járható útja. Addig, áramszolgáltatói részről gazdasági megoldást nyújthat megtérülési szempontból indokolt fogyasztóknál, a fogyasztásmérők cseréje valódi effektívet értéket pontosan mérő készülékekre. 11. Köszönetnyilvánítás Szeretnék köszönetet mondani konzulenseimnek: dr. Novothny Ferenc PhD tanár úrnak (BMF-KVK, főiskolai tanár, intézetigazgató-helyettes); Horváth Miklós tanár úrnak (BMF-KVK, címzetes docens; MTA-SZTAKI, tudományos munkatárs); Zakár Istvánnak (BMF-KVK, intézeti munkatárs); és dr. Morva György tanár úrnak (BMF-KVK, főiskolai tanár), akinél lehetőségem volt a felharmonikusokkal fogalakozó mérési sorozatba bekapcsolódni. Külön köszönet illeti Enyedi Péter hallgató kollegámat (BMF-KVK), akinek segítsége nélkül nehezen készülhetett volna el ez a TDK dolgozat. 11. Biblográfia [1] Kerekes László: Hálózati zavarok Harmonikusok, Schneider Hungária oktatási anyag, 2003., 5.,7., 20. dia [2] Villamosenergia-minőség Alkalmazási segédlet: Harmonikusok 3.1. Források és hatások (David Chapman), Magyar Rézpiaci Központ, 2001, 7.oldal [3] Villamosenergia-minőség Alkalmazási segédlet: Harmonikusok 3.2.2. Valódi effektív érték az egyetlen megbízható mérés (Ken West), Magyar Rézpiaci Központ, 2001, 1-4.oldal [4] Villamosenergia-minőség Alkalmazási segédlet: Harmonikusok 3.3.3. Aktív szűrők (Shri Karve), Magyar Rézpiaci Központ, 2001, 1-2. oldal 28

[5] Cachier technique no. 202. The singularities of the third harmonic (Jacques Schonek), Schneider Electric, 2001., 12. oldal [6] Horváth Miklós - dr. Borka József: Energiamegtakarítást és hálózatszennyezéscsökkentést eredményező villamosenergia-elosztás a kommunális fogyasztók körében. 1. rész, Elektrotechnika, 2003. 96. évf. 10. szám, 274-276. oldal [7] Horváth Miklós - dr. Borka József: Energiamegtakarítást és hálózatszennyezéscsökkentést eredményező villamosenergia-elosztás a kommunális fogyasztók körében. 2. rész, Elektrotechnika, 2003. 96. évf. 11. szám, 305. oldal [8] MSZ EN 50160: A közcélú elosztóhálózatokon szolgáltatott villamos energia feszültségjellemzői, 2001., 11-12. oldal [9] MSZ EN 61036: Váltakozóáramú elektronikus fogyasztásmérők aktív energia mérésére (1-es és 2-es osztálypontosság), 1998., 53.,55.,81. oldal [10] MSZ EN 60521: 0,5-ös, 1-es és 2-es osztályú váltakozó áramú fogyasztásmérők 29

Mellékletek 1. Melléklet: példa egy felharmonikusra pontos mérőre Ik=0.25*I1 φu1-uk=0 tg φ1=0.2 2,0000 1,5000 1,0000 0,5000 Hiba / Error 0,0000-0,5000-1,0000-1,5000-2,0000 3 5 7 9 13 f=0 1,0820 1,1601 1,3954 1,3953 1,7107 f=180-1,2084-1,5060-1,5060-1,6541-1,7280 f=90-0,3808-0,3808-0,3808-0,3049 0,0764 Harmonikus variációk / Harmonisc variant

2. Melléklet: példa egy felharmonikusra pontatlan mérőre Ik=0.25*I1 φu1-uk=0 tg φ1=0.2 5,0000 0,0000-5,0000-10,0000 Hiba / Error -15,0000-20,0000-25,0000-30,0000-35,0000-40,0000-45,0000 3 5 7 9 13 f=0 1,1408-0,7686-7,0062-16,5193-37,7995 f=180-0,7653-1,7947-6,8172-17,1022-37,7193 f=90-1,7940-3,5969-8,4447-18,3921-39,5486 Harmonikus variációk / Harmonisc variant 31