Měření problémů s kvalitou energie způsobených běžnými novými zátěžemi

ABSTRAKTNÍ

V posledních letech ovlivnily spotřebu energie ve Finsku dva významné faktory: skleníkový efekt a rostoucí ceny energií. Tyto faktory vedly k uvedení řady energeticky úsporných zařízení na trh, jako jsou tepelná čerpadla a energeticky úsporné zářivky. Snížení výrobních nákladů navíc zpřístupnilo různé nové typy elektrických zátěží. Tato nově vznikající zařízení změnila vzorce spotřeby elektřiny a požadavky kladené na distribuční síť. Distribuční síť, původně navržená tak, aby vyhovovala různým vzorcům spotřeby elektřiny, nyní může čelit zvýšenému Problémy s kvalitou energie protože tato nová zařízení se stávají stále rozšířenějšími.

Tento článek zkoumá Problém s kvalitou energiekteré vznikají v důsledku používání tepelných čerpadel země-voda a štípačky dřeva. Analýza je založena na měřeních provedených v rámci skutečné nízkonapěťové distribuční sítě ve Finsku.

Studie odhaluje, že při používání těchto moderních elektrických zátěží mohou nastat problémy s kvalitou elektrické energie, přičemž zvláště závažným problémem je vysoký startovací proud štípačky dřeva. Tento vysoký proud způsobuje pokles napětí, což může vést k blikání.

I. ÚVOD

Vzorce spotřeby energie se v posledních letech posunuly v důsledku zavádění nových typů zátěží do distribuční sítě. Tyto změny způsobily tři primární faktory: skleníkový efekt, rostoucí ceny energie a snížené výrobní náklady zařízení.

Snahy o zmírnění skleníkového efektu a globálního oteplování se zaměřují především na snižování emisí oxidu uhličitého. V důsledku toho trh zaznamenal příliv zařízení navržených ke snížení emisí, jako jsou kompaktní zářivky. Výměna žárovek za tyto energeticky účinné alternativy je jedním z přístupů ke snížení emisí uhlíku, protože kompaktní zářivky produkují světlo efektivněji. Nařízení Evropské komise č. 244/2009 nařizuje postupné vyřazování klasických žárovek z trhu.

Rostoucí cena energie přiměla spotřebitele investovat do zařízení, která snižují spotřebu energie i náklady. Běžným příkladem tohoto chování je nahrazení olejových topných systémů tepelnými čerpadly nebo přidání tepelného čerpadla vzduch-vzduch k doplnění elektrického vytápění. Ve Finsku tento přechod urychlila vládní podpora. Obrázek 1 ilustruje rychlý nárůst instalací tepelných čerpadel ve Finsku od roku 1996 do roku 2008. Tento trend se odráží v celé Evropě, přičemž tepelná čerpadla se stávají převládajícím systémem vytápění v rodinných domech ve Švédsku, kde tvoří přibližně 34 % veškerého vytápění. typy.

Obrázek 1. Počet instalací různých typů tepelných čerpadel ve Finsku v letech 1996-2008.

Různé typy tepelných čerpadel ovlivňují spotřebu elektrické energie a způsoby využití různými způsoby. Například nahrazení systému olejového vytápění zemním tepelným čerpadlem zvyšuje celkovou spotřebu elektrické energie domácnosti. Naopak přidání tepelného čerpadla vzduch-vzduch ke stávajícímu elektrickému topnému systému může spotřebu snížit. V obou scénářích však při srovnání předchozí spotřeby primární energie s novou spotřebou elektrické energie celková spotřeba energie klesá, protože většina tepelné energie pochází ze země nebo vzduchu. Toto snížení spotřeby primární energie vede ke snížení emisí oxidu uhličitého v závislosti na způsobu výroby elektřiny. Čím větší je závislost na fosilních palivech při výrobě elektřiny, tím výraznějšího snížení emisí dosáhnete použitím tepelných čerpadel.

Tepelná čerpadla jsou příkladem zátěží, které si získaly oblibu díky technologickému pokroku a sníženým výrobním nákladům. Ve Finsku stojí tepelné čerpadlo vzduch-vzduch včetně instalace nyní mezi 1 200 a 3 500 eur, což z něj činí dostupnou variantu. Tepelná čerpadla země-voda, která jsou dražší kvůli nutnosti zemního okruhu a vyšší výkonové kapacitě, jsou dalším příkladem nové zátěže, která si získává oblibu díky nižším nákladům. Podobně štípačky dřeva, používané pro štípání silných polen do krbů nebo saunových kamen, jsou stále častější díky své cenové dostupnosti a pohodlí.

Tyto nové zátěže mění způsob spotřeby elektrické energie. Navzdory jejich potenciálu snížit celkovou spotřebu energie mohou tato zařízení také způsobit problémy s kvalitou elektrické energie kvůli jejich odlišným elektrickým charakteristikám. Zásady návrhu distribučních sítí, které zastarávají, ne vždy splňují požadavky těchto nových zátěží. Vzhledem k tomu, že se tyto zátěže stále více rozšiřují, problémy s kvalitou napájení budou pravděpodobně stále častější.

Tento článek zkoumá problémy s kvalitou elektrické energie spojené s používáním zemních tepelných čerpadel a štípaček dřeva. Zařízení byla vybrána na základě stížností na kvalitu energie obdržených distribuční společností. Studie je založena na praktických případových měřeních prováděných v reálných distribučních sítích ve Finsku. Článek nejprve poskytuje teoretický přehled problematiky kvality elektrické energie související s výše zmíněnými zátěžemi, následuje podrobný popis měření na případové studii. Nakonec jsou uvedeny výsledky a závěry těchto měření.

II. TEORETICKÉ VÝCHODISKA KVALITY ENERGIE

Kvalita elektrické energie je definována jako „soubor parametrů definujících vlastnosti kvality elektrické energie dodávané uživateli za normálních provozních podmínek, pokud jde o kontinuitu napájení a napěťové charakteristiky (symetrie, frekvence, velikost, tvar vlny)“ [7]. Tento článek se zaměřuje na kvalitu napájení z hlediska kvality napětí. Limity pro kvalitu napětí jsou definovány v normě EN 50160, která popisuje napěťové charakteristiky elektřiny dodávané veřejnými distribučními sítěmi. Norma si klade za cíl definovat a popsat charakteristiky napájecího napětí týkající se frekvence, velikosti, tvaru vlny a symetrie síťového napětí. Tyto charakteristiky podléhají změnám během normálního provozu systému v důsledku změn zátěže, rušení ze specifických zařízení a poruch způsobených především vnějšími událostmi. Tyto odchylky jsou náhodné jak v čase, tak v místě, což znamená, že ve vzácných případech mohou být limity překročeny.

Norma EN 50160 definuje napěťové charakteristiky pro sítě nízkého a vysokého napětí [8]. Tento dokument se zabývá pouze charakteristikami napětí v sítích nízkého napětí se zaměřením na blikání způsobené rychlými změnami napětí, úrovněmi napětí a poklesy napětí, protože to jsou běžné příčiny stížností na kvalitu napájení. Obrázek 2 ukazuje rozložení stížností na kvalitu elektrické energie obdržených distribuční společností ve Finsku v letech 2003 až 2005. Přibližně 70 % všech stížností se týkalo změn napětí.

Obrázek 2. Rozdělení stížností na kvalitu elektrické energie v jedné distribuční společnosti ve Finsku v letech 2003–2005 [9].

Blikání a poruchy úrovně napětí jsou často způsobeny zařízeními, která ke svému provozu vyžadují napájení. Když je zařízení připojeno k síti, odebírá proud, což způsobuje změnu napětí nad impedanci distribuční sítě. Tento jev je popsán v rovnici 1. V závislosti na typu připojení zařízení může ovlivňovat fázová napětí odlišně. Pokud je například zařízení připojeno v třífázové konfiguraci a je symetrické, všechna fázová napětí budou mít podobné účinky, buď pokles nebo nárůst napětí. Pokud je však zařízení připojeno v jednofázové konfiguraci, fázová napětí mohou vykazovat různé změny napětí v důsledku posunutí nulového bodu; například napětí jedné fáze může vzrůst, zatímco ostatní klesají.

ΔU = vektor změny napětí ZN = vektorová impedance distribuční sítě IDEV = vektorový proud zařízení

Norma EN 50160 stanovuje povolené úrovně pro blikání a uvádí, že 95 % dlouhodobé intenzity blikání v jakémkoli týdnu by mělo být menší nebo rovno 1. Pro úrovně napětí norma specifikuje, že 95 % 10minutových středních efektivních hodnot napájecího napětí by mělo být v rozsahu Un ± 10 % během jakékoli doby a všechny 10minutové střední efektivní hodnoty by měly být v rozsahu -15 %

III. TEORETICKÉ VÝCHODISKÁ TEPELNÝCH ČERPADEL A ŠTÍPAČEK DŘEVA

Jak tepelná čerpadla, tak štípačky dřeva se při napájení spoléhají na indukční motory, díky čemuž jsou tyto motory nejvýznamnější součástí z hlediska spotřeby proudu a kvality energie. Štípačky dřeva obvykle používají jednofázový indukční motor, zatímco tepelná čerpadla mohou používat buď jednofázový nebo třífázový indukční motor, v závislosti na typu. Větší tepelná čerpadla, jako jsou tepelná čerpadla země-voda a tepelná čerpadla vzduch-voda, obecně používají třífázové motory, zatímco menší tepelná čerpadla obvykle používají jednofázové motory.

Nejvýznamnější dopad indukčního motoru na rozvodnou síť nastává při spouštění, kdy motor odebírá vysoký startovací proud. Tento vysoký proud způsobuje změnu napětí na impedanci sítě, jak je znázorněno na obrázku 3 a rovnici 2. Obrázek 3a představuje ekvivalentní obvod vícefázového indukčního motoru, zatímco obrázek 3b představuje přibližný ekvivalentní obvod. Přibližný obvod předpokládá, že jalová složka impedancí z1 a zm je mnohem větší než odporová složka a že napětí E2 je jen o něco menší a téměř ve fázi s napětím V. Tyto předpoklady platí pro konvenční indukční motory při normálním provozu. rozsah. Rovnice 2, odvozená z obrázku 3b, ukazuje, že když je skluz indukčního motoru malý, motor odebírá vysoký proud ze sítě. Skluz je 1 v okamžiku spuštění motoru a po spuštění se sníží na téměř 0. Jednofázové indukční motory mají jiný ekvivalentní obvod a rovnici pro odběr proudu ve srovnání s vícefázovými motory, ale účinek vysokého rozběhového proudu je v obou případech podobný [10].

Obrázek 3. a) Ekvivalentní zapojení třífázového indukčního motoru. b) Přibližný ekvivalentní obvod třífázového asynchronního motoru [10].

r1 = odpor statoru x1 = svodová reaktance statoru xm = magnetizační reaktance r2 = odpor rotoru x2 = svodová reaktance rotoru s = prokluz motoru

Startovací proud představuje značné problémy s kvalitou napájení, protože dosahuje své maximální hodnoty při spuštění a zůstává relativně stabilní během normálního provozu. Z hlediska kvality napájení je kritická frekvence spouštění motoru. Pokud je spouštěcí frekvence vysoká, dojde k větším změnám napětí. Doba provozu tepelného čerpadla závisí na potřebě topné energie, velikosti čerpadla a nastavení jeho parametrů. Pokud se požadavek na vytápění blíží jmenovitému výkonu čerpadla, může čerpadlo běžet nepřetržitě po dlouhou dobu. Pokud je však potřeba výrazně nižší než kapacita čerpadla, může docházet k častým spouštěním a vypínáním. Například jeden dodavatel tepelného čerpadla země-voda uvádí, že minimální doba mezi vypnutím a restartem je 10 minut.

U štípaček dřeva závisí frekvence spouštění na provozní logice zařízení. Pro pohyb hydraulického pístu štípačky dřeva existují dvě primární provozní logiky. První zahrnuje provádění všech pohybů pístu s hydraulickým ovládáním při běžícím indukčním motoru. Druhý spočívá v použití hydraulického ovládání pro lisování při běžícím motoru a pružiny pro zpětný pohyb při zastavení motoru. Druhá logika má za následek mnohem vyšší spouštěcí frekvenci. Při našich měřeních štípačka dřeva, kterou jsme studovali, vyžadovala spuštění pokaždé, když se štípalo nové poleno.

IV. POPIS PRAKTICKÉ PŘÍPADOVÉ STUDIE MĚŘENÍ

Naše studie zahrnovala dvě praktická případová měření provedená ve Finsku, jedno ve venkovské oblasti Lempäälä a druhé v městské oblasti Tampere. Rozsah a prostředí každého případu byly mírně odlišné. Jako měřicí zařízení jsme použili analyzátory kvality elektrické energie Dranetz PX-5 a Dranetz 4400. Tato část poskytuje podrobný popis obou praktických případových měření.

Síť venkovských oblastí Lempäälä

V Lempäälä se studie zaměřila na problémy s kvalitou elektrické energie způsobené štípačkou dřeva v síti venkovských oblastí. Štípačka dřeva byla jednofázové zařízení s jmenovitým výkonem motoru 2,2 kW. Provozní logika štípače vyžadovala spuštění pokaždé, když byl rozdělován nový kmen. Nízkonapěťová síť se skládala převážně z anténních svazkových kabelů (AMKA) s průřezy od 70 mm² do 35 mm². Jmenovitý výkon transformátoru 20/0,4 kV napájejícího síť byl 200 kVA. V této síti se vypočítané jednofázové zkratové proudy u zákazníků pohybovaly od 148 A do 1 400 A. Studovali jsme problémy s kvalitou elektrické energie způsobené štípačkou na třech místech s naměřenými zkratovými proudy 146 A, 275 A a 350 A na zákaznických napájecích svorkách. Mezi zákaznickým napájecím terminálem a zásuvkou štípačky byla 10 m prodlužovací šňůra, což vedlo ke zkratovým proudům 136 A, 200 A a 233 A v zásuvce. Obrázek 4a poskytuje celkový obrázek nízkonapěťové sítě v Lempäälä s měřicími místy podél napáječů 1 a 2. Měření byla provedena v místě zástrčky, u zákaznického napájecího terminálu a poblíž transformátoru, když byla štípačka v provozu. Navíc, když byla štípačka na místě provozována se zkratovým proudem 146 A, byla provedena měření i na místě se zkratovým proudem 275 A, protože obě místa byla na stejném přivaděči. Měřené veličiny zahrnovaly průběhy napětí a proudu a parametry definované v normě EN 50160, s výjimkou krátkodobé intenzity blikání, která byla měřena po dobu 5 minut.

Obrázek 4. A) Celkový obrázek sítě nízkého napětí v Lempäälä. B) Celkový obrázek sítě nízkého napětí v Tampere s umístěním měřicích bodů.

Městská síť Tampere

V Tampere se studie zaměřila na problémy s kvalitou elektrické energie způsobené zemními tepelnými čerpadly v městské síti. Nízkonapěťová síť byla tvořena převážně podzemními kabely o průřezech od 120 mm² do 300 mm² a jmenovitý výkon transformátoru 20/0,4 kV byl 315 kVA. V této síti se vypočítané jednofázové zkratové proudy pohybovaly v rozmezí 445 A až 9,7 kA a třífázové zkratové proudy v rozmezí 1,1 kA až 10,8 kA, což ukazuje na poměrně silnou síť. Na jednom konci této nízkonapěťové sítě nahradily dva řadové domy svůj společný systém olejového vytápění samostatnými systémy tepelných čerpadel země-voda. V každém řadovém domku byla instalována dvě tepelná čerpadla o jmenovitých topných výkonech 25 kW a 36 kW a maximálních elektrických výkonech 9,9 kW a 13,2 kW. Čerpadla byla spouštěna přímo online, což vedlo k vysokým spouštěcím proudům při každé aktivaci. Toto místo bylo pro studii vybráno kvůli stížnostem zákazníků na blikání. Obrázek 4b poskytuje přehled nízkonapěťové sítě, zkratových proudů na svorkách zákazníka a měřicích bodů. Měřené veličiny zahrnovaly průběhy napětí a proudu a parametry definované v normě EN 50160.

V. PRAKTICKÉ VÝSLEDKY PŘÍPADOVÉ STUDIE

Tato kapitola představuje výsledky praktických případových studií, které jsou uspořádány podobně jako předchozí kapitola pro snazší orientaci.

Síť venkovských oblastí Lempäälä

Štípačka dřeva způsobila na straně zákazníka značné problémy s kvalitou elektrické energie. Každé štěpení polena mělo za následek vysoký startovací proud v poměru ke zkratovému proudu, což způsobilo výrazný pokles napětí ve fázi, ke které byl štípač dřeva připojen na koncové svorky zákazníka. V důsledku toho se nejzávažnější problémy týkaly blikání a frekvence poklesů napětí. Obrázek 5 znázorňuje průběh a efektivní hodnotu startovacího proudu během jednoho štípání dřeva v místě se zkratovým proudem 275 A na svorce zákaznického napájení.

Obrázek 5. Průběh a efektivní hodnota jednoho spuštění štípačky dřeva v místě se zkratovým proudem 275 A na napájecí svorce zákazníka.

Bylo pozorováno, že fázová napětí ostatních fází, které nejsou připojeny k štípačce dřeva, se na koncovém napájecím terminálu zákazníka zvýšila v důsledku posunutí nulového bodu v síti nízkého napětí, jak je předpovězeno v kapitole III. Obrázek 6 znázorňuje tento efekt, zobrazující fázová napětí na svorce zákaznického napájení během spouštění štípačky dřeva. Jak je vidět na obrázku 6, fázové napětí ve fázi připojení klesá tak dramaticky, že každé spuštění vyvolá pokles napětí podle normy EN 50160 [8].

Obrázek 6. Fázová napětí v místě se zkratovým proudem 275 A na svorce zákaznického napájení během spouštění štípačky dřeva.

Celkové výsledky dopadu na síť z praktické případové studie v Lempäälä jsou shrnuty v tabulce 2. V měření 1 a 3 byl štípač dřeva připojen k fázi L2, zatímco v měření 2 byl připojen k fázi L1. Tabulka 2 ukazuje významný nárůst indexu krátkodobé závažnosti blikání na zákaznickém zásobovacím terminálu v každé fázi, kdy byla štípačka v provozu. To ukazuje na velmi znatelné blikání, což znamená, že i krátkodobé použití štípačky dřeva by překročilo dlouhodobý limit intenzity blikání Plt=1, jak je definován v normě EN 50160 [8]. Je třeba poznamenat, že při provozu štípačky dřeva byla také použita elektrická řetězová pila, která mírně zvýšila index krátkodobé závažnosti blikání. Vliv motorové pily na fázové napětí byl však mnohem menší než u štípačky dřeva.

Tabulka 2. Celkové výsledky praktické případové studie v Lempäälä.

Kromě výsledků uvedených v tabulce 2 bylo pozorováno, že když byl štípač dřeva provozován v místě měření 1, byly problémy s kvalitou energie zaznamenány také v místě měření 2, které bylo vzdálené 250 metrů. Provoz štípačky dřeva zvýšil krátkodobý index blikání na druhém místě měření na 7,2 v připojené fázi a na 2,8 a 1,1 v ostatních fázích, přestože štípačka pracovala v místě měření 1. Přes značný výkon problémy s kvalitou pozorované u zákazníka, u transformátoru nebyly zjištěny žádné problémy. Jedním ze způsobů, jak tyto problémy zmírnit, je používat pouze štípačky dřeva, kde jsou pohyby pístu řízeny hydraulicky, zatímco indukční motor běží nepřetržitě.

VI. ZÁVĚRY

Tento článek zkoumal problémy s kvalitou elektrické energie způsobené stále běžnějšími elektrickými zátěžemi na základě praktických případových měření provedených v reálné distribuční síti ve Finsku. Studie se zaměřila na dvě skupiny zátěží: štípačky dřeva a tepelná čerpadla.

Štípačka dřeva, jednofázové zařízení s nominálním výkonem motoru 2,2 kW, byla testována na různých místech ve venkovské nízkonapěťové síti ve Finsku. Výpočtové zkratové proudy v této síti se pohybovaly v rozmezí 1,4 kA až 146 A, s naměřenými proudy 148 A, 275 A a 350 A na odběrných svorkách zákazníka. Štípačka dřeva způsobovala značné problémy s blikáním kvůli vysokému startovacímu proudu a častým spouštěním jejího indukčního motoru. Problémy s blikáním byly pozorovány ve všech třech fázích v důsledku posunutí hvězdného bodu z provozu jednofázového zařízení. Problémy s blikáním se také rozšířily na blízké zákazníky podél stejného podavače. Jedním ze způsobů, jak těmto problémům předejít, je povolit pouze štípačky dřeva, kde jsou pohyby pístu řízeny hydraulicky, zatímco indukční motor běží nepřetržitě, což snižuje počet spouštění.

V městské síti Tampere byly studovány problémy s kvalitou elektrické energie způsobené tepelnými čerpadly. Ve dvou řadových domech byla instalována čtyři velká tepelná čerpadla. Spuštění těchto čerpadel způsobilo, že index krátkodobé závažnosti blikání překročil práh podráždění 1. Navíc spuštění tepelných čerpadel v jednom terasovém domě zvýšilo index blikání ve druhém terasovém domě, což ukazuje na křížové rušení. I když krátkodobý index blikání občas přesáhl 1, dlouhodobý index blikání zůstal pod 1, což podle standardu nenaznačuje žádný problém s blikáním. Přesto bylo blikání jasně viditelné při spouštění tepelných čerpadel, zejména při osvětlení, což mohlo některé zákazníky dráždit. V důsledku toho dodavatel tepelného čerpadla nainstaluje softstartéry, které problém vyřeší.