“Działania” zapobiegające składowym harmonicznym

Aktualnie nie ma możliwości zminimalizowania harmonicznych w sieciach energetycznych po rozsądnych kosztach. W większości przypadków podejmowane są próby ich eliminacji lub tłumienia na urządzeniu generującym za pomocą elementów pasywnych. Dla każdej harmonicznej należy jednak zastosować skoordynowany układ składający się z dławików i kondensatorów w celu zmniejszenia niepożądanych skutków. Za pomocą aktywnego filtra harmonicznego można skutecznie rozwiązać problem.

Wszystkie całkowite wielokrotności drgań podstawowych nazywane są drganiami harmonicznymi wyższymi lub harmonicznymi. W większości przypadków dana harmoniczna jest poprzedzona odpowiednią liczbą porządkową “n”.

W oparciu o częstotliwość napięcia sieciowego 50Hz, piąta harmoniczna ma częstotliwość 250Hz. Podstawą tej prezentacji jest matematyczne twierdzenie, że każda powtarzająca się w sposób ciągły forma oscylacji może być podzielona na wiele całkowitych czystych sinusoidalnych oscylacji. Harmoniczne występują podczas pracy obciążeń (odbiorników) o niesinusoidalnym poborze prądu. Kształt tej krzywej określa liczbę i amplitudę harmonicznych. Im większe odchylenie od sinusoidy, tym więcej harmonicznych jest wprowadzanych z powrotem do sieci przez konsumenta/odbiorcę i tym większa amplituda pojedynczych harmonicznych. Rozbiór przebiegu fali jest przeprowadzany przez tzw. analizę Fouriera, w której każdej harmonicznej przypisana jest odpowiednia liczba porządkowa i amplituda.

Prostą metodą określania poszczególnych harmonicznych jest pomiar amperomierzem cęgowym, który może wyświetlić harmoniczne z mierzonego sygnału. W ten sposób można w danym momencie przedstawić tylko jedną harmoniczną, ale stosunkowo szybko i łatwo można uzyskać przybliżony przegląd amplitud poszczególnych harmonicznych. Istnieje wiele skutków, które wskazują na obecność harmonicznych: komputery ulegają awariom, pojawiają się błędy dysku twardego, migoczą ekrany, przegrzanie przewodu zerowego (N), następuje uszkodzenie systemów kompensacyjnych lub w innych komponentach systemu zauważalna jest korozja.

Rys. 47: Aktywny filtr składowych harmonicznych typu OSFM

 

Zasada działania aktywnego filtra harmonicznego

Podstawową ideą stosowania filtra harmonicznych OSFM jest aktywna kompensacja. Po pierwsze, przekładnik mierzy natężenie prądu pobieranego przez odbiorcę. Jednostka sterująca OSFM analizuje następnie ten prąd pod kątem amplitudy i harmonicznych, a następnie zasila system prądem, który dokładnie odpowiada prądowi odbiorcy pod względem amplitudy i liczby porządkowej poszczególnych harmonicznych. Jednakże przebieg fazowy prądu zasilającego jest przesunięty o 180° względem przebiegu prądu odbiorcy. W ten sposób prądy harmoniczne znoszą się nawzajem a sieć zasilająca dostarcza składową podstawową i nie jest obciążona harmonicznymi. Dużą zaletą filtra aktywnego w porównaniu z tradycyjną techniką jest elastyczne dopasowanie mocy kompensacji. W zależności od potrzeb filtr może dostarczać więcej lub mniej prądu kompensacyjnego.

Nawet w przypadku przeciążenia filtr nie wyłącza się, tylko silnie ogranicza prąd.

Oznacza to, że filtr generuje swój maksymalny prąd i w ten sposób kompensuje dużą część harmonicznych. Interakcje z innymi komponentami systemu, takimi jak dławiki kompensacyjne mocy biernej lub systemy UPS są w ten sposób zredukowane do bezkrytycznego minimum. Możliwe jest łatwe rozbudowanie lub połączenie kilku filtrów. Jeśli warunki pracy lub warunki sieciowe ulegną zmianie, filtr automatycznie dostosowuje się do swoich znamionowych parametrów roboczych.

Rys. 48: Aktualny przebieg prądu bez filtra OSFM

 

Rys. 49: Aktualny przebieg prądu z filtrem OSFM

 

Jakość istniejącej instalacji elektrycznej

Profesjonalnie wykonana instalacja elektryczna ma podstawowe znaczenie dla funkcji kompensacji. Zarówno rodzaj sieci, jak i jej wykonanie może nie tylko pogorszyć efektywność filtra OSFM, ale może również sprzyjać lub nawet powodować zakłócenia w dostawie energii. Każda instalacja elektryczna ma swój początek w uziemieniu. Funkcjonalny i poprawnie wykonany system uziemienia jest podstawą każdego systemu zasilania w energię. Jeśli jest on wadliwie wykonany wówczas przeniesienia napięcia, zakłócenia elektromagnetyczne i wreszcie harmoniczne znajdą idealne warunki do nieograniczonego rozprzestrzeniania się. Głównym zadaniem uziemienia jest zapewnienie, że w przypadku awarii nie zostanie wygenerowane niebezpieczne napięcie dotykowe i że prąd może płynąć bez przeszkód do ziemi. Tylko wtedy zapewnione jest zadziałanie zabezpieczenia nadprądowego w określonym czasie. Ponadto system uziemiający powinien utrzymywać różne zasoby operacyjne na możliwie najniższym poziomie i wyrównywać ewentualne różnice potencjałów

Ścisłe oddzielenie N od PE

Jeżeli funkcja ta zostanie zakłócona, np.: z powodu przepływu prądów roboczych w przewodzie PE, wokół przewodów ochronnych i wyrównawczych tworzy się pole elektromagnetyczne, które może prowadzić do znacznych zakłóceń. Ponieważ takie pola tworzą się również np.: w ekranach przewodów sieci danych, zakłócenia mogą prowadzić do utraty tych danych. Połączenie przewodu PE z innymi systemami przewodzącymi, takimi jak systemy wodne, gazowe lub grzewcze, powoduje dodatkowe prądy robocze dla tych elementów systemu. Konsekwencją jest pojawienie się napięcia i korozja.

Dlatego też podstawowym wymogiem nowoczesnego systemu zasilania jest rozdzielenie przewodów N i PE oraz ich właściwa izolacja.

W jednym konkretnym przypadku harmoniczne zakłócały działanie telefonów i powodowały migotanie ekranów. Pomiar harmonicznych wykazał silny udział trzeciej harmonicznej do 35% prądu nominalnego, jednak nie tylko w przewodzie N, ale przede wszystkim w przewodzie PE. Zanim w takim przypadku będzie można podjąć działania w celu kompensacji, konieczne jest zoptymalizowanie systemu przewodów zgodnie z powyższymi kryteriami. Niestety obecnie obowiązujące przepisy (2001) nie nakazują obowiązkowego rozdzielenia N od PE. Istnieją tylko zalecenia, szczególnie z branży IT i telekomunikacyjnej oraz stowarzyszenia ubezpieczycieli majątkowych, dotyczące stosowania okablowania 5-przewodowego. Oczywiście nie można uniknąć prądów filtrujących w przewodzie PE. Ze względu na dyrektywy EMC, zarówno zakład, jak i projektant urządzeń znajdują się obecnie w dylemacie technicznym. Z jednej strony, urządzenia i systemy powinny wprowadzać jak najmniej zakłóceń do sieci, z drugiej strony muszą pracować bez zakłóceń, a generowane prądy zakłócające powinny być rozpraszane. W większości przypadków rozładowanie to odbywa się poprzez kondensatory filtracyjne bezpośrednio przy przewodzie ochronnym. W przypadku urządzeń podłączonych na stałe może być również rozładowanie przez przewód neutralny; nie jest to możliwe przy obciążeniach wtykowych z wtyczkami z uziemieniem, ponieważ wtyczkę można obracać o 180°.

Rys. 50: Przykładowa prezentacja symulowanego systemu 1-faz.

 

Przykład

Konwencjonalny komputer PC z zasilaczem 250W ma prąd upływowy o wartości około 1mA. Składa się on ze składowej podstawowej 50Hz i różnych harmonicznych. Prądy upływowe powodują zanieczyszczenie przewodu PE, ale na ogół nie są krytyczne dla bezpieczeństwa pracy instalacji. 100 komputerów ma odpowiednio prąd upływowy około 0,1A. Zakładając rezystancję PE około Ω, daje to spadek napięcia o 0,1V. Zazwyczaj cały system przewodów ochronnych ma niską impedancję. (Kabel o przekroju 10mm2 ma rezystancję 0,0012Ω lub 1,2 x 10-3Ω na metr). W systemie o znamionowym prądzie odbiornika 100A, prąd 3-ciej harmonicznej może mieć wartość 40A powodując spadek napięcia co najmniej 40V.

Jest to klasyczny przypadek zastosowania dla Aktywnego Filtra OSFM. Kompensacja obciążeń generujących duże prądy harmoniczne odciąża liniowy system harmonicznych i chroni inne obciążenia przed skutkami ich działania. Działa to jednak tylko wtedy gdy przewody N i PE są rozdzielone. Doświadczenie praktyczne pokazało, że stosowanie filtra OSFM umożliwia zmniejszenie harmonicznych z ponad 30% do około 5%. I to dla użytkowników, z silnie odkształconym przebiegiem prądowym i peakami prądowymi.

Symulacja różnych warunków sieciowych może wyjaśnić wpływ na zawartość harmonicznych. Dla uproszczenia prezentacji wystarczyjednofazowa sieć z przewodami N i PE. System jest obciążony dwoma użytkownikami, przy czym pierwszy z nich wprowadza harmoniczne do systemu zasilania, drugi nie generuje składowych harmonicznych lub są one kompensowane przez filtr OSFM. W idealnym przypadku obciążenie przewodów PE składa się tylko z prądów filtrujących użytkownika, które są spowodowane np. przez przełączanie zasilaczy lub filtrów sieciowych.

Oczywiście, harmoniczne są również wprowadzane do przewodu PE przez te filtry. W celu przeprowadzenia symulacji tak praktycznie, jak to możliwe, odpowiednie amplitudy i liczby porządkowe harmonicznych zostały pobrane z analizatora sieci.

Kształt krzywej prądu odpowiada prawie istniejącej charakterystyce obciążonego systemu zasilania. Pomimo obciążenia harmonicznymi prąd upływu filtra znajduje się w zakresie [mA] i dlatego tylko w niewielkim stopniu zakłóca funkcjonowanie przewodu PE. Jeżeli oddzielenie N od PE zostanie zniesione, z powodu np.: zmostkowania szyn N i PE w podrozdzielnicy;

wówczas w przewodzie PE popłynie prąd roboczy. Ponieważ N i PE są połączone równolegle, prądy są dzielone odwrotnie proporcjonalnie do stosunku rezystancji.

Połączenie biegunów N i PE, powoduje powstanie potencjałów napięciowych a poprzez to pola elektromagnetycznego na ekranach żył przewodów, armaturze, rurach wodnych, grzewczych i gazowych. Wszystkie metalowe elementy budowlane mogą zatem stać się źródłem zakłóceń. Przewód ochronny jest w tym momencie obciążony prądami roboczymi i podniesiony do potencjału w stosunku do uziemienia.

W zależności od prądu i rezystancji mogą występować napięcia w zakresie do 100V.

Ze względu na obciążenie przewodu ochronnego prądami harmonicznymi, natężenie prądu może znacznie wzrosnąć powyżej rzeczywistego prądu znamionowego odbiornika. Poza zakłóceniami eksploatacyjnymi, przewody PE/N narażone są również na zbyt duży wzrost temperatury mogący spowodować ich uszkodzenie. Logicznie rzecz biorąc, przebieg napięcia w przewodzie PE podąża za przebiegiem prądu, dzięki czemu przewód PE może wykazać potencjał względem ziemi i przestać pełnić swoją funkcję.

Rys. 51: Prąd w RN2 bez i z rezystorem mostkowym RB

 

Rys. 52: Prąd w RPE2 bez i z rezystorem mostkowym RB

 

Rys. 53: Napięcie w PE w odbiorniku 2 mierzone do masy

 

Podsumowanie

Skutecznym środkiem do zmniejszenia harmonicznych i ich wpływu na zasilanie jest zastosowanie aktywnych filtrów harmonicznych. Równie ważna jest jednak poprawnie wykonana instalacja elektryczna. W praktyce konieczne jest zatem mierzenie prądów w przewodzie ochronnym. Pomiar ten umożliwia natychmiastowe wykrycie niedopuszczalnych zjawisk. Z drugiej strony, lokalizacja wykonanych w nadmiarze punktów połączeń N i PE jest bardziej złożona. Wymaga to precyzyjnej wiedzy na temat prowadzenia kabli i układu budynków. Tylko dzięki przestrzeganiu powyższych wytycznych można osiągnąć niezawodność systemu zasilania i poprawić jakość napięcia.