Квалитет електричне енергије — Технички преглед
Напон одступања, изобличење таласног облика, и континуитет снабдевања: пун спектар ПК феномена објашњен из перспективе комуналног инжењерства.
01 Шта је квалитет струје?
Термин снага квалитет (ПК) је, строго говорећи, погрешан назив. Оно што дисциплина заправо описује је квалитет напона испоручено на терет — не моћ у термодинамичком смислу. Активна снага је једноставно стопа преноса енергије; струја коју повлачи оптерећење је у великој мери одређена сопственом импедансом оптерећења и стога је ван директне контроле предузећа. Напон, насупрот томе, је оно што систем снабдевања обезбеђује, а то је напон који ИЕЦ и ИЕЕЕ стандарди мере и регулишу. Како Дуган и др. напомена, то је квалитет напона — а не снаге или електричне струје — који појам квалитета електричне енергије заправо описује. [1]
Радна дефиниција долази из ИЕЦ-а 61000-4-30, који уоквирује ПК као скуп мерљивих параметара напона — величина, фреквенција, облик таласа, и трофазна симетрија — процењено према одређеним границама на дефинисаној тачки мерења. [2] У 50160 узима комплементаран приступ: карактерише напон на терминалима за напајање корисника у нормалним условима рада и наводи статистичке границе у којима се очекује да те карактеристике остану. [3] Оба оквира одражавају исту основну инжењерску стварност: квалитет је дефинисан у односу на спецификацију, не апстрактно.
Идеално напајање је чиста синусоида на номиналној фреквенцији, са нултом импедансом извора на свим фреквенцијама и савршеном трофазном симетријом. У пракси, ниједан од ових услова није у потпуности испуњен. Дисциплина инжењеринг квалитета електричне енергије је систематско проучавање одступања од овог идеала и њихових последица на опрему и индустријске процесе..
02 Феномен квалитета електричне енергије
ПК поремећаји се конвенционално класификују по њиховој временској скали, њихов спектрални садржај, и да ли су континуирани (стабилно стање) или на основу догађаја. ИЕЕЕ Стд 1159 оквир [4] и ИЕЦ 61000-2-5 класификација електромагнетне средине [5] организују појаве дуж ових осе. Картице испод дају оријентацијску мапу пре него што се сваки феномен детаљно испита.
Секундарне фреквенције
Целобројни вишекратници основног убризганог нелинеарним оптерећењима. Узрок прегревања, резонанција, и грешке у мерењу. Карактерише га ТХД и појединачни хармонијски редови х = 2, 3, 5, 7…
Напон Сагс & Набубри
Краткотрајна смањења (улегнуће) или повећава (надимати се) у ефективном напону. Пропадања су најчешћи и економски значајни ПК догађај за индустријске процесе.
Треперење
Понављајуће флуктуације напона изазивају приметне варијације осветљености лампе. Квантификовано краткорочном озбиљношћу Пст и дугогодишњи Пцом индекси по ИЕЦ 61000-4-15.
Транзијенти & Импулси
Sub-cycle voltage spikes caused by lightning, операције пребацивања, or capacitor energisation. Peak amplitudes can reach several times the nominal crest voltage.
Напон Дебаланс
Inequality of the three-phase voltage magnitudes or angles. A 2% negative-sequence unbalance can produce 8% or more additional winding temperature rise in induction motors.
Фреквенција Одступање
Одступање од номиналног 50 или 60 Хз. Rare on large interconnected grids; increasingly relevant with high renewable penetration and in islanded microgrids with low inertia.
Прекиди
Complete loss of voltage, classified as momentary (<3 с), temporary (3 с–1 мој), or sustained (>1 мој) by IEEE Std 1159. Cause process shutdowns and equipment restart problems.
Супрахармоницс
Disturbances in the 2–150 kHz range emitted by high-switching-frequency power electronic converters. An emerging concern under IEC TR 63227 and CISPR standards.
The sections that follow treat each category in detail: physical origin, главна стандардна ограничења, и практичне последице по опрему и процесе.
03 Секундарне фреквенције
Хармонично изобличење настаје кад год оптерећење извлачи несинусоидну струју из синусоидног напајања. По Фуријеовој теореми, било који периодични таласни облик може се разложити на основну компоненту на системској фреквенцији плус целобројни вишекратници — секундарне фреквенције — у 2ф, 3Ф, 4Ф, и тако даље. [6] У трофазним системима, троструки хармоници (3рд, 9ог, 15ог…) циркулишу у нултом низу и аритметички сабирају у неутралном проводнику; 5. и 7. доминирају негативним- и спектри позитивне секвенце и представљају примарна брига у већини индустријских мрежа.
Извори
Доминантни извори на данашњим дистрибутивним мрежама су енергетски електронски претварачи: шестимпулсни исправљачи у претварачима променљиве фреквенције (ВФДс) и беспрекидно напајање, прекидача напајања у ИТ опреми, пећима, и флуоресцентно осветљење са електронским пригушницама. Класични шестопулсни исправљач извлачи карактеристичне струјне хармонике реда 6к ± 1 (5ог, 7ог, 11ог, 13ог…) са величинама које падају отприлике као 1/х за идеално оптерећење извора струје. [7] Интерхармоницс — при нецелобројним вишекратницима основног — производе циклоконвертори, опрема за индукционо грејање, а лучне пећи током фазе хаотичног топљења.
Последице за опрему
Хармоничне струје које теку кроз импедансе мреже производе хармонијске падове напона који искривљују напон напајања за сву прикључену опрему. Кондензаторске банке имају ниску импеданцију на хармонијским фреквенцијама и подложне су преоптерећењу и квару; у комбинацији са линијском индуктивношћу они могу формирати паралелна резонантна кола која појачавају одређени хармоник за фактор од 10 или више на резонантној фреквенцији. Индукциони мотори доживљавају додатне губитке у гвожђу и бакру пропорционалне квадрату хармонијске струје. Трансформатори могу захтевати смањење снаге када напајају нелинеарна оптерећења — the K-factor rating system (АНСИ/ИЕЕЕ Ц57.110) даје квантитативну основу за ову процену. [8] Електронска бројила енергије која користе алгоритме укрштања напона могу регистровати значајне грешке у мерењу у условима изобличеног напона.
Ограничења и стандарди
ИЕЕЕ Стд 519-2022 поставља границе хармонијске струје у тачки заједничке спреге (ПЦЦ) у функцији односа кратког споја ИСЦ/ЈаL. Купац са слабом везом за снабдевање (низак однос) суочава се са строжим ограничењима јер њихово убризгавање хармоника производи пропорционално веће изобличење напона на заједничкој мрежи. [9] У 50160 ограничава појединачне хармонике напона на 5–6% за компоненте нижег реда и поставља укупни ТХДУ плафон од 8% на терминалима напајања НН под нормалним условима рада. [3] ИЕЦ 61000-4-7 стандард специфицира метод мерења заснован на ДФТ, укључујући правила груписања и агрегације, које инструменти морају применити да би произвели упоредиве резултате. [10]
04 Напон Сагс, Набубри, и Прекиди
Напон саг (ИЕЦ: пад напона) је краткотрајно смањење ефективног напона на између 10% и 90% номиналне вредности, у трајању од пола циклуса до једног минута. [4] Пад напона је економски најзначајнији ПК поремећај за производну и процесну индустрију. Студија ЕПРИ-а и ЦЕИДС-а процијенила је годишњи трошак поремећаја квалитета електричне енергије за америчку индустрију на између $119 и $188 милијарди, са падом напона одговорним за највећи удео. [11]
Порекло пада напона
Већина падова напона потиче од кратког споја на дистрибутивној или преносној мрежи. Један квар линија-земља смањује фазни напон на свим сабирницама које су електрично близу квара — укључујући и купце који се напајају из суседних напојника на истој трафостаници. Задржани напон који види дати купац зависи од односа импедансе између локације квара и тачке мерења: купаца електрично близу јаке сабирнице (велики МВА кратког споја) види плиће прогибе за кварове на повезаним доводима. Велики стартови мотора и напајање трансформатора такође изазивају пропадање, иако обично мањег обима и краћег трајања.
Карактеризација и толеранција опреме
Саг карактерише његов задржани напон (као проценат номиналног) и њено трајање. ИТИЦ крива (раније ЦБЕМА), развијен од стране Савета индустрије информационих технологија, и СЕМИ Ф47 стандард дефинишу оквире толеранције напона опреме: минимални задржани напони у функцији трајања које опрема мора да издржи без прекида процеса. [12] Трофазни сагови се даље класификују по типу — Тип А до Тип Г у Боленовој класификацији [13] — у зависности од тога како се квар шири кроз прикључке трансформатора и на које фазе утиче на мерној тачки. А Тип А саг (све три фазе подједнако депресивне) резултат трофазног квара или једнофазног квара који се види кроз троугаони намотај; многи други типови утичу само на једну или две фазе.
Набубри
Напонски оток је краткотрајно повећање ефективног напона изнад 110% од номиналне. Отеклине се јављају на фазама без грешке током једнофазних кварова на системима са високом импедансом или неуземљеним неутралима, где је депресија дефектне фазе праћена неутралним померањем које подиже звучне фазе. На чврсто утемељеним системима, пораст напона фаза-земља током једнофазних кварова ограничен је мрежом нулте секвенце и ретко је значајан за опрему прикључену линијски на нулу.
Прекиди
Потпуни губитак напона се класификује као прекид. ИЕЕЕ Стд 1159 разликује тренутни (<0.5 циклус), тренутног (0.5 циклус 3 с), temporary (3 с то 1 мој), и одржано (>1 мој) прекиди. Тренутни прекиди обично су резултат аутоматских операција поновног затварања на разводним доводима; у већини случајева грешка лука нестаје при првом поновном затварању и напајање се враћа унутар 0.5 до 1.5 с. Трајни прекиди захтевају операцију пребацивања или обнављање посаде и прате се кроз индексе поузданости комуналних услуга (САЈТ, САФЕ, ЦАИДИ).
05 Флуктуације напона и треперења
Флуктуације напона су брзе, понављајуће варијације ефективног напона који — када модулишу светлосни ток сијалица са жарном нити — производе приметан и физиолошки иритирајући феномен познат као треперење. Људски визуелни систем је најосетљивији на варијације осветљености на приближно 8.8 Хз; синусоидна флуктуација напона од само 0.3% на овој фреквенцији је довољна да изазове приметно треперење на стандарду 60 В лампа са жарном нити у лабораторијским условима. [14]
Извори
Лучне пећи су класични индустријски извор треперења. Током фазе топљења, импеданса лука флуктуира насумично и брзо како се положај електроде мења, цртање налета реактивне струје које производе одговарајуће падове напона на ПЦЦ. Насумична природа понашања лука значи да је резултујући спектар флуктуације напона широкопојасни, а не концентрисан на једној фреквенцији, што га чини посебно ефикасним у стимулисању осетљивог фреквентног опсега визуелног система. Други извори укључују велика покретања мотора, лучни заваривачи, ваљаонице са променљивом потражњом обртног момента, и — на разводним хранилицама — ветротурбине са фиксном брзином где сенка торња и турбулентни ветар производе периодичне флуктуације на фреквенцији проласка лопатица.
Мера: Пст и Пцом
ИЕЦ стандард фликерметра (ИЕЦ 61000-4-15) дефинише ланац за обраду сигнала који моделира лампу–око–функцију преноса мозга и испоручује два индекса. [14] Краткотрајна јачина треперења Пст процењује се у периоду од 10 минута за посматрање; дуготрајна тежина Пцом изведено је из дванаест узастопних Пст вредности користећи кубну средину, дајући 2-часовну процену. У 50160 сетови Пст ≤ 1.0 и Пцом ≤ 0.8 као нормалне границе на терминалима напајања. [3] А Пст од 1.0 се дефинише као праг перцептивности за 50% посматрача под референтним условима стандарда.
06 Транзијенти и импулси
Прелазни пренапони су поремећаји напона подциклуса чија амплитуда може знатно премашити номинални напон врха. За разлику од стабилног стања и феномена кратког трајања о којима смо горе говорили, транзијенти нису корисно окарактерисани ефективним вредностима: њихова енергија је концентрисана у трајању од микросекунди до неколико милисекунди, а то је амплитуда врха и брзина пораста (дВ/дт) који одређују напрезање опреме и потенцијал оштећења. [4]
Импулзивни транзијенти — муња
Директни или индиректни удари грома спајају импулсивну енергију у дистрибутивне водове било директним спајањем или електромагнетном индукцијом из оближњих удара. Стандардни таласни облик муње који се користи у координацији изолације — дефинисано у ИЕЦ 60060 као што је 1.2/50 µс напонски талас — представља омотач типичних пролазних појава изазваних муњом. Дистрибутивни одводники пренапона (метал-оксидни тип варистора) примењују се да ограниче вршни прелазни напон на терминалима опреме на заштитни ниво одводника, који на а 25 кВ систем је обично у опсегу од 75–95 кВ, или отприлике 2–3 пута већи напон система.
Осцилаторни транзијенти — кондензатор пребацивање
Напајање шанта кондензаторске банке производи осцилаторни напон транзијент чија је фреквенција подешена капацитивношћу банке и Тхевениновом индуктивношћу у тачки укључивања: Фосц = 1 / (2π √ЛК). На дистрибутивним системима то обично пада у распону од 300–1000 Хз. У сценарију узастопног пребацивања — енергизирање банке са другом банком која је већ на истом аутобусу — почетни врх може достићи 2.0 п.у. номиналног врха напона јер већ напуњени кондензатори обезбеђују пут пражњења скоро нулте импедансе. [15] Погони са подесивом брзином са великим кондензаторима ДЦ магистрале су посебно осетљиви, пошто осцилаторни прелазни процес може покренути заштиту од пренапона ДЦ магистрале и изазвати непријатно окидање чак и када је прелазни процес прекратак да оштети изолацију.
07 Напон Дебаланс
У идеалном трофазном систему, три фазора напона напајања су једнака по величини и раздвојена тачно 120°. Неравнотежа напона описује свако одступање од ове симетрије. Стандардна инжењерска дефиниција користи методу симетричних компоненти: напон негативне секвенце В2 изражено као проценат напона позитивне секвенце В1 даје фактор неуравнотежености напона (ВУФ). [2] Поједностављена апроксимација — често се користи на терену јер захтева само величине фазора — је НЕМА дефиниција: максимално одступање било ког фазног напона од трофазног средњег, подељено средњом вредношћу, изражено у процентима. Две дефиниције дају сличне нумеричке резултате за мале неуравнотежености, али се разликују за асиметрију фазног угла.
Извори
Једнофазна оптерећења распоређена неравномерно у три фазе су примарни извор неравнотеже у дистрибутивној мрежи НН и СН: стамбено оптерећење на сеоским хранилицама, пуњачи за електрична возила, и завариваче за једнофазни лук. О преносним системима, једнофазне вучне трафостанице су дугогодишњи извор неравнотеже негативне секвенце.
Дистрибутивне мреже уводе неколико додатних механизама о којима се ређе расправља. Дуге разводне линије које нису транспоноване акумулирају неједнаке међусобне импедансе између фаза, стварајући неравнотежу која расте са дужином линије. Далеководи су генерално добро транспоновани по дизајну, али нетранспоновани под-преносни и дистрибутивни фидери су уобичајени. Прегорели осигурач на једној фази схунт кондензаторске банке оставља две преостале фазе са вишком реактивне компензације, стварајући и локалну неравнотежу и ризик од резонанције. У деловима света где се једнофазни бочни канали изводе из трофазних довода трупа, the unbalance may be acceptable at the substation bus but severe along individual line sections where the single-phase load is concentrated. Слично, single-phase distribution transformers that are not evenly distributed among the three phases along a feeder produce unbalance that varies with location and with the loading profile of individual customers.
Effects on rotating machines
Negative-sequence voltage drives a magnetic field rotating counter to the rotor. From the rotor’s frame of reference, the slip for the negative-sequence field is:
НЕМА МГ-1 изражава практичну последицу: a 2% неравнотежа напона производи приближно 8% додатни пораст температуре намотаја. [16] У 50160 ограничава фактор неравнотеже негативне секвенце на 2% на терминалима напајања НН под нормалним условима рада; вредности до 3% дозвољени су у неким слабо насељеним подручјима. [3]
08 Фреквенција Одступање
Фреквенција система одражава тренутну равнотежу између укупне производње и укупног оптерећења у синхроној интерконекцији. У великим међусобно повезаним системима — Континентална Европа у 50 Хз, источне и западне северноамеричке интерконекције на 60 Хз — комбинована ротациона инерција свих синхроних генератора ограничава промене фреквенције на знатно испод 1 Хз под нормалним радним условима. У 50160 квантификује ово: фреквенција ће остати унутар 50 ± 1 Хз за 99.5% године о међусобно повезаним европским мрежама, и унутар 50 ± 4 Хз у сваком тренутку. [3]
Ефекти на опрему
Синхрони и асинхрони мотори раде при брзинама пропорционалним фреквенцији напајања; трајно одступање фреквенције производи пропорционалну грешку брзине у било којој процесној машини без контроле брзине у затвореном кругу. A 1% пад фреквенције се преводи у а 1% смањење брзине — последица за прецизну машинску обраду, творнице папира, или било који процес где напетост мреже зависи од синхронизоване брзине. Трансформатори који раде знатно испод номиналне фреквенције доживљавају већу густину флукса језгра; ако језгро већ ради близу колена засићења, чак и скромно смањење фреквенције може узроковати материјално повећање струје магнетизирања и губитке без оптерећења. Фреквентно осетљиви заштитни релеји (81О/У елементи) мора бити усклађен са очекиваним нормалним фреквенцијским опсегом како би се избегло окидање током легитимних промена фреквенције система.
Фреквенција у мрежама којима доминира инвертер
Све већи удео генерације са интерфејсом претварача — турбине на ветар, фотонапонских постројења, и складиштење батерија — смањује синхрону инерцију мреже. У острвским микромрежама или након раздвајања система на великој мрежи, фреквенција може да се мења брзином од неколико Хз у секунди (брзина промене фреквенције, РоЦоФ) — далеко бржи од конвенционалног фреквенцијског одзива заснованог на инерцији. Ово је активна област развоја стандарда и мрежног кода. ИЕЕЕ Стд 2030.8 бави тестирањем микромрежног контролера; нови захтеви ЕНТСО-Е захтевају да велика постројења заснована на инвертерима обезбеде синтетичку инерцију да делимично надокнаде губитак физичке инерције. [17]
09 Пејзаж стандарда
Квалитет електричне енергије је регулисан скупом међусобно повезаних стандарда из ИЕЦ-а, ИЕЕЕ, ЦЕНЕЛЕЦ, и национални органи. Главни оквири су сажети у наставку. Инжењер који ради мора да разуме разлику између нивоа компатибилности (ИЕЦ 61000-2 серије), границе емисије (ИЕЦ 61000-3 серије), захтеви за имунитет (ИЕЦ 61000-4 серије), и карактеристике напона напајања (У 50160).
| Стандард | Обим | Кључни садржај |
|---|---|---|
| ИЕЦ 61000 Серија — Међународна електротехничка комисија | ||
| ИЕЦ 61000-2-2 | НН јавне мреже | Нивои компатибилности за спроведене сметње ниске фреквенције (секундарне фреквенције, треперење, неуравнотеженост, падове напона) |
| ИЕЦ 61000-2-4 | Индустријска окружења | Нивои компатибилности за Цласс 2 анд Цласс 3 индустријска места; генерално мање строга од ограничења јавне мреже |
| ИЕЦ 61000-3-2 | НН опрема ≤ 16 А/фаза | Границе емисије хармоничне струје за опрему прикључену на јавне НН мреже |
| ИЕЦ 61000-3-3 | НН опрема ≤ 16 А/фаза | Границе флуктуације напона и треперења за опрему прикључену на јавне НН мреже |
| ИЕЦ 61000-4-7 | Мера | Хармоничка и интерхармоничка метода мерења: ДФТ прозор, груписање, 10/12-циклуса и агрегације 150/180 циклуса |
| ИЕЦ 61000-4-15 | Мера | Спецификација фликерметра: лампа–око–ланац обраде можданих сигнала, Пст и Пцом рачунање |
| ИЕЦ 61000-4-30 | Мера | Методе мерења ПК: Класа А (обавезујући/уговорни) и класа С (анкета) захтеви инструмента, интервали агрегације, означавање |
| ЦЕНЕЛЕЦ — Европски комитет за електротехничку стандардизацију | ||
| У 50160 | Карактеристике напона напајања | Статистичка ограничења за параметре напона на НН и СН корисничким терминалима у европским јавним мрежама у нормалним условима рада |
| ИЕЕЕ — Институт инжењера електротехнике и електронике | ||
| ИЕЕЕ Стд 519-2022 | Секундарне фреквенције (Северна Америка) | Границе хармоничне струје на ПЦЦ-у као функција односа кратког споја; границе изобличења напона при преносу и дистрибуцији |
| ИЕЕЕ Стд 1159-2019 | Праћење | Класификација и карактеризација ПК феномена; препоручена пракса праћења |
| ИЕЕЕ Стд 1250 | Осетљива опрема | Упутство за сервисирање опреме осетљиве на тренутне сметње напона; методологија процене компатибилности |
| Канадски национални стандарди (ЦСА Гроуп) | ||
| ЦСА Ц235:19 | Напон напајања — Канада | Радни опсези стабилног напона на месту прикључка за системе наизменичне струје до 50 кВ у Канади; покрива нормалне и екстремне услове рада. Канадски пандан ЕН 50160; на који се позива Хидро-Куебец, Хидро Оттава, и већина канадских комуналних предузећа у њиховим условима услуге. |
| ЦАН/ЦСА-Ц61000-2-2 | Нивои компатибилности ЛВ — Канада | Канадско усвајање (са одступањима) оф ИЕЦ 61000-2-2: нивои компатибилности за нискофреквентне спроведене сметње на јавним НН мрежама. Секундарне фреквенције, треперење, неуравнотеженост, и нивои пада напона који се примењују на канадске дистрибутивне системе. |
| ЦАН/ЦСА-Ц61000-3-7 | Променљива оптерећења — Канада | Канадско усвајање ИЕЦ-а 61000-3-7: процена емисионих граница треперења и флуктуације напона за прикључење флуктуирајућих инсталација на СН, ХВ, и ЕХВ системи. Користе га канадске комуналне компаније за процену прикључака лучних пећи и ветротурбина. |
| ЦСА Ц22.3 бр. 9:20 | Дистрибуирани ресурси — Канада | Међусобно повезивање дистрибуираних енергетских ресурса и дистрибутивних система до 50 кВ. Укључује ПК захтеве у ПЦЦ-у — хармонике, флуктуација напона, и ограничења треперења за ДЕР везе на бази инвертера и генератора. |
10 Мерење и праћење
Смислено мерење ПК није само питање повезивања инструмента и прикупљања података. Место мерења, класа инструмента, трајање анкете, методологија агрегације, а статистичка обрада резултата све одређује да ли подаци подржавају валидне инжењерске закључке. ИЕЦ 61000-4-30 пружа ауторитативни оквир за ове изборе. [2]
Тачка мерења
Резултати у великој мери зависе од тога где је инструмент повезан. The тачки простог повезивања (ПЦЦ) — тачка у јавној мрежи најближа кориснику на коју су или би могли бити повезани други корисници — је стандардна референца за процену емисија и усклађености. Мерења на терминалима опреме, на секундарној сабирници индустријског трансформатора, или низводно од УПС-а ће произвести различите резултате и служити различитим инжењерским сврхама: решавање проблема са опремом у односу на процену усклађености комуналних предузећа у односу на карактеризацију мреже. Збуњивање ових мерних тачака је чест извор техничких спорова и погрешно интерпретираних извештаја.
Трајање анкете и статистика
У 50160 и ИЕЦ 61000-4-30 навести да процене усклађености за већину параметара напона користе једну недељу непрекидног мерења, са критеријумом од 95 процената: параметар мора остати у одређеним границама за 95% 10-минутних интервала мерења током периода посматрања. Опадање напона и прекиди не подлежу овом правилу процента — они су пријављени као број догађаја класификован по озбиљности користећи УНИПЕДЕ ДИСДИП класе озбиљности или САРФИ индексе. Једнонедељно истраживање обухвата репрезентативан узорак услова рада мреже, али може пропустити сезонске ефекте; вишенедељно или трајно праћење квалитета електричне енергије је прикладно за критичне објекте и за програме карактеризације широм мреже.
Слика: ЕН 50160 / ИЕЦ 61000-4-30 95тх-перцентилни критеријум усклађености. Једна недеља непрекидног мерења даје отприлике принос 1008 десетоминутне интервале. Вредност параметра се израчунава за сваки интервал и рангира. Compliance requires that the 95th-percentile value — the threshold below which 95% of intervals fall — does not exceed the specified limit. The orange tail (5% of intervals) is permitted to exceed the limit without constituting non-compliance.
Instrument classes
ИЕЦ 61000-4-30 defines two principal instrument classes. Class A specifies the highest measurement accuracy and is required for binding applications: contractual compliance verification, regulatory submissions, and technical expert measurements used in dispute resolution. Class S is specified for statistical survey instruments where somewhat lower accuracy is acceptable. Class A compliance requires demonstrated measurement uncertainty within defined budgets for each parameter, calibration traceable to national standards, and correct implementation of all aggregation and flagging requirements. [2] Инструмент који је једноставно означен као „анализатор квалитета енергије” без експлицитног сертификата класе А не може се претпоставити да испуњава ове захтеве.
11 Преглед ублажавања
ПК ублажавање може се применити на три тачке у ланцу снабдевања: на извору поремећаја (смањење емисије), у мрежи између извора и жртве (слабљење или раздвајање), или при осетљивом оптерећењу (побољшање имунитета). Оптимална стратегија зависи од природе и локације поремећаја, техничка изводљивост сваке опције, и релативне трошкове — који значајно варирају у зависности од обима инсталације и карактеристика мреже. Технике наведене у следећим табелама представљају најпрактичнија и доказана решења која су данас доступна инжењерима и комуналним предузећима. Они нису исцрпни — приступи у фази истраживања и високо специфични приступи постоје изван овог обима — али покривају решења са којима ће се практичар највероватније сусрести и специфицирају на стварним пројектима.
Хармонично ублажавање
Хармоничка решења за ублажавање утицаја се крећу од једноставних елемената пасивне импедансе који коштају неколико долара по киловату до потпуно адаптивних активних система који су за ред величине скупљи. Прави избор зависи од потребног смањења ТХД-а, стабилност оптерећења, импеданса мреже, и да ли ИЕЕЕ 519 или ЕН 50160 усаглашеност се мора доказати на ПЦЦ-у. Табела у наставку покрива главне технике по редоследу повећања трошкова и перформанси.
| Техника | Излаз ТХДЈа | Прос | Цонс | Погодно за | Цост (УСД$) |
|---|---|---|---|---|---|
| АЦ линијски реактор (3–5%) | 35–40% | Веома ниска цена; пролазна заштита; продужава радни век погонског кондензатора | Ограничено смањење 5./7; пад напона под оптерећењем | Појединачни погони, ретрофит, сајтови са ограниченим буџетом | $10–25/кВ |
| ДЦ линк пригушница | 32–35% | Мало бољи 5./7. од реактора на наизменичну струју; нема пада напона; компактан | Захтева унутрашњу монтажу диск јединице; мање транзијентне заштите од реактора наизменичне струје | Погони са унутрашњим пригушивачем | $8–20/кВ |
| АЦ реактор + ДЦ пригушница комбинована | ~28–32% | Најбољи пасивни резултат по ниској цени; 6% комбинована импеданса; задржава се пролазна заштита | Две компоненте; мањи додатни пад напона | Погони где су потребне најбоље пасивне перформансе без трошкова филтера | $15–35/кВ |
| Пасивни шант филтер (подешен ЛЦ) | 70–85% | Ниска цена на нивоу; истовремено побољшава ПФ; нема активних компоненти | Фиксно подешавање; ризик од резонанције ако се мрежа промени; потребна студија инжењерства | На нивоу биљке, 100 кВ+, стабилна мешавина оптерећења | $30–80/кВА филтрирано |
| 12-пулсни исправљач (ауто-трансформатор) | ~85% наспрам 6 импулса; ТХД 10–15% | Елиминише 5. и 7. на извору; робустан; нема ризика од резонанције | Потребан је трансформатор са померањем фазе; 11тх и 13тх остају; осетљив на неравнотежу понуде | Нове инсталације, 75 кВ+, критичних процеса | $50–120/кВ |
| 18-пулсни исправљач (ауто-трансформатор) | ТХД 5–8% | Елиминише од 5. до 13; скоро синусоидна улазна струја | Булкиер трансформатор; већи трошак; осетљивији на неравнотежу напона од 12-пулсног | Велики дискови, ИЕЕЕ 519 обавезна усклађеност са ПЦЦ-ом | $80–160/кВ |
| Хибридни филтер (пасиван + активан) | ТХД < 5% | Нижа цена од чистог АХФ; пасивне ручке нижег реда, активно управља високим редом и динамиком | Два система за одржавање; инжењерска сложеност; ризик интеракције | Индустријски велике снаге, 500 кВ+, МВ апликације | $80–180/кВА |
| Активно хармоника филтера (АХФ) | ТХД < 5% | Потпуно прилагодљив; нема ризика од резонанције; једна јединица опслужује више оптерећења на заједничком аутобусу; ПФ корекција комбинована | Високи капитални трошкови; текући губици ~1–2%; одржавање; мање исплативо при веома великој снази | Аутобус са мешовитим оптерећењем, различита оптерећења, где је потребна и корекција ПФ | $150–300/кВА |
| Активни предњи крај (АФЕ) погон | ТХД < 3% | Скоро синусни; регенеративног (4-квадрант); јединство ПФ; најбоља дисторзија у класи | Премијум цена; сложене; захтева чист, стабилан напон напајања | Погони велике снаге, регенеративне примене (дизалице, лифтови, испитне клупе) | $200–400/кВ |
| Трансформатор са ознаком К | Штити само трансформатор — не смањује изобличење мреже | Једноставан; штити постојећу имовину; нема активних компоненти; дроп-ин замена | Не смањује убризгавање хармоника у мрежу; само мера за ублажавање топлоте | Постојећа заштита трансформатора где се хармонијска оптерећења не могу мењати | $20–60/кВА премија у односу на стандард |
| Цик-цак трансформатор | Отказује триплен (нулте секвенце) хармонике у неутралном | Елиминише 3, 9ог, 15тх од неутралног; једноставан; нема активних компоненти | Односи се само на хармонике нулте секвенце; не смањује 5., 7ог; додаје неутралну тачку уземљења | Трофазни системи са великим једнофазним прекидачким оптерећењима (ИТ, расвета) | $25–70/кВА |
Ублажавање пада напона
Ублажавање пада напона може се применити на нивоу мреже (смањење фреквенције и дубине савијања за све купце) или на нивоу индивидуалног оптерећења (риде-тхроугх за специфичан осетљив процес). Мере на нивоу мреже имају користи за многе кориснике, али не могу елиминисати пропадање изазвано кваровима на истој магистрали; мере нивоа оптерећења су више циљане, али морају бити димензионисане и одржаване на свакој инсталацији.
| Техника | Дубина / трајање покривености | Прос | Цонс | Погодно за | Цост (УСД$) |
|---|---|---|---|---|---|
| Побољшање кроз вожњу (контроле) | Плитке сагове, <0.5 с | Минимални трошак; нема хардвера на нивоу снаге; непосредан | Ограничена дубина и трајање; потребан инжењеринг за специфично оптерећење | Мотор контактори, погона за управљање напајањем, ПЛЦ, намотаји релеја | $1–10/кВ (само контроле) |
| Ферроресонант (ЦВТ) трансформатор | ~50% задржаног напона; континуирана регулација | Једноставан; нема енергетске електронике; континуирана регулација напона; дуг живот | Високи континуирани губици; мора бити превелик за потпуну заштиту; једнофазни <15 само кВА | Мала једнофазна осетљива оптерећења: контроле, ПЛЦ, медицински инструменти | $20–80/кВА |
| Прекидач статичког преноса (СТС) | Зависи од квалитета алтернативног фидера | Брзи трансфер (<¼ циклуса); ниске губитке; користи свим оптерећењима аутобуса | Захтева здраву алтернативну хранилицу — истовремено савијање на обе хранилице не даје никакве користи | Индустријски паркови, кампуса, дата центри са двоструким услужним фидовима | $100–250/кВА |
| Динамички Напон Рестауратор (ДВР) | До ~25–50% задржаног напона; секунде | Брз одговор (1–2 циклуса); мали губици у нормалном раду; исплатив у односу на УПС само за падове | Не могу да поднесу потпуне прекиде; ограничено складиштење енергије; дубина прогиба и трајање ограничено складиштењем | Семицондуцтор фабс, прерада хране, творнице папира, континуирана процесна индустрија | $150–350/кВА |
| Суперкондензаторско складиште енергије (са претварачем снаге) | Било која дубина; 1–10 с | Брз одговор; веома дуг животни циклус; нема деградације батерије; чисто премошћује кратке сагове | Ограничена густина енергије; трајање ограничено величином банке суперкондензатора; висока цена по ускладиштеном кВх | Снага моста за кратке падове; хибрид са ДВР-ом или УПС-ом за продужење трајања | $300–600/кВ ускладиштено |
| Мотор-генераторски сет + замајац | ~80% задржаног напона; 10–30 с вожња | Робустан; дуг живот; нема батерија; потпуна електрична изолација; својствена инерција | Тешка; велики отисак; континуирани ротациони губици; спор почетак након путовања | Комуналне услуге, третман воде, петрохемијске, одбрану | $200–400/кВА |
| УПС (двострука конверзија) | 100% дубина; минута до сати у зависности од батерије | Потпуна заштита укључујући трајне прекиде; чисти изоловани излаз; индустријски стандард за критична оптерећења | 5–10% континуираних губитака; одржавање и замена батерија; ограничено трајање без продужене батерије | Дата центри, медицински, телеком, критичне контроле процеса | $200–500/кВА |
| Аутоматизација хранилице / брзо секционисање | Смањује трајање прекида; не смањује дубину савијања | Предност на нивоу мреже за све купце; нема хардвера на страни корисника | Не може спречити иницијално савијање; улагање комуналног капитала; дуго време имплементације | Комуналне дистрибутивне мреже, сеоске хранилице, програми за побољшање поузданости | Капитал за комуналне услуге — варира |
Ублажавање треперења
Ублажавање треперења креће се од оперативних промена без трошкова до великих инсталација енергетске електронике. Одговарајуће решење зависи од врсте извора, стопа понављања флуктуације оптерећења, потребан Пст смањење, и да ли је истовремено потребна и хармонијска компензација.
| Техника | Пст смањење | Прос | Цонс | Погодно за | Цост (УСД$) |
|---|---|---|---|---|---|
| Распоред учитавања / рад ван радног времена | Смене Пцом терет | Нулта цена капитала; непосредан; нема хардвера | Захтева флексибилност процеса; није решење за усклађеност за Пст Границе | Лучне пећи и велики заваривачи у заједничким индустријским парковима | $0 — оперативни |
| Заваривач мреже/мреже — смањена струја, продужено време лука | 15–25% | Нулта цена капитала; непосредан; нема хардвера; маргинални утицај на продуктивност | Лимитед Пст смањење; није ефикасан за јаке изворе треперења | Заваривачи отпорне мреже са шипком мањег пречника | $0 — оперативни |
| Заваривач мреже/мрежа — секвенцијално заваривање | ~50% (фактор од ~2) | Значајно смањење треперења уз нулту цену капитала. Мрежа од Н шипки је заварена у два узастопна пролаза (е.г. 7 затим 8 од 15) — реактивна потражња по ударцу је преполовљена, преполовити величину напонског импулса | Смањује пропусност за 15–20% на погођеним радњама; потребно је поновно програмирање процеса. Потребно само за штап великог пречника — лакша производња која не изазива треперење не треба мењати | Заваривачи отпорне мреже са шипком великог пречника где појединачна струја заваривања изазива значајно треперење | $0 — оперативни |
| Побољшање контроле електрода (ЕАФ) | 20–40% | Смањује реактивне флуктуације на извору без екстерног хардвера; доступни модерни дигитални контролери | Зависно од процеса; ограничен домет; захтева учешће добављача лучних пећи | Пројекти модернизације електролучних пећи | Укључено у контроле пећи |
| Серијски кондензатор на дистрибутивном фидеру | 60–80% | Пасивно; нема активних компоненти; ниске цене; трајна корист; смањује импеданцију извора видљиву флуктуирајућим оптерећењем | Ефективно само на дугим хранилицама са заосталим оптерећењем; потребна је детаљна пројектна студија; потребна координација заштите | Руралне хранилице са флуктуирајућим оптерећењима (памучне машине, бунари за воду, пилане) | $15–40/лево |
| Пасивни шант филтер / фиксни кондензатор на ПЦЦ | Делимично - зависно од оптерећења | Корист од истовремене хармонијске и реактивне снаге; ниске цене; нема активних компоненти | Фиксна компензација; може да комуницира са импеданцијом мреже; ограничена динамичка реакција | ЕАФ или заваривачи који су већ опремљени фиксним батеријама кондензатора | $20–50/лево |
| Преклопљена кондензаторска банка (ТСЦ) | 30–50% | Брже од фиксне надокнаде; нижа цена од пуног СВЦ-а; побољшава ПФ у корацима | Само компензација промене корака — не континуирана; мање ефикасан за флуктуације високих фреквенција | Заваривачи средњег обима, мотор почиње, умерени и предвидљиви извори треперења | $30–80/лево |
| СВЦ (ТЦР + фиксни кондензатори) | 50–70% | Зрела технологија; скалабилан на стотине Мвара; умерен трошак; дуго постављена база | ½ до 1 кашњење одговора циклуса; резидуални пад на предњој ивици и набубри на задњој ивици сваког компензованог импулса; захтева хармонијске филтере. Погледајте напомену испод. | Пећима, заваривачи великог отпора, МВ/ХВ мреже | $80–200/лево |
| Хибрид СВЦ + пасивни филтер | 65–80% | Оптимизовано за велике ЕАФ; истовремено рукује хармоницима и треперењем; доказано на ултра-великој снази | Потребна сложена инжењерска студија; два система за координацију и одржавање | ЕАФ ултра велике снаге (>100 МВ) | $60-150/сваки заједно |
| СТАТЦОМ (ВСЦ-басед) | 60–80% | Одзив ~2–5 мс — у великој мери избегава ограничење СВЦ-а на почетној ивици и бубрењу на задњој ивици; мањи отисак; може да обезбеди и реалне и реактивне флуктуације снаге из ДЦ кондензатора | Већа цена по квадратном метру од СВЦ-а у великим размерама; сложенија енергетска електроника | Заваривачи са великим бројем понављања и ЕАФ где је СВЦ тиристорско кашњење видљиво ограничење | $120–300/лево |
Инжењеринг квалитета електричне енергије, гледано са стране мреже, је на крају управљање заједничком инфраструктуром. Сваки прикључени терет је истовремено потенцијална жртва поремећаја у снабдевању и потенцијални извор сметњи за своје суседе. Разумевање овог билатералног односа — квантитативно, и уз позивање на важеће стандарде — је основа здраве ПК праксе.
ИПКДФ Серија техничких чланака
Следећи чланци третирају појединачне теме из овог прегледа у пуној инжењерској дубини — са обрађеним бројчаним примерима, модели кола, прорачуни по јединици, и резултати калибрисани на терену.
6-Импулсни ВФД хармоници: Спецтрум, Границе, и Мрежни утицај
Пуни хармонијски струјни спектар предњег краја шестопулсног исправљача. Фуријеова декомпозиција, величине по јединици, ИЕЕЕ 519-2022 процена усклађености у ПЦЦ-у, и изобличење напона мреже.
Прочитајте чланак →Хармоници и кондензатори фактора снаге: Ризик од резонанције
Како хармонијске струје из ВФД-а реагују са шантом кондензатора да формирају паралелна резонантна кола. Резонантна фреквенција, фактор појачања К, и ублажавање уз помоћ реактора за одгађање.
Прочитајте чланак →Хармонични ефекти на индукционе моторе: Загађење мреже, ВФД Стрес, и ублажавање
Дводелни третман: хармонике које мотори убризгавају у напојну мрежу, и хармонике које примају мотори од изобличеног напајања — укључујући моторе без сопственог ВФД-а.
Прочитајте чланак →6-пулсни исправљач као жртва: Дисторзија напајања и поузданост погона
Детаљно испитан парадокс усклађености: диск који задовољава ИЕЕЕ 519 границе емисије могу и даље претрпјети унутрашња оштећења када је сам напон напајања изобличен. Квантификовано за слабе и јаке мрежне сценарије.
УскороРеференце
- Дуган, Р.Ц., МцГранагхан, М.Ф., Сантосо, С, Беати, Х.В. Квалитет електроенергетских система, 3рд ед. МцГрав-Хилл, 2012. ИСБН 978-0-07-176155-0.
- ИЕЦ 61000-4-30:2015+АМД1:2021. Електромагнетска подударност (ЕМЦ) — Део 4-30: Технике испитивања и мерења — Методе мерења квалитета електричне енергије. ИЕЦ, Женева.
- У 50160:2010+А3:2019. Напонске карактеристике електричне енергије коју испоручују јавне електричне мреже. ЦЕНЕЛЕЦ, Брисел.
- ИЕЕЕ Стд 1159-2019. ИЕЕЕ препоручена пракса за праћење квалитета електричне енергије. ИЕЕЕ, Њујорк.
- ИЕЦ 61000-2-5:2017. Електромагнетска подударност (ЕМЦ) — Део 2-5: Околина — Класификација електромагнетних средина. ИЕЦ, Женева.
- Арриллага, Ј, Ватсон, Н.Р. Повер Систем хармоници, 2ед. Вилеи & Синови, 2003. ИСБН 978-0-470-85129-6.
- Мохан, Н, Унделанд, Т.М., Роббинс, В.П. Повер Елецтроницс: Цонвертерс, Апликације, анд Десигн, 3рд ед. Вилеи & Синови, 2002. ИСБН 978-0-471-22693-2.
- АНСИ/ИЕЕЕ Ц57.110-2018. Препоручена пракса ИЕЕЕ за успостављање способности енергетских и дистрибутивних трансформатора пуњених течношћу и сувог типа при снабдевању несинусоидних струја оптерећења. ИЕЕЕ, Њујорк.
- ИЕЕЕ Стд 519-2022. ИЕЕЕ стандард за хармонијску контролу у електроенергетским системима. ИЕЕЕ, Њујорк.
- ИЕЦ 61000-4-7:2009+АМД1:2021. Електромагнетска подударност (ЕМЦ) — Део 4-7: Технике испитивања и мерења — Општи водич за хармонике и интерхармонике мерења и инструментацију. ИЕЦ, Женева.
- ЕПРИ / ЦЕИДС. Трошкови поремећаја електричне енергије за компаније у индустријској и дигиталној економији. ЕПРИ, Пало Алто, ЦА, 2001. Извештај бр. 1006274.
- ИТЦ (Информационе технологије Индустрија савет). Напомена о примени ИТИЦ криве — Граница толеранције напона. Васхингтон, ДЦ, 2000.
- Лопта, М.Х.Ј. Разумевање проблема квалитета електричне енергије: Падови и прекиди напона. ИЕЕЕ Пресс / Вилеи-Интерсциенце, 2000. ИСБН 0-7803-4713-7.
- ИЕЦ 61000-4-15:2010+АМД1:2012. Електромагнетска подударност (ЕМЦ) — Део 4-15: Технике испитивања и мерења — Флицкерметер — Функционалне и дизајн спецификације. ИЕЦ, Женева.
- ИЕЕЕ Стд 1036-2010. ИЕЕЕ Водич за примену шанта сназних кондензатора. ИЕЕЕ, Њујорк.
- НЕ МГ-1-2021. Мотори и генератори. Национално удружење произвођача електричне енергије, Росслин, ВА.
- ИЕЕЕ Стд 2030.8-2018. ИЕЕЕ стандард за тестирање микромрежних контролера. ИЕЕЕ, Њујорк.
- ЦСА Ц235:19. Пожељни нивои напона за системе наизменичне струје до 50 000 У. ЦСА Гроуп, Торонто, 2019. Национални стандард Канаде.
- ЦАН/ЦСА-Ц61000-2-2:04 (Р2023). Електромагнетска подударност (ЕМЦ) — Део 2-2: Околина — Нивои компатибилности за нискофреквентно вођене сметње и сигнализацију у јавним нисконапонским системима напајања. ЦСА Гроуп, Торонто. Канадско усвајање ИЕЦ-а 61000-2-2.
- ЦАН/ЦСА-Ц61000-3-7:04. Електромагнетска подударност (ЕМЦ) — Део 3-7: Границе — Процена граница емисије за прикључење флуктуирајућих инсталација на СН, ХВ и ЕХВ системи напајања. ЦСА Гроуп, Торонто. Канадско усвајање ИЕЦ-а 61000-3-7.
- ЦСА Ц22.3 бр. 9:20. Интерконекција дистрибуираних енергетских ресурса и система за снабдевање електричном енергијом. ЦСА Гроуп, Торонто, 2020. Национални стандард Канаде.