Harmonikus zavarok a villamosenergia-felhasználás gyakorlatában
2014/4. lapszám | Túróczi József Túróczi Péter | 10 116 |
Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az 1991. évi bevezetésétől kezdve komoly szakmai fenntartások és bizonytalan beavatkozások kísérik annak tényét, hogy az MSZ EN 50160 és a HD 60364 (MSZ 2364) szabványok, valamint az MSZ 61000 szabvány és a G5/4 ajánlásai egyaránt meghatározzák az elvárásokat, és ajánlásokat tesznek a harmonikus zavarokkal kapcsolatban. A cikk egy nagyfogyasztónál végzett vizsgálat eredményeire alapozva foglalja össze az erősáramú szakemberek számára a legfontosabb tapasztalatokat.
Az elektronikus teljesítményszabályozást végző hálózati készülékek – az ún. „nemlineáris” felhasználói berendezések – jelalak-formáló viszszahatása régóta ismert. Az eltorzult jelalakok – az ún. „vezetett” zavar – okozta hibák ismertek, de míg ‘80-as években csak mint elméleti lehetőségekről, a tömeges elterjedés (felhasználás) miatt ma már magas prioritású veszélyforrásról kell beszélnünk.
Eleinte szakmai körökben még azt is nehéz volt elfogadtatni, hogy a szinusz forma megváltozik, ez a hatás csak nagy egységteljesítményű szabályozások – pl. hengerművek, nyomdai berendezések – esetében volt elfogadott, kis teljesítményű berendezések alkalmazása – pl. iroda- és irányítástechnikai eszközök, vezérlések, fényforrások, dimmerek stb. – során legfeljebb az érdekesség szintjén tart a vizsgálat.
A vizsgált hálózat meghatározása
A beszámoló tárgyát egy jelentős méretű és teljesítményű fogyasztónál végzett, a teljes üzemre kiterjedő komplex közép- és kisfeszültségű harmonikus és meddőkompenzációs vizsgálat adja.
Paraméterek:
- Csatlakozási feszültségszint: 120 kV, 50 Hz/ középfeszültségű – KÖF – alállomásokról.
- Villamosenergia-ellátás: 24 kV – KÖF – feszültségszinten, földkábeles betáplálásokkal.
- Betáplálások:egyidejűleg több, párhuzamosan üzemelő betáplálás lehetséges.
- Csatlakozási teljesítmény: több MW, dinamikusan változó.
- Belső elosztás a területen: jelentős számú KÖF/0,4 kV-os saját tulajdonú transzformátor-állomás.
- Felhasználói berendezések: az általános célú fogyasztói eszközön túl jelentős mértékben, így jelentős teljesítménnyel alkalmaznak erősáramú teljesítményszabályozáson alapuló – nemlineáris – felhasználói berendezéseket.
A vizsgálat okának meghatározása
A megelőző egyeztetések során kialakult az a vélemény, amely harmonikus zavarkibocsátást feltételez. Kérdések alapján kiderült, hogy az üzemeltető munkatársai korábban néhány „furcsa” eseménnyel is találkoztak, de ezeket az előfordulásuk rendszertelensége miatt nem tudták értelmezni, kezelni, például:
- A belső KÖF hálózat átterhelései során tapasztalták, hogy bizonyos terhelési szint alatt(!) a KÖF hálózat védelmei indok nélkül működtek.
- A telephelyen belül KÖF szinten korszerű, mezős elosztókat és korszerű, digitális védelmeket alkalmaztak. Dacára a pontos tervezéseknek és beállításoknak, a rendszeres ellenőrzéseknek, több alkalommal is tapasztalták, hogy az összehangolt 0,4 kV-os és KÖF védelmek hibásan, olykor az elvárható szelektivitással ellentétesen működtek.
- Több transzformátorállomás is modulrendszerben, ún. „meleg” vagy „hideg” tartalékkal épült fel. Egyes helyeken tapasztalták, hogy bizonyos nemlineáris készülékek (modulok) karbantartásakor minden modult ki kell kapcsolni, mivel a nulla vezeték és a földpotenciálú szerkezetek között esetenként akár kézzel is érzékelhető feszültségkülönbség lépett fel.
- Véletlenszerűen megmagyarázhatatlan meghibásodások léptek fel a vezérlő vagy informatikai rendszerekben.
Üzemeltetői részről korábban már végeztek harmonikus zavarvizsgálatokat is, de érdemi eredményt nem tudtak felmutatni, megoldásra vonatkozóan javaslattétellel nem éltek.
A vizsgáló műszerek meghatározása
A vélelmezett harmonikus zavartartalom-meghatározás, valamint a meddőenergia-analízis az MSZ EN 50160, a HD 60364 (MSZ 2364) valamint az MSZ 61000 szabvány és a G5/4 ajánlásai által megfogalmazott elvárások (THD(u) 8%; THD(i) 10%) szerint került elvégzésre. Az üzemeltető elfogadta, hogy a korábbi mérésektől eltérően szükséges a nulla vagy PEN-vezetőben folyó áramok értékének és jelalakjának vizsgálata is.
A feltételek alapján meghatározásra kerültek a vizsgálathoz a méréstechnikai elvárások. Legalább hétcsatornás, tehát a nulla- vagy a PEN-vezetőben folyó áram mérésére és regisztrálására kifejlesztett, minden mérési csatornában legalább a 0-50 harmonikus tartomány szerinti, minden csatornában szinkronizált mérést biztosító, a villamos alapparaméterek min. 30 másodperces, a harmonikus paraméterek 1 perces mintavételezésére, valamint figyelemmel a 24 órás üzemre, az ajánlásoknál rövidebb, de legalább 3-7 napos, megszakítás nélkül végzett, tárolt adatgyűjtésre alkalmas műszert kell választanunk, illetve az elemzéseket mind a hét csatornára el kell végezni.
A vizsgálat megállapításai
A vizsgálat során a KÖF betáplálásokon a hatályos szabványajánlások szerint egyhetes időtartamban, minden betápláláson egyidejű, a 0,4 kV-os főelosztóknál az üzemeltető kijelölése alapján csökkentett, kb. három nap/mérőpont időtartamú mérések kerültek elvégzésre. Az összességében négy hónapig tartó vizsgálatsorozat, valamint a mérési adatok elemzése pozitív eredménnyel zárult. Egyértelműen igazolódott, hogy az elosztott terhelésnek számító, kis, vagy esetenként közepes zavarforrások összességében jelentős harmonikus zavarkeltők! Az összegzésben már jelentős teljesítményt képviselő nemlineáris elemek arányaiban domináns, QH > 2 MVAr teljesítményű harmonikus zavart generálnak.
1. kép: KÖF betáplálás feszültség és áram összesített harmonikus – THD(u) és THD(i) – értékei.
2. kép: KÖF betáplálási áram mértékadó THD(i)=16,19%-os harmonikus torzítás jelalakja és harmonikus spektruma.
Az eredmények összegzése mind az üzemeltető, de még a vizsgálatot végző, tapasztalt szakemberek számára is megdöbbentő eredményt hozott, mivel az elemzések az eddig ismertnél nagyobb veszélyt igazoltak.
Az egyes feszültségszintű hálózatokra vonatkoztatva az alábbi megállapítások születtek:
- A KÖF oldalon a G5/4 ajánlásaival szemben THD(u) < 8%-os feszültség harmonikus tartalom mellett jelentős mértékű, THD(i) ~16-22%-os áram harmonikus tartalom került regisztrálásra (1. kép).
- Ki kell emelni, hogy a KÖF oldalon – a THD(u) és a THD(i) esetében is – jelentős, a mérőváltók mágnesezési jellemzőit befolyásoló egyenáramú (DC) összetevőt regisztráltunk, amelynek aránya esetenként elérte a 16%-os értéket is (2. kép).
- A 0,4 kV-os mérések szétválasztásra kerültek fázis- és a nullaárami mérésekre. A fázisáramok esetében – jelentős terhelés mellett – az ajánlott THD(i) 10%-os harmonikus tartalom helyett gyakran mérésre került 20-50%-os arány is(!).
- A nulla vezetőkben, valamint a transzformátorok nullponti földelésén át jelentős effektív értékű kóboráram került regisztrálásra. Vizsgálat közbeni tapasztalat volt, hogy egyes térvilágítási hálózati szakaszok kábelének PEN-vezetőjén mért áram effektív értéke a napszaktól – a világítás bekapcsoltságától – független volt, viszont a harmonikus összetevők vonatkozásában jól behatárolható zavartartalom-változás volt kimutatható.
- Lehetőség nyílt egy jelentős LED-világítási rendszer hálózatának elemzésére is. A mérési adatok szerint – bár ezek még fejlesztés alatt álló LED-lámpatestek voltak – a LED-világítás harmonikus zavarterhelése arányában közel azonos a beépített teljesítménnyel.
- A nulla- vagy PEN-vezetőben a 150 Hz-es, valamint az egyenáramú, az ún. „DC” összetevő hihetetlenül magas, gyakori tapasztalat volt, hogy a mérhető áram már tiszta 150 Hz-es váltakozó, vagy csak lüktető egyenáram. Az átmágnesezés annyira erős volt, hogy a nyitható lakatfogókat bontáskor erővel kellett működtetni (3. kép)!
- A fázisjavító berendezéseket a korábbi gyakorlat szerint kötelezően telepítették, most ennek az „ökölszabálynak” a felülvizsgálata vált szükségessé. A vizsgálat eredménye alapján a meddőkompenzáció akkor is teljesült, amikor – az üzemeltető egyetértésével – kikapcsolásra kerültek a statikus fázisjavító berendezések. A teljesítménytényező átlagos értéke a KÖF oldalon továbbra is magas volt (cos 0,98 induktív).
3. kép: Nemlineáris elemek nulla vezetőjében mérhető 150 Hz-es, illetve lüktető egyenáramú jelalakok.
A fenti tapasztalatok egy olyan villamos hálózat elemzése során képződött, ahol a villamosenergia-gazdálkodás, a hálózat, az EPH és az érintésvédelmi rendszer kialakítására, optimalizálására magas szintű munkát fordítottak, a gazdálkodás az erősáramú megközelítés, a szabványajánlások alapján mindenben megfelelő szintű volt. Az üzemeltető munkatársaival közösen kialakított megállapítások, javaslatok a következők voltak:
1. A további munkák során tudatosítani kell, hogy a harmonikus zavarok csökkentése, az egyes zavarforrások közötti gerjedések megakadályozása prioritásában az első helyen kell, hogy szerepeljen. Ehhez képzéssel kell biztosítani, hogy az erősáramú szakemberek pontosan ismerjék a nemlineáris elemek okozta harmonikus zavarok káros hatásait és azok kompenzálási lehetőségeit.
2. A gyakorlati mérések során igazolódott, hogy a harmonikus vezetett zavarok hatásainak mérésére csak a legalább hét (7) csatornás, a 0-50. harmonikusig való analizálásra is megfelelő műszer alkalmazható. A nulla vezetőben folyó áramok mellőzése a védekezés meghatározására alkalmatlan adatokat szolgáltat.
3. Magas harmonikus zavartartalom esetén akár feleslegessé is válhat a fázisjavító berendezés, mint példánkban, ahol a KÖF oldalon mért érték nem csökkent a cos 0,98 induktív szint alá. Szemléletváltásra van szükség, mivel az eddig „ökölszabályként” betervezett és beépített fázisjavító berendezés a továbbiakban csak opciós szerepet kaphat, kötelezően az aktív harmonikus zavarszűrő csatlakozási feltételeit ki kell alakítani.
4. A harmonikus zavarok spektruma dinamikusan változó, így a passzív szűrők beépítésének lehetősége – részben méretük miatt – nem javasolható. Az aktív harmonikus zavarszűrők alkalmazásával lehetőség van meddőkompenzáció megvalósítására is. A szűrés beépítése célszerűen a 0,4 kV-os oldalon történjen, de figyelembe kell venni, hogy a td 300 sec beavatkozási sebességű aktív harmonikus szűrők hatásfoka dinamikus zavarforrások mellett alacsony, ráadásul a rosszul hangolt fázisjavító berendezésekkel együtt lengéseket is okozhatnak (4. kép).
4. kép: Gyenge minőség elemekből felépített, fojtózott fázisjavítás miatt kialakult hosszúhullámú rezgések a hálózaton.
Összefoglalás
A fejlődés törvényszerűsége, gyorsasága egyidejűleg tartalmaz a felhasználókra új, veszélyes elemeket, amelyek behatárolása, elhárítása csak nagy értékű, korszerű, hatékony eszközökkel lehetséges. Szükség van tehát a jól felkészült szakemberek – specialisták – bevonására, ismereteik, tudásuk igénybevételére. Korunk szakmai kihívásai mellett elengedhetetlen a képzett elméleti szakemberek tudásának a gyakorlati felhasználásba történő gyors integrálása, a lehetőségeknek az üzemeltetési munkatársak munkáját támogató szolgálatába állítása.
FázisjavításFelharmonikusMéréstechnikaVizsgálatZavarszűrő
