Dodatkowe straty energii i mocy przy przepływie prądów odkształconych

Jakość Energii Elektrycznej - jakie problemy są wywołane wyższymi harmonicznymi prądu?

Jakość Energii Elektrycznej (JEE) w każdym zakładzie przemysłowym, produkcyjnym jest inna i uzależniona od wielu czynników. Coraz powszechniejsze stosowanie elementów energoelektronicznych w przemyśle, prowadzi do przepływu prądów odkształconych (wyższe harmoniczne prądu) w układzie elektroenergetycznym. Z tego powodu, pojawiają się problemy wywołane wyższymi harmonicznymi prądu:

• przeciążenie przewodów neutralnych,
• przegrzanie transformatorów,
• niepożądane zadziałanie wyłączników automatycznych,
• przeciążenie baterii kondensatorowych do korekcji współczynnika mocy,
• generowanie dodatkowych strat mocy czynnej.

Przesył prądów odkształconych w trójfazowym układzie zasilającym, gdzie występuje trzecia harmoniczna prądu, może prowadzić do przegrzewania się przewodów i kabli ze względu na wzrost prądu w żyle neutralnej.

Rysunek 1. Sumowanie wartości prądów odkształconych, z 30% udziałem trzeciej harmonicznej, w przewodzie neutralnym

W przypadku obciążenia układu zasilającego, prądem odkształconym od przebiegu sinusoidalnego, rzeczywiste straty mocy czynnej powodowane przepływem prądu odkształconego w pojedynczej żyle, są sumą strat mocy pochodzących od poszczególnych harmonicznych:

Rezystancja żyły, nie jest wartością stałą w funkcji częstotliwości, co jest wynikiem występowania dwóch zjawisk:

• efektu naskórkowości opisującego oddziaływanie pola magnetycznego wytworzonego przez prąd przepływający przez daną żyłę przewodu,
• efektu zbliżenia uwzględniającego oddziaływanie pola wytworzonego przez prądy płynące w żyłach sąsiednich.

Wartość straty mocy występującej w żyle przewodu obciążonego prądem odkształconym od przebiegu sinusoidalnego, uwzględniając powyższe zjawiska, można opisać zależnością:

W przypadku przepływu prądu odkształconego przez trójfazową linię z przewodem neutralnym, straty mocy czynnej występujące w takim układzie można opisać zależnością:

Wszystkie powyższe czynniki wpływają na wzrost temperatury izolacji żył przewodów i kabli powyżej temperatury dopuszczalnej długotrwale. Będzie to prowadzić do skrócenia żywotności instalacji elektroenergetycznej, a w krytycznej sytuacji nawet do nadtopienia izolacji i trwałego uszkodzenia torów zasilających.

Skutkiem przepływu prądu przez uzwojenia, są straty mocy w transformatorze, które dzieli się na straty podstawowe i dodatkowe. Jeżeli przepływający prąd jest odkształcony od przebiegu sinusoidalnego, straty te mogą się zwiększyć na skutek następujących zjawisk:

• przyrost strat podstawowych w uzwojeniach, spowodowany wzrostem rezystancji uzwojeń na skutek zjawiska naskórkowości,
• przyrost strat dodatkowych, spowodowany zwiększeniem wartości prądów wirowych w uzwojeniach oraz zwiększeniem strat rozszerzeniowych w częściach konstrukcyjnych transformatora (rdzeniu, obejmach, kadzi).

Wzrost start mocy wylicza się korzystając ze wzoru:

Szczególnie groźne okazują się harmoniczne wyższych rzędów, gdzie wraz z częstotliwością ich wpływ na straty rośnie w kwadracie rzędu harmonicznej.

Skutkiem przepływu prądów odkształconych jest wzrost całkowitych strat mocy czynnej, co przede wszystkim objawia się we wzroście temperatury transformatora. Wzrost ten może znacząco skrócić żywotność jednostki, gdzie przyrost o 6ºC skraca żywotność dwukrotnie, a o 12ºC aż czterokrotnie (wg CEI/IEC 354 / VDE 0532 część 1/11.71).

Przebieg prądów odkształconych może również negatywnie wpływać na działanie aparatury zabezpieczającej, w tym zabezpieczeń topikowych oraz wyłączników. Dodatkowe nagrzewanie się torów prądowych może prowadzić do przedwczesnego zadziałania wyzwalacza termobimetalowego wyłącznika lub przepalenia się wkładki topikowej. Ze względu na zmianę kształtu prądu, a w szczególności możliwości pojawienia się przebiegu o wysokiej wartości współczynnika szczytu, może zdarzyć się nieprawidłowe działanie członu elektromagnetycznego, bezzwłocznego wyłącznika.

Stosowanie baterii kondensatorów w środowisku z wysoką zawartością wyższych harmonicznych może prowadzić do ich przegrzewania, wyłączania poszczególnych członów kompensacyjnych poprzez zabezpieczenia termiczne, a w najgorszym przypadku nawet do ich zapalenia.

Rysunek 2. Widok uszkodzonej baterii kondensatorów niskiego napięcia

Wraz ze wzrostem częstotliwości poszczególnych wyższych harmonicznych prądu, maleje reaktancja pojemnościowa kondensatorów kompensujących.

Powoduje to, że pobór prądu przez układ rośnie, a wraz z nim wzrasta temperatura jego pracy. Kondensatory są wrażliwe na wzrost temperatury, co może prowadzić do ich trwałego uszkodzenia, a w szczególnych przypadkach nawet zapalenia. Z tego powodu należy stosować dławiki filtrujące w takich obwodach w celu ochrony układu kompensującego.

Przepływ prądu odkształconego prowadzić może nie tylko do pogorszenia Jakości Energii Elektrycznej w zakładzie czy do poboru dodatkowych opłat za energię elektryczną, ale również do skrócenia żywotności instalacji i urządzeń elektroenergetycznych. W szczególnych przypadkach może nastąpić trwałe uszkodzenie poszczególnych elementów układów elektrycznych, co skutkuje dodatkowymi kosztami naprawy oraz przestojami w produkcji.

Rysunek 3. Zależność reaktancji indukcyjnej XL, pojemnościowej XC i wypadkowej impedancji układu Z szeregowego tych elementów