6.3.4.15.1
Změny napětí, flikr a nesymetrie
Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv
NahoruObecná charakteristika
Každá změna zatížení vyvolá změnu proudu v síťovém přívodu a v
důsledku toho změnu napětí U v přípojném bodě V.
Změny napětí mohou být vyvolány:
-
připnutím větších zatížení, např. motorů, transformátorů,
kondenzátorů,
-
motory provozovanými s proměnným zatížením (katry, drtiče
kamení, výtahy, ...),
-
svářecími stroji,
-
řízenými zatíženími (spínání na určitý počet period
napájecího napětí, termostatové řízení atd.),
-
obloukovými pecemi,
-
proměnnými dodávkami (např. větrné elektrárny).
Změny napětí se musí omezit, aby
NahoruRelativní změna napětí a flikr
Změna napětí vyvolaná symetrickou změnou
zatížení
Změna napětí ∆U vztažená k napětí UV v přípojném bodě
V se označuje jako "relativní změna napětí“. Změna napětí ∆U se má měřit jako
rozdíl následujících 10-ms hodnot RMS (efektivní hodnota).
V případě symetrické změny zatížení dochází u všech napětí
třífázového systému k téže relativní změně napětí:
V případě symetrické změny zatížení dochází u všech napětí
třífázového systému k téže relativní změně napětí:
*) Při neznámém úhlu zatížení se za kosinový člen dosadí 1.
Přibližný vzorec pro výpočet relativní změny napětí d respektuje
jen podélné složky ∆UL komplexního poklesu napětí, nikoliv příčný
pokles napětí ∆UQ. Z toho plynoucí chyba, zobrazená ve fázovém
diagramu, může být obecně při výpočtu změn napětí zanedbána.
Přibližný vzorec pro velikost změny napětí:
Relativní změna napětí:
*) Při neznámém úhlu zatížení se za kosinový člen dosadí 1.
Přibližný vzorec pro výpočet relativní změny napětí d respektuje
jen podélné složky ∆UL komplexního poklesu napětí, nikoliv příčný
pokles napětí ∆UQ. Z toho plynoucí chyba, zobrazená ve fázovém
diagramu v obrázku 1, může být obecně při výpočtu změn napětí zanedbána.
Fázový diagram podélné a příčné změny napětí vyvolané změnou
zatížení:
Zvláštní případ:
Je-li úhel změny zatížení φ = ψ – 90°, je kosinový člen v
rovnici pro relativní změnu napětí d roven nule. V tomto případě nenastane při
změně zdánlivého výkonu ∆SA, příp. změně proudu ∆IA,
žádná změna velikosti napětí (= podélná změna napětí ∆UL), ale jen
změna úhlu fázoru napětí (fázorový skok).
Změna napětí vyvolaná nesymetrickou změnou zatížení
(jednofázové zatížení)
Je třeba rozlišovat připojení mezi dvěma fázovými vodiči a
připojení mezi fázovým a nulovým vodičem. Největší relativní změna napětí d je
v závislosti na druhu připojení zátěže:
-
Zátěž mezi fázovými vodiči:
*) Při neznámém úhlu zatížení se dosadí za kosinový výraz 1.
V závislosti na zvoleném napětí má řídící úhel hodnoty 0°, ±30°,
±60°.
Např. zatížení SA mezi fázovými vodiči L1 a L2:
symetrická impedance sítě.
Náhradní schéma jednofázového zatížení v síti s fázorovým
diagramem síťového napětí v přípojném bodě V na straně nižšího napětí
Změny napětí v přípojném bodě V (strana nižšího
napětí)
Relativní změny napětí mezi fázovým a střední vodičem:
Relativní změny napětí mezi fázovými vodiči:
Změny napětí v přípojném bodě V´ (strana vyššího
napětí)
Na straně vyššího napětí (= napětí vn) jsou změny napětí mezi
fázovými vodiči určující pro flikr, pozorovatelný na straně nn u osvětlovacích
zařízení.
Přibližné vzorce pro změny napětí na straně vyššího napětí při
použití třífázových transformátorů v zapojení trojúhelník – hvězda nebo hvězda
– lomená hvězda s hodinovým úhlem 5 nebo 11, např. (Dy5) nebo (Yz5):
Relativní změny napětí mezi fázovými vodiči:
dL3-L1 = 0. ... (13)
Přibližné vzorce pro změny napětí na straně vyššího napětí při
použití třífázových transformátorů v zapojení hvězda – hvězda s hodinovým úhlem
0 (Yy0):
Relativní změny napětí mezi fázovými vodiči:
Poznámka: Použije-li se třífázový
transformátor s neobvyklým zapojením hvězda – hvězda (Yy), udá přibližný
výpočet změn napětí o max. 15 % vyšší změny napětí – odpovídající poměru 2/ –
proti obvyklým a rovnocenným zapojením trojúhelník – hvězda a hvězda – lomená
hvězda. Různá zapojení síťových transformátorů se tedy liší s ohledem na
velikost flikr vyvolávajících změn napětí na straně vyššího napětí jen
málo.
Mezi zapojením třífázových transformátorů s trojúhelníkovým
vyrovnávacím vinutím nebo zapojením lomená hvězda – lomená hvězda se pro tento
případ zatížení (jednofázové zatížení mezi dvěma fázovými vodiči) stupeň
nesymetrie nezmění, i když se tím proudy na straně vyššího napětí rozdělí na
všechny tři fázové vodiče. Rozložení proudu na symetrické složky nedá v tomto
případě žádnou nulovou složku, kterou by bylo možné vyrovnávacím vinutím v
transformátoru eliminovat, nýbrž co do velikosti stejně velký sousledný a
zpětný systém, který třífázový transformátor nezávisle na zapojení plně
přenáší.
- b)
Zátěž mezi fázovým a středním vodičem:
*) Při neznámém úhlu zatížení se za kosinový člen dosadí 1.
Předpoklad: Z fázového vodiče = z nulového vodiče.
Předpoklad platí, když
Při napájení (dodávce) se napětí v síti zvýší. Mnohé systémy
pohonů (např. u výtahů a lanovek, CNC strojů, jeřábů) při brzdění dodávají do
sítě jako generátory, a proto se musí také brát v úvahu i při posuzování
zvyšování napětí v síti. Doporučuje se vyžádat si příslušné vysvětlení
uživatele sítě.
NahoruVýpočet změny zatížení ve speciálních případech
Ia = (3 až 8) • Ir,
cosφa = 0,2 až 0,6 při rozběhu,
∆SA = √3 · Ia · Ur, ... (18)
NahoruRozběh motoru
Ia ... záběrový proud
Ir ... jmenovitý proud motoru
Ur ... jmenovité napětí motoru
∆SA ... změna zdánlivého výkonu (změna zatížení).
Při větších relativních změnách napětí je třeba podle okolností
dbát na to, aby velikost změn zatížení byla zmírněna. Při rozběhu s přepínáním
hvězda – trojúhelník je také třeba vzít v úvahu změnu zatížení ∆SA při přepnutí do trojúhelníku. Při rozběhu s pomocnými rozběhovými prostředky se
dosadí skutečný, redukovaný rozběhový proud.
Při připojení asynchronního stroje bez pomocného rozběhového
prostředku a při stojícím rotoru odpovídá rozběhový proud záběrovému proudu.
Pro zmenšení změny zdánlivého výkonu ∆SA je v každém případě třeba
předpokládat podle výkonu stroje možné pomocné rozběhové prostředky.
NahoruSvářecí stroje
Změna zatížení ∆SA se určí buď ze jmenovitého výkonu
při 50% době sepnutí, nebo ze zkratového výkonu odporové svářečky:
∆SA = (3 až 5)·S50%ED,
příp.
∆SA = 0,8 SkM,
∆SA .... změna zdánlivého výkonu (změna zatížení)
S50%ED ... jmenovitý výkon při 50% době sepnutí
SkM .... zkratový výkon odporové svářečky.
NahoruOdporová svářečka
Pro posouzení flikru odporových svářeček (odporové bodové,
hrbolkové (peckové), na tupo, švové sváření) je určující změna zdánlivého
výkonu ∆SA během nejvyššího svářecího výkonu a míra opakování r (=
četnost svářecích impulzů za minutu).
Uvedený vzorec pro výpočet změny zdánlivého výkonu
∆SA = (3 až 5). S50%ED při maximálním svářecím výkonu pro
odporové svářečky není principiálně obecně použitelný, protože odporové
svářečky mohou mít různou konstrukci a způsob provozu.
Důležité je uvážit, že jmenovitý výkon je většinou výrazně nižší
než nejvyšší svářecí výkon. Jmenovitý výkon vychází ve většině případů z doby
sepnutí (= poměr doby pulzu k taktovací periodě) ED = 50 %, tzn. že doba
sváření a doba přestávky jsou stejné. Při nižší době sepnutí je podle
následující rovnice možný vyšší svářecí výkon:
Tato závislost bere v úvahu jen tepelné namáhání svářecího
transformátoru. V praxi však závisí maximální svářecí výkon na konstrukci
svářecího transformátoru, proudové zatížitelnosti polovodičových součástek
(diody, tyristory) a na svářecím odporu, event. typu svářečky. Účiník cos φ je
u svářeček zpravidla mezi 0,7 a 0,9.
Flikr lze značně redukovat nasazením dynamického kompenzačního
zařízení s příslušnou reakční dobou [20].
NahoruPřipojení kondenzátorů a indukčností
Proudy vyskytující se v okamžiku sepnutí mohou mnohonásobně
překročit ustálené provozní proudy.
Přípojný proud lze minimalizovat tak, že se kondenzátory připojí
v okamžiku průchodu napětí nulou, příp. indukčnosti v okamžiku maxima
napětí.
NahoruPřipojení transformátorů naprázdno
Z důvodu zapínacího rázu se mohou vyskytnout vysoké zapínací
proudy (v závislosti na typu a parametrech i více než desetinásobky jmenovitého
proudu).
Připojením v maximu napětí lze zapínací proud minimalizovat.
NahoruVýpočet emise flikru
Flikr je subjektivní vjem nestálosti vizuálních pocitů,
vyvolávaný světelnými podněty, časovým kolísáním hustoty světla nebo
spektrálního rozložení.
Vnímatelná změna hustoty světla se pociťuje rušivě až od určité
míry opakování r. Při míře vjemu flikru Pst > 1 je kolísání
hustoty světla vyvolané kolísáním napětí u 50 % pokusných osob pociťováno jako
rušivé.
Rušivá emise jednotlivého přístroje nebo zařízení uživatele sítě
je změna napětí di, příp. míra vjemu krátkodobého flikru Psti,
vyvolaná v přípojném bodě V pouze provozem tohoto přístroje (tzn. změnou jeho
zatížení).
Pst .. míra vjemu krátkodobého flikru
[bezrozměrná],
i .... index pro jednotlivý přístroj, příp. zařízení (až do
m).
Zákon o superpozici více (m) nesynchronních zdrojů
rušivého flikru
Obecná formulace zákona o superpozici jednotlivých zdrojů flikru
Psti zní [21]:
Koeficient je obvykle v rozsahu 1 až 4 a závisí hlavně na
charakteristice hlavních (dominantních) zdrojů flikru:
-
α = 4 obloukové pece, u kterých je zamezena současnost
natavovací fáze,
-
α = 3 používá se pro většinu druhů změn napětí, které
vykazují malou pravděpodobnost koincidence, tzn. že změny napětí jednotlivých
odběrů se překrývají v malé míře,
-
α = 3,2 tato hodnota odpovídá stoupání přímkové části křivky
Pst = 1 v obrázku,
-
α = 2 používá se pro superpozici příspěvků Pst zařízení větrných elektráren,
-
α = 1 vysoká pravděpodobnost koincidence změn napětí,
vyvolaných jednotlivými zdroji flikru.
NahoruŠíření flikru
V paprskových sítích se zmenšuje intenzita flikru od místa
zařízení, které ho vyvolává (přípojného bodu), směrem k napáječi sítě v poměru
zkratového výkonu SkV v přípojném bodě ke zkratovému výkonu
SkX ve sledovaném bodě sítě X:
Psti = (SkV /
SkX) Psti, ... (22)
Superpozice nesynchronních zdrojů flikru téhož druhu se určí
jako druhá odmocnina součtu kvadrátů jednotlivých měr vjemu flikru.
Superpozice synchronních zdrojů flikru téhož druhu se určí
prostým součtem jednotlivých měr vjemu flikru.
NahoruVýpočet míry vjemu flikru
Míra vjemu flikru je měřená veličina flikru, která popisuje
pomocí následujících veličin intenzitu rušivého účinku flikru, zjišťovanou a
posuzovanou metodou měření flikru UIE – IEC [22]:
Poznámka: Hodnota flikru P
st je směrodatná pro
normalizaci výrobků.
n ... index 10minutových hodnot uvnitř 2hodinového
intervalu.
Míra vjemu dlouhodobého flikru Plt v přípojném bodě
se vytvoří z více (n) za sebou následujících hodnot Pst [5,
9].
Poznámka: P
lt je hodnota flikru podstatná pro kvalitu
napětí.
Obecně je u přístrojů nn potřebné určení hodnoty Plt pro všechny přístroje a zařízení (se jmenovitým proudem ≤16A na vodič) při
obvyklé nepřerušované době využití větší než 30 minut [8].
Jestliže např. nějaký přístroj má provozní periodu 45 min., je
třeba během celkové doby sledování 50 min. změřit 5 následujících hodnot
Pst a zbývajících 7 hodnot Pst dvouhodinové doby
sledování dosadit s nulovou hodnotou [8].
Při pravidelně se opakujících pravoúhlých změnách napětí lze
pomocí křivky mezního flikru (Pst = 1) (obrázek) určit míru vjemu
flikru jednoho přístroje nebo jednoho zařízení uživatele sítě takto:
míra vjemu krátkodobého flikru Psti = (di /
dref)·Pref ... (24)
(při určitém ri),
míra vjemu dlouhodobého flikru
Vedle měření flikru a metody s křivkou mezního flikru
(Pst =1) existují ještě simulační metoda a analytická metoda určení
míry vjemu flikru.
NahoruSimulace
Při známém průběhu relativních změn napětí d(t) lze hodnotu
Pst určit počítačovou simulací. Přitom se do programu počítače
přenesou algoritmy normou stanovené metody UIE – IEC měření flikru pro
,,digitální“ flikrmetr.
NahoruAnalytická metoda
Přibližně lze spočítat míru vjemu flikru pro určité tvary křivky
průběhu změn napětí pomocí analytické metody s chybou do ±10 % ve srovnání s
přímým měřením, příp. referenční metodou.
Analytická metoda by se neměla používat, jestliže časový
interval mezi koncem jedné napěťové změny a začátkem následující napěťové změny
je menší než 1 s.
Každý průběh relativní změny napětí se přitom vyjádří dobou
prodlouženého působení flikru tf:
tf = 2,3 [s] · (100·F·d)3,2,
d ... relativní změna napětí ∆U/U
F ... koeficient tvaru.
Pomocí koeficientu tvaru F se přepočítají speciální tvary
(dvojité skoky, rampy, pravoúhlé a trojúhelníkové změny napětí, rozběhy motorů)
z průběhů změn napětí na flikru rovnocenné napěťové skoky. Průběhy podle ČSN EN
61000-3-3 jsou na obrázcích.
Výsledná míra vjemu flikru, vztažená k určující době intervalu,
se přibližně vypočítá z dob prodlouženého působení flikru tf:
Při pravidelných změnách napětí téhož tvaru a hloubky lze znak
součtu v rovnici pro určení míry vjemu flikru nahradit počtem změn napětí,
příp. mírou opakování r za minutu.
Příklad:
Pravoúhlé kolísání napětí s kmitočtem 0,05 Hz a hloubkou
poklesu d = 1,52 % se projeví každých 10 s skokovou změnou napětí. Míra
opakování je tedy r = 6 min-1. Pro skokové změny napětí je
koeficient tvaru F = 1. Rovnici pro výpočet míry vjemu flikru lze pak napsat
takto:
Určí-li se úroveň flikru pro kontrolu pomocí křivky mezního
flikru, lze pro změnu napětí d = 1,52 % při míře opakování r = 6
min-1 přímo odečíst z obrázku hodnotu Pst rovnou 1.
Analytická metoda tedy dá pro tento příklad míru vjemu flikru o cca 4 %
nižší.
NahoruPosouzení
Posuzování se netýká domácích spotřebičů a podobných
elektrických zařízení, vyhovujících ČSN EN
61000-3-3 .
NahoruOdběry připojované do sítí nn
Postup při posuzování je naznačen na obrázku. Přípustné hladiny
pro pravidelné pravoúhlé ustálené změny napětí v sítích nn podle normy ČSN EN
61000-2-2 jsou uvedeny na obrázku 3.
Aby bylo možné dodržet toleranční pásmo napětí podle ČSN EN
50160 jsou změny napětí i při jejich malé četnosti omezeny na 3 %. U
maximálních (přechodných) změn napětí lze přitom podle připustit změnu napětí
dmax = 4 %. Při ručním spínání nebo četnosti menší než jednou za
hodinu jsou přípustné hodnoty 1,33krát větší.
Souhrnně jsou přípustné velikosti relativních změn napětí i
činitelů flikru uvedeny v tabulce.
Činitelé tvaru pro pravoúhlé změny napětí
Činitelé tvaru pro periodické změny napětí
Činitelé tvaru pro schodovité a postupné napěťové
skoky
Činitelé tvaru pro pravoúhlé a trojúhelníkové pulzy
Činitelé tvaru pro spouštění motorů
Směrné hodnoty pro posouzení flikru a kolísání napětí
Poznámka 1: Směrná hodnota příspěvku všech odběratelů pro
hladinu 110 kV platí za předpokladu, že zkratový výkon na hladině 110 kV je
mnohonásobně vyšší než v napájené síti vn. Pro zkratové výkony v síti 110 kV
nižší než např. 1000 MVA doporučujeme respektovat přenos flikru z hladiny vn v
poměru zkratových výkonů.
Poznámka 2: Asynchronní stroje připojované přibližně se
synchronními otáčkami mohou vlivem svých vnitřních přechodových jevů způsobit
velmi krátké poklesy napětí. Takovýto pokles smí dosáhnout dvojnásobku jinak
přípustné hodnoty, tj. pro sítě vn 4 %, pro sítě nn 6 %, pokud netrvá déle než
dvě periody a následující odchylka napětí od hodnoty před poklesem napětí
nepřekročí jinak přípustnou hodnotu.
Z tabulky vychází schéma pro posuzování změn a kolísání napětí
uvedené na obrázku.
Přístroje zkoušené podle EN 61000-3-11 (přístroje a zařízení se
jmenovitým proudem 75 A, které podléhají zvláštní podmínce připojení), dodrží
normou stanovené meze změn napětí, kolísání napětí a flikru, když jsou v
přípojném bodě zařízení uživatele sítě splněny výrobcem stanovené síťové
podmínky (trvalá proudová zatížitelnost sítě ≤100 A na fázový vodič (jmenovité
napětí 400/230 V), příp. impedance sítě nižší než max. přípustná impedance
Zmax). Tato norma pro elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) určuje
mezní hodnoty změn napětí vyvolávaných přístroji a zařízeními, které se zkouší
za stanovených podmínek.
Poznámka: Dodržení následujících síťových
podmínek (odpovídajících platným normám) však samo o sobě nestačí obecně k
tomu, aby se připojení ve všech případech posoudilo jako přípustné. Souhlas
provozovatele sítě závisí navíc také na posouzení v síti už existujících
rušivých veličin a daných zatěžovacích podmínek v síti. Tyto existující rušivé
veličiny a dané zatěžovací podmínky provozovatel sítě prokáže.
Údaje výrobců (o přístrojích) sice posouzení připojitelnosti
ulehčují, neodstraňují však jeho nezbytnost.
Změny napětí je třeba posoudit jak co do jejich velikosti, tak i
co do účinků flikru podle posuzovacího schématu na obrázku. Posouzení se
provádí pro pravidelné obdélníkové změny napětí podle křivky mezních emisí –
křivky mezního flikru na obrázku.
Zjednodušené posouzení se může také provést podle tabulky.
Jsou-li dodrženy tam udané směrné hodnoty pro poměr
SkV/Sr (u výkonů se nerozlišuje mezi kVA a kW),
neočekávají se žádné rušivé změny napětí.
Posuzovací schéma pro změny napětí a flikr
Hodnoty v tabulce pocházejí ze zkušeností s různými typy
přístrojů a dávají první záchytnou hodnotu pro posouzení připojovaných
přístrojů.
Jestliže je poměr SkV / Skr lepší než
hodnota udaná v tabulce lze vycházet z toho, že se v tomto přípojném bodě
nevyskytne žádný problém s flikrem vyvolaný tímto přístrojem.
Je však třeba zvážit, zda už případně neexistuje problém s
flikrem v tomto přípojném bodě, vyvolaný jinými přístroji zařízení téhož
uživatele sítě, pak je nutné ho respektovat podle zákona superpozice.
Posuzuje se jak podle Pst (mez: 0,8), tak podle
Plt (mez: 0,5).
Metoda posouzení vychází z pravidelných změn napětí během min.
10 minut.
Vyskytují-li se pravidelné změny napětí během 2 nebo více hodin,
může se provést posouzení rovnocenné s výpočtem z 12 jednotlivých hodnot
Pst vyhodnocením dlouhodobého flikru pomocí mezní křivky pro
Plt = 0,5 (viz obrázek).
Nepravidelné změny napětí lze posoudit výhradně měřením nebo
speciálními simulacemi.
NahoruPosuzování připojitelnosti v sítích vn a 110 kV
Pro sítě vn a vvn uvádí IEC/TR3 61000-3-7 postup posuzování,
který má na jedné straně zamezit složitějšímu podrobnému posuzování v těch
případech, kdy již jednoduchý postup vyloučí nepřípustné rušení sítě, na straně
druhé při podrobnějším posuzování umožní připojit i odběratele nebo zdroje,
kteří by při zjednodušeném posuzování výše uvedeným podmínkám nevyhověli.
Schematicky je tento třístupňový přístup uveden na obrázku.
Etapa 1: Zjednodušené vyhodnocení rušivého kolísání
napětí
Kolísající zatížení může být do sítě vn připojeno bez podrobné
analýzy, jestliže změny…