16

www.elektro.info.pl

7/2002

system trakcji

elektrycznej

РjakoϾ energii elektrycznej

W ostatnich latach obserwuje siê

istotny wzrost zainteresowania

zagadnieniami jakoœci energii

elektrycznej. Wynika to z kilku

powodów, m.in. z wprowadzania

do u¿ytkowania urz¹dzeñ

wra¿liwych na zak³ócenia

zasilania i z rozwoju urz¹dzeñ

przekszta³tnikowych, które takie

zak³ócenia generuj¹.

przez operatora publicznej sieci
energia elektryczna oraz jakie
s¹ wymogi przy³¹czenia od-
biorcy do sieci publicznej [3-6].
Zagadnienia te s¹ równie¿ bar-
dzo istotne w odniesieniu do

wanie stanów przejœcio-
wych, harmoniczne, wspó³-
czynnik mocy, asymetria
w uk³adach trójfazowych,

n

obs³uga odbiorców: czas re-
akcji na zak³ócenia w dosta-
wie energii, czas naprawy
(wznowienia dostaw), wy³¹-
czenia planowe.
W wielu krajach, w tym

i w Polsce, wprowadzane s¹
przepisy normatywne i wyko-
nawcze, które okreœlaj¹ wyma-
gania dotycz¹ce kryteriów, jakie
powinna spe³niaæ dostarczana

W

obecnej sytuacji na-
le¿y skupiæ wiêk-
sz¹ uwagê na wy-

maganiach jakoœciowych do-
starczanej energii, które mo¿na
sklasyfikowaæ w sposób nastê-
puj¹cy:

n

niezawodnoœæ (czêstotli-
woœæ d³ugo- i krótkotrwa-
³ych przerw w dostawie
energii elektrycznej),

n

jakoϾ dostarczanej energii:
czêstotliwoœæ, zmiany na-
piêcia (wahania szybko-
i wolnozmienne), wystêpo-

n

spe³nione s¹ wymagane wa-
runki napiêciowe zasilania
taboru,

n

nie zostan¹ przekroczone
w ¿adnym z elementów
uk³adu zasilania (urz¹dze-
niach zasilania) dopuszczal-

systemu trakcji elektrycznej
(rys. 1) ze wzglêdu na fakt, ¿e
elektroenergetyka trakcyjna sta-
nowi jednoczeœnie odbiorcê
energii i operatora dostarczaj¹-
cego energiê do pojazdów. Ni-
niejszy artyku³ to próba zaryso-
wania pojawiaj¹cych siê tu za-
gadnieñ.

jakoϾ energii

elektrycznej

Kryteria w odniesieniu do

systemu zasilania pr¹du sta³e-
go dotycz¹ obwodów od pros-
towników zainstalowanych
w podstacjach trakcyjnych a¿
do pantografu lokomotywy.
EfektywnoϾ techniczna zasto-
sowanego uk³adu zasilania i ja-
koϾ dostarczanej energii jest
zasadniczo oceniana wg spe³-
nienia warunków:

n

spadki napiêcia w sieci zasi-
laj¹cej pr¹du sta³ego s¹ na
tyle ma³e, ¿e nie maj¹ zna-
cz¹cego wp³ywu na prêd-
koœæ ruchu poci¹gów,

ne poziomy obci¹¿eñ d³u-
go- i krótkotrwa³ych,

n

zapewnione jest bezpieczeñ-
stwo u¿ytkowania (identyfi-
kacja zwaræ) oraz niezawod-
noœæ (zarówno po stronie za-
silania elektroenergetyczne-
go, jak i pr¹du sta³ego),

n

uk³ad pozostaje otwarty na
wzrost ruchu (mo¿liwoœæ
rozbudowy przy dalszym
wzroœcie przewozów z wyko-
rzystaniem dotychczasowych
etapów modernizacji) oraz
istnieje mo¿liwoœæ etapowa-
nia modernizacji, w zale¿-
noœci od stopnia wzrostu ru-
chu a¿ do osi¹gniêcia ruchu
docelowego przewidzianego
w prognozie.

wspó³praca

z zasilaj¹cym

systemem

Przepisy Prawa Energetycz-

nego poruszaj¹ m. in. problem
jakoœci energii elektrycznej do-
starczanej do odbiorców z sieci
elektroenergetycznej. Narzuca-

dr in¿. Adam Szel¹g

Politechnika Warszawska

ne s¹ wymagania, aby operato-
rzy sieci (Zak³ady Energetycz-
ne) dostarczali do odbiorców
energiê o odpowiedniej jakoœci.
Istotnymi parametrami jest do-
puszczalny poziom odkszta³ceñ
nieliniowych (THD – total har-
monic distortion) oraz wahania
obci¹¿eñ (ze wzglêdu na nies-
pokojnoœæ odbioru). Nale¿y
jednak zwracaæ szczególn¹
uwagê na prawid³owoœæ sfor-
mu³owania przepisów wyko-
nawczych tak, aby w sposób
precyzyjny i

jednoznaczny

okreœla³y kryterium, jakiego
one dotycz¹.

odkszta³cenia

napiêcia

zasilaj¹cego

W obowi¹zuj¹cym obecnie

Rozporz¹dzeniu [6] z dnia

25.09.2000 r. w Rozdziale 6
„Standardy jakoœciowe obs³ugi
odbiorców” stwierdzono, ¿e
„(...) o ile strony nie ustali³y
w umowie sprzeda¿y standar-
dów jakoœciowych energii elek-
trycznej (...)”, to obowi¹zuj¹
nastêpuj¹ce standardy dotycz¹-
ce harmonicznych napiêcia:

n

dla miejsc przy³¹czenia
w sieci o napiêciu znamiono-
wym nie wy¿szym ni¿ 110
kV i wy¿szym ni¿ 30 kV:
wspó³czynniki odkszta³ce-
nia napiêcia 2,5%, a zawar-
toœæ poszczególnych harmo-
nicznych odniesionych do
harmonicznej podstawowej
1,5%;

n

dla miejsc przy³¹czenia
w sieci o napiêciu znamiono-
wym nie wy¿szym ni¿ 30 kV
i wy¿szym ni¿ 1 kV: wspó³-
czynniki odkszta³cenia na-
piêcia 5,0%, a zawartoœæ

poszczególnych harmonicz-
nych odniesionych do har-
monicznej podstawowej
3,0%.
Nie podano jednak, jak nale-

¿y obliczaæ czy mierzyæ war-

toœæ wspó³czynników odksz-
ta³ceñ napiêcia. Mo¿na tu wy-
korzystaæ zalecenia PN-EN
50160 – w normalnych warun-
kach pracy w czasie ka¿dego ty-
godnia – 95% ze zbioru 10-mi-

Rys. 1 Schemat systemu zasilania trakcji elektrycznej z podsystemami: zasilanie

elektroenergetyczne AC, prostownikowe podstacje trakcyjne AC/DC,

sieæ pr¹du sta³ego UZPS

F

18

www.elektro.info.pl

7/2002

nutowych œrednich wartoœci
skutecznych dla ka¿dej harmo-
nicznej napiêcia powinno byæ
ono mniejsze lub równe zada-
nym wartoœciom. Ponadto dla
poziomu napiêcia œredniego za-
lecenia PN-EN 50160 s¹ bar-
dziej ³agodne,

poniewa¿

wspó³czynnik odkszta³cenia
THD napiêcia zasilaj¹cego (uw-
zglêdniaj¹cy wszystkie harmo-
niczne a¿ do rzêdu 40) dopusz-
cza siê mniejszy lub równy 8%.

Oczywiœcie, jako ¿e Prawo

Energetyczne ma chroniæ od-
biorców przed tego typu zak³ó-
ceniami, nale¿y siê spodzie-
waæ, ¿e Zak³ady Energetyczne
zwróc¹ baczniejsz¹ uwagê na
odbiorców takich jak trakcja
elektryczna, czyli wprowadzaj¹-
cych do systemu elektroenerge-
tycznego znaczne zak³ócenia.
Mo¿e siê okazaæ, ¿e i wartoœ-
ci dopuszczalne, szczególnie dla
SN, mog¹ nie zostaæ dotrzyma-
ne (rys. 2).

Zmniejszenie odkszta³ceñ

uzyskaæ mo¿na przez stosowa-
nie prostowników wielofazo-
wych, zwiêkszanie mocy zwar-
ciowej, zasilaj¹ce podstacjê
trakcyjn¹ transformatorów,
wydzielenie transformatora
w GPZ-cie wy³¹cznie na potrze-

by PKP czy transformacjê jed-
nostopniow¹. Dwa ostatnie roz-
wi¹zania powoduj¹, ¿e wspól-
ny punkt przy³¹czenia podsta-
cji trakcyjnej do zasilaj¹cego
systemu elektroenergetycznego
znajdzie siê na poziomie 110
kV, co gwarantuje znacznie
wy¿sz¹ moc zwarciow¹, a za-
tem mniejszy poziom odkszta³-
ceñ. Stosowanie wydzielonego
transformatora i podwójnej tran-
sformacji mo¿e okazaæ siê nie
tylko bardziej kosztowne ni¿
transformacja jednostopniowa,
ale spowoduje te¿ gorsze para-
metry energetyczne takiego uk-
³adu zasilania ni¿ zasilania
z transformacj¹ jednostopniow¹
[1]. Zaproponowane rozwi¹za-
nia powinny byæ nie tylko uza-
sadnione i racjonalne pod
wzglêdem technicznym, ale
równie¿ efektywne ekonomicz-
nie.

wahania

napiêcia

w sieci zasilaj¹-

cej

Szybkie zmiany obci¹¿enia

podstacji trakcyjnej (rozruch re-
zystorowy, od³¹czenie poboru

pr¹du przez pojazdy trakcyjne
itp.) mog¹ byæ odczuwalne
przez innych odbiorców prz y ³ ¹-
czonych do tej samej, co pod-
stacja trakcyjna linii SN odbie-
rze jako znaczne wahania na-
piêcia. Zjawisko to mo¿e byæ
szczególnie zauwa¿alne przy
ma³ych mocach zwarciowych
zasilaj¹cego systemu elektroe-
nergetycznego. Wahania napiê-
cia (rys. 3 – przebieg wartoœci
skutecznej napiêcia miêdzyfa-
zowego zasilania oraz pr¹du
pobieranego przez podstacjê)
w danym punkcie zasilaj¹cym
zale¿¹ od amplitudy wahañ ob-
ci¹¿enia oraz od impedancji
punktu zasilaj¹cego, czyli jego
mocy zwarciowej. Zbyt du¿e
wahania napiêcia, powodowa-
ne prac¹ podstacji trakcyjnej,
mog¹ wymuszaæ podjêcie pod-
obnych dzia³añ, jak w przypad-
ku przekroczenia dopuszczalnej
wartoœci wspó³czynnika od-
kszta³ceñ napiêcia THD U.

wymagania

jakoœciowe

Podstacja trakcyjna nie tylko

dostarcza energiê do pojazdów,
ale równie¿ jest pe³noprawnym

odbiorc¹ energii z sieci elektro-
energetycznej. Poni¿ej wymie-
nione zosta³y wymagania, jakie
powinna spe³niaæ energia elek-
tryczna dostarczana przez do-
stawcê (dystrybutora) do pod-
stacji trakcyjnej [1]:

n

poziom napiêcia na szynach
SN AC podstacji nie by³ ni¿-
szy ni¿ 90% i nie wy¿szy ni¿
105% wartoœci znamiono-
wej, zaœ w sieciach 110 kV
nie ni¿szy ni¿ 90% i nie
wy¿szy ni¿ 110% wartoœci
znamionowej; d³ugie linie
zasilaj¹ce podstacjê mog¹
powodowaæ spadki napiêcia
przekraczaj¹ce dopuszczal-
ne wartoœci;

n

moce zainstalowane w syste-
mie zasilaj¹cym i zdolnoœæ
przesy³owa tego systemu,
zapewniaj¹ dostawê wyma-
ganej przez podstacje trak-
cyjne mocy ze 100% rezer-
wowaniem (dwie linie zasila-
j¹ce przy³¹czone do dwóch
niezale¿nych Ÿróde³);

n

zasilaj¹ce napiêcie trójfazo-
we powinno byæ symetrycz-
ne, poniewa¿ asymetria na-
piêcia zasilaj¹cego powodu-
je wzrost zawartoœci harmo-
nicznych w pr¹dzie pobiera-
nym przez podstacjê trakcyj-

Rys. 3 Wyniki pomiarów: napiêcie miêdzyfazowe U

ac

i pr¹d fazowy I

ac

linii

zasilaj¹cej PT z prostownikami 6-pulsowymi (wartoœci skuteczne

uœrednione za 10-min)

Rys. 2 Wyniki pomiarów wspó³czynnika odkszta³ceñ nieliniowych THD U

w PT z prostownikami 6-pulsowymi (wartoœci skuteczne uœrednione

za 10 min)

n¹ oraz wyst¹pienie w na-
piêciu wyjœciowym podstacji
i w sieci trakcyjnej dodat-
kowych harmonicznych, co
mo¿e zak³ócaæ pracê obwo-
dów sterowania i sygnali-
zacji.
Zmniejszenie asymetrii w za-

silaj¹cym uk³adzie trójfazowym
jest mo¿liwe przez:

n

racjonalny podzia³ obci¹-
¿eñ jednofazowych w sie-
ciach nn,

n

prawid³owe rozwi¹zania
projektowe sieci nn i SN tak,
aby nie by³y przekraczane
dopuszczalne spadki napiêæ
(szczególnie odbiorów jedno-
fazowych),

n

stosowanie urz¹dzeñ kom-
pensacyjnych,

n

zwiêkszenie mocy zwarcio-
wych systemu zasilaj¹cego.
Wymienione wy¿ej przed-

siêwziêcia znajduj¹ siê w ges-
tii dostawcy energii (Zak³ad
Energetyczny) i na podstawie
wymagañ Prawa Energetyczne-
go, przepisów wykonawczych,
warunków technicznych zasila-
nia i umowy o dostawê energii
mo¿na, w zaobserwowanych
przypadkach wyst¹pienia istot-
nej asymetrii (lub zjawisk mo-
g¹cych byæ jej efektem, jak np.
uszkodzeñ filtrów podstacji,
zak³óceñ w obwodach sygnali-
zacji i sterowania, zak³óceñ
w pracy wra¿liwych odbiorni-

ków) nale¿y podj¹æ starania
wyegzekwowania dostawy ener-
gii o parametrach odpowiadaj¹-
cych przepisom, co jednak na-
le¿y uzasadniæ odpowiednimi
pomiarami.

wnioski

Prawo Energetyczne i zwi¹-

zane z nim przepisy wykonaw-
cze okreœlaj¹, ¿e system trakcji
elektrycznej jako odbiorca ener-
gii ma spe³niaæ warunki pobo-
ru energii okreœlone w umowie,
co narzuca okreœlone wymaga-
nia wobec odbiorów trakcyj-
nych. Powinny byæ to jednak
kryteria racjonalne i sformu³o-
wane w sposób czytelny i jed-
noznaczny. Jednoczeœnie od-
biorcy wymagaj¹cy du¿ej nieza-
wodnoœci zasilania, maj¹ pra-
wo wymagaæ od dystrybutora
przestrzegania standardów do-
tycz¹cych parametrów dostar-
czanej energii elektrycznej.
Z drugiej strony wymagania te
odnosz¹ siê równie¿ do Elektro-
energetyki Kolejowej jako opera-
tora na rynku energii. Przy czym
nale¿y tu rozró¿niæ, ¿e wystê-
powaæ bêd¹ kryteria dla energii
zarówno dotycz¹ce pr¹du sta-
³ego (w sieci trakcyjnej) – dos-
tarczanego do pojazdów, jak i

pr¹du przemiennego SN i nn –
(odbiory nietrakcyjne i inni od-
biorcy nie-kolejowi). Wymaga-
nia jakoœci energii w odniesie-
niu do sieci trakcyjnych pr¹du
sta³ego zasadniczo wynikaj¹
z kategorii linii i wymagañ tabo-
ru, jakim prowadzi siê na nich
ruch [1]. Nale¿y jednak uwzg-
lêdniæ, ¿e potencjalni inni ope-
ratorzy, którym bêd¹ udostêp-
niane linie kolejowe, mog¹
œciœlej kontrolowaæ spe³nienie
przez dostawcê energii standar-
dów jakoœciowych.

Aby byæ równoprawnym

uczestnikiem na rynku energii,
przestrzegaæ i wymagaæ prze-
strzegania kryteriów jakoœcio-
wych, trzeba dysponowaæ œrod-
kami technicznymi do przewidy-
wania i prognozowania mo¿li-
woœci dotrzymania standardów
dostarczanej do odbiorów ener-
gii oraz w punkcie wspólnego
przy³¹czenia podstacji do sieci
elektroenergetycznej, zaczyna-
j¹c ju¿ na etapie projektowania,
a kontynuuj¹c w trakcie bie¿¹-
cej eksploatacji.

W artykule wykorzystano

wyniki pomiarów i badañ,

które zosta³y

przeprowadzone na

Politechnice Warszawskiej, w

Zak³adzie Trakcji

Elektrycznej.

&

literatura

1. A. Szel¹g, „Kryteria i standardy

techniczne w projektowaniu efek-

tywnego uk³adu zasilania pr¹du

sta³ego zelektryfikowanej linii ko-

lejowej”, 4th Int. Conference „Dri-

ves and supply systems for mo-

dern electric traction in integrated

XXIst Europe”-MET’99, 23-25

Sept. 1999 Warsaw.

2. J. Wdowiak, L. Mierzejewski, A.

Szel¹g, „Projektowanie uk³adów

zasilania trakcji elektrycznej syste-

mu pr¹du sta³ego – podstacje

trakcyjne”, WPW, 1999 Warsza-

wa.

3. Prawo Energetyczne – Publikowa-

ne w Dziennikach Ustaw: z 1997 r.

nr 54, poz. 348 i nr 158 poz.1042,

z 1998 r. nr 94, poz. 594, nr 106,

poz. 668 i nr 162 poz. 1126;

z 1999 r. nr 88 poz. 980, nr 91,

poz. 1042 i nr 110, poz. 1255;

z 2000 r. nr 48, poz. 555 (Ujedno-

licony tekst opublikowany

w dzienniku „Rzeczpospolita”

nr 142 z dnia 19 czerwca 2000 r.).

4. Rozporz¹dzenie Ministra Gospo-

darki z dnia 21 paŸdziernika

1998 r. w sprawie szczegó³o-

wych warunków przy³¹czenia

podmiotów do sieci elektroenerge-

tycznych (Dziennik Ustaw nr 135

poz. 881).

5. Rozporz¹dzenie Ministra Gospo-

darki z dnia 3 grudnia 1998 r.

w sprawie szczegó³owych zasad

kszta³towania i kalkulacji taryf

oraz zasad rozliczeñ w obrocie

energi¹ elektryczn¹ (Biuletyn

Urzêdu Regulacji Energetyki nr 2

(4) z 1 marca 1999 r.).

6. Rozporz¹dzenie Ministra Gospo-

darki z dnia 25 wrzeœnia 2000 r.

w sprawie szczegó³owych wa-

runków przy³¹czenia podmiotów

do sieci elektroenergetycznych,

obrotu energi¹ elektryczn¹,

œwiadczenia us³ug przesy³o-