6

www.elektro.info.pl

4/2002

jakoϾ

energii elektrycznej

w instalacjach odbiorczych

JakoϾ energii w instalacjach

elektrycznych zaczyna nabieraæ

coraz wiêkszego znaczenia

w miarê, jak energia elektryczna

staje siê towarem, a jej sprzeda¿

zaczyna w coraz wiêkszym stopniu

podlegaæ prawom rynku. Proces

ten jest coraz bardziej widoczny

w ci¹gu ostatnich dziesiêciu lat.

i s¹ niejednokrotnie bardzo du-
¿e. Przyk³adowo roczne straty
ponoszone w krajach Europy
Zachodniej z tytu³u z³ej jako œ-
ci energii elektrycznej szacuje
siê na 10-20 miliardów euro.
JakoϾ energii elektrycznej

jej jakoœci odsuwano na margi-
nes, nie troszcz¹c siê zbytnio
o dokonywanie odpowiednich
pomiarów ani o prowadzenie
ewidencji wskaŸników jakoœci.
Obecnie wraz ze zmianami
wprowadzonymi przez Prawo
Energetyczne sytuacja ulega
stopniowej zmianie, do czego
przyczynia siê równie¿ coraz
wiêksza liczba nowoczesnych
urz¹dzeñ elektrycznych, zawie-
raj¹cych z regu³y wiele ele-
mentów elektronicznych o du-
¿ym stopniu integracji i wra¿-
liwych na z³¹ jakoœæ energii
elektrycznej. Straty spowodo-
wane niedostateczn¹ jakoœci¹
energii elektrycznej mog¹ byæ

oraz dopuszczalne tolerancje
tych parametrów jest norma
PN-EN 50160 [1], która usta-
la ponadto sposoby ich wyzna-
czania. Wymagania te podane
s¹ dla sieci zasilaj¹cych niskie-
go i œredniego napiêcia, przy

dostarczanej odbiorcy okreœla-
na jest przez parametry napiê-
cia zasilaj¹cego, co jest przed-
miotem normy PN-EN 50160
[1].

Odpowiedzialnoœæ za z³¹

jakoϾ energii elektrycznej nie
mo¿e spadaæ jedynie na jej
dostawcê, lecz w coraz wiêk-
szym stopniu winni s¹ sami od-
biorcy. Wiele nowoczesnych
urz¹dzeñ oddzia³uje szkodli-
wie na uk³ad zasilania, a przez
to na pracê innych urz¹dzeñ
zasilanych z tej samej instala-
cji elektrycznej. Negatywny
wp³yw urz¹dzeñ zainstalowa-
nych w danej sieci na jako œ æ
energii le¿y w zakresie kompa-
tybilnoœci elektromagnetycz-
nej. Problematyka ta czêœcio-
wo jest ujêta w odpowiednich
normach o wspólnym oznacze-
niu PN-EN 61000, które ok-
reœlaj¹ dopuszczalne poziomy
zak³óceñ wprowadzanych do
sieci przez urz¹dzenia odbior-
cze.

w y m a g a n i a

jakoœci

napiêcia

zasilaj¹cego

Dokumentem okreœlaj¹cym

parametry charakteryzuj¹ce ja-
koœæ napiêcia zasilaj¹cego

czym dla sieci niskiego napiê-
cia odnosz¹ siê do parametrów
mierzonych w z³¹czu. Szcze-
gó³owe omówienie tych wyma-
gañ mo¿na znaleŸæ równie¿
w literaturze [2]. Parametry te,
to g³ównie: czêstotliwoœæ na-
piêcia, wartoœæ napiêcia zasi-
laj¹cego, zmiany napiêcia zasi-
laj¹cego, szybkie zmiany na-
piêcia, zapady napiêcia zasila-
j¹cego, krótkie przerwy w zasi-
laniu, d³ugie przerwy w zasila-
niu, dorywcze przepiêcia
o czêstotliwoœci sieciowej,
przepiêcia przejœciowe, niesy-
metria napiêcia zasilaj¹cego,
harmoniczne napiêcia.

W normie zawarta jest infor-

macja o tym, ¿e ustalone war-
toœci charakterystycznych pa-
rametrów napiêcia zasilaj¹ce-
go dotycz¹ normalnych warun-
ków pracy. Postanowienia nor-
my nie s¹ stosowane m.in.
w odniesieniu do:

n

pracy sieci po wyst¹pieniu
zwarcia i w sytuacji tymcza-
sowych uk³adów zasilania
utworzonych w celu zapew-
nienia ci¹g³oœci zasilania
odbiorców oraz w przypadku
prowadzenia prac zmierza-
j¹cych do zminimalizowania

W

uwarunkowaniach
istniej¹cych w Pol-
sce do koñca 80.

lat dostawcy energii w niewiel-
kim stopniu troszczyli siê o za-
pewnienie swym odbiorcom jej
w³aœciwej jakoœci. Wynika³o
to zarówno z monopolistycznej
pozycji zak³adu energetyczne-
go jako wy³¹cznego dostawcy
energii elektrycznej na danym
obszarze, jak i z braku odpo-
wiedzialnoœci dostawców za
niedotrzymanie odpowiednich
parametrów dostarczanej ener-
gii. Sytuacja taka w znacznej
mierze by³a spowodowana
permanentnym niedostatkiem
energii, wskutek czego problem

dr in¿. Antoni Klajn

7

4/2002

www.elektro.info.pl

F

Rys. 1 Uproszczony schemat zasilania odbiorców: X

S

, X

P

– reaktancje :sieci zasilaj¹cej oraz odbiornika z je-

go przekszta³tnikiem i instalacj¹, O

1

, O

2

, O

3

– odbiorcy zasilani z tego samego punktu zasilania Z,

e – Ÿród³o pr¹du, (U

ks

-spadek napiêcia na reaktancji sieci dla k – tej harmonicznej, (U

ks

– ca³ko-

wity spadek napiêcia na drodze od Ÿród³a do odbiornika dla k – tej harmonicznej

Rys. 2

Przyk³adowe

przebiegi napiêcia

zasilaj¹cego i pr¹du

pobieranego przez

zestaw komputerowy

w sieci o niewielkiej

impedancji

wewnêtrznej

z analiz¹

harmonicznych

Rys. 3 Przyk³adowe przebiegi napiêcia zasilaj¹cego i pr¹du pobieranego

przez zestaw komputerowy w sieci o du¿ej impedancji wewnêtrznej

z analiz¹ harmonicznych

8

www.elektro.info.pl

4/2002

w której stwierdza siê, ¿e jej
celem jest zdefiniowanie i opi-
sanie parametrów napiêcia za-
silaj¹cego oraz, ¿e podane
w niej wartoœci s¹ typowymi
prawdopodobnymi zmianami
wartoœci parametrów i mog¹
byæ przekroczone. Mo¿na wiêc
stwierdziæ, ¿e podane dopusz-
czalne odchylenia parametrów
napiêcia zasilaj¹cego maj¹ wy-
³¹cznie charakter informacyjny
[2], a same tylko postanowie-
nia normy nie mog¹ byæ pods-
taw¹ do rozstrzygania sporów
pomiêdzy dostawc¹ i odbiorc¹
energii. Ponadto niemal ka¿de
niedotrzymanie parametrów
mo¿e byæ wyt³umaczone
przez dostawcê zdarzeniami
wyj¹tkowymi, a w ka¿dym
przypadku „si³¹ wy¿sz¹”, do
której zalicza siê m.in. warun-
ki atmosferyczne. Wydaje siê,
¿e w tych zagadnieniach po-
winno dojœæ do g³êbokich
przewartoœciowañ i zmiany
œwiadomoœci zarówno ze stro-
ny odbiorców, jak i dostawców
energii.

wp³yw pracy

niektórych

odbiorników

na

jakoϾ

napiêcia

zasilaj¹cego

Deformacja krzywej napiê-

cia zasilaj¹cego w du¿ej mie-
rze zale¿y od parametrów
u¿ytkowanej instalacji (sieci)
oraz od zak³óceñ wprowadza-
nych przez zainstalowane tam
odbiorniki. Zjawisko to ma
miejsce szczególnie w przypad-
ku pobierania przez odbiornik
pr¹du odkszta³conego, czyli
zawieraj¹cego wy¿sze harmo-
niczne o znacznej wartoœci. Za-
sadê wzajemnej wspó³zale¿-
noœci miêdzy odkszta³ceniem
pr¹du pobieranego przez

przekszta³tnik i napiêciem sie-
ci przedstawia rysunek 1. Sieæ
zasilaj¹ca odwzorowana jest
na tym rysunku zastêpczym
Ÿród³em pr¹du e oraz zastêp-
cz¹ reaktancj¹ XS. Jeœli od-
biorca O1 pobiera pr¹d odksz-
ta³cony o wartoœci skutecznej
I

01

:

(1)

gdzie:
I

k

jest wartoœci¹ skuteczn¹

pr¹du k – tej harmonicznej, to
spadek napiêcia (U

k

dla tej har-

monicznej na drodze od Ÿród-
³a do odbiornika wyra¿a siê
zale¿noœci¹:

(2)

Ten spadek napiêcia roz-

dziela siê odpowiednio na dwa
spadki: od Ÿród³a e do punktu
zasilania Z, a wiêc na reaktan-
cji sieci (U

kS

oraz na zsumowa-

nej reaktancji przekszta³tnika
u odbiorcy XP i reaktancji insta-
lacji elektrycznej (rys. 1), czyli
od punktu Z do odbiornika.
Wzglêdn¹ wartoœæ spadku na-
piêcia na reaktancji sieci dla
harmonicznej rzêdu k mo¿na
zapisaæ jako:

(3)

przy czym reaktancja sieci

zale¿na jest od jej mocy zwar-
ciowej SK” w rozpatrywanym
punkcie zasilania:

(4)

gdzie:
U

n

jest napiêciem znamiono-

wym sieci. Wspó³czynnik od-
kszta³cenia napiêcia THDU
[1] w punkcie zasilania Z wy-
ra¿a siê zale¿noœci¹:

X

U
S

S

n

k

=

2

''

∆

∆

U

U

X

X

X

kS

k

S

S

P

=

+

(

)

∆U

I

X

X

k

k

S

P

=

+

( )

I

I

k

k

n

01

2

1

=

=

∑

czasu trwania przerwy oraz
obszaru dotkniêtego przer-
w¹ w zasilaniu,

n

w sytuacjach wyj¹tkowych,
dotycz¹cych w szczegól-
noœci:
– klêsk ¿ywio³owych

i szczególnie niekorzyst-
nych warunków atmosfe-
rycznych,

– zak³óceñ spowodowa-

nych przez osoby trzecie,

– dzia³añ w³adz publicz-

nych,

– strajków,

– si³ wy¿szych,
– niedoboru mocy wynika-

j¹cego ze zdarzeñ ze-
wnêtrznych.

W zale¿noœci od tego, czy

jest siê odbiorc¹, czy dostaw-
c¹ energii, ró¿ny jest sposób
interpretacji ustaleñ normy. Od-
biorcy odczytuj¹ to jako zbiór
wartoœci wybranych paramet-
rów energii elektrycznej, jakie
powinny byæ bezwzglêdnie za-
pewnione przez dostawcê. Po-
dejœcie takie jest jednak nie-
zgodne z treœci¹ normy [1],

(5)

gdzie:
U

1

jest napiêciem harmonicz-

nej podstawowej. Norma [1]
zaleca okreœlenie wspó³czyn-
nika (5) a¿ do n = 40-stej har-
monicznej.

Przedstawione zale¿noœci

ilustruj¹ podstawowe relacje
miêdzy g³êbokoœci¹ zak³ó-
ceñ napiêcia w punkcie zasila-
nia odbiorców Z, a parametra-
mi sieci zasilaj¹cej i instalacji
odbiorczej wraz z odbiorni-
kiem. Korzystna jest niska re-
aktancja sieci X

S

w stosunku

do reaktancji odbiornika czy
te¿ jego przekszta³tnika X

P

(rysunek 1).

Wp³yw odbiorników na od-

kszta³cenie napiêcia w sie-
ciach o du¿ych mocach zwar-
ciowych jest mniej odczuwalny
ni¿ w sieciach o niewielkiej
mocy zwarciowej. Zatem nale-
¿y stwierdziæ, ¿e na wartoœæ
niektórych parametrów okreœ-
laj¹cych jakoœæ napiêcia zasi-
laj¹cego znacz¹cy wp³yw ma-
j¹ odbiorcy, niekiedy nawet
wiêkszy ni¿ wytwórcy czy dos-
tawcy energii. W takich przy-
padkach odbiorca powinien
byæ partnerem dostawcy w wy-
si³kach zmierzaj¹cych do za-
chowania w³aœciwej jakoœci
energii elektrycznej.

Opisane zale¿noœci dotycz¹

nie tylko du¿ych odbiorców
przemys³owych, lecz równie¿
instalacji w budynkach miesz-
kalnych, biurowych i wielu in-
nych. Powodem tego jest coraz
wiêksza liczba odbiorników,
nawet o niewielkich mocach,
pobieraj¹cych pr¹d odkszta³-
cony. Typowe przyk³ady to:

n

sprzêt radiowo-telewizyjny
i komputerowy – odbiorniki
te wyposa¿one s¹ w ró¿nej
klasy zasilacze z pojemnoœ-

(

)

∆U

I

X

X

k

k

S

P

=

+

ciowymi filtrami napiêcia,
w pr¹dzie których znacz¹cy
udzia³ maj¹ harmoniczne
rzêdu 3 i 5 (rysunek 2,3),

n

œwietlówki, zw³aszcza co-
raz powszechniej stosowane
œwietlówki kompaktowe,
wyposa¿one w uk³ad prze-
miennika czêstotliwoœci –
odbiorniki te pobieraj¹ pr¹d
o bardzo szerokim spektrum
wy¿szych harmonicznych,

n

bezstopniowe regulatory
prêdkoœci obrotowej silni-
ków, np. silników elektrona-
rzêdzi [3],

n

elektroniczne sterowniki na-
tê¿enia oœwietlenia [3],

n

uk³ady bezprzerwowego za-
silania (UPS),

n

ró¿nego rodzaju zasilacze,
a przede wszystkim zasila-
cze z przetwarzaniem ener-
gii (SMPS).
Zagadnienie to zilustrowano

na przyk³adzie pomiaru napiê-
cia zasilaj¹cego i pr¹du pobie-
ranego przez ten sam zestaw
komputerowy z dwóch ró¿nych
sieci zasilaj¹cych (rys. 2 i 3):
z sieci o niewielkiej impedancji
wewnêtrznej XS (rys. 1,3,4)
oraz z sieci o znacznej impe-
dancji wewnêtrznej w porów-
naniu z impedancj¹ odbiornika.
Przebiegi ukazuj¹ istotn¹ ró¿-
nicê przede wszystkim w na-
piêciu zasilaj¹cym. Jeœli z ta-
kiej sieci (rys. 3) by³by zasilo-
ny równie¿ inny odbiorca, to
ponosi on konsekwencje zarów-
no zak³óceñ powodowanych
przez swego s¹siada, jak i nie-
korzystnych parametrów sieci
zasilaj¹cej. W takiej sytuacji
jednym z czynników maj¹cych
wp³yw na parametry dostar-
czanej energii, zw³aszcza
w budownictwie mieszkanio-
wym, jest stan techniczny ins-
talacji. Dotyczy to zw³aszcza
odbiorców w budynkach wielo-
rodzinnych, gdzie zak³ócenia
spowodowane przez jednych

ŒWIATOWY LIDER

P

ROSTA

KONSTRUKCJA

£

ATWY MONTAZ

B

EZPIECZNY

81 000 km

zainstalowanych korytek

CABLOFIL POLSKA

ul. Chocimska 13/12 00-791 WARSZAWA

Tel. 022 - 849 84 51 Tel./fax 022 - 646 65 94

E-mail: [e-mail]

O/Katowice: Tel./fax [phone] E-mail: [e-mail]

•

Katalog 2001–2002

Nowe produkty Ni¿sze ceny

F

10

www.elektro.info.pl

4/2002

chodz¹c z za³o¿enia znikomej
obci¹¿alnoœci roboczej. Przek-
rój ten by³ czêsto projektowa-
ny jako ni¿szy od przekroju ¿y³
roboczych. Po wprowadzeniu
przepisów [4] odst¹piono od
tej praktyki, projektuj¹c zwyk-
le przekrój przewodu PEN jako
równy przekrojowi ¿y³ robo-
czych. Konsekwencje niewiel-
kich przekrojów przewodu PEN
s¹ obecnie coraz dotkliwiej od-
czuwane w instalacjach z tam-
tego okresu. W przewodzie
ochronno-neutralnym sumuj¹
siê pr¹dy pobierane przez od-
biorniki jednofazowe. Gdyby te
pr¹dy nie zawiera³y sk³ado-
wych wy¿szych harmonicz-
nych, przewodem PEN p³y-
n¹³by jedynie pr¹d asymetrii
ich obci¹¿enia o nieznacznej
wartoœci. Przed 20-30 laty za-
³o¿enie to by³o byæ mo¿e
prawdziwe, ale obecnie jednak,
przy znacznym udziale odbior-
ników pobieraj¹cych pr¹d odk-
szta³cony, obci¹¿enie przewo-
du PEN jest bez porównania
wiêksze. Wynika to z faktu, ¿e
pr¹dy 3. harmonicznej i jej nie-
parzystych krotnoœci oraz
sk³adowa sta³a, s¹ ze sob¹
w fazie i sumuj¹ siê w przewo-
dzie PEN. W tej sytuacji, przy
zbyt niskich jego przekrojach
i znacznych spadkach napiêcia
wystêpuj¹cych na nich, poja-
wia siê czêsto nadmierne odk-
szta³cenie napiêcia zasilaj¹ce-
go. Na rysunku 4 przedstawio-
no przyk³adowy przebieg pr¹-
du w przewodzie PEN wraz
z jego widmem harmonicz-
nych, gdzie w³aœnie trzecia
harmoniczna znacznie prze-
wy¿sza harmoniczn¹ podsta-
wow¹. Na przeci¹¿enie prze-
wodu PEN w tych warunkach
ma oczywiœcie wp³yw zjawis-
ko naskórkowoœci.

wnioski

Na jakoϾ energii w instala-

cjach elektrycznych maj¹
wp³yw zarówno warunki za-
pewnione przez dostawcê tej
energii, jak i odbiorcy korzysta-
j¹cy ze sprzêtu wprowadzaj¹-
cego okreœlone zak³ócenia do
sieci oraz stan u¿ytkowanej in-
stalacji elektrycznej. Poprawa
jakoœci energii elektrycznej po-
winna byæ wynikiem wspó³-
dzia³ania dostawców i admi-
nistratorów instalacji elektrycz-
nych w budynkach. Istniej¹ce
w tym zakresie normy okreœla-
j¹ warunki, które powinny byæ
spe³nione w wyniku tego
wspó³dzia³ania. Obci¹¿enie
przewodu ochronno-neutralne-
go w przestarza³ych instalac-
jach wykonanych w przesz-
³oœci w systemie TN-C i eksp-
loatowanych do chwili obecnej,
ma istotny wp³yw na jako œ æ
napiêcia zasilaj¹cego w tych
instalacjach. Wyj¹tkowo nieko-
rzystne s¹ niewielkie przekro-
je tych przewodów stosowa-
ne w przesz³oœci oraz wspól-
ny przewód ochronno-neut-
ralny.

&

literatura

1 PN-EN 50160 „Parametry napiê-

cia zasilaj¹cego w publicznych

sieciach rozdzielczych”, PKN

1998.

2 Szprengiel Z. „Jakoœæ energii

elektrycznej w œwietle norm

i przepisów prawnych”, Wiado-

moœci Elektrotechniczne, rok

LXVII, 1999, nr 1, str. 3-8.

3 Barlik R., Nowak M.: Poradnik in-

¿yniera energoelektronika, WNT,

Warszawa, 1999.

4 Teresiak Z. (red.): Elektroenergety-

ka zak³adów przemys³owych.

Wydawnictwo Politechniki Wroc-

³awskiej, Wroc³aw, 1981.

5 Przepisy Budowy Urz¹dzeñ Elek-

trycznych ustanowione w 1960 r.

Wydawnictwa Czasopism Tech-

nicznych NOT, Warszawa, 1964.

6 Przepisy Budowy Urz¹dzeñ Elek-

troenergetycznych, Wydanie I.

Wydawnictwa Przemys³u Maszy-

nowego WEMA, Warszawa, 1980.

odbiorców maj¹ bezpoœredni
wp³yw na jakoœæ zasilania in-
nych, pod³¹czonych do tej sa-
mej czy s¹siedniej wewnêtrznej
linii zasilaj¹cej budynku. Za-
gadnienia te nabieraj¹ szcze-
gólnego znaczenia w instalac-
jach sprzed 20-30 lat, wykona-
nych przewodami o ¿y³ach
aluminiowych w uk³adzie sieci
TN-C, gdzie dodatkowo obci¹-
¿alnoœæ przewodu ochronno-
neutralnego PEN wp³ywa nie-
korzystnie na warunki ochrony
przeciwpora¿eniowej.

przeci¹¿anie

przewodu

neutralnego

Nakreœlony wczeœniej prob-

lem dotyczy w szczególnoœci
instalacji przestarza³ych, wy-
konanych przed 20-30 laty
i eksploatowanych do chwili
obecnej, które zosta³y wykona-
ne zgodnie z obowi¹zuj¹cymi
wówczas Przepisami Budowy
Urz¹dzeñ Elektrycznych, [5]

do roku 1977 b¹dŸ [6] w ok-
resie póŸniejszym, jako instala-
cje w uk³adzie TN-C, z zero-
waniem jako œrodkiem dodat-
kowej ochrony przeciwpora¿e-
niowej. Z powodu istniej¹cych
w tym czasie ograniczeñ w sto-
sowaniu miedzi, powszechnie
stosowano przewody o ¿y³ach
aluminiowych o przekrojach
niejednokrotnie nieadekwat-
nych do obecnych obci¹¿eñ.
Niewielkie przekroje przewo-
dów s¹ m.in. przyczyn¹ znacz-
nych wartoœci impedancji
w poszczególnych czêœciach
instalacji, a przede wszystkim
w wewnêtrznych liniach zasila-
j¹cych. Przewód ochronno-
-neutralny PEN, zwany
w przesz³oœci przewodem ze-
rowym, posiada³ przekrój
adekwatny do obci¹¿eñ, na
które planowano omawiane in-
stalacje. Chocia¿ pe³ni³ on (i
pe³ni do dzisiaj) okreœlon¹ ro-
lê w ochronie przeciwpora¿e-
niowej, do 1977 roku jego
przekrój ograniczano do 6 mm

2

Al b¹dŸ nawet do 4 mm

2

, wy-

Rys. 4 Przyk³adowy przebieg pr¹du w przewodzie PEN wraz ze spektrum

wy¿szych harmonicznych w wewnêtrznej linii zasilaj¹cej

wielokondygnacyjnego budynku mieszkalnego