Priručnik o kvaliteti električne energije
Naponski propadi Uvod
Transmission Network
0.1
0.1
0.1
Level 1
F1 Breakers
0.5 Level 2
Level 3 1 1
1
1
1
Impedances
1
1
F3 Other loads Load 3
Copper Development Association
Load 2
Load 1
Naponski propadi
Generator
G
G
5.1
5.1 NAPONSKI PROPADI UVOD Propad napona je kratkotrajno sniženje ili čak potpuni gubitak efektivne vrijednosti napona. Određen je trajanjem i zadržanim naponom, obično izražen kao postotak nazivne efektivne vrijednosti napona, koji preostaje kod najniže točke tijekom propada. Propad napona znači da zahtijevana energija neće biti isporučena potrošaču što može imati ozbiljne posljedice ovisno o vrsti angažiranog potrošača. Naponski propadi, dugotrajnijeg smanjenja napona, su obično prouzrokovani namjernim snižavanjem napona od strane isporučitelja da bi se smanjilo opterećenje za vrijeme maksimalne potražnje ili kod neobično slabog napajanja u odnosu na opterećenje. Elektromotorni pogoni, uključujući i pogone promjenjive brzine, su osobito osjetljivi budući da je trošilu još uvijek potrebna energija koja više nije raspoloživa osim od inercije pogona. U procesima u kojima pojedini pogoni sadrže zasebne kontrolne jedinice, one mogu osjetiti propadanje napona i isključiti pogon pri različitom naponskom nivou i pri različitom iznosu usporavanja čija je posljedica potpuni gubitak kontrole procesa. Obrada podataka i kontrolni uređaji su također veoma osjetljivi na naponske propade i mogu pretrpjeti gubitke podataka ili produžiti trajanje zastoja. Troškovne implikacije su vrlo ozbiljne i o njima se raspravlja u poglavlju 2. Postoje dva glavna uzroka naponskih propada; stavljanje u pogon velikih tereta bilo na zahvaćenom lokalitetu ili kod potrošača u istom strujnom krugu, a drugi razlog su kvarovi na drugim ograncima mreže.
PROPADI PROUZROČENI VELIKIM TERETIMA Kada se pokrenu veliki tereti, kao što su velike pogonske jedinice, startna struja može biti mnogo puta veća nego normalna trajna struja. Budući da su napajanje i mreža kabelskih instalacija dimenzionirani za normalnu trajnu struju, visoka početna struja uzrokuje naponski propad i u mreži napajanja i u instalaciji. Veličina efekta ovisi o tome koliko je "jaka" mreža, tj. koliko je niska impedancija u točci zajedničkog spajanja (PCC) i o impedanciji kabelske instalacije. Propadi prouzročeni startnim strujama su okarakterizirani manjom dubinom i mnogo su duži od onih koji su posljedica mrežnih kvarova – u pravilu od jedne do nekoliko sekundi ili desetaka sekundi a rijetko kad manje od jedne sekunde. Problemi na terenu, uzrokovani prevelikim otporom u unutarnjoj mreži kabela, se lako svladavaju. Velika trošila bi se trebala spajati direktno na izvor odgovarajućeg naponskog nivoa – ili na PCC ili na sekundar opskrbnog transformatora. Ako je problem izazvan impedancijom PCC-a - tj. napajanje je "preslabo" – tada je nužno dodatno djelovanje. Jedno od rješenja, ukoliko se odnosi na opremu, jest podesiti osjetljivi starter tako da se startna struja ograniči na nižu vrijednost ali dovoljno duže. Drugo rješenje je u pregovaranju s tvrtkama za napajanje zbog niže impedancije povezivanja – ali to može biti skupo ovisno o geografiji mreže tog područja. Ako uzrok sniženja napona ne može biti pod kontrolom, tada će biti potrebna druga sredstva za kompenzaciju propada. Odgovarajuća sredstva se protežu od tradicionalnih mehaničkih stabilizatora reguliranih servo mehanizmima do elektronički upravljanih izmjenjivača i dinamičkih restorera napona (uređaj za vraćanje na početnu vrijednost ili stanje napona). Ove vrste uređaje su razmotrene u poglavlju 5.3.
Slika 1 – Razlog naponskih propada
PROPADI PROUZROČENI MREŽNIM KVAROVIMA Mreža napajanja je vrlo kompleksna. Veličina naponskog propada na jednom mjestu uslijed kvara na drugom dijelu mreže ovisi o topologiji mreže i o relativnim impedancijama kvara, tereta i generatora u njihovoj zajedničkoj točki spajanja. Slika 1 predstavlja primjer. Kvar na mjestu F3 dovodi do propada od 0% pri trošilu 3, propada od 64% pri trošilu 2 i propada od 98% pri trošilu 1. Kvar na mjestu F1 će djelovati na sve korisnike s propadom od 0% pri trošilu 1 i s 50% kod svih drugih trošila. Primijeti da kvar na nivou 1 ima utjecaja na mnogo više potrošača i djeluje mnogo snažnije od kvara na nivou 3. Trošila spojena na nivo 3 će vjerojatno doživjeti mnogo više propada od trošila spojenog na nivo 1 jer ondje ima više potencijalnih mjesta kvara – ona su pod utjecajem kvarova nivoa 1 i nivoa 2. Trošila na nivou 2 i nivou 1 su progresivno manje osjetljiva na kvarove na nivou 3. Trošilo "bliže" izvoru će imati manji broj propada i biti će slabijeg intenziteta. Trajanje propada ovisi o vremenu potrebnom da uređaji za zaštitu otkriju i izoliraju kvar što je obično reda nekoliko stotina milisekundi. Budući da kvarovi mogu biti prolazni, na primjer kada je prouzročen padom grane na vod, kvar se može odstraniti vrlo brzo nakon što se pojavio. Kada bi se strujni krug permanentno isključio pomoću uređaja za zaštitu tada bi svi potrošači tog strujnog kruga doživjeli prestanak napajanja sve dok se vod ne bi provjerio i ponovno priključio. Automatski ponovni uklop može pomoći u olakšavanju situacije ali također uzrokuje povećanje broja propada. APU nastoji ponovno povezati strujni krug u kratkom vremenu (manje od 1 sekunde) nakon što je djelovala zaštita. Ako se kvar otklonio, APU će imati uspjeha i strujni krug će se ponovno uspostaviti. Potrošači u tom strujnom krugu će doživjeti 100% propad između isključenja i APU-a, dok drugi potrošači vide manji i kraći propad između nastajanja kvara i njegove izolacije, kako je gore razmotreno. Ako kvar nije otklonjen kada proradi APU zaštita će ponovno djelovati; postupak se može ponavljati u skladu s programskim postavkama pojedinog uređaja za APU. Svaki put kada se dogodi automatski ponovni uklop defektni vod dovodi do sljedećeg propada, tako da drugi potrošači mogu doživjeti nekoliko propada u serijama. Uslužna učinkovitost u dereguliranom tržištu se djelomično – u nekim zemljama, kao što je Velika Britanija – ocjenjuje prema prosječnom "gubitku el. energije u minutama kod potrošača" uzimajući u obzir one prekide koji obično prelaze jednu minutu. Minimiziranje tih statističkih podataka ima posljedicu u jako rasprostranjenoj aplikaciji automatskih ponovnih uklopa i povećava vjerojatnost propada. Drugim riječima, dugoročna raspoloživost je maksimizirana ali uz troškove kvalitete.
OSJETLJIVOST UREĐAJA Računala su danas neophodna u svim djelatnostima, bilo kao radne postaje, mrežni serveri ili kao procesni regulatori. Oni su bitni u svim transakcijama obrade podataka i mnogim komunikacijskim funkcijama, kao što su e-mail ili voice box sustavi. Proces učenja rezultirao je stvaranjem krivulje Udruge proizvođača računalne i poslovne opreme CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturers Association) (Slika 2). Ova krivulja budući da je izmijenjena sada je poznata kao krivulja Vijeća za industriju informacijske tehnologije ITIC (Information Technology Industry Council) (Slika 3) i jedna verzija je standardizirana od strane ANSI-ja kao IEEE 446 (slika 4). Trajanje događaja je grafički prikazano naspram napona u odnosu na nazivni napon napajanja a krivulje definiraju ovojnicu unutar koje bi oprema trebala kontinuirano funkcionirati bez prekida ili gubitka podataka. Što se tiče propada interesantna je donja granična krivulja. Ta krivulja predstavlja granicu između održivih i ne-održivih propada. U idealnom svijetu bi postojala samo jedna krivulja koja bi predstavljala performanse mreže napajanja realnog svijeta za koju bi svaka oprema bila odgovarajuća. Naime, dok prilično mnogo opreme udovoljava jednim ili drugim standardnim krivuljama, performanse napojnih mreža opadaju vrlo slabo.
Slika 2 – CBEMA krivulja
Slika 3 – ITIC krivulja
Slika 4 – ANSI krivulja
KARAKTERISTIKE OSJETLJIVOSTI UREĐAJA Izvori energije elektroničke opreme, primjerice one korištene za osobna računala i programibilne logičke kontrolere (PLC) koriste akumulacijski kondenzator da poravna vrhove punovalno ispravljenog valnog oblika, tako da bi oni trebali biti inherentno oporavljivi na kratkotrajne propade. Veći kondenzatori, i veće razlike između pohranjenog napona kondenzatora i minimuma nužnog za djelovanje unutarnjih naponskih pretvarača, će poboljšati oporavak. Projektanti uvijek pokušavaju smanjiti veličinu kondenzatora na minimum kako bi smanjili dimenzije, težinu i cijenu ujedno osiguravajući da pohranjeni naboj bude točno dostatan pri minimalnom naponu i maksimalnom opterećenju. Za siguran oporavak od propada potreban je mnogo veći kondenzator. Alternativna strategija u projektiranju je držati ulazni napon što je moguće nižim da bi se maksimiziralo vrijeme zastoja sustava. Standardno, ovaj je koncept preuzet za opremu projektiranu da djeluje duž širokih granica napona. Vrijeme zastoja će biti mnogo dulje pri 230 V napajanju nego kod 110 V napajanja. Ne postoji tehnički problem za razvoj napajanja koja su otporna na propade ali nisu načinjena jer to nije pitanje kojeg korisnici potiču s proizvođačima a postoje i implikacije u svezi s cijenom. I pored toga, cijena izrade računala ili PLC-a oporavljivog na jednosekundne propade je vrlo neznatna u usporedbi s cijenom usavršavanja sredstava mreže namijenjenih za sprječavanje propada koji se pojavljuju. Pogoni promjenjive brzine se mogu oštetiti zbog naponskih propada i u pravilu su opremljeni s podnaponskim detektorima koji okidaju pri 15% i 30% naponu nižem od nazivnog napona.
Pogoni promjenjive brzine s poboljšanim sposobnostima su tema sljedećeg poglavlja ovoga priručnika. Asinkroni motori imaju inerciju tako da oni mogu pomoći u podržavanju opterećenja za vrijeme kratkog propada, regenerirajući energiju kada smanjuju brzinu. Ta energija se vraća na mjesto jer motor ponovno ubrzava i ako se brzina smanji na manje od 95% tada će motor povući približno startnu struju. Budući da se svi motori pokreću zajedno, to može biti uzrok dodatnih problema. Releji i kontaktori su također osjetljivi na naponske propade i mogu često biti najslabija karika u sustavu. Ustanovljeno je da uređaji mogu ispasti iz pogona za vrijeme propada čak i kada je zadržani napon veći od minimalnog napona u ustaljenom stanju. Oporavak kontaktora od propada ne ovisi samo o zadržanom naponu i trajanju nego i o mjestu valnog oblika gdje se propad dogodio, učinak postaje manji bliže vrhu. Svjetiljke s izbijanjem natrija kada su užarene imaju mnogo viši udarni napon nego kada su hladne, tako da se užarene lampe ne mogu ponovno uključiti nakon propada. Iznos propada koji će prouzročiti gašenje svjetiljke može biti manji od 2% na kraju života ili veći od 45% kada je svjetiljka nova. Većina uređaja i sustava sadrži jedan ili više od gore navedenih elemenata, pa će se dakle pokazati problemi kada se podvrgnu propadima. Dolje ispod slika 5 sugerira na to da je jeftinije i pouzdanije konstruirati opremu oporavljivu na propade radije nego nastojati izgraditi cjelokupan proces, cjelokupno postrojenje ili cjelokupan elektrodistribucijski sustav. Kako je pokazano, cijena rješenja se brzo povećava kako se točka ozdravljenja pomjera od opreme preko postrojenja do infrastrukture.
KARAKTERISTIKE PROPADA NAPAJANJA Kako je prethodno ukazano, vjerojatnost događanja naponskih propada i njihov mogući iznos ovise o topologiji mreže u blizini dotičnog mjesta. Postoje određene ograničene studije o relativno malim područjima u nekim zemljama ali još uvijek je točno reći da statistike o propadima za pojedine lokacije nisu dostupne. To odabir mjesta za kritično djelovanje čini teškim. Očito je da će mjesto blizu generatorske stanice (ili njih dvije) spojeno na srednji napon pomoću podzemnog kabela biti bolji izbor nego udaljeno mjesto s dugom izloženom nadzemnom vezom, ali u kojoj mjeri? Lako je na primjer, procijeniti kvalitetu prijenosnih veza i taj faktor se često spominje kao razlog za odabir pojedine lokacije poslovanja, ali je dosta teže procijeniti kvalitetu elektroinfrastrukture. Zelene površine predstavljaju naročite probleme budući da tamo prema referenci nema postrojenja. S druge strane, one predstavljaju priliku za početi s adekvatnom infrastrukturom na mjestu, dokle god je lokalno poduzeće za napajanje voljno i sposobno snabdijevati je (koristeći vaš novac!).
Slika 5 – Cijena poboljšanja u toleranciji propada Te studije koje su napravljene pokazuju da je trajanje propada napajanja prilično dulje od onoga sugeriranog preporučenog krivuljama tolerancije što je gore razmotreno. Slika 6 predstavlja vjerojatno trajanje i iznos propada za tipičnu mrežu napajanja. ITIC krivulja je nacrtana radi usporedbe.
Slika 6 – Tipična karakteristika propada napajanja i ITIC krivulja Ovaj dijagram jasno pokazuje da, u stvarnom svijetu, IT oprema stvarno treba biti oko 100 puta bolja od one pretpostavljene ITIC krivuljom, kao što je pokazano pomoću krivulje "potrebne tolerancije". Zasigurno je ispravno reći da nijedna oprema za proizvodnju ne udovoljava ovom zahtjevu.
PREMOŠĆIVANJE JAZA Dakako, u poslovnom okruženju, korištena oprema treba biti elastična prema normalnoj karakteristici pogrešaka u napajanju, a to nije slučaj sa standardnom opremom. Kako je prikazano na slici 5, cijena korekcije je mnogo niža ako je poduzeto korektivno djelovanje u fazi projektiranja opreme ali to zahtijeva poznavanje prirode i vjerojatnosti kvarova. To je znanje koje nedostaje. Ipak, to je najjeftiniji pristup. Neki proizvođači opreme prepoznaju problem ali konkurentno tržište smatra da će proizvođači odgovarati isključivo na zahtjeve naručitelja. Sve dok korisnici shvaćaju probleme i razumiju da isporučitelji opreme mogu pružiti rješenje, oni neće specificirati poboljšana radna svojstva. Iznimka je tržište pogonima promjenjive brzine.
Tradicionalan pristup predviđa dodatnu opremu za podržavanje opterećenja tijekom propada; vrste dostupne opreme su detaljizirane u narednim poglavljima ovog priručnika. U slučajevima gdje su trošila male snage, kao što je IT oprema, korišteni su izvori neprekidnog napajanja kao zaštita i od propada i od kratkih prekida. Spremnici energije su uglavnom punjive baterije pa stoga nisu pogodni za dugo trajanje. U pravilu, trošilo je podržano još dovoljno dugo da se pripremi uredno isključenje, tako da se zaštite podaci, ali još uvijek zahtijeva znatno vrijeme za ponovno pokretanje. Katkada se koristi UPS za pružanje električne energije dok se rotacijski generator ne pokrene. Kod plitkih propada, gdje postoji znatan zadržani napon, postoji nekoliko utemeljenih tehnologija automatiziranih naponskih regulatora uključujući elektromehaničke i elektromagnetske uređaje. Kako kod njih ne postoji potreba za uskladištenom energijom, ovi uređaji se mogu koristiti za dugotrajne događaje kao što su podnaponi i prenaponi. Automatizirani naponski regulatori su razmotreni u poglavlju 5.3.1 ovog priručnika. U slučajevima kada imamo velike terete i duboke propade koristi se dinamički naponski restorer (DVR). Ovaj uređaj je komplet spojen na trošilo koji generira dio napajanja koji nedostaje; ako napon propadne na 70% DVR generira dio koji nedostaje od 30%. Od DVR-a se inače očekuje da poduprije opterećenje na kratak period i koriste baterije namijenjene za teške uvjete rada, prvorazredne kondenzatore ili neki drugi oblik pohrane energije kao što je brzi zamašnjak. DVR-ovi se ne mogu koristiti za korigiranje dugoročnih podnapona i prenapona.
ZAKLJUČAK Poboljšanje mrežnih performansi zbog eliminiranja propada je veoma skupo a možda i neostvarljivo. U posebnim slučajevima, kada potreba opravdava izdatak, moguće je urediti dvostruka napajanja koja su izvedena od dovoljno odvojenih dijelova mreže, kako bi se smatrala neovisna. Za većinu radnji nužne su pojedine vrste opreme za ublaživanje propada i postoji mogućnost izbora u širokim granicama, ovisno o vrsti opterećenja kojem se pruža potpora. Najjeftinije rješenje je predvidjeti opremu s potrebnom mogućnošću oporavka na propade ali ta opcija nije još dobro podržana od strane proizvođača.
Network Partners
Copper Benelux
HTW
168 Avenue de Tervueren B1150 Brussels Belgium
Goebenstrasse 40 D66117 Saarbruecken Germany
Tel: Fax: Email: Web:
00 32 2 777 7090 00 32 2 777 7099
[email protected] www.copperbenelux.org
Tel: 00 49 681 5867 279 Fax: 00 49 681 5867 302 Email:
[email protected]
Contact: Mr B Dôme Contact: Prof Dr W Langguth
Copper Development Association
Istituto Italiano del Rame
Verulam Industrial Estate 224 London Road St Albans AL1 1AQ United Kingdom
Via Corradino d'Ascanio 4 I-20142 Milano Italy
Tel: Fax: Email: Webs:
00 44 1727 731205 00 44 1727 731216
[email protected] www.cda.org.uk & www.brass.org
Contact: Mrs A Vessey
Tel: Fax: Email: Web:
00 39 02 89301330 00 39 02 89301513
[email protected] www.iir.it
Contact: Mr V Loconsolo
Deutsches Kupferinstitut e.V Am Bonneshof 5 D-40474 Duesseldorf Germany Tel: Fax: Email: Web:
00 49 211 4796 323 00 49 211 4796 310 sfassbinder@kupferinstitut. de www.kupferinstitut.de
Contact: Mr S Fassbinder
KU Leuven Kasteelpark Arenberg 10 B-3001 Leuven-Heverlee Belgium Tel: 00 32 16 32 10 20 Fax: 00 32 16 32 19 85 Email:
[email protected] Contact: Prof Dr R Belmans
ECD Services Via Cardinal Maffi 21 I27100 Pavia Italy Tel: Fax: Email: Web
00 39 0382 538934 00 39 0382 308028
[email protected] www.ecd.it
Contact: Dr A Baggini
European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B1150 Brussels Belgium Tel: Fax: Email: Web:
00 32 2 777 70 70 00 32 2 777 70 79
[email protected] www.eurocopper.org
Polish Copper Promotion Centre SA Pl.1 Maja 1-2 PL-50-136 Wroclaw Poland Tel: 00 48 71 78 12 502 Fax: 00 48 71 78 12 504 Email:
[email protected] Contact: Mr P Jurasz
TU Bergamo Viale G Marconi 5 I-24044 Dalmine (BG) Italy Tel: 00 39 035 27 73 07 Fax: 00 39 035 56 27 79 Email:
[email protected]
Contact: Mr H De Keulenaer Contact: Prof R Colombi
Hevrox
TU Wroclaw
Schoebroeckstraat 62 B3583 Beringen Belgium
Wybrzeze Wyspianskiego 27 PL-50-370 Wroclaw Poland
Tel: 00 32 11 454 420 Fax: 00 32 11 454 423 Email:
[email protected]
Tel: 00 48 71 32 80 192 Fax: 00 48 71 32 03 596 Email:
[email protected]
Contact: Mr I Hendrikx
Contact: Prof Dr H Markiewicz
Copper Development Association Copper Development Association Verulam Industrial Estate 224 London Road St Albans AL1 1AQ United Kingdom Tel: 00 44 1727 731200 Fax: 00 44 1727 731216 Email:
[email protected] Websites: www.cda.org.uk www.brass.org
David Chapman
Copper Development Association Copper Development Association Verulam Industrial Estate 224 London Road St Albans AL1 1AQ United Kingdom Tel: 00 44 1727 731200 Fax: 00 44 1727 731216 Email:
[email protected] Websites: www.cda.org.uk and www.brass.org
11
