Souhrnný pohled na zpětné rušivé vlivy os na napájecí síť - Část 2

Souhrnný pohled na zpětné rušivé vlivy os na napájecí síť - Část 2

Ing. Jiří Drápela, doc. Ing. Jiří Plch, CSc.,
Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně

3. Vliv napájecího napětí na světelné zdroje

V minulé části [11] byly popsány základní světelné zdroje s používanými předřadnými obvody a jejich zpětné rušivé vlivy na napájecí síť při napájení ustáleným, pokud možno sinusovým napětím s efektivní hodnotou 230 V. Rovněž při zkouškách a testech rušivých vlivů světelných zdrojů je požadováno napájecí napětí blížící se tomuto ideálnímu. V reálných sítích se ovšem průběh okamžité hodnoty napětí neustále mění.

Obr. 15. Charakter odběru halogenidové výbojky EB400MGY s klasickým předřadníkem a kompenzací <1> odebíraný proud (i) a jeho základní harmonická (1h i) při svorkovém napětí (u) s THD_U = 2,8 %, <2> vypočtené spektrum (DFT) odebíraného proudu [10]

Světelné zdroje reagují na charakter napájecího napětí adekvátním odběrem, který je závislý na konkrétním časovém průběhu napětí v jedné či více periodách. Průběh napájecího napětí se obvykle vyjadřuje kvalitativními parametry, které popisují a separují jednotlivé odchylky od ideálního průběhu a které jsou vhodné právě i pro popis vlivu napájecího napětí na odběr světelných zdrojů. Nazýváme je napěťové charakteristiky. (Jsou to např.: efektivní hodnota, harmonické, meziharmonické, kolísání napětí atd. [12].) Vliv napětí na odběr a jeho charakter je závislý na typu světelného zdroje a dané charakteristice napětí.

3.1 Původ změn napájecího napětí
Zatížení spotřebiči, tedy odběr z napájecí sítě, vyvolává vlivem procházejícího proudu úbytky napětí na síťových impedancích, které závisejí na vzdálenosti daného spotřebitele, ale i na čase. Charakteristiky napájecího napětí jsou stochastického charakteru, ovšem pravděpodobné jsou jen určité rozsahy jejich velikostí v místě odběru a do značné míry je určuje dominantní spotřebič či spotřebiče připojené v daném napájecím bodě.

3.2 Vliv napájecího napětí na vybrané světelné zdroje
Určování vlivů a dopadů napájecího napětí na světelné zdroje, přesněji na jejich odběrové a světelnětechnické charakteristiky, souhrnně patří do oblasti citlivosti světelných zdrojů na nízkofrekvenční rušení. Protože je ale řešena otázka zpětných rušivých vlivů osvětlovacích soustav (OS) na napájecí síť, budeme se nadále orientovat především na deformaci napětí, která spolu s jeho efektivní hodnotou nejvíce ovlivňuje odběr světelných zdrojů.

Obr. 16. Charakter odběru kompaktní zářivky OSRAM Dulux El 23W/41-827 <1> odebíraný proud (i) při deformovaném napájecím napětí (u) THD_U = 3 %, <2> vypočtené spektrum proudu (DFT)

Při současném používání nelineárních spotřebičů se lze s deformací napětí setkat ne-li vždy, tedy alespoň často, a samozřejmě že při napájení světelných zdrojů nesinusovým napětím se změní i toky proudů a výkonů.

Nelze zde dopodrobna rozvádět chování všech světelných zdrojů i s jejich předřadnými obvody při různých deformacích a velikostech napájecího napětí, proto se omezíme jen na některé příklady, které ale budou dostatečně vystihující.

Výbojky jsou v provozu zapojeny na napájecí síť s tlumivkou v sérii, která nastavuje pracovní bod výbojky a při daném napájecím napětí stabilizuje parametry výboje (obvod bez kompenzačního kondenzátoru). Vzhledem k tomu, že impedance tlumivky je přímo úměrná frekvenci napájecího napětí, bude proud odebíraný na příslušné harmonické odpovídající harmonické napětí menší, než by byl na základní harmonické o stejné velikosti. Je tedy zřejmé, že předřadník tlumí změny napětí. Je-li však výbojka s tlumivkou provozována s kompenzačním kondenzátorem, situace se změní. Kondenzátor bude odebírat proudy odpovídající harmonickým napětí s tím, že jeho impedance klesá s frekvencí. Kondenzátor je tedy velmi citlivý na změny v napájecím napětí (obr. 15) a v podstatě zesiluje napěťové změny se zvětšením odebíraného proudu, zhoršením charakteristik odběru, rovněž i otázka optimální kompenzace se tím komplikuje [2].

Elektronické předřadníky s impulsním odběrem jsou charakteristické velmi malou impedancí v době vedení proudu. Je to dáno kondenzátorem v DC obvodu (obr. 10a) a jeho odběr ovlivní právě časové změny napětí v okamžiku nabíjení (obr. 16). Tvar vrcholu vlny napětí je tedy rozhodující a nemusí charakter odběru ve sledovaných parametrech nutně jen zhoršit. Elektronické předřadníky s aktivními obvody PFC (obr. 12) se při deformaci napájecího napětí chovají přibližně jako teplotní zdroje [16] (v závislosti na konkrétním provedení).

Z naměřených hodnot v reálných sítích (např. [13]) byl sestaven soubor deformací napájecího napětí, s velikostmi jednotlivých harmonických složek, které charakterizují určité typy sítí i skladbu odběru. Velikost harmonických složek těchto napětí byla volena tak, aby celkové harmonické zkreslení postupně nabývalo hodnoty 0 až 9 % a zároveň aby efektivní hodnota byla vždy 230 V. Celkový počet takto sestavených spekter v souboru byl sedmnáct. Ty byly postupně naprogramovány do měřicího systému s programovatelným výkonovým zdrojem (obr. 17). Pro vybrané světelné zdroje jsou výsledky uvedeny v souhrnu na obr. 18 a obr. 19. Plocha ohraničuje všechny možnosti vyplývající z reálné variace spekter se stejným THD_U. Skutečnost, že deformace napájecího napětí byly pro měření vybrány z nekonečného, ale ohraničeného souboru možných deformací, vede k závěru, že plochy na obr. 18 a obr. 19 rozhodně nezahrnují všechny možnosti, ale naproti tomu určitě vhodně charakterizují chování jednotlivých typů světelných zdrojů při napájení deformovaným napětím.

4. Odběr osvětlovacích soustav

Konfigurace a topologie (obr. 1), které zahrnují použité typy světelných zdrojů, jejich rozmístění do obecně trojfázové čtyřvodičové napájecí sítě a vzájemné elektrické vzdálenosti, spolu se symetričností napěťové soustavy, určují celkový charakter a úroveň rušivých vlivů odběru analyzované OS. Časové průběhy proudů odebíraných světelnými zdroji v jednotlivých fázích se sčítají a vytvářejí průběh celkového odebíraného fázového proudu, který určuje celkové zatížení či příspěvek k zatížení napájecího systému.

Obr. 18. Procentní efektivní hodnota odebíraného proudu v závislosti na deformaci napájecího napětí pro jednotlivé měřené světelné zdroje vztažená k hodnotě při sinusovém napětí

Světelné zdroje jsou v OS rovněž zapojeny do trojfázové soustavy, kdy v případě zapojení pouze do jedné z fází představují plně nesymetrickou zátěž. Pro jednoduchost dále předpokládejme, že světelné zdroje s deformovaným odběrem proudu jsou co do elektrických vlastností stejné a tvoří symetrickou zátěž v symetrické napájecí soustavě. Potom při souměrném zatížení budou všechny fázově symetrické harmonické složky odebíraného fázového proudu rotační, s příspěvkem do sousledné či zpětné složky proudu a všechny fázově asymetrické harmonické složky proudu budou vytvářet statickou soustavu s příspěvkem do nulové složky proudu [16].

5. Vliv odběru osvětlovacích soustav na napájecí síť

Optimální provoz napájecího systému jakéhokoliv spotřebiče je, přenáší-li pouze činný výkon. Přenos jalového výkonu a harmonických proudů v ustáleném stavu tedy nadbytečně zatěžuje napájecí síť a snižuje tak její výkonovou rezervu.

Šíření harmonických v napájecí síti je jeden z nejvážnějších projevů odběru světelných zdrojů. Na síťových impedancích (impedance jednotlivých prvků od spotřebiče ke zdroji) vznikají úbytky napětí s frekvencí procházející harmonické proudu a tím dochází k deformaci napětí. Dále se průchodem harmonických přes jednotlivé prvky (vodiče, kabely, transformátory atd.) zvyšují ztráty a tím se snižuje jejich dovolené zatížení. V případě vhodné RLC kombinace sítě může rovněž na určitých harmonických frekvencích docházet k rezonancím.

5.1 Zatížení a ztráty v napájecí síti

Zatížení fázového vodiče
Jak je popsáno v kapitole 4, časové průběhy proudů odebíraných jednotlivými světelnými zdroji se v každém uzlu sčítají. Přitom může docházet k částečné filtraci důsledkem rozdílných časových průběhů proudu jednotlivých zdrojů, tzn. např. při použití světelných zdrojů stejného typu, ale různých výrobců (neboť součástková základna nikdy nebude stejná) či při kombinaci různých světelných zdrojů. Tento efekt může způsobit vylepšení parametrů celkového odběru i o 10 %. Nejnepříznivější konfigurace vzhledem k možné „samofiltraci“ je při provozování světelných zdrojů se stejnými průběhy odebíraného proudu, tedy „stejného typu a výrobce“.

Obr. 19. Změna THD_I s deformací napájecího napětí pro jednotlivé měřené typy světelných zdrojů (legenda shodná s obr. 16)

Jinou záležitostí je závislost odběru světelných zdrojů na napájecím napětí (jeho velikost, kolísání, deformace atd.). Parametry odběru se tak mohou změnit v závislosti na typu světelných zdrojů a charakteristikách napájecího napětí v místě připojení (kapitola 3). Příkladem může být deformace napájecího napětí, kdy se efektivní hodnota odebíraného fázového proudu může zvýšit i o 20 % oproti napájení sinusovým napětím (obr. 18).

Zatížení středního vodiče
Z kapitoly 4 vyplývá, že proudy lichých násobků třetí harmonické se přidávají k nulovým složkám a ve středním vodiči potom např. proud třetí harmonické odpovídá až trojnásobku (skalární součet) proudu třetí harmonické ve fázi (obr. 20a)[14]. Tato skutečnost má přímý dopad na velikost zatížení středního vodiče (obr. 20b). Maximální poměrný proud středním vodičem vztažený k efektivní hodnotě fázového proudu i_N je 1,73. Zajímá nás rovněž průběh závislosti i_N právě na deformaci odebíraného proudu. (i_N nabývá rozsahu <0; 1,73>). Velikost i_N závisí především na typu světelného zdroje, tedy na spektru harmonických fázového proudu, který tyto zdroje odebírají z napájecí soustavy, a na dalších okolnostech, jež jej ovlivňují (obr. 21) – blíže [7], [14]. Proudové zatížení středního vodiče tudíž může dosáhnout až 1,73násobku efektivní hodnoty proudu fázového vodiče, a z toho důvodu je důležitý i poměr průřezu fázového a středního vodiče.

Celkové zatížení napájecího vedení či kabelu
Dovolené zatížení kabelových vedení je stanovováno na základě jejich dovoleného tepelného namáhání. Přitom předpokladem je, že proud prochází pouze odpovídajícím počtem vodičů.

Obr. 20. Příklad sčítání proudů ve středním vodiči při souměrném odběru v souměrné síti a) sčítání 1. a 3. harmonické proudu, b) sčítání odebíraného proudu v třífázové soustavě souměrným fázově regulovaným spotřebičem

Pokud bude tento kabel zatížen světelnými zdroji shodných elektrických vlastností generujícími harmonické, které tvoří symetrickou zátěž v symetrické napájecí soustavě, bude proud středním vodičem nenulový; jeho velikost je dána velikostí soufázových složek harmonických fázového proudu, které se ve středním vodiči sčítají. Jinými slovy, jestliže i středním vodičem protéká proud, v kabelu jsou zdrojem tepla více než např. tři vodiče, a je třeba snížit jejich dovolené zatížení (Jouleovy ztráty). Zároveň však nesmí docházet k lokálnímu přetěžování středního vodiče [15], [16].

Závěr

Odběr světelných zdrojů v OS je vždy (kromě žárovek bez regulace) spojen se zpětnými rušivými vlivy na napájecí síť. Mezi nejzávažnější z nich jednoznačně patří generování či odebírání harmonických proudů, jejichž úroveň závisí právě na typu světelného zdroje a předřadném obvodu (kapitola 2) a rovněž na podmínkách připojení. Tedy, jak bylo ukázáno (kapitola 3), i za normálních provozních podmínek mohou charakteristiky napájecího napětí výrazným způsobem ovlivnit odběrové charakteristiky světelných zdrojů v daném napájecím místě. V tomto ohledu se nejhůře chovají elektronické předřadníky bez obvodu PFC a výbojky s tlumivkou a kompenzací.

Obr. 21. Aproximovaná závislost i_N na TH Di,IEC pro uvažované typy spotřebičů a jejich pravděpodobný charakter odběru, při U = U₁ (odběr symetrický r_I = 0 v třífázové souměrné napěťové soustavě)

Harmonické proudy šířící se napájecí sítí způsobují deformaci napájecího napětí a nadměrně zatěžují jednotlivé přenosové prvky, jako jsou vodiče a kabely. S ohledem na kapitoly 3 a 5.1 je v krajním případě vhodné dimenzovat fázové vodiče s rezervou 20 až 30 % a průřez středního vodiče až dvakrát větší. Samozřejmě to závisí na jejich skutečném zatížení a z hlediska praxe na aplikačním prostředí, které je spojeno s koncentrací a soudobostí těchto spotřebičů.

Šíření harmonických způsobuje i další problémy, např. rezonanci, přetěžování kompenzačních kondenzátorů, chybnou funkci některých zařízení a ochran a jisticích prvků a zkracování životnosti. A proto ať již se jedná o novou instalaci či rekonstrukci (náhrada světelných zdrojů), je možné provést podstatnou minmalizaci zmíněných vlivů již při návrhu rozvodů. Celý postup lze rozdělit do několika obecných kroků či fází: klasifikace spotřebičů – světelné zdroje OS jsou primárním zdrojem rušení a je třeba stanovit očekávané úrovně rušivých vlivů v závislosti na daných i ovlivnitelných parametrech jejich provozu v daném místě připojení; rozčlenění systému spotřeby (zejména u rozsáhlých systémů spotřeby) – z důvodu kontroly a nápravy je vhodné vyčlenění nelineárních spotřebičů ze systému spotřeby a jejich připojení na samostatnou napájecí větev. Tak je možné příznivě ovlivnit deformaci napětí v systému; posílení napájecího systému – rovněž je potřebné vhodně uplatnit dimenzování napájecích vodičů; další opatření – ta mohou spočívat v zařazení některého ze systémů filtrace pro zlepšení kvality elektrické energie. Je totiž třeba si uvědomit, že světelné zdroje jsou spotřebiče, u kterých je individuální dodatečná úprava odběru neúnosná, a to, že kladný test podle norem EMC ještě není dostatečnou zárukou jejich elektromagnetické kompatibility.

Souhrnně za obě části vyjadřuji poděkování firmám DNA Central Europe Nehvizdy a Beghelli-Elplast Brno za materiální podporu a dále VTÚPV Vyškov – laboratoř EMC, jmenovitě Ing. Vladimíru Váňovi, za umožnění realizace souboru měření na programovatelném třífázovém výkonovém zdroji CI 15003ix-CTS.