12
ELEKTRYKA 2013 Zeszyt 1 (225) Rok LIX Wiesław BROCIEK, Stanisław BOLKOWSKI Politechnika Warszawska Robert WILANOWICZ Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I PRĄDU W UKŁADZIE ZASILAJĄCYM PODSTACJĘ TRAKCYJNĄ Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i symu- lacyjnych, pozwalających na określenie wartości wyższych harmonicznych napięcia i prądu oraz współczynnika odkształcenia napięcia w transformatorze trójuzwojeniowym 110/30/10 kV. Transformator ten zasilany jest linią przesyłową napowietrzną 111 kV, z szyn 30 kV zasilana jest podstacja trakcyjna wyposażona w prostownik sześciopulsowy, a z szyn 10 kV zasilani odbiorcy bytowo-komunalni. Pomiary wykonano rejestrując napięcia na poszczególnych poziomach napięć tego transformatora. Z zarejestrowanych przebiegów napięć możliwe jest po obróbce cyfrowej określenie wybranych parametrów, opisujących jakość energii elektrycznej. Rezultaty otrzymane z pomiarów porównano z wynikami badań symulacyjnych pracy tego układu. Przy określonej mocy zwarcia S zw = 400 MVA na szynach 110 kV, przeprowadzono obliczenia rozpływu prądów i rozkładu napięć w języku Microcap 8. Określono wartości wyższych harmonicznych napięcia i prądu oraz współczynnika odkształcenia napięcia na poszczególnych poziomach napięć. Stopień odkształcenia napięć dla wybranych wartości prądów w transformatorze, otrzymany z badań symulacyjnych, odpowiada wartościom zmierzonym, co potwierdza poprawność przyjętego do badań modelu. Słowa kluczowe: wyższe harmoniczne napięcia i prądu, układy prostownikowe ASSESMENT OF THE CONTENT OF HIGHER HARMONICS OF VOLTAGE AND CURRENT IN THE POWER STATION SUPPLYING TRACTION SUBSTATION Summary. The paper presents the results of investigation and simulation of the voltage and currents in the power station equipped with the three-winding transformer 110/30/10 kV. The results of such research allow to determine the higher harmonics of these voltages and currents. The experiments have been performed for three levels of voltages the primary side 110 kV and two secondary sides 30 kV and 10 kV. The 30 kV line supplied the traction substation (6-pulse rectifier). The results of experimental and simulation investigations have been compared. The simulations have been performed using Microcap 8 software. They have been done for the short-circuit power of S zw = 400 MVA on 110 kV side of transformer. On the basis of these investigations we were able to determine the THD V coefficients of the voltages and currents for each level of voltages (110 kV, 30 kV and 10 kV). Taking into consideration that the measurement has been carried out in the typical supply system of traction substation the obtained results are representative for majority of traction substations.

OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

ELEKTRYKA 2013

Zeszyt 1 (225) Rok LIX

Wiesław BROCIEK, Stanisław BOLKOWSKI

Politechnika Warszawska

Robert WILANOWICZ

Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu

OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA

I PRĄDU W UKŁADZIE ZASILAJĄCYM PODSTACJĘ TRAKCYJNĄ

Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i symu-

lacyjnych, pozwalających na określenie wartości wyższych harmonicznych napięcia i prądu

oraz współczynnika odkształcenia napięcia w transformatorze trójuzwojeniowym

110/30/10 kV. Transformator ten zasilany jest linią przesyłową napowietrzną 111 kV, z szyn

30 kV zasilana jest podstacja trakcyjna wyposażona w prostownik sześciopulsowy, a z szyn

10 kV zasilani są odbiorcy bytowo-komunalni. Pomiary wykonano rejestrując napięcia na

poszczególnych poziomach napięć tego transformatora. Z zarejestrowanych przebiegów

napięć możliwe jest po obróbce cyfrowej określenie wybranych parametrów, opisujących

jakość energii elektrycznej. Rezultaty otrzymane z pomiarów porównano z wynikami badań

symulacyjnych pracy tego układu. Przy określonej mocy zwarcia Szw = 400 MVA na szynach

110 kV, przeprowadzono obliczenia rozpływu prądów i rozkładu napięć w języku Microcap

8. Określono wartości wyższych harmonicznych napięcia i prądu oraz współczynnika

odkształcenia napięcia na poszczególnych poziomach napięć. Stopień odkształcenia napięć

dla wybranych wartości prądów w transformatorze, otrzymany z badań symulacyjnych,

odpowiada wartościom zmierzonym, co potwierdza poprawność przyjętego do badań

modelu.

Słowa kluczowe: wyższe harmoniczne napięcia i prądu, układy prostownikowe

ASSESMENT OF THE CONTENT OF HIGHER HARMONICS

OF VOLTAGE AND CURRENT IN THE POWER STATION

SUPPLYING TRACTION SUBSTATION

Summary. The paper presents the results of investigation and simulation of the voltage

and currents in the power station equipped with the three-winding transformer 110/30/10 kV.

The results of such research allow to determine the higher harmonics of these voltages and

currents. The experiments have been performed for three levels of voltages the primary side

110 kV and two secondary sides 30 kV and 10 kV. The 30 kV line supplied the traction

substation (6-pulse rectifier). The results of experimental and simulation investigations have

been compared. The simulations have been performed using Microcap 8 software. They have

been done for the short-circuit power of Szw = 400 MVA on 110 kV side of transformer.

On the basis of these investigations we were able to determine the THDV coefficients of the

voltages and currents for each level of voltages (110 kV, 30 kV and 10 kV). Taking into

consideration that the measurement has been carried out in the typical supply system of

traction substation the obtained results are representative for majority of traction substations.

Page 2: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz

Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier circuits

1. WSTĘP

Celem artykułu jest przedstawienie wyników analizy współpracy odbiornika nielinio-

wego, jakim jest podstacja trakcyjna wyposażona w układy prostownikowe, z układem zasi-

lania. W celu zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej odbiorników tego rodzaju

z układami zasilania, wiele przepisów ogranicza liczbę zakłóceń wprowadzanych przez te

odbiorniki do systemu elektroenergetycznego. W celu ustalenia tych wielkości konieczne jest

prowadzenie pomiarów parametrów jakości energii w węzłach systemu elektroenerge-

tycznego, z których zasilane są odbiorniki nieliniowe – szczególnie dużej mocy. Spośród

czynników definiujących krzywą napięcia zasilającego, w artykule dokonano oceny

zawartości wyższych harmonicznych napięcia i współczynnika odkształcenia napięcia na

podstawie pomiarów wykonanych na obiekcie rzeczywistym oraz rezultatów badań symu-

lacyjnych w modelu pracy tego układu.

W artykule przedstawiono przykładowe wyniki analizy zarejestrowanych napięć w ciągu

tygodnia oraz obliczeń numerycznych dla wybranych prądów obciążenia. Dokonano określa-

nia stopnia odkształcenia napięcia w układzie zasilającym podstację trakcyjną wyposażoną

w układ prostownikowy sześciopulsowy.

2. OCENA ODKSZTAŁCENIA NAPIĘCIA W UKŁADZIE ZASILAJĄCYM

PODSTACJĘ TRAKCYJNĄ NA PODSTAWIE BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH

Pomiary w układzie zasilającym podstację trakcyjną wykonano rejestrując napięcia na

poszczególnych poziomach napięć transformatora trójuzwojeniowego 110/30/10 kV o grupie

połączeń YN/yn0/d11 i mocy 15/10/10 MVA. Transformator ten zasilany jest linią 110 kV

[2]. Z transformatora zasilana jest rozdzielnia wnętrzowa 10 kV oraz rozdzielnia

napowietrzna 30 kV, z której wyprowadzona jest linia napowietrzna o długości 4 km do

podstacji trakcyjnej wyposażonej w prostownik sześciopulsowy. Z szyn 10 kV zasilani są

odbiorcy bytowo-komunalni. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 1. Pomiary

przeprowadzono w dwóch seriach:

pomiar 1: jednocześnie na zaciskach przekładników napięciowych zainstalowanych na

szynach 110kV oraz 10 kV,

pomiar 2: jednocześnie na zaciskach przekładników napięciowych zainstalowanych na

szynach 110 kV oraz 30 kV.

Układy prostownikowe sześciopulsowe są źródłem wyższych harmonicznych napięcia,

rzędu:

Page 3: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

Ocena zawartości wyższych… 19

k = 2n ± 1, (1)

gdzie n = 3, 6, 9, 12.

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego

Fig. 1. Schematic diagram of measuring system

Podstawowym sposobem określania stopnia odkształcenia napięcia jest wyznaczenie

współczynnika odkształcenia THDV [1, 4, 6]. Współczynnik ten, będący podstawą do oceny

krzywej napięcia w układach zasilających odbiorniki nieliniowe, określa wzór [2]:

%1002

2

1%

n

k

kV U

UTHD , (2)

w którym:

Uk – wartość skuteczna k-tej harmonicznej napięcia,

U1 - wartość skuteczna podstawowej harmonicznej napięcia,

n – maksymalny rząd harmonicznej uwzględnianej w obliczeniach.

Dopuszczalna wartość THDV na poziomie 30kV wynosi 8%.

Dla napięcia 30 kV procentowy udział piątej harmonicznej napięcia określa zależność:

%6%1001

5%5

U

U (3)

Na rysunku 2 przedstawiono skumulowane wyniki analizy zarejestrowanych przebiegów

napięć w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 1 w trzech fazach L1, L2, L3 na

poziomie 30 kV w ciągu tygodnia (zgodnie z normą EN 50160) [3]. Udział procentowy

poszczególnych harmonicznych w widmie napięcia przedstawia lewa część rysunku 2.

Poszczególne odcienie słupków oznaczają:

Page 4: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

20 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz

- minimalną wartość poszczególnych harmonicznych, którą zaobserwowano w ciągu 5%

czasu pomiaru (szary),

- wartość, która nie została przekroczona w ciągu 95% czasu pomiaru (łączna wysokość

szarego i czarnego),

- maksymalną zmierzoną wartość (całkowita wysokość).

Rys. 2. Wartości procentowe zawartości wyższych harmonicznych napięcia na szynach 30 kV

Fig. 2. Measured spectrum of voltage on 30 kV bus bar

Zarejestrowane wartości wybranych parametrów jakości energii nie przekroczyły dopu-

szczalnych wartości oznaczonych liniami poziomymi (Limit) na rys.2. Dominującą

harmoniczną w napięciu na szynach 30 kV jest piąta harmoniczna. W napięciu tym występują

również harmoniczne, których rząd określa zależność (1). Wynika to również z rysunków 3

i 4, na których przedstawione są odpowiednio: wartość współczynnika THDV oraz procento-

wy udział piątej harmonicznej w napięciu 30 kV w ciągu jednej doby w fazie L1.

Minimalna wartość współczynnika THDV w ciągu 5% czasu pomiaru wynosi 2,36%

(pora nocna), a wartość maksymalna 5,61% (szczyt popołudniowy). Wartość tego współ-

czynnika, która nie została przekroczona w ciągu 95% czasu pomiaru, wynosi 5.05%.

Z analizy przebiegu przedstawionego na rysunku 4 wynika, że maksymalna wartość piątej

harmonicznej nie przekroczyła 5%, a minimalna wartość w okresie 5% czasu pomiaru wynosi

1,94%. Wartość tej harmonicznej, która nie została przekroczona w ciągu 95% czasu pomiaru

wynosi 4,32%. Spośród wykonanych pomiarów w artykule zamieszczono kilka interesujących

przebiegów. Przykładowe wyniki pomiarów współczynnika odkształcenia napięcia pro-

wadzonych przez dobę, jednocześnie na szynach 30 kV oraz 110 kV, przedstawiono na rys. 5.

Page 5: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

Ocena zawartości wyższych… 21

Rys. 3. Wartość współczynnika THDV w ciągu jednej doby w linii 30 kV

Fig. 3. Changes of THDV coefficient on 30 kV side during 24 hours

Rys. 4. Procentowy udział piątej harmonicznej w napięciu 30 kV w ciągu doby

Fig. 4. Changes of 5th harmonic in 30 kV of voltage during 24 hours

Rys. 5. Wartości współczynnika THDv na szynach: a) 30 kV oraz b) 110 kV

Fig. 5. Changes of THDV coefficients on: a) 30 kV and b) 110kV bus bars

a)

b)

Page 6: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

22 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz

Na rysunku 6 zaprezentowano zmiany wartości współczynnika THDv w ciągu jednej

doby na poziomie napięcia 110 kV. Z przebiegów przedstawionych na rysunkach 5 i 6 wy-

nika, że odkształcenie napięcia na szynach 30 kV w transformatorze 110/30/10 kV, wywołane

pracą podstacji trakcyjnej, zależy wprost proporcjonalnie od jej obciążenia, a odkształcenie

napięcia piątą harmoniczną jest najbardziej znaczące i ma decydujący wpływ na wartość

THDV. Współczynnik odkształcenia na szynach 30 kV zmieniał się w granicach (2.0–5.6) %.

Rys. 6. Wartość współczynnika THDV w ciągu doby w linii 110 kV

Fig. 6. Changes of THDV coefficient on 110 kV side

Współczynnik odkształcenia na szynach 110 kV był znacznie mniejszy niż na szynach 30

kV i zmieniał się w granicach (0.45 – 1.4)%.

Inną miarą stopnia obciążenia na szynach 30 kV jest zarejestrowana moc czynna

piętnastominutowa P(15), przeliczona na okresy dziesięciominutowe P(10).

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obliczeń można stwierdzić, że odkształ-

cenie na szynach 30 kV zależy głównie od stopnia obciążenia przekształtnika trakcyjnego.

Wzrost poboru mocy powoduje wzrost prądu i wzrost współczynnika THDv.

Drugą serię pomiarów przeprowadzono na szynach 10 kV, z których zasilano odbiorców

bytowo-komunalnych. W tym przypadku odbiornikami są zarówno odbiorniki liniowe, jak

i nieliniowe (urządzenia RTV, AGD i oświetleniowe).

Zmiany odkształcenia na szynach 10 kV w ciągu doby przedstawione na rysunku 7,

zależą przede wszystkim od zmian dobowego obciążenia i osiągają wartości graniczne

w czasie szczytu dziennego oraz doliny nocnej. Zaobserwowany poziom odkształcenia jest

mniejszy niż na poziomie napięcia 30 kV i zmienia się w granicach od 0.8% (pora nocna) do

2.4% (godziny popołudniowe i wieczorne). Na szynach 10 kV dominującą harmoniczną jest

piąta harmoniczna.

Page 7: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

Ocena zawartości wyższych… 23

Tabela 1

Przykładowe wartości współczynnika THDV na szynach 30 kV

oraz średnia wartość prądu i mocy czynnej pobieranej przez podstację trakcyjną

Lp. THDV Iśr P10

% A kW

1 1,85 17,91 1224

2 2,46 23,4 1573

3 2,68 25,6 1674

4 3,05 29,65 1980

5 3,36 33,27 2257

6 3,72 37,46 2502

7 4.05 43,01 2800

8 4,52 49,37 3142

9 5,03 58,22 3450

10 5,61 65,27 3931

Rys. 7. Wartość współczynnika THDV w ciągu jednej doby w linii 10 kV

Fig. 7. Changes of THDV coefficient on 10 kV side

Wartość prądu pobieranego z sieci 10 kV w czasie szczytu dziennego (godz. 7.00 –

10.00) wynosi 125 A, a w okresie tzw. doliny nocnej (godz. 23.30 – 4.30) wartość prądu

maleje do 70 A.

Na rysunkach 2–7 przedstawiono wybrane przebiegi, jakie otrzymano w wyniku obróbki

cyfrowej zarejestrowanych napięć, na poszczególnych poziomach napięć.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów (rys. 3, 5, 6, 7) stwierdzono, że współ-

czynnik odkształcenia THDV na poszczególnych poziomach napięć transformatora trójuzwo-

jeniowego 110/30/10 kV, mierzony w okresach 10-minutowych w badanym układzie (rys. 1),

nie przekroczył wartości dopuszczalnych określonych w normie EN 50160.

Page 8: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

24 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz

2. OBLICZENIA NUMERYCZNE

Układ z rysunku 1 poddano analizie numerycznej, wykorzystując program Micro-Cap

[5]. Przy określonej mocy zwarcia na szynach 110 kV przeprowadzono obliczenia rozpływu

prądów i rozkładu napięć w układzie przedstawionym na rys.,8 przy założeniu mocy

zwarciowej Szw110 = 400 MVA.

Parametry (Rs, Ls) reprezentujące trójfazowy układ zasilania o napięciu Up = 110 kV

wynoszą odpowiednio: [6]

6

32

10400

)10110(1,11,1

ZW

p

SS

UX = 33,2Ω (5) (4)

mH106

sS

XL (6) (5)

3.31,0 SS XR

(7) (6)

X4

V1 R1L1

X5

X6

V2 R2L2

V3 R3L3

R4 R5 R6

X10

X11

X12

R10

X1 X2X3

X13 X14 X15

L4

R11R12

R13

R14

L5

L6

L7

L8

L9 R15

L10 R16

R17

R18

R19

W11

V11

U11

W

V

U

W11

V11

U11

1 2

34

5 6 7

8

910

11

12

13 14 15

16 17 18

19 20 21

22 23

2425

26

27

28

29

3031

32

33

34

35

Rys. 8. Schemat układu przyjęty do badań symulacyjnych Fig. 8. Circuit model of the network with 6-pulse rectifier

Na rysunku 8 wartości Rs oraz Ls oznaczone są w poszczególnych fazach jako:

Rs=R1=R2=R3 oraz Ls =L1=L2=L3.

Przekładnie transformatora 110/30/10 kV wynoszą 30/110=30/110=0,282 oraz

10/110=10/110=0,091. Parametry linii zasilającej 110 kV o długości 25 km wynoszą

R12=R13=R14=3,12 Ω; L5=L6= L7= 32mH; rezystancje R4=R5=R6=R+Rh(t) symulują odbior-

ców komunalnych zasilanych z szyn 10 kV.

Rezystancja i indukcyjność linii napowietrznej zasilającej podstację trakcyjną

z prostownikiem sześciopulsowym oznaczone są odpowiednio jako: R11=R15=R16 oraz

L8=L9=L10.

Page 9: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

Ocena zawartości wyższych… 25

0.000m 20.000m 40.000m 60.000m 80.000m 100.000m-24.000

0.000

24.000

i(R13) (A)

T (Secs)

0.000m 20.000m 40.000m 60.000m 80.000m 100.000m-120.000

0.000

120.000

i(R15) (A)

T (Secs)

0.000m 20.000m 40.000m 60.000m 80.000m 100.000m-100.000

0.000

100.000

i(R18) (A)

T (Secs)

Micro-Cap 8 Evaluation Version

110-30-15-POJ.CIR

Rys. 9. Przebiegi czasowe prądów odpowiednio w linii: a) 110 kV, b) 30 kV, c) 10 kV w obwodzie

z rys. 8

Fig. 9. Transient signals of current : a) 110 kV, b) 30 kV, c) 10 kV in circuit from fig.8

Na rysunku 9 zamieszczono przebiegi czasowe prądów na poszczególnych poziomach

napięć transformatora trójuzwojeniowego, otrzymane z badań symulacyjnych obwodu

z rys. 8. Wartości wyjściowe (skuteczne) prądów, przyjęte do obliczeń, są wartościami

średnimi prądów obciążenia trakcji elektrycznej oraz odbiorców bytowo-komunalnych.

Wszystkie przebiegi są silnie odkształcone.

0.000K 0.250K 0.500K 0.750K 1.000K 1.250K0.000

6.000

12.000

18.000

24.000

30.000

IHD(HARM(i(R15)),50) (%)F (Hz)

Micro-Cap 8 Evaluation Version110-30-15-POJ.CIR

Percent Distortion of i(R15) vs Frequency

Rys. 10. Widmo prądu na szynach 30 kV

Fig. 10. Spectrum of current on 30 kV bus bar

Na rysunku 10 przedstawione jest przykładowe widmo prądu na szynach 30 kV (jako

najbardziej odkształconego). Procentowa zawartość dominującej piątej harmonicznej wynosi

21.15%, a harmonicznej siódmej jest dwukrotnie mniejsza – 11.95%. W prądzie tym

występują pozostałe harmoniczne określone zależnością (1). Procentowe zawartości

wszystkich wyższych harmonicznych prądów na trzech poziomach napięć w układzie z rys. 9

przedstawiono w tablicy 2.

Na podstawie analizy wartości przedstawionych na rys. 11 wynika, że dominującą

harmoniczną w tym napięciu jest piąta harmoniczna, a jej procentowa zawartość wynosi

1,6%. W odkształconym napięciu 30 kV występują również wyższe harmoniczne określone

za pomocą wzoru (1).

a)

b)

c)

Page 10: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

26 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz

0.000K 0.250K 0.500K 0.750K 1.000K 1.250K0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

IHD(HARM(V(25)),50) (%)F (Hz)

Micro-Cap 8 Evaluation Version110-30-15-POJ.CIR

Percent Distortion of V(25) vs Frequency

Rys. 11. Widmo napięcia na szynach 30 kV

Fig. 11. Spectrum of voltage on 30 kV bus bar

0.000K 0.250K 0.500K 0.750K 1.000K 1.250K0.000m

120.000m

240.000m

360.000m

480.000m

600.000m

IHD(HARM(V(1)),50) (%)F (Hz)

Micro-Cap 8 Evaluation Version110-30-15-POJ.CIR

Percent Distortion of V(1) vs Frequency

Rys. 12. Widmo napięcia na szynach 110 kV

Fig. 12. Spectrum of voltage on 110 kV bus bar

Na rysunkach 11 i 12 przedstawione są wyniki analizy widmowej napięć na szynach

30kV oraz 110kV w transformatorze trójuzwojeniowym 110/30/10 kV.

Jak wynika z danych na rysunku 12, na poziom napięcia 110 kV przenoszą się wyższe

harmoniczne generowane przez podstację trakcyjną zasilaną z szyn 30 kV oraz przez

odbiorców komunalnych zasilanych z szyn 10 kV. Procentowa zawartość dominującej piątej

harmonicznej jest trzykrotnie mniejsza od analogicznej harmonicznej na poziomie 30kV

i wynosi tylko 0,45%, a współczynnik THDV jest równy jedności. Procentowy udział

wyższych harmonicznych występujących na trzech poziomach napięć w układzie na rys. 9

przedstawiono w tablicy 2.

Z analizy wartości zamieszczonych w tablicy 2 wynika, że współczynniki THDV oraz

procentowe zawartości wyższych harmonicznych napięć nie przekroczyły dopuszczalnych

wartości, określonych przez normę EN 50160.

Page 11: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

Ocena zawartości wyższych… 27

Tablica 2

Procentowe zawartości wyższych harmonicznych prądów i napięć

w transformatorze trójuzwojeniowym 110/30/10 kV

Rząd harmonicznej

Odkształcenie prądu Odkształcenie napięcia 110 kV 30 kV 10 kV 110 kV 30 kV 10 kV

% % % % % % 5 13,47 21,15 4,56 0,45 1,6 0,49 7 9,14 11,95 5,27 0,42 1,3 0,39

11 5,43 8,02 0,22 0,4 1,37 0,4 13 4,06 6,07 0,62 0,35 1,2 0,35 17 2,94 4,37 0,35 0,33 1,15 0,33 19 2,38 3,55 0,32 0,3 1,02 0,3 23 1,71 2,55 0,28 0,26 0,92 0,26 25 1,42 2,12 0,25 0,23 0,8 0,24

THD[%] 18,17 27,1 7,03 1,0 3,4 1,0

Obliczenia numeryczne wykonano przyjmując dane, występujące w warunkach rzeczy-

wistych. Dla przyjętych wartości prądów stwierdzono zgodność rezultatów otrzymanych

z badań symulacyjnych i z pomiarów.

Opracowany program pozwala na przeprowadzenie badań symulacyjnych rozpływu

prądów i rozkładu napięć dla różnych wariantów obciążenia oraz różnych mocy zwarcio-

wych. Program ten można zatem wykorzystywać w układach, w których istnieje potrzeba

określania lub zmniejszania odkształcenia napięcia.

4. PODSUMOWANIE

W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i symulacyjnych pozwa-

lających na określenie zawartości wyższych harmonicznych napięcia i prądu w układzie

zasilania z transformatorem trójuzwojeniowym 110/30/10 kV na trzech poziomach napięć.

W obu przypadkach dominująca jest piąta i siódma harmoniczna. Należy dodać, że dla

obwodów trakcyjnych, wartość piątej harmonicznej jest większa o kilka procent od siódmej.

Duża moc zwarciowa na szynach 110kV powoduje, że wyższe harmoniczne prądu nie

powodują wzrostu THDV poza wartości dopuszczalne. Poziom odkształcenia napięcia

określony jest przez wartość współczynnika THDV, a znajomość wyższych harmonicznych

prądu jest jedną z danych służących do projektowania pasywnych filtrów rezonansowych

ograniczających odkształcenie napięć. Określenie odkształconego prądu odbiornika nieli-

niowego oraz poziomu odkształcenia napięcia w węźle systemu elektroenergetycznego,

z którego zasilane są odbiorniki nieliniowe, mają zatem praktyczne znaczenie.

Jednoczesna rejestracja przebiegów na różnych poziomach napięć daje informację

o rzędzie generowanych wyższych harmonicznych prądów i napięć przez odbiorniki nielinio-

we, a co za tym idzie ich występowania w systemie elektroenergetycznym.

Page 12: OCENA ZAWARTOŚCI WYŻSZYCH HARMONICZNYCH NAPIĘCIA I … · 2015. 2. 10. · 18 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz Keywords: higher harmonics of voltages and currents, rectifier

28 W. Brociek, S. Bolkowski, R. Wilanowicz

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów napięć, a następnie ich obróbce cyfrowej,

określono: zawartości wyższych harmonicznych napięcia, współczynnik odkształcenia THDV

oraz zależności między pobieraną mocą czynną przez podstację trakcyjną a współczynnikiem

THDV, w węźle systemu elektroenergetycznego, z którego zasilana jest podstacja. Opracowany

przez autorów program można wykorzystywać do określania stopnia odkształcenia napięcia

w układach zasilania, wywoływanych pracą odbiorników nieliniowych o charakterystykach

niezdeterminowanych. Obliczenia numeryczne pozwalają również na określenie wybranych

parametrów jakości energii elektrycznej i porównanie ich z danymi w warunkach rzeczywistych.

Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki

BIBLIOGRAFIA

1. Bolkowski S.: Teoria obwodów elektrycznych. WNT, Warszawa 2012.

2. Brociek W., Wilanowicz R.: Elimination of higher harmonics of voltage in the power sys-

tems supplying the rectifier circuit. „Przegląd Elektrotechniczny” 2012, No. 3a, p. 43-46.

3. Brociek W., Wilanowicz R., Filipowicz Z.: Frequency characteristics of the power line

with nonlinear load. „Przegląd Elektrotechniczny” 2009, No. 4, pp.62-64.

4. Brociek W., Wilanowicz R.: Estimation of voltage and current distortions in the power

system supplying the AC arc furnace. „Przegląd Elektrotechniczny” 2011, No. 87 (7),

127-129.

5. Pasko M., Maciążek M., Buła D.: Wprowadzenie do zagadnień analizy jakości energii

elektrycznej. „Wiadomości Elektrotechniczne” 2007, nr 4, s.4 – 9.

6. Szeląg A.: Zagadnienia analizy i projektowania systemu trakcji elektrycznej prądu stałego

z zastosowaniem technik modelowania i symulacji. PN „Elektryka” Z. 123, 2002. Oficyna

Wydawnicza P.W.

Dr inż. Wiesław BROCIEK, Prof. dr hab. inż. Stanisław BOLKOWSKI

Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny

Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Systemów Informacyjno-Pomiarowych

pl. Politechniki 1, Gmach Elektrotechniki, p. 216

00-661 Warszawa

e-mail: [email protected]

[email protected]

Dr inż. Robert WILANOWICZ

Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu

Wydział Transportu i Elektrotechniki; Instytut Systemów Transportowych i Elektrotechniki

ul. J. Malczewskiego 29

26-600 Radom

e-mail: [email protected]