Praktični primer – Rezonansa u niskonaponskoj mreži

Ovom analizom ukazuje se na moguće greške prilikom izbora tipa opreme kod kompenzacije reaktivne snage. U prezentovanom slučaju, u pogonu u kome postoje izvori viših harmonika ugrađena je oprema za kompenzaciju klasičnog tipa (kondenzatorske baterije, kontaktori, regulator,…). Time je izazvana rezonansa i došlo je do pojačanja struja viših harmonika i izobličenja napona, te otkaza i nepouzdanog rada osetljive opreme. Takođe došlo je i do pregrevanja kablova na ormanu kompenzacije, reagovanja osigurača i ubrzanog pregorevanja kondenzatorskih baterija.

Opis problema

Transformator: 1 x 630 kVA, Dy5.

Snaga i tip opreme za kompenzaciju reaktivne snage: 350 kVAr, klasična, kontaktorska.

Jednopolna šema objekta prikazana je na slici 1.

Slika 1.: Jednopolna šema pogona

U cilju smanjenja troškova reaktivne energije ugrađena je oprema za kompenzaciju reaktivne snage klasičnog tipa sa kontaktorima. Jednopolna šema pogona data je na slici 1. Po puštanju u rad izgledalo je da kompenzacija vrši svoju funkciju: reaktivna snaga transformatora je pala na minimum, a faktor snage je dostigao zadatu vrednost.

Slika 2. Aktivna i reaktivna snaga transformatora

Posle dva meseca počele su da otkazuju kondenzatorske baterije. S obzirom da je orman bio u garantnom roku isporučilac opreme je uredno menjao baterije. Iako je grejanje baterija i kablova bilo izuzetno visoko isporučilac opreme nije preduzeo nikakvu akciju po tom pitanju. Posle četiri meseca rada, baterije su i dalje pregorevale u redovnim vremenskim intervalima. Dodtno papučice na napojnim kablovima su počele da se deformišu i oksidiraju, a izolacija kablova je vidno ostarila i postala krta. Problem je postao očigledan tek u letnjem periodu, kada je usled visokih temperatura došlo do usijanja napojnog kabla i ubrzanog pregorevanja baterija.

Analiza problema

Pregled postrojenja kompenzacije

Pregledom postrojenja utvrđeno je da oprema u ormanu kompenzacije reaktivne snage funkcioniše naizgled normalno. Uključenjem kondenzatorskih baterija smanjuje se reaktivna snaga transformatora, transformator se strujno rasterećuje i popravlja se faktor snage na 0,98 (v. sliku 2.).  Očigledni pozitivni efekti su prisutni: strujno rasterećenje transformatora i prenosnih vodova, visok faktor snage, itd… Izgledalo je kao da uzrok problema u radu pogona treba tražiti na drugoj strani.

Merenje kvaliteta napona

U cilju analize problema, pristupilo se detaljnim merenjima u trafo stanici. Merenjem harmonijskih izobličenja napona i struja utvrđeno je da u normalnom radnom režimu (bez uključenog ormana kompenzacije) THD faktor napona iznosi 1.8%, a struje 3.7%. Uključenjem ormana kompenzacije THD faktor napona raste do 4.5%  a THD faktor struje do 30% (v. sliku 4). Isključenjem ormana kompenzacije vrednosti THD-a vraćaju se na početne vrednosti. Očigledan je nesrazmeran porast harmonijskih izobličenja napona i struja sa uključenjem kondenzatorskih baterija. Sve ukazuje da je prisutna rezonansa.

Slika 4.: THD faktor napona i struja

Talasni oblici napona i struja pre i posle uključenja kompenzacije reaktivne snage prikazani su na slikama 5.i 6.. Očigledno je povećanje izobličenja pri uključenoj opremi za kompenzaciju.

Slika 5.: Talasni oblici napona i struja pre uključenja ormana kompenzacije

Slika 6: Talasni oblici napona i struja posle uključenja ormana kompenzacije

Efekti rezonanse

Analizom harmonijskog sadržaja napona i struja, sa uključenom i isključenom kompenzacijom reaktivne snage, utvrđeno je da je došlo do povećanja sadržaja svih viših harmonika struje. Najviše je povećan 7-i harmonik (slike 8. i 9.). Gledano u apsolutnim iznosima (u amperima) stuja 7. harmonika porasla je više od 10 puta. Ovako visoka vrednost struje viših harmonika izazvala je dodatna izobličenja napona i povećanje THD faktora napona. Ovako izobličen napon odražava se na sve potrošače u pogonu i izaziva reagovanje zaštita i resetovanje osetljivih potrošača. Usled visokog sadržaja struja viših harmonika dolazi do pregrevanja napojnih kablova i kondenzatora i svi uslovi za havariju su se stekli.

Slika 8.: Harmonijski sadržaj napona i struja pre uključenja kompenzacije

Slika 9.: Harmonijski sadržaj napona i struja posle uključenja kompenzacije

Uzrok problema – rezonansa

Rezonansa se ne može predvideti paušalnim i površnim metodama, što se vidi iz ovog slučaja. Neobučeni izvođači radova, zaključujući pojednostavljeno samo na osnovu par parametara kvaliteta napona, odlučuju se za ugradnju klasične opreme za kompenzaciju reaktivne snage. U ovom slučaju to se pokazalo kao pogrešna odluka. Neophodno je pre ugradnje opreme za kompenzaciju izvršiti stručnu analizu uticaja ugradnje opreme za kompenzaciju na kvalitet napona u pogonu.

Zanimljiva činjenica je da pogoršan kvalitet napona najviše šteti samim kondenzatorskim baterijama. Zbog visokih izobličenja napona i zatvaranja viših harmoničnih komponenti struja preko kondenzatorskih baterija, THD faktor struje kondenzatorskih baterija je dostigao 29%. Ovo je gornji limit koji proizvođači predmetnih baterija dozvoljavaju. Očigledno je da je baterija radi na granici svojih mogućnosti i da to uzrokuje skraćenje životnog veka i prevremeni otkaz baterije.

Posle izvršene analize, investitoru je predloženo da postojeću opremu za kompenzaciju reaktivne snage trajno isključi i da izvrši rekonstrukciju u postrojenje filterskog tipa. Na taj način će se sprečiti nastanak rezonanse a izvršiće se funkcija smanjenja reaktivne snage koja se preuzima iz mreže.

Sa ovakvim razvojem događaja investitor je izložen dodatnim troškovima, i ono što je u početku izgledalo kao jeftino rešenje pokazalo se kao neodgovarajuće i najskuplje moguće rešenje.

Zaključak – kako da se izbegne rezonansa

Primenjeni tip kompenzacije je neodgovarajući za predmetni pogon, čime je prouzrokovana rezonansa. Ovakav režim rada se mora po svaku cenu izbeći. Posledica rezonanse je veliko pogoršanje kvaliteta napona, čime se kvare uslovi za pouzdan i dugotrajan rad celokupne električne opreme u pogonu. U ovom slučaju parametri kvaliteta napona pre ugradnje opreme nisu očigledno ukazivali na mogućnost nastanka rezonanse. Pojednostavljenim zaključivanjem izvođači radova zanemarili su ostale relevantne parametre. Da je izvršena stručna analiza svih parametara kvaliteta napona, nastanak rezonanse bi bio predviđen. Pre ugradnje kondenzatorskih baterija obavezna je stručna analiza i mreže i potrošača u cilju predviđanja ponašanja mreže posle ugradnje baterija. Tek na osnovu toga moguće je odrediti tip opreme za kompenzaciju reaktivne snage. U ovom slučaju neophodna je rekonstrukcija postojećeg postrojenja u filterski tip kompenzacije reaktivne snage. Tek na taj način izvršiće se funkcija smanjenja potrošnje reaktivne energije a kvalitet napona će ostati nepromenjen. To je ujedno i definicija uspešno izvedenog projekta kompenzacije reaktivne energije.

Napomena: Svi prezentirani podaci i snimci su izmereni na konkretnim objektima. Svi rezultati su realni i ni na koji način nisu izmenjeni ili prilagođavani. Svi grafikoni su izmereni od strane Avalon Partners d.o.o. i kao takvi su vlasništvo Avalon Partners d.o.o., te se ne smeju umnožavati ili distribuirati bez izričitog odobrenja Avalon Partners d.o.o.