Ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος σε εγκαταστάσεις κτιρίων χαμηλής τάσης

Η μεγάλη διαθεσιμότητα της ηλεκτρικής ενέργειας ήταν ο κύριος λόγος για την ταχύτατη περαιτέρω ανάπτυξη του δικτύου. Σταδιακά οι απαιτήσεις σε ενέργεια αυξάνονταν σημαντικά φτάνοντας σχεδόν την πλήρη χωρητικότητα των τοπικών δικτύων. Η συνεχής και αξιόπιστη κάλυψη της συνεχώς αυξανόμενης ζήτησης ήταν ένα μεγάλο πρόβλημα για τη ΔΕΗ. Προσωρινή λύση αποτέλεσε η ανάπτυξη αποτελεσματικότερων μεθόδων χρήσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Η αύξηση της απόδοσης με χρήση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων οδήγησε στη δημιουργία μη γραμμικών φορτίων και άλλων συστημάτων σε όλους τους καταναλωτές με παράλληλο όμως υποβιβασμό της Ποιότητας Παρεχόμενης Ηλεκτρικής Ισχύος.

Η Ποιότητα τάσης (Voltage quality) σχετίζεται με την απόκλιση της τάσης από την ιδανική. Ιδανική τάση είναι ένα καθαρό ημίτονο μίας συχνότητας, που χαρακτηρίζεται από σταθερή τιμή πλάτους και συχνότητας. Η Ποιότητα ρεύματος (Current quality) είναι ο συμπληρωματικός όρος της ποιότητας τάσεως. Σχετίζεται με τη απόκλιση του ρεύματος από την ιδανική τιμή του ρεύματος. Το ιδανικό ρεύμα είναι και σε αυτήν την περίπτωση ένα απλό ημίτονο της ίδιας σταθερής συχνότητας σε φάση με αυτό της τάσης. Ποιότητα ισχύος (power quality) είναι ο συνδυασμός της ποιότητας τάσεως και της ποιότητας ρεύματος.

Η διατήρηση της Ποιότητας Ηλεκτρικής Ισχύος σε προκαθορισμένα επίπεδα είναι ένα θέμα που στην αρχή εξαρτιόταν μόνο από την εταιρεία παροχής, όμως με τον καιρό άρχισε να εξαρτάται και από τους καταναλωτές. Έτσι, δημιουργήθηκαν συγκεκριμένα πρότυπα που θέτουν όρια για κάθε διαταραχή και πρέπει να τηρούνται αυστηρά εκατέρωθεν (IEC, EN50160).

Εμφάνιση προβλημάτων

Συχνά σε εγκαταστάσεις κτιρίων χαμηλής τάσης παρατηρούνται:

• Ξαφνικές διακοπές λειτουργίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών, δυσλειτουργία ή διάφορα προβλήματα κατά τη χρήση τους.
• Δυσλειτουργία ή λάθη σε ελεγκτές, PLC, κλπ.
• Αυξημένη παρουσία αρμονικών της τάσης και του ρεύματος έχοντας ως συνέπεια τη δυσλειτουργία κάποιων ευαίσθητων ηλεκτρονικών συσκευών
• Διακοπές στη λειτουργία των συστημάτων ελέγχου ταχύτητας των AC κινητήρων (inverters)
• Τα ψηφιακά συστήματα χρονισμού («ρολόγια») αναβοσβήνουν ή αποσυγχρονίζονται – χάνουν το σωστό χρονισμό τους.
• Συντομότερη γήρανση, βλάβη ή/και καταστροφή συσκευών και εξοπλισμού, κ.ά.
• Αυτά τα προβλήματα μπορούν να προκαλέσουν από μια απλή ενόχληση έως και ζημιά με σημαντικό χρηματικό κόστος.

Είδη διαταραχών

Οι διαταραχές διακρίνονται κυρίως σε διαταραχές συχνότητας, τάσης και κυματομορφών, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1.

Δ Ι Α Τ Α Ρ Α Χ Ε Σ	Συχνότητας	Διακύμανση της συχνότητας τροφοδοσίας
	Τάσης	1.      Διακύμανση του πλάτους της παρεχόμενης τάσης 2.      Ταχείες μεταβολές της τάσης 3.      Βύθιση τάσης και παροδική υπέρταση 4.      Διακοπές της τάσης 5.      Φλίκερ 6.      Ασυμμετρία φάσεων
	Κυματομορφής	1.      Μεταβατικές υπερτάσεις (transient overvoltage) 2.      Αρμονικές τάσης 3.      Ενδιάμεσες αρμονικές (interharmonics) 4.      Περιοδική διαταραχή, ακμή (notching) & Θόρυβος (Noise)

Πίνακας 1. Πίνακας κατηγοριοποίησης διαταραχών

Οι διακυμάνσεις στην συχνότητα τροφοδοσίας δημιουργούνται όταν η ισορροπία μεταξύ της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και των φορτίων αλλάξει κάτι που σε κανονικές συνθήκες είναι σπάνιο, δεδομένου ότι εμφανίζεται κυρίως σε απομονωμένα δίκτυα.

Οι μεταβολές της τάσης μικρής διάρκειας (κάτω από 1 λεπτό). Ονομάζονται βυθίσεις (sags) για τάσεις ανάμεσα στο 10% – 90% της κανονικής τάσης ή υπερυψώσεις (swells) για τάσης μεγαλύτερες από το 110% (Βλ.Σχήμα1). Προκαλούνται από ζεύξη/απόζευξη μεγάλων φορτίων στο δίκτυο. Προκαλεί προβλήματα σε ευαίσθητο ηλεκτρονικό εξοπλισμό και επιλύεται με παρεμβάσεις στον τρόπο ζεύξης/απόζευξης.

Οι μεταβολές τάσεις μεγάλης διάρκειας (πάνω από 1 λεπτό). Ονομάζονται υποτάσεις (undervoltages) αν είναι λιγότερο από 90% της κανονικής τάσης, ή υπερτάσεις (overvoltages) αν είναι μεγαλύτερες από το 110%. Σημαντικά υπολογιστικά συστήματα και τηλεπικοινωνιακός εξοπλισμός πρέπει να προστατεύονται από UPS.

Ασυμμετρία τάσης και ρεύματος. Εμφανίζεται όταν υπάρχει διαφορά στην ενεργό τιμή της τάσης μεταξύ των φάσεων ή όταν η γωνία μεταξύ των φάσεων αποκλίνει από τις 120°. Επιλύεται με ανακατανομή των μονοφασικών φορτίων ισομερώς σε όλες τις φάσεις, με ανάλογη συμμετρική κατανάλωση ρεύματος.

Διακοπές, όπου η παροχή χάνεται τελείως για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ανάλογα με τη συχνότητά τους και την κρισιμότητα των φορτίων πρέπει να υπάρχουν εναλλακτικοί τρόποι τροφοδοσίας όπως Η/Ζ, UPS.

Συνεχείς ή τυχαίες εναλλαγές της τάσης (voltage fluctuations), οι οποίες παρατηρούνται σαν ένα ελαφρύ οπτικό τρεμόπαιγμα που μπορεί να οδηγήσει σε οπτική ενόχληση λόγω αστάθειας της έντασης του φωτός.

Αρμονικές ρεύματος/τάσης πολλαπλάσιας συχνότητας από τη θεμελιώδη (50Hz) και κάποιου πλάτους προκαλούνται κατά την τροφοδοσία φορτίων με ηλεκτρονικά ισχύος (π.χ. η τηλεόραση, οι υπολογιστές και οι λάμπες εξοικονόμησης ενέργειας), σε αυτόνομα συστήματα ΑΠΕ, κατά τη φόρτιση συσσωρευτών, σε καταστάσεις ασυμμετρίας παροχής, κλπ. Τα όργανα μετρούν μέχρι την 50η τάξη, δηλ.2500Hz. Επίλυση του προβλήματος των αρμονικών γίνεται κατά περίπτωση.

Σε μια παραμορφωμένη κυματομορφή οι Συντελεστές Αρμονικής Παραμόρφωσης τάσης και ρεύματος THVv,i δείχνουν το περιεχόμενο ανεπιθύμητων αρμονικών συνιστωσών (βλ.Σχήμ. 2 & 3), οι οποίες πέραν της θεμελιώδους (50Hz) είναι οι αιτίες όλων των σχετικών προβλημάτων και υπολογίζονται ως εξής:

Αντιμετώπιση θεμάτων ποιότητας ισχύος

Η γνώση των ανωτέρω διαταραχών είναι απαραίτητη για τη διάγνωση ενός προβλήματος και είναι θεμελιώδους σημασίας για την έναρξη της επίλυσής του. Για τη διάγνωση του όποιου προβλήματος απαραίτητη είναι η μέτρηση με αναλυτή ηλεκτρικής ενέργειας και ισχύος (βλ.Σχήμα 4). Κατά την ανάλυση των μετρήσεων, ανιχνεύονται οι διαταραχές, αποθηκεύονται και είναι πλέον δυνατή η αποτύπωση και περαιτέρω ανάλυση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών, ώστε να διαστασιολογηθεί ορθά η οποιαδήποτε λύση.

Συμπεράσματα

Ως κυριότερα συμπεράσματα της παρουσίασης αυτής μπορούν να σημειωθούν τα ακόλουθα:

• Η παρεχόμενη ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος παραμένει θέμα μεγάλης σημασίας.
• Υπάρχει έλλειψη ενημέρωσης για τις διαταραχές και τις επιπτώσεις τους στον ηλεκτρικό εξοπλισμό.
• Παλαιά και νέα μη γραμμικά φορτία προκαλούν φθορές, γήρανση ή και καταστροφή του εξοπλισμού στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις.
• Πολλοί καταναλωτές δεν έχουν προστατευτικό εξοπλισμό κατά των διαταραχών.
• Υπάρχουν σοβαρές απώλειες εισοδήματος από διαταραχές του δικτύου.
• Ο ΔΕΔΔΗΕ/ΔΕΗ πρέπει να λάβει σοβαρότερα μέτρα διασφάλισης της παρεχόμενης ισχύος.
• Υπάρχει πλέον η τεχνογνωσία για την ανάλυση των προβλημάτων και εύρεση λύσεων.

Βιβλιογραφία

1) «Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές», Μ.Π. Παπαδόπουλος Καθ.ΕΜΠ-1997.

2) «Αξιοπιστία συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας», Ε. Διαλυνάς, Καθ.ΕΜΠ-1996.

3) «Ηλεκτρονικά Ισχύος», Στ. Ν. Μανιάς, Καθ.ΕΜΠ-2014.

4) Βόκας Γ., et al, “Ποιότητα παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος”, TEE-1993.

5) H.J.Bollen, “ What is Power Quality?”, Electric Power Systems Research-2003.

6) T.Heydt, “Power Quality Engineering”, IEEE Power Engineering Review-2001.

7) A. Vokas, P.A. Langouranis, P.A. Kontaxis, F.V. Topalis, «Analysis of power quality field measurements and considerations on the power quality standard», ΑΕΙ- ΠειραιάΤΤ, JARR-2015.

Γράφει ο Γεώργιος Βόκας, Αναπληρωτής Καθηγητής ΑΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΤ