Überblick
Da die Regulierungsbehörden immer strengere Anforderungen an die Stromqualität stellen, möchten die Versorgungsunternehmen zunehmend wissen, welcher Kunde Oberschwingungen und Flicker in das Stromnetz einbringt. Daher werden wir oft gefragt, ob wir die „Richtung“ des harmonischen Stromflusses bestimmen können und was gegen Flicker getan werden kann.
Harmonischer Leistungsfluss
Harmonische verursachen wie Grundfrequenzen einen Energiefluss innerhalb von Stromsystemen. Die Leistung bei jeder Harmonischenfrequenz wird durch das Produkt aus Effektivwert der harmonischen Spannung und des harmonischen Stroms und dem Kosinus des Phasenwinkels zwischen ihnen bestimmt. Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass, wenn die Last eines Kunden Harmonische erzeugt, der Leistungsfluss immer vom Kunden zum Versorgungsunternehmen erfolgt. Dies hängt jedoch vom Phasenwinkel der Leitung des Versorgungsunternehmens bei der Harmonischenfrequenz ab. Die Impedanz bei diesen Frequenzen ist hochgradig reaktiv, was zu minimaler Wirkleistung und erheblicher Blindleistung (VARs) führt. Diese Interaktion kann unter bestimmten Bedingungen dazu führen, dass der Wirkleistungsfluss die Richtung umkehrt. Die Leistung bei jeder Harmonischen ist gegeben durch:
wobei Vh und Ih die Effektivwerte der harmonischen Spannung und des harmonischen Stroms und der Phasenwinkel zwischen ihnen sind. Es wird oft angenommen, dass, wenn die Last eines Kunden Oberschwingungen erzeugt, die Richtung des Leistungsflusses vom Kunden zum Versorgungsunternehmen verläuft. Dies ist möglicherweise nicht richtig. Ob dies zutrifft oder nicht, hängt vom Phasenwinkel der Leitung des Versorgungsunternehmens bei der harmonischen Frequenz ab. Dies kann nicht genug betont werden, da es sehr wahrscheinlich ist, dass die Impedanz bei diesen Frequenzen hochgradig reaktiv ist. Dies bedeutet, dass es sehr wenig Wirkleistung geben wird (es werden hauptsächlich Blindleistungen sein), und im Falle einer Wechselwirkung zwischen der Leitungsimpedanz und der Lastimpedanz des Kunden kann der Wirkleistungsfluss tatsächlich in die andere Richtung verlaufen. Aufgrund dieser großen Phasenverschiebungen (verursacht durch Leitungsinduktivität und Streuinduktivität von Transformatoren) wird es ohnehin relativ wenig Wirkleistung geben. Glücklicherweise gibt es einen besseren Weg.
Relative Signalstärken
Ein nützlicheres Mittel, um festzustellen, ob ein Kunde Oberschwingungen in das System einbringt, besteht darin, die relative Größe der Oberschwingungen als Prozentsatz der Grundspannung und des Grundstroms zu betrachten. Wenn der Kunde Oberschwingungen erfährt, die ihm vom Versorgungsunternehmen aufgezwungen werden, dann sind die relativen Größen des Oberschwingungsstroms kleiner oder gleich der relativen Größe der Oberschwingungsspannung. Wenn beispielsweise die dritte Spannungsoberschwingung 3,1 % und die dritte Stromoberschwingung 2,8 % beträgt, dann würden wir erwarten, dass der Oberschwingungsstrom das Ergebnis der Oberschwingungsspannung auf der Leitung des Versorgungsunternehmens ist. Da die Last des Kunden wahrscheinlich eine gewisse reaktive (induktive) Komponente hat, die dazu führt, dass die Impedanz für Oberschwingungen höher ist (wodurch seine Last gewissermaßen wie ein Tiefpassfilter wirkt), würden wir erwarten, dass die Stromoberschwingung kleiner ist als die Spannungsoberschwingung, wenn man sie in Prozent ausdrückt.
Wenn jedoch das Gegenteil der Fall ist – die relative Größe der Stromharmonischen ist größer als die der Spannungsharmonischen –, dann wird die Harmonische wahrscheinlich durch die Last des Kunden dem Versorgungsunternehmen auferlegt. Dies liegt daran, dass die Leitungsimpedanz wahrscheinlich viel geringer ist als die Lastimpedanz, obwohl dieser Effekt bei hohen Frequenzen abnimmt, wie oben erläutert. Insbesondere bei den niedrigeren Harmonischen ist dies zu erwarten, und es ist beispielsweise durchaus möglich, eine Stromharmonische von 22 % bei einer Spannungsharmonischen von 3,9 % zu sehen. Aufgrund von Resonanzen ist es möglich, dass gelegentliche Harmonische übertriebene Auswirkungen haben, die Ihre Schlussfolgerung darüber, wer wem Harmonische auferlegt, entweder verstärken oder in Frage stellen. Daher sollten Sie die Harmonischen immer als Gruppe betrachten und dabei besonders auf die ersten paar Harmonischen achten (normalerweise die ungeraden, sagen wir die 3. bis 11.), bei denen die Auswirkungen der Leitungsimpedanz wahrscheinlich weniger übertrieben sind.
Ein praktischerer Ansatz zum Erkennen von vom Kunden verursachten Oberschwingungen besteht darin, die relativen Größen der Oberschwingungen als Prozentsatz der Grundspannung und des Grundstroms zu untersuchen. Wenn das Versorgungsunternehmen einem Kunden Oberschwingungen auferlegt, ist die relative Größe des Oberschwingungsstroms kleiner oder gleich der der Oberschwingungsspannung. Umgekehrt ist die relative Stromoberschwingungsgröße größer als die der Spannungsoberschwingung, wenn die Last des Kunden Oberschwingungen auferlegt. Diese Methode ist besonders zuverlässig bei Oberschwingungen niedrigerer Ordnung, bei denen die Auswirkungen der Leitungsimpedanz weniger ausgeprägt sind.
Richtung des Flimmerns
Flimmern ist ein Grundfrequenzeffekt. Die Variationen, die Flimmern verursachen, können als Seitenbänder (Modulation) des „Träger“- oder Grundsignals ausgedrückt werden. Die Frequenzen dieser Seitenbänder liegen in der Nähe des Trägers, typischerweise 0,5 bis 20 Hz entfernt, im Gegensatz zu Harmonischen, die um einen Faktor 50 entfernt werden können. Dies bedeutet, dass die Leitungsimpedanz zuverlässiger verwendet werden kann, um die Richtung des Flimmerns zu bestimmen, oder genauer gesagt, ob das Versorgungsunternehmen dem Kunden Flimmerspannungen auferlegt oder der Kunde dem Versorgungsunternehmen Flimmerströme auferlegt.
Die IEC-Normen, die Flimmern definieren, IEC 868 und die neuere IEC 61000-4-15, definieren Flimmern nur als eine Messung der Spannung. Der Grund hierfür könnte sein, dass die IEC in erster Linie an Flimmern als Beeinträchtigung interessiert war und die schädlichen Auswirkungen von Flimmern durch Spannungsmodulation entstehen. Die IEC war offenbar nicht an der praktischen Frage interessiert, woher das Flimmern kam.
Diese Frage interessiert die Energieversorger, die eine bestimmte Qualität ihrer Energie bereitstellen müssen, besonders. Denn wenn sie für schlechte Energiequalität bestraft werden, müssen sie in der Lage sein, etwas gegen das Problem zu unternehmen.
Aus diesem Grund haben wir die Flickermessung in das Modell YTPQC-AHF & YTPQC-SVG sowohl für die Spannungs- als auch für die Stromkanäle aufgenommen. Nach einer ähnlichen Logik wie bei Oberwellen würden wir erwarten, dass das Stromflimmern für die Last eines Kunden geringer oder ungefähr gleich dem für die Spannung ist, wenn er Flicker erfährt, der vom Versorgungsunternehmen verursacht wird. Das Stromflimmern wird höher (wahrscheinlich viel höher) sein als das der Spannung, wenn die Last des Kunden dem Versorgungsunternehmen Flicker verursacht. Dies liegt wiederum daran, dass die Leitungsimpedanz des Versorgungsunternehmens im Allgemeinen viel geringer ist als die Lastimpedanz des Kunden. Das Verhältnis des Flickers der Spannung zu dem des Stroms ist proportional zum Quadrat der Impedanzen. Es ist quadriert, weil die IEC-Definition von Flicker besagt, dass eine Spannungsschwankung eine „Flickerwahrnehmung“ erzeugt, die proportional zum Quadrat der Spannungsschwankung ist. Beispielsweise definiert der IEC-Standard eine Schwankung von 0,25 % Spitze bei 8,8 Hz als einen Pegel von 1,0 Wahrnehmbarkeitseinheiten. Wenn die Abweichung auf 0,5 % ansteigt, misst das Flimmermessgerät 4,0 Wahrnehmbarkeitseinheiten.
Abschluss
YTPQC-AHF und YTPQC-SVG verbessern Probleme mit der Stromqualität wie Oberschwingungen und Flimmern. Der Stand der Technik entwickelt sich in diesem Bereich rasant weiter, und Fähigkeiten, die über die Anforderungen der entsprechenden Spezifikationen hinausgehen, geben dem Benutzer mehr Spielraum bei der Untersuchung von Problemen. Einige dieser Methoden werden möglicherweise sogar Teil zukünftiger Standards.
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