Prikaz mjerenja uticaja rada elektrolučne peći na kvalitet ... - Infoteh

INFOTEH-JAHORINA Vol. 11, March 2012.
Prikaz mjerenja uticaja rada elektrolučne peći na
kvalitet električne energije
Vojislav Pantić
Strateško planiranje
Nezavisni operator sistema u BiH
Bosna i Hercegovina
v.pantic@nosbih.ba
Prof. dr Jadranka Radović
ETF u Podgorici
Univerzitet Crne Gore
Crna Gora
jradovic@ac.me
Sadržaj— Deregulacijom elektroenergetskog sektora u BiH dolazi
do razdvajanja prenosa električne energije od distribucije i
proizvodnje, što za posljedicu ima i podjelu odgovornosti u
elektroenergetskom sektoru. Veliki značaj daje se praćenju
kvaliteta električne energije kako na distributivnom tako i na
prenosnom nivou. U cilju sagledavanja slike kvaliteta električne
energije na granici prenos/distribucija Operator sistema u BiH je
izvršio mjerenje kvaliteta električne energije na nekoliko lokacija
u Bosni i Hercegovini, od kojih je jedna i postrojenje željezare
Mittal Steel u Zenici. U procesu proizvodnje željezara koristi
elektrolučnu peć kojom topi staro željezo, a koja ima značajan
uticaj na kvalitet električne energije. Pored flikera koji se
javljaju kao posljedica rada peći javljaju se i drugi pokazatelji
kvaliteta, harmonici i propadi napona. Mjerenja su obuhvatila
jednominutne prosjeke i izvršeno je poređenje rezultata mjerenja
sa dozvoljnim vrijednostima definisanim u skladu sa
standardima.
Ključne riječi: kvalitet električne energije; flikeri; harmonici;
propadi napona;
I. UVOD
Sa privrednim razvojem mijenjala se i važnost pojedinih
elemenata kvaliteta električne energije. U početku, dok je
većina potrošača bila aktivnog karaktera, osnovni problem je
bila dostupnost električne energije, a odstupanje napona i
frekvencije je bilo dovoljno održati u dozvoljenim granicama.
Kada je glavni problem dostupnost električne energije, tada
propadi, tranzijenti i slične smetnje nemaju veliki uticaj na
pojam kvaliteta električne energije, odnosno ne predstavljaju
primarni problem.
II. KONFIGURACIJA I KARAKTERISTIKE
POSTROJENJA
Mjerenje kvaliteta električne energije je izvedeno u TS
Zenica sjever 110 kV preko koje se napaja postrojenje
elektrolučne peći. Napon U 1 je mjeren na 110 kV sabirnici, a
struja I 1 kroz jedan od četiri transformatora (Tr 1) preko kojih
se napaja elektrolučna peć (Sl. 1).
Postrojenje je naponskog nivoa 110/35 kV. Napajanje peći
se vrši preko četiri paralelna transformatora 110/35 kV snage
4x31,5 MVA. Postrojenje je preko vodova 110 kV povezano
na postrojenje 220/110 kV TS Zenica 2. Veza između mreža
napona 110 kV i 220 kV je ostvarena sa dva paralelna
transformatora 220/110 kV snage 2x150 MVA. Snaga kratkog
spoja na 110 kV sabirnicama je oko 2800 MVA. Ukupno
opterećenje čini snaga 86 MVA elektrolučne peći, 18 MVA
dodatnog opterećenja i SVC (Static Var Compensator) 12
Mvar sa filterima za drugi, treći i četvrti harmonik. SVC
ujedno služi i za kompenzaciju reaktivne snage u cilju
smanjenja jačine kratkotrajnih flikera ispod Pst99%=0.7 na 110
kV nivou [1].
Sa ekonomskim razvojem kontinuitet snabdjevanja,
vrijednost napona i frekvencije i dalje ostaju bitni parametri, ali
se naglasak pomiče na skup karakteristika kojima se definiše
pojam kvaliteta električne energije. Tehničke karakteristike
električne energije isporučene kupcu posmatraju se preko
napona napajanja, tj. njegove veličine, talasnog oblika i
frekvencije. Sve navedene tehničke karakteristike moraju
zadovoljavati standarde kojima su definiše .
Slika 1.
Mjerno mjesto napona i struje
U radu su prikazani rezultati mjerenja koje je trajalo deset
dana i izvršeno je njihovo poređenje sa standardima: IEC
61000-3-6, IEC 61000-3-7 i EN 50160.
A. Kratak opis rada elektrolučne peći
Rad elektrolučne peći se zasniva na stvaranju električnog
luka pomoću kojeg se vrši pretapanje starog željeza. Pojavom
- 156 -

luka počinje proces topljenja koji se odvija u dvije faze. U
prvoj fazi (faza topljenja), koja traje oko 25 minuta, potrošnja
peći je neravnomjerna što izaziva udare snage na mreži. Druga
faza (faza refinacije), ima ravnomjerniju potrošnju i traje oko
30 minuta. U drugoj fazi, talina se zagrijava do potrebne
temperature, ubacuju se drugi materijali potrebni za finalni
proizvod [1]. Obje faze su jasno uočljive na dijagramu aktivne i
reaktivne snage (Sl. 2).
kW
17500
15000
12500
10000
7500
5000
2500
0
2000
v
TOT P-Fnd(kW) (max)
kW
25000
kVAR
2500
1500
kVAR
1000
20000
2000
500
0
TOT P-Fnd(kW) (avg)
15000
10000
1500
1000
TOT QFnd(kVAR) (avg)
-500
TOT QFnd(kVAR) (max)
12:17 12:18 12:19 12:20 12:21 12:22 12:23 12:24 12:25 12:26
30.01.2008
v
Slika 4. Ukupna aktivna i reaktivna snaga na početku procesa topljenja
500
5000
0
17:10
22.01.2008
17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20
TOT P-Fnd(kW) (avg) TOT QFnd(kVAR) (avg)
0
B. Aktivna i reaktivna snaga po fazi
Aktivna i reaktivna snaga po fazama je prikazana na „Sl.
5“. Kolebanje, posebno reaktivne snage, je mnogo veće u
jednosekundnoj nego u jednominutnoj vremenskoj bazi.
Slika 2.
Aktivna i reaktivna snaga u toku jednog ciklusa topljenja
6000
v
5000
III.
REZULTATI MJERENJA
kW
4000
3000
A. Aktivna i reaktivna snaga
U toku perioda mjerenja izvršeno je snimanje aktivne i
reaktivne snage kroz transformator Tr 1. Rezultati su dati na
„Sl. 3“ pokazujući promjene aktivne i reaktivne snage u
trajanju od jednog dana. Ciklus topljenja elektrolučne peći je
jasno vidljiv.
v
kVAR
2000
1000
0
2000
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
A P-Fnd(kW) (max) B P-Fnd(kW) (max) C P-Fnd(kW) (max)
20000
15000
00:34
31.01.2008
A QFnd(kVAR) (max) B QFnd(kVAR) (max) C QFnd(kVAR) (max)
00:36 00:38 00:40 00:42 00:44 00:46 00:48 00:50 00:52
v
kW
10000
5000
Slika 5.
Aktivna i reaktivna snaga po fazi za vrijeme jednog ciklusa
topljenja
0
5000
4000
3000
TOT P-Fnd(kW) (max)
Vrhovi u reaktivnoj snazi na početku procesa topljenja
prikazuju veliku neujednačenost između faza.
kVAR
2000
1000
0
-1000
-2000
12:00
30.01.2008
TOT QFnd(kVAR) (max)
15:00 18:00 21:00 00:00
31.01.2008
v
03:00 06:00 09:00
C. Promjene veličine napona
Promjene napona su u rasponu od oko 5% za cijeli period
mjerenja kada elektrolučna peć radi, a kada elektrolučna peć ne
radi opseg napona je manji od 1%. Opseg napona, za krivu
iznad x ose, se predstavlja izrazom
Slika 3.
Ukupna aktivna i reaktivna snaga u periodu od 24 sata
Reaktivna snaga pokazuje veliki skok (šiljak) prije porasta
aktivne snage (Sl. 4.). Ovi šiljci najvjerovatnije su uzrokovani
kratkim spojevima koji se dešavaju kada elektroda elektrolučne
peći dođe u kontakt sa hladnim starim željezom na početku
procesa topljenja.
(U max – U sr )/U f
odnosno, za krivu ispod x ose
(U min – U sr )/U f
- 157 -

Timeplot
Timeplot
v
v
2500
2000
kVAR
1500
1000
500
0
TOT QFnd(kVAR) (avg)
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Slika 6.
Opseg napona na sabirnici 110 kV u toku jednog dana
00:00
24.01.2008
A VPst B VPst C VPst
03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00
25.01.2008
c
IV.
FLIKERI
Slika 8.
Reaktivna snaga i jačina kratkotrajnih flikera.
A. Jačina kratkotrajnih flikera (Pst)
Jačina kratkotrajnih flikera na 110 kV sabirnici je data na
„Sl. 7“ u toku cijelog perioda mjerenja. Jačina flikera je
zabilježena za svaki desetominutni period u toku cijelog
perioda snimanja.
Maksimalne vrijednosti su između 1.5 i 2, sa ekstremnim
vrijednostima veličine 4.8. u fazi A i 5.1 u fazi C koji su
prouzrokovani naponskim propadima. Poređenje jačine
kratkotrajnih flikera sa reaktivnom snagom kroz transformator
Tr 1 je prikazana na „Sl. 8“ za period od 24 sata. Korelacija
između jačine flikera i reaktivne snage ukazuje da je porijeklo
flikera posljedica rada elektrolučne peći. Kada elektrolučna peć
nije u radu javlja se mali nivo flikera koji varira između 0.1 i
0.4.
5
B. Jačina dugotrajnih flikera (Plt)
„Sl. 9“ pokazuje jačinu dugotrajnih flikera u čitavom
periodu mjerenja. Predstavljene vrijednosti su ažurirane svaka
dva sata (gore), odnosno deset minuta (dole). Visok nivo
flikera je jasno uzrokovan postrojenjem elektrolučne peći.
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
A VPlt B VPlt C VPlt
A Plt(slide) B Plt(slide) C Plt(slide)
22.01.2008 23.01.2008 24.01.2008 25.01.2008 26.01.2008 27.01.2008 28.01.2008 29.01.2008 30.01.2008
4
3
2
1
Slika 9.
Jačine dugotrajnih flikera za vrijeme cijelog perioda mjerenja.
Jačine kratkotrajnih i dugotrajnih flikera su iznad
dozvoljenih granica prema IEC 61000-3-7. Visok nivo flikera
je jasno uzrokovan radom elektrolučne peći. Kada peć nije u
radu, jačina kratkotrajnih flikera je ispod 0.5 i dugotrajnih
ispod 0.3. Statistika jačine kratkotrajnih i dugotrajnih flikera za
95% i 99% vrijednosti je data u Tabeli I. Iz tabele se vidi da Pst
vrijednosti za 95% prekoračuje vrijednosti koje su navedene u
tehničkim karakteristikma SVC.
0
A VPst B VPst C VPst
22.01.2008 23.01.2008 24.01.2008 25.01.2008 26.01.2008 27.01.2008 28.01.2008 29.01.2008 30.01.2008
c
Slika 7.
Jačina kratkotrajnih flikera za svaku od tri faza u toku cijelog
perioda mjerenja
TABELA I.
Pst
Plt
STATISTIKA JAČINE KRATKOTRAJNIH I
DUGOTRAJNIH FLIKERA
Faza 95% 99% Max IEC99%
A 1.77 2.13 4.81
B 1.90 2.32 4.31
C 1.78 2.01 5.11
A 1.75 2.13 2.21
B 1.59 2.04 2.18
C 1.44 1.60 2.40
0.8
0.6
- 158 -

v
v
V. NESIMETRIJE NAPONA
Statistika negativne i nulte komponente napona (u
procentima od pozitivne komponente napona) su dati na “Sl.
10”. Uprkos prisustva elektrolučne peći, nesimetrija je u
dozvoljenim granicama od 0 do 2% u toku cijelog perioda
mjerenja [5]. Na jednominutnoj vremenskoj osi, negativna i
nulta komponenta napona ostaju ispod 0.4% odnosno ispod
0.2% respektivno većinu vremena.
%
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
-0.00
4
3
A V HG02 (avg) B V HG02 (avg) C V HG02 (avg)
1.00
0.75
Amps
2
%
0.50
1
0.25
0
A I HG02 (avg) B I HG02 (avg) C I HG02 (avg)
TOT Vunb(NegSeq) (avg)
00:00
24.01.2008
03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00
25.01.2008
%
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
TOT Vunb(ZeroSeq) (avg)
22.01.2008 23.01.2008 24.01.2008 25.01.2008 26.01.2008 27.01.2008 28.01.2008 29.01.2008 30.01.2008
%
0.55
0.50
0.45
0.40
0.35
Slika 11. Drugi harmonik napona (gore) i struja (dole).
Slika 10. Jednominutni prosjek negativne (gore) i nulte komponente (dole)
napona.
VI. NAPONSKI HARMONICI
Prikazani su dijagrami za drugi, treći, četvrti, peti i sedmi
harmonik. Razlog za prikaz ovih specifičnih harmonika je
između ostalog da se provjere karakteristike SVC filtera za
harmonike 2 (1%), 3 (1%) i 4 (0,9%).
Amps
0.30
0.25
0.20
1.75
1.50
1.25
1.00
0.75
0.50
0.25
A V HG03 (avg) B V HG03 (avg) C V HG03 (avg)
A I HG03 (avg) B I HG03 (avg) C I HG03 (avg)
A. Drugi harmonik
Drugi harmonik nije iznad 0.3% od osnovnog napona bilo
kada u periodu mjerenja. Nivo harmonika slijedi radni obrazac
elektrolučne peći, a kada elektrolučna peć nije u radu, nivo je
značajno ispod 0.1%. Napon drugog harmonika je prikazan na
“Sl. 11” za period od 24 sata, zajedno sa drugim harmonikom
struje. Postoji jasna korelacija između drugog harmonika struje
i drugog harmonika napona, ukazujući da je distorzija
naponskog harmonika uzrokovana radom elektrolučne peći.
B. Treći harmonik
Treći harmonik napona ispod 0.3% od osnovnog napona.
Na “Sl. 12” prikazan je treći harmonik napona za 24-satni
period zajedno sa trećim harmonikom struje. Ne postoji
korelacije između harmonika napona i harmonika struje, tako
da se može zaključiti da izvor trećeg harmonika nije uzrokovan
radom elektrolučne peći, nego izvor napona je negdje drugo.
00:00
24.01.2008
03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00
25.01.2008
Slika 12. Treći harmonik napona (gore) i struja (dole).
C. Četvrti harmonik
Četvrti harmonik napona na 110 kV nivou uopšte ne
pokazuje jasan obrazac u njegovim promjenama i nivo je
znatno ispod 0.15% za vrijeme cijelog perioda mjerenja. Filter
apsorbuje glavni dio energije četvrtog harmonika koji
proizvedi elektrolučna peć. Četvrti harmonik napona je
prikazan na “Sl. 13” za 24-satni period zajedno sa četvrtim
harmonikom struje. Postoji izvjesna korelacija između napona i
struje, ali glavni dio distorzije napona četvrtog harmonika
dolazi od negdje drugo.
D. Peti harmonik
Peti harmonik napona je prikazan na „Sl. 14“ za 24-satni
period zajedno sa petim harmonikom struje koji napaja
elektrolučnu peć. Ciklusi topljenja su uočljivi u petom
harmoniku napona, naponska distorzija je niža kada
elektrolučna peć ne radi. Isti obrazac je uočljiv i u petom
harmoniku struje.
E. Sedmi harmonik
Sedmi harmonik napona je prikazan na „Sl. 15“ za 24-satni
period zajedno sa sedmim harmonikom struje. Uočljivo je da je
uzrok pojave sedmog harmonika napona rad elektrolučne peći.
- 159 -

F. Vrijednosti harmonika
Spektri harmonika napona na 110 kV sabirnici i dozvoljeni
nivoi prema IEC 61000-3-6 su dati na “Sl. 16“ Spektar
pokazuje 99% jednominutne prosječne distorzije za svaku fazu
u periodu cijelog mjerenja. Poređenje pokazuje da nesimetrija
oblika talasa je ispod dozvoljenih granica.
0.125
0.100
0.075
%
0.050
0.025
A V HG04 (avg) B V HG04 (avg) C V HG04 (avg)
0.7
%
Amps
%
Amps
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
-0.0
00:00
24.01.2008
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
00:00
24.01.2008
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
A I HG04 (avg) B I HG04 (avg) C I HG04 (avg)
03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00
25.01.2008
Slika 13. Četvri harmonik napona (gore) i struja (dole).
A V HG05 (avg) B V HG05 (avg) C V HG05 (avg)
A I HG05 (avg) B I HG05 (avg) C I HG05 (avg)
03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00
25.01.2008
Slika 14. Peti harmonik napona (gore) i struja (dole).
Slika 16. 99% vrijednosti grupa naponskih harmonika.
VII. PROPADI NAPONA
Uticaj rada elektrolučne peći na pojavu propada napona je
prikazan na “Sl. 17”. S obzirom da je u periodu mjerenja
registrovano više propada napona koji su nastali zbog
vremenskih neprilika, dodatnom analizom utvrđeno je da je
propad napona prikazan na slici prouzrokovan radom
elektrolučne peći. Svi propadi izazvani vremenskim
neprilikama su imali trajanje između 60 i 100 ms zbog
djelovanja relejne zaštite.
Propad napona izazvan radom elektrolučne peći, odnosno
usljed kratkog spoja između elektroda i materijala u kotlu,
trajao je 450 ms. Struje su male (oko 4 A) prije smanjenja i
povećavaju se za čitav red veličine (do oko 70 A) za vrijeme
naponskog propada, što ukazuje na početak procesa topljenja.
Volts
Volts
Amps
100000
50000
0
-50000
-100000
70000
65000
60000
55000
50000
100
50
0
-50
-100
05:18:30,2
22.01.2008
A V B V C V
A Vrms (val) B Vrms (val) C Vrms (val)
A I B I C I
05:18:30,3 05:18:30,4 05:18:30,5 05:18:30,6 05:18:30,7 05:18:30,7
Slika 17. Propad napona u trajanju od 450 ms
Amps
0.0
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
A V HG07 (avg) B V HG07 (avg) C V HG07 (avg)
A I HG07 (avg) B I HG07 (avg) C I HG07 (avg)
03:00
06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00
24.01.2008
25.01.2008
Slika 15. Sedmi harmonik napona (gore) i struja (dole).
VIII. ZAKLJUČCI
Izvršena mjerenja i njihova analiza je prikazala uticaj rada
elektrolučne peći na kvalitet električne energije.
Angažovana snaga kroz transformator Tr 1 koji napaja
elektrolučnu peć pokazuje karakter jakih promjena, tipično za
opterećenje elektrolučne peći. Amplituda napona pokazuje
lagane dnevne varijacije i brze promjene napona superponirane
na dnevne promjene. Upoređujući promjene napona sa
promjenama aktivne i reaktivne snage vidi se da brze
fluktuacije nastaju uglavnom zbog rada peći. Efektivna
- 160 -

vrijednost napona se mjenja unutar granica od 5% kada radi
elektrolučna peć, odnosno do 1% kada ne radi.
Statističke vrijednosti jačine flikera na 110 kV sabirnici na
kojoj je izvršeno mjerenje i mjestu konekcije postrojenja
elektrolučne peći jasno dovodi do zaključka da je nivo flikera
iznad dozvoljenih vrijednosti definisanih u IEC 61000-3-7.
Ovakav nivo flikera prouzrokovan je radom elektrolučne peći.
Nesimetrija napona je mala uprkos prisustva peći gdje je
mogućnost pojave nesimetrije velika. Nesimetrija je ispod
dozvoljenih granica prema EN 50160. U jednominutnoj
vremenskoj podjeli negativna komponenta napona ostaje ispod
0.4% a nulta komponenta napona ispod 0.2% tokom većine
mjernog perioda.
Nivoi harmonijskih grupa su ispod nivoa prema IEC
61000-3-6.
Dodatnim investiranjem u opremu (filtere) od strane
korisnika, prema uslovima koji su definisani Mrežnim
kodeksima izdatim od strane Operatora sistema, nivo flikera je
moguće svesti u dozvoljene granice. Drugi način na koji se
može uticati na nivo flikera jeste povećanjem snage kratkog
spoja u postrojenju na kome je konektovana elektrolučna peć.
Ovo se može izvesti samo proširenjem prenosne mreže na
širem području, što predstavlja dodatne finansijske izdatke. U
svakom slučaju vlasnik postrojenja elektrolučne peći je
obavezan da kroz Ugovor o priključku investira dio novca, ili u
prenosnu mrežu ili u svoje postrojenje. Opcija instaliranja
dodatne opreme (filtera) u svoje postrojenje od strane vlasnika
je izvjesnija i brža.
LITERATURA
[1] Danieli Centro MET: „Karakteristike peći i instalirane opreme“
[2] Studija o kvalitetu električne energije u BiH. Izvještaj o mjerenjima na
110 kV sabirnicama u MITTAL-u. NOS BiH, STRI 2008. godina
[3] IEC 61000-3-6, Assessment of harmonic emission limits for the
connection of distorting installations to MV, HV and EHV power
systems, 2007.
[4] IEC 61000-3-7, Assessment of emission limits for fluctuating loads in
MV and HV power systems, 1996.
[5] EN 50160, Voltage characteristics of electricity supplied by public
distribution networks, CENELEC, Septembar 2007.
[6] PowerXplorer - PX5, User’s guide, DRANETZ – BMI
ABSTRACT
Deregulation of energy sector in BiH results with
unbundling of the transmission of electric power from its
distibution and generation which has, as its consequence,
division of responsibilities within the energy sector. Rather
great significance is given to the monitoring of power quality
on the distribution and transmission level. With the purpose of
providing a review of power quality on the line
transmission/distribution, System operator conducted
measurements of electric power quality on several locations in
Bosnia and Herzegovina. Operation of an electric arc furnace
specifically influences the power quality. Measurements were
conducted in ironwork plant Mittal Steel in Zenica. In its
process of generation it uses the electric arc furnace for the old
iron melting. Apart from flickers which come as consequence
of the arc furnace's operations there are also other indicators of
quality such as harmonics and voltage dips. The measurement
includes one minute averages and there was made a
comparison of the measurement's results with the permitted
values defined in line with the standards.
Measurements presentation of arc furnace operation’s
influences on power quality
Vojislav Pantić
Prof. dr Jadranka Radović
- 161 -