Asymetria prądu i napięcia w sieci energetycznej – przyczyny i skutki

W związku z funkcjonowaniem wolnego rynku energii, jej dostawcy zobowiązani są do zapewnienia odpowiedniej jakości energii elektrycznej, za którą płacą odbiorcy. Właściwe parametry określone są odpowiednimi normami i przepisami. W sieci energetycznej mogą występować jednak niekorzystne zjawiska, mające wpływ na wydajność systemu elektroenergetycznego. Należy do nich, m.in. asymetria w sieci energetycznej. Czym jest, w jaki sposób powstaje i jakie mogą być jej skutki?

Czym jest asymetria napięć i prądów?

W sieci energetycznej pojawiają się trzy rodzaje asymetrii: asymetrie napięć, asymetrie prądu oraz asymetrie napięć i prądów, występujące jednocześnie. Jednym z warunków prawidłowego funkcjonowania systemu elektroenergetycznego jest zapewnienie symetrii napięć w układach trójfazowych. Oznacza to, że suma wartości zespolonych napięć fazowych powinna wynosić zero, a kąty pomiędzy poszczególnymi fazami powinny być równe (wektory napięć fazowych powinny być względem siebie przesunięte o 120 stopni).

Sytuacja, w której w sieci wielofazowej wartości skuteczne napięć fazowych albo wartości kątów przesunięć między tymi napięciami są różne, to właśnie asymetria w sieci energetycznej. Oczywiście wartości określone w definicji dotyczą świata idealnego. W praktyce normy dopuszczają występowanie pewnych odstępstw. Napięcie niesymetryczne pojawia się wtedy, kiedy średnia 10-minutowa wartość współczynnika asymetrii przekracza 2% przez więcej niż 95% czasu w ciągu tygodnia.

Źródła zjawiska asymetrii w sieci energetycznej

Źródła zaburzeń powodujących asymetrię w sieci mogą być zróżnicowane i uzależnione od tego, jakie linie energetyczne bierzemy pod uwagę. Asymetria może wynikać z różnic w budowie wewnętrznej elementów sieci, np. generatorów, linii przesyłowych i dystrybucyjnych, transformatorów. Wówczas mamy do czynienia z asymetrią strukturalną. Jej źródłem mogą być też asymetryczne prądy. Dla przykładu, w odniesieniu do linii wysokiego napięcia, asymetria może pojawiać się z powodu różnych impedancji własnych i wzajemnych poszczególnych faz ze względu na rozłożenie przewodów fazowych na słupie wsporczym. Z kolei linia średniego napięcia czy niskiego napięcia, może mieć napięcie niesymetryczne ze względu na stosowanie dużej liczby odbiorników jednofazowych przez odbiorców prądu bądź różnych usterek po stronie obciążenia.

Co więcej, obecna eksploatacja sieci elektroenergetycznych w kontekście rozwoju odnawialnych źródeł energii, energii prosumenckiej i możliwości przyłączania do sieci niskich napięć takich, jak np. indywidualne instalacje fotowoltaiczne czy pompy ciepła, może powodować znaczący wzrost asymetrii napięć i prądów. Wynika to z dużego zróżnicowania w procesie produkcji energii, w dużym stopniu uzależnionego od warunków atmosferycznych, jak też z popytu na energię po stronie odbiorców. Jednym ze sposobów ograniczania tego ryzyka jest dbałość o równomierne przyłączanie źródeł odnawialnych do poszczególnych faz.

Skutki asymetrii

Asymetria wpływa na jakość energii elektrycznej dostarczanej do odbiorców. Może powodować spadki napięcia, a nawet przerwy w dostawach prądu i awarię sieci. Asymetria wpływa również na wydajność całego systemu elektroenergetycznego, procesu przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej, a to może przekładać się na wyższe ceny energii. Co więcej, asymetria nie jest obojętna dla urządzeń takich, jak silniki i transformatory, przyczyniając się do znacznego skrócenia ich żywotności poprzez np. nadmierne nagrzewanie się. W przypadku linii przesyłowych, asymetria wpływa na obniżenie ich przepustowości, zwiększenie strat mocy i energii, może także wpływać na zwiększenie błędu pomiaru mocy i energii elektrycznej. Dla odbiorców energii elektrycznej asymetrie wiążą się np. z ryzykiem uszkodzeń urządzeń gospodarstwa domowego jak lodówki, pralki, telewizory z powodu zasilania zbyt małym lub zbyt dużym napięciem fazowym.

Pomiary i łagodzenie negatywnych skutków asymetrii

Aby zapobiegać negatywnym skutkom asymetrii, opracowywane są odpowiednie normy i przepisy, które mają zagwarantować odpowiednią jakość energii elektrycznej w sieci. Przy ich tworzeniu bierze się pod uwagę nie tylko definicję asymetrii, ale także występujące naturalnie zjawiska, jak np. pewna asymetria impedancji elementów sieci elektroenergetycznej. Z tego powodu w normach zarówno na poziomie krajowym, jak i międzynarodowym nie przyjmuje się poziomu asymetrii napięć poniżej wartości 1%, gdyż taka norma byłaby zbyt rygorystyczna.

Co więcej, w przypadku np. ochrony elektrycznych silników trójfazowych stosuje się czujnik asymetrii faz, którego zadaniem jest bieżący pomiar parametrów sieci, a w przypadku zidentyfikowania zagrożenia, ochronę silnika poprzez wyłączenie zasilania jeszcze przed wystąpieniem awarii.

Podsumowanie

Wydajność systemu elektroenergetycznego jest ściśle związana ze zjawiskiem asymetrii napięć i prądów, a przede wszystkim z jego ograniczaniem. Kierunek rozwoju energetyki sprawia, że zagadnienie to jest niezwykle istotne dla całego sektora. Wielotorowe działania na rzecz łagodzenia skutków asymetrii, w postaci odpowiednich norm, modernizacji sieci i urządzeń czy też planowania strategicznego mają istotne znaczenie zarówno z punktu widzenia dostawców, jak i odbiorców energii.