Thesis Project: Power Quality Analysis at Murdoch University eng470: Engineering Honours Thesis


Most Common Power Quality Problems


Download 1.28 Mb.
Pdf ko'rish
bet2/14
Sana03.10.2023
Hajmi1.28 Mb.
#1690924
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14
Bog'liq
Abdullah2018

Most Common Power Quality Problems
Voltage sags/swells
Harmonics
Wiring/Grounding
Capacitor Switching
Load Interaction
Other
EMF/EMI
Power Conditioning
Figure 3: Most Common Power Quality Problems [16]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
12 
Voltage sags can result in crashing of data processing systems or computer systems and the 
tripping, or malfunctioning of motors. These may lead to loss of production and idle personnel 
that are costly to maintain. A UPS (Uninterruptible Power Supply) can be used to prevent the 
crashes, however, it will introduce harmonics into the system [20]. A series active power filter 
can be used for compensation of voltage sags from the AC supply and is preferred over the 
UPS due to its reduced economic costs and lower component ratings [18]. 
2.2.2 Voltage Swells 
This is referred to as a voltage surge and is an increase of the RMS supply voltage within a 
short duration of time. Swells in voltage are usually caused by capacitor switching and faulty 
operation of tap changing transformer on the load [21]. Figure 5 shows the voltage swells.
Figure 4: Waveform Illustrating Voltage Sags [19]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
13 
Short duration voltage swells may result in computer data being erased, loss of production, 
and shortening of lives of home appliances, as well as computers due to the stress it puts on 
them. Additionally, it can cause tripping of the protective circuits of a Variable Speed Drive 
(VSD). Voltage swells lasting for a long duration cause damage to home appliances [20]. To 
mitigate this, surge suppressors are typically used to protect sensitive appliances against 
transient voltage surges, while power conditioners can be used to shield equipment from 
voltage surges [18]. 
2.2.3 Voltage Flicker 
Voltage flicker or voltage fluctuations refer to rapid short-term changes in voltage levels 
caused by sudden variations or switching of the load. The voltage levels increase when the 
load decreases, and it similarly decreases when the load increases. Based on their frequency 
of occurrence, flicker can be divided into four groups; cyclic flicker, cyclic low frequency, 
noncyclic frequent, and noncyclic infrequent. Cyclic flicker is the flicker due to periodic 
variations in voltage ranging between 10 every second to 2 every second. Cyclic low frequency 
Figure 5: Waveform Showing Voltage Swells [19]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
14 
has voltage variations in the range of 2 every second to 12 every minute. Noncyclic frequent 
has voltage variations in the range of 12 every minute to 1 every minute. Noncyclic infrequent 
has voltage variations in the range of 1 every minute to 3 every hour [22]. Arc welding 
machines, arc furnaces, oscillating loads, reciprocating compressors, pumps, spot welders 
both automatic and manual, drop hammers, saws, cranes, hoists, single elevators, and motor 
starts are the most common causes of voltage fluctuations [19]. In addition, voltage flicker 
decreases the lifespan of electronic equipment, lamps, and adversely affects human health 
since it may cause migraines and headaches due to the strain it puts on the eyes. Voltage 
stabilizers and motor starters can be used in correction of voltage fluctuations. Figure 6 below 
indicates a waveform of voltage flicker. 
Figure 6: Waveform Indicating Voltage Flicker [23]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
15 
2.2.4 Voltage Unbalance 
Voltage unbalance discusses the ratio of the negative sequence voltage to the positive 
sequence voltage. It can also be defined as a condition where there is a difference between 
the phase angle displacement and RMS voltage values of two consecutive phases [19]. This 
may occur due to unbalanced phase loads in a distribution system, unbalanced customer 
loads, or unbalanced network impedances. Voltage unbalance causes an increase in the 
temperature of motors and can result in tripping of large motors. Unless the output DC of the 
drive rectifier is filtered properly, AC variable speed drives may also be affected by voltage 
unbalance. Voltage regulators are the devices used to correct voltage unbalance [18]. For 
utility, voltage unbalance can be mitigated by redistribution of loads or by repairing of 
malfunctioning equipment. For adjustable speed drives, DC link reactors and AC line reactors 
can be used to decrease the effects of voltage unbalance [24]. The following Figure 7 shows 
an example of voltage unbalance in the phase. 
Figure 7: Voltage Unbalance between Three Phases [25]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
16 
Figure 8 below demonstrates the relationship between the increase in temperature and 
voltage unbalance. From Figure 8, it can be seen that temperature rises by approximately 
twice the square of the percentage of voltage unbalance [24].
2.2.5 Voltage Transients 
This refers to a rapid variation in frequency of the voltage in the steady state condition caused 
by lightning or switching operations [26]. As a result, voltage transients are classified into 
oscillatory and impulsive transients. Oscillatory transients are caused by capacitor switching, 
commutation in power devices and resonant circuits which result in a sudden change of 
polarity of the voltage lasting between 10 microseconds and 100 microseconds [18]. On the 
other hand, impulsive transients are caused by lightning and last between 1 nanosecond and 
1 millisecond [19]. These are illustrated in the following Figure 9. 
Figure 8: Relationship between Voltage Unbalance and Increase in Temperature [24]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
17 
Impulsive transients can result in oscillatory transients that may lead to power line insulator 
damage as a result of transient overvoltage, caused by the oscillatory transients. Surge 
arresters are usually used to suppress the impulsive transients [20]. 
2.2.6 Voltage Notching 
Voltage notching is a repetitive power quality disturbance that occurs during current 
commutation from one phase to another during normal working of power electronic devices 
such as a rectifier. The difference between notching and harmonics is that notching happens 
in steady state. Harmonic analysis starting point is the current waveform, therefore the IZ 
drops of harmonic currents can be used for deriving voltage notching. The primary cause of 
voltage notching is three phase converters or rectifiers that produce continuous DC. A short 
circuit occurs shortly between two phases during the current commutation from one phase 
to another [27]. 
Factors affecting depth of a notch at any point include the point being examined, isolating 
inductance between converter/rectifier, and the source inductance. The commutation angle 
is the width of the notch determined as [27]: 
u = cos
−1
[cos a − (X
s
+ X
t
)I
dc
] − a (11) 
Figure 9: Types of Transients [19]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
18 
This can be simplified to the following equation: 
cos u = 1 − (
2E
x
E
dc
) (12) 
Where: 
u: is the commutation angle. 
𝑎: is the delay angle. 
𝐼
𝑑𝑐
: is the direct current in p.u on a converter base. 
𝑋
𝑡
: is the converter transformer reactance in p.u on a converter base. 
𝑋
𝑠
: is the system reactance in p.u on a converter base. 
𝐸
𝑑𝑐
: is the theoretical direct voltage. 
𝐸
𝑥
: is the direct voltage drop due to commutating reactance. 
Voltage notches introduce high non-harmonic and harmonic frequencies in the radio 
frequency range that result in negative effects such as overloading electromagnetic 
interference filters and other high frequency sensitive capacitive circuits when it is of 
sufficient power and introduction of signal interference into communication and logic circuits. 
The remedy for voltage notches involves isolating the critical and sensitive equipment from 
the rectifiers. Figure 10 below shows a waveform with notches. 
Figure 10: Voltage Notching [27]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
19 
2.2.7 Brownouts 
A brownout is a constant lower voltage condition caused by the loss of supply to one phase 
of a distribution transformer with the two remaining phases maintaining their supply. This 
results in low voltages between the phase and neutral of about 100 %, 50 %, and 50 % [28]. 
This can be corrected by using a voltage stabilizer [18]. 
2.2.8 Short Interruptions of Power 
This refers to an event where there is zero voltage. Such a situation occurs for a short time of 
approximately 30 seconds or less. These are caused by the automatic opening and closing of 
the protective equipment to isolate a faulty area of the network. The leading causes of fault 
in a system are insulator flashover, lightning, improper grounding, and insulation failure. 
Short interruptions of power may result in data loss, tripping of protection devices, damage 
to data processing equipment, and system crashing and lock up [18]. 
2.2.9 Long Interruptions of Power 
This is a condition lasting for more than two cycles where the voltage is zero. It is also referred 
to as a blackout and may be caused by utility power failure, fire, power distribution failure, 
human error, storms or objects destroying lines and poles and bad coordination or tripping of 
a circuit breaker. Long interruptions of power results in the complete shutdown of systems, 
data loss, and loss of control of the systems. It may also lead to damage of electrical 
appliances [18]. Generators can be used as power backups for this power quality problem. 
Nevertheless, it does not protect the equipment against power failure since the failure 
actually occurs before the generator is turned on. 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
20 
2.2.10 Direct Current 
Equipment at the customer's end that has characteristics of a non-linear load may inject direct 
current in the low voltage neutral conductor of the distribution system. Failure of rectifiers 
that are commonly used in many AC to DC conversion technologies of modern equipment can 
also cause induction of direct current into an AC distribution system. Therefore, this may 
result in earthing systems corrosion and the introduction of unwanted current to devices 
working at their rated level [28]. Direct current has the effect of causing saturation in the 
magnetic circuits of power transformers [18]. Transformer saturation leads to increase of 
transformer temperature making the transformer unable to deliver full power to the load and 
thus creates instability in electronic load equipment due to waveform distortion. The solution 
to direct current is to use modular systems, which are easily replaceable by the user and by 
replacing the problem causing equipment that is faulty [29]. Figure 11 below illustrates a 
direct current offset. 
Figure 11: Direct Current Offset [29]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
21 
2.2.11 Electrical Noise 
This refers to a persistent, oscillatory disturbance of the waveform that has a wide frequency 
distribution of up to 200 kHz. Electrical noise is usually induced in the network by 
electromagnetic fields and can also be caused by improper grounding [21]. The following 
Figure 12 indicates the waveform distortion. 
2.2.12 Harmonic Distortion 
This refers to a frequent distortion of the sine wave pattern of the supply voltage or current 
caused by variable speed drives and solid-state rectifiers that are loads with non-linear 
characteristics. Furthermore, the waveform is equal to the total of different sine waves having 
various phases and magnitudes and with frequencies, which are multiples of power system 
frequency. The causes of harmonics include, non-linear loads (power electronics equipment) 
such as data processing equipment, ASDs, switched mode power supplies, high-frequency 
lighting, DC brush motors, rectifiers, welding machines, arc furnaces, and electric machines 
operating above the magnetic saturation point (knee of the magnetization curve) [30]. The 
level of harmonic distortion is usually expressed in terms of Total Harmonic Distortion (THD) 
Figure 12: Electrical Noise [19]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
22 
[31], which refers to the sum of all harmonics of current or voltage waveform divided by the 
main component of the current or voltage. This can be expressed mathematically as [32]. 
THD =
√∑
V
n
rms
2

n=2
V
f
rms
(13) 
Where: 
𝑉
𝑛𝑟𝑚𝑠
: is the RMS voltage of the nth harmonic. 
𝑉
𝑓𝑟𝑚𝑠
: is the RMS voltage of fundamental frequency. 
Harmonic distortion may result in transformer heating and increased losses in the copper, 
core, and the stray-flux hence may result in erratic tripping of thermal protections and relays. 
Furthermore, it may cause cable losses [33], malfunctioning of traffic control or ripple control 
systems, increased probability of resonance occurrence, degeneration or failing of power 
factor correction capacitors, overload of the neutral conductors in 3 phase systems and loss 
of efficiency in electric machines. Finally, it may cause losses in the distribution network due 
to harmonic currents, a low power factor, electromagnetic interference (EMI), and 
communication system interference [20]. A shunt active power filter can be used to inject an 
opposite and equal compensating harmonic current to compensate for harmonic load current 
[18]. From Figure 13 below, it can be seen that a base sine waveform, its third harmonic and 
the distorted waveform, which is the sum of the base waveform and its third harmonic. 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
23 
2.2.13 Interharmonics 
The existence of waveforms of a sinusoidal nature at frequencies that lie between 50 Hz 
multiples of the supply frequency is referred to as inter-harmonic interference. These can 
appear as a wide band spectrum or discrete frequencies. Spectral components in the quasi-
steady state can be used to define harmonics and inter-harmonics over a range of 
frequencies. Mathematically, harmonics, inter-harmonics and sub harmonics can be 
described as: 
Harmonic: f = 0 ∗ f
b
where a is an integer > 0 (14) 
Interharmonic: f ≠ a ∗ f
b
(15) 
DC: f = a ∗ f
b
= 0Hz (a = 0) (16) 
Sub harmonic: f > 0Hz and f < f
b
(17) 
Where: 
𝑓
𝑏
: is the fundamental frequency of the system. 
Figure 13: Harmonic Distortion [34]


Power Quality Analysis at Murdoch University 
24 
Sub harmonic is a type of inter harmonic for frequencies less than the fundamental frequency 
of the system. Indeed, Interharmonics are mainly caused by cycloconverters that are widely 
used in static VAR generators, linear motor drives, and rolling mills. Other causes of inter-
harmonics include low-frequency power line carriers, integral cycle control, induction 
furnaces, induction motors, and arcing loads such as arc furnaces and arc welders [35]. 
These impacts of inter-harmonics include vibrations in induction motors, heating effects 
similar to those of harmonics, malfunctioning of ripple control receivers, the flickering of light, 
and noise in audio appliances. Interharmonics can cause acoustic noise in power equipment, 
malfunctioning of television receivers, and fluorescent lamps [20]. 
2.2.14 Electromagnetic Interference (EMI) 
The interaction between magnetic and electric fields and sensitive electronic devices and 
circuits is a high-frequency phenomenon referred to as EMI [2]. The interaction between radio 
frequency fields and sensitive communication or data equipment is known as Radio 
Frequency Interference (RFI). EMI and RFI result in inductance creation on data carrying 
systems. The voltage that is in excess of the operating data levels can create data opposite or 
data that is not the same as that travelling in the data line since data line signals are digital 
signals in the form of zeros and ones. Therefore, EMI and RFI introduce noise to the system 
hence affecting the power quality. The solution to this power quality issue is to employ 
shielding of the data devices and their cables or to relocate the data cables and devices from 
the EMI/RFI source [29]. 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
25 
2.3 Power Quality Standards
Due to the massive costs associated with poor power quality, various standards have been 
put in place to give guidelines, recommendations, and limits to assist in ensuring the user 
equipment is compatible with the system where it is to be used [39]. These standards include 
IEEE 519, IEEE 1459, ANSI C84.1, EN 50160, IEC 61000, and AS/NZS 61000.3.2:2003. 
2.3.1 IEEE 519 Standard 
IEEE 519 is an international standard drafted by the Institute of Electrical and Electronics 
Engineers (IEEE) that gives recommendations to control harmonic distortion levels on the 
overall power system. Other IEEE standards on power quality disturbances include IEEE 1100 
(Powering and Grounding Sensitive Equipment) and IEEE 1159 (Monitoring and Definition of 
Electric Power Quality) [39]. 
2.3.2 IEEE 1459 Standard 
IEEE 1459 is a standard that gives definitions for the measurement of electric quantities under 
sinusoidal and non-sinusoidal, single phase and polyphase and balanced and unbalanced 
situations. This standard proposes the concepts and the definitions that are essential for 
evaluating the quality of transmission of electrical energy. This is for the purposes of designing 
measurement instrumentation, for billing, and development of measurement algorithms 
[40]. 
2.3.3 ANSI C84.1 Standard 
ANSI refers to American National Standards Institute and gives guidelines on power quality in 
the United States based on the IEEE standards and other standards generated by the institute 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
26 
itself. The most common ANSI standard (ANSI C84.1) provides recommendations for steady 
state voltage ratings [39]. 
2.3.4 EN 50160 Standard 
The EN 50160 (European Standard) deals with supply quality necessities for European 
services. This standard outlines the particular levels of voltage characteristics that must be 
adhered to by the utilities and the techniques for assessing compliance. Moreover, the EN 
50160 limits itself to voltage characteristics at the PCC (Point of Common Coupling), and 
consequently does not stipulate requirements for power quality within the supply, or the 
client's facilities. Regarding the limits in EN 50160, it is apparent that these are very similar to 
the IEC 61000-3-6 compatibility levels for harmonic voltages with respect to the 
corresponding medium and low voltage systems, with the absence of higher order harmonic 
limits in EN 50160 being the exclusion [41]. 
2.3.5 IEC 61000 Standard 
The IEC 61000 (Electromagnetic Compatibility (EMC) Standards) categorizes power quality 
issues into six categories. Part 1 deals with terminology and definitions and part 2 describes 
the environment where the equipment will be used. Part 3 recommends the limits of 
disturbances that can be caused by equipment in the power system, while part 4 details the 
guidelines and procedures for tests and measurement devices, and tests to confirm 
compliance with the standards. Guidelines on how to install equipment that is to be used for 
mitigating power quality disturbances are detailed in part 5. Finally, part 6 of the standard 
deals with the standards for specific equipment, so that they can be immune to the 
disturbance levels of the power system they are to be used in [39].


Power Quality Analysis at Murdoch University 
27 
2.3.6 AS/NZS 61000.3.2:2003 Standard 
AS/NZS 61000 is an Australian/ New Zealand standard that is compatible with IEEE 519, and 
it is similar to IEC 61000. This standard is made up of six parts that prescribe the limits for 
harmonics and voltage disturbances produced by equipment whose input current is less than, 
equal to or greater than 16 A per phase. It provides the limits for voltage disturbances in 
equipment in low voltage systems that are rated less than or equal to 75 A. The standard also 
provides the methods to confirm compliance with the set standards [42]. The following Table 
1 is a summary of the power quality standards. 
Table 1: Power Quality Standards 

Download 1.28 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling