Google+

Nie ma wątpliwości co do tego, że przyczyną pogarszającej się jakości energii elektrycznej, oprócz wzrostu ilości odbiorników nieliniowych, mogą być awarie odbiorników dużej mocy oraz gwałtowne zmiany wartości pobieranego prądu.

Fot. 1. Ważną rolę odgrywa pomiar i analizowanie mocy czynnej, biernej, odkształcenia
i pozornej. Fot.: TOMTRONIXFot. 1. Ważną rolę odgrywa pomiar i analizowanie mocy czynnej, biernej, odkształcenia i pozornej. Fot.: TOMTRONIX

Tym sposobem dochodzi do nagłych skoków napięcia, a w konsekwencji, do niewłaściwej pracy urządzeń wytwarzających energię elektryczną.
Warto wspomnieć, że parametry jakościowe energii elektrycznej, która dostarczana jest odbiorcom z uwzględnieniem poszczególnych grup przyłączeniowych wynika z rozporządzenia Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 20 grudnia 2004 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci (Dz.U. z 2005 r. nr 2, poz. 6). Istotną rolę odgrywa również doprecyzowanie parametrów w tym zakresie przez rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego.
W kontekście parametrów energii elektrycznej kluczową rolę odgrywa norma PN-EN 50160 „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych”. To właśnie z tego dokumentu wynikają podstawowe parametry napięcia w złączu elektroenergetycznym sieci rozdzielczych niskiego napięcia (nn) i średniego napięcia (SN) w normalnych warunkach pracy tych sieci.
Podczas pomiarów w obwodach nieliniowych śledzi się przede wszystkim napięcia pod kątem wartości średnich, minimalnych, maksymalnych i chwilowych. Nie bez znaczenia pozostaje również analizowanie prądów. W tym zakresie można więc zyskać informacje na temat wartości średnich, minimalnych i maksymalnych oraz chwilowych. Mierzy się również bieżący pobór prądu bezpośrednio lub za pomocą przekładników prądowych. Analizie poddaje się współczynniki szczytu dla prądu i napięcia. Istotny jest również pomiar częstotliwości.
Ważną rolę odgrywa pomiar i analizowanie mocy czynnej, biernej, odkształcenia i pozornej. Kluczowe jest przy tym określenie charakteru mocy – pojemnościowa lub indukcyjna. Rzecz jasna moc może być również rejestrowana. Nie bez znaczenia pozostaje określenie współczynnika mocy (cos φ, tg φ) oraz analizowanie przeciążenia transformatora, które bardzo często jest efektem działania harmonicznych. Analizowane są harmoniczne łącznie ze śledzeniem współczynnika zniekształceń harmonicznych THD dla prądu i napięcia. Niejednokrotnie określa się wskaźnik krótkotrwałego oraz długotrwałego migotania światła. Nie mniej ważne jest zdefiniowanie asymetrii napięć i prądów. Wszystkie przepięcia, zapady oraz przerwy napięcia są rejestrowane. Podobne analizy przeprowadza się względem natężenia prądu.

Analizatory jakości zasilania

Fot. 2. Warto zwrócić uwagę na oprogramowanie komputerowe, wspomagające analizowanie
jakości energii. Stąd też z pewnością komfort pracy zapewniają wykresy. Fot.: SONELFot. 2. Warto zwrócić uwagę na oprogramowanie komputerowe, wspomagające analizowanie jakości energii. Stąd też z pewnością komfort pracy zapewniają wykresy. Fot.: SONEL

W nowoczesnych analizatorach jakości zasilania przewiduje się rejestrację szybkich zmian w napięciu. Oprócz tego jest możliwe analizowanie sygnałów sterujących. Należy podkreślić, że minimalny czas zmiany, która może być zarejestrowana wynosi 650 ns. Niektóre modele spełniają standardy wieloarkuszowej normy IEC 61000 dla analizatorów klasy A. Dotyczy to niepewności pomiarowych, metod pomiarowych oraz synchronizacji czasu z sygnałem wzorcowym. Ostatni warunek zapewniony jest dzięki wbudowanemu modułowi GPS z wewnętrzną anteną. W przypadku instalowania analizatora wewnątrz pomieszczeń można zastosować dodatkową antenę z przewodem o długości 10 m. Po umieszczeniu anteny na zewnątrz, sygnał GPS będzie bez problemu osiągalny i wykorzystywany do synchronizacji wewnętrznego zegara. Urządzenie może pracować w sieciach jednofazowych, dwufazowych ze wspólnym przewodem N, trójfazowych gwiazdowych z i bez przewodu N, trójfazowych o układzie trójkąt oraz napięcia stałego.
Warto zwrócić uwagę na oprogramowanie komputerowe wspomagające analizowanie jakości energii. Stąd też z pewnością komfort pracy ułatwią wykresy. I tak np. skorzystać można z wykresu czasowego, który przedstawia przebiegi wskazanych parametrów w czasie. Z kolei oscylogramy ilustrują przebiegi chwilowe napięć i prądów w zdarzeniach lub na końcu czasu uśredniania oraz wykresy dla zarejestrowanych szybkich zmian w napięciu. Nie mniej istotny jest przy tym wykres harmonicznych, czyli wykres przedstawiający poziom harmonicznych, a także wykres interharmonicznych. Oprogramowanie pozwala na pokazanie w postaci punktów zdarzenia w funkcji czasu trwania tych zdarzeń. Skorzystać można również z funkcji pozwalającej na sporządzenie wykresu zdarzeń od napięcia, nałożonych na krzywe ANSI lub CBEMA. Tym sposobem przedstawiana jest ilość zdarzeń, które są potencjalnie niebezpieczne dla sprzętu teleinformatycznego.
Na rynku nabyć można również mierniki cęgowe, które również pomogą przy pracach związanych z wykrywaniem nieprawidłowości zasilania. Stąd też mierniki cęgowe to nie tylko możliwość pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych takich jak prąd stały i przemienny, rezystancja, pojemność, częstotliwość, temperatura czy też ciągłość obwodu elektrycznego. Dodatkową, co najważniejsze przydatną funkcjonalność, uzyskuje się dzięki możliwości analizowania widm harmonicznych oraz filtrowi dolnoprzepustowemu, usuwającemu szumy o wysokich częstotliwościach. Z pewnością przydatna okaże się możliwość rejestrowania przebiegów w określonym zakresie czasowym, celem oceny trendów lub problemów z jakością energii, które mogą powstać w efekcie działania krótkotrwałych zakłóceń.
Warto zwrócić uwagę na fakt, że niektóre modele mierników cęgowych pozwalają na pomiar wartości skutecznej TrueRMS prądu przemiennego oraz mocy czynnej, biernej oraz pozornej w zakresie do 600 kW/kVA/kVAR (nawet do 51. harmonicznej).

Zapady napięcia

Fot. 3. Nowoczesne analizatory jakości
zasilania cechują się kolorowymi
wyświetlaczami, intuicyjną obsługą
oraz kompaktową obudową. Fot.: MERSERWISFot. 3. Nowoczesne analizatory jakości zasilania cechują się kolorowymi wyświetlaczami, intuicyjną obsługą oraz kompaktową obudową. Fot.: MERSERWIS

Nieprawidłowości jakie mogą wystąpić w zasilaniu energią elektryczną stanowią bardzo obszerne zagadnienie. Dla przykładu warto przybliżyć jedno ze zjawisk, które zdecydowanie obniża jakość energii elektrycznej.
Zjawisko w postaci zapadu napięcia (ang. voltage dip, voltage sag) jest nagłym zmniejszeniem napięcia zasilającego do wartości mieszczącej się pomiędzy 90% a 1 % napięcia deklarowanego. Po krótkim czasie trwania zapadu następuje wzrost napięcia do poprzedniej wartości. Czas trwania zapadu napięcia wynosi od 10 ms do 1 minuty. W praktyce definiuje się również głębokość zapadu. Jest to bowiem różnica pomiędzy minimalną wartością skuteczną w czasie zapadu, a napięciem deklarowanym.
Przyczyny zapadów napięcia dzieli się na zewnętrzne i wewnętrzne. Przyczyny o charakterze zewnętrznym przybierają również formę naturalnych zjawisk, które bardzo często powstają w sposób niezależny od pracy systemu zasilającego. Są to przede wszystkim wyładowania atmosferyczne, mgła, śnieg itp. Z kolei źródło przyczyn wewnętrznych leży po stronie systemu zasilającego. Chodzi między innymi o zwarcia i uszkodzenia izolacji.
Za najczęstszą przyczynę zjawiska zapadów napięcia uznaje się jednak zwarcia, które występują w systemie elektroenergetycznym. To właśnie one powodują przepływ prądów o dużej wartości w efekcie czego dochodzi do znacznych spadków napięć na impedancjach sieci zasilającej. Podaje się, że poszczególne elementy sieci elektroenergetycznej, takie jak generatory czy też odbiorniki, łącznie z impedancjami sprzęgającymi, tworzą zintegrowany system dynamiczny. Tym sposobem każda zmiana napięcia, prądu czy też innego parametru sieci w dowolnym punkcie jest przyczyną natychmiastowej zmiany właściwości w pozostałych punktach systemu. Jeżeli w miejscu wystąpienia zwarcia wartość napięcia maleje, to zjawisko to wystąpi niemal w każdym innym punkcie sieci. Warto dodać, że zapady napięcia są zdarzeniami nieprzewidywalnymi. Częstotliwość ich występowania w dużej mierze zależy od rodzaju sieci zasilającej.
W praktyce przynajmniej kilka parametrów opisuje zapady napięcia. Jest to przede wszystkim czas trwania zapadu, napięcie resztkowe zapadu, strata napięcia zapadu, energia zapadu napięcia, indeks zapadu napięcia oraz indeks jakości energii (ang. Power Quality Index, RPM).
Zapady napięcia bardzo często wywołuje załączanie odbiorników dużej mocy. Są to na przykład napędy elektryczne zasilane prądem o znacznym natężeniu. Jak wiadomo proces rozruchu urządzeń tego typu niejednokrotnie pociąga za sobą kilkakrotne przekroczenie wartości prądu roboczego. Ze względu na to, że obwód zasilający i okablowanie instalacji są przystosowane do nominalnego prądu roboczego, wyższa wartość prądu początkowego może spowodować spadek napięcia w sieci. Głębokość zapadu zależy wtedy od tego, jak mała jest wartość jej impedancji zastępczej w punkcie wspólnego przyłączenia oraz jaka jest wartość impedancji przyłączanego odbiornika.

Inż. Marcin Barczyk
MERSERWISInż. Marcin Barczyk MERSERWIS

EKSPERT Fachowego Elektryka
Wybieramy analizator jakości energii

Z uwagi na mnogość dostępnych modeli analizatorów jakości energii, aby dokonać właściwego wyboru należy odpowiedzieć sobie na kilka podstawowych pytań. Przede wszystkim musimy określić czy potrzebujemy urządzenia stacjonarnego czy przenośnego. W przypadku potrzeby ciągłego monitorowania jakości zasilania lub utworzenia zsynchronizowanego systemu pozwalającego na analizę jakości energii w różnych punktach sieci jednocześnie należy wybrać rozwiązanie oparte o analizatory stacjonarne, z kolei jeśli zależy nam przede wszystkim na mobilności i intuicyjnej obsłudze rozwiązaniem jest analizator przenośny. Kolejnym elementem, który musimy wziąć pod uwagę są funkcje pomiarowe; podstawowa analiza jakości energii zgodnie z normą PN-EN 50160 opiera się na badaniu występowania zdarzeń napięciowych, zjawiska migotania światła (flicker) oraz zawartości wyższych harmonicznych, ale analizatory wyższej klasy pozwalają dodatkowo na rejestrację stanów nieustalonych, składowych interharmonicznych czy sygnałów sterujących – parametrów, które mogą okazać się bardzo istotne. Nie mniej istotnym kryterium wyboru jest klasa przyrządu wg normy PN-EN 61000‑4-30. Najwyższe dokładności zapewniają analizatory jakości energii w klasie A, która narzuca synchronizację czasu oraz stosowanie ujednoliconych algorytmów obliczeniowych, dzięki czemu wyniki pomiarowe powinny być identyczne niezależnie od producenta przyrządu, w przypadku mniej restrykcyjnych klas B oraz S nie mamy takiej gwarancji.

Można zapobiegać

W przemysłowych instalacjach elektrycznych bazujących na odbiornikach nieliniowych należy pamiętać o urządzeniach i elementach zapobiegających zakłóceniowym. Stąd też filtry znajdują zastosowanie w falownikach oraz innych urządzeniach przekształtnikowych, w których duże stromości impulsów oraz znaczna częstotliwość zmian prądu, wywołują pola elektromagnetyczne, mogące być przyczyną zakłóceń innych urządzeń. Nowoczesne filtry cechują się przede wszystkim prostym montażem, bowiem można je instalować bezpośrednio pod falownikiem.
Większość firm produkujących falowniki oferuje również dławiki, mające na celu ochronę przed zakłóceniami pozostałych maszyn i urządzeń zasilanych z tej samej sieci. Elementy te ograniczają rozprzestrzenianie się wyższych harmonicznych w obwodach zasilania. Oprócz tego tłumione są przepięcia komutacyjne, które występują najczęściej podczas przełączania tyrystorów, wykorzystywanych w przemiennikach częstotliwości. Podzespoły te produkowane są jako jednofazowe oraz trójfazowe. Dławiki sieciowe instalowane są na wejściu falownika, natomiast dławiki silnikowe znajdują zastosowanie między innymi w przypadku długich połączeń pomiędzy silnikiem i falownikiem. Istotną kwestię stanowi również kompensacja pojemności linii zasilania, poprawa współczynnika mocy, a także ograniczenie wartości prądu zwarciowego, co zyskujemy dzięki zastosowaniu dławików silnikowych.

Podsumowanie

Skutków używania energii o niskiej jakości jest wiele. Są one szczególnie odczuwalne w zakładach przemysłowych, realizujących skomplikowane procesy produkcyjne. Urządzenia elektryczne, zasilane energią o niewłaściwych parametrach, mogą pracować niestabilnie oraz wykazywać podwyższoną temperaturę. Wyższy poziom hałasu, drgania, nieplanowane wyłączenia, zaburzenia pracy napędów, uszkodzenia czułych odbiorników czy też migotanie źródeł światła to tylko podstawowe, negatywne konsekwencje zasilania urządzeń energią o niskiej jakości. Warto również zwrócić uwagę na skutki w postaci niepożądanego zadziałania wyłączników RCD oraz przegrzewania przewodów neutralnych.

Damian Żabicki