Google+

FLUKE - Nie można mierzyć napięcia bez przewodów pomiarowych

Analizatory jakości zasilania to urządzenia pozwalające na interpretację wielu parametrów sieci elektrycznej. Tym sposobem zyskuje się dane wejściowe do eliminowania przyczyn pogorszenia jakości prądu.

Fot. 1. Analizator jakości zasilania z aplikacją z mobilną. Fot. 1. Analizator jakości zasilania z aplikacją z mobilną. Fot.: SONEL

Warto podkreślić, że nie tylko w Polsce ale i na świecie nie została sprecyzowana konkretna definicja terminu: „jakość energii elektrycznej”. Jedna z nich, opracowana przez Advisory Committee on Electromagnetic Compatibility (ACEC) IEC, mówi, że jakość energii elektrycznej to zbiór parametrów opisujących właściwości procesu dostarczania energii do użytkownika w normalnych warunkach pracy, określających ciągłość zasilania (długie i krótkie przerwy w zasilaniu) oraz charakteryzujących napięcie zasilania (wartość, niesymetrię, częstotliwość, kształt przebiegu czasowego). Jak wiadomo, wielkości i zjawiska składające się na jakość energii elektrycznej, to w pierwszej kolejności częstotliwość, a także wartość, wahania i skoki napięcia. Na prawidłową pracę urządzeń elektrycznych wpływają wszelkie przerwy w zasilaniu, napięcia przejściowe, asymetrie napięcia oraz harmoniczne i interharmoniczne dla napięcia i prądu. Ważne są również napięcia o charakterze sygnalizacyjnym wraz z szybkimi jego zmianami.
Jako skutki odbioru energii elektrycznej o niewłaściwej jakości można wymienić przede wszystkim zaburzenia w pracy napędów elektrycznych, migotanie źródeł światła oraz uszkodzenia lub wyłączenia odbiorników czułych na zmiany parametrów zasilania. Niejednokrotnie w wyniku niewłaściwej jakości energii elektrycznej dochodzi do niestabilnej pracy urządzeń elektrycznych, mogącej przejawić się poprzez podwyższony poziom hałasu, nadmierną temperaturę, drgania czy też niepożądane wyłączenia. Zjawiska tego typu mogą być dotkliwe, szczególnie w zakładach przemysłowych, gdzie realizowane są skomplikowane procesy produkcyjne.

Wymagania prawne

Parametry jakościowe energii elektrycznej, która jest dostarczana odbiorcom w poszczególnych grupach przyłączeniowych określono w Rozporządzeniu 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). Z kolei parametry te doprecyzowano w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Nazewnictwo oraz parametry zjawisk, które określają jakość energii elektrycznej definiuje Polska Norma PNEN 50160 „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych”. Dokument ten określa główne parametry napięcia w złączu elektroenergetycznym sieci rozdzielczych niskiego napięcia (nn) i średniego napięcia (SN) w normalnych warunkach pracy tych sieci. Na potrzeby tej normy niskie napięcie to takie, którego górna granica skutecznej wartości znamionowej wynosi 1 kV. W przypadku średniego napięcia wartość ta zawarta jest w przedziale od 1 kV do 35 kV. Postanowień tej normy nie można stosować do napięć 110 kV.
Z kolei w odniesieniu do sieci o napięciach znamionowych 110 kV i wyższych, zastosowanie znajduje Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 28 grudnia 2004 r. w sprawie szczególnych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych. Dokument ten bardzo często jest nazywany „rozporządzeniem przyłączeniowym”.

Fot. 2. Zdalny odczyt wyników pomiarów na Smartfonie Fot. 2. Zdalny odczyt wyników pomiarów na Smartfonie. Fot.: FLUKE

Parametry energii elektrycznej

W odniesieniu do parametrów energii elektrycznej przede wszystkim ważna jest kontrola napięcia w zakresie wartości średnich, maksymalnych, minimalnych oraz chwilowych. Kluczowe miejsce zajmuje zarówno pomiar jak i analizowanie mocy czynnej, biernej i pozornej, a także odkształcenia. Ważne jest przy tym określenie charakteru mocy, która może być indukcyjna lub pojemnościowa.
Moc oczywiście można rejestrować. Nie bez znaczenia pozostaje przy tym określenie współczynnika mocy (cos φ, tg φ) oraz analizowanie przeciążenia transformatora, które często jest efektem działania harmonicznych. Analizowane są harmoniczne wraz ze śledzeniem współczynnika zniekształceń harmonicznych THD dla prądu i napięcia. Ważne jest określenie wskaźnika długotrwałego i krótkotrwałego migotania światła. Podczas analizy definiuje się asymetrie prądów i napędu. Kluczowe miejsce zajmuje dokładne rejestrowanie przerw, przepięć oraz zapadów napięcia. Szereg analiz przeprowadza się w odniesieniu do natężenia prądu. Analizowane są przy tym współczynniki szczytu zarówno dla prądu jak i napięcia. Nie mniej istotny jest pomiar częstotliwości.
W odniesieniu do prądów zbiera się informacje na temat wartości średnich, minimalnych i maksymalnych oraz chwilowych. Na bieżący jest mierzony pobór prądu bezpośrednio lub za pomocą przekładników prądowych.
Oczywiście oprócz analizy parametrów związanych z jakością zasilania nie można zapomnieć o pomiarze podstawowych wielkości elektrycznych. Chodzi przede wszystkim o ewentualny pomiar impedancji pętli zwarciowej, parametrów wyłączników RCD, rezystancji izolacji, rezystancji uziemienia oraz ciągłości połączeń ochronnych i wyrównawczych. Istotny jest pomiar impedancji pętli zwarcia obwodów L-PE w sieciach z wyłącznikami RCD bez konieczności blokowania wyłącznika.

Możliwości pomiarowe analizatorów

W kontekście parametrów sieci elektroenergetycznej oferowane na rynku analizatory jakości zasilania śledzą napięcia z uwzględnieniem wartości chwilowych, średnich, minimalnych i maksymalnych. Oprócz tego analizowane są prądy – wartości chwilowe, średnie, minimalne, maksymalne. Pomiar prądu jest wykonywany w sposób bezpośredni lub poprzez przekładniki prądowe. Analizie poddaje się współczynniki szczytu w stosunku do napięcia i prądu. Ponadto mierzy się częstotliwość, np. w zakresie 40 Hz-70 Hz.
Do dyspozycji użytkownika jest analiza mocy czynnej, biernej, odkształcenia i pozornej. Można przy tym określić pojemnościowy lub indukcyjny charakter mocy, która również jest rejestrowana. Dzięki analizatorom określa się współczynnik mocy (cos φ, tg φ) oraz analizuje przeciążenia transformatora niejednokrotnie stanowiące skutek występowania harmonicznych.
W odniesieniu do wspomnianych już harmonicznych analizie poddaje się współczynnik zniekształceń harmonicznych THD napięcia i prądu. Przyda się również funkcjonalność w zakresie określania wskaźnika długotrwałego i krótkotrwałego migotowania światła. Można przy tym zdefiniować asymetrię prądów i napięć. Rejestracji poddaje się przerwy napięcia, zapady i przepięcia.

Oprogramowanie wspomagające pracę analizatorów

Analizę zebranych wyników pomiarów wspomaga specjalistyczne oprogramowanie komputerowe, które zazwyczaj jest dołączone do konkretnego przyrządu pomiarowego. To właśnie aplikacje komputerowe umożliwiają programowanie analizatora oraz odczytywanie danych. Ponadto przydatne rozwiązanie stanowi pogląd parametrów sieci w czasie rzeczywistym. Skorzystać można z funkcji zarządzania danymi oraz ich kasowania. Zazwyczaj przewiduje się szerokie możliwości w zakresie prezentacji danych. Wykresy czasowe, oscylogramy, wykresy harmonicznych, wykresy wartości względem czasu to najważniejsze możliwości w tym zakresie. Do wykorzystania jest również funkcja analizowania danych z uwzględnieniem wymagań określonej normy. Przydatne rozwiązanie stanowi funkcja nadzorowania pracy wielu analizatorów.
Oprogramowanie nadzoruje parametryzowanie podstawowych opcji pracy analizatora. Ustawienia parametrów można wykonać na komputerze a dopiero w następnej kolejności plik konfiguracyjny jest wgrywany do miernika. Konfigurując analizator wybiera się przede wszystkim punkty pomiarowe oraz ustawia: czas pracy analizatora, czas uśredniania, tryby wyzwalania. Niektóre programy umożliwiają przypisanie parametrów indywidualnie do każdego z punktów pomiarowych.

Fot. 3. Prace z użyciem analizatora jakości energii elektrycznej Fot. 3. Prace z użyciem analizatora jakości energii elektrycznej. Fot.: SONEL

Jakość energii – przyczyny jej pogarszania

Mówiąc o przyczynach pogarszania jakości energii elektrycznej trzeba w pierwszej kolejności mieć na uwadze zjawiska, które leżą po stronie odbiorników. Należy przy tym podkreślić dużą ilość odbiorników nieliniowych. Chodzi tutaj m. in. o zasilacze impulsowe i przetwornice napięcia czy też odbiorniki nieliniowe dużej mocy – np. spawarki. Niejednokrotnie do sieci są podłączane odbiorniki, które nie spełniają wymagań określonych przez normy techniczne w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. Takie urządzenia bardzo często cechują się nieliniowym wzrostem prądu w stosunku do chwilowej wartości napięcia. Z kolei wspomniane już zasilacze impulsowe cechują się wielokrotnymi skokami pobieranego prądu. Jednak należy pamiętać, że zasilacze o konstrukcji tradycyjnej pobierają prąd dopiero gdy zostanie przekroczona wartość napięcia chwilowego. Tym sposobem dochodzi do powstania zniekształceń harmonicznych ze ściętymi wierzchołkami przebiegu sinusoidalnego.
Na obniżenie jakości energii wpływają również zdarzenia losowe po stronie odbiorników. Bardzo często są one związane z awariami odbiorników dużej mocy lub z nagłymi zmianami wartości natężenia prądu. Takie zjawiska uznawane są za częstą przyczynę gwałtownych skoków napięcia, przyczyniających się do niewłaściwej pracy urządzeń odpowiedzialnych za wytwarzanie energii elektrycznej. Trzeba mieć również na uwadze przepięcia łączeniowe lub przepięcia powstające wskutek wyładowań atmosferycznych. Przepięcia niejednokrotnie powstają w instalacjach z nieprawidłowo dobranymi bezpiecznikami.

Adam Kusz, specjalista ds. serwisu, AFRISO Sp. z o.o. Krzysztof Lorek,
Inżynier Wsparcia Technicznego SONEL S.A.

Zdaniem EKSPERTA
Jakie funkcjonalności cechują nowoczesne analizatory zasilania i jaki jest kierunek rozwoju tych urządzeń?

Rozwój konstrukcyjny analizatorów jakości zasilania jest głównie wynikiem postępu technologii elektronicznej. Coraz szybsze i wydajniejsze procesory, coraz większe rozdzielczości i szybkości przetworników analogowo-cyfrowych zapewniają już dokładności pomiarów poniżej 0.1%. Systematycznie rośnie szczegółowość odwzorowania kształtów przebiegów powyżej 256 do ponad 1024 próbek na okres. Dzięki rozszerzeniu pasma sygnałów powyżej 2.5 kHz do nawet 128 kHz, użytkownik może obserwować zjawiska i zakłócenia wcześniej niewidoczne. Wykorzystanie GPS do precyzyjnego pozycjonowania próbek w czasie znacząco ułatwia diagnostykę w pomiarach rozproszonych. Wzrost wydajności obliczeniowej procesorów zintegrowanych z DSP, przy malejącej energochłonności pozwala zmniejszając rozmiary, udostępnić jednocześnie większą ilość wyliczanych parametrów. Użytkownik otrzymuje mocniejsze i bardziej skomplikowane technicznie narzędzia, co w naturalny sposób wymusza na producentach doskonalenie i rozwój ich funkcjonalności. Bardzo pomocne są więc predefiniowane konfiguracje tematyczne parametrów rejestracji oraz zautomatyzowanie zaawansowanej analizy wyników pomiarów. Dużym ułatwieniem stają się dodatkowe narzędzia do specjalistycznych analiz systemu zasilania pod kątem eksploatacji urządzeń, przepływów energii, szacowania strat i spełniania standardów. Znacząco upowszechniły się w analizatorach formy łączności bezprzewodowej. GSM, Wi-Fi, Bluetooth - pozwalają na łączność mobilną oraz globalną, zapewniając użytkownikom swobodę realizacji pomiarów, korzystając z ogólnodostępnych urządzeń typu smartphone czy tablet oraz oprogramowania typowej przeglądarki www. Dzięki łączności online, możliwe staje się również gromadzenie i powielanie informacji w zasobach internetowych, ułatwiając i upraszczając wymianę danych przez Chmurę. To tylko wybrane informacje spośród wielu innych.