Jakość energii elektrycznej - jak ją mierzyć i monitorować?

Parametry jakościowe energii elektrycznej, wraz z wytycznymi w zakresie ich pomiarów oraz przedziałami dopuszczalnych wartości, zebrano w normie PN-EN 50160. Charakteryzują one napięcie zasilania za pomocą częstotliwości, wartości oraz kształtu przebiegu. Jeżeli chodzi o tę pierwszą, skutkiem pogorszenia jakości energii elektrycznej są jej odchylenia, czyli wolne zmiany oraz zachodzące szybko wahania częstotliwości. Są one powodowane trwałymi albo przejściowymi zaburzeniami bilansu mocy czynnej.

Zapady napięcia

Nawet 80% problemów z zasilaniem spowodowanych jest przez zapady napięcia, które są definiowane jako nagłe obniżenie napięcia do 1...90% jego wartości znamionowej. Stan ten po krótkim czasie mija, a napięcie wzrasta do poprzedniej wartości. Przyjmuje się, że trwa od 10 ms do 1 minuty. Głębokość zapadu jest określana jako różnica między minimalną wartością skuteczną napięcia w czasie wystąpienia tego typu zaburzenia i wartością napięcia deklarowanego. Wyróżnia się dwie najczęstsze przyczyny zapadów napięcia: zwarcia i załączenia odbiorników dużej mocy. Te o dużej głębokości mogą spowodować przerwę w zasilaniu, słabsze natomiast zakłócają działanie komputerów, oświetlenia, układów sterowania i układów napędowych. Aby zdiagnozować problem potencjalnie spowodowany zapadem napięcia, należy dokonać pomiarów obciążenia, dla którego pierwszego zaobserwowano symptomy tego zaburzenia.

Jeżeli jego przyczyna leży po stronie zasilania, odnotujemy spadek prądu i napięcia. Jeżeli natomiast problemem jest obciążenie, pobór prądu wzrośnie, zaś napięcie spadnie. Należy też zestawić ze sobą czas awarii sprzętu i wystąpienia zapadu – jeżeli nie ma między nimi korelacji, przyczyną awarii prawdopodobnie nie jest zaburzenie tego typu. Ochronę przed zapadami napięcia zapewniają m.in. zasilacze UPS.

Przerwy w zasilaniu

Zdarza się, że następuje całkowity zanik napięcia, czyli przerwa w zasilaniu. Jest to stan, w którym napięcie w przyłączu sieci spada poniżej 1% wartości deklarowanej. Odbiorca jest o tym wcześniej informowany, jeśli przerwa jest planowana albo też sytuacja ta może mieć charakter przypadkowy. Przerwy losowe dzieli się na krótkie (trwające krócej niż 3 minuty) i długie (trwające dłużej niż 3 minuty). Pierwsze są powodowane uszkodzeniami przemijającymi lub takimi, które zostają samoczynnie naprawione przez automatykę w sieci elektroenergetycznej. Drugie są z kolei wynikiem uszkodzeń trwałych. Skutkiem przerwy w zasilaniu jest wyłączenie urządzenia, o ile nie zostało zaprojektowane do automatycznego samoczynnego ponownego załączenia. Dlatego jeżeli nastąpi wówczas, gdy sprzęt pracuje bez nadzoru, przyczyna jego wyłączenia może nie zostać prawidłowo zidentyfikowana.

 

Rys. 1. Przykładowe niepożądane zdarzenia napięciowe w sieciach zasilania

Dorywcze przepięcia. odchylenia i wahania napięcia

Kolejnym zaburzeniem są dorywcze przepięcia o częstotliwości sieciowej i względnie długim czasie trwania (kilka okresów). Ze względu na typowo małą wartość nie zagrażają izolacji, ale jeżeli się przeciągają i wywołują wzrost poboru prądu, mogą powodować termiczne uszkodzenie urządzenia. Problemem są też odchylenia i wahania napięcia. Pierwsze, podobnie jak w przypadku częstotliwości, zachodzą wolno (nie szybciej niż 2% napięcia znamionowego na sekundę), a drugie szybko. Wahania napięcia są definiowane jako wzrost albo spadek napięcia wynikający ze zmiany obciążenia sieci rozdzielczej lub jej części. Odchyłki klasyfikowane w ten sposób nie powinny przekraczać ±10% napięcia znamionowego sieci. Większe są uznawane za zapady napięcia zasilającego albo przerwy w zasilaniu.

Asymetria

Niekorzystna jest również asymetria napięcia zasilającego. W ten sposób określa się stan w sieci trójfazowej, w którym wartości skuteczne napięć lub kąty fazowe między kolejnymi napięciami fazowymi nie są sobie równe. Asymetria napięć fazowych jest spowodowana przede wszystkim nierównomiernym obciążeniem poszczególnych faz. Najczęściej przyczyną tego zaburzenia są odbiorniki energii elektrycznej (jednofazowe albo trójfazowe o niesymetrycznym obciążeniu), chociaż czasem zdarza się także, że źródło asymetrii znajduje się po stronie dostawcy energii, przykładowo w przypadku różnic w parametrach elektrycznych linii napowietrznych.

Maksymalna asymetria napięcia między fazami nie powinna przekraczać 2%. W przeciwnym razie można się spodziewać negatywnych skutków, zwłaszcza w przypadku odbiorników trójfazowych. Przykładem jest nadmierne nagrzewanie się silników oraz transformatorów – asymetria napięć o zaledwie 2,3% skutkuje asymetrią prądu o prawie 18% i wzrostem temperatury aż o 30°C. Inne niepożądane efekty to nasilenie się wibracji, głośniejsza praca, skrócenie żywotności.

Harmoniczne. Przepięcia

Zaburzenia opisane dotychczas zaliczane są do kategorii zmieniających wartość napięcia, natomiast tytułowe harmoniczne należą do grupy tych zmieniających kształt przebiegu napięcia zasilającego względem tego idealnie sinusoidalnego. W efekcie przebieg odkształcony jest sumą wielu składowych, poza składową stałą, także harmonicznej podstawowej, o częstotliwości równej częstotliwości przebiegu odkształconego i wyższych harmonicznych, o częstotliwościach będących wielokrotnościami harmonicznej podstawowej. Stopień odkształcenia opisuje wskaźnik THD (Total Harmonic Distortion), który nie powinien przekraczać 8%. Źródłem harmonicznych są głównie odbiorniki nieliniowe, pobierające prąd odkształcony. Przykładami takich są: spawarki i piece łukowe, dławiki, transformatory, przekształtniki. Skutkiem harmonicznych jest z kolei głównie przegrzewanie się urządzeń. Powodują także spadek ich sprawności i skrócenie żywotności oraz nieprawidłowe działanie zabezpieczeń. Negatywny wpływ harmonicznych pozwalają ograniczyć filtry, pasywne i aktywne, a w przypadku gdy ich źródłem jest przemiennik częstotliwości, wybór tego z prostownikiem 12- albo 18-pulsowym zamiast 6-pulsowego. Do tej samej kategorii co harmoniczne zaliczane są również przepięcia krótkotrwałe. Mają one charakter przejściowy, zwykle powtarzalny, i czas trwania rzędu kilku milisekund. Ich główne przyczyny to wyładowanie atmosferyczne i operacje łączeniowe (przełączanie kondensatorów, ponowne załączenie zasilania po jego awarii, przełączanie obciążeń silników, transformatorów, nagłe zatrzymanie urządzeń).

Analizatory jakości zasilania

W pomiarach jakości energii elektrycznej używane są analizatory. Przyrządy te mierzą: średnie, minimalne, maksymalne i chwilowe wartości napięć i prądów, współczynniki szczytu dla prądu i napięcia, częstotliwość, moc czynną, bierną, wraz z określeniem charakteru (pojemnościowy, indukcyjny), pozorną, energię czynną, bierną, pozorną i współczynnik mocy. Umożliwiają też analizę harmonicznych oraz pomiar współczynnika THD, rejestrację stanów nieustalonych i zdarzeń napięciowych (przepięć, zapadów, zaników, gwałtownych zmian, odkształceń) oraz prądów rozruchowych, asymetrii, migotania światła. Analizatory jakości energii zasilającej dostępne są w wersjach stacjonarnych, jak i przenośnych. Wybór zależy od tego, czy jakość energii elektrycznej chcemy monitorować w sposób ciągły, aby na przykład móc porównać wyniki pomiarów w różnych miejscach w zakładzie, wykryć ewentualne prawidłowości w zakresie występowania anomalii lub udokumentować zdarzenia dotyczące jakości energii, czy bardziej zależy nam na mobilności, dzięki której personel w terenie uzyska dostęp do aktualnych odczytów. To pozwala szybciej rozpoznać problem. Analizatory przenośne są ponadto zwykle bardziej intuicyjne w obsłudze. Warto także w ich przypadku zwrócić uwagę na opcje zasilania przyrządu. Przydatną funkcją jest możliwość zasilania przyrządu bezpośrednio z mierzonego obwodu, dzięki której nie trzeba szukać dodatkowego przyłącza do podłączenia miernika. Ważna jest również pojemność akumulatora. Wybierając analizator przenośny, trzeba oprócz tego ocenić ergonomiczność konstrukcji. W przypadku analizatorów do pomiarów ciągłych z kolei warto sprawdzić możliwości konfiguracji w zakresie rejestrowanych parametrów i ich automatycznego zapisywania. Istotne jest też oprogramowanie do analizy wyników pomiarów. Przydatne opcje to m.in.: śledzenie trendu, raportowanie, zestawianie wyników z odczytami archiwalnymi i normami branżowymi.

Podsumowanie

Świadomość w zakresie przekładania się zużycia energii elektrycznej na koszty operacyjne, szczególnie w obecnej sytuacji gospodarczej, jest duża. Wynika to stąd, że koszty zasilania maszyn są zbiorczo podawane w comiesięcznym rachunku. Ułatwia to ich ograniczanie. Z drugiej strony koszty wynikające ze słabej jakości energii elektrycznej są mniej oczywiste, ponieważ są pośrednio ponoszone na skutek przestojów w produkcji, opóźnień w realizacji zamówień, wymiany uszkodzonych urządzeń i dodatkowej pracy przy usuwaniu skutków awarii. Dlatego wpływu jakości zasilania nie wolno lekceważyć, a opisane w artykule parametry trzeba monitorować, zwłaszcza jeżeli występują symptomy świadczące o jej pogorszeniu. Do takich należą: występujące częściej niż do tej pory uszkodzenia urządzeń elektronicznych, resetowanie się komputerów i innych urządzeń, zakłócenia w przebiegu procesów technologicznych (wolniejsza praca silników, zbyt szybka praca liczników), migotanie lub przygaszanie oświetlenia, wyzwalanie się bezpieczników bez oznak przeciążenia, załączanie się zabezpieczeń przeciążeniowych silników mimo braku oznak przeciążenia, nadmierne nagrzewanie się transformatorów, częstsze włączanie się systemów zasilania awaryjnego, migotanie obrazu na ekranie monitorów.

Należy również pamiętać, że problemy z jakością energii elektrycznej są często ze sobą powiązane. Oznacza to, że eliminując jeden z nich, możemy spowodować inny. Dlatego tak ważne jest by mieć całościowy ogląd sytuacji, co w tym przypadku oznacza dostęp do wyników pomiarów wszystkich kluczowych parametrów, i dzięki temu móc rozpoznać przyczynę anomalii, a nie jedynie usunąć jej objawy.

Monika Jaworowska