Jakość energii elektrycznej i diagnostyka monitorowane przyrządami klasy A – doświadczenia praktyczne

Znane są już do perfekcji parametry opisujące jakość energii elektrycznej, a wśród nich kryteria oceny oraz warunki szczególne, w tym warunki konieczne i warunki wykluczeń. Definicja jakości energii, zawarta w ustawie Prawo energetyczne, mieści się w zakresie merytorycznym kompatybilności elektromagnetycznej, usystematyzowanej rodziną norm PN-EN 61000-x-x oraz w normie PN-EN 50160. Do oceny jakości energii elektrycznej – według norm – służą przyrządy klasy A, których właściwości, metody obliczeniowe oraz niepewności pomiarów są precyzyjnie zdefiniowane w normie wiodącej PN-EN 61000-4-30 oraz w normach szczegółowych, m.in. PN-EN 61000-4-15 i PN‑EN 61000-4-7.

Wśród właściwości przyrządów klasy A najistotniejsze są: duże dokładności pomiarów napięcia na poziomie 0,1%, ograniczenie pasma pomiarowego do 2500 Hz, czyli 50. harmonicznej, analiza w cyklach uśredniania 200 ms (czyli 10 okresów sieci), z rozdzielczością częstotliwościową 5 Hz, rejestracja historii parametrów w 10-minutowych cyklach uśredniania, wypełniających równomiernie każdą godzinę, oraz niepewność czasu na poziomie co najmniej 1 s/24 h (lub co najmniej 20 ms, gdy zastosowano  zewnętrzną synchronizację czasu).

Wykonanie pomiaru jakości sprowadza się więc do właściwego podłączenia przyrządu we właściwym miejscu na co najmniej 7 kolejnych dni i wykonaniu gotowego raportu, przygotowanego już zwykle przez producenta przyrządu. W efekcie mamy dokładny statystyczny obraz jakości energii na zgodność z normami, porównywalny oczywiście pomiędzy poszczególnymi przyrządami, z którego może czasem wynikać, że jednak w tym przypadku, jest niestety, źle... Tu właśnie dopiero zaczynają się rzeczywiste problemy użytkowników energii lub stron ewentualnego konfliktu.

Obraz złej jakości energii jest udokumentowany wynikami statystyk dotyczących głównie napięcia, z przekroczeń których powinny wynikać konkretne konsekwencje. Jednak główny problem po stwierdzeniu naruszeń polega na identyfikacji i lokalizacji przyczyn, które na podstawie powyższych norm nie są już, niestety, tak proste i oczywiste do przeprowadzenia. Odtworzenie przebiegu poszczególnych zaburzeń na podstawie ciągłej rejestracji zmian poszczególnych parametrów (w tym wielu parametrów dodatkowych, nie objętych normami) oraz na podstawie oscylogramów wartości chwilowych napięć i prądów zgromadzonych w zabudowanej dużej pamięci, jest po prostu niezbędną koniecznością.

Powtórne wykonanie pomiarów może przynieść całkowicie inne wyniki, dlatego w rozwiązaniach przenośnych nie może mieć miejsca. Niestety, do dyspozycji mamy obecnie tylko kilka funkcjonalnie użytecznych rozwiązań, a i tak z pewnymi ograniczeniami. Mam na myśli przenośny analizator PQ-Box 100 firmy A.Eberle. Znam go i intensywnie wykorzystuję od samego początku istnienia na polskim rynku oraz drugi analizator G4500 firmy ELSPEC, który pojawił się znacznie później. Nie poruszam tematu rozwiązań stacjonarnych. Ze względu na kontraktowy charakter zastosowań, powinny one być omówione znacznie
szerzej.

Aby zrozumieć mechanizmy poszczególnych zakłóceń i znaleźć przyczynę bądź kierunek dalszych poszukiwań, konieczna jest zaawansowana wiedza elektrotechniczna, dużo wyobraźni oraz konieczność weryfikowania hipotez poprzez porównywanie wzajemnych zachowań poszczególnych parametrów, a w szczególnych przypadkach wykonywanie pomiarów jednoczesnych w charakterystycznych punktach systemu zasilania. Dlatego lepiej jest mieć zarejestrowanych dużo więcej parametrów niż wstępnie wydaje się potrzebne, zamiast o jeden za mało.

Duże znaczenie na przebieg procesów pomiarowych i późniejszej diagnostyki ma dobra znajomość metod obliczeń rejestrowanych parametrów, właściwości stosowanego przyrządu, jego możliwości, ograniczeń oraz specyficznych zachowań, mogących czasem utrudnić lub uniemożliwić postawienie właściwej  diagnozy. Nie bez znaczenia jest również intuicyjny interfejs, chroniący przed popełnianiem pomyłek w obsłudze, co może czasem mieć w konsekwencji nieodwracalne skutki. Z własnych doświadczeń wiem, że byłoby również o czym pisać. Dlatego bardzo istotny jest profesjonalny proces wdrożenia przyrządu do eksploatacji, szczególnie w początkowym okresie stosowania, co potwierdza praktyka.

Najpowszechniej występującymi przypadkami złej jakości energii wśród zarejestrowanych, szczególnie w sieciach niskiego napięcia, są zbyt duże zmiany napięcia, zbyt duże współczynniki flickera, a dalej problemy z harmonicznymi, obserwowane głównie w końcowych odcinkach sieci. Przedstawione dwa przypadki są w dużej mierze podobne do siebie, przy czym drugi został jednoznacznie zdiagnozowany, a przyczyna usunięta.

Przypadek I – linia 400/230 V, zasilanie obiektu z sieci rozdzielczej

Wahania napięcia (rys. 1a) mieszczą się w granicach normy w zadanym czasie 95% okresu obserwacji, zdarzają się jedynie sporadyczne przypadki przekroczenia progów w fazie L2. Ewidentnie przekroczony jest parametr Plt flickera (rys. 1b), a mieszczą się w przedziałach tolerancji poziomy harmonicznych w zadanym czasie 95% okresu obserwacji. Zdarzają się jednak duże i krótkotrwałe przekroczenia.

Widoczne są nieznaczne odstępstwa wartości maksymalnych 200 ms względem średnich w napięciach, co świadczy o bardzo małych lub krótkich przyrostach chwilowych. Zdecydowanie więcej jest głębokich i krótkotrwałych zapadów napięcia, występują również krótkotrwałe zapady poniżej Un – 10% (207 V). Pojedyncze wartości 200 ms nie mają jednak dużego wpływu na wartość średnią 10-minutową, według której liczone są statystyki zmian napięcia.