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.

Z obserwacji zmian parametru Pst i Plt wynika, że na tle przeciętnych wartości z przedziału 0,5-0,6 nakładają się m.in. bardzo duże zakłócenia (rys. 3a) oraz długo trwające cykle wzrostu Pst, powyżej 1,5–3,5 (rys. 3b) i powyżej 2,5–6 (rys. 3c), co potwierdza przekroczenia w statystykach. Jak podają normy, wahania napięcia już na poziomie 0,5 V mogą powodować wzrost współczynnika Plt do 1,
jeżeli występują z częstotliwością ok. 8,8 Hz.

Z zachowań wartości RMS(1/2) prądów w czasie przykładowego zakłócenia wynika, że zjawisko jest wywoływane powyżej punktu pomiarowego. Potwierdza to przy okazji konieczność wykonywania jednoczesnych pomiarów wielopunktowych, aby na podstawie porównań móc odnaleźć kierunek wzrostu przekroczeń flickera i dalej źródło.

Rys. 4. Obraz wartości RMS_(1/2) dla napięć i prądów

Rys. 5. Oscylogramy napięć i prądów w momencie przekroczenia progu minimalnego napięcia na L2

Rys. 6. Poziomy zawartości poszczególnych harmonicznych napięcia względem zadanych limitów

Szczegółowa analiza poszczególnych harmonicznych wykazuje, że przekroczona została tylko 15. harmoniczna w fazie L1, co jest widoczne na rysunku 7. W pozostałych przypadkach sumaryczny
czas trwania przekroczeń mieścił się w 5% czasu obserwacji.

Rys. 7. Przebieg zmian THDU i 15. harmonicznej w napięciu fazy L1

Powyższa analiza jakości energii elektrycznej i diagnostyka poszczególnych zakłóceń nie dały jednoznacznych odpowiedzi co do przyczyny i wymagają dalszych pomiarów. Ma to szansę powodzenia
ze względu na pewną cykliczność występujących objawów.

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

Jest to sytuacja bardzo podobna w podstawowym obrazie naruszeń limitów, jednak zaskakująco inna przy głębszej analizie. W porównaniu z poprzednim przypadkiem, występuje mniejszy stopień przekroczenia parametru Plt oraz przekroczenie progu harmonicznych dla 95% czasu obserwacji w fazie L2.

Na uwagę zasługuje specyficzne skorelowanie zmian napięć międzyfazowych, zależnych również od zmian prądów obciążenia i bardzo duże różnice w zachowaniu się napięć fazowych. Sporadycznie występują przekroczenia progów min i max, w większości w fazach L1 i L2 (podobnie jak w poprzednim przypadku, wyróżnione są charakterystyczne harmoniczne). Składowa zerowa w napięciu dochodziła do 10–15 V przy niedużej asymetrii prądów, lecz dużym udziale prądu neutralnego.

Skojarzenie skokowych zmian napięć fazowych z prądami fazowymi wykazuje dość dużą niezależność poszczególnych zjawisk. W tym przypadku została zdiagnozowana przyczyna takiego zachowania się sieci. Polegała ona na upaleniu się zacisku przewodu N na początku linii kablowej, przy przejściu z linii napowietrznej.

W wielu sytuacjach pogorszenie się parametrów flickera, przy ewidentnym skorelowaniu go ze zmianami obciążenia obserwowanymi w punkcie pomiaru, może świadczyć o rosnących rezystancjach styków łączących poszczególne odcinki linii. Przegląd i konserwacja daje często potwierdzone, pozytywne efekty. Powyższe przypadki są tylko przykładowymi wycinkami diagnostyki zakłóceń jakości energii elektrycznej, potwierdzającymi konieczność bardzo dobrej znajomości zjawisk oraz właściwości narzędzi do ich obserwacji.

Praktyka pomiarów diagnostycznych i szczegółowa znajomość używanych analizatorów (szczególnie PQ-Box 100) pozwala na podzielenie się przy okazji niektórymi refleksjami. Skuteczne wykorzystanie przyrządów klasy A, bazujących na wspomnianych wcześniej normach, do oceny jakości energii elektrycznej i identyfikacji przyczyn wymaga pewnej powściągliwości wobec idei standaryzacji, aparatu matematycznego czy też techniki bądź wyobraźni konstruktorów.

Po długotrwałej eksploatacji sprzętu, jego weryfikacji oraz analizie przypadków i problemów z diagnostyką, mogę na przykład powiedzieć, że:

• W zrost wartości skutecznej, szczególnie RMS(1/2) może nie mieć nic wspólnego z intuicyjnie pojmowanym zagrożeniem występowania wyższych potencjałów w sieci. Jest to często skutek matematycznego obliczania parametru (jak na rysunkach 14 i 15) tego samego przebiegu chwilowego po zaniku. Dlatego bardzo ważna jest wzajemna weryfikacja zaobserwowanych zjawisk, aby nie wyciągać pochopnie błędnych wniosków.
• S zczegółowa analiza zachowania parametrów Pst i Plt na rysunku 3 (fragment a) oraz przekroczenia w sąsiedztwie po lewej stronie sugerują, że chwilowe zjawisko wahań napięcia obserwowane na podstawie Pst trwało znacznie krócej niż weryfikowany parametr Plt. Przy krótkim lecz intensywnym zakłóceniu Pst – znacząco wydłuża powrót Plt poniżej limitu, a tym samym wpływa na ocenę czasu trwania zjawiska uznawanego na tej podstawie za uciążliwe.
• Ograniczenie pasma pomiarowego do 50 harmonicznych, szczególnie w pomiarach bezpośrednich niskiego napięcia, jest bardzo skuteczną metodą na uzyskiwanie naprawdę porównywalnych wyników oceny jakości energii. Jest to jednak obraz jakości, który mamy zobaczyć (według standardów), a nie jaki jest faktycznie, od którego zależy poprawność działania urządzeń i rzeczywista kompatybilność. Posługując się w diagnostyce zakłóceń typowym przyrządem klasy A, niektórych zjawisk nie da się zaobserwować, dlatego przestrzegam przed pochopnym wykorzystywaniem ich poza standardami. Chyba, że przyrząd ma dodatkowe możliwości diagnostyczne, czego ciekawym przykładem może być G4500 firmy ELSPEC, mierzący do 512 harmonicznych w napięciu.
• W arto podkreślić, że G4500 jest chyba jedynym przyrządem, w którym nie istnieje problem podglądu wartości napięć i prądów na poziomie RMS(1/2) i dalej oscylogramów z dowolnego momentu w rejestrowanym okresie – nawet kilku tygodni. Mamy do dyspozycji w skompresowanej pamięci oscylograficzny obraz całego okresu obserwacji. Tego nie można oczekiwać stosując PQ-Box 100, co przy jego ograniczonej ilości przyczyn wyzwalania i gubieniu oscylogramów przy dłuższych zanikach bądź zbyt szybkim wyłączeniu analizatora czasami bardzo utrudnia szczegółową diagnostykę.
• Jak potwierdziła praktyka, diagnostyka poszczególnych zakłóceń mająca na celu nie tylko stwierdzenie faktu złej jakości ale również znalezienie przyczyn, wymaga bardzo szczegółowej znajomości przyrządów pomiarowych. Niestety, nic nie jest doskonałe – mimo częstych zapewnień producentów oraz handlowców. Dopiero bezpośrednia weryfikacja pokazuje słabości bądź niedociągnięcia konstrukcyjne rozwiązań rozszerzających możliwości przyrządów poza normę, a mających w trakcie eksploatacji istotny wpływ na możliwość i wiarygodność wyciąganych wniosków diagnostycznych. Bardzo optymistycznie jest, gdy producenci są wystarczająco skuteczni. Jesteśmy niestety skazani na kompromisy, więc dobrze jeżeli są one świadome.

Podsumowanie

Dysponując typowym narzędziem w klasie A, można przeprowadzić analizę jakości energii elektrycznej, której efektem będzie raport statystyczny. Jednak identyfikacja przyczyn i lokalizacja zakłóceń jest możliwa dzięki szczegółowej weryfikacji historii wielu parametrów i oscylogramów, co umożliwiają już tylko niektóre przyrządy spośród dostępnych na rynku. W specyficznych przypadkach dopiero jednoczesne pomiary w wielu punktach pozwalają na uchwycenie przebiegu zakłócenia. Jak na razie, przyrządy nie są w stanie zastąpić naszej wiedzy elektrotechnicznej. W niektórych przypadkach niedoskonałości narzędzi mogą utrudnić procesy diagnostyczne, a skutki ograniczeń wynikających z norm i niedoskonałość aparatu matematycznego – przy braku doświadczenia – uniemożliwić postawienie właściwej diagnozy.