Analýza kvality napájení nepředvídatelných událostí v průmyslu

Přechodné jevy a krátké odchylky nelze měřit tradičním nepřetržitým způsobem, protože se vyskytují jen jako krátkodobé, a ve většině případů s dlouhým časovým odstupem. Zaznamenávání událostí na síti je totiž založeno na požadavcích normy EN 50160 či její podnikové verze, kterou určuje distribuční společnost.

V normě je určeno i nastavení prahových hodnot pro zachycení událostí. Některé takovéto jevy však nejsou pokryty požadavky normy ani požadavky prahových hodnot definovaných normou, protože nejsou pro konkrétní distribuční síť relevantní. Nicméně, tyto jevy, které vznikají především uvnitř instalace průmyslového závodu, ale nejen tam, jsou pro jeho provoz zásadní. 

Například motor velkého výkonu způsobí během spouštění velký pokles napětí a ovlivní tak všechna další připojená zařízení. Reklamace je ve většině adresována energetické společnosti. Ta však měří napětí v rozvodně na připojovacím bodě nebo v rozvodně, která se nachází několik desítek kilometrů daleko. Jednak všechny události ověřuje podle limitů normy, jak již bylo řečeno, tak, že ve většině případů rychlé události vůbec na svých zařízeních nezaznamenala, a jednak mezi distribuční sítí a sítí závodu je transformátor přes který by se, při správných poměrech na síti, vůbec neměly žádné jevy z vnitřní sítě závodu zpět na distribuční soustavu přenést. Dalším důvodem nezachycení mnoha událostí je, že metodika měření pro vyhodnocování podle EN 50160 předepisuje průměrování přes deset period, tedy 200 ms. Při tomto průměrování zaniknou nebo jsou zkresleny velikosti efektivní hodnoty (obr. 1). To jsou důvody, proč při používání standardních monitorů kvality sítě nelze většinu pro provoz závodů podstatných událostí zachytit a vyhodnotit a následně odstranit jejich příčinu.

Obr. 1. Velikost napájecího napětí

Nepřetržitý záznam všech jevů na síti metodou perioda po periodě je tak jedinou metodou k zachycení události nebo k analýze problémů nebo jevů. Je téměř nemožné nebo nesmírně nepohodlné zachytit události nebo je analyzovat jiným způsobem.

V následujících několika příkladech ukážeme, jak je důležité monitorovat a zaznamenávat kvalitu sítě vysokou rychlostí bez nastavování rozhodovacích úrovní a s rozlišením až na periodu signálu.

Automobilový průmysl, aplikace bodového svařování v automobilovém průmyslu

Obrázek 2 poskytuje obecný přehled o kolísání napětí ve svařovně automobilového závodu. Během těchto 20 minut napětí rychle kolísalo na –15 % od jmenovité hodnoty. Nastavením prahových hodnot na +/– 10 % podle požadavků normy povede při velkém počtu událostí překročení k zaplnění paměti běžného přístroje. Kontinuální měření a záznam efektivní hodnoty v rozmezí 1/2 cyklu po dlouhou dobu přístroji Elspec řady G44XX, které využívají patentovanou kompresní bezeztrátovou metodu PQZIP a současně umožňují zobrazovat detaily záznamu je na obr. 3. Takto je možné zkoumat intenzitu špiček změn napětí způsobených současným bodovým svařováním. Pokles pod určitou úroveň může způsobit vážné škody v kvalitě výroby vlivem nekvalitních svarů. Znalostí této situace je možné navrhnout řešení nápravu omezením špičkových proudů využitím systému například Elspec Equalizer pracujícím v reálném čase, a odstranit tak rychlé poklesy napětí.

Obr. 2. Kolísání napětí ve svařovně

Obr. 3. Výstup kompresní metody PQZIP

Odstraňování problémů s blikáním (flickerem)

V následujícím příkladu si zákazník stěžoval, že mu blikají světla v závodě. Bylo rozhodnuto provést audit. Byl nainstalován analyzátor kvality energie Elspec G4500 využívající metodu PQZIP na dobu jednoho týdne pro vyšetřování této situace. Obrázek 4 poskytuje obecný pohled na RMS napětí při rozlišení jedné periody a hodnoty flickeru PST po dobu delší než osm dnů. Neočekávaně jsou hodnoty PST v povoleném rozsahu.

Obr. 4. RMS napětí a hodnoty flickeru

Obrázek 5 ukazuje hodnoty harmonického zkreslení napětí (THD V červený rámec) a 7. harmonickou (zelený rámec) při rozlišení jednoho cyklu. Graf jasně ukazuje, že tvar jak THD V, tak i 7. harmonické je stejný. Obrázek 6 je detailem okamžiku, kdy je aktivní 7. harmonická. Ukazuje se tedy, že průměrování harmonických hodnot přes interval 10 minut, jak to požaduje norma, funguje jako filtr a skrývá rychlejší události. Při vyhodnocení takovéto situace přístrojem založeným na postupech daných normou není možné takovouto situaci odhalit. Obrázek 7 jasně znázorňuje obálky vlny způsobené 7. harmonickou.

Obr. 5. Hodnoty harmonického zkreslení a 7. harmonická

Obr. 6. Detail 7. harmonické

Obr. 7. Obálky vlny způsobené 7. harmonickou

Po provedené analýze důvodem pro vysokou 7. harmonickou byla částečná rezonance v síti blízko k 7. harmonické, ke které docházelo po připojení některé kondenzátorové banky v kompenzátoru. Důvodem, proč nešlo čistě o sedmou harmonickou, bylo to, že k dané síti byla připojena malá vodní elektrárna, která generovala harmonické. Generátor v této elektrárně byl asynchronní generátor, a když rotor byl ve skluzu s frekvencí napětím 50 Hz, tak 7. harmonická od rotoru se stávala interharmonickou v blízkosti 7. harmonické. Bez možnosti dlouhodobého záznamu perioda po periodě a možnosti získat i detailní data až na úroveň délky periody, by nebylo možné toto zjištění učinit.

Změny napětí v důsledku problémů ve fotovoltaickém systému

Tento příklad ilustruje vliv generovaného výkonu (kW) na úroveň napětí v 50 kW fotovoltaickém systému připojeném k síti nízkého napětí. Denní kolísání výkonu a napětí jsou zobrazeny na obr. 8. Je možné pozorovat, že od 11:45 do 12:50 h dochází k mnoha výkyvům energie.

Obr. 8. Denní kolísání výkonu a napětí

Obr. 9. Detail změn

Pro lepší pochopení situace je na obr. 9 detail změny v délce pěti minut.

Když je napětí v rozmezí od 250,2 do 250,6 V, výkon měniče klesá ze 41 na 28 kW a v důsledku toho se napětí snižuje o 1,7 V. Po uplynutí jedné minuty se měnič znovu rozběhne a napětí se zvýší. Po dosažení napětí až 250,2 V výkon okamžitě klesne na 28 kW. Pro lepší pochopení procesu těchto změn, byl záznam zvětšen na detailní okno devíti sekund, které je na obr. 10. Tvar napětí a výkon je způsoben poruchou měniče fotovoltaického systému.

Obr. 10. Detail při poruše měniče

Obr. 11. Zařízení umožňuje až jeden rok záznamu

Výše popsané události bylo možné zachytit jen díky unikátní konstrukci analyzátorů Elspec, které jsou schopné nepřetržitého záznamu čtyř napětí a čtyř proudů se vzorkovací rychlostí až 1 024 vzorků za periodu s vysokým rozlišením 16 až 24 bitů. Díky tomu jsou schopny zachytit i krátké přechodné děje bez nutnosti nastavování jakýchkoliv rozhodovacích hodnot a kdykoliv z jakkoliv dlouhého záznamu zobrazit detail až na úroveň jednotlivých vzorků. Ukládání obrovského množství dat získaných při takovém záznamu je řešeno jejich bezeztrátovou kompresí. Není však použit běžný způsob komprese dat známý z PC techniky, ale je použita již zmíněná speciální patentovaná bezeztrátová metoda PQZIP společnosti ELSPEC. Tímto způsobem je možné zaznamenat do paměti 16 GB jeden celý rok záznamu s minimálně osmi kanály a provést kdykoliv zobrazení kteréhokoliv úseku analyzovaných dat až na úroveň jednotlivých vzorků (obr. 11).

Obr. 12. PQ SCADA Sapphire

Obr. 13. Řešení monitoringu závodu

Pro praktické použití při monitorování kvality elektrické energie jsou přístroje koncepčně řešeny jak pro on-line měření a zobrazení naměřených údajů (webový server), tak i podrobnou kvalitativní analýzu off-line. Celkem je možné zobrazit až 5 000 parametrů sítě s využitím intuitivního prostředí PC software PQ SCADA Sapphire (obr. 12). Lze tak vybudovat centralizovaný monitorovací systém, který zajistí podrobný přehled o stavu distribuční sítě vn i vvn v zemi, nebo sítě závodu v průběhu času pro získání podrobných informací o stavu zařízení a jejich zdraví (obr. 13). Další podrobnosti o systémech kvality sítě Elspec lze získat od zástupce pro ČR a SR společnosti Blue Panther, s. r. o. Tato společnost dodává i Hloubkové audity kvality sítě, jejichž výsledky jsou uvedeny výše jako příklady.

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 10/2018 na straně 30.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.