Diagnostika poruchových stavů u kompenzačních rozváděčů

1. Úvod
Současná éra nastupující čtvrté průmyslové revoluce se nevyhýbá ani zařízením instalovaným v průmyslových napájecích sítích. Postupné zavádění prvků koncepce Průmysl 4.0 skýtá nejen velké možnosti v oblasti bezpečnosti a provozní spolehlivosti elektrických zařízení, ale i např. optimalizace servisních zásahů a s nimi spojených nutných odstávek energetických a technologických zařízení ve firmách.

Tento trend znamená u kompenzačních rozváděčů nízkého napětí další skokové zvýšení jejich technické úrovně. K tomu poslednímu totiž došlo již před více než 25 lety, tedy v 90. letech minulého století. Do té doby byli výrobci omezováni zejména tehdejší součástkovou základnou, která se právě během 90. let velmi rozšířila.

V 80. letech sice byly vyvinuty kompenzátory Plycos, které umožňovaly rychlou plynulou regulaci kompenzačního výkonu a filtraci harmonických, nicméně k jejich většímu rozšíření v průmyslových sítích, podobně jako bezkontaktně spínaných kompenzátorů Stycos, nedošlo. V průmyslových podnicích se přitom již od 70. let zvyšoval podíl regulovaných pohonů a dalších nelineárních spotřebičů, které byly zdroji harmonických proudu, a byly tudíž nekompatibilní s „klasickými“ kompenzacemi, skládajícími se z kompenzačních stupňů tvořených prostými kondenzátory. Důsledkem bylo soustavné proudové přetěžování kondenzátorů vedoucí k poruchám, ale i velmi často k haváriím kompenzací.

Zlepšení v konstrukci nízkonapěťových kompenzačních rozváděčů napomohla hlavně dostupnost nových součástek, zejména kvalitnějších kondenzátorů, speciálních stykačů určených pro spínání kapacitní zátěže, tyristorových modulů pro bezkontaktní spínání, hradicích a filtračních tlumivek a moderních digitálních regulátorů, umožňujících rychlou a přesnou regulaci účiníku.

Později se na trhu začaly objevovat také tzv. aktivní filtry, určené primárně k filtraci harmonických, ale ve speciálních případech také využitelné pro kompenzaci účiníku.

Důležitá byla rovněž osvěta výrobců mezi projektanty a provozovateli, takže se postupně dostávaly do povědomí informace o tom, jak správně navrhovat, ale i provozovat kompenzace pro sítě s velkým podílem nelineárních spotřebičů.

Obr. 1. Proudy v hrazeném kompenzačním stupni 400 V, 50 kvar, 189 Hz

2. Kompenzační prostředky používané v nízkonapěťových sítích

Kompenzační prostředky, které se v současné době používají v nízkonapěťových sítích, lze rozdělit do několika skupin:

a) Nehrazené kompenzace: kompenzační stupeň je tvořen sériovým řazením pojistkového odpínače, spínacího prvku (speciálního stykače pro spínání kapacitní zátěže nebo tyristorového spínacího modulu) a kondenzátorů.

b) Hrazené kompenzace: kompenzační stupeň je tvořen sériovým řazením pojistkového odpínače, spínacího prvku (speciálního stykače pro spínání kapacitní zátěže nebo tyristorového spínacího modulu), hradicí tlumivky a kondenzátorů. Sériový LC obvod se většinou ladí na 189 Hz, v některých případech, u sítí se spotřebiči, které generují proud 3. harmonické, nebo s ohledem na signál HDO, se také používá ladění obvodu na 134 Hz. Jen výjimečně se u sítí nízkého napětí ladí kompenzační stupeň jako filtr, např. pro 5. harmonickou.

c) Kombinace aktivního filtru a hrazené kompenzace: hrazená kompenzace zajistí dodávku kompenzačního výkonu základní harmonické, aktivní filtr zajistí filtraci, většinou nízkých řádů harmonických (5., 7.).

d) Speciální kompenzace: u některých instalací, např. odporových svářeček, je nutné použít speciálně řešené kompenzace; může jít např. o kompenzaci typu STATCOM, která se v zásadě neliší od aktivního filtru a slouží ke kompenzaci účiníku, eliminaci kolísání napětí a popř. i filtraci harmonických, nebo může jít o jednofázové, bezkontaktně spínané kompenzační moduly.

3. Zkušenosti s provozem hrazených kompenzací na hladinách nízkého napětí

Nejstarší rozváděče, dodané různými firmami, které působí na českém a evropském trhu, jsou v provozu již více než dvacet let. Protože na mnoha těchto zařízeních vznikaly poruchy (často se opakující výpadky pojistek, opalování izolace vodičů k tlumivkám a kondenzátorům, destrukce kondenzátorů, v některých případech i vyhoření kompenzačního pole a aktivace elektronické požární signalizace v rozvodně), prováděli na řadě z nich odborníci společnosti ELCOM na požadavek provozovatelů měření a analýzy, a to s cílem navrhnout účinná opatření pro jejich eliminaci.

Tyto negativní jevy byly delší dobu známé u nehrazených kompenzací a téměř vždy byly vyvolané nekompatibilitou kompenzace a nelineárních spotřebičů v síti. Často docházelo například k výměně neregulovaných pohonů s asynchronními motory nakrátko za regulované pohony s měniči frekvence bez výměny nehrazené kompenzace, a tedy zákonitě nastaly problémy. Předpokládalo se proto, že hrazené kompenzace tyto problémy vyřeší a již nebudou vznikat. Ukazuje se ale, že to nemusí být ve všech případech pravda. Podle zkušeností společnosti ELCOM je nutné při vypracovávání návrhu a při provozu hrazených kompenzací věnovat zvýšenou pozornost těmto detailům:

a) Hradicí tlumivky jsou významným zdrojem tepla, rozváděč je proto vždy vybaven nucenou ventilací. Jen výjimečně je řešena dálková signalizace výpadků ventilátorů, takže v některých případech může být ve skříních vysoká teplota, na kterou jsou kondenzátory citlivé.

Kondenzátory se vyrábějí v teplotní třídě D, pro kterou je předepsaná průměrná provozní teplota v průběhu 24 h do 45 °C a během této doby nesmí překročit 55 °C. Zároveň musí být dodržena podmínka průměrné roční teploty okolí do 35 °C. Důsledkem překračování těchto teplot je výrazné urychlení stárnutí kondenzátoru. Například zvýšení průměrné provozní teploty o 20 °C může způsobit až osminásobné zkrácení životnosti kondenzátoru.

b) Pojistky v podstatě nechrání kondenzátory ani hradicí tlumivku proti přetížení, ale pouze proti zkratu. Pouze v některých případech, kdy obvodem teče proud s vysokým zkreslením, např. 5. harmonickou, pojistky zapůsobí. Ochranu kompenzačního stupně proti přetížení obvykle zajišťuje integrované čidlo teploty tlumivky a přetlakový odpojovač, kterým je opatřena nádoba každého kondenzátoru.

c) Nejchoulostivějším prvkem hrazených kompenzací jsou kondenzátory, které jsou převážně vyráběny v technologii MKP, v suchém provedení, se svitky z metalizované polypropylenové fólie. Dielektrický systém je samoregenerační (samohojivý), u něhož se v případě napěťového průrazu kovová vrstva okolo místa průrazu odpaří díky vysoké teplotě elektrického oblouku, který se vytvoří mezi elektrodami. Kondenzátor zůstává plně funkční jak během průrazu, tak i po něm, sníží se ale jeho kapacita. Kondenzátor nemusí být viditelně poškozený (odtržená přetlaková pojistka – odklopené horní víčko), a přesto může mít trvale sníženou kapacitu.

Někteří výrobci vyrábějí nízkonapěťové kondenzátory ve dvou provedeních: standardní a tzv. heavy duty. Kondenzátory v provedení heavy duty jsou určeny pro provoz v náročných podmínkách, mají dlouhou životnost i odolnost proti napěťovému a proudovému přetížení a vysokým teplotám. U hrazených kompenzací je třeba preferovat právě toto provedení.

d) U hrazených kompenzačních stupňů laděných na frekvenci 189 Hz se v sítích s napětím 400 V běžně používají kondenzátory se jmenovitým napětím 440 V. Na kondenzátoru je za tlumivkou napětí zvýšeno na 107,5 % napětí sítě. Běžný kondenzátor určený pro kompenzaci účiníku je napěťově přetížitelný na 110 %, nejde se ale o trvalou přetížitelnost, ta je omezena např. na 8 h během každého intervalu 24 h.

Vrcholovou hodnotu napětí na kondenzátorech zvyšují protékající harmonické proudu, hlavně nízkých řádů (3., 5., 7.). Kombinace trvale udržovaného vyššího napětí v síti (např. na hlavním rozváděči za transformátorem vn/0,4 kV) a velkého podílu nelineárních spotřebičů v síti může vést k soustavnému napěťovému přetěžování kondenzátorů.

V některých instalacích by proto bylo výhodnější používat kondenzátory s vyšším jmenovitým napětím, např. 460 V. Ty ale nejsou v řadě běžně vyráběných typů a zvyšují cenu kompenzačního rozváděče, protože při stejném instalovaném výkonu kondenzátorů bude kompenzační výkon o 9 % menší.

Obr. 2. Proudy v hrazeném kompenzačním stupni 400 V, 50 kvar, 189 Hz se sníženou kapacitou

Jiná je situace u kompenzačních stupňů laděných na frekvenci 134 Hz, u kterých je napětí na kondenzátoru rovno 116 % napětí sítě a je nutné použít kondenzátory se jmenovitým napětím minimálně 480 V.

e) Samoregenerační schopnost kondenzátorů je obecně pozitivní vlastnost, ale u hrazených kompenzačních stupňů může mít negativní důsledky.

Jestliže se např. sníží kapacita kondenzátoru na 80 % původní jmenovité hodnoty, změní se ladění kompenzačního stupně ze 189 na 211 Hz. V důsledku tohoto přeladění se zvýší zatížení kompenzačního stupně proudem 5. harmonické, v sítích se signálem HDO na frekvenci 216,7 Hz navíc může dojít k odsávání užitečného signálu HDO a k dalšímu zvýšení proudového zatížení kondenzátorů.

Ještě horší situace nastane v případě, že za hradicí tlumivkou jsou paralelně řazeny dva kondenzátory a dojde k odpojení jednoho kondenzátoru (např. přetlakovým odpojovačem v jeho nádobě). To vede k přeladění obvodu z frekvence 189 na 267 Hz. Obvod potom bude fungovat jako přeladěný filtr 5. harmonické a proud na frekvenci 250 Hz může být větší než proud základní harmonické 50 Hz.

Na obr. 1 jsou naměřené průběhy proudů ve fázích hrazeného kompenzačního stupně s výkonem 50 kvar, při správném naladění na 189 Hz. Při proudu základní harmonické o velikosti 66 A byl naměřený proud 5. harmonické asi 17,5 A.

Na obr. 2 jsou průběhy proudů ve fázích hrazeného kompenzačního stupně se stejnými parametry, u kterého se snížila kapacita kondenzátorů – proudy základní harmonické ve fázích se zmenšily na 30 až 40 A, proudy 5. harmonické se zvětšily na 25 až 34 A. Vadný kompenzační stupeň přitom nebyl viditelně nijak poškozený. V kompenzačním rozváděči byly celkem dva takto vadné kompenzační stupně a docházelo k opakovaným výpadkům pojistek i u ostatních, nepoškozených stupňů, u jednoho stupně vyhořely kondenzátory.

Na obr. 3 je vypočtená frekvenční charakteristika sítě 400 V s hrazenou kompenzací, se správně naladěnými stupni na 189 Hz. Přestože jde o hrazenou kompenzaci, mají kompenzační stupně určitý filtrační účinek, hlavně pro 5. a 7. harmonickou, což je zřejmé i z obr. 1.

Jestliže se vlivem změny kapacity kondenzátorů rozladí některé stupně, může se z některého stupně stát filtr 5. harmonické (jsou ohroženy kondenzátory přeladěného stupně, protože ty nejsou dimenzované na zvýšené zatížení) nebo se obvod přeladí až nad frekvenci 250 Hz, podle obr. 4, a potom může vlivem paralelní rezonance dojít k zesílení proudu 5. harmonické a hrozí porucha nejen rozladěného stupně, ale i ostatních, správně naladěných stupňů.

Obr. 3. Frekvenční charakteristika sítě 400 V s hrazenými kompenzačními stupni

4. Prevence poruchových stavů

U každé investiční akce je v současné době snaha minimalizovat cenu dodávek. Proto jsou kompenzační rozváděče většinou řešeny velmi jednoduše, např. se neměří proudy jednotlivých kompenzačních stupňů, není signalizován výpadek pojistek, neřeší se dálková signalizace poruch atd.

Často se stává, že obsluha při občasných pochůzkách po rozvodnách nezjistí žádný problém, a přitom kompenzace může fungovat mnoho měsíců s přerušenými pojistkami, odpojenými nebo vadnými kondenzátory, se zmenšenými nebo nesymetrickými proudy ve fázích u některých kompenzačních stupňů apod.

Někteří provozovatelé se snaží na základě zkušeností s poruchami kompenzačních rozváděčů provádět častější preventivní periodické kontroly. Vzhledem k rostoucí ceně lidské práce a současným trendům implementovat v průmyslových podnicích alespoň základní atributy koncepce Průmysl 4.0 (internet věcí, on-line komunikace jednotlivých zařízení, inteligentní senzorika, prediktivní údržba), je řešením vylepšení 25 let staré konstrukce kompenzačních rozváděčů moderními autodiagnostickými prostředky.

Díky obrovskému souboru měření a analýz, které pracovníci ve firmě ELCOM, a. s., za posledních téměř 28 let provedli, se soustřeďují na realizaci opatření, která podle jejich názoru povedou k možnosti začlenit kompenzační zařízení do kyberneticko-fyzického systému distribuce elektřiny v průmyslových sítích a k podstatnému zvýšení nejen jejich bezpečnosti a provozní spolehlivosti, ale i uživatelského komfortu. Jde zejména o vytvoření autonomního subsystému, který bude schopen zajistit mimo jiné tyto důležité funkce:

a) Monitoring proudů ve dvou nebo třech fázích každého kompenzačního stupně. K tomuto účelu jsou vhodné např. kompaktní dělitelné měřicí transformátory proudu s malým výkonem (do 1 V·A) a velmi malými rozměry, určené k instalaci kolem vodiče.

V jednodušším případě je možné zavést proudy přes převodníky 4 až 20 mA do vstupů lokálního PLC a vyhodnocovat jejich velikost, popř. symetrii ve fázích. Dražším řešením je zavedení proudů 1 A z měřicích transformátorů do měřicích karet (A/D převodníků) a vyhodnocování jednotlivých harmonických složek nízkých řádů.

b) Monitoring velikosti napětí v síti. Z tohoto napětí a z harmonických proudu tekoucích kompenzačními stupni je možné vyhodnocovat skutečné napětí na kondenzátorech a signalizovat jejich přetěžování.

c) Zavedení výstupů všech čidel a senzorů do lokálního PLC. Jde např. o monitoring teploty tlumivek (integrované senzory), monitoring teploty v jednotlivých skříních, stavy stykačů (např. možnost identifikace stavu – zapnutý stykač a stupněm neteče proud), poruchy regulátoru účiníku, překompenzování nebo nedokompenzování.

d) Zapojení lokálního subsystému kompenzačního rozváděče přes rozhraní Ethernet do jednotného datového prostoru a tím umožnění multikanálového přístupu z různých zařízení.

Kompenzační rozváděč obsahující výše popsané hardwarové a softwarové vybavení umožňující u všech veličin sledovat a zaznamenávat i jejich trendy v delších časových intervalech je schopen sám diagnostikovat veškeré svoje mimořádné stavy, sám si „vyžádat“ opravu a detailně informovat výrobce nebo dodavatele o svém „strojovém zdraví“. Vlastní servisní zásah může uskutečnit prostřednictvím vzdálené asistence projektanta, konstruktéra nebo servisního technika i opravář, který disponuje jen základní elektrotechnickou kvalifikací a je pomocí prostředků rozšířené reality instruován k provedení servisního zásahu krok za krokem.

Některé z funkcí popsaných v odstavcích a) až d) již řeší moderní digitální regulátory účiníku, ale ne v potřebném rozsahu. Jsou např. schopny vyhodnocovat zkreslení a jednotlivé harmonické napětí a proudu (jde ale o proud na přívodu kompenzačního rozváděče, ne o proud kompenzačních stupňů), mají vstup pro externí odporový teploměr, jsou vybaveny komunikačním rozhraním Ethernet, je v nich zabudován webserver atd. Kromě instalace lokálního řídicího PLC do kompenzačního rozváděče se do budoucna nabízí možnost rozšířit digitální regulátory účiníku o další funkce: proudové vstupy pro každý kompenzační stupeň, kartu s osmi až šestnácti digitální vstupy, nový software.

Obr. 4. Frekvenční charakteristika sítě 400 V s vadnými kompenzačními stupni

Tato opatření budou cenu kompenzačních rozváděčů, jejichž tradiční, silnoproudý efekt (tedy správná kompenzace účiníku) se nemění, zvyšovat. Nicméně vyšší investiční náklady na začátku se vrátí v průběhu mnohaletého provozu významnými úsporami při údržbě a snížením rizika poruch.

Popsané zásady jsou platné i pro jiná kompenzační zařízení, tedy např. i pro nehrazené kompenzační rozváděče, s několika výjimkami:
– činné ztráty kondenzátorů jsou zanedbatelné, proto není nutná nucená ventilace skříní, a tedy ani monitoring vnitřní teploty,
– napětí na kondenzátorech je nižší, protože před kompenzačním stupněm není zařazena tlumivka (většinou se proto používají kondenzátory se jmenovitým napětím 400 V),
– rezonanční frekvence ve frekvenční charakteristice sítě se mění s počtem sepnutých kompenzačních stupňů.

Nehrazené kompenzace jsou proto jednodušší a mohou být méně náchylné k poruchám. To ale platí pouze v případě, že instalovaný výkon nelineárních spotřebičů je zanedbatelný. Často ale vzniká situace, že v době instalace nehrazeného kompenzačního rozváděče je vše v pořádku, ale postupnou instalací měničů frekvence a dalších zařízení generujících harmonické se situace zhoršuje, až dojde k havárii.

U vysokonapěťových kompenzací velkých výkonů je jejich ochrana daleko propracovanější, používají se např. speciální „kondenzátorové“ ochrany, zapojení kondenzátorů do dvojité hvězdy, s citlivou balanční ochranou apod. U skříňových kompenzačních rozváděčů 6 a 10 kV může být situace velmi podobná jako u kompenzací nízkého napětí, protože i tam se často používají hrazené kompenzační stupně chráněné pouze pojistkami a čidlem přetlaku na nádobě kondenzátoru. Kondenzátory ale nejsou samohojitelné a při malých výkonech ani nemají zabudované vnitřní pojistky. Přesto však může dojít ke snížení jejich kapacity a tím k rozladění LC obvodu tvořeného předřazenou tlumivkou a vlastním kondenzátorem, např. vlivem zkratování celé řady paralelních svitků bez působení externí pojistky.

Hlavní rozdíl oproti nízkonapěťovým zařízením je v tom, že porucha vysokonapěťového kompenzátoru může v podstatně větší míře ohrozit život obsluhy. Proto by skříně měly být odolné proti vnitřnímu obloukovému zkratu a měly by být typově zkoušeny. To u většiny kompenzátorů vn ve skříňovém provedení dodávaných v současné době splněno není. U vysokonapěťových kompenzačních rozváděčů je proto nutný vývoj nejen ve směru autodiagnostiky, ale také směřující k zajištění vyšší bezpečnosti a typovým zkouškám.

5. Závěr

Podle názoru autorů článku jsou v současné době pouze tři cesty, jak zvýšit spolehlivost a bezpečnost provozu kompenzačních rozváděčů:

Předimenzovat některé prvky, hlavně kondenzátory, aby byly odolnější proti napěťovému a proudovému přetížení.

Provádět časté opakované kontroly kompenzačních rozváděčů pracovníky elektroúdržby.

Instalovat rozváděče, v nichž jsou zabudovány prvky autodiagnostiky a které samy už při první identifikaci potenciálního nebezpečí vzniku poruchy provedou kroky k nápravě nebo „požádají“ o opravu. V případě potřeby umožní takto provozovaná zařízení svoji dálkovou správu bez ohledu na místo instalace a sídlo výrobce či dodavatele. Prioritním přínosem ale je zcela autonomní a plně automatický provoz zařízení s minimálními zásahy z vnějšího prostředí.

Využití prvků koncepce Průmysl 4.0 při projektování, uvádění do provozu a zejména provozování kompenzačních zařízení jako jednoho z autonomních subsystémů povede k velmi pozitivnímu ekonomickému efektu. Velmi důležitou roli v tomto procesu sehrává a nadále bude sehrávat vysoce odborná teoretická i praktická znalost celé problematiky, kterou je zapotřebí do znalostních struktur celého procesu vložit. Ten se bude vyvíjet dále např. díky strojovému učení na základě toků dat při provozování zařízení, nicméně lidský expertní vklad bude hrát i nadále nezastupitelnou úlohu.

---

 Vyšlo v časopise Elektro č. 3/2018 na straně 16. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.