Hořící trafostanice není náhoda

Tento článek si klade za cíl upozornit na některé nebezpečné jevy, které stále více vznikají v energetických systémech výrobních závodů. Jsou způsobeny stále častějším nasazováním řízených pohonů, UPS a dalších nelineárních spotřebičů bez předchozí a průběžné kontroly stavu elektrické sítě závodu vzhledem k možnému vzniku trvalých či přechodných stavů rezonance na harmonických frekvencích produkovaných těmito spotřebiči, využíváním nevhodně navržených kompenzátorů účiníku, nerespektujících konkrétní stav sítě závodu. Takováto situace vede k zničení kompenzátoru, to v lepším případě, nebo k požáru kompenzátoru, či dokonce transformátoru, to v případě horším.

Prvky energetického systému jsou převážně induktivního charakteru. To znamená, že přidání paralelního kapacitoru pro korekci účiníku nebo pro filtraci může způsobit cyklické přelévání energie mezi kapacitními a induktivními prvky na přirozené frekvenci této soustavy. Při pohledu na situaci v místě, kde je připojen nelineární odběr (obr. 1), který sem přivádí zkreslený proud obsahující harmonické složky, kombinace kapacity a indukčnosti, zde může mít za následek sériovou nebo paralelní rezonanci. V energetickém systému závodu těmito kapacitory mohou být banky kondenzátorů v kompenzačním systému, který slouží k zlepšení účiníku, především pro zabránění pokutám od distributora. Kombinace těchto kapacitorů a induktivních prvků energetického systému mohou zapříčinit paralelní či sériovou rezonanci, případně obojí, a to podle místní konfigurace systému. Tím může vzniknout abnormální situace.

Obr. 1. Možnost vzniku paralelní rezonance

Paralelní rezonance je běžnější při reakci banky kapacitorů s indukčností systému transformátor, vedení atd. (obr. 1). Jestliže je rezonanční frekvence takto vzniklého obvodu blízká, či dokonce shodná s některou harmonickou složkou produkovanou nelineárními spotřebiči v síti závodu, dojde k razantnímu nárůstu napětí na této frekvenci na prvcích obvodu s katastrofálními následky.

Vznik sériové rezonance může mít za následek neočekávaný nárůst proudu protékajícího jednotlivými prvky systému. Velký proud na dané harmonické způsobí nechtěné vybavení ochran, vypálení pojistek či přehřívání kabelů.

Sériová rezonance je obecně problémem v situaci, kdy napětí nadřazené sítě (obr. 1) obsahuje harmonické složky. Následně ekvivalentní sériová impedance nadřazené sítě, transformátoru, sítě závodu a kapacitorů kompenzačních bank v dané situaci vytvoří sériový rezonanční obvod s rezonanční frekvencí blízkou nebo shodnou s frekvencí některé harmonické přiváděné z primární strany.

Podobně může být vytvořen sériový rezonanční obvod v případě, kdy harmonické složky napětí jsou vytvářeny uvnitř sítě závodu vlivem nelineárních spotřebičů, kterými je v současnosti rostoucí počet řízených pohonů, UPS a další výkonové elektroniky. V obou těchto případech dojde k nepředpokládatelnému nárůstu proudu v daném obvodu, vybavení ochran či přetížení transformátoru a kabelů.

Při paralelní rezonanci je rezonanční obvod tvořen ekvivalentní indukčností nadřazené sítě nebo velkou parazitní indukčností transformátoru a kapacitory banky kompenzátoru. Při této rezonanci se přelévá energie mezi bankami kompenzátoru a sítí na rezonanční frekvenci takto vzniklého obvodu s velkým nárůstem napětí. Narůstající napětí poškodí izolaci, případně dielektrické ztráty v kondenzátorech vedou až k jejich explozi. Může dojít i k poškození izolace transformátoru se všemi následky. Vše záleží na okamžité situaci zatížení a stavu jednotlivých prvků sítě.

Obr. 2. Krátkodobý pokles napětí

Při nasazení filtrů na dané síti může docházet k rezonanci na několika frekvencích. Vzhledem k rostoucímu počtu různých prvků výkonové elektroniky, produkujících zvětšující se výkon harmonických a vysoké dynamice provozu, která znamená dynamické změny vnitřní impedance sítě závodu v čase, je toto nebezpečí značné. Vyskytují se rezonanční jevy nejen statické, kdy příčinou rezonance je většinou nevhodně navržený kompenzátor, jehož konstrukce nerespektuje výskyt významných harmonických složek sítě závodu, tedy používání „levných“ kompenzátorů, ale i jevy dynamické, kdy se díky vlastnímu provozu strojů velmi rychle mění impedance sítě v místě připojení kompenzátoru, a úroveň a počet harmonických. Může tak docházet ke krátkodobé rezonanci, která poškodí části sítě závodu, ale její příčina zanikne po změně technologie. Tyto jevy mohou být způsobeny i instalací nové výkonové elektroniky bez průběžného ověřování jejího vlivu na úroveň harmonických a úpravy či úplné náhrady stávajícího kompenzátoru za systém vyhovující nové situaci.

K podobné situaci však může dojít i při krátkodobé změně impedance nadřazené sítě při manipulaci nebo poruše, kdy změna na síti vytvoří krátkodobé podmínky pro vznik rezonance, nebo dojde ke krátkodobému výskytu harmonických.

V praxi však dochází ke všem kombinacím těchto situací, následkem čehož může být vyhořelá kompenzace či dokonce požár trafostanice.

Hledat příčiny následně je jednak pozdě, a současně velmi obtížné, a to i když v rozvodně je instalován analyzátor sítě. Při prozkoumání jeho případného záznamu se často zjistí, že nedošlo k překročení žádných limitů, k žádnému extrémnímu výskytu harmonických. Není jasné, zda příčinou byla rezonance, nekvalita či porucha kompenzátoru, porucha některého stroje, či dokonce nadřazená síť. Problém je v tom, že ani ty nejlepší analyzátory nezachycují události, které nepřekročily limity dané normou EN 50160. To, že instalovaný analyzátor nic nezachytil, však neznamená, že se na síti závodu v dané době nevyskytly situace, které sice nebyly přes normu, ale blížily se, a zapříčinily katastrofu.

EN 50160 je určena pro potřeby ověření kvality elektrické energie ve vztahu dodavatel-odběratel, tedy na straně odběrného místa, což je pro většinu podniků primární strana napájecího transformátoru.

Limity normy EN 50160, podle kterých většina současných energetiků v podnicích hodnotí kvalitu elektřiny v závodě, jsou z hlediska „hlídaných“ parametrů sítě naprosto nedostatečné, a většinu rušivých jevů na síti, které ovlivňují provoz zařízení, nepostihnou. Navíc měření a vyhodnocování podle této normy postihuje pouze jevy napěťové a nezajímá se vůbec o to, jak vypadají proudy protékající sítí, které, vzhledem k výše uvedenému, jsou poznamenány nelinearitami připojených zařízení.

Obr. 3. Monitoring všech potřebných proudů i napětí

Dále je důležité zdůraznit, že na vyhodnocování kvality s využitím EN 50160 má zásadní vliv postup, kterým jsou parametry sítě měřeny a vyhodnocovány. Určuje jej norma EN 61000-4-30, která krom jiného předepisuje, že např. efektivní hodnota napětí je průměrována přes deset period síťové frekvence. Na obr. 2 je jako příklad znázorněn krátkodobý pokles napětí na hodnotu pod 100 V, který se projeví skutečně na svorkách strojů v dané síti (zelená stopa) oranžový průběh ukazuje, co naměří přístroj vyhodnocující podle normy EN 61000-4-30.

Kromě toho, že není zachycen skutečný tvar poklesu napětí, tak ani jeho velikost neodpovídá skutečné velikosti této události. To je jen malý příklad toho, jak zavádějící informace mohou být získávány při používání přístrojů vyhodnocujících podle ČSN EN 50160 pro představu o situaci na síti uvnitř závodu.

Zařízení připojené k této síti je ovlivněno skutečnou, fyzikální změnou, a ne virtuální hodnotou napětí, proudu atd.

V současné době neustálých změn technologie ve výrobě a její konstelace je řešením toho, jak předejít výše popsaným situacím, jednoznačná a průběžná představa o stavu elektrické sítě alespoň v napájecím bodě výrobní technologie, což je ve většině závodů nízkonapěťová strana transformátoru.

Nestačí k tomu, jak bylo naznačeno, monitory či analyzátory pracující podle EN 50160. Je třeba průběžně zaznamenávat a sledovat skutečný stav sítě. Vědět průběžně, jaké a v jaké míře se na síti vyskytují harmonické složky a co je možné ještě na síť připojit, jak se chová instalovaný kompenzátor, jaká je úroveň harmonických proudů a jejich vliv na zatížení a provoz transformátoru.

Pro potřeby takového monitoring, který má sloužit k průběžnému sledování kvality elektřiny pro zjištění vlivu na energetický systém i na výrobní zařízení, je nezbytné měřit metodikou perioda po periodě pro jasnou představu o velikosti měřených veličin. Dále je třeba provádět trvalý záznam všech potřebných veličin, tedy čtyř napětí a čtyř proudů pro potřebu následné analýzy, která zajistí odhalení příčiny poruchy. Takovýto způsob umožní ze zaznamenaných údajů o proudech a napětích i dodatečně určit kterýkoliv potřebný parametr, a tedy i možnou příčinu potíží, a tím dojít k nápravě (obr. 3).

Obr. 4. Monitor Elspec z řady BlackBox G4400

Zde by bylo možné použít metodu přímého digitálního záznamu průběhu signálů jednotlivých fází – napětí a proudů dostatečně vysokou vzorkovací rychlostí. Problémem však je, že při vzorkování dostatečném pro dobrou přesnost měření bez ztráty detailů, tedy alespoň 1 024 vzorků na jednu periodu 50 Hz a pro osm vstupů, vznikne přibližně 800 MB dat za den záznamu. Kromě obrovského množství dat pro jedno měřicí místo přináší toto jednoduché řešení problém při rychlém vyhledávání. 

Tento problém vyřešila firma Elspec v podobě speciálního bezeztrátového kompresního algoritmu PQZIP. Ten zajistí kompresní poměr 1 000 : 1, při jehož použití je možné rok záznamu včetně časových značek a dalších údajů uložit do prostoru 8 GB. Algoritmus je adaptivní, takže v případě, že jsou vstupní veličiny klidné, je potřeba datového prostoru minimální.

Na rozdíl od „klasické“ konstrukce monitorů provádějí monitory Elspec řady BlackBox G4400 (obr. 4) měření všech napětí a proudů vzorkovací rychlostí až 1 024 vzorků za periodu metodou perioda po periodě bez jakéhokoliv průměrování. Takto získaná data jsou nepřetržitě komprimována a ukládána do vnitřní paměti přístroje pro další zpracování. Současně s tímto procesem je prováděno zpracování metodikou EN 61000-4-30 a vyhodnocení podle ČSN EN 50160. I tato data jsou ukládána společně daty s PQZIP. Výsledkem této konstrukce je, že jsou k dispozici informace o fyzické velikosti jednotlivých veličin průběžně po celou dobu záznamu, tedy nepřetržitě a současně i informace vyhodnocené podle normy. Navíc jsou obě sady dat k dispozici on-line.

Monitory Elspec řady G44XX spolu se Softwarovým balíkem PQSCADA Sapphire (obr. 3) přinášejí tedy univerzální a snadno modifikovatelné řešení pro vybudování monitorovacího systému kvality elektrické energie, který informuje o momentální i minulé situaci na síti. Nasazení takovéhoto sytému může předcházet Hloubkový audit kvality elektrické energie v závodě, který zajišťuje společně s odbornými konzultacemi společnost Blue Panther, s. r. o., která je i zástupcem firmy Elspec.

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 7/2017 na straně 38. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.