Analýza kvality napájení nepředvídatelných událostí v průmyslu

Obrázek 1 Obrázek 1

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 EN50160 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 sít relevantní. Nicméně, tyto jevy, které především vznikají 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 dle EN50160 předepisuje průměrování před 10 period, tedy 200ms. 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.

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

obr2Obrázek 2

Obrázek 2 výše 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 vysokém 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 obrázku 3. Takto je pak možno 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.

obr3Obrázek 3

Odstraňování problémů s blikáním (flickerem)

V následujícím příkladu si zákazník stěžoval, že mu blikají světla v závodě. Bylo rozhodnuto provést audit. Byl nainstalovat analyzátor kvality energie Elspec G4500 využívající metodu PQZIP na dobu 1 týdne pro vyšetřování této situace. Obrázek 4 poskytuje obecný pohled na RMS napětí při rozlišení 1 perioda a hodnoty flickeru PST po dobu delší než 8 dnů. Neočekávaně jsou hodnoty PST v povoleném rozsahu.

obr4Obrázek 4

Obrázek 5 níže ukazuje hodnoty harmonického zkreslení napětí (THD V červený rámec) a 7. Harmonickou (zelený rámec) při rozlišení 1 cyklus. 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. Tedy při vyhodnocení takovéto situace přístrojem založeným na postupech daných normou není možné takovouto situaci odhalit. Obrázek 7 jasně znázorňuje obálky vlny způsobené 7. harmonickou.

obr5Obrázek 5

obr6Obrázek 6

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 7. harmonická od rotoru se stávala inter harmonickou v blízkosti 7. harmonické. Bez moznosti dlouhodobého záznamu perioda po periodě a možnosti získat i detailní data až na úroveň délky periody, by nebylo možné toto zjištění učinit.

obr7Obrázek 7

Změny napětí v důsledku problémů ve fotovoltaickém systému

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

obr8Obrázek 8

Pro lepší pochopení situace je na obr. 9 detail změny v délce 5 minut.

obr9Obrázek 9

Když je napětí v rozmezí od 250,2 V do 250,6 V, výkon měniče klesá ze 41 kW na 28 kW a v důsledku toho se napětí snižuje o 1,7V. 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 9 sekund, které je na obr. 10. Tvar napětí a výkon je způsoben poruchou měniče fotovoltaického systému.

obr10Obrázek 10

obr11Obrázek 11

Výše popsané události bylo možné zachytit jen díky unikátní konstrukci analyzátorů Elspec, které jsou schopné nepřetržitého záznamu 4 napětí a 4 proudů se vzorkovací rychlostí až 1024 vzorků za periodu s vysokým rozlišením 16-24bitů. 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 8 kanály a provést kdykoliv zobrazení kteréhokoliv úseku analyzovaných dat až na úroveň jednotlivých vzorků (obr. 11 výše).

obr12Obrázek 12

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 výše). 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).

obr13Obrázek 13

Další podrobnosti o systémech kvality sítě Elspec získáte od zástupce pro ČR a SR společnosti Blue Panther s.r.o. (www.blue-panther.cz) Tato společnost dodává i „Hloubkové audity kvality sítě“, jejichž výsledky jsou uvedeny výše jako příklady.

Blue Panther

Společnost Blue Panther s 20. letou tradicí je předním odborníkem na elektrickou energii a poskytuje nejen výrobním podnikům auditorskou a konzultační činnost v otázkách kvality elektrické energie a její spotřeby. Prostřednictvím svých certifikovaných odborníků s dlouholetými zkušenostmi a vyškolených specialistů analyzuje aktuální situaci, vyhledává příčiny problémů dané kvalitou elektrické energie a navrhuje škálu možných řešení. Vše s cílem zajištění ekonomického přínosu a úspor pro podnik.

www.blue-panther.cz