Hořící trafostanice není náhoda

Obrázek 1 Obrázek 1

V tomto článku bychom rádi upozornili na nebezpečné jevy, které stále častěji vznikají v energetických systémech výrobních závodů, díky stále většímu nasazování řízených pohonů, UPS a dalších nelineárních spotřebičů bez předchozí a průběžné kontroly stavu elektrické sítě závodu a bez ohledu na možný vznik trvalých či přechodných stavů rezonance na harmonických frekvencích produkovaných těmito spotřebiči i využíváním nevhodně navržených kompenzátorů účiníku, nerespektujících konkrétní stav sítě závodu.  Takováto situace pak vede ke 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 přelívání energie mezi kapacitními a induktivními prvky na přirozené frekvenci takto vzniklé soustavy. Podíváme-li se na situaci v místě, kde je připojen nelineární odběr (obr. 1), který sem přivádí zkreslený proud obsahující harmonické složky, pak 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 sloučí ke zlepšení účiníku a zabránění pokutám od distributora. Kombinace těchto kapacitorů a induktivních prvků energetického systému pak mohou zapříčinit paralelní či sériovou rezonanci, případně obojí, a to podle místní konfigurace systému a tím vytvořit abnormální situaci.

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

Vznik sériové rezonance může mít za následek nepředpokládaný nárůst proudu protékajících jednotlivými prvky systému. Velký proud na dané harmonické pak způsobí nechtěné vybavení ochran, vypálení pojistek či přehřívání kabelů a při trvalé rezonanci i k požáru.

Sériová rezonance je obecně problémem v situaci, kdy napětí nadřazené sítě (obr. 1) obsahuje harmonické složky. Pak 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 dnes 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 vytvořen ekvivalentní indukčností nadřazené sítě nebo velkou parazitní indukčností transformátoru a kapacitory bank kompenzátoru. Při této rezonanci dochází k přelévání energie mezi bankami kompenzátoru a sítí na rezonanční frekvenci takto vzniklého obvodu s velkým nárůstem napětí. Narůstající napětí pak poškodí izolaci, případně dielektrické ztráty v kondenzátorech vedou až k jejich explozi. Může samozřejmě dojít i k poškození izolace transformátoru se všemi následky. Vše záleží na okamžité situaci zatížení a stavu jednotlivých prvků sítě.

Při nasazení filtrů na dané síti, pak může docházet k rezonanci na několika frekvencích.

Vzhledem k rostoucímu počtu různých prvků výkonové elektroniky, produkujících rostoucí výkon harmonických a vysoké dynamice provozu, která znamená dynamické změny vnitřní impedance sítě závodu v čase, dochází pak k výskytu rezonančních jevů nejen statických, kdy příčinou rezonance je většinou nevhodně navržený kompenzátor, jehož konstrukce nerespektuje výskyt významných harmonických složek sítě závodu, tedy používání „levných“ kompenzátorů, ale i dynamických, 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 systému sítě závodu, ale její příčina zanikne okamžitě po změně stavu výrobního procesu. 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 je pak jednak pozdě, a současně velmi obtížné, a to i když v rozvodně je instalován analyzátor sítě. Při prozkoumání jeho případného záznamu zjistíme, 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 totiž v tom, že ani ty tzv. nejlepší analyzátory nezachycují události, pokud nepřekročily limity dané normou EN 50160. To, že instalovaný analyzátor nic nezachytil, však ještě neznamená, že na sítí závodu se v dané době nevyskytly situace, které sice nebyly „přes normu“, ale blížily se, a zapříčinily katastrofu.

Norma 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 dnešních energetiků v podnicích hodnotí kvalitu elektřiny v závodě, je z hlediska „hlídaných“ parametrů sítě naprosto nedostatečná, a většina rušivých jevů na síti, které ovlivňují provoz zařízení, nepostihne. 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.

obrazek 2Obrázek 2

Dále je pak 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 například efektivní hodnota napětí je průměrována přes 10 period síťového kmitočtu. Na obr. 2 je jako příklad znázorněn krátkodobý pokles napětí na hodnotu pod 100V, který se projeví skutečně na svorkách strojů v dané síti - zelená stopa, a oranžový průběh pak ukazuje, co naměří přístroj vyhodnocující dle normy EN 61000-4-30.

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

Bohužel zařízení připojené k této síti je ovlivněno skutečnou, fyzikální změnou, a ne virtuální hodnotou napětí, proudu atd., spočtenou dle EN 50160.

V současné době neustálých změn technologie ve výrobě a její konstelace je řešením jak předejít výše popsaným situacím (a mnoha dalším, jejichž popis přesahuje téma článku) jednoznačná a průběžná představa o stavu elektrické sítě alespoň na napájecím bodě výrobní technologie, což je ve většině závodů nízkonapěťová strana transformátoru.

Nestačí k tomu, jak bylo naznačeno, a jak se bohužel domnívá většina energetiků závodu, monitory či analyzátory pracující podle EN 50160 nebo dokonce monitory spotřeby. 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 potřebu vlivu na energetický systém i na výrobní zařízení je třeba měřit metodikou perioda po periodě pro jasnou představu o velikosti měřených veličin. Dále je třeba provádět trvalý záznam všech potřebných veličin, tedy 4 napětí a 4 proudů pro potřebu následné analýzy, která zajistí odhalení příčiny poruchy. Takovíto způsob, umožní ze zaznamenaných údajů o proudech a napětích dodatečně určit kterýkoliv potřebný parametr, a tedy i možnou příčinu potíží a tím dojít k nápravě (obr. 3).

obrazek 3Obrázek 3

Zde by bylo možno 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 1024 vzorků na jednu periodu 50 Hz a pro 8 vstupů, získáme cca 800MB 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 1000:1, při jehož použití je možné rok záznamu včetně časových značek a dalších údajů uložit do prostoru 8GB. Algoritmus je adaptivní, takže v případě, že jsou vstupní veličiny „klidné“, je potřeba datového prostoru minimální.

Na rozdíl od „klasické“ konstrukce monitorů pak provádějí monitory Elspec řady BlackBox G4400 (obr. 4) měření všech napětí a proudů vzorkovací rychlostí až 1024 vzorků za periodu metodou perioda po periodě bez jakéhokoliv průměrování, a takto získaná data jsou pak 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 dle ČSN EN 50160.

obrazek 4Obrázek 4

I tato data jsou ukládána společně daty PQZIP. Výsledkem této konstrukce je, že máme uložené a kdikoliv k dispozici informace o fyzické velikosti jednotlivých veličin průběžně po celou dobu záznamu a nejen okamžiky kdy daná veličina překročila nastavenou rozhodovací úroveň dle normy. Navíc máme 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. Příklad takového řešení je na obr. 5.

obrazek 5Obrázek 5

Nasazení takovéhoto sytému by měl předcházet „Hloubkový audit kvality elektrické energie“ v závodě, který nabízí společně s odbornými konzultacemi společnost Blue Panther s.r.o., která je i zástupcem firmy Elspec (https://www.blue-panther.cz/energetika).

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