Pytania i odpowiedzi dotyczące jakości energii

To zbiór najczęściej zadawanych pytań dotyczących jakości energii wraz z odpowiedziami, który stanowi doskonałe źródło informacji, zarówno gdy szukasz rozwiązania problemu, jak również gdy po prostu chcesz dowiedzieć się czegoś przydatnego. Mamy zaszczyt zatrudniać najlepszych i najbardziej doświadczonych specjalistów do spraw jakości energii w branży, którzy z ogromnym zaangażowaniem pomagają nam opracowywać bogate w informacje dokumenty poszerzające wiedzę naszych klientów w tym zakresie. Kliknij wybrane pytanie, aby wyświetlić odpowiedź.

1 - Gdzie leży źródło problemów z jakością energii?

Większość ludzi jest przekonanych, że wszystkie problemy z jakością energii mają swoje źródło po stronie dostawcy elektryczności. W rzeczywistości jednak jest to dużo bardziej skomplikowana kwestia. Źródłem problemów z jakością energii może być sieć elektroenergetyczna, ale także instalacja elektryczna w obiekcie albo eksploatowane w nim urządzenia.

Sieć – Problemy z jakością energii mające swoje źródło w sieci elektroenergetycznej w największym stopniu oddziałują na funkcjonowanie zakładu. Do typowych zdarzeń powstających po stronie dostawcy elektryczności należą zarówno ponowne załączanie obwodu przerwanego przez wyłącznik awaryjny, co może spowodować zapad napięcia, stan podnapięciowy lub przerwę w dostawie prądu, jak również wyładowania łukowe, które mogą generować impulsy. Zapobiec tego typu zdarzeniom lub ograniczyć ich skutki można jedynie na przyłączu elektrycznym obiektu.

Obiekt – Większość problemów z jakością energii ma swoje źródło w instalacji elektrycznej obiektu, częściowo z uwagi na fakt, że w toku normalnego wykorzystywania energii na przewodach elektroenergetycznych powstają zdarzenia mogące wywierać niepożądany wpływ na funkcjonowanie urządzeń pracujących w obiekcie. Do najczęstszych problemów w tej kategorii należą luźne połączenia, przeciążone obwody i transformatory, pętle zwarciowe doziemne oraz nieprawidłowo podłączone przewody. Poza kompleksową konserwacją urządzeń pracujących w zakładzie rozwiązaniem takich problemów może być zastosowanie transformatorów z filtrami na wyjściu.

Urządzenia – Zautomatyzowane i sterowane komputerowo technologie, w szczególności te najnowszej generacji, mogą w toku normalnej pracy generować problemy z jakością energii. Przyczyną powstawania impulsów, zapadów napięcia, udarów, zniekształceń napięcia i powtarzających się zaburzeń mogą być rutynowe czynności, jak włączanie i wyłączenia danego urządzenia. Wpięcie urządzeń awaryjnych między odbiornikiem i instalacją w obiekcie może zaradzić takim problemom.

2 - W jaki sposób jakość energii przekłada się na działanie sieci elektroenergetycznej w obiekcie?

Instalacja rozdzielcza na terenie obiektu ma zdecydowanie większy wpływ na jakość energii niż jakikolwiek inny czynnik. Jest to obszar, w którym ogromne znaczenie ma dobrze zaprojektowana instalacja elektryczna, jej prawidłowe wykonanie oraz regularna konserwacja.

W obiektach, które wdrożyły program konserwacji profilaktycznej, występuje mniej problemów z jakością energii niż w tych, gdzie takie programy nie są realizowane. Monitoring z wyprzedzeniem ostrzega przed problemami z przepustowością lub ogólnymi problemami z zasilaniem, jeszcze zanim zaczną oddziaływać na funkcjonowanie obiektu. Ponadto monitorowanie pomaga w planowaniu instalacji nowych urządzeń oraz szybkim identyfikowaniu źródła problemów.

Sieć rozdzielcza w obiekcie składa się z kilku podzespołów, spośród których każdy może zakłócać jakość energii.

W celu osiągnięcia wymaganego obciążenia stosowane są transformatory, które zwiększają i zmniejszają napięcie. Wprowadzenie odbiorników niesinusoidalnych pobierających energię poprzez zwarcie generuje impuls prądowy co pół cyklu. Te prądy powrotne charakteryzują się nieparzystymi harmonicznymi, szczególnie trzeciego rzędu, i mogą prowadzić do przegrzewania się transformatorów rozdzielczych, które nie zostały zaprojektowane pod kątem takich obciążeń. Tablice rozdzielcze i wyłączniki automatyczne mogą nie wytrzymać wartości szczytowej początkowego prądu rozruchowego niektórych odbiorników, powodując niepożądane wyzwolenie wyłącznika awaryjnego. Z kolei zastosowanie bezpieczników w obwodzie zasilającym dla dodatkowej ochrony może doprowadzić do przegrzania i uszkodzenia odbiornika. Przewody zasilające poprowadzone są między urządzeniami, tablicami rozdzielczymi i transformatorami, natomiast obwód odgałęziony to zespół przewodów pomiędzy końcowym wyłącznikiem nadmiarowo-prądowym i punktem podłączenia eksploatowanego urządzenia.

W przypadku wielu współczesnych odbiorników elektronicznych możliwości kasowania prądu powrotnego są znikome lub żadne, a powstające w rezultacie prądy zerowe mogą sięgać 1,7-krotności natężenia prądu fazowego. Prąd powrotny o dużym natężeniu płynący przewodem zerowym o zbyt małym przekroju przeciąża obwody i powoduje przegrzewanie złączy. Do symptomów wskazujących na wysoką impedancję przewodu zerowego zaliczamy: wysoki wskaźnik awaryjności zasilania, nieprawidłową pracę urządzeń, awarie systemu operacyjnego i awarie odbiorników po odłączeniu jednego z nich. Gniazda montowane są w puszkach wypustowych i występują w wielu różnych konfiguracjach i stopniach jakości. Częstą przyczyną problemów z jakością energii są właśnie nieprawidłowo podłączone gniazda.

3 - Czym są zdarzenia częstotliwościowe?

Zaburzenia jakości energii są klasyfikowane według wysokiej częstotliwości, napięcia, zniekształceń i zmienności częstotliwości podstawowej.

Wysoka częstotliwość lub zaburzenia częstotliwości odnoszą się do napięć o częstotliwości zdecydowanie wyższej od wartości znamionowej wynoszącej 60 Hz. Do istotnych cech zdarzenia częstotliwościowego zaliczamy maksymalny poziom napięcia, zawartość energii, czas narastania, kąt fazowy oraz częstotliwość występowania. Zdarzenia częstotliwościowe występują w kilku różnych wariantach, spośród których każdy ma charakterystyczne cechy pomagające w identyfikacji źródła zakłócenia i określenia odległości względnej od punktu pomiaru.

Impuls jednokierunkowy to fala prądu, napięcia lub mocy jednobiegunowej o przebiegu przejściowym i wysokiej częstotliwości. Impulsy czysto jednokierunkowe zasadniczo generowane są w obiekcie lub w jego pobliżu, bez przechodzenia przez transformator. Impuls oscylacyjny posiada biegunowość dodatnią i ujemną, co niesie ze sobą dwa problemy: impuls wraz z czasem narastania i amplitudą napięcia szczytowego oraz częstotliwość wtórną gasnącego kształtu fali. Jeden z najczęściej występujących impulsów oscylacyjnych powstaje w rezultacie załączenia kondensatorów do poprawy współczynnika mocy. Zdarzenie cykliczne to seria zdarzeń następujących po sobie w regularnych odstępach czasu. Mogą to być zdarzenia jednokierunkowe, oscylacyjne lub będące połączeniem obu.

Powszechnie występującym zdarzeniem cyklicznym jest impuls generowany przez odbiorniki sterowane kątem fazowym (prostowniki SCR). Choć jednostkowe zdarzenia nie stanowią większego problemu dla sprzętu, seria następujących po sobie zdarzeń może nadmiernie obciążyć podzespoły obwodu filtrującego i doprowadzić do przedwczesnej awarii. Zdarzenia wysokoczęstotliwościowe dzielą się na współbieżne i normalne. Zdarzenia współbieżne nie posiadają ścieżki magnetyczne prowadzącej przez transformator i trzeba je sprzęgać za pośrednictwem ścieżek pojemnościowych. Zdarzenia normalne natomiast są sprzęgane magnetycznie za pośrednictwem transformatora. Urządzenia zasadniczo są bardziej wrażliwe na zdarzenia współbieżne.

4 - Jakie systemy lub urządzenia są narażone na zakłócenia jakości energii?

Zakłóceniom jakości energii ulegają najróżniejsze systemy i rodzaje urządzeń eksploatowanych w przedsiębiorstwach. Są to między innymi:

Sprzęt komputerowy
W przeciwieństwie do wielu odbiorników elektrycznych, komputery wykorzystują uziemienie jako wartość referencyjną dla wszystkich wykonywanych operacji, pracują przy bardzo niskim poziomie napięcia i zawierają obwody transmisji danych połączone z urządzeniami rozmieszczonymi w całym obiekcie. Zmienne mające bezpośredni wpływ na wrażliwość systemów komputerowych obejmują: uziemienie, projekt instalacji, prędkość roboczą, łącza danych prowadzące do innych urządzeń oraz liczbę urządzeń pracujących w ich bezpośrednim otoczeniu. Warto pamiętać, że nawet fizyczne przeniesienie komputera w inne miejsce może wpłynąć na jakość energii i jego wydajność.

Sprzęt telekomunikacyjny
Coraz bardziej wrażliwe na zakłócenia zasilania urządzenia telekomunikacyjne wykorzystują uziemienie jako punkt odniesienia, działają pod różnym napięciem i łączą się z innymi urządzeniami na terenie obiektu, by ostatecznie połączyć się z zewnętrznymi liniami telefonicznymi. Zakłócenia zasilania mogą zaburzać działanie programów, zmieniać informacje adresowe, przerywać połączenia i niszczyć podzespoły obwodu. Do powszechnie występujących problemów w przypadku instalacji telefonicznych zasilanych prądem stałym zaliczają się: brak synchronizacji prądu przemiennego z rezerwowymi generatorami, współbieżne ścieżki zakłóceń prowadzące do systemu, a także awarie prostownika i podzespołów obwodu wewnętrznego spowodowane silnymi impulsami.

Kontrola procesu
Komputerowe systemy kontroli procesów różnią się stopniem złożoności i mogą obejmować sterowniki programowalne, adaptacyjne/proporcjonalne oraz numeryczne. Zakłócenia mogą zaburzać funkcjonowanie poszczególnych elementów systemu kontroli procesu na różne sposoby. Zmienność parametrów zasilania lub przebiegi przejściowe mogą oddziaływać na sterowanie komputerowe, powodując błędy w pamięci, utratę programów i usterki półprzewodników. Zdalne sterowanie z przetwornikiem cyfrowo-analogowym może zostać wyłączone, zablokowane lub pracować w nieprawidłowy sposób. Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym może zostać uruchomione przez nieprawidłowo działający sterownik cyfrowo-analogowy lub zakłócenie elektryczne, a układ zabezpieczający może zostać wprowadzony w błąd przez zniekształcenie harmoniczne fali napięcia, wymuszając niepotrzebne wyłączenie systemu.

5 - Czym są zdarzenia napięciowe?

Zaburzenia jakości energii są klasyfikowane według wysokiej częstotliwości, napięcia, zniekształceń i zmienności częstotliwości podstawowej. Zdarzenia napięciowe lub niskoczęstotliwościowe stanowią wahania amplitudy napięcia i występują przy częstotliwości liniowej wynoszącej 50 Hz lub zbliżonej do tej wartości. Wśród zdarzeń napięciowych wyróżnia się:

Zapady to krótkotrwałe spadki napięcia, w przypadku których jego wahania przekraczają dopuszczalne wartości przez okres co najmniej jednego cyklu (16,7 milisekund). Zapady często wywoływane są załączeniem dużego obciążenia (np. silnika), co powoduje wysokie zapotrzebowanie na prąd rozruchowy i w efekcie krótkotrwałe spadki napięcia. Zapady napięcia o znacznej sile mogą poważnie zakłócić pracę wrażliwych urządzeń elektronicznych. Gdy do fluktuacji napięcia skutecznego dochodzi w dłuższym przedziale czasu, zjawisko to określamy mianem warunków podnapięciowych.
Udary będące przeciwieństwem zapadów często powstają w rezultacie odłączenia dużego obciążenia z linii. Zgodnie z definicją podaną w słowniku IEEE udar to „fala natężenia prądu, potencjału lub zasilania o przebiegu przejściowym w obwodzie elektrycznym”. Udar o wystarczającej wielkości może w znaczący sposób oddziaływać na działanie układu zasilania, a szczególnie urządzeń elektronicznych. Zmienność udaru określa się mianem przepięcia, do którego dochodzi, gdy wahania napięcia RUM występują długotrwale.
Przerwy w dostawie prądu i zakłócenia sieciowe występują, gdy napięcie spada do poziomu, na którym urządzenia nie mogą funkcjonować w prawidłowy sposób. Czas trwania może obejmować jeden cykl lub nawet kilka godzin. Krótkotrwałe przerwy w dostawie prądu często powodowane są przez prozaiczne zdarzenia, jak choćby załączenie bezpiecznika w celu usunięcia usterki i następujące potem automatyczne zamknięcie obwodu, podczas gdy długotrwałe braki zasilania zwykle wynikają z uszkodzenia przewodów energetycznych lub awarii transformatora.
Napięcie między przewodem zerowym i uziemiającym jest nieodłączną cechą zakładowej sieci rozdzielczej, a producenci urządzeń czasami określają dopuszczalne limity dla napięcia między zerem i uziemieniem. Częstą przyczyną obecności takiego napięcia jest niezgodne z przepisami połączenie przewodu zerowego z masą w rozdzielnicy tablicowej lub innym miejscu, co stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa i kieruje część prądu powrotnego przez przewód uziemiający.

6 - Czym jest zniekształcenie?

Zniekształcenie jest jedną z czterech głównych kategorii zdarzeń zaburzających jakość energii. Jest to odchylenie od fali wzorcowej, która w przypadku zasilania komercyjnego stanowi idealną falę sinusoidalną o częstotliwości 60 Hz.

Zniekształcenie napięcia może mieć dwie przyczyny – wysokie natężenie prądu harmonicznego z odbiorników nieliniowych oraz źródła zasilania o niesinusoidalnym przebiegu napięcia. Zniekształcenia napięcia powodują wzrost temperatury w silnikach i transformatorach, a poważne zniekształcenia harmoniczne mogą doprowadzić do skrócenia żywotności kondensatora filtrującego w układach zasilania.

Takie zniekształcenia mają szereg potencjalnych przyczyn, między innymi odbiorniki sterowane tyrystorami (SCR), duże zasilacze bezprzerwowe (UPS), napędy bezstopniowe, zasilacze impulsowe (SMPS) i okablowanie o wysokiej impedancji. Do symptomów wskazujących na obecność zniekształconego napięcia zaliczamy nadmierne przegrzewanie, brak synchronizacji fazowej, załączenie zabezpieczenie podnapięciowego, awarię silnika i niepożądane wyzwolenie wyłącznika awaryjnego.

Niesinusoidalne i nieliniowe prądy fazowe mogą mieć niepożądany wpływ na zakładową sieć rozdzielczą. Amplituda wartości szczytowych prądu i koncentracja prądów harmonicznych może doprowadzić do przegrzania i wymusić zadziałanie wyłącznika awaryjnego. W układach rozdzielczych o znacznej impedancji zniekształcenie napięcia znacząco wzrasta wraz z nieliniowością prądu. Zwykle za powstanie prądu fazowego o przebiegu niesinusoidalnym odpowiadają komputery, stateczniki elektroniczne, cyfrowe instalacje telefoniczne, zasilacze bezprzerwowe oraz napędy bezstopniowe.

Obserwowane symptomy mogą obejmować niepożądane wyzwalanie wyłącznika awaryjnego, a nawet nadmierne rozgrzewanie się przewodów i transformatorów. Rozwiązanie problemu zniekształcania napięcia zależy od źródła tego zjawiska, ale może polegać na dodaniu filtrów harmonicznych prądu, obniżeniu obciążenia niesinusoidalnego, przeniesieniu kłopotliwych odbiorników lub wymianie ich przewodów, a także zmniejszeniu impedancji źródła zasilania.

7 - Jakie problemy z jakością energii występują w zakładach produkcyjnych?

Zakłady produkcyjne muszą zmagać się z szerokim spektrum potencjalnych zakłóceń jakości energii, spośród których wiele jest charakterystycznych dla danego procesu produkcyjnego, linii produktów, a nawet samej branży. Choć procesy produkcyjne mogą się od siebie diametralnie różnić, wszystkie mogą ucierpieć w wyniku jednego z wielu możliwych problemów z jakością energii. Typowe problemy oraz ich rozwiązania opisane są poniżej.

Silny zapad napięcia
W dużym zakładzie przemysłowym doszło do nieplanowanego przestoju spowodowanego awarią będącego własnością przedsiębiorstwa transformatora o napięciu 2000 kVA pracującego w innej części zakładu. Usterka doprowadziła do zwarcia przewodu na czas pięciu cykli, zanim wyłącznik próżniowy przywrócił normalne napięcie. Choć incydent został odizolowany, jego wystąpienie przełożyło się na funkcjonowanie całego zakładu. Skutecznym rozwiązaniem jest podawanie zasilania do sterownika za pośrednictwem UPS-a lub silnika/prądnicy o bezwładności koła zamachowego wystarczającej do pokonania zapadu.

Awaria napędów bezstopniowych
Przerywana praca 5-konnych napędów bezstopniowych w zakładzie produkcyjnym spowodowała spadek wydajności. Źródłem problemu okazały się zakłócenia na linii występujące po podłączeniu kondensatorów poprawiających współczynnik mocy do sieci energetycznej bez odpowiedniego wzrostu napięcia skutecznego. A ponieważ obwód ochronny napędu charakteryzował się wrażliwością na krótkotrwałe przepięcia, wzrost wartości szczytowej napięcia do 800 V, choćby na 40 milisekund, powodował jego wyłączenie. Rozwiązaniem problemu okazał się montaż tłumików przebiegów przejściowych na wejściach napędów.

Wyskoki impulsu na prostowniku
Wyskoki impulsu na prostowniku zakłócały pracę obwodów sterowniczych w zakładzie produkującym płytki drukowane ze zautomatyzowanym systemem oczyszczania ścieków. Każda z kilku kadzi została wyposażona w jednofazową, zasilaną prostownikiem, napędzaną silnikiem prądu stałego pompę dozującą o mocy 0,5 KM. Pompy bez wyraźnej przyczyny blokowały się lub ulegały awarii, zatrzymując proces oczyszczania. W toku dochodzenia odkryto 480-woltowy, sześciopulsowy, sterowany fazowo prostownik dla komórki elektrolitycznej. Ze względu na wysoką impedancję wejściową transformatora podwyższającego napięcie zakłócenia na przewodzie o napięciu 480 V odbijane były z powrotem do 120-woltowego przewodu zasilającego i elektroniki sterującej pompą. W celu rozwiązania problemu do systemu oczyszczania ścieków doprowadzono oddzielne zasilanie bezpośrednio z głównego przyłącza elektrycznego obiektu.

Blokada oprogramowania
W hali montażu końcowego i na stanowiskach testowych w zakładzie produkującym sprzęt komputerowy nawet dwa razy dziennie dochodziło do zablokowania oprogramowania 30 komputerów sterujących procedurą kontrolną, co powodowało przerwanie testów. Źródło zaburzeń napięcia między zerem i uziemieniem odszukano w odizolowanym przewodzie masowym wewnątrz obudowy transformatora. Przewód został odcięty, prawdopodobnie w celu wyeliminowania pętli zwarciowej doziemnej utworzonej przez pręty uziomowe dla wyładowań statycznych zainstalowane z powodu drobnych porażeń prądem, na jakie skarżyły się osoby pracujące przy stołach warsztatowych w czasie składania płytek drukowanych. Jako rozwiązanie problemu uziemienie zostało zunifikowane poprzez ponowne umocowanie przewodu masowego do szyny uziemiającej przy głównym przyłączu elektrycznym i podłączenie opasek antystatycznych do tego samego odizolowanego uziomu. Impulsy między zerem a uziemieniem i problem z blokowaniem komputera ustały, podobnie jak rażenie operatorów prądem.

8 - Jakie są najczęstsze problemy z jakością energii trapiące obiekty medyczne?

Placówki medyczne, jak szpitale czy laboratoria, mają szczególne potrzeby w zakresie jakości energii ze względu na uzależnienie od specjalistycznych, precyzyjnych urządzeń diagnostycznych i medycznych. Wykraczają one poza standardowe problemy z jakością energii wspólne dla wszystkich obiektów eksploatujących urządzenia elektroniczne. W placówkach medycznych występują trzy szczególne rodzaje problemów z jakością energii:

Blokada systemu obsługującego tomograf oraz awarie jego podzespołów stanowiły powtarzający się problem dla kliniki medycznej. Tomograf zasilany był z przyłącza o napięciu 480 V poprzez transformator separacyjny 480/208 V. W wyniku przeprowadzonego dochodzenia ustalono, że za zakłócenia odpowiada bateria kondensatorów poprawiających współczynnik mocy zlokalizowana jedną przecznicę od kliniki. Zdolność tłumienia transformatora separacyjnego okazała się niewystarczająca do zabezpieczenia instalacji tomografu przed tak silnym przebiegiem przejściowym. Na przewodzie o napięciu 480 V zainstalowano specjalnie opracowany dla tego typu zakłóceń aktywny filtr śledzący, który zabezpiecza wszystkie urządzenia za filtrem.
Przyczyną problemów z obrazowaniem i blokowaniem oprogramowania komputera sterującego rezonansem magnetycznym w szpitalu były impulsy powstające w wyniku drgania styków. Źródłem problemu okazał się stycznik na promienniku podczerwieni w nawilżaczu będącym częścią układu wentylacyjnego. Wyłączenie promiennika spowodowało zanik impulsów. Zainstalowano zasilacz UPS w celu odseparowania systemu rezonansu magnetycznego i zabezpieczenia go przed przerwami w dostawie prądu.
Awarie komputerów w laboratorium i błędy w bazach danych zwykle zaczynały pojawiać się każdego ranka o 10:00. Dokładna analiza przebiegu wartości skutecznej napięcia wykazała obecność schematu powtarzających się zapadów napięcia tuż po 10:00. Regularność, z jaką występowały, kazała sądzić, że przyczyną problemów jest automatyczne załączanie innego odbiornika w obwodzie. Ostatecznie ustalono, że winę ponosiła drukarka laserowa pracująca w sąsiednim biurze. Przeniesienie drukarki do innego obwodu odgałęzionego pozwoliło wyeliminować źródło zakłóceń komputerowych w laboratorium.

9 - Jakie problemy z jakością energii występują w budynkach biurowych?

Współczesne budynki biurowe polegają na szeregu zautomatyzowanych technologii ułatwiających zarządzanie obiektem – od regulacji temperatury, przez system kamer przemysłowych, po monitorowanie zużycia energii. Choć zaawansowane technologie sterowania zasadniczo poprawiają wydajność instalacji i zwiększają poziom zadowolenia najemcy, są narażone na problemy z jakością energii. Wśród problemów z jakością energii trapiących zarządców budynków biurowych znajdują się:

Zniekształcenie harmoniczne
Powtarzające się awarie urządzeń rozdzielczych uprzykrzały życie najemcom budynku, zaburzając pracę komputerów, terminali, kserokopiarek i innych elektronicznych urządzeń biurowych. Wyzwalane były wyłączniki awaryjne, paliły się złącza elektryczne, a transformator rozdzielczy przegrzewał się i ulegał awarii. Choć odnotowane problemy nosiły znamiona przeciążenia, wstępne pomiary pokazały, że wartości natężenia prądu nie przekraczają wartości znamionowych odbiornika. W toku dalszego dochodzenia ustalono, że poważne zniekształcenia prądu generują standardowe zasilacze impulsowe (SMPS) stosowane powszechnie w większości współczesnych urządzeń automatyki biurowej. W rezultacie wspólny przewód zerowy często przenosił prąd o natężeniu wykraczającym poza jego znamionową przepustowość. Tego typu problemom można zaradzić poprzez przewymiarowanie przewodów zerowych i obniżenie wartości znamionowych transformatorów do 60%.

Usterki aparatury rozdzielczej
W centrum badawczym wykorzystującym superkomputery nowe automatyczne rozdzielnie sterujące dwoma przyłączami o napięciu 13,2 kV powodowały przerwy w dostawie prądu, co skutkowało wyłączaniem komputerów. Choć aparatura rozdzielcza została dostosowana do przerw o długości trzech cykli, podobnie jak pozostałe czujniki przekaźnikowe, dostępne oprzyrządowanie nie pozwalało wykonać pomiaru, który potwierdziłby zgodność ze specyfikacją. Zresetowanie przekaźników czasowych aparatury rozdzielczej poprawiło jej efektywność na tyle, że udało się zmniejszyć przerwę do akceptowalnych wartości.

Pętle zwarciowe doziemne
W budynku administracyjnym znajduje się sala komputerowa zasilana UPS-ami. Pracuje w niej komputer główny i kilka terminali połączonych z szeregiem innych terminali poza salą za pośrednictwem łącz danych. Dieslowski agregat prądotwórczy zabezpiecza przed awarią zasilania, ale gdy prąd z sieci elektroenergetycznej trafiał do generatora, złącza danych na zewnętrznych tabliczkach zaciskowych ulegały spaleniu. W toku dochodzenia uwagę zwrócono na przerwę w napięciu występującą po przełączeniu zasilania z sieciowego na agregat prądotwórczy, a także wysoki udar prądowy sięgający 42 A w przewodzie zerowym. Źródło problemu znaleziono w pętlach zwarciowych doziemnych będących skutkiem podwójnego uziemienia. Rozwiązanie polegało na ujednoliceniu i udoskonaleniu uziemienia, co pozwoliło wyeliminować problem wypalania tabliczki zaciskowej łącza danych.

10 - Dlaczego pomimo obecności UPS-a należy monitorować zasilanie?

Systemy zasilania bezprzerwowego (UPS) stały się nieodzownym elementem niemal wszystkich zakładów produkcyjnych, obiektów przemysłowych, budynków biurowych, placówek medycznych, a nawet sklepów. Funkcjonowanie otaczającego nas świata w dużej mierze opiera się na komputerach, a te wymagają zasilania jak najwyższej jakości. W tej sytuacji niezastąpione okazują się zasilacze bezprzerwowe (UPS), które z powodzeniem łagodzą skutki zakłóceń zasilania. W ten sposób zakłócenia stają się niemal nieodczuwalne, co jednak nie rozwiązuje samego problemu. Zignorowane, „ukryte” zakłócenia mogą powodować widoczne gołym okiem problemy.

Znaczenie monitorowania jakości energii demonstruje studium przypadku dużego centrum obsługi klienta w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych. Centrum obsługuje ponad 50% obszaru USA dla jednej z największych firm lotniczych w kraju. W celu osiągnięcia jak najwyższego poziomu obsługi klienta centrum wraz z całym sprzętem komputerowym musi pracować przez całą dobę.

Dla zapewnienia wymaganej niezawodności postawiono na system UPS z serii Toshiba 7000 złożony z trzech połączonych równolegle, redundantnych modułów o mocy 300 kVA. Zasilacz UPS został również wyposażony w system monitorowania energii Signature System™. W czasie sześciu pierwszych miesięcy funkcjonowania centrum system Signature potwierdził spodziewaną wydajność zasilania UPS, nie odnotowując żadnych problemów z jakością energii generowanych w obiekcie. Rutynowe monitorowanie jakości zasilania po stronie sieci elektroenergetycznej przyniosło natomiast zgoła odmienne rezultaty. Tylko w trzech pierwszych miesiącach udokumentowano 50 przypadków zaburzenia jakości energii przed przyłączem. Choć UPS skutecznie łagodził skutki zakłóceń, zanim dotarły do urządzeń i systemów pracujących w obiekcie, zakłócenia te, obejmujące zapady napięcia i przebiegi przejściowe, zagrażałyby niezabezpieczonym odbiornikom. Pomimo sprawnego funkcjonowania UPS-a, jeśli zakłócenia pozostaną niezidentyfikowane i nierozwiązane, mogą ostatecznie doprowadzić do skrócenia żywotność zasilacza, a w efekcie zagrozić bezpieczeństwu obiektu. Poza weryfikacją wydajności zasilania UPS, system Encore wizualizuje trendy dla niezawodności i jakości energii, zapewnia skalowalność obejmującą całe przedsiębiorstwo, a do tego zapewnia jego pracownikom dostęp do wszelkich informacji dotyczących monitorowanej jakości energii z dowolnego stanowiska wyposażone w komputer.

11 - Jakie są praktyczne zastosowania danych z monitorowania jakości energii?

Dane gromadzone podczas monitorowania jakości energii można wykorzystać na wiele różnych sposobów, w zależności od stopnia dokładności, zakresu i precyzji pomiaru. System Signature™ rejestruje nieprawidłowości zasilania o znaczeniu krytycznym, które zwykle pozostają niezauważone przez pozostałe systemy monitorowania, co przekłada się zarówno na jakość energii, jak i wysokość kosztów eksploatacyjnych. Ponadto jego funkcje analityczne dostarczają informacji niezbędnych do rozwiązania kluczowych problemów z jakością energii – pozwalają określić przyczynę zakłócenia, oszacować skutki zakłócenia oraz ustalić, jakie działania należy podjąć, aby zapobiec podobnym zdarzeniom w przyszłości. Oprócz identyfikacji zakłóceń jakości energii dane generowane przez system Encore można wykorzystać w wielu innych celach. Są to między innymi:

Konserwacja profilaktyczna
Dzięki stałemu „podglądowi” wydajności urządzeń i systemów można opracować i wdrożyć oszczędne procedury ich konserwacji.

Zarządzanie kosztami
W oparciu o dane korelujące zużycie i koszt energii można szybko dostosować zapotrzebowanie energetyczne i przesunąć poszczególne obciążenia. Informacje te pozwalają ograniczyć zużycie energii oraz uniknąć szczytowego zapotrzebowania na energię i tym samym opłat za wyższy współczynnik mocy.

Zarządzanie energią
Koszty energii można przypisać do poszczególnych linii produkcyjnych, budynków, najemców lub produktów, a trendy historyczne dotyczące zużycia energii i wydajności urządzeń pomagają w identyfikacji i usuwaniu problemów, szacowaniu przewidywanej sprawności odbiorników i optymalizowaniu umów z dostawcami energii.

Inwestycje
Planowanie inwestycji z zakresu rozbudowy obiektu lub modernizacji eksploatowanych urządzeń oraz decyzje inwestycyjne ułatwia dokumentacja zużycia energii i wydajności poszczególnych systemów lub procesów.

Kontrola jakości
Jakość energii, a w konsekwencji bezpośrednio powiązaną z nią wydajność procesów i systemów produkcyjnych, potwierdza się na potrzeby urzędów regulacji, wewnętrznych programów kontroli jakości i branżowych norm jakości.

12 - Jak rozpoznać zdarzenia wysokoczęstotliwościowe?

Zdarzenie wysokoczęstotliwościowe odnosi się do zmian napięcia lub natężenia prądu o częstotliwości znacząco wyższej od znamionowej częstotliwości liniowej zasilania wynoszącej 60 Hz.

Częstotliwość tego typu zakłóceń może wahać się od kilkuset do przeszło miliona herców.

Zdarzenia wysokoczęstotliwościowe mają wiele różnych przyczyn, ponieważ są generowane za każdym razem, gdy indukcyjny przewód prądowy zostanie nagle przerwany. Przełączanie przewodów zasilających, wyładowanie łukowe do ziemi, przełączanie kondensatora do poprawy współczynnika mocy oraz wyładowanie atmosferyczne może doprowadzić do powstania zakłóceń o wysokiej częstotliwości.

Mogą powodować ogromne wahania napięcia, których amplituda może sięgać nawet 6000 V, co stanowi punkt ognienia dla standardowego gniazda o napięciu 120 V. Do istotnych cech zdarzenia częstotliwościowego zaliczamy maksymalny poziom napięcia, zawartość energii, czas narastania, kąt fazowy oraz częstotliwość występowania.

Z uwagi na fakt, że zdarzenia częstotliwościowe występują w kilku wariantach, niepowtarzalne cechy danego zdarzenia są kluczowe dla identyfikacji poszczególnych rodzajów zakłóceń, ich źródeł oraz względnej odległości od punktu monitorowania energii.

Wśród zdarzeń wysokonapięciowych wyróżniamy:

impuls jednokierunkowy,
impuls oscylacyjny,
zdarzenie powtarzające się,
zdarzenie współbieżne i normalne.

13 - Jak na jakość energii oddziałują alternatywne źródła zasilania?

Coraz szersze stosowanie alternatywnych źródeł energii – zarówno jako zasilanie awaryjne na wypadek nagłego zapotrzebowania, jak i w charakterze zasilania głównego – niesie ze sobą szereg miejsc podatnych na nieprawidłowości między jakością energii i alternatywnymi systemami zasilającymi oraz ich podzespołami.

Alternatywne źródła zasilania zwykle wykorzystuje się do zmiany poziomu napięcia i częstotliwości, odseparowania ważnych urządzeń, wyregulowania napięcia i utrzymania zasilania w czasie przerw w dostawie prądu. Mogą one powodować kilka rodzajów zakłóceń. Wartości szczytowe prądu lub prądy harmoniczne generowane przez odbiorniki potrafią oddziaływać na impedancję alternatywnego źródła zasilania, powodując niestabilność i zniekształcenie napięcia.

Autonomiczne zasilacze UPS mogą przepuszczać zakłócenia współbieżne do chronionego odbiornika. Nieautonomiczne zasilacze UPS mogą posiadać obwód obejściowy, który umożliwia przejście zakłóceń współbieżnych do zabezpieczanego odbiornika.

Sterowane tyrystorami urządzenia do ładowania akumulatorów mogą wysyłać impulsy z powrotem do przewodu zasilającego. Działa to w obie strony – zakłócenia zasilania mogą na kilka sposobów wpływać na działanie alternatywnych źródeł zasilania. Tyrystory wejściowe i systemy sterowania mogą zostać uszkodzone w wyniku udaru. Zniekształcenia napięcia i zwolnienia przekaźnika mogą wymuszać ciągłą pracę akumulatora w zasilaczu UPS, a przerwy w dostawie prądu utrzymujące się przez kilka cykli mogą powodować wyzwolenie wyłączników obwodu wejściowego.

Rezerwowe agregaty prądotwórcze, powszechnie stosowane do zasilania kluczowych urządzeń w czasie przerw w dostawie prądu albo zasilania UPS-ów, niosą ze sobą własny zestaw wyzwań. Systemy rezerwowe wykorzystują silnik, prądnicę, mechanizm przenoszący i sterownik do uruchomienia generatora i przenoszenia obciążenia elektrycznego z i do generatora. Generator rezerwowy może być źródłem zaburzeń, jeśli przepływ energii nie jest synchroniczny, usterki mechaniczne lub problemy z podawaniem paliwa uniemożliwiają stabilną pracę generatora, a prąd szczytowy i prądy harmoniczne płynące z odbiornika oddziałują na impedancję generatora i powodują niestabilność oraz zniekształcenie napięcia.

Zakłócenia zasilania mogą również oddziaływać na generatory rezerwowe w postaci impulsów o wysokiej częstotliwości grożących uszkodzeniem sterownika oraz zniekształceń napięcia uniemożliwiających synchroniczne przesyłanie energii lub powodujących ich błędne funkcjonowanie.

14 - Jakie są symptomy, przyczyny i rozwiązania w przypadku zdarzeń impulsowych?

Impuls napięciowy to fala napięciowa wysokiej częstotliwości o dodatniej lub ujemnej amplitudzie.

Impuls mierzalny pomiędzy przewodami prądowymi uznawany jest za zdarzenie normalne, natomiast impuls wspólny dla wszystkich przewodów prądowych i mierzalny w odniesieniu do uziemienia jest zdarzeniem współbieżnym.

Skutki zdarzeń impulsowych obejmują szeroki zakres nieprawidłowości, od błędów parzystości i usterek podzespołów, po awarie dysku twardego, zablokowanie urządzeń, błędne szyfrowanie danych, usterki tyrystorów i brak zasilania.

Czynnikami wpływającymi na zdolność impulsu do zaburzania pracy odbiornika są: amplituda impulsu, czas trwania i częstotliwość, filtr systemowy i kondensatory obejściowe, konstrukcja półprzewodników i prędkość robocza oraz uziemienie.

Zdarzenia impulsowe mogą mieć kilka różnych przyczyn. Wśród potencjalnych przyczyn figurują źródła zewnętrzne, takie jak oświetlenie, i źródła wewnętrzne, jak wadliwe przewody i wyłączniki awaryjne, zamknięcie styku i przekaźnika, załączenie lub odłączenie odbiornika, obecność odbiorników sterowanych tyrystorami i napędów bezstopniowych. Źródłem kłopotliwych impulsów może być nawet kserokopiarka.

Rozwiązanie problemu niepożądanych impulsów jest zależne od przyczyny zdarzenia, ale może polegać na wymianie niesprawnych wyłączników lub przewodów, dodaniu zabezpieczeń przepięciowych do styków i przekaźników, fizycznym przeniesieniu wrażliwego odbiornika albo zastosowaniu kondycjonerów.

15 - Jakie są symptomy, przyczyny i rozwiązania w przypadku napięcia między zerem i uziemieniem?

Napięcie między zerem i uziemieniem to każde napięcie mierzalne między przewodem zerowym i uziemiającym, zwykle odzwierciedlające straty napięcia w przewodzie zerowym będące rezultatem płynącego przez niego prądu powrotnego.

Takie napięcie może oddziaływać na funkcjonowanie urządzeń elektronicznych, jeśli amplituda napięcia przekracza granicę wytrzymałości odbiornika.

Wśród typowych symptomów napięcia między zerem i uziemieniem znajdują się: błędy parzystości, niska rozdzielczość, nieprawidłowa praca urządzeń, konieczność resetowania/restartowania urządzeń, a w przypadku instalacji telekomunikacyjnych także zerwane połączenia. Obecność napięcia między zerem i uziemieniem może mieć wiele przyczyn. Do najczęstszych należą: rozruch dużego urządzenia, poluzowane przewody zerowe i uziemiające, poluzowane lub brakujące połączenia przewodu zerowego z masą oraz zbyt wysoki prąd w przewodzie neutralnym lub uziemiającym.

Rozwiązanie takiego problemu jest bardzo proste – wystarczy poprawić uziemienie, usunąć wadliwe przewody, zastosować przewody zerowe o większym przekroju lub dodać izolację transformatora.

16 - Jaki wpływ na systemy obrazowania mogą mieć problemy z jakością energii?

Systemy obrazowania w znacznym stopniu przyczyniły się do rozwoju diagnostyki medycznej i skuteczności pracy firm ochroniarskich. Technologia ta, obejmująca tomografię komputerową (CT), obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), ultrasonografię i promieniowanie rentgenowskie, jest niezwykle wrażliwa na zakłócenia elektryczne.

Zaburzenia zasilania mogą wpływać na funkcjonowanie systemów obrazowania na kilka sposobów. Impulsy wysokiej częstotliwości potrafią zaburzyć konwersję sygnału analogowego na cyfrowy. Powtarzające się zakłócenia wysokoczęstotliwościowe mogą być przyczyną niskiej jakości obrazu na nagraniach i ekranach CRT. Zakłócenia o odpowiednio dużej sile mogą zablokować komputer sterujący i uszkodzić sprzęt komputerowy. Wahania napięcia mogą aktywować obwody wykrywające jego spadki i w efekcie uniemożliwić urządzeniu wykonanie obrazu.

Z uwagi na kluczową rolę systemów obrazowania w medycynie i branży ochroniarskiej niedopuszczalne jest choćby najmniejsze pogorszenie funkcjonowania takich urządzeń. Zmienne mające bezpośredni wpływ na wrażliwość systemów obrazowania obejmują: uziemienie, projekt instalacji, prędkość robocza, łącza danych prowadzące do innych urządzeń oraz liczbę urządzeń elektronicznych pracujących w ich bezpośrednim otoczeniu.

Fizyczna kontrola stanu urządzeń podlegających niepożądanym zdarzeniom pozwala zlokalizować poluzowane lub uszkodzone wtyczki, określić ciągłość uziemienia oraz integralność instalacji, zidentyfikować prąd doziemny o zbyt dużym natężeniu oraz ustalić położenie ciepłych punktów lub ciepłych wyłączników automatycznych.

Modyfikacje systemu mogą polegać na dodaniu czujników temperatury i wilgotności oraz czujników wykrywających zakłócenia częstotliwości radiowej, przeniesieniu monitora w inne miejsce, zmianie ustawień wartości granicznych w celu zwiększenia lub zmniejszenia wrażliwości, a także dodaniu transformatorów prądowych.

17 - Jakie elementy składają się na badanie jakości energii?

Badanie jakości energii pomaga w identyfikacji i rozwiązaniu problemów z zasilaniem urządzeń lub całych systemów. Stanowi systematyczne, kompleksowe podejście do problemu i zwykle składa się z następujących etapów:

1. Planowanie – Skuteczne badanie wymaga właściwego zaplanowania. Przede wszystkim należy określić cele badania oraz zakres prowadzonych czynności. Zazwyczaj celem badania jest rozwiązanie określonego problemu z wydajnością urządzenia, identyfikacja i eliminacja przyczyny zakłóceń po stronie obiektu, wskazanie ogólnej jakości energii dostępnej w obiekcie lub ustalenie odpowiedniości dostępnego zasilania przed instalacją nowych urządzeń. Na zakres badania wpływ ma szereg czynników – od wielkości obiektu i złożoności poprowadzonej w nim instalacji elektrycznej, do liczby i czasu trwania odnotowanych zdarzeń, stopnia zaangażowania szczebla kierowniczego oraz liczby i rozmieszczenia urządzeń monitorujących jakość energii.

2. Przygotowanie – Po zakończeniu planowania rozpoczyna się etap przygotowania do badania, na który składa się:

gromadzenie danych i tworzenie dokumentacji,
montaż wymaganych narzędzi, takich jak rejestrator mocy, tester obwodów elektrycznych, multimetr i skaner IR,
wizualna i fizyczna inspekcja obiektu,
umieszczenie, podłączenie i skonfigurowanie systemu monitorowania jakości energii.

3. Analiza danych – W oparciu o dane zgromadzone na etapie przygotowawczym wykonać należy następujące czynności:

ocenić dane zgromadzone podczas kontroli fizycznej,
przeanalizować dane historyczne i rejestry zdarzeń urządzeń,
sporządzić wykres podsumowujący odnotowane zdarzenia,
porównać zdarzenia odnotowane po stronie sieci elektroenergetycznej z rejestrem zdarzeń urządzeń,
zestawić zdarzenia ze specyfikacją eksploatacyjną urządzeń,
wyznaczyć kluczowe zdarzenia,
sklasyfikować kluczowe zdarzenia,
potwierdzić korelację odnotowanych zdarzeń,
określić przyczynę zdarzenia.