Odstraňování poruch v třífázových sítích pomocí analyzátorů kvality sítě řady Fluke 430

 

 

Tento článek popisuje některé základní typy poruch, které se vyskytují na výkono­vých rozvodných sítích, jejich příčiny a mož­nosti jejich zjišťování pomocí analyzátorů kvality sítě, jakož i způsoby jejich řešení či alespoň minimalizování jejich účinků na elek­trické spotřebiče.

 

Častou a takřka každodenní příčinou pře­chodových jevů v síti je přepínání, kterému se v praxi nelze vyhnout (obr. 3). Také vy­bavování tepelných pojistek v sítích nízkého napětí způsobuje znatelné napěťové špičky. Náhlá přerušení proudu vyvolávají napěťo­vé špičky v řádu tisíců voltů. Znatelné rušivé efekty způsobují u výkonových měničů pře­chodové jevy, které obsahují nepříliš velké, ale zato pravidelné komutační špičky (šest i více za periodu). V porovnání s dřívější­mi technologiemi s relativně vysokým pra­covním a řídicím napětím využívají moderní mikorelektronické součástky menší hodno­ty napětí (obvykle 5 V a méně). To je však činí citlivějšími na síťová rušení. Vedle účin­ků na elektronické součástky mohou přecho­dové jevy ovlivnit i data nebo řídicí obvody. Tak může např. napájení výkonového měni­če ovlivnit datový kabel položený v jeho blíz­kosti, zkreslit přenášené datové pakety, vý­znamně zpomalit přenos dat a v konečném důsledku znemožnit datovou komunikaci. Při použití invertorů pulzu ovlivňují přechodové jevy i frekvence časového signálu (i více než tisíckrát za sekundu).

 

S rostoucím počtem průmyslových a spo­třebitelských zařízení napájených přes usměr­ňovače (např. výkonové měniče pro regulova­né pohony, počítače, úsporné žárovky a téměř veškerá spotřební elektronika) roste i vliv nežá­doucích vyšších harmonických složek ve výko­nových sítích. Tento vliv není v současné době zanedbatelný, a nelze ho proto přehlížet. Napě­ťové a proudové charakteristiky těchto zařízení způsobují výkonová zkreslení, a to zejména vli­vem 3. harmonické. Všechny již uvedené typy zátěže způsobují harmonická zkreslení, proto­že na usměrňovací kondenzátor přichází proud v podobě pulzů (obr. 4). Tyto pulzní průběhy proudu způsobují zploštění průběhu napětí, které se ve spektrální oblasti projevuje výsky­tem 5. a 7. harmonické napětí. Téměř zanedba­telná je 3. harmonická složka napětí, protože 3. harmonická složka proudu je zkratována za­pojením transformátoru do trojúhelníku. I přes očekávání je to nežádoucí jev, který např. na transformátoru 630 kV·A způsobí roční ztrá­tu až 60 000 Kč. Navíc představuje velkou zá­těž pro střední vodič, protože se přes něj vrací proud vyvolaný 3. harmonickou (obr. 5). Střed­ní vodič často přehoří bez povšimnutí (vzniká nebezpečí požáru) a přehoření způsobí velký napěťový překmit, který může zničit připojené zařízení. Dalším důsledkem působení vyšších harmonických je jejich vliv na kompenzač­ní obvody (obr. 6), kdy dochází k zesilování harmonických složek především vyšších řádů. Silný vliv harmonických složek na proud pro­tékající kondenzátorem vede k jeho přehřátí (nebezpečí požáru) a následnému zničení. Za­tížení způsobené vysokými úrovněmi harmonických složek lze omezovat tzv. inteligentní­mi aktivními filtry, které jsou samonastavovací s potlačenou rezonancí. Je možné je kaskádně řadit a jednotlivé fáze nezávisle kompenzovat.

 

Vedle základních harmonických složek mohou být rozvodné sítě ovlivňovány také meziharmonickými složkami, které je proto třeba rovněž měřit. Meziharmonické složky jsou n-násobky základní frekvence (n je ne­celé číslo, např. 2,25) a vznikají působením modulovaných signálů a nelinearit směšo­vacích obvodů v elektronických součástech rozvodných sítí.

 

Nárůst proudového zatížení systémů (např. řídicí jednotky výtahu) způsobuje krát­kodobé efekty napěťové zpětné vazby, která se projevuje poklesy nebo, v případě pokle­su proudového zatížení, nárůsty amplitudy napětí (obr. 7). Poklesy nebo přerušení prů­běhu napětí v čase způsobují generování re­setovacího příkazu na výstupech výkonové napájecí jednotky. Tyto změny v jedné nebo více periodách mají negativní vliv na mno­ho zařízení (např. na řídicí systémy). Jsou-li fluktuace amplitudy napětí stálé (pravidel­ně nebo náhodně se opakující), označují se jako flicker – blikání. Objektivní měře­ní flickeru je důležité z hlediska normy IEC 61000-4-15 (Elektromagnetická kompatibi­lita /EMC/ – Část 4: Zkušební a měřicí tech­nika – Oddíl 15: Měřič blikání – Specifika­ce funkce a dimenzování), která definuje ma­ximální dovolenou hodnotu pro krátkodobý flicker (P_{st). Pstje hodnota měřená v} inter­valu deseti minut a udává pravděpodobnost (trend), že fluktuace amplitudy napětí po­vedou k viditelnému blikání osvětlovacího spotřebiče. Hodnota 1 znamená, že blikání žárovky 60 W bude vnímat 50 % lidí. Tento test probíhá na několika modulačních frek­vencích (obr. 8). Vyhodnocení flickeru v sou­ladu s normou je jedna věc, jeho lokaliza­ce věc druhá. Cílem lokalizace je najít jeho zdroj (obr. 9) – většinou proměnlivou zátěž.

 

Za rozvážení sítě se považuje stav, kdy amplitudy napětí všech tří fází nejsou stej­né nebo jejich vzájemný fázový posuv není 120°. Tento stav je obvykle způsoben nesy­metrickým zatížením jednotlivých fází. Reálná složka zatěžovací impedance má vliv na amplitudu napětí, reaktanční složka ovlivňu­je fázový posuv. Výsledkem je posunutí sle­du fází a vznik proudů protékajících středním a zemnicím vodičem a následně také všemi vodivými částmi budovy, včetně např. stíně­ním datových kabelů. Na obr. 10 je zobraze­na jednoduchost indikace rozvážení sítě ana­lyzátorem kvality sítě Fluke 430 – stačí pou­ze sledovat šipky indikátoru. Tabulka v dolní části obr. 10 udává přesné hodnoty. Posloup­nost fází se skládá ze tří složek:

Cílem je omezit vliv záporné a nulové složky. Na displeji je zobrazován procentu­ální podíl záporné a nulové složky posloup­nosti fází pro napětí a proud.

Ovládání a práce s měřicími přístroji řady Fluke 430 jsou velmi jednoduché. Stačí obe­pnout měřené vodiče proudu klešťovými proudovými převodníky a připojit napěťové sondy. Požadovaná funkce se spouští z menu přístroje. Jedinečná je funkce AutoTrend, kte­rá poskytuje rychlý přehled o změnách sig­nálu v čase bez nutnosti nastavovat přesné hodnoty překmitů a intervalů nebo ručního spouštění měření. Všechny měřené hodnoty jsou průběžně ukládány na pozadí do paměti, a proto je možné přepínat mezi zobrazením měřeného signálu a jeho parametrů a trendu, a dokonce používat zoom a kurzory pro po­drobnou analýzu. Funkce AutoTrend posky­tuje velkou výhodu v tom, že nevyžaduje čas pro nastavování přístroje a spouštění zvláštní­ho měření. Navíc jsou typ sítě (obr. 11) a při­pojovací body přehledně zobrazeny v menu přístroje.

Přístroje Fluke 434 a 435 byly navrženy jako profesionální měřicí přístroje pro použi­tí v průmyslu, zdravotnictví, ve výpočetních střediscích a všude tam, kde je požadavek na kvalitu sítě velmi důležitý. Jejich všestrannost, automatické funkce měření a záznamu a jed­noduchost ovládání z nich činí ideální přístro­je pro detekci poruch v třífázových elektric­kých soustavách. Fluke 435 spadá svými pa­rametry do třídy A a je oproti Fluke 434 navíc vybaven záznamníkem dat pro záznam kte­rékoliv měřené veličiny. Přístroje Fluke 434 a 435 měří všechny parametry rozvodných sítí (např. skutečné efektivní hodnoty napětí a proudu, frekvence, výkonu, spotřeby, roz­vážení, flickeru aj.) v souladu s požadavky nejnovější evropské normy EN 61000-4-30 (Elektromagnetická kompatibilita /EMC/ – Část 4-30: Zkušební a měřicí technika – Me­tody měření kvality energie). Analyzují podíl harmonických složek, automaticky zazname­návají události (např. přechodové jevy trvající třeba jen 5 µs o velikosti až 6 kV či přerušení a rychlé fluktuace amplitudy napětí). Protože byly navrženy pro použití v provozních pod­mínkách, jsou robustní a jejich bateriové na­pájení zajišťuje měření po dobu až sedmi ho­din. Disponují velkou pamětí pro ukládání dat, „pamatují si“ až padesát obrazovek a až deset měřených veličin zahrnujících třicet dva para­metrů, včetně nastavení přístroje a zobrazení trendu. S použitím softwaru Fluke View umož­ňují přenos dat do počítače pro další analýzu nebo tvorbu protokolů. Analyzátory sítě Fluke 434 a 435 pokrývají celou oblast aplikací od jednoduchých detektorů poruch sítě po ucele­nou analýzu všech měřených parametrů sítě, a to za velmi příznivou cenu.

 

Další informace o analyzátorech kvality elek­trické energie Fluke řady 430 lze získat u spo­lečnosti Blue Panther, popř. na webových stránkách: http://www.blue-panther.cz

 

Obr. 2. Analýza kvality sítě přístrojem řady Fluke 430 v praxi

Obr. 4. Typický průběh proudu na usměrňovači a jeho spektrum

Obr. 7. Napěťový pokles o 40 % vlivem nárůstu proudu