Inteligentne mierniki znajdują zastosowanie w coraz większej liczbie aplikacji przemysłowych. Wraz ze wzrostem złożoności tych urządzeń rośnie też ich podatność na takie zagrożenia, jak przepięcia, wyładowania elektrostatyczne czy zaburzenia w sieci energetycznej związane z jakością energii. Aby zapewnić niezawodną i nieprzerwaną pracę mierników nawet w trudnych warunkach, niezbędne jest zastosowanie odpowiednich zabezpieczeń.
|
Inteligentne urządzenia pomiarowe mają wiele zalet, zarówno dla firm, jak i ich klientów. Umożliwiają uzyskanie danych dotyczących zużycia energii lub innych mediów w czasie rzeczywistym, identyfikują usterki i sterują oraz monitorują obciążenie, wykrywają próby kradzieży energii i analizują dane na życzenie. Duża ilość informacji dostarczanych przez tego typu mierniki pozwala firmom na monitorowanie zużycia energii i jego kontrolę dzięki bezprzewodowemu włączaniu i wyłączaniu zasilania, wykrywaniu prób manipulowania przy sieci, załączanie alarmów itp. Dzięki nim firmy zarządzające siecią energetyczną mogą ostrzegać użytkowników przed nadchodzącymi, ale też i nieplanowanymi przerwami w dostawie prądu lub zbliżającymi się pracami serwisowymi. Mogą również diagnozować usterki i wprowadzać korekty, zanim dojdzie od awarii licznika lub zasilanego urządzenia. Ponadto inteligentne liczniki zapewniają użytkownikowi dużo informacji w czasie rzeczywistym, niezbędnych do analizy zużycia oraz prowadzenia kontroli nad nim. Liczniki te również chronią odbiorniki w przypadku wystąpienia np. skoków napięcia i pomagają poprawiać jakość dostarczanej energii.
|
Zaawansowane obwody wymagają ochrony
Inteligentne mierniki działają w dwie strony. Są to urządzenia z funkcją komunikacji i zdalnej obsługi, zwierające zaawansowane obwody elektroniczne służące do pomiaru zużycia prądu (lub przepływu gazu/wody) oraz komunikujące się z innymi urządzeniami. Wraz ze wzrostem ich komplikacji wzrasta również podatność na takie zagrożenia, jak przebiegi nieustalone, wyładowania elektrostatyczne, nieprawidłowa jakość energii w obwodach zasilania itp. By zapewnić tym urządzeniom bezawaryjną pracę nawet w nieprzyjaznym środowisku, niezbędne jest zastosowanie trwałych środków ochrony obwodów.
Różne typy inteligentnych liczników będą podatne na różne zagrożenia. Na przykład największym zagrożeniem dla liczników energii elektrycznej są przebiegi nieustalone i zaburzenia występujące w sieci. Z kolei liczniki wody i gazu wymagają ochrony swoich baterii. Podobnie urządzenia mierzące energię z interfejsem użytkownika (HMI) muszą zostać zabezpieczone przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESDs). Ponadto wszystkie te systemy wykorzystują różne interfejsy komunikacji i wiele z nich również wymaga zabezpieczenia.
Przyjrzyjmy się wymaganiom odnośnie zabezpieczeń dla każdego z bloków składowych inteligentnego miernika.
Sekcja zasilania. W przypadku licznika energii elektrycznej zasilany jest on z sieci energetycznej, która jest podatna na duże wahania napięcia powstałe na skutek wyładowań atmosferycznych lub zaburzeń w sieci (np. dołączanie odbiorników dużej mocy, włączenia odbiorników nieliniowych). Warystor wykonany z tlenków metali (MOVs) służy do zabezpieczenia obwodu przed tymi zjawiskami. By zabezpieczyć obwód przez pożarem wywołanym zwarciem, na początku układu zasilania znajduje się bezpiecznik.
Sekcja pomiarowa. Mikrokontroler lub przetwornik sygnałów cyfrowych jest używany do pomiaru energii elektrycznej i przetwarzania danych. Pomimo że zasilanie mikrokontrolera jest chronione przed skokami napięcia, wejścia analogowe są bezpośrednio podłączone do napięcia wejściowego dla potrzeb pomiaru napięcia i natężenia prądu. Mimo że wejścia te mają dużą rezystancję i podpięte kondensatory filtrujące, niektóre z pików napięcia mogą, pomimo filtracji, dotrzeć do mikrokontrolera, który jest czuły na skoki napięć. By zapobiec uszkodzeniu mikrokontrolera, w wejściach analogowych stosuje się bardzo małe diody zabezpieczające, obniżające skoki napięcia do bezpiecznego poziomu.
Porty komunikacji. W zależności od mierzonej wielkości i jej wartości stosowana jest określona liczba portów komunikacji, takich jak RS-232/RS-485/Ethernet/GSM-GPRS, komunikacja power line (PLC) lub porty optyczne. Ponieważ każdy z tych portów ma inną szybkość działania i specyfikację pracy, potrzebują one różnych schematów zabezpieczeń.
Wykrywanie manipulacji. Firmy dostarczające energię wykorzystują liczniki energii do śledzenia zużycia i pobierania opłat. Jednak u niektórych odbiorców powoduje to chęć manipulacji przy liczniku i wpłynięcia na zmiany jego odczytów. W rezultacie liczniki muszą zawierać podzespoły mające za zadanie wykryć próby manipulacji przy urządzeniu.
Najprostszą i najczęściej spotykaną techniką manipulacji jest otwarcie pokrywy urządzenia i jej uszkodzenie. Poprzez użycie włącznika z magnesem lub mikroprzełącznika otwarcie pokrywy powoduje wysłanie sygnału do mikrokontrolera (tzw. sabotaż).
Po rozpoznaniu próby manipulacji mikrokontroler powiadamia obsługę w placówce dostawcy, który może w odpowiedzi nałożyć karę na odbiorcę.
Inna metoda manipulacji polega na zbliżaniu magnesu do obudowy licznika, co powoduje zmianę pola magnetycznego, wpływając na działanie podzespołów licznika. Gdy czujnik Halla w urządzeniu pomiarowym rozpozna zmianę pola magnetycznego, wytwarza sygnał do mikrokontrolera, gdzie następuje zapisanie informacji o próbie manipulacji, a firma dostarczająca energię zostaje poinformowana.
Inna próba oszustwa to wywoływanie ładunku elektrycznego przez zastosowanie świecy zapłonowej lub generatora CRTEHT. W tym przypadku obudowa licznika wykonana jest z plastiku, by w pełni izolować obwody od otoczenia i zminimalizować wpływ wyładowania na działanie obwodów. Zasilanie mikrokontrolera i wejścia analogowe mają zabezpieczenie przed ESD realizowane przez diody. W przypadku dwóch pierwszych z wymienionych prób manipulacji przy liczniku mikrokontroler jest w stanie poinformować dostawcę energii, a ten może nałożyć karę i zapobiec uszkodzeniu licznika.
Moduł zewnętrznego zasilania. Inteligentne liczniki mają czasem dodatkowy moduł znajdujący się w domu użytkownika, podczas gdy jednostka główna znajduje się w centralnej części całego budynku. W tym wypadku jednostka w domu może być wyposażona w adapter Power over Ethernet (PoE). Ten przewód wymaga dodatkowego zabezpieczenia, ponieważ jest podatny na napięcia indukowane w budynku.
Określone wymagania dotyczące zabezpieczeń
Elektryczne liczniki energii są podatne na skoki napięcia w zasilaniu i wahania wywołane wyładowaniami atmosferycznymi lub zaburzeniami w sieci energetycznej. Te wahania, mogące dochodzić do 30 kV, zależą od wielu czynników, włącznie z położeniem geograficznym, typem obciążenia sieci itd. Warystory (MOV) to główne środki ochrony przed tymi negatywnymi zjawiskami. Wymagany poziom zabezpieczenia definiuje zakres prac i rozmiar warystora. Dla podstawowej ochrony przez pikami od 2 kV do 4 kV zadziała warystor 14 mm. Jednak w przypadku skoków napięcia dochodzących do 30 kV wymagane jest zastosowanie większego warystora.
Ponieważ są to urządzenia pasywne z określoną trwałością, warystory cechuje kilka wad ujawniających się pod koniec ich okresu trwałości. Na przykład, gdy są już zużyte, mogą stanowić zagrożenie dla samych siebie i urządzeń znajdujących się w pobliżu. Warystor może wytrzymać tylko określoną liczbę pików w swoim czasie pracy, a ich liczba wpływa na jego rozmiar.
Zatem podczas doboru warystora oraz określania poziomu zabezpieczenia przed skokami napięcia ważne jest uwzględnienie trwałości urządzenia. Na przykład weźmy pod uwagę urządzenie o założonej trwałości 5 lat i poziomie zabezpieczenia: 6 V. Nawet jeśli 20 mm warystor zapewnia ochronę przed skokiem napięcia rzędu 6 kV/3 kA i może zabezpieczyć przed takim zjawiskiem 15-krotnie, powinien być tu zastosowany 25 mm lub większy warystor, ponieważ wytrzyma większą liczbę pików napięcia w planowanym okresie trwałości urządzenia. Odpowiedni zakres pracy warystora dobierany jest do określonego czasu pracy urządzenia.
Niektóre z nowych specyfikacji wymagają również, aby warystor był chroniony przed awarią wywołaną jego starzeniem. W tym wypadku stosuje się zabezpieczenie termiczne warystora, zapewniając bezawaryjną pracę urządzenia przez cały okres jego trwałości dzięki odłączeniu warystora, gdy ten się zużyje. Taki warystor typu TMOV może być też wyposażony we wskaźnik informujący o awarii zabezpieczenia i wymaganym jego zastąpieniu.
Warystory TMOV ze zintegrowanym zabezpieczeniem termicznym
Warystor typu TMOV to pewność, że zostanie odłączony od układu, gdy jego trwałość dobiegnie końca. Warystory ze wskaźnikiem mogą również wskazywać potrzebę ich wymiany.
W rozwiązaniach, w których występują szybko narastające piki napięcia w sekcji zasilającej, stosuje się diody typu Transil (TVS) w połączeniu z warystorami. Te elementy blokują szybko narastające przepięcia, podczas gdy warystory absorbują ich energię.
Liczniki do mierzenia zużycia wody lub gazu mają zwykle wbudowaną baterię wewnętrzną o trwałości od 5 do 10 lat. Najczęściej używany typ baterii to bateria litowo-jonowa (Li-ion). Ponieważ baterie te cechuje znaczna pojemność, do zabezpieczenia przed zwarciami na skutek awarii obwodu stosowany jest bezpiecznik konwencjonalny lub resetowany.
Najbardziej krytycznym podzespołem w tych licznikach jest właśnie bateria i jej trwałość. Musi ona być chroniona, by zapewnić długie działanie licznika. Urządzenia te otrzymują sygnał z magnetycznego enkodera i kontaktronu. Sygnał podawany jest do mikrokontrolera. Licznik inteligentny może być zaprojektowany w taki sposób, że mikrokontroler załączany jest sygnałem z kontaktronu. Po zliczeniu liczby impulsów przechodzi w stan uśpienia, co pozwala na przedłużenie trwałości baterii.
Zaprojektowanie inteligentnego licznika energii elektrycznej
By zilustrować proces projektowania jednofazowego inteligentnego licznika energii, posłużymy się przykładem według następującej specyfikacji.
Zabezpieczenie przed przepięciami na wejściu:
-> impuls udaru kombinowanego: w trybie różnicowym 15 udarów napięciowych dla obwodu otwartego (1,2/50 µs) 10 kV i prądowych dla obwodu zwartego (8/20 µs) 5 kA (wg normy PN-EN 61000-4-5)
-> impulsy udarowe typu Ringwave (fala z tłumieniem oscylacyjnym): 100 kHz, 0,5 µs, 6 kV/0,5 kA
W tym przypadku warystor zostanie użyty w celu zabezpieczenia układu przed przepięciami. Ponieważ impuls udaru kombinowanego zawiera więcej energii niż impuls typu Ringwave, konstrukcja zabezpieczenia musi uwzględniać typ sygnału. W celu zabezpieczenia przed 15 pikami o wartości 10 kV/5 kA należy zastosować warystor 20 mm. Jednakże, jeśli wymagane jest, aby urządzenie przetrwało wiele więcej skoków napięcia, wówczas należy zastosować warystor
25 mm.
Warystor typu TMOV powinien być zastosowany, jeśli wymagane jest zabezpieczenie przed zużyciem warystora. Ponieważ rozpatrujemy układ jednofazowy, to nominalny sygnał wejściowy to 220 Vac, a maksymalny: 265 lub 277 Vac. Dlatego należy zastosować warystor o parametrach 275 V lub 320 Vac. Jeśli licznik powinien wytrzymać dwukrotny wzrost napięcia do 440 Vac, wówczas należy użyć warystor 460 Vac. W tym przypadku warystor TMOV nie dezaktywuje się podczas testów.
By wykryć otwarcie pokrywy licznika, można zastosować zarówno kontaktron, jak i mikrowłącznik. By wykryć próbę użycia magnesu o dużej sile, należy użyć czujnika Halla.
Porty komunikacyjne, takie jak GPRS, PLC oraz RS-485, wymagają różnych typów zabezpieczeń, np. karta SIM wymaga 4- lub 5-kanałowego urządzenia, a interfejs RS-485 – 2-kanałowego urządzenia z podwyższonym napięciem pracy.
Podsumowanie
Biorąc pod uwagę takie zalety, jak dokładny pomiar i funkcje sterujące, inteligentne urządzenia pomiarowe wydają się odgrywać ważną rolę. Poziom inwestycji potrzebnej do ich instalacji jest zauważalnie większy niż w przypadku liczników konwencjonalnych, więc nie bez znaczenia jest ich trwałość i niezawodność. Oznacza to, że zastosowanie dobrego zabezpieczenia jest konieczne.
Autor: Navneet Vinaik jest pracownikiem firmy Littlefuse.
Tekst pochodzi z nr 3/2017 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
