Jakość energii elektrycznej przekłada się dziś bezpośrednio na sprawne funkcjonowanie zakładu przemysłowego. Wynika to z powszechnego stosowania systemów informatycznych, czujników i zabezpieczeń. Nawet proste urządzenia są wyposażane w układy sterowania wrażliwe na zakłócenia. Dlatego tak ważna jest nie tylko kontrola jakości energii dostarczanej do zakładu, ale również właściwa eksploatacja sieci energetycznej i zainstalowanych urządzeń.
Energia elektryczna dostarczana przez zakłady energetyczne, choć jeszcze nie jest idealna pod względem parametrów, ma coraz lepszą jakość. Dlatego na znaczeniu zyskuje sprawność sieci energetycznej w samym zakładzie. Warto zatem zbudować system kontroli i nadzoru energii elektrycznej obejmujący również rozdzielnie i urządzenia elektryczne.
Na rynku dostępna jest szeroka gama analizatorów przeznaczonych do monitorowania jakości energii elektrycznej. Mogą one zbierać i analizować gromadzone dane. Pomiarom podlegają nie tylko takie podstawowe parametry, jak: napięcie, prąd, częstotliwość, ale też moc, energia, zawartości harmoniczne i zakłócenia. Często są też zbierane dane o temperaturze zewnętrznej i stanie pracy urządzeń. Są to analizatory producentów, takich jak: Algodue, Amprobe, A-Eberle, Circutor, Dewetron, Extech, Fluke, Gossen Metrawatt, Hioki, HT Italia, Kyoritsu, Lumel, Metrel i Sonel. Z powodu różnych zakresów funkcji oferowanych urządzeń można je w zasadzie podzielić ma mierniki i analizatory.
Firma Twelve Electric, która działa w tym obszarze od 1994 r., opracowała analizator sieci AS-3 z dedykowanym oprogramowaniem wspomagającym zarządzanie jakością zasilania. Jak czytamy w podanych informacjach, kontrola parametrów jakościowych zapewnia prowadzenie optymalizacji zarówno zużycia energii, jak i struktury technicznej poszczególnych instalacji i urządzeń odbiorczych, co w konsekwencji poprawia wskaźniki ekonomiczne, ale jest to możliwe dopiero po zastosowaniu odpowiedniego sprzętu pomiarowego i oprogramowania zapewniającego przepływ informacji. Użytkownikami rozwiązań firmy są odbiorcy energii elektrycznej, czyli zakłady przemysłowe lub jednostki odpowiedzialne technicznie za energię i jej jakość oraz służby utrzymania ruchu. Oprogramowanie ma zapewniać łatwą obsługę zarówno małej rozdzielni, jak i rozbudowanego czy rozproszonego zakładu przemysłowego.
Z nowych tego typu urządzeń można wymienić miernik parametrów sieci 3-fazowej na szynę N43 firmy Lumel, przeznaczony do pomiarów bezpośrednich (do 63 A) i pośrednich, w sieciach 3-fazowych 3- lub 4-przewodowych, w układach symetrycznych i niesymetrycznych. Wykonuje takie pomiary, jak: wartość skuteczna napięcia i prądu, moc czynna, bierna i pozorna, energia czynna i bierna, współczynnik mocy, częstotliwość, THD, strażnik mocy. Inną cechą tego urządzenia są programowalne przekładnie prądowe i napięciowe. Wskazania uwzględniają wartości zaprogramowanych przekładni. Miernik Lumel ma trzy programowalne wyjścia alarmowe i jedno wyjście impulsowe w wykonaniu standardowym oraz wyjście impulsowe do kontroli 3-fazowej energii czynnej. Komunikuje się cyfrowo przez interfejs RS-485 z protokołem Modbus i przez USB do konfiguracji z użyciem oprogramowania eCon, a zaimplementowana funkcja umożliwia aktualizację oprogramowania. Modułowa obudowa na szynę typu S jest zgodna z normą PN-EN 62208 (miernik ma szerokość 6 modułów).
Daniel Zakrzewski z firmy MIKRONIKA – producenta systemu kontroli jakości energii (mierniki jakości energii klasy A i oprogramowanie do kompleksowych analiz i raportowania) – zwraca uwagę na miernik jakości energii klasy A typu SO-52v11–eME oraz system oceny jakości energii SYNDIS-PQ. SO-52v11-eME jest przeznaczony do wyznaczania i rejestracji parametrów oceny jakości energii zgodnie z obowiązującymi normami. Unikatową cechą analizatora jest ciągła jednoczesna rejestracja i analiza szybkich zaburzeń typu transients w kilku lub nawet kilkunastu kanałach pomiarowych. Wspomniany analizator mierzy i oblicza w klasie A wymagane wartości do oceny jakości energii zgodnie z normą PN-EN 50160:2010 lub innymi umowami i wytycznymi. Można go stosować do oceny poziomu zakłóceń i identyfikacji ich przyczyn we wszystkich instalacjach przemysłowych, charakteryzujących się szczególnie wysokim poziomem zaburzeń. Automatycznie analizuje i rejestruje zdarzenia przekroczenia parametrów, zdefiniowane według norm lub zadanych limitów. Dane z pomiarów lub obliczeń są przechowywane w pamięci analizatora przez co najmniej 40 dni. Są one grupowane w standardach COMTRADE lub PQDIF i przesyłane przez łącze Ethernet lub połączenie GPRS do serwera danych jakości energii.
Normy
Jeśli chodzi o jakość energii elektrycznej to brak ścisłej definicji tego terminu. Obecnie przyjmuje się definicję zaproponowaną przez Advisory Committee on Electromagnetic Compatibility (ACEC) IEC, w której jakość energii elektrycznej określona jest jako zbiór parametrów opisujących właściwości procesu dostarczania energii do użytkownika, w tym ciągłość zasilania (długie i krótkie przerwy w zasilaniu), oraz określających napięcie zasilania: wartość, niesymetria, częstotliwość, kształt przebiegu czasowego.
W Polsce parametry jakościowe energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom w poszczególnych grupach przyłączeniowych określa Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 20 grudnia 2004 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci (Dz.U. z 2005 r. Nr 2, poz. 6) oraz w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Jeśli chodzi o normy to nazewnictwo oraz parametry zjawisk określających jakość energii elektrycznej definiuje Polska Norma PN-EN 50160:1998 „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych”, stanowiąca implementację Normy Europejskiej EN 50160:1994. Jest to dokument o tyle ważny, że diagnostyka systemów zasilania powinna zachowywać standardy w niej określone. Warto też wspomnieć o normie PN-EN 61000-4-30:2011P, która wprowadza normę EN 61000-4-30:2009 – Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 430: Metody badań i pomiarów – Metody pomiaru jakości energii.
Rezystancja izolacji
Kluczowy dla bezpieczeństwa użytkowanej sieci elektrycznej jest stan izolacji przewodów. W trakcie eksploatacji rezystancja izolacji ulega pogorszeniu. Mają na to wpływ czynniki środowiska, wilgotność, temperatura itp. czynniki. Dlatego systematycznie należy kontrolować stan izolacji przewodów, by odpowiednio wcześnie wykryć nieprawidłowości. Jak mówi Krzysztof Rozek, specjalista ds. pomiarów elektrycznych w Elektroserwis.info, jego firma ma podstawowy sprzęt do sprawdzenia skuteczności ochrony przeciwporażeniowej. Jest to m.in. cyfrowy przyrząd do pomiarów rezystancji izolacji napięciami probierczymi 250, 500, 1 kV, maksymalna wartość mierzonej rezystancji wynosi aż 2 GΩ. Jest to podstawowa czynność związana z obsługą instalacji w zakładach przemysłowych, gdzie przewody i kable często ulegają przetarciu bądź innym uszkodzeniom mechanicznym.
Istotnym aspektem jest również utrata energii z powodu słabej jakości sieci. Wtedy zaleca się wymianę instalacji na nową o odpowiednich przekrojach, dobranych w zależności od indywidualnych potrzeb. W ramach pomiarów wykonuje się sprawdzanie ochrony przed porażeniem przez samoczynne wyłączenie oraz pomiary zabezpieczeń różnicowo-prądowych, rezystancji izolacji obwodów, stanu instalacji odgromowych, uziomów, ciągłości przewodów ochronnych oraz rezystancji izolacji ścian i podłóg. Jak dodaje Krzysztof Rozek, są to pomiary w pełnym zakresie, zapewniające określenie wszystkich potrzebnych parametrów. Wymienia przy okazji takie częste błędy popełniane podczas diagnozowania sieci elektrycznych w zakładach, jak niewłaściwe rozpoznanie układu sieci zasilającej. Zdarzają się takie przypadki przyłączenia przewodów ochronnych PE do N (tzw. zerowanie) w układzie sieci TT, który mylnie jest identyfikowany jako TN. Dotyczy to oczywiście nie tylko zakładów przemysłowych, tu jednak zdarza się najczęściej. Błędem przy badaniach sieci jest niewłaściwa metoda pomiarów rezystancji uziemienia. Błąd polega na pomiarze przy użyciu przyrządu do pomiarów rezystancji pętli zwarcia – między najbliższym zaciskiem fazowym a uziomem badanym. Jak mówi Krzysztof Rozek, pozwala to wprawdzie na wstępne określenie, czy dane uziemienie spełnia wymogi w zakresie ochrony przeciwporażeniowej, jest jednak obarczone sporym błędem ze względu na dodawanie do wyniku impedancji pętli sieci zasilającej, do której przyłączamy miernik.
Pomiar rezystancji uziomu powinien być wykonywany przy użyciu prądu przemiennego i dwóch uziomów pomocniczych, które są umieszczone w takiej odległości, że uziom badany i pomocniczy nie oddziałują elektrycznie na siebie. Na rynku mamy bardzo duży wybór urządzeń, w tym uniwersalne multimetry z funkcją pomiaru rezystancji izolacji. Są to produkty zarówno producentów krajowych, takich jak Sonel, jak też zagranicznych, np. Fluke, Amprobe.
Termowizja
Pisząc o diagnostyce sieci, koniecznie trzeba wspomnieć o wykorzystaniu do tego celu kamer termowizyjnych. W zależności od rodzaju instalacji sieci (NN, SN, WN) stosuje się kamery ze stałą lub wymienną optyką oraz o różnych zakresach czułości. Zalety badań termowizyjnych są oczywiste. Podstawowa to brak konieczności bezpośredniego kontaktu z siecią elektryczną, badanie przeprowadza się bowiem w trakcie jej normalnej pracy. Dotychczas problemem była wysoka cena kamer, ale stają się one coraz bardziej przystępne cenowo. Dodatkowo badanie sieci energetycznej może być tylko jednym z zastosowań termowizji w zakładzie przemysłowym. To dodatkowy atut.
Normą staje się posiadanie kamery termowizyjnej przynajmniej w służbach utrzymania ruchu. Ale właściwe wykorzystanie kamery termowizyjnej w praktyce wymaga wiedzy i doświadczenia oraz odpowiedniego doboru urządzenia do planowanych zadań pomiarowych. Zwłaszcza jeśli nieprawidłowości chce się wykrywać wcześnie, gdy różnice temperatury pomiędzy elementem niesprawnym a sprawnym nie są jeszcze duże. W Polsce najpopularniejsze marki kamer to produkty firm FLIR Systems, Fluke oraz Testo i jedynego krajowego producenta – Vigo System. Na rynku działa też kilkudziesięciu dystrybutorów.
Badać za pomocą kamer termowizyjnych można nie tylko instalacje elektryczne, ale też urządzenia. Termowizja sprawdza się zwłaszcza przy ocenie poprawności złączy. Zmęczenie materiału i korozję styków można stosunkowo łatwo rozpoznać na obrazie z kamery termowizyjnej, często znacznie wcześniej niż przy wykorzystaniu innych narzędzi diagnostycznych. Dla służb UR to bardzo cenna zaleta termowizji, zapewniająca działania profilaktyczne. Zamierzającym kupić kamerę termowizyjną zwracam uwagę na dokładne określenie potrzebnego zakresu pomiarowego. Jeśli to możliwe, należy unikać modeli z nietypowymi akumulatorami i ładowarkami – źródło wyższych kosztów w trakcie eksploatacji. Warto też kupować kamery z docelowym wyposażeniem, bo w komplecie jest zazwyczaj taniej.
Podsumowując, warto zwrócić uwagę, że rozwój elektroniki i technik pomiarowych umożliwia pracownikom służb UR diagnozowanie sieci i urządzeń elektrycznych na takim poziomie, jaki do niedawna oferowały tylko wyspecjalizowane laboratoria. Niestety nie zawsze potrafimy wykorzystać to w praktyce. Jak mówi Krzysztof Rozek, dla utrzymania ruchu ważną sprawą jest zapewnienie ciągłości zasilania zakładu oraz poszczególnych maszyn i urządzeń, a także szybka diagnoza ewentualnych usterek w celu niezwłocznej naprawy. W ostatnim czasie na rynku pojawiły się profesjonalne kompaktowe, cyfrowe narzędzia do tego typu zastosowań, łączące wiele funkcji pomiarowych. Warto zwrócić na nie uwagę i każdy duży zakład zatrudniający własnych elektryków powinien mieć na wyposażeniu urządzenie zapewniające podstawowe sprawdzenie instalacji. Jego zdaniem warto również zainteresować się inteligentnymi systemami zarządzania zużywaną mocą. Jakość energii i sprawność całej sieci ma również wpływ na zużycie energii elektrycznej.
UR
Autor: Bohdan Szafrański
