Eksperci od mediów przemysłowych twierdzą, że problemy wynikające z czasowego występowania przepięcia kosztują amerykańskie firmy 26 miliardów dol. rocznie. Koszt ten obejmuje bezpośrednie uszkodzenia systemów dystrybucji energii elektrycznej, urządzeń elektronicznych, oprogramowania, narzędzi oraz straconą produktywność. Występujące w systemie elektrycznym przepięcia mogą powstawać wewnątrz zakładu bądź w sieci zasilającej. Mogą się rozprzestrzeniać przez różne poziomy elektrycznych i elektronicznych systemów. Szkodliwe źródła przejściowego przepięcia są oczywiste. Przyczyną może być piorun, który uderza podczas burzy, lub na przykład wyładowanie elektrostatyczne pochodzące z ludzkiego palca. Przynajmniej 60% przejściowych przepięć występuje wewnątrz zakładu, reszta pochodzi od piorunów oraz fluktuacji zdarzających się w sieciach zasilających zakład.
Rys. 1. Przejściowe przepięcia mogą być 5—10 razy większe od nominalnego napięcia systemu i trwają zazwyczaj od poniżej jednej mikrosekundy (µsec) do kilku milisekund (msec)
Przejściowe przepięcia mogą nadwerężyć izolację elektryczną w przypadku przekroczenia wartości znamionowych, co może prowadzić do nagłego przerwania zasilania lub stopniowego niszczenia materiału izolacyjnego. W niektórych zakładach przemysłowych występują setki przejściowych przepięć w ciągu godziny, o impulsach przekraczających w niektórych przypadkach 5–10 razy nominalne napięcie systemu (rys. 1). Urządzenia do ochrony przeciwprzepięciowej, które czasami nazywa się urządzeniami tłumiącymi przepięcia (Transient Voltage Surge Suppressors – TVSS), redukują wielkość oraz czas trwania skoków napięcia i przedłużają życie izolacji urządzeń (patrz ramka: Tłumienie skoków napięcia przedłuża cykl życia sprzętu).
Przejściowe skoki napięcia trwają zazwyczaj od poniżej jednej mikrosekundy (µs) do kilku milisekund (ms). Takie wydarzenia zaliczamy zwykle do dwóch grup, są to: tryb normalny lub tryb typowy – w zależności od tego, w którym miejscu systemu zasilania występują. Skoki napięcia typu normalnego występują pomiędzy dwoma przewodnikami mocy lub sygnału. Skoki typowe występują równomiernie oraz w fazie od każdego przewodnika mocy lub napięcia do uziemienia.
Ponieważ uszkodzenia powstałe w wyniku chwilowych przepięć mogą nie być oczywiste, często przyczyna uszkodzenia urządzenia jest niewłaściwie diagnozowana i wprowadzana na formularzu zlecenia jako „nieznana”. Aż 75% awarii układów scalonych można przypisać przejściowym przepięciom. Każdego roku straty wynikające z tego zjawiska sięgają miliardów dolarów, a liczba przepięć wzrasta.
Rys. 2. To samo wydarzenie zostało przechwycone przy szybkości (częstotliwości) próbkowania 512 próbek na okres (a) i 83 333 próbek na okres (b) Oba przypadki dotyczą tego samego przechwytu przepięcia, jednakże kształt fali jest odmienny. Chociaż przy próbkowaniu 512 próbek na okres, jedna próbka wykonywana jest co 32,5 µsec, miernik próbkujący przy tej częstotliwości może nie wykryć wielu krótko trwających wydarzeń. Ruchomy styk elektryczny, zmiana obciążenia indukcyjnego i impulsy wyładowania elektrostatycznego są potencjalnymi szkodliwymi krótkotrwałymi pulsacjami, które mogą nie być wykryte przy szybkościach 512 próbek na okres. Próbkowanie przy szybkości 83 333 próbek na okres pozwala pracownikom kontroli określić czas trwania, początkową polaryzację i maksymalne przepięcie. Kształty fal (b) pokazują przepięcie w sieci z i bez urządzenia do ochrony przepięciowej SPD (ang. Surge Protective Device)Skutki przejściowych przepięć
Inżynierowie posługują się kilkoma czynnikami do scharakteryzowania przejściowych przepięć, w tym: wartościami szczytowymi, obszarem, energią, maksymalną prędkością narastania, czasem trwania oraz częstotliwością występowania przepięć. Skutek wystąpienia przejściowego przepięcia dla danego obciążenia zależy od wrażliwości tego obciążenia na jeden lub więcej z wcześniej wymienionych czynników. Wpływ przepięć na urządzenia elektroniczne można ogólnie zaliczyć do jednej z czterech kategorii:
-
Przerwania nieciągłe występują, kiedy przepięcie jest wprowadzane do sieci danych lub sieci sterującej, co powoduje utratę lub uszkodzenie danych. Może to spowodować zablokowanie obciążenia czy urządzenia, nierówne lub nieprawidłowe jego działanie. Czynniki, które wpływają na zdolność przejściowych przepięć do zakłócania obciążenia, obejmują: projekt oraz prędkość operacyjną półprzewodników, filtry systemu, konfigurację uziemienia, podatność na zakłócenia elektromagnetyczne (Electromagnetic Interference – EMI) oraz zakłócenia częstotliwości radiowych (Radio Frequency Interference – RFI), jak również konfigurację kabli danych czy kabli sterujących.
-
Chroniczna degradacja występuje, kiedy powtarzające się przejściowe zdarzenia zmniejszają integralność komponentu czy komponentów. W miarę upływu czasu łączny efekt przejściowych przepięć powoduje w końcu awarię cennych komponentów. Ponieważ w tym przypadku przepięcia występują często i są względnie stałe, łatwo technikom zlokalizować ich źródło za pomocą właściwych narzędzi do wykrywania i usuwania usterek.
-
Awarie utajone są podobne do chronicznej degradacji, z tym że poprzedzone są wystąpieniem znacznego przepięcia, które uszkadza komponenty, ale nie powoduje awarii. Później w normalnej pracy urządzenia nastąpi awaria. Tego rodzaju awarię trudniej wykryć, ponieważ przyczyna źródłowa mogła wystąpić w jakimś nieznanym momencie w przeszłości.
-
Przyczyna katastroficznych awarii spowodowanych przez przejściowe przepięcia jest oczywista, ponieważ dotknięte awarią komponenty natychmiast przestają pracować. W tych przypadkach skala, energia, prędkość narastania przepięcia przewyższają próg wytrzymałości komponentu, tworząc permanentne otwarcie lub zwarcie w obrębie danego komponentu. Prawdopodobieństwo skorelowania uszkodzenia komponentu z konkretnym zdarzeniem, jakie miało miejsce w obrębie systemu, jest w takim przypadku bardzo wysokie.
Produkty półprzewodnikowe, urządzenia oparte na półprzewodnikach oraz programowalne sterowniki logiczne (Programmable Logic Controllers – PLC) są szczególnie podatne na uszkodzenia powstałe na skutek przejściowych przepięć. Narażenie na przejściowe skoki napięcia może zredukować niezawodność i skrócić życie komponentów znajdujących się w urządzeniach tego typu. Wraz z rozwojem techniki i zmniejszaniem się wielkości tych urządzeń ich podatność na uszkodzenia powstałe na skutek przejściowych przepięć wzrasta. Przejściowe skoki napięcia mogą również wpłynąć na jakość produktów w zakładach. Wydarzenia te mogą zakłócać normalną pracę sprzętu, co będzie powodować niejednostajne funkcjonowanie sprzętu oraz obniżenie jakości produktów. Zakłócenia w ciągłych procesach produkcyjnych mogą spowodować straty przychodów (wynikające z przestojów maszyn).
|
Tłumienie skoków napięcia przedłuża życie sprzętu
Urządzenia do zabezpieczania przed skokami napięcia (Surge Protection Devices — SPD) stały się ważnymi częściami elektrycznych systemów zakładów, ponieważ poprawiają jakość zasilania (rys. 2b). Podstawowe funkcje SPD obejmują:
Podstawową funkcją każdego SPD jest wykrywanie (w ułamku cyklu) przepięcia w systemie elektrycznym i jego zawrócenie, w celu zabezpieczenia innych urządzeń podpiętych do systemu. Personel zakładu oczekuje, że SPD będzie wykonywał tę funkcję wielokrotnie w cyklu życia urządzenia. Jednakże przemysł elektroenergetyczny zdaje sobie sprawę, że na tle całego systemu elektroenergetycznego zakładu cykl życia SPD może być ograniczony. Zrozumienie kilku podstawowych rzeczy zapewni lepszą wydajność oraz bardziej niezawodną instalację elektryczną.
Podłączenie SPD do elektrycznego systemu zakładu z użyciem jak najkrótszego przewodu oraz przy jak najmniejszych jego zagięciach zapewnia najbardziej skuteczną ochronę. SPD zainstalowane jako wewnętrzna część panelu lub switcha powinny stanowić optymalne rozwiązanie zapewniające:
Wymogi dotyczące podłączenia SPD jako obsługi wejściowej zostały precyzyjnie zdefiniowane w 2002 NEC (Artykuł 285), ale w dalszym ciągu są one źle rozumiane. W celu zapewnienia odpowiedniego zabezpieczenia i niezawodności systemów elektrycznych o wzmocnionych parametrach jakościowych niezbędne jest zrozumienie podstaw konstrukcji i aplikacji SPD, będącego komponentem całości sieci elektroenergetycznej zakładu. Aby zbudować niezawodny system elektryczny o wzmocnionej jakości mocy, należy skupić się na podstawach, które obejmują:
|
Źródła przejściowych przepięć
Na cały system elektroenergetyczny składa się wiele urządzeń, które stanowią część systemu zasilania oraz znajdują się wewnątrz zakładu.
Źródła zewnętrzne
Źródła przejściowych przepięć występujących w systemie elektroenergetycznym zakładu obejmują:
-
wyładowania atmosferyczne (pioruny),
-
przełączanie kondensatorów,
-
przełączanie kabli/linii,
-
przełączanie transformatorów,
-
ograniczenia natężenia prądu wynikające z pracy bezpieczników.
Chociaż przejściowe przepięcia powstające w systemie mediów zasilających mogą wpłynąć na pracę zakładu, to jednak częściej występują przepięcia w obrębie samego zakładu.
Źródła wewnętrzne
Normalna, codzienna praca funkcjonujących w zakładach urządzeń, takich jak piece elektryczne, paleniska, grzejniki indukcyjne, spawarki czy silniki, może powodować występowanie przepięć wpływających na sąsiadujące z nimi urządzenia. W zakładzie transformatory i silniki indukcyjne wprowadzają przepięcia do systemu elektrycznego. Zakłócenia przepływu prądu w tych urządzeniach, równoczesne z zaniknięciem pól magnetycznych urządzenia, powodują impulsy napięcia lub przepięcia. Źródła przejściowych przepięć w obrębie zakładu mogą być następujące:
-
przełączanie kondensatorów,
-
zakłócenia dopływu prądu do silników, transformatorów oraz innych urządzeń czy komponentów indukcyjnych,
-
działanie komponentów elektronicznych związanych z zasilaniem, takich jak sterowane tyrystorowo prostowniki (Silicon-Controlled Rectifiers – SCR), triaki (tyrystory symetryczne) itd.,
-
wyładowania elektrostatyczne,
-
spawanie łukowe,
-
kopiarki,
-
złe okablowanie i wyłączniki.
-
zamknięcia styków i styczników
-
uruchamianie urządzenia lub jego odłączanie.
Kiedy w systemie zasilania zakładu występuje przepięcie, jego wielkość w danym punkcie zależy od lokalizacji źródła przepięcia, jego wielkości, konfiguracji systemu elektrycznego oraz urządzeń zabezpieczających w zakładzie.
|
|
|
Fot. 3. Aby opisać sygnał analogowy jakim jest przejściowe przepięcie w systemie energetycznym zakładu, miernik albo monitor pomiarowy zasilania (jeden z nich pokazano na zdjęciu) przejmuje nieuchwytne mgnienie sygnału analogowego i przetwarza je na przybliżony ekwiwalent cyfrowy |
Przejściowe przepięcia wynikające z przełączania kondensatorów są typowe. Kiedy załączany jest bank kondensatorów, duży prąd rozruchowy ładuje kondensatory, co powoduje początkowe wcięcie w kształcie fali napięcia. Napięcie w systemie szybko wraca do normy, chwilowo przekracza pierwotną pozycję, po czym wraca do normalnej oscylacji lub kształtu pierścienia (pętli). Dudnienie napięcia systemu (System Voltage Ringing) jest spowodowane przez obwód rezonansowy utworzony poprzez dodanie kondensatorów do systemu typowo indukcyjnego i zazwyczaj trwa ok. 1/2 cyklu. Napędy z regulacją prędkości są wrażliwe na dudnienia, które mogą spowodować ich nierówną pracę.
Rozpoznawanie przepięć
Ponieważ przejściowe zakłócenia są krótkotrwałe, wiele zdarzeń może umknąć uwadze lub też zostać niewłaściwie zaklasyfikowanych, ponieważ niektóre mierniki pobierają mniej próbek, niż jest to konieczne do uzyskania reprezentatywnego obrazu sygnałów analogowych. Kształty fali przepięć powinny być oceniane przy wysokiej częstotliwości próbkowania, co pozwoli na ich wychwycenie. Standardowe urządzenia pomiarowe mogą jednak nie być wystarczająco szybkie, żeby precyzyjnie wychwycić przepięcia.
Specjalne urządzenia monitorujące bądź mierniki próbkują sygnał analogowy przy znacznie wyższych częstotliwościach. Przykładowa prędkość próbkowania wynosząca 5 MHz lub 83 333 próbek na okres (w oparciu o system 60 Hz) podczas przepięcia o wysokiej prędkości jest uznawana za dobrą w porównaniu z 512 (lub mniej) próbkami na okres, pobieranymi przez standardowy miernik (rys. 2). Wyższa prędkość dostarcza danych, których rozdzielczość jest 162 razy większa niż rozdzielczość standardowych danych dostępnych z miernika próbkującego z prędkością 512 próbek na cykl. Ponieważ początkowa polaryzacja jest niezwykle istotna dla określenia źródła (a tym samym rozwiązania) przepięć, ważne jest zapewnienie wystarczająco wysokiej rozdzielczości w celu zagwarantowania właściwej polaryzacji zdarzenia. Podczas gdy wiele zdarzeń długotrwałych (jak zaniki napięcia) można właściwie zdiagnozować z użyciem niższej częstotliwości próbkowania, wielu przejściowych przepięć nie da się w ten sposób zdiagnozować.
Urządzenia o szybszym tempie monitorowania ułatwiają określanie źródła na podstawie skutków przejściowych przepięć. Przyrząd do pomiaru przepięć powinien przynajmniej mieć rozdzielczość wystarczającą do wykrycia i zapisania prawdziwej amplitudy i czasu trwania przepięcia, jak również czasu zaistnienia zdarzenia (fot. 3).
Ważne jest zapisywanie pory dnia, ponieważ pomaga to połączyć przepięcia powstające wewnętrznie lub zewnętrznie z funkcją trybu pracy danego systemu (zakładowego lub komunalnego). Narastające zbocze przepięcia ma formę albo do kształtu fali, albo od kształtu fali. Przy wychwytywaniu kształtów fali z wysoką rozdzielczością można zastosować początkową polaryzację narastającego zbocza przepięcia do określenia typu urządzenia będącego jego przyczyną. Rozpatrując kształty fal prądu i napięcia, można określić kierunek źródła przepięcia, będący po stronie obciążenia lub po stronie źródła miernika.
Z powodu ograniczeń możliwości pomiarowych oraz szybkiej i nieregularnej natury wielu przepięć można nie mieć świadomości ich istnienia w systemie zasilania zakładu. A w końcu te przepięcia mogą być przyczyną niewytłumaczalnych problemów i uszkodzeń osprzętu. Na pracę maszyn i urządzeń mogą wpływać dziesiątki tysięcy źródeł przepięć. Przepięcia mogą powstawać wewnątrz oraz na zewnątrz zakładu. Aby zapobiec uszkodzeniu sprzętu i usunąć skutki przepięć, zakłady mogą stosować system monitorowania obwodów, który w sposób adekwatny mierzy i reprezentuje prawdziwe prawdopodobieństwo fal przepięciowych. Można również stosować urządzenia takie jak SPD (Surge Protection Devices) do zapobiegania skutkom przepięć.
Autor: Jon Bickel, Square D/Schneider Electric
