Měření napěťových jevů v energetických sítích

Teoretický základ
Napěťové jevy jsou ve standardu kvality napětí [1] rozděleny na přerušení napětí, poklesy napětí a dočasná zvýšení napětí. Jejich standardizované parametry se vyhodnocují z efektivních hodnot spočítaných za dobu periody. Efektivní hodnoty napětí počítané za uplynulou periodu napětí opakovaně po půlperiodě a synchronizovaně průchodem napětí nulou jsou označeny jako napětí URMS1/2. Jestliže se výpočet efektivní hodnoty napětí opakuje po periodě, pak se vypočítané napětí označuje jako URMS1. Za normálních podmínek se v distribučních sítích nachází časový průběh napětí URMS1/2 nebo URMS1 v tolerančním pásmu Ujm ± 10 % Ujm. Při snížení napětí pod 90 % Ujm nastává pokles napětí, který je ukončen, až když se průběh napětí vrátí nad (90+2) % Ujm. Při zvýšení napětí nad 110 % Ujm  nastává dočasné zvýšení napětí, které končí v okamžiku, kdy se průběh napětí dostane pod (110-2) % Ujm. Přístroj, registrující napěťové jevy, často označované jako události (events) na napětí, pak zaznamenává okamžik počátku a konce události. Při poklesu napětí je zaznamenána nejmenší hodnota z průběhu napětí, která se nazývá zbytkové napětí. Při dočasném zvýšení napětí se zaznamenává největší hodnota z průběhu napětí. Jestliže při poklesu napětí klesne průběh napětí pod 5 % Ujm, pak se tato událost nazývá přerušením napětí. V trojfázové síti nastává přerušení napětí až v okamžiku, kdy jsou všechna tři napětí pod 5 % Ujm.
Ve standardizovaném vyjádření je tedy záznam průběhu události opsán obdélníkem s dobou trvání a zbytkovým nebo maximálním napětím. Lze tedy říci, že standardizované vyjádření napěťových jevů přeje odběrateli. Je zřejmé, že pro statistické účely standardizované zjednodušení napěťových jevů zcela vyhovuje, avšak pro provozní účely je často nezbytná znalost průběhu napětí URMS1/2 nebo URMS1 a v některých případech je vítán i oscilografický záznam.

Význam měření napěťových jevů
Stále větší podíl spotřebičů elektrické energie je citlivý na napěťové jevy na napájecím napětí. K jejich potlačení se často používají zdroje nepřerušeného napájení – UPS. Ty jsou však dimenzovány na určitý výkon a především při vzniku shluků napěťových jevů nemusí být účinné. Navíc existují provozy s velkou spotřebou elektrické energie, u nichž může být řešení pomocí UPS ekonomicky nevýhodné, jestliže nejsou k dispozici statisticky významné údaje o dlouhodobém výskytu napěťových jevů v místě instalace.
Pro měření a registraci napěťových jevů v energetických sítích mohou být použity měřicí přístroje různých výkonů a také různé ceny. Při měření napěťových jevů v distribučních energetických sítích, které se v nich vyskytují v převážné míře náhodně, je vhodné použít měřicí přístroje pro trvalou instalaci a dlouhodobé monitorování. V průmyslových energetických sítích se stává, že napěťové jevy často korelují s provozními stavy nebo výrobními cykly napájených spotřebičů. V takových případech lze dobře použít měřicí přístroj přenosný.
K měření a záznamu detailních průběhů napěťových jevů – událostí slouží PQ monitory MEg38/C a MEg39. Dlouhodobou registraci napěťových jevů ve standardizovaném tvaru provádí také Universal energy meter MEg40+/supra. Výše uvedené přístroje mají i další měřicí funkce.

Charakteristika monitoru MEg40+/supra

Universal energy meter MEg40+/supra je určen pro dlouhodobé měření a záznam elektrických veličin energetických sítí a zařízení. Měří napětí, proudy, výkony a účiníky, vyhodnocuje jejich maxima a minima. Energie měří pro každou fázi samostatně a ukládá je do šesti v čase rozložených registrů, měří činnou i jalové energie induktivní a kapacitní ve směru odběru i dodávky. MEg40+ zaznamenává všechny události na napětí ve standardizovaném formátu, vyhodnocuje je ve třídě S. Použití suprakapacitorů v MEg40+/supra umožňuje měření a záznam událostí i při výpadcích napájecích napětí s dobou trvání do 1 minuty.

Data dlouhodobých měření se v MEg40+/supra ukládají na paměťovou kartu CARD 16 MB. Dálkový přenos on-line měřených i statisticky zpracovaných dat je možné přenášet rozhraním RS485, případně přes konvertor USBhost/RS485 protokolem proprietálním nebo MODBUS.

Konstrukčně se universal energy meter MEg40+/supra vyrábí pro nepřímé měření proudů, rozsah 5 A nebo 1 A. V provedení MEg40+/supra/S1 se k měření proudů používají proudové transformátory Smart PTD s děleným jádrem a jmenovitými proudy 200 A, 400 A, 600 A, 900 A. V provedení MEg40+/supra/S3 se k měření proudů používají ohebné snímače AMOSm se jmenovitými proudy 250 A, 500 A, 1 000 A a 2 000 A. Provedení S1 a S3 jsou určena pro dodatečnou instalaci do již provozovaných sítí, které nejsou vybaveny standardními přístrojovými transformátory, přičemž dodatečná instalace pevných proudových transformátorů by přinesla závažné provozní nebo ekonomické nevýhody.

 

Charakteristiky PQ monitorů MEg38/C a MEg39

PQ monitor MEg38/C je přenosný přístroj, který měří čtyři napětí a čtyři proudy na hladině nn, vn a vvn. Ve funkci Záznam zpracovává všechny měřené veličiny, vyhodnocuje výkony energie a harmonické do řádu 64. Ve funkci Analýza kvality třídy A vyhodnocuje pro tři měřená napětí a tři proudy všechny standardem ČSN EN 50160, ed.3 stanovené parametry. Harmonické a meziharmonické měří do řádu 125. U událostí na napětích a proudech provádí vedle záznamu časového průběhu URMS1/2 nebo IRMS1/2 i oscilografický záznam všech čtyř napětí a proudů. MEg38/C může rovněž pracovat jako oscilograf se záznamem U1 až U4 a proudů I1 až I4. Vyhodnocuje vhodnou velikost kompenzační kapacitní baterie a stanoví správnou hodnotu jističe pro měřený odběr. V souladu se standardem monitor obsahuje zdroj zajištěného napájení, to znamená, že měří i při událostech. Proudy v rozsahu od 1 A do 3000 A měří automaticky identifikovanými klešťovými transformátory nebo ohebnými snímači se SW přepínanými rozsahy. Je v celoplastovém, mechanicky odolném pouzdře minimálních rozměrů, je vodotěsný, má zesílenou izolaci a kategorii přepětí CAT IV.

PQ monitor MEg39 rovněž měří čtyři napětí a čtyři proudy a lze jej použít pro trvalou instalaci na hladinách vvn, vn a nn. Funkci Záznamník a Analýza kvality napětí má shodnou s MEg38/C. Je konstruován pro připevnění na DIN lištu TC35 s možností plombování. Krátkodobé výpadky jednofázového napájení do 3s překrývá interní zdroj v MEg39. PQ monitor MEg39 lze napájet i stejnosměrným napětím 12 V např. ze zdroje zajištěného napájení MEg101.3, který se připojuje pomocí konstrukčního řešení HBUS, kompatibilního s DIN lištou TC35. Monitor MEg39 má čtyři komunikační rozhraní: USB, Ethernet, RS485 a RS232. Pro dálkový přenos dat sítí GSM službou GPRS lze přes HBUS připojit komunikační jednotku MEg202.3.
Změřená data obou PQ monitorů jsou vyhodnocována uživatelským programem Data viewer. K vyhodnocení a analýze více datových souborů je k dispozici soubor programů WebDatOr pracující nad databází ORACLE. K parametrizaci měření přístrojů se používá program PQ monitor.

Uživatelské popisy programů i jednotlivých přístrojů jsou na www.e-mega.cz .

 

Rozbor záznamu události PQ monitorem MEg38/C a monitorem MEg40+/supra

Příklad záznamu napěťového jevu v energetické síti průmyslového podniku při provozu ze dne 28. 7. 2013 v 8hod52min je na obr. 1 až obr. 6. Záznamy na obr. 1 až obr. 4 byly uskutečněny PQ monitorem MEg38/C a pro porovnání záznamy na obr. 5 a obr. 6 zaznamenal přístroj MEg40+. Spolu se záznamy napětí jsou v obrázcích i záznamy událostí na proudech.

Za dobu měření, tj. od 27. 7. do 2. 8. 2013 byly zaznamenány čtyři poklesy napětí viz obr. 1, při kterých se napětí URMS1/2 jednotlivých fází dostalo pod 90 % Ujm, tj. pod 207 V. První nejhlubší pokles napětí ke 170 V byl zaznamenán 28. 7. 2013 v 8hod52min. Maxima fázových proudů při něm překročila 500 A.

 

Obr. 1. Záznam událostí na napětích a proudech s průměrnými, minimálními a maximálními napětími PQ monitorem MEg38/C

 

 

 

I v pětiminutovém časovém rastru na obr. 2 se událost jeví jako jednoduchá. Průměrná fázová napětí ve standardizované desetiminutové agregaci jsou 237,3 V, 236,9 V a 237,6 V. Minimální 200 ms (desetiperiodová) napětí v desetiminutovém intervalu, ve kterém nastal pokles, jsou 205,5 V, 222,5 V a 231,9 V, nicméně zbytkové napětí poklesu se i v detailnějším zobrazení na obr. 2 dostává ke 170 V. Průměrné fázové proudy IL1, IL2 a IL3 jsou 277 A, 263,3 A a  271,4 A, jejich rozkmit při události však je od 50 A do 530 A.

 

Obr. 2. Časový detail první události na napětí změřený PQ monitorem MEg38/C, dílek 5 minut

 

 

Na obr. 3 se sekundovým rozlišením je záznam průběhu fázových napětí URMS1/2 a fázových proudů IRMS1/2. Zbytková napětí poklesu v jednotlivých fázích jsou 170,98 V, 209,48 V a 227,36 V. Z obr. 3 je vidět, že zřejmě na snížení napětí ve fázi L1 reagoval spotřebič zvýšením odebíraného proudu z fází L2 a L3. Pravděpodobně nekorektní automatický pochod, který byl do jedné sekundy následován dalším přechodným jevem, popisovaným ve standardu jako rychlá změna napětí.

 

Obr. 3. Průběh hodnot URMS1/2 a IRMS1/2 při události na napětí a tabulka napětí změřená PQ monitorem MEg38/C

 

Na zdvojeném obr. 4 je pro názornost doplněn oscilografický záznam průběhů napětí i proudů a jejich harmonická analýza. Harmonické složky napětí dosahují až k 7 % a harmonické složky proudů až k 50 % základní harmonické. Z osciloskopického záznamu proudu je vidět, že s poklesem napětí ve fázi L1 je spojen tvarově deformovaný odběr proudů ve fázích L2 a L3 s vrcholovými hodnotami proudů až 1 100 A, přičemž proudy L2 a L3 jsou v protifázi.

 

Obr. 4. Průběh hodnot URMS1/2 a IRMS1/2 při události na napětí s oscilografickým záznamem a frekvenční analýzou fázových napětí a proudů změřený PQ monitorem MEg38/C

 

 

 

Záznam shodného napěťového jevu provedený Universal energy meter MEg40+, který vyhodnocuje standardizované parametry je vidět na obr. 5 a obr. 6. Na obr. 5 je vedle napěťového jevu zobrazen i průběh průměrného, maximálního a minimálního napětí fáze L1 funkce záznamník s intervalem záznamu 20 s. Obr. 6 ukazuje standardizovaný záznam poklesu se zbytkovými napětími 170,12 V, 208,57 V a 226,80 V. Z předložených záznamů MEg40+ je vidět dobrá shoda změřených výsledků s výsledky výkonnějšího PQ monitoru MEg38/C, které však postrádají možnost detailní analýzy nutné pro rozbor příčiny jevu.

 

Obr. 5. Záznam událostí na napětí a proudech změřený přístrojem MEg40+

 

Obr. 6. Detail standardizovaných parametrů poklesu napětí vyhodnocený MEg40+

 

 

 

Závěr

Napěťové jevy získávají s rozvojem technické úrovně spotřebičů na významu. Způsobují havarijní a poruchové stavy, projevují se i v přerušení výrobních činností. Ne vždy je možné nebo ekonomicky rentabilní jejich vliv potlačit použitím zdrojů UPS. Pak nezbývá než jejich monitorování, analýza a následné odstranění příčin jejich vzniku. K tomuto účelu byly vyvinuty a slouží i výše uvedené měřicí přístroje.

 

Literatura

[1] ČSN EN 50160, ed. 3 Charakteristiky napětí elektrické energie dodávané z veřejných distribučních sítí.

[2] Uživatelské popisy PQ monitoru MEg38/C, Universal energy meter MEg40+/supra  a uživatelského programu Data viewer DVMEg jsou na www.e-mega.cz

 

Za MEgA, a. s. zpracoval

Doc. Ing. Ladis

CELÝ ČLÁNEK V PDF KE STAŽENÍ ZDE:

Měření napěťových_kor.pdf 

Fotogalerie: Měření napěťových jevů v energetických sítích

Záznamy: 1 - 6 ze 6