Jednoduchá pravidla pro řešení záhad kvality energie

ABSTRAKTNÍ

Typické Problém s kvalitou energie začíná zoufalým voláním technikovi zařízení nebo vedoucímu elektrodílny ohledně nějaké poruchy, která buď zastavila výrobu, nebo způsobila reset počítačového systému. Následné vyšetřování je pravděpodobně nejobtížnějším způsobem, jak vystopovat zdroj problému souvisejícího s kvalitou energie. Dodržování několika jednoduchých pravidel může osobám pověřeným touto odpovědností umožnit rychle zmírnit většinu takových problémů. Vyžaduje to pouze základní znalosti o elektřině a o tom, jak se různé parametry vztahují v případě změn způsobených zátěží, přepínáním rozvodné sítě a dalšími zdroji jevů týkajících se kvality energie. Vyžaduje to také monitor kvality energie schopný spolehlivě zachytit potřebné informace.

POZADÍ

Nárůst problémů souvisejících s kvalitou energie je evidentní u tak vysoce viditelných incidentů, jako jsou nedávné poruchy na burzách cenných papírů a v systému řízení letového provozu ve Spojených státech. Pro ty, kdo se denně zabývají kvalitou energie, to není žádné překvapení. Velkým faktorem je zvýšená závislost na počítačových a jiných elektronických zařízeních s nižší tolerancí vůči různým typům jevů kvality energie.

Tato zvýšená náchylnost je založena na řadě faktorů, včetně nižších úrovní logického napětí, zvýšených hodinových frekvencí, propojení zařízení prostřednictvím lokálních sítí (LAN) a rostoucího procenta nefunkčních obvodů.Lineární zatíženíStejně důležitá je restrukturalizace v průmyslových/komerčních a energetických společnostech, která rozptýlila a někdy i zcela zrušila odborníky na kvalitu výroby (PQ) v těchto organizacích. Výsledkem je, že existuje více problémů, které musí řešit méně zkušení lidé.

Existují dva různé přístupy k řešení problémů souvisejících s kvalitou elektrické energie: preventivní/prediktivní údržba a vyšetřování forenzního typu. Zdá se, že kvůli nedostatečnému porozumění a zvýšené pracovní zátěži stále převládají následné vyšetřování, i když je zjevně nejobtížnější je vyřešit. Oba přístupy mohou používat jednoduchá pravidla, která pomohou vyřešit většinu problémů souvisejících s kvalitou napájení. I když složitější příčiny budou pravděpodobně vyžadovat znalost zkušené osoby, naštěstí se jedná o menšinu případů.

Než se pustíme do jednoduchých pravidel a postupů, je třeba definovat společný soubor pojmů. V Severní Americe je jejich převládajícím zdrojem doporučená praxe IEEE 1159 pro monitorování kvality napájení [1]. V Evropě je dobrým zdrojem EN50160 ve spojení s dokumenty UNIPEDE Voltage Characteristic. I když jsou oba velmi užitečné, IEEE 1159 má v současné době důkladnější sadu definic pro jevy kvality napájení, takže zde bude použit, jak je definováno v příloze A.

PŘÍSTUP PREVENTIVNÍ ÚDRŽBY

Preventivní údržba nebo proaktivní přístup byl používán mnoha společnostmi, aby se zabránilo významné finanční zátěži způsobené ztrátou produktivity. Tento přístup je jednoznačně preferovanou metodou, ať už jde o monitorování výstupů UPS v režimu off-line, nebo o harmonické úrovně transformátoru, které je třeba snížit, aby se zabránilo zkrácení jeho životnosti. Implementace je však často obtížná, protože mnozí vidí výhody až po katastrofě.

Provádění programu monitorování preventivní údržby obvykle zahrnuje následující kroky: plánovat/připravovat, kontrolovat, monitorovat, analyzovat a implementovat řešení. Toto je často iterativní proces, protože první řešení může zmírnit pouze část problému. Jedním z nejobtížnějších úkolů pro méně zkušené osoby je analýza dat. O dalších krocích bylo napsáno mnoho článků, takže následující diskuse se zaměří na krok analýzy. Následující program preventivní údržby se soustředí na podmínky ustáleného stavu, ačkoli mnoho pravidel platí i pro občasné podmínky.

Předpokládá se, že je použit monitor kvality elektrické energie, který dokáže provést přesný průzkum. K tomu by měl mít monitor schopnost současně zachytit RMS variace na bázi cyklu po cyklu, přechodové jevy až na úroveň mikrosekund a harmonické zkreslení alespoň na čtvrtinu. Měřicí napěťové vstupy by měly být vysokoimpedanční, diferenciální vstupy, které lze použít v obvodech wye i trojúhelníku bez předpokladu vyvážených podmínek.

Proudové transformátory by měly mít dostatečnou šířku pásma, aby zachytily jak ustálené, tak přechodné průběhy. Často tomu tak není, když jsou transformátory proudu upnuty na sekundáru měřicích transformátorů proudu. Napěťové přechodové jevy jsou dnes často svírány zařízeními na potlačení přepětí, takže způsob, jak spolehlivě detekovat přechodné jevy, je spouštění a monitorování proudových přechodových jevů.

Sledované období by mělo trvat alespoň jeden hospodářský cyklus. „Obchodní cyklus“ udává, jak dlouho trvá, než zařízení zopakuje vzor provozu. V průmyslových lokalitách, které mají tři stejné směny, sedm dní v týdnu, může sledování trvat jen osm hodin. Většina zařízení zjistí, že hospodářský cyklus je jeden týden. Může být nutné opakovat průzkum několikrát ročně kvůli sezónním změnám, jako je zvýšení ESD v zimních měsících v chladnějším klimatu. Monitorování by mělo být také prováděno na různých místech v celém zařízení. Průzkum obvykle začíná na společném bodu spojení (PCC), což je místo, kde se spojuje elektroinstalační služba se službou budovy. Dále se provádí monitorování na rozvodných panelech na každém podlaží, následované vývody na konci každého odbočného okruhu. Měly by být zahrnuty také údaje o kritických zátěžích v zařízení. I když se to může zdát jako mnoho dat, mít tento základní stav a profil zařízení bude velmi užitečné, když dojde k budoucím poruchám.

Jakmile jsou data shromážděna, jsou obvykle přenesena do stolních nebo přenosných počítačů pro analýzu pomocí počítačových softwarových programů. Omezení přijatelných hodnot lze nalézt v publikacích, jako je FIPS PUB 94 – Směrnice o elektrickém napájení pro instalace ADP, uvedené v příloze B. Je třeba dodržovat specifikace místních bezpečnostních agentur nebo výrobce zařízení, zvláště pokud jsou přísnější.

Jaký účinek by bylo mimo tyto limity záviset na citlivosti zařízení, „tuhosti“ energetického systému a na tom, jaké další faktory jsou současně přítomny. Nejedná se o absolutní limity, ale spíše o odkazy na otázky. Napětí mezi nulou a zemí v 120V jednofázovém systému se doporučuje mezi 0,5 a 3 Vrms. [2] Pokud se napětí blíží nule voltů, pak by mělo být podezření na přítomnost nezákonného spojení mezi nulou a zemí. Pokud je napětí velmi vysoké, je třeba hledat absenci spolehlivého neutrálního nebo zemního spojení.

Přítomnost modulace napětí (nebo kolísání) může mít za následek blikání světla v závislosti na frekvenci modulace. Na základě EN60868 může být patrná odchylka menší než 1 % při 9 Hz s žárovkovým osvětlením.[3] V NEMA MG-1 a IEEE Std 112 doporučují 10% snížení výkonu elektromotoru s pouze 3% nevyvážeností napětí [4,5]. S rozšiřováním nelineárních zátěží, jako jsou PCS a tiskárny, které jsou rozmístěny po zařízeních často bez ohledu na udržení vyvážené zátěže, není 3% nevyváženost napětí neobvyklá.

Užitečná je analýza několika dalších parametrů. Mělo by se zkontrolovat harmonické zkreslení proudu i napětí. Pro limity specifikované pro amplitudy jednotlivých harmonických a celkovou hodnotu harmonického zkreslení je třeba se řídit normou IEEE 519 Recommended Practice on Harmonics in Power Systems a normou IEC 1000-4-7. Je harmonické zkreslení natolik závažné, že je nutné snížit výkon transformátorů a dalších indukčních zařízení?

Pohled na harmonické spektrum z FFT nebo DFT může poskytnout vodítko o tom, jaký typ zařízení pracuje v obvodu a zda funguje správně. Pokud je například vysoké procento sudých harmonických, naznačuje to přítomnost půlvlnného usměrnění. Pokud to zařízení v okruhu využívá, pak to může být přijatelná hodnota. Pokud však zařízení obsahuje pouze celovlnné usměrňovače v napájecích zdrojích, může to znamenat, že část obvodu polovodičového můstku nefunguje správně.

Harmonické složky pro vícepólové měniče se obvykle zobrazují jako harmonické páry, h=p*n+/-1, kde h je číslo harmonické, p počet pólů a n je celé číslo od jedné dále. Například šestipólový měnič (třífázový plnovlnný můstkový usměrňovač) by měl harmonické na 5. a 7., 11. a 13., 17. a 19. a tak dále.

Dva další parametry, na které je třeba se podívat, jsou zdroj a impedance zátěže. Impedance zdroje je považována za ekvivalentní impedanci všech impedancí kabeláže a transformátoru (plus jakýchkoli zátěží) při pohledu zpět ke zdroji. Impedance zátěže je zde definována jako ekvivalentní impedance všech zátěží a obvodů odvrácených od zdroje.

Přiměřenou aproximaci těchto hodnot lze odvodit pomocí vzorců uvedených v IEEE Std 1100, Doporučená praxe pro uzemnění a napájení citlivých elektronických zařízení, známé také jako Emerald Book [6]. Na základě Ohmova zákona, který říká, že napětí = proud * Impedance, se impedance zátěže rovná V mezi vodiči děleno I mezi vodiči a neutrály. I když hodnota není přesnou hodnotou, pokud nejsou přítomny signály z celého frekvenčního spektra, je užitečná pro určení vlivu zapínání a vypínání zátěže.

Podobně je impedance zdroje aproximací odvozenou z rozdílu mezi dvěma napětími v různých časech a vydělením této hodnoty rozdílem mezi dvěma proudy současně, neboli (V1-V2)/(I1-I2). To poskytne hodnotu užitečnou pro určení, jak „tuhý“ je zdroj. Lze jej také použít k výpočtu toho, jak silné by došlo k poklesu při zapnutí různých zátěží. Pokud je například impedance zdroje 1 ohm na obvodu 120 Vrms s normální zátěží 10 A, přepnutí zátěže, která má impedanci 11 ohmů, povede k poklesu na 100 V. Hodnoty impedance zdroje vyšší než jeden ohm by měly být prozkoumány.

Pokud použitý analyzátor kvality energie zaznamenává harmonické velikosti a fázové úhly v průběhu času za různých podmínek zatížení, pak lze vypočítat také harmonické impedance. To může být užitečné při identifikaci potenciálních rezonancí s impedancemi systému, jako jsou kondenzátory pro korekci účiníku.

Během období monitorování preventivní údržby je také možné získat údaje o frekvenci výskytu jevů kvality elektrické energie, které nejsou ustálenými stavy, jako jsou poklesy, nárůsty, přechodné jevy a přerušení. Tyto údaje lze porovnat buď přímo se specifikacemi susceptibility, pokud je dodává výrobce zařízení, nebo statisticky porovnat s různými výsledky průzkumů, které byly zveřejněny v posledních letech. Jak analyzovat příčinu poruchy bude popsáno v další části.

V Severní Americe existují tři nedávné studie, které jsou užitečné pro srovnání s tím, co je považováno za „normální“, pokud jde o frekvenci různých typů jevů kvality energie. Průzkum National Power Laboratories (NPL) byl proveden v místě využití, studie Canadian Electric Association (CEA) byla provedena v bodě společného spojení a byl proveden průzkum institutu EPRI (Electric Power Research Institute). na úrovních distribučního napětí. [7] Většina evropských zemí také provedla takové průzkumy, jako je studie Enel v Itálii, studie East Midlands v Anglii a studie IQF ve Francii.

Stručně řečeno, program preventivní údržby může identifikovat parametry, které pravděpodobně povedou k dlouhodobé degradaci systému nebo učiní systém citlivý na jevy kvality napájení, jako je nízké jmenovité napětí sítě, které lze korigovat změnou odbočky transformátoru. S mnoha monitory kvality energie a softwarem dostupným na dnešním trhu takový program nevyžaduje mnoho času ani úsilí uživatele.

SHRNUTÍ

Použití monitoru kvality elektrické energie k provádění průzkumů preventivní údržby a/nebo následných šetření vyžaduje znalost Ohmových a Kirchoffových zákonů. Údaje shromážděné z průzkumu jsou porovnávány s přijatelnými limity, aby se určilo, jaké parametry by mohly ovlivňovat správný provoz zařízení. Pro forenzní vyšetřování je nejprve určen směr jevů kvality energie (zdroj nebo generovaná zátěž). Poté, analyzováním charakteristik napěťových a proudových křivek a jejich porovnáním s těmi, které produkují různé typy zátěží nebo systémových operací, lze zdroj v mnoha případech rychle vystopovat.