Einfache Regeln zur Lösung von Rätseln der Stromqualität

ABSTRAKT

Der typische Problem mit der Stromqualität Es beginnt meist mit einem panischen Anruf beim Betriebsingenieur oder Elektromeister wegen einer Störung, die entweder die Produktion lahmgelegt oder ein Computersystem zum Neustart gezwungen hat. Im Nachhinein sind forensische Untersuchungen wohl der schwierigste Weg, die Ursache eines Problems mit der Stromqualität zu ermitteln. Die Einhaltung einiger einfacher Regeln ermöglicht es den Verantwortlichen jedoch, die meisten dieser Probleme schnell zu beheben. Dazu benötigt man lediglich Grundkenntnisse der Elektrizität und des Zusammenhangs der verschiedenen Parameter bei Änderungen durch Lasten, Netzumschaltungen und andere Einflussfaktoren auf die Stromqualität. Außerdem ist ein Stromqualitätsmonitor erforderlich, der die notwendigen Informationen zuverlässig erfasst.

HINTERGRUND

Die Zunahme von Problemen im Zusammenhang mit der Stromqualität ist bei Vorfällen mit hoher Sichtbarkeit wie den jüngsten Störungen an den Börsen und im Flugsicherungssystem in den Vereinigten Staaten offensichtlich. Für diejenigen, die täglich mit der Stromqualität zu tun haben, ist dies keine Überraschung. Ein wichtiger Faktor ist die zunehmende Abhängigkeit von computergestützten und anderen elektronischen Geräten mit einer geringeren Toleranz gegenüber verschiedenen Arten von Stromqualitätsphänomenen.

Diese erhöhte Anfälligkeit beruht auf einer Reihe von Faktoren, darunter niedrigere Logikspannungspegel, höhere Taktfrequenzen, die Vernetzung von Geräten über LANs und der steigende Anteil nicht-lokaler Geräte.Lineare BelastungEbenso wichtig ist die Umstrukturierung in Industrie-, Gewerbe- und Energieversorgungsunternehmen, die zur Zersplitterung und teilweise sogar zum Wegfall der PQ-Experten innerhalb dieser Organisationen geführt hat. Die Folge ist, dass weniger erfahrene Mitarbeiter mit mehr Problemen konfrontiert werden.

Es gibt zwei unterschiedliche Ansätze zur Lösung von Problemen im Zusammenhang mit der Stromqualität: präventive/vorausschauende Wartung und forensische Untersuchungen. Aufgrund mangelnden Verständnisses und erhöhter Arbeitsbelastung scheinen die nachträglichen Ermittlungen immer noch zu dominieren, obwohl sie eindeutig am schwierigsten zu lösen sind. Bei beiden Ansätzen können einfache Regeln verwendet werden, die zur Lösung der meisten Probleme im Zusammenhang mit der Stromqualität beitragen. Während die komplexeren Ursachen wahrscheinlich das Wissen einer erfahrenen Person erfordern, sind diese Fälle glücklicherweise in der Minderheit.

Bevor auf die einfachen Regeln und Verfahren eingegangen wird, müssen allgemeine Begriffe definiert werden. In Nordamerika ist die wichtigste Quelle hierfür die empfohlene Praxis IEEE 1159 zur Stromqualitätsüberwachung [1]. In Europa sind EN50160 in Verbindung mit den UNIPEDE-Dokumenten zur Spannungscharakteristik gute Quellen. Obwohl beide sehr nützlich sind, verfügt IEEE 1159 derzeit über ausführlichere Definitionen für Netzqualitätsphänomene, sodass diese hier wie in Anhang A definiert verwendet werden.

VORBEUGENDER WARTUNGSANSATZ

Der vorbeugende Wartungs- oder proaktive Ansatz wird von vielen Unternehmen genutzt, um erhebliche finanzielle Belastungen durch Produktivitätsverluste zu verhindern. Unabhängig davon, ob es um die Überwachung der Ausgänge einer USV im Offline-Zustand oder um die Oberschwingungspegel eines Transformators geht, der herabgestuft werden muss, um eine Verkürzung seiner Lebensdauer zu verhindern, ist dieser Ansatz eindeutig die bevorzugte Methode. Allerdings ist die Umsetzung oft schwierig, da viele die Vorteile erst nach Eintreten der Katastrophe erkennen.

Die Durchführung eines vorbeugenden Wartungsüberwachungsprogramms umfasst normalerweise die folgenden Schritte: Planen/Vorbereiten, Prüfen, Überwachen, Analysieren und Implementieren einer Lösung. Dies ist oft ein iterativer Prozess, da die erste Lösung möglicherweise nur einen Teil des Problems entschärft. Eine der schwierigeren Aufgaben für den weniger erfahrenen Menschen ist die Analyse der Daten. Zu den anderen Schritten wurden zahlreiche Artikel verfasst, daher konzentriert sich die folgende Diskussion auf den Analyseschritt. Das folgende vorbeugende Wartungsprogramm konzentriert sich auf stationäre Bedingungen, obwohl viele Regeln auch für intermittierende Bedingungen gelten.

Es wird davon ausgegangen, dass ein Netzqualitätsmonitor verwendet wird, der eine genaue Messung durchführen kann. Um dies zu erreichen, sollte der Monitor in der Lage sein, gleichzeitig RMS-Schwankungen auf Zyklus-für-Zyklus-Basis, Transienten bis zur Mikrosekundenebene und harmonische Verzerrungen mindestens bis zum Vierzigstel zu erfassen. Die Messspannungseingänge sollten hochohmige Differenzeingänge sein, die sowohl in Stern- als auch in Dreieckschaltungen verwendet werden können, ohne symmetrische Bedingungen vorauszusetzen.

Stromwandler sollten über eine ausreichende Bandbreite verfügen, um sowohl stationäre als auch transiente Wellenformen zu erfassen. Dies ist häufig nicht der Fall, wenn Stromwandler an die Sekundärseite von Messstromwandlern angeschlossen werden. Heutzutage werden Spannungstransienten oft durch Überspannungsschutzgeräte begrenzt, so dass die zuverlässige Erkennung von Transienten über die Auslösung und Überwachung von Stromtransienten erfolgt.

Der Überwachungszeitraum sollte mindestens einen Konjunkturzyklus dauern. Ein „Geschäftszyklus“ gibt an, wie lange es dauert, bis die Anlage den Betriebsablauf wiederholt. An Industriestandorten mit drei identischen Schichten an sieben Tagen in der Woche kann die Überwachung nur acht Stunden dauern. Die meisten Einrichtungen werden feststellen, dass ein Geschäftszyklus eine Woche dauert. Aufgrund saisonaler Veränderungen, wie z. B. einer Zunahme der ESD in den Wintermonaten in kälteren Klimazonen, kann es erforderlich sein, die Umfrage mehrmals im Jahr zu wiederholen. Die Überwachung sollte auch an verschiedenen Stellen in der Anlage erfolgen. Typischerweise beginnt die Erhebung am Point-of-Common-Coupling (PCC), also dort, wo der Stromversorger auf den Gebäudeservice trifft. Als nächstes erfolgt die Überwachung an den Verteilertafeln auf jeder Etage, gefolgt von den Steckdosen am Ende jedes Abzweigstromkreises. Daten zu kritischen Lasten in der Anlage sollten ebenfalls enthalten sein. Auch wenn dies wie eine Menge Daten erscheinen mag, werden diese Basisdaten und das Profil der Anlage äußerst hilfreich sein, wenn künftige Störungen auftreten.

Sobald die Daten erfasst wurden, werden sie in der Regel zur Analyse mithilfe von PC-Softwareprogrammen auf Desktop- oder Laptop-Computer übertragen. Grenzwerte für akzeptable Werte finden sich in Veröffentlichungen wie der FIPS PUB 94 – Guideline on Electrical Power for ADP Installations, siehe Anhang B. Lokale Sicherheitsbehörden oder Spezifikationen des Geräteherstellers sollten beachtet werden, insbesondere wenn diese restriktiver sind.

Welche Auswirkungen es hätte, wenn diese Grenzen überschritten würden, hängt von der Anfälligkeit der Ausrüstung, der „Steifheit“ des Stromversorgungssystems und den gleichzeitig vorhandenen anderen Faktoren ab. Dabei handelt es sich nicht um absolute Grenzwerte, sondern um Hinweise, die Fragen aufwerfen. Es wird empfohlen, dass die Neutral-Erde-Spannung in einem einphasigen 120-V-System zwischen 0,5 und 3 Veff liegt. [2] Wenn die Spannung nahe Null Volt liegt, sollte das Vorhandensein einer illegalen Verbindung zwischen Neutralleiter und Erde vermutet werden. Wenn die Spannung sehr hoch ist, sollte darauf geachtet werden, dass kein zuverlässiger Neutral- oder Erdungsanschluss vorhanden ist.

Das Vorhandensein einer Spannungsmodulation (oder -schwankung) kann je nach Modulationsfrequenz zu Lichtflimmern führen. Basierend auf EN60868 kann eine Abweichung von weniger als 1 % bei 9 Hz und Glühlampenbeleuchtung erkennbar sein.[3] In NEMA MG-1 und IEEE Std 112 empfehlen sie eine Leistungsminderung von 10 % eines Elektromotors bei nur 3 % Spannungsungleichgewicht [4,5]. Angesichts der zunehmenden Verbreitung nichtlinearer Lasten wie PCs und Drucker, die häufig ohne Rücksicht auf die Aufrechterhaltung einer ausgeglichenen Belastung in den Einrichtungen platziert werden, ist eine Spannungsunsymmetrie von 3 % keine Seltenheit.

Die Analyse weiterer Parameter ist hilfreich. Die Oberschwingungsverzerrung von Strom und Spannung sollte überprüft werden. Die IEEE-519-Empfehlung zu Oberschwingungen in Stromversorgungssystemen und die IEC 1000-4-7 sollten hinsichtlich der Grenzwerte für einzelne Oberschwingungsamplituden und den Gesamtklirrfaktor herangezogen werden. Ist die Oberschwingungsverzerrung so hoch, dass Transformatoren und andere induktive Geräte leistungsmäßig reduziert werden müssen?

Ein Blick auf das harmonische Spektrum einer FFT oder DFT kann Hinweise darauf geben, welche Art von Ausrüstung in der Schaltung arbeitet und ob sie ordnungsgemäß funktioniert. Wenn beispielsweise ein hoher Anteil gerader Harmonischer vorhanden ist, deutet dies auf das Vorhandensein einer Einweggleichrichtung hin. Wenn die Ausrüstung im Stromkreis dies nutzt, kann dies ein akzeptabler Wert sein. Wenn das Gerät jedoch nur über Vollweggleichrichter in den Netzteilen verfügt, kann dies ein Hinweis darauf sein, dass ein Teil der Halbleiterbrückenschaltung nicht ordnungsgemäß funktioniert.

Die Harmonischen für mehrpolige Wandler werden normalerweise als harmonische Paare angezeigt, h=p*n+/-1, wobei h die harmonische Zahl, p die Anzahl der Pole und n eine ganze Zahl ab eins ist. Beispielsweise hätte ein sechspoliger Wandler (dreiphasiger Vollweg-Brückengleichrichter) Oberwellen an der 5. und 7., 11. und 13., 17. und 19. usw.

Zwei weitere zu berücksichtigende Parameter sind die Quellen- und Lastimpedanz. Als Quellenimpedanz wird die äquivalente Impedanz aller Verdrahtungs- und Transformatorimpedanzen (plus aller Lasten) betrachtet, die zurück zur Quelle gerichtet sind. Die Lastimpedanz ist hier definiert als die äquivalente Impedanz aller Lasten und Stromkreise, die von der Quelle wegschauen.

Eine vernünftige Annäherung an diese Werte kann mithilfe der Formeln abgeleitet werden, die im IEEE Std 1100, „Recommended Practice for the Grounding and Powering of Sensitive Electronic Equipment“, auch bekannt als „Emerald Book“ [6], dargestellt sind. Basierend auf dem Ohmschen Gesetz, das besagt, dass Spannung = Strom * Impedanz ist, entspricht die Lastimpedanz V Leitung-Neutralleiter dividiert durch I Leitung-Neutralleiter. Obwohl der Wert kein exakter Wert ist, sofern keine Signale aus dem gesamten Frequenzspektrum vorhanden sind, ist er nützlich, um die Auswirkung des Ein- und Ausschaltens von Lasten zu bestimmen.

In ähnlicher Weise ist die Quellenimpedanz eine Näherung, die abgeleitet wird, indem die Differenz zwischen zwei Spannungen zu unterschiedlichen Zeiten genommen und dieser Wert durch die Differenz zwischen zwei Strömen zur gleichen Zeit oder (V1-V2)/(I1-I2) dividiert wird. Dies ergibt einen nützlichen Wert zur Bestimmung, wie „steif“ die Quelle ist. Es kann auch berechnet werden, wie stark ein Durchhang beim Einschalten verschiedener Lasten entstehen würde. Wenn beispielsweise die Quellenimpedanz in einem 120-Vrms-Stromkreis mit einer normalen Last von 10 A 1 Ohm beträgt, führt das Einschalten einer Last mit einer Impedanz von 11 Ohm zu einem Abfall auf 100 V. Quellenimpedanzwerte über einem Ohm sollten untersucht werden.

Wenn der verwendete Netzqualitätsanalysator Oberschwingungsgrößen und Phasenwinkel über die Zeit unter verschiedenen Belastungsbedingungen aufzeichnet, können auch Oberschwingungsimpedanzen berechnet werden. Dies kann bei der Identifizierung potenzieller Resonanzen mit Systemimpedanzen, wie z. B. Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren, hilfreich sein.

Während des Überwachungszeitraums der vorbeugenden Wartung ist es auch möglich, Daten über die Häufigkeit des Auftretens von Phänomenen der Netzqualität zu erhalten, die keine stationären Zustände darstellen, wie z. B. Einbrüche, Spannungsspitzen, Transienten und Unterbrechungen. Diese Daten können entweder direkt mit den vom Gerätehersteller bereitgestellten Anfälligkeitsspezifikationen verglichen werden oder statistisch mit den verschiedenen Umfrageergebnissen verglichen werden, die in den letzten Jahren veröffentlicht wurden. Wie die Ursache der Störung analysiert werden kann, erfahren Sie im nächsten Abschnitt.

In Nordamerika gibt es drei aktuelle Studien, die einen Vergleich mit dem ermöglichen, was als „normal“ gilt, was die Häufigkeit verschiedener Arten von Phänomenen der Stromqualität betrifft. Die Umfrage der National Power Laboratories (NPL) wurde am Punkt der Nutzung durchgeführt, die Studie der Canadian Electric Association (CEA) wurde am Punkt der gemeinsamen Kopplung durchgeführt und die Umfrage des Electric Power Research Institute (EPRI) wurde durchgeführt auf den Verteilungsspannungsebenen. [7] Auch die meisten europäischen Länder haben solche Umfragen durchgeführt, etwa die Enel-Studie in Italien, die East Midlands-Studie in England und die IQF-Studie in Frankreich.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorbeugende Wartungsprogramm Parameter identifizieren kann, die wahrscheinlich zu einer langfristigen Systemverschlechterung führen oder das System anfällig für Phänomene der Netzqualität machen, wie z. B. eine niedrige Netznennspannung, die durch einen Transformatorstufenwechsel korrigiert werden kann. Da auf dem heutigen Markt viele Netzqualitätsmonitore und Software erhältlich sind, erfordert ein solches Programm weder viel Zeit noch Aufwand für den Benutzer.

ZUSAMMENFASSUNG

Der Einsatz eines Netzqualitätsmonitors zur Durchführung vorbeugender Wartungsuntersuchungen und/oder nachträglicher Untersuchungen erfordert die Kenntnis der Ohmschen und Kirchhoffschen Gesetze. Die bei der Umfrage gesammelten Daten werden mit akzeptablen Grenzwerten verglichen, um festzustellen, welche Parameter den ordnungsgemäßen Betrieb der Ausrüstung beeinträchtigen könnten. Für die forensische Untersuchung wird zunächst die Richtung der Netzqualitätsphänomene ermittelt (Quelle oder Last erzeugt). Durch die Analyse der Eigenschaften der Spannungs- und Stromwellenformen und deren Vergleich mit denen, die von verschiedenen Arten von Lasten oder Systemvorgängen erzeugt werden, kann die Quelle in vielen Fällen schnell ausfindig gemacht werden.