Jak na měření kvality elektrické energie?

Se stoupající komplexností průmyslových systémů již dnes jsou některé části průmyslových podniků velmi citlivé na parazitní jevy na napájecí elektrické síti a náchylné tak ke kolapsu.

Nové výrobní systémy s vysokým stupně autonomie, které se v rámci Industry 4.0 připravují, budou ještě mnohem více využívat počítačové systémy zpracovávající obrovské množství dat získávaných z každého kroku výrobního procesu a zpětně je využívat k inteligentní optimalizaci výroby ve snaze minimalizovat účast člověka na vlastní výrobě i jejím řízení.

Touto automatizací vznikají velmi komplexní systémy obsahující jak obrovské množství počítačových systémů i výkonové elektroniky pohonů a dalších prvků provádějící vlastní elektrickou a mechanickou práci. Proto stále stoupá potřeba mít v závodě kvalitní elektřinu, která nebude ovlivňovat provoz technologie. Stoupají tím i nároky na sledování kvality elektrické energie a jejího vlivu na výrobní systémy.

Častý omyl

Většina pracovníků současných podniků se bohužel stále mylně domnívá, že se mohou spolehnout na dodavatele elektřiny, a jeho měření, nebo sledovat kvalitu elektrické sítě v závodě podle limitů normy ČSN EN 50160. Nechávají si instalovat monitorovací zařízení všech možných renomovaných výrobců, kteří deklarují, jak jejich přístroje a systémy vyhovují všem požadavkům této normy a přitom netuší, že tato norma je určena pro potřeby ověření kvality elektrické energie na straně dodavatele, tedy na straně odběrného místa, což je pro většinu podniků zcela k ničemu. Informace od distributora, že kvalita sítě na odběrném místě je vyhovující neposkytuje totiž téměř žádnou informaci o kvalitě elektřiny na straně podniku. Finanční ředitel nebo manažer údržby tak investuje nemalé prostředky a vyhazují peníze z okna. Situaci pak podporují i některé elektrotechnické firmy, které díky neodbornosti svých pracovníků většinou také netuší, že pro potřeby sledování kvality elektřiny instalují nevhodná zařízení. A to je první špatná zpráva.

Nefungující norma?

Většina dnešních spotřebičů nejen v průmyslových závodech je nelineárních a zavádí do sítě harmonické složky. Stále přibývá řízených pohonů všech výkonů, výkonových regulátorů atd. i zdroje počítačových systémů, datových center, UPS atd. do elektrické sítě závodu zanášejí také velké množství rušení. Odběry moderních technologií jsou velmi dynamické a vytvářejí kmitání napětí, napěťové poklesy a překmity i impulzní špičky.

Druhou špatnou zprávou je, že norma EN 50160, podle kterých většina dnešních energetiků v podnicích hodnotí kvalitu elektřiny uvnitř závodu, je z hlediska „sledovaných“ parametrů sítě zcela nevhodná, protože přehlíží drtivou většinu rušivých jevů na síti. Navíc měření a vyhodnocování podle této normy postihuje pouze jevy napěťové a nezajímá se vůbec o to, jak vypadají proudy protékající síti, které jsou ovlivňovány zátěžemi připojených zařízení.

Proč to nefunguje?

Vyhodnocování kvality s využitím ČSN EN 50160 je postup, kterým jsou parametry sítě vyhodnocovány příslušnými přístroji. To jak jsou parametry měřeny určuje především norma EN 61000-4-30, která krom jiného určuje, že efektivní hodnota napětí je průměrována přes 10 period síťového kmitočtu. Na obr. 1 je jako příklad znázorněn krátkodobý pokles napětí na hodnotu pod 100 V, který se projeví skutečně na svorkách strojů v dané síti – zelená stopa, a oranžový průběh ukazuje co naměří přístroj vyhodnocující dle normy EN 61000-4-30. Krom toho, že není zachycen skutečný tvar poklesu napětí i jeho velikost neodpovídá skutečné velikosti této události. Bohužel zařízení připojené k této síti je ovlivněno skutečným poklesem, a ne virtuální hodnotou napětí, která byla vypočtena. Toto jen malý příklad toho, jak zavádějící informace mohou být získávány při používání přístrojů vyhodnocujících dle ČSN EN 50160 pro představu o vlivu sítě na výrobní zařízení. A to byla třetí a poslední špatná zpráva.

Pohled musí být komplexní

Kvalita elektrické energie není jen o poklesech napětí, ale představuje řadu parametrů, které různým způsobem ovlivňují hladký provoz připojených zařízení, jejich životnost i efektivitu. Důsledky nekvality elektrické energie jsou výpadky výroby, snižování životnosti zařízení, růst nákladů na údržbu, snížená kvalita výrobků i energetické ztráty. Vše tedy vede k finančním ztrátám.

Jak vidno, kvalitní elektrická energie je stejně zásadním faktorem pro výrobu jako ostatní suroviny, a i tak je třeba na ni pohlížet. Pro kontrolu kvality vstupních surovin, materiálů a komponentů má každý výrobní podnik běžně vybudovaný systém kontroly kvality. Na elektřinu se však většina podniků zatím dívá jako na něco daného automaticky, nanejvýše se pokouší ji ověřovat, bohužel většinou nevhodně, v blahé naději, že má vše pod kontrolou. Pro představu o skutečném stavu kvality elektřiny je však třeba měřit, zaznamenávat a vyhodnocovat skutečný fyzický, tedy reálný stav napětí a proudu.

Jak zaznamenat, a hlavně uložit reálná data?

Pro tento účel by bylo možné použít metodu přímého digitálního záznamu průběhu napětí a proudů dostatečně vysokou vzorkovací rychlostí. Problém však je s množstvím dat. Pro dobrou přesnost měření bez ztráty detailů je třeba alespoň 1024 vzorků na jednu periodu 50 Hz. Při 8 vstupech získáme cca 800 MB dat za jeden den záznamu. To, kromě obrovského množství dat pro jedno měřicí místo přináší i problém rychlého vyhledávání detailů v takovém záznamu. Přístroje „klasické“ konstrukce, aby ušetřily místo v paměti, měří pouze v případě překročení nastavených limitů a událost uloží do paměti. Limity však nevyhodnocují z fyzické velikosti například napětí, ale z předem přepočteného průměru přes 10 period, jak je uvedeno na obr.1.  

Pro uložení velkého množství naměřených dat přichází na řadu patentované kompresní technologie. Například Firma Elspec tento problém vyřešila pomocí speciálního bezeztrátového kompresního algoritmu PQZIP, který zajistí kompresní poměr 1000:1, při jehož použití je možné rok záznamu včetně časových značek a dalších údajů uložit do prostoru 8 GB. Měřící přístroje Elspec tak na rozdíl od všech ostatních řešení mohou nepřetržitě ukládat vše, co se na sítí v daném místě děje. Měření všech napětí a proudů vzorkovací rychlostí až 1024 vzorků za periodu metodou perioda po periodě bez jakéhokoliv průměrování. Takto získaná data jsou nepřetržitě komprimována a ukládána do vnitřní paměti přístroje pro další zpracování.

V současné době dodává Elspec řadu pevných monitorů Elspec BlackBox G44XX využívajících tuto technologii, kde se jednotlivé modely řady liší velikostí paměti pro ukládání dat (G4410 – paměť na 5 – 7 dnů, G4420 na měsíc a G4430 na 1 rok záznamu). Mechanické provedení všech modelů je stejné a je patrno z obr. 2. Dále pak přenosné monitory řady G4500 s 10 vstupy (8 AC + 2 DC) (obr. 3). Všechny tyto přístroje jsou podporovány softwarovým balíkem PQSCADA Sapphyre (obr. 4). Poslední novinkou je přenosný monitor pro analýzu kvality elektrické energie Elspec PureBB (obr. 5).

Jaroslav Smetana

Odborník na elektrickou energii s 25 lety praxe a ředitel společnosti Blue Panther.

O společnosti Blue Panther

Společnost Blue Panther s 20. letou tradicí je předním odborníkem na elektrickou energii a poskytuje nejen výrobním podnikům auditorskou a konzultační činnost v otázkách kvality elektrické energie a její spotřeby. Prostřednictvím svých certifikovaných odborníků s dlouholetými zkušenostmi a vyškolených specialistů analyzuje aktuální situaci, vyhledává příčiny problémů dané kvalitou elektrické energie a navrhuje škálu možných řešení. Vše s cílem zajištění ekonomického přínosu a úspor pro podnik.

Své praktické zkušenosti společnost dlouhodobě udržuje a získává i prostřednictvím dodávek profesionálních měřicích přístrojů a poskytování souvisejících odborných služeb, jako jsou záruční a pozáruční servisní středisko a školicí středisko pro zvyšování kvalifikace. Společnost je též zřizovatelem a provozovatelem certifikované kalibrační laboratoře.

Od roku 2015 je též držitelem certifikátu ISO 9001:2015 pro dodávky a servis měřicí techniky.

Reklamy