Nepředvídatelné události v průmyslu a fotovoltaice

Přechodné jevy a krátké odchylky v napájení elektrických soustav nelze měřit tradičním nepřetržitým způsobem, protože se vyskytují jen jako krátkodobé, a ve většině případů s dlouhým časovým odstupem. Zaznamenávání událostí na elektrické síti je totiž založeno na požadavcích normy EN50160 či její podnikové verze, kterou určuje distribuční společnost. Tato norma je však určena právě pro distribuci energie a malé odchylky, kritické pro výpadky výrobních prostředků, jsou pro ně irelevantní. Nicméně, tyto jevy, které především vznikají uvnitř instalace průmyslového závodu, ale nejen tam, jsou pro jeho provoz zásadní.

Například motor velkého výkonu způsobí během spouštění velký pokles napětí, a ovlivní tak všechna další připojená zařízení. Reklamace je ve většině adresována energetické společnosti. Ta však měří napětí v rozvodně. Jednak všechny události ověřuje podle normy tak, že ve většině případů rychlé události vůbec na svých zařízeních nezaznamenala, a jednak mezi distribuční sítí a sítí závodu je transformátor přes který by se, při správných poměrech na síti, vůbec neměly žádné jevy z vnitřní sítě závodu zpět na distribuční soustavu přenést. Dalším důvodem „nezachycení” mnoha událostí je, že metodika měření pro vyhodnocování dle EN50160 předepisuje průměrování před 10 period, tedy 200 ms. Při tomto průměrování reálné hodnoty zaniknou nebo jsou významně zkresleny (obr. 1). Proto používání „standardních“ monitorů kvality sítě v průmyslové oblasti pro zachycení podstatných událostí, jejich vyhodnocení a následné odstranění jejich příčin je zcela bezúčelné. Jednodušeji, jsou to vyhozené peníze.

Nepřetržitý záznam všech jevů na síti metodou perioda po periodě je tak jedinou metodou k zachycení události nebo k analýze problémů nebo jevů. Je téměř nemožné nebo nesmírně nepohodlné zachytit událost nebo je analyzovat jiným způsobem.

V následujících několika reálných příkladech ukážeme, jak je důležité monitorovat a zaznamenávat kvalitu sítě vysokou rychlostí bez nastavování rozhodovacích úrovní a s vysokým rozlišením až na periodu signálu.

Svařujeme karoserii auta

Obrázek č. 2 poskytuje obecný přehled o kolísání napětí ve svařovně automobilového závodu. Během těchto 20 minut napětí rychle kolísalo na -15 % od jmenovité hodnoty. Nastavením prahových hodnot na +/- 10 % podle požadavků normy povede při vysokém počtu událostí překročení k zaplnění paměti běžného přístroje. Kontinuální měření a záznam po dlouhou dobu je možné přístroji Elspec řady G44XX, které využívají kompresní bezeztrátovou metodu PQZIP a současně umožňují zobrazovat detaily záznamu, viz obr. 3. Takto je pak možno zkoumat intenzitu špiček změn napětí způsobených současným bodovým svařováním. Pokles pod určitou úroveň může způsobí vážné škody v podobě nekvalitních svarů či výpadků výrobních linek a robotů. Díky znalosti této situace je možné navrhnout řešení nápravu omezením špičkových proudů využitím kompenzačních systémů, například Elspec Equalizer, které pracují v reálném čase, a odstraňují tak rychlé poklesy napětí.

To nám to hezky bliká, viďte pane Stejskale!

V následujícím příkladu si zákazník stěžoval, že mu blikají světla v závodě. Bylo vhodně rozhodnuto provést audit elektrické sítě, což pro vyšetřování této situace obnášelo dočasnou instalaci analyzátoru kvality energie Elspec G4500 využívající metodu PQZIP na dobu 1 týdne. Obrázek č. 4 poskytuje obecný pohled na RMS napětí při rozlišení 1 perioda a hodnoty flickeru PST po dobu delší než 8 dnů. Neočekávaně však byly hodnoty PST v povoleném rozsahu.

Obrázek č. 5 níže ukazuje hodnoty harmonického zkreslení napětí (THD V červený rámec) a 7. Harmonickou (zelený rámec) při rozlišení 1 cyklus. Graf jasně ukazuje, že tvar jak THD V, tak i 7. harmonické je stejný. Obrázek 6 je detailem okamžiku, kdy je aktivní 7. harmonická. Ukazuje se tedy, že průměrování harmonických hodnot přes interval 10 minut, jak to požaduje norma, funguje jako "filtr“ a skrývá rychlejší události. Tedy při vyhodnocení takovéto situace přístrojem založeným na postupech daných normou nebylo a není možné takovouto situaci odhalit. Obrázek 7 jasně znázorňuje průběh vlny způsobené 7. harmonickou.

Po provedené analýze důvodem pro vysokou 7. harmonickou byla částečná rezonance v síti blízko k 7. harmonické, ke které docházelo po připojení některé kondenzátorové banky v kompenzátoru. Důvodem, proč nešlo čistě o sedmou harmonickou, bylo to, že k dané síti byla připojena malá vodní elektrárna, která generovala harmonické. Generátor v této elektrárně byl asynchronní generátor, a když rotor byl ve skluzu s frekvencí napětí 50 Hz 7. harmonická od rotoru se stávala inter harmonickou v blízkosti 7. harmonické. Bez moznosti dlouhodobého záznamu perioda po periodě a možnosti získat i detailní data až na úroveň délky periody, by nebylo možné toto zjištění učinit a provést nápravu.

Kde slunce nesvítí, energie nevzniká

Tento příklad ilustruje vliv generovaného výkonu (kW) na úroveň napětí v 50kW fotovoltaickém systému připojeném k síti nízkého napětí. Denní kolísání výkonu a napětí jsou zobrazeny na obr. 8 a je možné pozorovat, že od 11:45 do 12:50 dochází k mnoha výkyvům energie.

Pro lepší pochopení situace je na obr. 9 větší detail změny v délce 5 minut.

Když je napětí v rozmezí od 250,2 V do 250,6 V, výkon měniče klesá ze 41 kW na 28 kW a v důsledku toho se napětí snižuje o 1,7V. Po uplynutí jedné minuty se měnič znovu rozběhne a napětí se zvýší. Po dosažení napětí až 250,2 V, výkon okamžitě klesne na 28 kW. Pro lepší pochopení procesu těchto změn, byl záznam zvětšen na detailní okno 9 sekund, které je na obr. 10. Analýzou souvislostí tak bylo odhaleno, že tvar napětí a výkon je způsoben poruchou měniče fotovoltaického systému.

Uvedené příklady bylo možné zachytit jen díky schopnostem analyzátorů Elspec, které umožňují nepřetržitý záznam 4 napětí a 4 proudů se vzorkovací rychlostí až 1024 vzorků za periodu s vysokým rozlišením 16-24bitů. Díky tomu jsou schopny zachytit i krátké přechodné děje bez nutnosti nastavování jakýchkoliv rozhodovacích hodnot, a kdykoliv z jakkoliv dlouhého záznamu zobrazit detail až na úroveň jednotlivých vzorků. Ukládání obrovského množství dat získaných při takovém záznamu je řešeno jejich bezeztrátovou kompresí. Není však použit běžný způsob komprese dat známý z PC techniky, ale je použita již zmíněná speciální patentovaná bezztrátová metoda PQZIP společnosti ELSPEC. Tímto způsobem je možné zaznamenat do paměti 16 GB až celý 1 rok záznamu s minimálně 8 kanály a provést kdykoliv zobrazení kteréhokoliv úseku analyzovaných dat až na úroveň jednotlivých vzorků (obr. 11).

Pro praktické použití při monitorování kvality elektrické energie, jsou přístroje koncepčně řešeny jak pro „on-line“ měření a zobrazení naměřených údajů (webový server), tak i podrobnou kvalitativní analýzu off-line. Celkem je možné zobrazit až 5 000 parametrů sítě s využitím intuitivního prostředí PC software PQ SCADA Sapphire (obr. 12). Lze tak vybudovat centralizovaný monitorovací systém, který zajistí podrobný přehled o stavu distribuční sítě VN i VVN v zemi, nebo sítě závodu v průběhu času pro získání podrobných informací o stavu zařízení a jejich zdraví (obr. 13).

Další podrobnosti o systémech kvality sítě Elspec lze získat od zástupce pro ČR a SR, společnosti Blue Panther s.r.o. (www.blue-panther.cz) Tato společnost dodává i „Hloubkové audity kvality sítě“, z jejichž reálná měření jsou uvedena výše jako příklady.

Autor článku Jaroslav Smetana

Fotografia