ABC Jakości zasilania
UWAGA! Przemijające stany przejściowe! Skutki, pomiary, analiza Sonel® Mierzymy globalnie
ABC Jakości zasilania
UWAGA! Przemijające stany przejściowe! Uszkodzenia izolacji! Przebicia kondensatorów! Defekty energoelektroniki!
Czym tak naprawdę są przemijające stany przejściowe? Stany te, powszechnie zwane transjentami, to chwilowe zaburzenia napięcia o znaczących amplitudach, dużych szybkościach narastania oraz krótkim czasie przemijania. Podstawową przyczyną występowania zaburzeń szybkozmiennych jest fakt, że przewody, linie kablowe bądź napowietrzne mają swoją skończoną doskonałość, czyli zaczyna być istotna ich rezystancja, indukcyjność szeregowa, pojemość między poszczególnymi żyłami oraz pojemość do ziemi. Cechy te są bardzo przewidywalne i uwzględniane podczas normalnej transmisji energii elektrycznej z częstotliwością 50 czy 60 Hz. Jednak zaczynają stanowić dużo bardziej zróżnicowaną strukturę, opisywaną w postaci parametrów zastępczych linii długiej dla bardzo szybkich zmian potencjałów, bądź przepływ ładunku elektrycznego. Okazuje się bowiem, że ładunek elektryczny przepływając szybko przez taką wielosegmentową linię długą, będzie pobudzał lokalny wycinek tej linii do własnego życia, czyli do chwilowych zmian napięcia na poszczególnych elementach tej struktury, co będzie widocznym dopełnieniem parametrów podstawowych napięcia i prądu zarówno podczas zasilania urządzeń jak i genera2
cji energii. Zjawiska te mogą mieć kształty pojedynczych pulsów np. 8/20 µs dochodzące do kilku kV, jak ma to miejsce przy wyładowaniach atmosferycznych. Mogą to być również zjawiska rezonansowe o częstotliwościach rzędu 30…200 kHz. Ostatnią cechą charakterystyczną stanów przejściowych jest fakt, że zostały one wywołane jednorazowym „zastrzykiem” energii, która powodując efekty dodatkowe jest systematycznie wytracana, w wyniku czego efekty zaburzeń zanikają. Stąd nazwa stany przemijające.
Transjentami nazywamy chwilowe zaburzenia napięcia o znaczących amplitudach, dużych szybkościach narastania oraz krótkim czasie przemijania.
ABC Jakości zasilania
Trzy przykłady negatywnych skutków stanów przejściowych Pierwszym źródłem występowania transjentów, głównie w napięciu, są zwykle efekty łączeniowe. Dochodzi wówczas do bardzo szybkiego wyrównywania rozkładu ładunków, czyli chwilowego krótkotrwałego przepływu prądu nawet znacznych wartości. Prąd ten powoduje wywoływanie dodatkowych efektów napięciowych, nakładających się na przebieg podstawowy. Podczas
właśnie wartości chwilowe napięć mają istotny wpływ na izolację linii i ewentualne ryzyko przebicia powodującego awarię sieci. W tym przykładzie, przy okazji jest również widoczny drugi stan przejściowy. Załączeniu transformatora trójfazowego towarzyszy krótkotrwały proces przepływu dużych prądów rozruchowych przemagnesowania rdzenia transformatora. Rys. 1b
Rys. 1a
Oscylogramy procesu łączeniowego: a.) napięcia międzyfazowe i prądy fazowe
załączenia transformatora do sieci średniego napięcia 15 kV, można zaobserwować kilka charakterystycznych zjawisk (Rys. 1). W przypadku średniego i wysokiego napięcia procesowi łączenia towarzyszy wyprzedzające przebicie łukowe przed momentem połączenia styków łącznika. Ze względu na duże energie tych zjawisk, procesowi łączeniowemu towarzyszą niebezpieczne zjawiska przepięciowe mierzone względem ziemi. W podanym przykładzie widać, że mogą one znacznie przewyższać amplitudę nominalnego napięcia międzyfazowego 21 kV, dochodząc nawet do -48 kV. W tym przypadku całkowity czas trwania stanu przejściowego efektu łączenia to ok 2µs. Mimo bardzo krótkiego czasu trwania, to
Rys. 1c
Oscylogramy procesu łączeniowego: b.) i c.)
rzeczywiste chwilowe wartości napięć względem ziemi uchwycone szybkim rejestratorem.
Prądy początkowego przemagnesowania rdzenia (Rys. 2a) mogą powodować istotne odkształcenia napięcia (Rys. 2b) oraz wywoływać nieuzasadnione zadziałania zabezpieczeń nadprądowych, przerywających proces normalnego załączenia ze względu na niewłaściwe nastawy. Drugim częstym źródłem przejściowych stanów nieustalonych jest coraz powszechniejsza ener3
ABC Jakości zasilania
Rys. 2
a.) i b.) Przemijające odkształcenia napięcia
wywołane rozruchem transformatora dużej mocy.
goelektronika. Nowoczesne rozwiązania półprzewodnikowe cechuje bardzo duża szybkość łączeniowa wywołująca duże szybkości narastania prądu. Przemijalność w takim przypadku należy rozumieć jako zakłócenie gasnące, jednak powtarzające się przy każdym przełączeniu kluczującym. Ma to miejsce w powszechnie
Rys. 3 Zakłócenia permanentne wywołane kluczowaniem energoelektroniki.
stosowanej metodzie wytwarzania sygnałów analogowych poprzez kluczowanie z regulacją wypełnienia. Wymaga to stosowania właściwie dobranych filtrów EMC po stronie sieci, aby zakłócenia nie przenikały do zasilania (Rys. 3). Częstotliwość kluczowania 3 kHz jest stosunkowo niska i może powodować małą skuteczność filtrów wyjściowych lub w skrajnych przypadkach, 4
ze względów kosztowych nawet ich brak. Zagrożeniem powodowanym przez tego typu zjawiska jest przenoszenie z żył zasilających przez sprzężenia pasożytnicze oraz promieniowanie fal elektromagnetycznych, zakłóceń zaburzających pracę czujników, przetworników, sygnałów sterujących automatyką przemysłową oraz
Rys. 4 Zaburzenia sporadyczne UL1 ok. 460 V.
transmisje informatyczne. Niektóre zakłócenia trójfazowe, nawet występujące sporadycznie, mogą osiągać niebezpieczne wartości względem ziemi (Rys. 4). Innym przykładem niebezpiecznego stanu przejściowego może być załączenie napięcia wyjściowego w zasilaczu rezerwowym UPS dużej
ABC Jakości zasilania
Rys. 5 Niebezpieczne załączenie wyjścia UPS: a.) oscylogram, b.) szybka rejestracja stanów przejściowych (UL3 ok. -580 V).
mocy (Rys. 5). W pierwszych momentach startu potrafią być generowane niebezpieczne stany przejściowe o napięciach względem ziemi (Rys. 5b) dochodzących do 580 V w sieci 230 V.
mijających wywołanych zwarciami na liniach napowietrznych. Przykłady na Rys. 6 do Rys. 8 pochodzą z sieci nn podczas bardzo trudnych warunków atmosferycznych, głównie porywistych wiatrów.
Rys. 6 Zaburzenie kształtu napięcia.
Krótkotrwałe stany przepięciowe stanowią główne zagrożenie dla ochrony przeciwprzepięciowej oraz dla izolacji kondensatorów, powodując w niesprzyjających warunkach przebicia i stany awaryjne. Trzeci przypadek stanów nieustalonych może być zaskakujący, ponieważ dotyczy typowego zasilania niskiego napięcia i zaburzeń prze-
Wyraźny początek i koniec zaburzeń w okolicach szczytu napięcia, może świadczyć o przebiciu izolacji powietrznej przez zbliżający się do linii energetycznej obiekt. Takim obiektem mogą być np. gałęzie drzew. Zjawiska przepięciowe, których wartości chwilowe znacząco przewyższają amplitudę na5
ABC Jakości zasilania
pięcia powinny być w sprawnych instalacjach zasilających, tłumione przez ograniczniki przepięć. Jednak zbyt częste zaburzenia tego typu, szczególnie o dużej energii wyładowań, mogą doprowadzić do „zużycia się” ochronnika wary-
storowego i braku rzeczywistej ochrony przeciwprzepięciowej. Dla tego tak ważne jest wykrywanie i eliminowanie stanów przejściowych, zanim doprowadzą do uszkodzenia systemów ochronnych a w konsekwencji do nieuchronnej awarii.
Rys. 8 Wyładowanie piorunowe na linii nn.
Kilka prostych działań w celu wykonania diagnostyki i pomiaru stanów przejściowych Wymienione cechy, czyli szybkość zmian oraz amplituda powodują, że dysponując typowym analizatorem jakości zasilania może być niemożliwe zarejestrowanie wszystkich zjawisk typu transjent. Podstawowym ograniczeniem jest częstotliwość próbkowania, czyli jak często odczytywane są wartości chwilowe, tworzące zbiór punktów opisujących kształt zaburzenia. Typowe częstotliwości próbkowania analizatorów wahają się w granicach 10…50 kHz co jest niewystarczające do użytecz6
ABC Jakości zasilania
nego zarejestrowania przebiegu zmian przedstawionych w przykładach powyżej. Jedynym pewnym i skutecznym rozwiązaniem jest dodatkowa funkcja sprzętowego rejestratora stanów przejściowych (Transient Recorder), na przykład w analizatorach PQM-703/711. Pozwalają one zapisywać przemijające stany przejściowe z częstotliwością próbkowania do 10 MHz i pasmem 1,6 MHz. Oznacza to, że wyładowanie piorunowe 8/20 µs będzie składało się z 200 wartości chwilowych. Aby zarejestrować stany przejściowe szybkozmienne (transjenty) w analizatorach PQM-703/711 należy: 1. W ustawieniach rejestracji dla napięć aktywować rejestrację zdarzeń transjenty (Rys. 9): a) Rejestracji na zgodność z normą obowiązującą w danym kraju. i. 10 MHz dla wyładowań piorunowych - rejestracja 2 ms przebiegu, ii. 1 MHz dla zakłóceń przemysłowych komutacyjnych – rejestracja 20 ms przebiegu (1 okres), iii. 0.1 MHz dla zjawisk wolnozmiennych – rejestracja 200 ms przebiegu. b) Wybrać oczekiwany próg wyzwolenia rejestracji. c) Włączyć rejestrację oscylogramów i wykresów transjentów. d) W ustawieniach dodatkowych konfiguracji ustawić bufor rejestracji na maksimum. e) Wysłać ustawienia do analizatora. 2. Podłączyć analizator pamiętając o przewodzie PE oraz podłączając przewody pomiarowe napięciowe L1, L2 i L3 3. Przeprowadzić rejestrację (START/STOP). 4. Odczytać dane do analizy za pomocą programu Sonel Analiza. 5. W przypadku problemów z obsługą analizatora skorzystać z pomocy „Szybki Start” oraz „Skróconej Instrukcji Obsługi”.
Rys. 9 Konfiguracja stanów przejściowych (transjentów).
7
ABC Jakości zasilania
Analiza wyników pomiaru stanów przejściowych Po wczytaniu pliku pomiarowego zawierającego rejestrację stanów przejściowych za pomocą programu Sonel Analiza należy: 1. Wybrać zakładkę Zdarzenia i spośród różnych rodzajów zdarzeń wybrać transjenty, 2. Wyszukać na liście zdarzeń interesujące nas zdarzenie i klikając w ikonę oscylogramu otworzyć przebiegi oscylograficzne: a. Okno Oscylogram jest rejestracją napięć i prądów zaburzenia z podstawową częstotliwością próbkowania 10,24 kHz, b. Okno Transjent jest obrazem oscylograficznych napięć względem ziemii z wyższą, wybraną częstotliwością próbkowania. 3. Zmieniając skalę czasu i skalę pionową, można powiększać interesujące fragmenty pomiaru, 4. Ustawiając znaczniki 1., 2., 3. w charakterystycznych miejscach co uwidoczniono na Rys. 1 do Rys. 8. Można więc: a. Odczytać moment czasu i wartość parametru dla każdego z 3 znaczników obrazowanych ikoną koła z numerem, b. Na podstawie wyników różnic można wyznaczyć odstęp czasowy i wartości pomiędzy poszczególnymi punktami tego samego sygnału.
8
Sukces jest wynikiem właściwej decyzji. Mierz globalnie z nami!
Biuro Obsługi Klienta tel. +48 74 85 83 800 www.sonel.pl