Spis treści
- Najważniejsze parametry i typowe zakłócenia jakości energii elektrycznej
- Przyczyny i skutki zakłóceń jakości energii elektrycznej
- Monitorowanie jakości energii elektrycznej – najważniejsze rozwiązania
- Analizatory jakości energii elektrycznej
- Diagnostyka i analiza jakości energii elektrycznej
- Jak zapewnić odpowiednią jakość energii elektrycznej?
Najważniejsze parametry i typowe zakłócenia jakości energii elektrycznej
Jakość energii elektrycznej odnosi się do zgodności napięcia dostarczanego do odbiorców z idealnym wzorcem, który zakłada sinusoidalną falę o częstotliwości i wartości skutecznej odpowiadającej napięciu znamionowemu. W praktyce jednak osiągnięcie takiej doskonałości jest rzadko możliwe. Jakość energii uznaje się za odpowiednią, gdy odchylenia od normy nie mają znaczącego wpływu na stabilność oraz efektywność pracy urządzeń i systemów.
Najważniejszymi parametrami jakości energii elektrycznej, których odchylenia powyżej granicznych wartości znamionowych mogą świadczyć o występowaniu różnych nieprawidłowości, są:
- częstotliwość napięcia zasilającego,
- wartość napięcia zasilającego,
- wahania i odchylenia napięcia,
- asymetria napięcia,
- harmoniczne prądu i napięcia.
Przeczytaj również: Zużycie energii w przemyśle. Na czym polega smart metering?
Problemy z jakością energii elektrycznej mogą dotyczyć różnych parametrów i różne mogą być też ich następstwa. Nie wszystkie też odstępstwa od norm będą od razu skutkować poważnymi problemami. Do typowych zakłóceń w jakości energii elektrycznej, które występują najczęściej, należą:
- przepięcia – nagłe skoki napięcia, które mogą wynikać z wyładowań atmosferycznych lub włączania dużych urządzeń,
- niedobory napięcia (zbyt niskie napięcie) – spadki napięcia, które mogą wystąpić w wyniku przeciążenia sieci, zwarcia lub innych problemów w zasilaniu,
- przerwy w zasilaniu – całkowity brak napięcia, który może prowadzić do przerw w pracy urządzeń i procesów,
- zniekształcenia harmoniczne – powstają w urządzenia, które pobierają prąd o charakterze niesinusoidalnym,
- wahania napięcia – seria szybkich zmian napięcia, które może być wynikiem wahań obciążenia sieci,
- asymetria napięcia – nierównomierności pomiędzy wartościami skutecznymi napięć fazowych,
- stany nieustalone (przejściowe) – chwilowe zmiany napięcia lub prądu, zwykle trwające ułamki sekundy.
Przyczyny i skutki zakłóceń jakości energii elektrycznej
Zakłócenia jakości energii elektrycznej mogą być efektem różnych przyczyn. Można je podzielić na przyczyny związane z systemem elektroenergetycznym i powiązane z odbiornikami prądu. Zła jakość energii elektrycznej może być spowodowana np. przez urządzenia służące do dystrybucji energii (np. przepięcia łączeniowe). Częściej jednak przyczyna leży po drugiej stronie, czyli odbiorników energii elektrycznej. Zakłócenia mogą być wynikiem m.in. dużej liczby podpiętych urządzeń nieliniowych lub niekompatybilnych elektromagnetycznie. Problemy z jakością mogą być również następstwem niskiej jakości instalacji elektrycznej w budynku, a także zjawisk atmosferycznych.
Zakłócenia jakości energii elektrycznej mogą prowadzić do problemów z działaniem podpiętych do sieci urządzeń elektrycznych. W większości przypadków będą to krótkotrwałe przerwy w działaniu, choć już w obiektach przemysłowych nawet takie krótkie przerwy mogą zaburzyć proces przemysłowy. Krótkie przerwy w zasilaniu są również niebezpieczne w przypadku tzw. urządzeń krytycznych. W niektórych przypadkach zbyt wysokie lub niskie napięcie, przepięcia czy harmoniczne mogą prowadzić do uszkodzenia układów elektronicznych, co oznacza konieczność naprawy lub wymiany sprzętu. Urządzenia, które działają w warunkach złej jakości energii, mogą też zużywać więcej energii lub działać mniej wydajnie.
Monitorowanie jakości energii elektrycznej – najważniejsze rozwiązania
Współczesne technologie oferują różne urządzenia i rozwiązania do oceny jakości energii elektrycznej, które pomagają w identyfikowaniu typowych problemów, takich jak wahania napięcia, harmoniczne, przepięcia czy niedobory mocy. W ofercie rynkowej wielu producentów można znaleźć różnorodne produkty, których celem jest monitoring zużycia i jakości energii. Do najpopularniejszych należą:
- inteligentne liczniki energii elektrycznej – poza standardowym pomiarem ilości zużytej energii nowoczesne liczniki coraz częściej oferują również dodatkowe funkcje, w tym m.in. właśnie monitoring jakości dostarczanej energii;
- analizatory jakości energii elektrycznej – urządzenia, które służą do pomiaru i analizy różnych parametrów jakości energii w systemach elektroenergetycznych;
- rejestratory danych – urządzenia przeznaczone do długoterminowego zbierania danych o jakości energii elektrycznej, dzięki temu umożliwiają one dokładne monitorowanie stanu sieci, w tym analizowanie niestandardowych zjawisk elektrycznych, takich jak przepięcia, zaniki napięcia czy zmiany częstotliwości;
- przetworniki prądowe i napięciowe – służą do stałego monitorowania, mierzenia i analizowania jakości prądu płynącego w instalacji elektrycznej.
Analizatory jakości energii elektrycznej
Spośród powyższej grupy urządzeń z pewnością na pierwszy plan wysuwają się analizatory jakości energii elektrycznej. To specjalistyczne i zaawansowane, a jednocześnie kompleksowe rozwiązania, z których korzystają zarówno przedsiębiorstwa energetyczne, jak firmy, w których bardzo ważną kwestią jest zapewnienie odpowiedniej jakości energii elektrycznej. Urządzenia te pozwalają na pomiar wszystkich istotnych parametrów elektrycznych (m.in. napięcia, natężenia, częstotliwości czy mocy biernej i czynnej). Można je jednak wykorzystać także do detekcji i analizy innych zdarzeń, takich jak pomiar harmonicznych napięcia i prądu, analiza migotania światła, pomiar fluktuacji napięcia, a nawet pomiary krótkotrwałych zdarzeń (np. przepięcia czy krótkie przerwy w zasilaniu bądź skoki prądu).
Analizatory jakości energii elektrycznej pozwalają na zapisywanie mierzonych parametrów i przeprowadzanie na tej podstawie dokładniejszej analizy zużycia energii w dłuższym przedziale czasu, a tym samym na skuteczniejsze wykrywanie wszelkich nieprawidłowości. Współczesne analizatory bardzo często są również zintegrowane z systemami zarządzania energią i na bieżąco się z nimi komunikują, umożliwiając zdalne monitorowanie energii elektrycznej i szybsze podejmowanie odpowiednich decyzji.
Przeczytaj również: Hale przemysłowe – jak zapewnić bezpieczeństwo energetyczne?
Analizatory umożliwiają ocenę parametrów sieci elektrycznej zgodnie z obowiązującymi normami. Do najważniejszych norm z tego obszaru należą:
- norma PN-EN 50160:2023-10 – „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych”;
- norma IEEE 519-2014 ustanawia kryteria zniekształceń harmonicznych napięcia i prądu w projektowaniu systemów elektrycznych;
- norma IEC 61000-4-30 definiuje metody pomiaru, agregację w czasie, dokładność i sposób oceny w odniesieniu do każdego parametru jakości energii, dzięki czemu można uzyskiwać rzetelne, powtarzalne i porównywalne wyniki;
- norma IEC 62586 definiuje minimalny zestaw parametrów, które muszą zostać wdrożone w przyrządach do pomiaru jakości energii elektrycznej stosowanych zarówno w odniesieniu do wyposażenia przenośnego, jak i stacjonarnego;
- norma IEC 62586-1 określa wymagania dotyczące parametrów jakościowych zasilania dla przyrządów pomiarowych;
- norma IEC 62586-2 jest normą dotyczącą bezpieczeństwa elektrycznego urządzeń elektrycznych.
Na rynku dostępne są bardzo różne analizatory, które mogą się różnić pod wieloma względami. Wyróżniamy m.in. analizatory klasy B (basic – do pomiarów podstawowych parametrów elektrycznych), S (survey – do pomiarów statystycznych) i A (advanced – do najbardziej zaawansowanych pomiarów). Występują analizatory do pomiarów w 1-fazowych i 3-fazowych sieciach, analizatory stacjonarne (do stałych pomiarów sieci w jednym miejscu) i przenośne (do pomiarów w różnych miejscach zależnie od potrzeb). Do pracy w trudnych warunkach przemysłowych służą urządzenia, które są odporne na niekorzystne warunki środowiskowe.
Diagnostyka i analiza jakości energii elektrycznej
Żeby przeprowadzić pełną analizę jakości energii, należy zacząć od podstawowego pomiaru parametrów elektrycznych, takich jak napięcie, prąd, moc czynna, bierna i pozorna, a także współczynnik mocy i częstotliwość. Te dane pozwalają ocenić ogólną kondycję zasilania i jego zgodność z normami.
Kolejnym istotnym krokiem jest badanie parametrów harmonicznych, które może ujawnić zniekształcenia napięcia i prądu. Zniekształcenia te, wynikające z działania niektórych urządzeń elektronicznych, mogą mieć poważny wpływ na funkcjonowanie innych sprzętów w budynku. Warto także uwzględnić detekcję krótkotrwałych zdarzeń, takich jak przepięcia, spadki napięcia czy zakłócenia w postaci nagłych skoków prądu, które mogą uszkodzić wrażliwe urządzenia.
Monitoring fluktuacji napięcia w czasie jest kolejnym kluczowym aspektem. Zmiany w poziomie napięcia mogą prowadzić do problemów z urządzeniami, zwłaszcza tymi wymagającymi stabilnego zasilania, jak sprzęt medyczny czy systemy komputerowe. Dodatkowo analiza migotania, które jest często związane z fluktuacjami napięcia, pozwala zapobiegać problemom wizualnym i zapewnia komfort pracy w biurach czy innych przestrzeniach użytkowych.
Nowoczesne analizatory energii elektrycznej oferują również możliwość długoterminowego monitorowania jakości energii. Dzięki zapisanym danym możliwe jest przeprowadzenie dokładnej analizy w późniejszym czasie i diagnozowanie ewentualnych problemów. Raporty generowane przez te urządzenia mogą być wykorzystywane do oceny zgodności jakości energii elektrycznej z obowiązującymi normami.
Jak zapewnić odpowiednią jakość energii elektrycznej?
Żeby wyeliminować problemy z jakością energii w budynkach, warto nie tylko zoptymalizować samą instalację elektryczną, ale również dobrać odpowiednie urządzenia. Istnieje kilka rodzajów urządzeń, które mogą ograniczyć występowanie typowych problemów z jakością energii elektrycznej.
Aby wyeliminować większość problemów, powszechnie stosuje się filtry harmoniczne. Filtry te eliminują lub redukują zniekształcenia sygnału elektrycznego, zapewniając czystsze i bardziej stabilne zasilanie.
Kondensatory lub kompensatory mocy biernej to urządzenia, które pomagają utrzymać odpowiedni poziom mocy biernej, co zwiększa efektywność systemu energetycznego. Instalacja takich urządzeń pozwala na optymalizację współczynnika mocy, a tym samym zmniejsza zużycie energii i obniża rachunki za prąd.
W przypadku problemów z niestabilnym napięciem, takich jak wahania, przepięcia czy spadki napięcia, stosuje się stabilizatory napięcia i zasilacze UPS. Stabilizatory napięcia utrzymują stały poziom napięcia w sieci, zaś UPS-y zapewniają ciągłość zasilania w przypadku przerwy w dostawie energii.
Przeczytaj również: Jak dobrać i poprawnie zainstalować właściwy ogranicznik przepięć, aby zapewnić wymagany poziom ochrony przepięciowej instalacji elektrycznej?
Zastosowanie ekranów elektromagnetycznych i uziemienie urządzeń może pomóc w zminimalizowaniu wpływu zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą zaburzać jakość energii. W przypadku urządzeń o dużym poborze mocy stosuje się specjalne układy odfiltrowujące, które minimalizują emisję zakłóceń.
Regularne monitorowanie jakości energii elektrycznej jest podstawą utrzymania wysokiej efektywności instalacji elektrycznych w każdym typie budynku. Jednocześnie pozwala chronić urządzenia elektryczne przed uszkodzeniami, jakie mogą być następstwem np. przepięcia, niedoborów napięcia czy szumów w zasilaniu.
Źródło: Jakość energii elektrycznej – jak wykrywać i eliminować problemy?
