A szabványoknak megfelelő teljesítményminőségi mérések fontossága

Teljesítményminőség-felügyelet 1. rész

Ez a cikk a teljesítményminőségi (PQ) mérések fontosságát tárgyalja a mai elektromos infrastruktúrában, és áttekinti a PQ-monitorozás alkalmazási területeit. Kitér a teljesítményminőségre vonatkozó IEC-szabványra és annak paramétereire. Végül összefoglalja az A és S osztályú teljesítményminőség-mérők közötti legfontosabb különbségeket. A következő cikk a „Hogyan tervezzünk a szabványoknak megfelelő teljesítményminőség-mérőt?” témakörben ajánlott megoldásokat mutat majd be.

A teljesítményminőség mérésének szükségessége a mai elektromos infrastruktúrában

A változó energiatermelési módok és a fogyasztás dinamikája miatt az energiaellátás minősége ismételten nem kis érdeklődésre tart számot. A különböző feszültségszinteken működő megújuló energiaforrások példátlan mértékű növekedése megnövelte a PQ-val kapcsolatos kérdések számát is. A fogyasztási szokások is nagymértékben átalakultak a hálózat több belépési pontján és feszültségszintjén hozzáadott szinkronizálatlan terhelések miatt. Példának tekinthetők erre az elektromos járművek (EV) töltői, amelyek több száz kilowattot is igényelhetnek, valamint a nagyszámú adatközpont és a hozzájuk kapcsolódó berendezések, például a fűtés, a szellőzés és a légkondicionálás, továbbá az ipari alkalmazásokban az ívkemencék – amelyek változó frekvenciájú meghajtókkal, kapcsoló transzformátorokkal stb. működnek, és nemcsak sok nem kívánt felharmonikust adnak a hálózathoz, hanem felelősek a feszültségesésekért, a túlfeszültségekért, az átmeneti áramkimaradásokért és a villódzásért is.

1. ábra Teljesítményminőségi problémák

 
A közüzemi térben a teljesítményminőség határozza meg a fogyasztó számára szolgáltatott hálózati feszültség minőségét. A szolgáltatás minőségét a nagyságra, a fázisra és a frekvenciára vonatkozó előírások sora határozza meg – a definíció szerint azonban a feszültséget és az áramot is jelöli. Míg a feszültség a termelési oldalról könnyen felügyelhető és alakítható, addig az áramot nagyrészt a fogyasztói felhasználás szabályozza. A PQ-kérdések megfogalmazásai és következményei a végfelhasználóktól függően meglehetősen széles körűek.
A rossz PQ gazdasági hatását az elmúlt években kiterjedten tanulmányozták, és a veszteségek becslések szerint több milliárd dollárra rúgnak. Mindezen tanulmányok arra a következtetésre jutottak, hogy a villamos energia minőségének ellenőrzése közvetlen hatással van számos üzleti ágazat gazdasági eredményeire. Bár egyértelmű, hogy a rossz PQ negatívan hat az üzleti élet gazdaságosságára, ennek hatékony, eredményes és méretarányos nyomon követése nem könnyű feladat. Egy létesítményben a PQ monitorozása magasan képzett személyzetet és drága berendezéseket igényel, amelyeket az elektromos rendszer több pontján hosszú vagy meghatározatlan időre szükséges telepíteni.

A teljesítményminőség-felügyelet alkalmazási területei

Az energiaellátás minőségének nyomon követése egyes üzleti ágazatokban gyakran költségmegtakarítási stratégiának, míg máshol a működés szempontjából kritikus tevékenységnek számít.
A 2. ábra szerint a villamos energiára épülő infrastruktúra széles skáláján felmerülhetnek áramminőségi problémák. Amint azt később tárgyaljuk, a teljesítményminőség-ellenőrzés egyre elengedhetetlenebbé válik az olyan üzleti ágazatokban, mint az elektromos áramtermelés és -elosztás, az EV-töltés, gyárak és adatközpontok üzemeltetése.

2. ábra A termelés és a fogyasztás fokozódó dinamikája az elektromos infrastruktúrában áram-minőségi problémákhoz vezethet

Villamosenergia-szolgáltató vállalatok, villamosenergia-szállítás és -elosztás

A közműszolgáltatók a fogyasztókat elosztórendszereken keresztül szolgálják ki, amelyekhez erőművek tartoznak, illetve olyan alállomások, amelyeknél a villamos energia átvitele vezetékeken keresztül történik. Ezen átviteli vonalakon keresztül szolgáltatott feszültséget az alállomási transzformátorok alacsonyabb szintre csökkentik, amelyek bizonyos felharmonikusokat vagy inter­harmonikusokat visznek be a rendszerbe. Az elosztórendszerekben a harmonikus áramok harmonikus torzítást, alacsony teljesítménytényezőt és további veszteségeket, valamint az elektromos berendezések túlmelegedését okozhatják, ami a berendezések élettartamának csökkenéséhez és a hűtési költségek növekedéséhez vezet. Az alállomási transzformátorok által kiszolgált nemlineáris egyfázisú terhelések deformálják az áram hullámformáját. A nemlineáris terhelések kiegyensúlyozatlansága a teljesítménytranszformátorok további veszteségeihez, a nullpontok további terheléséhez, a kis teljesítményű megszakítók váratlan működéséhez és az elfogyasztott villamos energia helytelen méréséhez vezet. A 3. ábra szemlélteti e nemlineáris terhelések hatását.
A szélgenerátorok és a napelemes (PV) rendszerek által a hálózatba táplált villamos energia szintén számos áramminőségi problémát hordoz.
A szélgenerátorok esetében további probléma a szél szakaszossága, amely harmonikusokat és rövid idejű feszültségingadozásokat okoz. A napelemes rendszerek inverterei olyan zajt keltenek, amely feszültségtranzienseket, torzított harmonikusokat és rádiófrekvenciás zajt okozhat a nagy sebességű kapcsolás miatt, amelyet általában a begyűjtött energia hatékonyságának növelése érdekében használnak.

3. ábra A nemlineáris terhelés által generált áramfelharmonikusok hatása

EV-töltők

Az elektromos járműtöltők többféle teljesítményminőségi kihívással is szembesülhetnek, mind a hálózatra küldött, mind a hálózatról érkező teljesítmény tekintetében (lásd a 4. ábrát). Az energiaelosztó vállalat szempontjából az EV-töltőkben használt teljesítményelektronikai alapú átalakítók harmonikus és inter­harmonikus felharmonikusokat bocsátanak ki. A nem megfelelően megtervezett átalakítókkal rendelkező töltők egyenáramot (DC) táplálhatnak. Ezen túlmenően a gyors EV-töltők gyors feszültségváltozásokat és feszültségvillogást vezetnek be a hálózatba. Az EV-töltő oldalán az átviteli vagy elosztórendszerek hibái feszültségeséshez vagy a töltő ellátási feszültségének megszakadásához vezetnek. A feszültségnek az EV-töltő tűréshatárától való csökkenése az alulfeszültség-védelem aktiválódásához és a hálózatról való lekapcsolódáshoz vezet (ami nagyon rossz felhasználói élményt eredményez).

4. ábra Az EV-töltők áramminőségi problémái

Gyárak – Üzemek

Az Electric Power Research Institute (EPRI) jelentése szerint az áramellátás ingadozásai és a feszültségzavarok által okozott áramellátási problémák évente mintegy 119 milliárd (USA) dollárba kerülnek az Egyesült Államok ipari létesítményeinek. Emellett az European Copper Institute szerint az Európai Unió 25 államában évente 160 milliárd dollárnak megfelelő összegű pénzügyi veszteséget okoznak a különböző áramellátási problémák. Ezek a számok a későbbi leállásokhoz és termelési veszteségekhez, valamint a szellemi termelékenység csökkenésének megfelelő veszteségekhez kapcsolódnak.
A teljesítményminőség romlását általában az ívkemencék és az ipari motorok időszakos terhelése és terhelésváltozása okozza. Az ilyen zavarok ingadozásokat, leeséseket, harmonikus torzulásokat, megszakításokat, villódzást és túlfeszültségeket okoznak. Ahhoz, hogy ezeket a zavarokat egy üzemi létesítményen belül észlelni és rögzíteni lehessen, a villamos létesítmény több pontján vagy még jobb esetben a terhelés szintjén, szükséges egy teljesítményminőséget figyelő berendezés. Az új Ipar 4.0 technológiák megjelenésével a terhelésen történő teljesítményminőség-ellenőrzés ipari fogyasztásmérőkkel vagy almérőkkel oldható meg, amelyek átfogó képet adnak az egyes fogyasztókhoz szállított energia minőségéről.

Adatközpontok

Jelenleg a legtöbb üzleti tevékenység valamilyen módon az adatközpontoktól függ az e-mail, az adattárolás, a felhőszolgáltatás stb. biztosításában. Az adatközpontok magas szintű, tiszta, megbízható és szünetmentes áramellátást igényelnek. A PQ-felügyelet magas minősége segít a vezetőknek megelőzni a költséges kieséseket, és segít a berendezések karbantartásának, illetve a tápegységek (PSU) problémái miatt szükséges cseréjének kezelésében. A szünetmentes tápellátó rendszerek (UPS) beépítése az áramelosztó rackegységekbe (PDU-k) egy újabb ok arra, hogy az adatközponton belüli IT rackeket PQ-felügyelettel egészítsék ki. Ez az integráció láthatóvá teheti az áramellátási problémákat a tápegységek szintjén.
Az Emerson Network Power által készített jelentés szerint az UPS-rendszerek – az UPS-ek és az akkumulátorok – meghibásodása az adatközpontok nem tervezett kieséseinek elsődleges oka. A bejelentett kiesések mintegy harmada közel 250 000 dollárba kerül a vállalatoknak. Az UPS-rendszereket minden adatközpontban használják a tiszta és szünetmentes áramellátás biztosítása érdekében. Ezek a rendszerek elszigetelik és enyhítik a közüzemi oldalról érkező áramellátási problémák nagy részét, de nem nyújtanak védelmet az IT-berendezések tápegységei által generált problémák ellen. Az informatikai berendezések tápegységei nemlineáris terhelések, amelyek harmonikus torzítást hozhatnak létre a berendezések által okozott egyéb problémák mellett, mint például azok, amelyek a változó frekvenciájú, sebességvezérelt ventilátorokkal ellátott, nagy sűrűségű hűtőrendszerekből adód­hatnak. E problémákon kívül a tápegységek többféle formában jelentkező zavarokkal is szembesülnek, mint például feszült­ségtranziensek és túlfeszültségek, feszültségemelkedések, -csökkenések és -csúcsok, kiegyensúlyozatlanság vagy ingadozás, frekvenciaingadozás és a létesítmény rossz földelése.

A teljesítményminőségi szabványok meghatározása

A teljesítményminőségi szabványok pontosan mérhető határértékeket határoznak meg a villamos energia nagyságára vonatkozóan, hogy azok mennyire térhetnek el egy meghatározott névleges értéktől. A villamosenergia-rendszer különböző elemeire különböző szabványok vonatkoznak. A Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) az IEC 61000-4-30 szabványban határozza meg a váltakozó áramú (AC) villamosenergia-rendszerek PQ-paramétereinek mérési módszereit és az eredmények értelmezését. A PQ-paramétereket 50 és 60 Hz-es alapfrekvenciákra adják meg. Ez a szabvány két osztályt is meghatároz a mérőeszközökre vonatkozóan: A és S osztályt.

• Az A osztály határozza meg a PQ-paraméterek mérésének legmagasabb pontossági és precizitási szintjét, és a szerződéses ügyekben és vitarendezéshez nagyon pontos méréseket igénylő eszközökhöz használják. Azokra az eszközökre is alkalmazható, amelyeknek a szabványnak való megfelelést kell igazolniuk.
• Az S osztály a teljesítményminőség értékelésére, statisztikai elemző alkalmazásokhoz és a teljesítményminőségi problémák alacsony bizonytalanságú diagnosztikájához használatos. Az ebbe az osztályba tartozó műszer a szabványban meghatározott paraméterek korlátozott részhalmazát tudja teljesíteni. Az S osztályú műszerekkel a mérések elvégezhetők egy hálózat több telephelyén, teljes helyszíneken vagy akár egyetlen berendezésen is.

5. ábra IEC teljesítményminőségi szabványok

Fontos megjegyezni, hogy a szabvány meghatározza a mérési módszereket, iránymutatást ad az eredmények értelmezéséhez, és meghatározza a teljesítményminőség-mérő teljesítményét. A műszernek a kialakítására vonatkozóan nem ad iránymutatást.
Az IEC 61000-4-30 szabvány a következő PQ-paramétereket határozza meg az A és S osztályú mérőeszközökre vonatkozóan:

• Teljesítményfrekvencia
• A tápfeszültség és az áram nagysága
• Flicker
• Tápfeszültség-csökkenések és -növekedések
• Feszültségmegszakítások
• A tápfeszültség kiegyensúlyozatlansága
• Feszültség- és áramfelharmonikusok és interharmonikusok
• Gyors feszültségváltozás
• Alul- és túlszabályozás
• Hálózati jelzőfeszültség a tápfeszültségen

6. ábra A teljesítmény­minőségi paraméterek osztályozása időskálán

Az IEC 61000-4-30 szabvány által meghatározott A és S osztály közötti legfontosabb különbségek

Bár az A osztály magasabb szintű pontosságot és precizitást határoz meg, mint az S osztály, a különbségek túlmutatnak a pontossági szinteken. A műszereknek meg kell felelniük az olyan követelményeknek, mint az időszinkronizálás, a szondák minősége, a kalibrációs időszak, a hőmérsékleti tartományok stb. Az 1. táblázat azon követelmények listáját mutatja be, amelyeknek a műszereknek meg kell felelniük ahhoz, hogy az egyik vagy a másik osztályba sorolhatók legyenek.

1. táblázat IEC 61000-4-30 A és S osztály főbb eltérései

Következtetés

Az áramminőségi problémák az egész elektromos infrastruktúrában jelen vannak. Az ezeket a PQ-problémákat figyelő berendezések segítik a teljesítmény és a szolgáltatás minőségének, valamint a berendezések élettartamának javítását, miközben csökkentik a gazdasági veszteségeket. A következő, „Hogyan tervezzünk a szabványoknak megfelelő teljesítményminőség-mérőt?” című cikkben bemutatunk egy integrált megoldást és egy azonnal használható platformot, amely jelentősen felgyorsíthatja a fejlesztést és csökkentheti a PQ-monitorozó termékek fejlesztésének költségeit.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerző: Jose Mendia – vezető mérnök, termékalkalmazások, Analog Devices

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com