Тема с обложки: контроль над электроэнергией

Основы мониторинга и анализа качества электроэнергии, а также способы восстановления плохо функционирующих распределительных систем.

У специалистов по управлению всегда есть искушение верить, что менеджеры предприятия волшебным образом предоставят достаточное количество электроэнергии нужного качества для питания созданных ими автоматизированных систем. Эти системы, однако, обладают достаточно большими аппетитами, чтобы нарушить чётко сбалансированные системы электропитания, что приводит к ухудшению качества электроэнергии. В то же время эти системы достаточно капризны, чтобы у них «заболел животик» при питании недостаточно качественной электроэнергией.

Таким образом, для инженеров важно понимать принципы анализа качества электроэнергии и знать способы восстановления плохо функционирующих распределительных систем.

Как говорит независимый аналитик систем энергоснабжения Геральд Хэджек (Gerald Hajek): «Анализ энергетики включает в себя почти всё, что может быть связанно с электричеством – от электростанции до батареек в устройствах на постоянном токе. Надо сравнивать то, что ожидалось, с тем, что имеется, а также рассматривать существующие проблемы и чем они могут быть вызваны».

Фрэнк Хили (Frank Healy), менеджер по продвижению продукции контроля качества электроэнергии в компании Fluke Corp, подчёркивает, что «гармоники не являются причиной самых больших проблем. Когда оборудование перестаёт правильно работать по непонятной причине, источником проблемы, наиболее вероятно, являются такие вещи как провалы напряжения при запуске мотора, переходные режимы, неисправные выключатели и тому подобное».

«Кроме того – добавляет Дэн Карноваль (Dan Carnovale), менеджер по продукции контроля качества электроэнергии в компании Eaton Corp – рассматриваемые проблемы также включают управление энергопотреблением и вопросы эффективности операционных затрат. Нам нравится подход, когда проблема разобрана на симптомы, источники и решения, и мы всегда придерживаемся такого способа анализа».

«Управление цепью электропитания – говорит Брэндон Экберг (Brandon Ekberg), ведущий бизнес-менеджер отделов программного обеспечения и счётчиков компании Eaton Corp. – это то, что мы называем контролем над полной системой распределения электроэнергии. Целью этой деятельности является получение инструментов, оборудования и служб, которые могут помочь нашим клиентам оптимизировать эксплуатацию и использование цепи электропитания. Основное управление цепью электропитания включает в себя аудит здания для получения информации о текущем состоянии – каким рискам ваша система может быть подвержена по отношению к безопасности, и какова её способность выдерживать поломки».

«Много людей могут подумать, что огромной проблемой являются гармоники – говорит Карноваль. – Хоть они и играют важную роль, существуют четыре основных составляющих качества электроэнергии, и гармоники всего лишь одна из них. Ещё одна часть – это переходные процессы. Третья – вариации напряжения (падение, прерывания и всплески), а последняя – это заземление».

Способность количественно измерять подобные аномалии электропитания даёт возможность понять их причины, что в свою очередь даст намёки на то, как исправить ситуацию. Количественный анализ требует проведения измерений. Простые недостоверные наблюдения, подобные «кто-то видел, как огни мигали» не подойдут. Неясно, как долго продолжалось данное событие, и насколько глубоко прячется причина. Без количественного анализа совершенно непонятно, как можно это починить.

Количественный анализ требует проведения измерений с использованием специального регистрирующего оборудования. Это оборудование, которое способно регистрироОсновы мониторинга и анализа качества электроэнергии, а также способы восстановления плохо функционирующих распределительных систем. вать электрические аномалии в течение продолжительного времени и архивировать их для последующего анализа.

Первый шаг: измерения

«Измерение количественных показателей – говорит Экберг – является способностью точно и детально измерить качество поступающей электроэнергии. Вам потребуются знание базовой информации и аномалий для понимания ситуации перед тем, как начинать какиелибо исправления».

Если при нормальных условиях напряжение в сети составляет 480 В, отклонения от нормальных условий описываются двумя переменными – амплитудой отклонения и его длительностью. Такие отклонения различным образом влияют на оборудование на входе цепи. При определённой величине, отклонение может вызвать автоматическое завершение работы или привести к другим нежелательным последствиям. Длительные условия пониженного или повышенного напряжения могут вызвать перегрев двигателей.

«Всё больше и больше клиентов – говорит Хили – занимают активную позицию по данному вопросу. Они эффективно проводят сравнительное тестирование. Они проводят измерения перед установкой оборудования, а затем следят и изучают, как установка нового оборудования повлияла на их системы».

Установка контрольной аппаратуры следует стратегии Юлия Цезаря «разделяй и властвуй». В случае неполадок, поместите контрольную точку около проблемного прибора для прояснения ситуации. Однако для получения информации об общем состоянии дел в распределительной электросети следует первым делом смотреть на входной щит. Затем можно устанавливать точки наблюдения ближе к различным нагрузкам, двигаясь вниз по дереву сети.

При установке контрольной аппаратуры используйте стратегию «разделяй и властвуй». Начните с входного щитка, затем можно устанавливать точки наблюдения ближе к различным нагрузкам, двигаясь вниз по дереву сети. В некоторых местах стоит установить постоянные контрольные точки для накопления исторических

При установке контрольной аппаратуры используйте стратегию «разделяй и властвуй». Начните с входного щитка, затем можно устанавливать точки наблюдения ближе к различным нагрузкам, двигаясь вниз по дереву сети. В некоторых местах стоит установить постоянные контрольные точки для накопления исторических
данных и слежения за появляющимися проблемами.

«У нас есть насколько пользователей, использующих довольно много точек наблюдения – говорит Хили. – Они берут целый набор точек мониторинга и подключают их к системе на три или четыре дня, а затем перемещают их. Я неделю назад разговаривал с клиентом, который использовал, по крайней мере, 12 точек для получения полной информации о входных частях электросети в его здании, затем далее вниз по сети до точек нагрузки и потом на самих нагрузках».

Контрольная аппаратура измеряет входные значения напряжения и тока. Для мониторинга напряжения в трёхфазной сети необходимо использовать пять входов: земля, нуль и три фазы. В идеале то же самое нужно и для мониторинга тока. Хили рекомендует использовать, по крайней мере, 4 измерительных канала. При этом всегда следует регистрировать нулевой ток, поскольку он показывает влияние гармоник.

С целью минимизации возмущений в распределительной электросети, для регистрации напряжения в точках мониторинга используются аналоговые усилители напряжения с высоким импедансом. Для измерений тока применяются прикрепляющиеся к проводам датчики, которые регистрируют магнитное поле вокруг провода для каждой фазы, а также нуля и земли.

Как правило, в точках мониторинга используются трансформаторы тока для регистрации переменных магнитных полей, создаваемых переменным током вокруг проводов. Трансформаторы тока реагируют на ток в проводе в соответствии с законом Фарадея:

где E – это электродвижущая сила (ЭДС), создаваемая во вторичной обмотке трансформатора тока, k – константа, зависящая от конструктивных особенностей трансформатора, I – поток через сердечник трансформатора, и t – время.

Очевидно, что трансформаторы тока реагируют только на переменный ток, поэтому измерять постоянный ток они не могут. В соответствии с законом Фарадея величина ЭДС напрямую зависит от частоты, поэтому трансформаторы тока дают искажённые данные для сигналов с гармониками.

Таблица 1: Эффекты аномалий в электрических системах

Для регистрации постоянных токов или постоянной компоненты в проводе с переменным током используются датчики тока, основанные на эффекте Холла. В таких датчиках тока использован полупроводниковый чип, называющийся магнитометром на эффекте Холла, который напрямую регистрирует магнитное поле. Таким образом, он может измерять как постоянные, так и переменные токи и точно воспроизводить сигналы с гармониками.

«Самый простой продукт, какой у нас есть – говорит Хили – это маленькое регистрирующее устройство, которое просто вставляется в стандартную розетку и следит за провалами и измерениями среднеквадратичного значения напряжения. По мере включения и отключения нагрузок можно видеть их воздействия на электрическую систему и определять, влияют ли они на измерительное оборудование, ПК или какие-нибудь другие используемые вами устройства».

На другой стороне линейки приборов находятся трёхфазные регистраторы, которые измеряют более полный набор данных. Кроме изменений напряжения они могут измерять гармоники и численно характеризовать события мерцания, сдвиги фазы и другие важные параметры, характеризующие качество распределительной электросети.

«Очень важно не просто делать снимки – подчёркивает Фрэнк Хили – данные должны регистрироваться, по крайней мере, 24 часа подряд (или один рабочий день), а в идеале проверка должна длиться в течение семи дней. Причём в некоторых случаях необходим срок более недели».

«Если мы проводим исследование гармоник в сети – он продолжает – мы берём среднее гармоник и ищем минимум и максимум за период – как правило, берётся период, равный 10 минутам. Этот подход даёт набор измерений, показывающий текущую ситуацию. Затем мы продолжаем изучать, какие изменения внесла установка нового оборудования. Мы набираем данные в течение нескольких дней или даже пары недель, а затем исследуем тенденции в поведении гармоник за этот период».

От «сырых» данных к полезным результатам

Полученные данные сложно использовать до тех пор, пока они не обработаны и не представлены. Существуют три способа, с помощью который инженеры могут превратить исходные данные в полезную информацию:

  • Обработка на точке сбора. Большинство устройств контроля мощности имеют некоторое количество встроенной памяти для хранения данных. Много моделей имеют встроенное ПО для их анализа. Эти устройства также имеют, по крайней мере, элементарные человеко-машинные интерфейсы для быстрого осуществления пользовательского анализа и представления результатов.
  • Загрузка на подключённый компьютер. Устройства регистрации иногда поддерживают функциональность загрузки архивных данных на компьютер для последующего анализа. Часто это реализуется с помощью встроенного USB , последовательного порта или других типов подключений с небольшой дальностью действия, а также с помощью сетей с неавтоматической пересылкой файлов, например на картах памяти.
  • Загрузка через сеть больше и больше устройств контроля способны загружать данные через локальные сети, такие как Ethernet. Эта возможность позволяет пользователям надолго монтировать оборудования для наблюдения в шкафы за сервисными панелями и в другие замкнутые места. В этом случае специалисты могут просто запустить специальные программы на своих персональных компьютерах, которые будут регулярно скачивать данные по компьютерной сети, сохранять их и генерировать регулярные отчёты.

Особенно в сложных системах с большим числом отдельных точек наблюдения, размещённых в разных частях распределительной электросети, отчеты об аномалиях стекаются в единую систему для более сложного анализа. Программа, работающая на компьютере, может обнаруживать связанные эффекты, проявляющиеся в разных точках системы, и даже автоматически распознавать возможные причины.

Второй шаг: анализ

«Устройство наблюдения может помочь проанализировать наблюдаемые вами симптомы, выбирая нужные формы сигнала и регистрируя тренды в значениях тока и мощности – говорит Дэн Карноваль из компании Eaton. Сложные методы синхронизации позволяют устройствам наблюдения регистрировать сигнальные формы импульсов, такие как кратковременные падения напряжения, провалы из-за запуска двигателей, переходные процессы от таких явлений, как молния, а также стабильные аномалии, такие как гармоники.

Например, при скачке напряжения наблюдаемыми симптомами являются мигание освещения, отключение двигателей переменной частоты, блокировка компьютеров и т.п. После можно найти корреляцию между этими качественными наблюдениями и событиями, зафиксированными на устройствах наблюдения.

Давайте предположим,что у вас произошло падение напряжение до 80% нормального значения, и длительность его составила 10 циклов или 1/6 секунды. Это могло вызвать мигание освещения, но не обязательно должно было привести к отключению двигателей переменной скорости. Некоторые нагрузки могли отключиться, некоторые – нет.

Если у вас произошло более сильное падение, скажем до 50% амплитуды напряжения в течение тех же 10 циклов, вы можете потерять контакторы и приводы, а также высокоинтенсивные осветительные лампы. Более серьёзные события могут лишить электричества всё здание.

Ещё один момент, на который стоит обратить внимание – это профиль потребления. Знание пиковых периодов нагрузки может помочь найти способ сгладить его для минимизации энергопотребления или затрат на электричество, а также предотвратить перегрузки системы.

Если при добавлении всё большего числа гармонических нагрузок, гармоники в сигнале увеличиваются, то это может вызвать перегрев трансформатора и его выход из строя. Эти моменты должны постоянно отслеживаться программой на компьютере специалиста.

«Анализ гармоник – это то, что мы делаем в первую очередь – подчёркивает консультант Геральд Хэджек – но какие ещё существуют методы? Я всегда смотрю на сигнал между нулём и землёй в точке использования оборудования. Также следует знать, на каком расстоянии от источника питания расположена исследуемая нагрузка. Другими словами – это проблема на расстоянии 100-150 метров от входной точки или всего на 10?»

Третий шаг: исправление

Совет, который наиболее часто получают специалисты по управлению относительно улучшения электропитания, заключается в использовании электрического фильтра в цепи питания приводов. Этот совет хорош, но только когда проблемы питания создаются самими приводами. И это помогает только от гармонических искажений.

Как заметил в начале статьи Фрэнк Хили из компании Fluke, наибольшие проблемы порождаются не гармониками.Чаще проблемы возникают из-за бросков напряжения, переходных процессов и ошибок заземления.

«Первый шаг, который я бы посоветовал сделать всем, заключается в минимизации реактивного сопротивления всей цепи», говорит Хэджек.

Реактивное сопротивление цепи можно также уменьшить, тщательно выбирая трансформаторы и генераторы. Приборы с меньшим импедансом могут стоить дороже, но они уменьшат головную боль по поводу качества электропитания.

Используйте по возможности большее напряжение и меньшие токи. Уменьшение токов позволяет использовать проводники меньшего диаметра. Проводники меньшего сечения имеют меньшее погонное реактивное сопротивление. Поэтому, при заданной длине, провода с меньшим диаметром имеют меньшее реактивное сопротивление.

Конечно, уменьшить общее реактивное сопротивление можно, укоротив провода. Другими словами, следует аккуратно выбирать пути прокладки проводки для минимизации её длины. Уменьшение длины проводов также хорошо с точки зрения экономии средств.

Однако данный аспект может противоречить требованиям аккуратности и профессионализма. Проводы должны быть надлежащим образом собраны в связки для упрощения прокладки и обеспечения безопасности. Как и в большинстве вопросов проектирования, здесь нужно найти наиболее подходящих компромисс. Поэтому следует минимизировать длину проводов, следуя остальным требованиями проектирования.

Хэджек также настаивает на использовании отдельного нуля для каждого фидера. «Все начинают стенать и жаловаться, когда я говорю это, поскольку это повышает затраты на провода – говорит он – но в результате это оказывается дешевле».

В конечном счёте, не существует решения, которое будет помогать в каждой ситуации. «Как правило, более сложные проблемы в этой отрасли за час или пол утра работы не решаются – говорит Хэджек. – Для нахождения решения может потребоваться хитрая работа сыщика».

Для достижения успеха ваш анализ должен основываться на понимании основных физических принципов, применимых к вашей ситуации, будь то электромагнетизм, заставляющий вас уменьшить реактивное сопротивление с помощью более тонких проводов, или электрохимия, указывающая на проблемы заземления, влияющая на ваши трубы. Вам потребуется подобная широта мышления, чтобы найти подходящее решение.

Контрольные точки, размещенные по системе электроснабжения передают данные в центральную базу данных, где ПО мониторинга и анализа электропитания помогает инженерам понять общую картину или узнать детали. Источник: Control Engineering и Eaton

«Предположим, у вас иногда зависает машина, а программируемый логический контроллер (ПЛК) перегружается – предполагает Экберг. – Изучение электропитания этого ПЛК показывает, что происходят скачки или падения напряжения, обработать которые ПЛК не в состоянии. Выходом из данной ситуации может быть подключение небольшого бесперебойного источника питания, чтобы ПЛК всегда получал очень, очень чистое электропитание, даже в случае отключения основного питания на несколько секунд». «Необходимость анализа электропитания – говорит Хэджек – означает, что что-то не работает так, как должно. Нужно тщательно сопоставить то, что задумывалось, с тем, что получилось. Это различие поможет оценить масштаб проблемы».

«Если проблемы с перебоем электропитания происходят в механическом цеху – указывает Экберг – и вы теряете 5 или 10 минут рабочего времени, это не такая уж и проблема. Это, по крайней мере, сильно отличается, скажем, от ситуации в цеху кремниевых подложек, где большой скачок в сети электропитания может сломать оборудование и принести убытки в миллионы долларов. Понимание важности проблемы критично при рассмотрении вопросов распределения электроэнергии».

Более подробную информацию можно получить на сайтах:

www.fluke.com  

www.eaton.com/EatonCom/Markets/Electrical  

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *