Jakość energii elektrycznej a niezawodność procesów realizowanych w zakładach produkcyjnych

Rys.1. Zapad napięcia a krótka przerwa w zasilaniu. Obszar niebieski, w którym napięcie zawiera się w granicach 90% ? 10% znamionowego, reprezentuje zapady napięcia, natomiast obszar czerwony, w którym napięcie wynosi 10% znamionowego i poniżej, reprezentuje krótkie przerwy ?w zasilaniu. | Źródło grafiki w artykule: EPRI

Zapady napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu mogą mieć negatywny wpływ na procesy realizowane w zakładach produkcyjnych. Zrozumienie przyczyn oraz mechanizmu tych niekorzystnych zdarzeń jest kluczowe dla kierownictwa oraz personelu technicznego zakładów przemysłowych.

Przeanalizujmy taką powszechnie znaną sytuację. Produkcja w fabryce idzie pełną parą, kolejne wyroby opuszczają taśmę jak każdego dnia od wielu lat i nagle światła zaczynają mrugać (albo i nie). Linia produkcyjna zatrzymuje się… być może nawet na kilka godzin. Musi zostać oczyszczona i zresetowana. Materiały użyte do procesu produkcji prawdopodobnie są już nie do uratowania. Harmonogram produkcji zostaje zakłócony, zakład traci czas, produkty i pieniądze. Co się stało? Wiele osób może w tym miejscu pomyśleć, że nastąpiło jakieś zakłócenie w sieci elektrycznej ? przepięcie, przerwa w zasilaniu czy przeciążenie instalacji. Są to niejednoznaczne terminy używane na określenie zdarzeń, posiadających swoje precyzyjne definicje w elektroenergetyce i oznaczających chwilowy całkowity zanik napięcia lub chwilowe znaczne zmniejszenie się napięcia. Zdarzenia te to odpowiednio: krótkotrwała przerwa w zasilaniu (ang. interruption) i zapad napięcia (ang. voltage sag). Jednak w opisywanej wyżej sytuacji najprawdopodobniej wystąpił zapad napięcia. Rys. 1 ilustruje różnicę pomiędzy tymi dwoma zdarzeniami. Zapad napięcia występuje wtedy, gdy wartość (skuteczna) napięcia w sieci spada poniżej 90% napięcia znamionowego (obszar niebieski, na przykład jest to 108 V dla sieci 120 V). 

Gdy wartość napięcia spadnie do 10% znamionowego lub poniżej (obszar czerwony, 12 V dla sieci 120 V), to mówimy, że wystąpiła krótka przerwa w zasilaniu. Badania wykonane przez amerykański Instytut Energetyki (Electric Power Research Institute ? EPRI) wykazały, że niemal wszystkie zapady napięcia występują w czasie w granicach 1 s, przy czym większość trwa do 0,5 s. Ponadto większość zapadów osiąga poziom ponad 50% napięcia znamionowego. Parametrami zapadu napięcia są: poziom zapadu (ang. magnitude) ? procentowy stosunek wartości napięcia obniżonego do wartości napięcia znamionowego ? oraz czas trwania (ang. duration). Na rys. 2 pokazano przebiegi napięć w sieci trójfazowej 60 Hz oraz pomierzone wartości skuteczne tych napięć (RMS). U góry rysunku niebieska linia ?Kanał 1?, reprezentująca fazę A (pozostałe fazy to B i C), pokazuje zniekształcenia przebiegu napięcia występujące w czasie nieco dłuższym od 1 okresu (z 60 na sekundę przy częstotliwości 60 Hz). Na dolnej części rysunku pokazano spadek napięcia do wartości rzędu 25% czyli około 68 V w bardzo krótkim przedziale czasowym. Całe zdarzenie trwało w granicach 0,04 s.

Rys. 2. Przebiegi napięć oraz zmiany wartości skutecznej napięć w czasie. Chwilowe zwarcia w systemie elektroenergetycznym mogą spowodować chwilowy spadek napięcia w sieci zasilającej.

Przyczyny krótkotrwałych przerw w zasilaniu i zapadów napięcia

Zarówno burze, jak i oddziaływanie zwierząt na linie napowietrzne są powszechnymi przyczynami zapadów napięcia i krótkich przerw w zasilaniu. Wiele linii podłączonych do uzwojenia wtórnego transformatora w podstacji energetycznej przypomina ludzką rękę (uzwojenie wtórne transformatora) oraz wyciągnięte palce (linie zasilające). Linie te (czyli palce) mogą rozciągać się na dziesiątki kilometrów. Gdy gałąź drzewa dotknie jednej z tych linii, jak może się zdarzyć podczas burzy, nastąpi zwarcie (zwane w energetyce zakłóceniem, ang. fault) jednej lub większej liczby faz z ziemią lub międzyfazowe. Wszystkie pozostałe linie (palce) podłączone do tego uzwojenia wtórnego transformatora w podstacji (ręka) także doświadczą zapadu napięcia. W zależności od okoliczności poziom tego zapadu może wynieść nawet poniżej 10% napięcia znamionowego linii.

Wyłącznik linii, w której wystąpiło zwarcie, może zadziałać w celu wyłączenia prądu zwarciowego, jednak tym samym odłączając tę linię, co oznacza przerwę w dostawie energii elektrycznej dla odbiorców podłączonych do tejże linii. Gdy styki wyłącznika uszkodzonej linii otworzą się, to następuje koniec zapadu napięcia w pozostałych liniach. Zapady napięcia, niezależnie od ich poziomu, mogą być bardzo krótkie. W zależności od nastaw wyłącznika (automatyki SPZ) oraz natury zakłócenia przerwa w zasilaniu odbiorników podłączonych do tej linii może być także krótka. Dlaczego więc zapady napięcia są problemem dla sprzętu znajdującego się w zakładach przemysłowych i dlaczego automatyka przemysłowa jest wrażliwa na te zapady?


Jak ograniczyć przestoje wynikające z niewłaściwej jakości energii elektrycznej?

? Należy zrozumieć wpływ jakości energii elektrycznej na dany zakład i opracować rozwiązania dopasowane do sytuacji.

? Nie należy zakładać, że wymagane są systemy zasilania awaryjnego oparte na akumulatorach (UPS). Istnieją inne technologie, które rozwiązują problem.

? Należy unikać wykorzystywania w układach sterujących komponentów wrażliwych na napięcie zasilające AC.

? Należy uodpornić zakład na zakłócenia, wykorzystując elementy sterowania zgodne z normą IEE 1688 lub SEMI F47.

? W systemach napędów silnikowych wykorzystywać kondycjonery zasilania zabezpieczające przed zapadami napięcia (ang. sag ride-through power conditioner).

Pomoc na temat zwiększania odporności systemów automatyki przemysłowej na zapady napięcia można uzyskać na stronie http://mypq.epri.com.


Właściwa dla komponentów układów automatyki i sterowania wrażliwość na wartość napięcia zasilającego

Większość sprzętu w USA jest zaprojektowana do pracy przy zasilaniu napięciem znamionowym z dopuszczalnymi zmianami ?10%. Tak więc zakłada się, że wartość napięcia zasilającego będzie stała (chociaż czasami tak nie jest). Automatyka przemysłowa w USA ma długą historię projektowania na napięcie 120 V AC (zmienne).

Na rys. 3 pokazano przykładowy schemat z transformatorem sterowniczym obniżającym napięcie (control power transformer ? CPT), podłączonym międzyfazowo. Obwód sterowniczy może zawierać układ wyłączenia awaryjnego (emergency off circuit ? EMO) z przekaźnikiem sterowniczym w obudowie transparentnej (ang. ?ice cube? relay), który dostarcza napięcie 120 V AC do cewek styczników głównych, które z kolei zasilają maszyny i urządzenia realizujące proces (technologiczny/produkcji w fabryce). Elementy sterownicze AC normalnie nie magazynują energii. Przy częstotliwości 60 Hz napięcie zmienne przechodzi przez zero 120 razy na sekundę. A zatem podczas zapadu napięcia nic też nie zapobiega spadkowi napięcia zasilającego obwody sterownicze. Gdy więc obwody sterownicze przestają funkcjonować, to realizacja procesu zostaje zatrzymana. 

Rys. 3. Schemat typowego obwodu sterowniczego AC. Transformator sterowniczy zasila komponenty obwodu sterowania, takie jak przekaźniki, styczniki oraz sterowniki PLC ? zasilacze i układy We/Wy. W obwodzie mogą znajdować się też inne komponenty, takie jak zasilacze DC oraz napędy silnikowe z regulacją prędkości.

Obwody sterownicze przestają funkcjonować z powodu wrażliwości indywidualnych komponentów automatyki, które są podatne na zapady napięcia. Wystarczy, że tylko jeden z nich przestanie działać, a cały proces zostanie zatrzymany. W opisywanym wyżej przypadku przekaźnik sterowniczy, który typowo rozwiera styki przy napięciu zasilającym cewkę równym około 70% znamionowego, wywiera taki sam wpływ na obwód, jak przy zbyt niskim napięciu. Czyli jest to tak, jak gdyby ktoś nacisnął przycisk stopu awaryjnego.

Inne potencjalnie wrażliwe na zapady napięcia komponenty automatyki to między innymi programowalne sterowniki logiczne (PLC), układy We/Wy (I/O) sterowników PLC, napędy silnikowe z regulacją prędkości obrotowej (adjustable speed driver ? ASD, falowniki) oraz inne styczniki. Gdy w zakładzie przemysłowym realizowanych jest wiele procesów, to specyficzne obwody sterownicze mogą być zasilane z różnych faz. Różne procesy mogą zostać zatrzymane w różnym czasie ? w zależności od tego, w której fazie wystąpi zapad napięcia.

Wrażliwość procesów przemysłowych na jakość energii elektrycznej jest wynikiem właściwej dla układów sterowania procesami wrażliwości na chwilowe spadki napięcia zasilającego. Zakłócenia te zwykle są konsekwencją zdarzeń występujących w liniach napowietrznych ? zwarć doziemnych czy międzyfazowych.

Zrozumienie źródeł problemu wrażliwości procesów realizowanych w zakładach przemysłowych na zapady napięcia jest ważna przy znajdowaniu możliwych rozwiązań tego problemu. Zostanie to opisane w części 2 artykułu.


Mark Stephens, główny menedżer ds. projektów, Alden Wright, lider techniczny w Instytucie Energetyki (EPRI).