Villamos hálózati jelminőség vizsgálata
2013/3. lapszám | Németh Gábor | 10 206 |
Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Napjainkban számos indok van arra, hogy mérjük és értékeljük a hálózatminőséget: a fogyasztókészülékek és a villamos elosztóhálózat poten-ciális egymásra hatása, külső elektromágneses interferenciák, villamos áramkörök között kialakuló rezonanciák és más egyéb tényezők. A rendszeres, szükség esetén folyamatos vizsgálat elengedhetetlenül szükséges ahhoz, hogy a káreseményektől és azok következményeitől megvédjük a fogyasztókat és magát a hálózatot.
A hálózatminőség analízise a következő méréseket foglalja magában:
- fázis–föld feszültség,
- fázis–nulla feszültség,
- nulla–föld feszültség,
- fázis–fázis feszültség a 3-fázisú rendszerekben,
- fázisok árama,
- áram a nullavezetőben,
- frekvencia,
- teljesítménytényező, cos ,
- a felharmonikusok az áram- és feszültségjelben, valamint azok irányultsága,
- az áram- és feszültségjel bizonyos jellemzői(jelalak, csúcsérték, alapfrekvencia, ún. események és azok időpontja stb.),
- tranziensek.
Egy adott, működésben lévő és energiát továbbító hálózat jellemzésére alapvetően a következő mennyiségeket használjuk:
Hatásos teljesítmény (P)
A hatásos teljesítmény az a teljesítmény, amelyet a tisztán ellenállásos fogyasztó vesz fel, ha feszültséget kapcsolunk rá, és az áram át tud folyni rajta. A hatásos teljesítményt általában wattban (W), ill. kilowattban (kW) mérjük.
Meddő teljesítmény (Q)
A meddő teljesítmény az a teljesítmény, melyet a reaktív komponensek (pl. kapacitások, induktivitások) vesznek fel az elektromágneses erőtér felépítéséhez. A meddő teljesítményt „V-A reaktívban” (Var) mérjük.
Látszólagos teljesítmény (S)
A látszólagos teljesítmény az a teljesítmény, amelyet egy vegyes rezisztív–reaktív fogyasztó vesz fel. A látszólagos teljesítmény a hatásos és meddő teljesítmények vektoriális összege, és voltamperben (VA) mérjük.
Teljesítménytényező (PF)
A teljesítménytényező a hatásos és a látszólagos teljesítmény aránya, és mutatja egy villamos rendszer hatásfokát.
Energia
Az energia a meghatározott időtartam alatt termelt, ill. felhasznált pillanatnyi villamos teljesítményértékek egyfajta összegzése (idő szerinti integrálja). Mértékegysége a wattóra (Wh), ill. kilowattóra (kWh).
Alapfrekvencia
Az alapfrekvencia a villamos rendszerben előforduló legalacsonyabb és leginkább uralkodó frekvencia. Az EU egyesített energiarendszerében ez a frekvencia 50 Hz. Az alapfrekvenciát az 1-es számú felharmonikusnak is nevezik.
A villamos hálózat „nyugalmi” üzemét azonban megzavarják bizonyos események, amik lehetnek szándékos tevékenységből fakadók (pl. hálózati szakaszok, fogyasztók ki-bekapcsolása) vagy véletlenek (pl. zárlatok és egyéb meghibásodások). Az eseményeket egyrészt meg kell különböztetnünk egymástól, másrészt jellemzésüket is meg kell kísérelnünk a hozzájuk illő paraméterek meghatározásával és mérésével. Egyes események (jelenségek) csak a feszültségre, mások csak az áramra, s vannak, amelyek mindkettőre jellemzők.
Feszültséggel kapcsolatos események
Letörés: a hálózati feszültség ideiglenesen a névleges érték alá csökken.
Túllövés: a hálózati feszültség ideiglenesen a névleges érték fölé nő.
Kimaradás: a hálózat adott része lekapcsolódik minden feszültségforrásról.
Kiegyenlítetlenség (aszimmetria): akkor keletkezik, amikor az egymás után következő fázisoknál az rms értékek vagy a fázisszögek nem egyformák.
Flikker (villogás, villódzás): változó megvilágítás-erősség képében jelentkezik, és a kis frekvenciával változó feszültségszint (tulajdonképpen kisfrekvenciás amplitúdó-moduláció) következménye.
Árammal kapcsolatos esemény
Indítási áram: egy motor elindításához a normál üzemi áramának a 10-15-szörösére is szükség lehet. E kezdeti áramcsúcs (és a hálózat belső ellenállása miatti valószínű következmény: egy feszültségletörés) a szokásos eszközökkel nehezen analizálható, ezért megfelelően gyors mérésadat-gyűjtő funkcióval, és lehetőleg fejlett indítási (triggerelési) szolgáltatásokkal rendelkező műszer kell hozzá.
Mind a feszültségnél, mind az áramnál előforduló események
Felharmonikusok: az alapfrekvencia egész számú többszörösei (pl. 50 Hz-es alapfrekvenciánál a 2. felharmonikus 2×50 Hz=100 Hz frekvenciájú, a 3. pedig 3×50 Hz=150 Hz). A felharmonikusokat elsősorban a mai modern villamos készülékek keltik, melyekben nemlineáris eszközök, pl. nagyobb frekvencián működő transzformátorok, kapcsolóüzemű tápegységek, teljesítmény-szabályozók, IT áramkörök működnek (pl. a közönséges PC-k, notebook-ok).
Interharmonikusok: az alapfrekvenciának a nem egész számú többszörösei. Az interharmonikusok által okozott jeltorzulás fő okozói a statikus frekvenciaváltók, az indukciós motorok és a villamos ívet keltő berendezések.
Teljes felharmonikus-torzítás (THD): a (feszültség- vagy áram-) jel felharmonikus-tartalmának és az alapharmonikus összetevőnek az aránya. Áramra meglehetősen nagy lehet az értéke, a feszültségjelnél viszont komoly problémákat jelezhet egy adott hálózaton, ha a vonatkozó THD a néhány százalékot meghaladja.
Tranziensek: így nevezzük a rövid idejű, erősen csillapodó pillanatnyi áram- és feszültségzavart. A zavar oka általában valamilyen külső elektromágneses behatás (légköri kisülés, kapcsolási események, terhelésváltozás stb.).
Egy jó színvonalú hálózati analizátornak gyakorlatilag az összes idáig felsorolt mennyiséget és eseményt érzékelnie, ill. mérnie kell, méghozzá minél hosszabb időn keresztül, és a mért értékeket időbélyeggel együtt rögzítenie is kell egy memóriában, hogy az adathalmaz vizsgálata későbbi időpontban megtörténhessen. Háromfázisú hálózat méréséről beszélve ez a követelmény minimum hat mérőcsatornát igényel, de a jelenlegi viszonyok között az igazán korrekt méréshez négy feszültség- és négy áramcsatorna szükséges, mert akkor a nullavezetőnek a földhöz képesti feszültségét és a nullavezető áramát is mérni tudjuk.
Kérdezheti persze valaki, hogy mit akarunk a nullavezetővel? Sajnos egyes régebben tanult szabályok ma már csak az – alig létező – ideális esetre érvényesek. Manapság a nullavezető árama gyakran jelentős nagyságú, többek között éppen az emlegetett felharmonikusok jelenlétének következtében.
A hálózati analizátorok használatával, a kisfeszültségű (KiF) és – megfelelő feszültségváltó és áramváltó közbeiktatásával – a középfeszültségű (KöF) villamos hálózathoz történő csatlakoztatásukkal kapcsolatban érdemes odafigyelni a következő gyakorlati tanácsokra. A csatlakoztatásnál ügyelni kell arra, hogy mind a feszültség-, mind az áramcsatlakozások megfelelők legyenek. Különösen a következő szabályok betartására kell törekedni:
Fázisviszonyok:
- Az L1 fázisvezetőre felhelyezett lakatfogós áramváltónak ugyanazon a fázison kell az áramot mérnie, amelyre a mérőkészülék L1 jelű feszültségbemenetét kötöttük.
Lakatfogós áramváltó alkalmazásánál:
- A lakatfogón található nyíl iránya egyezzen meg a mért vezetőn a forrásból a fogyasztóba folyó áram irányával.
- Ha a lakatfogót fordítva helyezzük fel a fázisvezetőre, akkor – normál esetben – azon a fázison negatív előjelű teljesítményt fogunk mérni.
Van egy fontos gyakorlati tanács is: különösen eseményrögzítés üzemmódban (de egyébként is) ajánlott az éppen nem használt feszültségbemeneteket a nullavezetőre kötni! Ezzel ugyanis megelőzhetjük azt, hogy a nyitott bemeneteken keresztül zavaró jelek jussanak a készülék belsejébe, s esetleg károsan befolyásolják a folyamatban lévő mérést.
Ajánlott adatgyűjtési gyakorlat
A hálózatminőséggel kapcsolatos mérések bizonyos szempontból különlegesek: a mérési ciklusok akár napokig, hetekig, sőt hónapokig, akár évekig is tarthatnak. A rögzítéseket általában azért végezzük, mert statisztikus jelleggel akarjuk vizsgálni a hálózat egyes pontjait, vagy rosszul működő berendezést vagy gépet keresünk, ill. hibakeresést végzünk.
A hosszú időn át tartó méréseknek is (bár már vannak távkezelhető, távolból is leállítható, indítható, átparaméterezhető műszertípusok) többnyire egyetlen alkalom az elindítása. Így nagyon fontos, hogy a mérés megkezdése előtt jól állítsuk be a mérési paramétereket, illetve mérőműszerünket. Ha elrontjuk a beállítást, akkor pontatlan, sőt, akár teljesen használhatatlan mérési eredményeket kaphatunk. A folyamatábra egy helyszíni mérés elvégzésének javasolt végrehajtási módját mutatja be.
A hálózatminőség javítása
Hálózati analizátor műszerrel begyűjtött adatok analízise alapján a villamos jelek minősége javítható. Több lehetséges módszer van a táphálózat hatásfokának javítására. A villamos energiaköltségek csökkentésének egyik módja a fogyasztási teljesítménycsúcsok csökkentése, ami megoldható a gyártási folyamatok átszervezésével vagy beépített generátorral. Az első megoldás ott használható, ahol a rendszer megengedi egyes tevékenységek leállítását, vagy időbeli eltolását. A másik megoldás akkor alkalmazható, ha a rendszerben vannak olyan generátorok, melyeket egyébként is gyakran használnak, mint tartalék tápforrást. Manapság egy ilyen generátor lehet akár egy megújuló energiával működő kiserőmű is, természetesen a villamos energia tárolását is megoldó felépítéssel, hogy a napsütés nélküli, ill. szélcsendes idők áthidalását is biztosítani lehessen. (A tárolás gyenge pontja jelenleg, hogy drága és ráadásul környezetszennyező akkumulátorokkal történik. Viszont jó esély van arra, hogy azokat most már belátható időn belül fel fogják váltani a környezetbarát tüzelőanyag-cellák.)
A fogyasztási csúcsok csökkentésére alkalmazható mindkét megoldás megköveteli megfigyelő és beavatkozó rendszer létesítését. A rendszert az előzőleg elvégzett helyszíni mérés, adatgyűjtés és az eredmények részletes kiértékelése alapján kell megtervezni. A hálózat hatásfokának javítására további lehetőséget nyújt a teljesítménytényező értékének növelése különböző korrekciós technikák beépítésével.
Mivel a felhasználói berendezések általában induktív jellegűek, kondenzátortelepeket kell használni az induktív áramok ellensúlyozására (kompenzálására). Azonban fokozottan szem előtt kell tartani, hogy a kondenzátortelepek a legérzékenyebbek a felharmonikusok jelenlétére! (Ha erre nem ügyelünk, felrobbant, tönkrement kondenzátorok fognak figyelmeztetni minket.) A kondenzátortelepek alkalmazásával elérhető előnyök:
- jobb lesz a rendszer általános teljesítőképessége,
- nő a felhasználható hatásos teljesítmény,
- csökkennek az átviteli veszteségek,
- nő a feszültség,
- csökken a rossz teljesítménytényező érték miatt fizetett büntetés összege.
Vannak ma már bonyolultabb, aktív korrekciós hatásfokjavító áramkörök is, azok azonban már kívül esnek jelen cikk keretein.
EN 50160 szabvány
A hálózatminőség tekintetében egyike a legfontosabb előírásoknak az EN 50160 hálózatminőség szabvány, mely meghatározza a közcélú kis- és középfeszültségű elosztóhálózat fogyasztói táppontjain mért feszültség fő jellemzőit normál működési viszonyok esetére. A szabvány megadja a feszültségre vonatkozóan azokat a határértékeket, ill. elvárt értékeket, amelyeknek folyamatosan és az elosztóhálózat bármely pontján meg kell felelni, ám nem írja le azt az átlagos szituációt, mellyel az „egyszeri felhasználó” általában szembe találja magát. Vagyis még az is kimondható sajnos, hogy előfordulhat, hogy a hálózat egy pontján a feszültségviszonyok megfelelnek az EN 50160 szabvány előírásainak, a felhasználónak mégis komoly üzemeltetési problémái vannak.
