Energia elektryczna wykorzystywana jest powszechnie do ogrzewania oraz zasilania maszyn i urządzeń wyposażonych w silniki elektryczne, pieców indukcyjnych, sprzętu elektronicznego itd. Niektóre z odbiorników mogą same wprowadzać zakłócenia do sieci, inne z kolei są na nie bardzo wrażliwe. Na instalację elektryczną i bezpieczeństwo jej użytkowania oraz na trwałość i bezawaryjną pracę odbiorników istotny wpływ ma jakość prądu. Analizatorów używa się w przemyśle nie tylko po to, by mieć podstawę do kontroli dostawcy, reklamacji i ewentualnego negocjowania ceny zakupu energii, ale też – głównie – w celu wykluczenia jednej z możliwych przyczyn nieprawidłowej pracy urządzeń.

Dostawcy z kolei chcą wiedzieć, jakiej jakości energia dociera do odbiorców, by móc na bieżąco wyszukiwać i eliminować źródła zakłóceń. Bardzo szybko rosnąca dziś liczba podłączonych do sieci odbiorników nieliniowych jest jedną z przyczyn problemów dotyczących jakości energii elektrycznej. A kumulowanie się negatywnych zjawisk w tym obszarze może prowadzić do kosztownych awarii.

Kluczowe parametry

Energię elektryczną dostarczaną przez sieć (prąd zmienny) charakteryzuje kilka parametrów: stała częstotliwość, sinusoidalny przebieg czasowy napięcia i jego stała wartość. Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych przedstawiono w normie PN-EN 50160:2010. To europejska norma, która definiuje, opisuje i precyzuje główne parametry napięcia w miejscu dostarczania energii elektrycznej do użytkowników systemu elektroenergetycznego zasilanych z publicznych sieci niskiego, średniego i wysokiego napięcia przemiennego w normalnych warunkach pracy systemu. Wskazuje wartości graniczne lub wartości, w których powinny się zawierać parametry napięcia w miejscu dostarczania energii do użytkowników systemu elektroenergetycznego zasilanych z europejskich publicznych sieci elektroenergetycznych. Jak jednak zastrzeżono, norma nie opisuje sytuacji typowej dla każdego użytkownika.

Jak mówi Wiesław Gil z firmy Mikronika – wyniki pomiarów podawane przez analizatory jakości energii elektrycznej (JEE) muszą być wiarygodne, jeśli na ich podstawie mają być stosowane ewentualne kary wynikające z niedotrzymania parametrów dostaw energii elektrycznej lub identyfikuje się przyczyny, a nawet sprawcę zaburzeń sieciowych. Pomiary podstawowych parametrów JEE definiuje norma PN-EN 61000-4-30. Metody pomiarowe uzupełniają dwie dodatkowe normy: PN-EN 61000-4-7 – dotycząca pomiarów harmonicznych i interharmonicznych oraz PN-EN 61000-4-15 dla współczynnika migotania sieci, czyli tzw. „flikera”. Stosowane są także normy dla dodatkowych parametrów, np. norma dla liczników energii klasy 02s, jeśli pożądany jest bardzo dokładny pomiar mocy i energii.

Dla konstruktorów bardzo ważna jest norma standaryzująca właściwości metrologiczne urządzeń pomiarowych PN-EN 62586-1 oraz PN-EN 62586-2, definiująca metodologię testów niepewności pomiarów – stwierdza Wiesław Gil. – Powyższe normy opisują to, jak analizator JEE ma funkcjonować i jakie dane ma mierzyć. To w jaki sposób oceniać jakość energii, określa norma PN-EN 50-160, rozporządzenie Ministra Gospodarki „Szczegółowe warunki funkcjonowania systemu elektroenergetycznego” z 4.07.2007 oraz poszczególne instrukcje IRiESD (Instrukcje Ruchu i Eksploatacji Spółek Dystrybucyjnch). Osobną grupą wymagań stawianych analizatorom JEE są specyfikacje zamówień, stosowane podczas przetargów. Ich sformułowania skutecznie ograniczają krąg możliwych dostawców, niekiedy tylko do jednego. Przykładem takiego wymagania może być np. żądanie pomiaru o 24 bitowej rozdzielczości zamiast podania informacji o oczekiwanych niepewnościach pomiaru lub współpracy z systemem centralnym, pracującym już u zamawiającego – dodaje.

Analiza na bieżąco i w dłuższych interwałach

Obsługa nowoczesnych, w tym przenośnych, analizatorów jakości energii jest intuicyjna, jeśli tylko zna się i rozumie rodzaje problemów związanych z zasilaniem. Duże, czytelne ekrany analizatorów to dziś standard. Wyświetlane są na nich napięcia i przebiegi prądowe w formie graficznej, a gromadzone dane można zachowywać, powiększać fragmenty przebiegów prądowych do dokładniejszej analizy itp. Użycie analizatorów pozwala otrzymać informacje o prądach harmonicznych i zniekształceniach, a także zbierać informacje przez dłuższy czas w celu rejestracji zdarzeń (spadków napięcia, przepięć) występujących incydentalnie i bardzo krótko trwających. W niektórych przypadkach bowiem problem z zasilaniem można wykryć dopiero po systematycznym rejestrowaniu parametrów prądu przez godziny lub dni.
Zgromadzone w analizatorach dane przesyła się do komputera i najczęściej są one badane i analizowane za pomocą dostarczonego przez producenta oprogramowania, a także przechowywane do wykorzystania w przyszłości.

Analiza jakości energii to nowa dziedzina pomiarów, zajmująca się dostarczaniem danych i niezbędnych informacji do oceny jakości towaru, jakim stała się energia elektryczna. Ta skomercjalizowana definicja nie oddaje jednak ciekawej i obiecującej przestrzeni badawczo-konstrukcyjnej, która otwiera się dzięki możliwościom obserwacji zjawisk zachodzącym w sieciach elektroenergetycznych. Takie aspekty jak określanie przyczyn i źródła zaburzeń, analiza dużych zbiorów danych, standaryzacja transmisji stanowią bez wątpienia ciągle jeszcze nowe wyzwania dla naukowców i konstruktorów – mówi Wiesław Gil.

Warunkiem koniecznym, decydującym o wyborze urządzeń, to zgodność z normami i rozporządzeniami w zakresie metodologii oceny JEE. Trzeba jednak postawić pytanie: dlaczego, mimo dobrego unormowania i niewątpliwych korzyści z analizy JEE, urządzenia te nie są szeroko wdrażane? Przyczyną tej sytuacji jest niemożność integracji w jednym systemie odczytującym i gromadzącym dane, urządzeń pochodzących od różnych producentów. Przedsiębiorstwo, które zdecyduje się zakupić kilka urządzeń danego typu, jest niejako skazane na kupowanie kolejnych analizatorów z takim samym protokołem transmisji danych, a więc tego samego producenta, gdyż poniosło już koszty wdrożenia oprogramowania systemowego. Blokada rynku wynika z tego, że transmisja danych z urządzeń pomiarowych JEE nie jest zestandaryzowana. Producenci nagminnie stosują protokoły fabryczne. Obecnie w tym kierunku nie podejmują działań zarówno duże koncerny zajmujące się dystrybucją energii elektrycznej, jak i organizacje międzynarodowe. Trudno zatem oczekiwać szybkiej poprawy. Zmianę w tym zakresie mogłyby wymusić duże krajowe spółki dystrybucyjne na czele z Operatorem Systemu Przesyłowego, gdyby wprowadziły standard wymiany danych. Takim standardem mógłby się stać PQdiff opracowywany przez EPRI, oczywiście po niezbędnych uzupełnieniach. Doprowadziłoby to niewątpliwie do szerszego stosowania urządzeń do pomiaru JEE, a także do poprawy ekonomiki ich wdrożeń i eksploatacji – wyjaśnia Wiesław Gil.

Modele zaawansowane

Na rynku oferowane są także zaawansowane modele analizatorów, umożliwiające dokonywanie większej liczby dokładniejszych pomiarów. Wśród nich można wymienić np. przenośny analizator jakości zasilania PQM-702 firmy Sonel, który pozwala na pomiar, analizę i rejestrację parametrów sieci energetycznych 50/60 Hz oraz jakości energii elektrycznej zgodnie z europejską normą EN 50160 i rozporządzeniem Ministra Gospodarki z 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Spełnia on standardy normy IEC 61000 dla analizatorów klasy A, dotyczące niepewności pomiarowych, metod pomiarowych i synchronizacji czasu z sygnałem wzorcowym (ma wbudowany moduł GPS z wewnętrzną anteną). Można go wykorzystać we wszystkich rodzajach sieci o napięciach znamionowych od 110 do 760 V bezpośrednio lub pośrednio poprzez przekładniki. Jest kompatybilny z programem Sonel Analiza do obsługi analizatorów serii PQM.

Z nowszych urządzeń dostępnych na rynku wskazać można np. analizator jakości zasilania i silników elektrycznych Fluke 438 II. Poza funkcjami analizy jakości energii oferuje on nowe funkcje pomiaru podstawowych parametrów mechanicznych silników elektrycznych. Można sprawdzać takie parametry jak: moc, harmoniczne, asymetria, prędkość obrotowa, moment obrotowy i moc mechaniczna – bez konieczności stosowania czujników mechanicznych. Pozwala to nie tylko lokalizować i usuwać problemy związane z jakością energii elektrycznej w jedno- i trójfazowych instalacjach rozdzielczych, a też je przewidywać i im zapobiegać. Zastosowana w analizatorze technologia PowerWave umożliwia szybką rejestrację wartości RMS i wyświetlanie średnich półokresowych oraz przebiegów charakteryzujących dynamikę układu elektrycznego (rozruchy prądnic, przełączanie zasilaczy UPS itp.). Z kolei zgodność z Fluke Connect pozwala na wyświetlanie danych nie tylko lokalnie w przyrządzie, ale też na smartfonie za pośrednictwem aplikacji mobilnej i w komputerze w programie PowerLog 430-II.

W ofercie rynkowej znajdują się też wąsko wyspecjalizowane urządzenia, jak choćby analizator jakości zasilania i energii elektrycznej Fluke 437 Series II 400 Hz przeznaczony dla branży obronnej i związanej z awioniką.

To tylko kilka przykładów nowoczesnych urządzeń tego typu, bo wybór jest naprawdę duży. Przygotowywany obecnie przez firmę badawczą Persistence Market Research raport (pełna wersja ma się ukazać w grudniu tego roku) wśród głównych uczestników rynku wymienia firmy: Candura Instruments, Janitza electronics, PCE Deutschland, Fluke, Megger, Siemens, Honeywell, Omicron, Eaton, Danaher, General Electric, Schneider Electric i Gamma Scientific.

Warto dodać, że przy wyborze sprzętu ważne jest sprawdzenie, czy spełnia on normy i posiada odpowiednie certyfikaty (ma to istotne znaczenie przy rozstrzyganiu sporów). Zaletą urządzeń jest duża pamięć i możliwość długotrwałej rejestracji danych – pozwala to wykrywać niektóre zaburzenia i anomalie. Oczywiście ważne są też uniwersalność oraz łatwość obsługi, szczególnie jednak liczy się precyzja i dokładność analizatorów.