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.

Warto też zapoznać się normą PN-EN 61000-4-30:2015-05, w której zdefiniowano metody pomiaru parametrów jakości energii elektrycznej i interpretacji wyników dla systemów zasilających prądu przemiennego o zadeklarowanej częstotliwości podstawowej 50 Hz lub 60 Hz. Dla każdego istotnego parametru opisano metody pomiaru w sposób, który umożliwia uzyskanie wiarygodnych i powtarzalnych wyników, niezależnie od zastosowanej metody. Parametrami jakości energii omawianymi w normie są m.in.: częstotliwość, wartość napięcia zasilającego, jego wahania, zapady i wzrosty, przerwy w zasilaniu, napięcia przejściowe, asymetria napięcia zasilającego, harmoniczne i interharmoniczne napięcia, szybkie zmiany napięcia i pomiary prądu.

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. Jak mówi Krzysztof Urbański z firmy Calmet, analiza jakości energii jest stosunkowo nową dziedziną pomiarów, rozwijającą się za sprawą lawinowego wzrostu liczby nieliniowych odbiorników, który przyczynia się do powstawania wielu zakłóceń. Obecnie od analizatorów wymaga się, aby odpowiadały przynajmniej klasie S, a najlepiej klasie A według normy PN-EN 61000. O wyborze analizatora do pomiarów i rejestracji decyduje wiele czynników, w tym:

– tryb pracy stacjonarny/przenośny;

– zakres napięć wejściowych: do 300–600 V przewód fazowy–neutralny;

– zakres prądów wejściowych: bezpośrednio do 6 A  (duża dokładność) lub z cęgami prądowymi (cewka Rogowskiego) do 3000 A;

– liczba kanałów pomiaru napięcia: 3–4;

– liczba kanałów pomiaru prądu: 3–5;

– zakres pomiaru harmonicznych: min. do 50.;

– częstotliwość próbkowania (50 Hz): min. 5 kHz (wynika z 50. harmonicznej);

– wielkość pamięci przeznaczonej na wyniki (w GB);

– czas rejestracji i liczba danych możliwych do zarejestrowania w celu wykonania analizy;

– zakres napięć zasilających: 50–250 V AC;

– podtrzymanie rejestracji w czasie zaników napięcia: 15 min – 2 godz.;

– interfejsy komunikacyjne: min. USB/RS232/RS485; pożądana praca sieciowa: Ethernet;

– zautomatyzowane oprogramowanie PC do przeprowadzenia analiz i redagowania raportów stwierdzających zgodność z normami.

Jak dodaje Krzysztof Urbański, te i wiele innych wymagań spełniają spotykane na rynku analizatory różnych firm, np. Sonel, Goessen Metrawatt, Fluke, Dranetz itd., podobnie jak opracowany i produkowany przez Calmet model TE30.

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.