Spadki napięcia mogą powodować poważne komplikacje, takie jak przerwanie procesów produkcyjnych oraz problemy z jakością produktów lub przebiegiem procesów. Mimo, że występują znacznie częściej niż przerwy w napięciu, często pozostają niezidentyfikowane a ich finansowe skutki są niedoszacowane.

 

Czym właściwie są spadki napięcia?

Zacznijmy od odrobiny teorii. 

Zgodnie z normą europejską EN 50160 za spadek napięcia uważa się nagłe obniżenie wartości skutecznej napięcia do przedziału od 90% do 1% wartości nominalnej, po którym następuje jego natychmiastowy powrót. Czas trwania takiego incydentu wynosi od połowy okresu (10 ms przy sieciach 50 Hz) do jednej minuty. Jeśli efektywna wartość napięcia nie spada poniżej 90% podanej wartości nominalnej, uważa się to za normalne. Natomiast jeżeli napięcie spadnie poniżej 1% wartości nominalnej, uważane jest to za przerwanie napięcia. Spadku napięcia nie należy więc mylić z przerwą w napięciu, która powstaje np. po zadziałaniu wyłącznika automatycznego. Awaria sieci zasilającej jest propagowana w pozostałej sieci dystrybucyjnej jako spadek napięcia.

Powody powstania spadków napięcia

1. Prądy rozruchowe

Jedną z przyczyn niewielkich spadków są prądy rozruchowe kondensatorów, silników i innych urządzeń. Na poniższym schemacie można zauważyć, że po uruchomieniu silnika prąd krótkotrwale wzrasta. Powoduje on spadek napięcia na impedancjach Z i Z1. Prowadzi to do mniejszego spadku napięcia na szynie niskiego napięcia (drop zone 1) oraz nieco większego spadku napięcia za impedancją Z1 (drop zone 2).

Rozwiązaniem jest optymalizacja samego układu, czyli takie jego zaprojektowanie, aby podłączanie urządzeń elektrycznych nie powodowało krytycznych spadków napięcia. Typowe sposoby obejmują odpowiednie urządzenia rozruchowe, takie jak styczniki kondensatorowe do korekcji czynnika mocy (PFC) lub softstarty silników. Można podjąć także inne działania:

• zwiększenie mocy zwarciowej (poprzez zmniejszenie impedancji), na przykład poprzez zastosowanie kabli o większym przekroju,
• zmianę punktu przyłączenia na wyższe poziomy sieci,
• zastosowanie mocniejszych rozdzielnic i transformatorów.

2. Zwarcia w sieci niskiego napięcia

W tym wypadku mamy do czyniania z bardzo wysokim prądem. Jego maksymalna wartość (mowa tu o prądzie zwarciowym) zależy od impedancji Z oraz Z3. W praktyce, impedancja Z3 jest zazwyczaj większa i dominująca. Impedancja Z3 zależy między innymi od rodzaju kabla (przekrój, materiał i długość). Im dłuższy, tym wyższa impedancja i mniejszy prąd zwarciowy. Powoduje on spadek napięcia na impedancji Z, co prowadzi do chwilowego zaniku napięcia na głównej szynie rozdzielczej niskiego napięcia (drop zone 1). W przypadku zwarcia, należy zadziałać wyłącznikiem w grupie 3. Jeśli wnie zostanie wyłączony w ciągu 100 ms napięcie spada znacznie w całym systemie przez okres 100 ms.

3. Zwarcia w sieci średniego napięcia

To najczęstsze środowisko, w którym występują spadki. Ich zapalnikiem zazwyczaj są: 

• uruchomienia maszyn używanych przy robotach drogowych, w kopalniach, itp., 
• rozgorzenie w sprzęgle przyłączeniowym,
• uderzenie błyskawicy,
• starzenie się kabli,
• zwarcie w napowietrznych liniach przesyłowych (np. uszkodzenie spowodowane przez burzę).

Poniższy schemat przedstawia typowy przykład projektu sieci średniego napięcia. Lokalne podstacje transformatorowe (oznaczone zielonymi kropkami) są połączone ze sobą w formie pierścienia, a także połączone z główną podstacją dystrybucyjną (oznaczoną niebieskimi kropkami). Pierścień tworzy zamknięty obwód, jednak w pewnym punkcie następuje przerwanie (patrz dolna część prawej strony pierścienia zielonych kropek). W przypadku zwarcia popłynie prąd zwarciowy (oznaczony czerwoną linią), który będzie występował, dopóki wyłącznik w głównej podstacji dystrybucyjnej nie przerwie obiegu pierścienia. Schemat po lewej stronie (w lewym górnym pierścieniu) ilustruje ten proces.

W przypadku wystąpienia zwarcia, przez krótki czas płynie wysokoprądowy impuls. Ze względu na impedancję sieci prowadzi to do chwilowego obniżenia napięcia w całej sieci. To tymczasowe obniżenie napięcia jest znane jako "spadek napięcia". Szacuje się, że około 75% wszystkich spadków napięcia występuje w sieci średniego napięcia. Niestety, konsumenci często nie są w stanie ich uniknąć.

4. Zwarcia w sieci wysokiego napięcia

Zwarcia w sieciach wysokiego napięcia nie są tak częste, ale ich konsekwencje są nieubłagane, bo prowadzą do naruszenia niezawodność dostawy energii elektrycznej.
Najczęstszymi ich przyczynami są burze oraz niesprawne rozdzielnice. Ich skutkami są problemy dla wrażliwych odbiorców (np. szpitali, banków, laboratoriów) ale także problemy ekonomiczne, takie jak:

• utrata zysków z powodu zatrzymania produkcji,
• koszty nadrobienia utraconej produkcji,
• koszty opóźnionej dostawy produktów,
• koszty marnotrawstwa surowców,
• koszty uszkodzeń maszyn i urządzeń ,
• koszty utrzymania i personelu.

Średnie koszty pojedynczego spadku napięcia różnią się znacznie w zależności od sektora:

• precyzyjne chemikalia - 190 000 €,
• mikroprocesory - 100 000 €,
• obróbka metali - 35 000 €,
• tekstylia - 20 000 €,
• artykuły spożywcze - 18 000 €.

Czasami występują sytuacje, w których procesy mają miejsce w obszarach bezobsługowych, co utrudnia szybkie wykrycie spadków napięcia. W takich przypadkach istnieje ryzyko, że np. wtryskarka może zatrzymać się całkowicie bez żadnych widocznych sygnałów. Jeśli ten problem zostanie zidentyfikowany z opóźnieniem, szkody mogą być już znaczne (plastik w maszynie twardnieje). W przypadku branży papierniczej może dojść do rozerwania się papieru, a nawet wywołania pożaru.

Wrażliwość systemów IT na spadki i zaniki napięcia 

Szczególnie podatne na spadki napięcia i przerwy w napięciu są systemy IT. Podatne na zaniki i spadki napięć są więc wszystkie procesy sterowane przez mikroprocesory: 

• systemy PLC,
• przetwornice częstotliwości,
• sterowniki maszyn,
• serwery w centrach danych,
• komputery PC.

Do określania punktu, w którym spadek napięcia prowadzi do awarii urządzeń IT oraz miejsca, w którym skok napięcia powoduje uszkodzenie tych urządzeń służy Krzywa ITI-CBEMA, opracowana przez Information Technology Industry Council. 

Sposoby walki ze spadkami napięcia

W niektórych sytuacjach, aby uniknąć spadków napięcia wywołanych prądami rozruchowymi, istnieje możliwość poprawy projektu układu. Spadki spowodowane zwarciami w sieci niskiego napięcia zazwyczaj występują rzadziej niż w sieci średniego napięcia. A tam nie można podjąć działań mających na celu zapobieżenie ich przyczynom.

Spadków samych w sobie można uniknąć poprzez: 

• Statyczny UPS, czyli źródło zasilania prądem stałym z falownikiem.
  Jest to popularne rozwiązanie, które często stosuje się jako pomost do awaryjnego generatora prądu.

• Ciągły UPS, który wykorzystuje koło zamachowe pracujące z obciążeniem (tzw. UPS dynamiczny).
  W przypadku krótkich przerw lub spadków napięcia energia jest pobierana z koła zamachowego. To rozwiązanie jest droższe, ale często stosowane w data center.

• Podłączanie układów sterowania i regulacji procesów do zasilania stabilizowanego.

• Modyfikację infrastruktury elektrycznej.
  Należy jednak pamiętać, że nie zawsze jest to możliwe i zazwyczaj wiąże się z wysokimi kosztami.

Wprowadzenie tych rozwiązań może przyczynić się do zwiększenia niezawodności zasilania i minimalizacji ryzyka przerw w dostawie energii elektrycznej. Należy jednak dokładnie rozważyć koszty i korzyści związane z każdym z tych rozwiązań. 

Niemniej - wykrywanie spadków napięcia na wczesnym etapie może przynieść znaczne zyski. Dzięki odpowiednim narzędziom raportującym można zidentyfikować główne przyczyny problemów i tym samym umożliwić wprowadzenie ukierunkowanych działań, które są bardziej opłacalne.

Sygnalizacja spadków napięcia

Janitza oferuje szeroki wybór analizatorów, które są w stanie skutecznie wykrywać krótkotrwałe przerwy i spadki napięcia.
Jednym z takich urządzeń jest analizator sieci UMG 604-PRO. Ten zaawansowany analizator stale monitoruje ponad 800 parametrów elektrycznych. Każdy kanał jest próbkowany aż 20 000 razy na sekundę, co umożliwia skuteczną identyfikację i rejestrację nawet najkrótszych przerw i spadków napięcia. W przypadku wystąpienia takiego zdarzenia, użytkownik może otrzymać powiadomienie e-mailowe lub wiadomość SMS. Dodatkowo, za pomocą dołączonego oprogramowania GridVis Essentials, możliwe jest wygenerowanie kompleksowego raportu, który zawiera szczegółowe informacje na temat tych zdarzeń.

Dzięki UMG 604-PRO, można uzyskać kompleksowe i ekonomiczne rozwiązanie do identyfikacji, rejestracji, ostrzegania i raportowania spadków napięcia. To wszechstronne urządzenie pomiarowe jest wyposażone w wbudowaną przeglądarkę internetową, która umożliwia dostęp do najważniejszych parametrów bez konieczności dużych inwestycji czy skomplikowanych programów. Dzięki temu użytkownik może szybko i wygodnie uzyskać potrzebne informacje bezpośrednio z urządzenia pomiarowego. Przerwy i spadki napięcia będą dokładnie analizowane i raportowane za pomocą zintegrowanej przeglądarki zdarzeń. To zapewnia wygodę i efektywność w zarządzaniu tymi zjawiskami.

Urządzeniami pomiarowymi firmy Janitza do identyfikacji spadków napięcia są:

• UMG 604-PRO, kompaktowy analizator sieci do montażu na szynie DIN,
• UMG 509-PRO, analizator sieci z intuicyjnym interaktywnym kolorowym ekranem do montażu panelowego,
• UMG 605-PRO, analizator jakości sieci klasy S do montażu na szynie DIN,
• UMG 512-PRO, analizator jakości sieci klasy A z kolorowym ekranem do montażu panelowego.

Analiza za pomocą oprogramowania GridVis - funkcje

• Odczytywanie wartości pomiarowych w czasie rzeczywistym
• Pobieranie historycznych danych pomiarowych w plikach i grafikach
• Analiza krótkotrwałych przerw, stanów przejściowych i spadków napięcia
• Drukowanie kompletnych raportów EN 50160 za naciśnięciem jednego przycisku
• Generowanie raportów 

Dzięki wbudowanemu generatorowi raportów istnieje możliwość samodzielnego tworzenia konkretnych raportów, które regularnie prezentują przegląd spadków napięcia, krótkotrwałych przerw i skoków napięcia przy użyciu krzywej ITI (CBEMA). 

Podsumowanie

Spadki napięcia są zjawiskiem stosunkowo częstym i nie zawsze są identyfikowane. Szkody finansowe, które powodują są z reguły większe niż te, wynikające z przerw w dostawie energii. Przebudowa infrastruktury elektrycznej może przyczynić się do ograniczenia występowania serii spadków napięcia. Istnieją również inne rozwiązania, takie jak zastosowanie zasilaczy awaryjnych lub cewek indukcyjnych, które mogą zmniejszyć skutki takiego incydentu. Należy jednak pamiętać, że w niektórych przypadkach takie rozwiązania mogą być zbyt kosztowne.

Pierwszym krokiem w rozwiązaniu problemu spadków napięcia jest zawsze ich identyfikacja i dokumentacja. W tym zakresie Janitza oferuje kompleksowe rozwiązania, które stale monitorują i analizują procesy operacyjne w sposób zrównoważony i bezpieczny. Dzięki zastosowaniu nowoczesnej technologii pomiarowej możliwe jest wczesne wykrywanie problemów z jakością zasilania i podjęcie odpowiednich działań zapobiegawczych. To z kolei gwarantuje zwiększenie bezpieczeństwa dostaw, obniżenie kosztów konserwacji oraz wydłużenie żywotności zakładu produkcyjnego.

 

Jeśli potrzebujesz pomocy w doborze analizatora potrafiącego wykryć spadki napięcia lub zainteresował Cię rozwiązania producenta Janitza, skontaktuj się ze mną!

pawel.czekierda@elmark.com.pl