Τι είναι και γιατί μετράμε την Ποιότητα Ισχύος;
Ποιότητα ισχύος (PQ- Power Quality) ορίζεται το σύνολο των φυσικών χαρακτηριστικών της ηλεκτρικής παροχής κάτω υπό κανονικές συνθήκες τροφοδότησης, που δεν διαταράσσουν ή διακόπτουν τις διαδικασίες παραγωγής και λειτουργίας. Το πρόβλημα στην ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος υπάρχει όταν διαταραχθεί η κυματομορφή της τάσης, η κυματομορφή της έντασης ή η συχνότητα της τάσης.
Λόγω της αυξανόμενης χρήσης μη γραμμικών φορτίων και της παραγωγής πράσινης ηλεκτρικής ενέργειας (ηλιακή και αιολική ενέργεια), είναι πλέον επιτακτική η ανάγκη για την μέτρηση της ποιότητας ισχύος. Ως μη γραμμικό ορίζεται το φορτίο, που ενώ τροφοδοτείται με τάση ημιτονοειδούς μορφής, άγει ρεύμα μη ημιτονοειδούς μορφής. Τα μη γραμμικά φορτία έχουν συνήθως στην διάταξή τους ηλεκτρονικά ισχύος. Τα πιο γνωστά είναι οι ρυθμιστές στροφών (variable speed drives) και τα τροφοδοτικά αδιάλειπτου λειτουργίας (UPS).
Η Ποιότητα τάσης (Voltage quality) σχετίζεται με την απόκλιση της τάσης από την ιδανική. Ιδανική τάση είναι ένα καθαρό ημίτονο μίας συχνότητας, που χαρακτηρίζεται από σταθερή τιμή πλάτους και συχνότητας.
Η Ποιότητα ρεύματος (Current quality) είναι ο συμπληρωματικός όρος της ποιότητας τάσεως. Σχετίζεται με τη απόκλιση του ρεύματος από την ιδανική τιμή του ρεύματος. Το ιδανικό ρεύμα είναι και σε αυτήν την περίπτωση ένα απλό ημίτονο της ίδιας σταθερής συχνότητας σε φάση με αυτό της τάσης.
Ποιότητα ισχύος (power quality) είναι ο συνδυασμός της ποιότητας τάσεως και της ποιότητας ρεύματος.
Η κακή ποιότητα ισχύος δημιουργεί προβλήματα στα συστήματα μεταφοράς και διανομής, όπως επίσης και βλάβες στον ηλεκτρικό και ηλεκτρονικό εξοπλισμό του καταναλωτή. Για παράδειγμα, είναι γνωστό πως οι αρμονικές μπορούν να προκαλέσουν βλάβες στις διατάξεις πυκνωτών, όπως επίσης και φθορές στα μέσα ζεύξης. Επίσης, η πτώση τάσης μπορεί να σταματήσει την λειτουργία ολόκληρων σταθμών ελέγχου που εξαρτώνται από ηλεκτρονικά συστήματα.
Τα προβλήματα στο δίκτυο παροχής ηλεκτρικού ρεύματος, που προκαλούνται από την κακή ποιότητα ισχύος, είναι κοινά για τον προμηθευτή και το τελικό χρήστη. Ωστόσο, δεν είναι εύκολο να προσδιοριστεί εάν η αιτία της κακής ποιότητας ισχύος είναι το σύστημα του προμηθευτή ή του καταναλωτή. Συνεπώς, η αποτελεσματική μέτρηση PQ, με αναγνωρισμένα διεθνή πρότυπα, είναι απαραίτητη για την κατανόηση της πραγματικής αιτίας των προβλημάτων, καθώς και για τον καθορισμό αποτελεσματικών αντίμετρων
Η διατήρηση της Ποιότητας Ηλεκτρικής Ισχύος σε προκαθορισμένα επίπεδα είναι ένα θέμα που στην αρχή εξαρτιόταν μόνο από την εταιρεία παροχής, όμως με τον καιρό άρχισε να εξαρτάται και από τους καταναλωτές. Έτσι, δημιουργήθηκαν συγκεκριμένα πρότυπα που θέτουν όρια για κάθε διαταραχή και πρέπει να τηρούνται αυστηρά εκατέρωθεν (IEC, EN50160).
Το IEC61000-4-30 είναι το διεθνές πρότυπο, που ορίζει τον τρόπο μέτρησης της ποιότητας ισχύος και καθορίζει με σαφήνεια τις προδιαγραφές των μετρητών, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αυτόν τον σκοπό.
Οι μετρήσεις που αναφέρονται στο IEC61000-4-30, περιλαμβάνουν όλες τις ηλεκτρικές παραμέτρους και τα ηλεκτρικά φαινόμενα όπως: Συχνότητα, Ενεργή τιμή, Αρμονικές, Διαρμονικές, Flicker, Βυθίσεις, Διακοπές, Διακυμάνσεις, Υπερτάσεις, Ασσυμετρίες κτλ.
Εμφάνιση προβλημάτων
Συχνά σε εγκαταστάσεις κτιρίων χαμηλής τάσης παρατηρούνται:
Ξαφνικές διακοπές λειτουργίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών, δυσλειτουργία ή διάφορα προβλήματα κατά τη χρήση τους.
Δυσλειτουργία ή λάθη σε ελεγκτές, PLC, κλπ
Αυξημένη παρουσία αρμονικών της τάσης και του ρεύματος έχοντας ως συνέπεια τη δυσλειτουργία κάποιων ευαίσθητων ηλεκτρονικών συσκευών
Διακοπές στη λειτουργία των συστημάτων ελέγχου ταχύτητας των AC κινητήρων (inverters)
Τα ψηφιακά συστήματα χρονισμού («ρολόγια») αναβοσβήνουν ή αποσυγχρονίζονται – χάνουν το σωστό χρονισμό τους.
Συντομότερη γήρανση, βλάβη ή/και καταστροφή συσκευών και εξοπλισμού, κ.ά.
Αυτά τα προβλήματα μπορούν να προκαλέσουν από μια απλή ενόχληση έως και ζημιά με σημαντικό χρηματικό κόστος.
Είδη διαταραχών
Οι διαταραχές διακρίνονται κυρίως σε διαταραχές συχνότητας, τάσης και κυματομορφών, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1.
Πίνακας 1. Πίνακας κατηγοριοποίησης διαταραχών
ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ | Συχνότητας | Διακύμανση της συχνότητας τροφοδοσίας |
| Τάσης |
| |
| Κυματομορφής |
|
Οι διακυμάνσεις στην συχνότητα τροφοδοσίας δημιουργούνται όταν η ισορροπία μεταξύ της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και των φορτίων αλλάξει κάτι που σε κανονικές συνθήκες είναι σπάνιο, δεδομένου ότι εμφανίζεται κυρίως σε απομονωμένα δίκτυα.
Οι μεταβολές της τάσης μικρής διάρκειας (κάτω από 1 λεπτό). Ονομάζονται βυθίσεις (sags) για τάσεις ανάμεσα στο 10% – 90% της κανονικής τάσης ή υπερυψώσεις (swells)για τάσης μεγαλύτερες από το 110% (Βλ.Σχήμα1). Προκαλούνται από ζεύξη/απόζευξη μεγάλων φορτίων στο δίκτυο. Προκαλεί προβλήματα σε ευαίσθητο ηλεκτρονικό εξοπλισμό και επιλύεται με παρεμβάσεις στον τρόπο ζεύξης/απόζευξης.
Σχήμα 1: Βύθιση τάσης μικρής διάρκειας (sag).
Οι μεταβολές τάσεις μεγάλης διάρκειας (πάνω από 1 λεπτό). Ονομάζονται υποτάσεις (undervoltages) αν είναι λιγότερο από 90% της κανονικής τάσης, ή υπερτάσεις (overvoltages) αν είναι μεγαλύτερες από το 110%. Σημαντικά υπολογιστικά συστήματα και τηλεπικοινωνιακός εξοπλισμός πρέπει να προστατεύονται από UPS.
Ασυμμετρία τάσης και ρεύματος. Εμφανίζεται όταν υπάρχει διαφορά στην ενεργό τιμή της τάσης μεταξύ των φάσεων ή όταν η γωνία μεταξύ των φάσεων αποκλίνει από τις 120°. Επιλύεται με ανακατανομή των μονοφασικών φορτίων ισομερώς σε όλες τις φάσεις, με ανάλογη συμμετρική κατανάλωση ρεύματος.
Διακοπές, όπου η παροχή χάνεται τελείως για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ανάλογα με τη συχνότητά τους και την κρισιμότητα των φορτίων πρέπει να υπάρχουν εναλλακτικοί τρόποι τροφοδοσίας όπως Η/Ζ, UPS.
Συνεχείς ή τυχαίες εναλλαγές της τάσης (voltage fluctuations), οι οποίες παρατηρούνται σαν ένα ελαφρύ οπτικό τρεμόπαιγμα που μπορεί να οδηγήσει σε οπτική ενόχληση λόγω αστάθειας της έντασης του φωτός.
Αρμονικές ρεύματος/τάσης πολλαπλάσιας συχνότητας από τη θεμελιώδη (50Hz) και κάποιου πλάτους προκαλούνται κατά την τροφοδοσία φορτίων με ηλεκτρονικά ισχύος (π.χ. η τηλεόραση, οι υπολογιστές και οι λάμπες εξοικονόμησης ενέργειας), σε αυτόνομα συστήματα ΑΠΕ, κατά τη φόρτιση συσσωρευτών, σε καταστάσεις ασυμμετρίας παροχής, κλπ. Τα όργανα μετρούν μέχρι την 50η τάξη, δηλ.2500Hz. Επίλυση του προβλήματος των αρμονικών γίνεται κατά περίπτωση.
Σε μια παραμορφωμένη κυματομορφή οι Συντελεστές Αρμονικής Παραμόρφωσης τάσης και ρεύματος THVv,i δείχνουν το περιεχόμενο ανεπιθύμητων αρμονικών συνιστωσών (βλ.Σχήμ. 2 & 3), οι οποίες πέραν της θεμελιώδους (50Hz) είναι οι αιτίες όλων των σχετικών προβλημάτων και υπολογίζονται ως εξής:
Σχήμα 2: Τυπική κυματομορφή παρεχόμενης τάσης σε κτίριο και φάσμα αρμονικών με THDV= 2,6%.
Σχήμα 3: Παραμορφωμένες κυματομορφές τάσης και ρεύματος ενός λαμπτήρα φθορισμού 15W.
Αντιμετώπιση θεμάτων ποιότητας ισχύος
Η γνώση των ανωτέρω διαταραχών είναι απαραίτητη για τη διάγνωση ενός προβλήματος και είναι θεμελιώδους σημασίας για την έναρξη της επίλυσής του. Για τη διάγνωση του όποιου προβλήματος απαραίτητη είναι η μέτρηση με αναλυτή ηλεκτρικής ενέργειας και ισχύος (βλ.Σχήμα 4). Κατά την ανάλυση των μετρήσεων, ανιχνεύονται οι διαταραχές, αποθηκεύονται και είναι πλέον δυνατή η αποτύπωση και περαιτέρω ανάλυση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών, ώστε να διαστασιολογηθεί ορθά η οποιαδήποτε λύση.
Χρήσιμες συμβουλές για τον προσδιορισμό τυχόν προβλημάτων.
Καταγράψτε την τάση και το ρεύμα εισόδου. Εάν έχουμε απότομη πτώση τάσης και ταυτόχρονη αύξηση του ρεύματος που καταναλώνει ένα κτίριο, τότε η αιτία θεωρείται ότι βρίσκεται εντός του κτιρίου. Από την άλλη πλευρά, αν παρατηρείται ταυτόχρονη πτώση τάσης και ρεύματος , η αιτία αποδίδεται σε εξοπλισμό ή σε ηλεκτρικό σφάλμα έξω από το κτίριο.
Ελέγξτε την διακύμανση της ισχύος (power trend) Εξοπλισμός σε κατάσταση υπερφόρτωσης είναι συχνά η αιτία του προβλήματος. Γνωρίζοντας την διακύμανση της ισχύος, είναι πολύ πιο εύκολο να προσδιορίσουμε τον εξοπλισμό ή το σημείο που προκαλεί το πρόβλημα.
Ελέγξτε τις μετρήσεις άμεσα, όταν παρουσιαστεί το συμβάν. Με τον ακριβή προσδιορισμό της ώρας ενός συμβάντος (π.χ. πτώση τάσης) και μετά την υποχώρηση του προβλήματος, είναι πιο εύκολο να καθορίσουμε το σημείο που υπήρξε η δυσλειτουργία. Π.χ. Σε περίπτωση που έχουμε ταυτόχρονη πτώση τάσης και άνοδο του ρεύματος κάθε πρωί που ξεκινάει η παραγωγή, μπορεί να υπάρχει πρόβλημα στην διαδικασία μας, όπως η εκκίνηση ενός συμπιεστή υψηλής ισχύος.
Ελέγξτε για πλεονάζουσα θερμότητα στον εξοπλισμό. Υπερθέρμανση των Server, κινητήρων, μετασχηματιστών και καλωδίων αποτελούν βασικά σημάδια ότι υπάρχουν προβλήματα, λόγω υπερφόρτωσης ή αρμονικών.
Παράμετροι Ποιότητας Ισχύος και συμβάντα
Οι παράμετροι και τα συμβάντα που περιγράφονται παρακάτω είναι πολύ σημαντικά για την κατανόηση των πιθανών διαταραχών στην ποιότητα ισχύος και την αντιμετώπισης τους. Οι ανώτερες αποδεκτές τιμές τους ορίζονται εντός του αναλυτή ενέργειας. Ο αναλυτής αναγνωρίζει όλες τις περιπτώσεις υπέρβασης των καθορισμένων τιμών και καταγράφει το συμβάν.
Διακυμάνσεις Συχνότητας (Frequency Fluctuations)
Προκαλούνται λόγω της αλλαγής στην ισορροπία της ισχύος μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης, όπως επίσης και στην απότομη αύξηση ή μείωση του φορτίου. Οι αλλαγή της ταχύτητας περιστροφής των σύγχρονων κινητήρων (γεννητριών), που χρησιμοποιούνται κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, μπορεί να προκαλέσει διακυμάνσεις συχνότητας.
Υπέρταση (voltage swells or surges)
Υπέρταση ορίζεται ως η απότομη αύξηση της τάσης λόγω κάποιου συγκεκριμένου συμβάντος. Π.χ. Ζεύξη διάταξης πυκνωτών, απόζευξη μεγάλου φορτίου, σφάλμα στην γείωση . Η υπέρταση στο δίκτυο μπορεί επίσης να παρατηρηθεί κατά την σύνδεση μίας νέας πηγής ενέργειας (πχ φωτοβολταϊκά πάρκα, αιολική ενέργεια. ) Μια ξαφνική αύξηση της τάσης μπορεί να βλάψει ή να προκαλέσει επανεκκίνηση στην τροφοδοσία ηλεκτρικού εξοπλισμού. Ο όρος μεταβατική υπέρταση (transient overvoltage), χρησιμοποιείται όταν η υπέρταση έχει ιδιαίτερα υψηλή τιμή και ο χρόνος που διαρκεί είναι πολύ μικρός. Συνήθως προκαλείται από κεραυνούς, διακοπτικούς χειρισμούς και τήξη ασφαλειών. Μπορεί να προκαλέσει φθορές στις μονώσεις των αγωγών, λόγω του υψηλού λόγου dV/dt, ιδίως όταν οι μεταβατικές υπερτάσεις είναι επαναλαμβανόμενες.
FLICKER (διακύμανση τάσης-voltage fluctuation)
Ο όρος flicker (τρεμοπαίξιμο) αναφέρεται όταν υπάρχουν τυχαίες ή επαναλαμβανόμενες διακυμάνσεις στην ενεργό τιμή της τάσης, μεταξύ 90 και 110% της ονομαστικής τιμής. Προκαλείται συνήθως από κλιβάνους τόξου και φορτία με ηλεκτρονικά ισχύος. Όταν το Flicker έχει υψηλή τιμή, οδηγεί σε οπτικά αισθητή μεταβολή της έντασης του φωτός, που εκπέμπει ένας λαμπτήρας. Κατά συνέπεια, οι άνθρωποι που εργάζονται σε τέτοιο περιβάλλον, αισθάνονται άβολα και έχουν συχνούς πονοκεφάλους. Επίσης το flicker προκαλεί δυσλειτουργία σε εξοπλισμό ηλεκτρονικών υπολογιστών.
Βύθιση τάσης (voltage dips or sags)
Βύθιση τάσης ορίζουμε την στιγμιαία πτώση τάσης μεταξύ 1 και 90% της ονομαστικής τιμής και διάρκειας από μισό κύκλο έως 1 λεπτό. Οι περισσότερες βυθίσεις προκαλούνται από φυσικά φαινόμενα, όπως κεραυνούς και αστραπές. Επίσης συναντώνται κατά την εκκίνηση μεγάλων φορτίων και βραχυκυκλωμάτων. Μπορεί να προκαλέσει διακοπή λειτουργίας σε PLC, Η/Υ, σταμάτημα επαγωγικών κινητήρων και προβλήματα συγχρονισμού σύγχρονων κινητήρων και γεννητριών.
Διακοπή της τάσης (interruption or black out)
Ορίζεται ως η μείωση της τάσης κάτω από το 1% της ονομαστικής τιμής ανεξάρτητα από τον χρόνο διακοπής. Σύντομη διακοπή (short interruption) έως 3 λεπτά και παρατεταμένη διακοπή (long interruption) άνω των 3 λεπτών. Προκαλείται συνήθως από κεραυνούς και βραχυκυκλώματα.
Αρμονικές
Αρμονικές καλούνται τα ημιτονοειδή ρεύματα ή τάσεις, με συχνότητα ίση με το ακέραιο πολλαπλάσιο της θεμελιώδους συχνότητας του δικτύου. Διαταραγμένες περιοδικές κυματομορφές αναλύονται στο άθροισμα της θεμελιώδους και των αρμονικών που δημιουργούνται. Οι αρμονικές δημιουργούνται από φορτία που ελέγχονται μέσω ημιαγωγών και προκαλούν παραμορφωμένες κυματομορφές τάσης και έντασης. Οι αρμονικές μπορούν να προκαλέσουν υπερθέρμανση του εξοπλισμού και να καταστρέψουν πηνία και πυκνωτές σε διατάξεις διόρθωσης συντελεστή ισχύος (PFC Systems)
Διαρμονικές
Διαρμονικές είναι τα ημιτονοειδή ρεύματα ή τάσεις με συχνότητα όχι ακέραιο πολλαπλάσιο της θεμελιώδους. Παράγονται κυρίως από μετατροπείς συχνότητας, επαγωγικούς κινητήρες, συσκευές τόξου κτλ.
Ασυμμετρία
Δημιουργείται από την αύξηση ή μείωση του φορτίου φάσης σε τριφασικά κυκλώματα. Η ασυμμετρία μπορεί να προκαλέσει μείωση ροπής κινητήρων, υπερθέρμανση μετασχηματιστών κτλ.
Συμπεράσματα
Ως κυριότερα συμπεράσματα της παρουσίασης αυτής μπορούν να σημειωθούν τα ακόλουθα:
Η παρεχόμενη ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος παραμένει θέμα μεγάλης σημασίας.
Υπάρχει έλλειψη ενημέρωσης για τις διαταραχές και τις επιπτώσεις τους στον ηλεκτρικό εξοπλισμό.
Παλαιά και νέα μη γραμμικά φορτία προκαλούν φθορές, γήρανση ή και καταστροφή του εξοπλισμού στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις.
Πολλοί καταναλωτές δεν έχουν προστατευτικό εξοπλισμό κατά των διαταραχών.
Υπάρχουν σοβαρές απώλειες εισοδήματος από διαταραχές του δικτύου.
Ο ΔΕΔΔΗΕ/ΔΕΗ πρέπει να λάβει σοβαρότερα μέτρα διασφάλισης της παρεχόμενης ισχύος.
Υπάρχει πλέον η τεχνογνωσία για την ανάλυση των προβλημάτων και εύρεση λύσεων.
