Zajištění spolehlivosti a bezpečnosti elektrických systémů, zejména v izolovaných (IT) sítích, je klíčové pro mnoho aplikací, od nemocnic po průmyslovou výrobu a datová centra. Nalezení příčiny nízké hodnoty izolačního odporu v izolované soustavě někdy bývá zapeklitý oříšek. Tato problematika se dělí do několika kategorií a vyžaduje sofistikované přístupy a moderní analytické nástroje.
Příčiny snížení izolačního odporu v IT sítích
První kategorie zahrnuje případy, kdy opravdu došlo k degradaci izolace kabelů nebo konektorů, k znečištění rozvodnic a kontaktů. Jedná se zejména o letité instalace, případně o rozvody v náročném prostředí s výskytem prachu, vlhkosti nebo vysokých teplot. Poškozenou izolaci mohou samozřejmě mít také jednotlivé spotřebiče.
V moderních průmyslových provozech je dnes běžné použití pohonů s frekvenčními měniči nebo využití nejrůznějších aplikací se střídači a/nebo usměrňovači. Moderní výkonové polovodičové prvky jsou často zdrojem rušivých signálů, které se dříve v izolovaných soustavách nevyskytovaly. Z tohoto důvodu nejsou starší typy hlídačů izolačního stavu odolné např. vůči nízkým nebo vysokým kmitočtům. V případě modernizace výrobní linky mohou být nové spotřebiče příčinou signalizace zhoršeného izolačního stavu. V tomto případě se ale nejedná o závadu izolace, ale o nesprávně aplikovaný přístroj, který může díky zastaralé měřicí metodě udávat nesprávné hodnoty nebo být zdrojem falešných alarmů.
Další potíže, které mohou vznikat při monitoringu izolačního odporu, jsou rovněž spojené s modernizacemi napájecích soustav. Stává se totiž, že při modernizaci jsou v rozvodech „zapomenuty“ například staré voltmetry, které bývají „opřené“ o zem. Nově instalovaný hlídač izolačního stavu v takovém případě měří vnitřní odpor tohoto voltmetru a výsledkem je hodnota izolačního odporu v modernizované IT soustavě v řádech desítek až jednotek kOhm. Je třeba si uvědomit, že veškeré obvody, komponenty a přístroje zapojené mezi aktivní vodiče a zem snižují hodnotu izolačního odporu v dané IT soustavě. Stejný efekt jako „zapomenutý“ voltmetr mohou mít i některé moderní analyzátory kvality sítě připojené do IT sítě za účelem měření spotřeby nebo harmonických.
Hlídače izolačního stavu (IMD) a jejich instalace
Hlídače izolačního stavu, isometry a izometry splňují požadavky norem ČSN EN 61557-8 a kontrolují bezpečnost elektrických sítí. Hlídače izolačního stavu zastupují klíčovou roli kontrolního zařízení tam, kde je vyžadován nepřetržitý provoz, minimální poruchovost a zároveň maximální bezpečnost elektrické sítě, jako jsou nemocnice, průmyslová výroba, elektromobilita nebo datová centra.
Čtěte také: Průvodce kročejovou izolací
Moderní hlídače izolačního stavu využívají aktivních měřicích metod pro stanovení hodnoty izolačního odporu v monitorované IT soustavě. Výrobci se navíc snaží přizpůsobovat měřicí metody konkrétním aplikacím, je tedy nezbytné přistupovat k výběru přístroje s přihlédnutím ke všem důležitým parametrům monitorované soustavy, jako je typ sítě (AC/DC), jmenovité napětí sítě, možnost výskytu nízkých nebo vysokých kmitočtů, charakter instalovaných spotřebičů, hodnota rozptylové kapacity v síti a další. Špatně zvolený hlídač izolačního stavu může indikovat nesprávnou hodnotu izolačního odporu, případně být zdrojem falešných alarmů.
Základní pravidla pro instalaci hlídače izolačního stavu zní: přístroj musí být instalovaný co nejblíže zdroji a v jedné izolované soustavě smí být pouze jeden hlídač izolace. Jednou izolovanou soustavou se přitom myslí celá IT síť až po galvanické oddělení. V praxi se často setkáváme se situací, kdy je provedena modernizace podružného rozváděče. Projektant při návrhu rozváděče zjistí, že se jedná o izolovanou soustavu, a tak do rozváděče navrhne hlídač izolačního stavu. Nicméně v nadřazeném rozváděči, který se ale v projektu neřeší, je hlídač izolačního stavu již instalován. Výsledkem jsou nesprávné hodnoty izolačního stavu indikované oběma přístroji - vznikne totiž situace, kdy si přístroje měří navzájem svoje vnitřní odpory, které se typicky pohybují v řádu 100 kOhm a jsou tedy ve většině případů podstatně nižší, než je skutečná hodnota izolačního odporu dané IT soustavy. Dalším problémem mohou být falešné alarmy, které vznikají vzájemným ovlivňováním vlastního měření obou přístrojů. Moderní hlídače izolačního stavu totiž využívají aktivní měřicí metodu za využití napěťových pulzů superponovaných do monitorované sítě. Přístroj pak může nesprávně vyhodnotit napěťové pulzy generované druhým hlídačem.
Technické požadavky na instalaci IMD
- IMD musí být v síti IT instalovaný podle požadavku čl. 411.6.3.1 normy ČSN 33 2000-4-41 ed.
- Kde je rozveden nulový vodič, tak může být IMD spojen s nulovým vodičem. V takovém případě nesmí být do tohoto nulového vodiče zařazen žádný přístroj na ochranu před nadproudy.
- Hlídač izolace (IMD) musí být zapojen symetricky nebo jednopólově mezi živé vodiče a zemi nebo připojení ochranného vodiče PE nebo jiný referenční bod ekvipotenciálnímu pospojování.
- Kde není nulový bod rozvedený, může být svorka pro připojení vodiče vedení (tj. k vodiči vedení).
- Jestliže ve vícefázové síti je IMD zapojen mezi jeden vodič vedení (fázový vodič) a zemi, musí být schopný vydržet alespoň sdružené napětí (napětí mezi fázemi) přiložené mezi jeho svorku pro vodič vedení a svorku uzemnění. Toto napětí se objeví mezi těmito dvěma svorkami v případě jednotlivé izolační poruchy na jiném vodiči.
- U stejnosměrných instalací musí být svorka (svorky) vodiče (vodičů) vedení (krajního vodiče) spojeny buď přímo se středním bodem, pokud takový existuje, nebo s jedním nebo se všemi napájecími vodiči.
- Napájecí obvod IMD musí být spojený buď s instalací v tom samém obvodu, ve kterém je připojovací bod svorky pro vodič vedení (fázový nebo krajní vodič) a co nejblíže k začátku sítě nebo k pomocnému zdroji. Bod připojení k instalaci musí být zvolen takovým způsobem, aby byl IMD schopný monitorovat izolaci instalace při veškerých pracovních podmínkách.
- Kde je instalace napájena z více než jednoho zdroje a zdroje jsou zapojeny paralelně, musí být na každý zdroj použit jeden IMD za předpokladu, že tyto IMD jsou vzájemně blokovány tak, aby se sítí zůstal propojen vždy pouze jeden IMD. Všechny ostatní hlídače izolačního stavu (IMD) monitorují odpojený zdroj, aby bylo možno tento zdroj opět připojit, aniž by se na něm vyskytovala izolační porucha.
- Hlídače izolačního stavu (IMD) musí být také schopny měřit izolační odpor sítě, i jestliže jsou v poruchovém proudu přítomny stejnosměrné složky, které jsou způsobovány elektronickými zařízeními, např. usměrňovači nebo měniči.
- IMD musí obsahovat výběr hodnot pro nastavení a být seřízeny tak, aby to vyhovovalo příslušné instalaci. Jestliže pracují normálně s maximálním připojeným zatížením, musí být IMD seřízen na nejnižší hodnotu odpovídající normální izolaci sítě. Hodnota 100 Ω/V (300 Ω/V pro předběžnou výstrahu) jmenovitého napětí sítě je příkladem obvyklého nastavení hodnot.
- Jestliže jsou hlídače izolačního stavu (IMD) instalovány v místech, ve kterých mají přístup k jejich používání osoby jiné než poučené (BA4) nebo znalé (BA5), musí být hlídače instalovány takovým způsobem, aby nebylo možné upravit jejich nastavení s výjimkou použití klíče, nástroje nebo hesla. Nastavení IMD musí být seřízeno osobami poučenými (BA4) nebo znalými (BA5).
Lokalizace poruch izolace
Je dobré mít na paměti, že z hlediska hodnoty izolačního odporu jsou si jednotlivé spotřebiče rovnocenné. Dost často se v praxi při vyhledávání poruchy izolace setkáváme s představou, že porucha izolace bude na nějakém „velkém“ spotřebiči, například na frekvenčně řízeném pohonu o výkonu 2 MW. Taková zařízení ale většinou prochází pravidelnými revizemi. Nicméně při měření se následně často ukáže, že závadu způsobuje čerpadlo s výkonem pár kW, které se právě z důvodu zanedbatelného odběru nikdy nerevidovalo. Přístroje pro lokalizování poruchy musí odpovídat normě EN 61557-9.
Systém Bender pro automatickou lokalizaci poruch izolace
Systém EDS vyvinutý firmou Bender tvoří hlídač izolačního stavu s integrovaným generátorem pulzů iso685-D-P, vyhodnocovací jednotky EDS440/441 a měřicí proudové transformátory. Celý systém je navržen jako stavebnice, která se přizpůsobí téměř jakékoliv aplikaci, a to jak z hlediska počtu a průřezu monitorovaných vodičů, tak z hlediska složitosti sítě. Instalace systému je možná i v sítích, kde dochází ke složitému propojování přívodů a vývodů, tak i v izolovaných DC soustavách s diodovou vazbou pro zálohované napájení vývodů.
Systém společnosti Bender využívá proudových pulzů pro vyhledávání poruch. Hlídač izolačního stavu iso685-D-P trvale monitoruje hodnotu izolačního stavu sítě. V případě vzniku poruchy se automaticky začnou generovat testovací proudové impulzy, které jsou následně detekovány měřicími proudovými transformátory a vyhodnocovány lokalizačními jednotkami EDS. Překročí-li lokalizační proudový impulz nastavenou hodnotu odezvy ve vyhodnocovací jednotce EDS pro daný měřicí transformátor, systém signalizuje poruchu izolačního stavu na příslušném vývodu. Hlídače izolačního stavu a systémy pro vyhledávání poruch izolace od společnosti Bender přináší ucelené a sofistikované řešení pro zvýšení spolehlivosti a dostupnosti izolovaných soustav.
Čtěte také: IPA asfaltová izolace: Co potřebujete vědět
Monitorování vypnutých obvodů může být prováděno v sítích TN, TT a IT vybavených hlídači izolačního stavu (IMD) za předpokladu, že se IMD automaticky deaktivuje, jakmile se aktivuje bezpečnostní zařízení. Nutným předpokladem k tomu je, že monitorované elektrické obvody budou izolovány od všech pólů sítě. Toto je možno uplatnit například u obvodů obsahujících bezpečnostní zařízení, které je normálně odpojeno, aby se zajistilo, že bezpečnostní zařízení může fungovat, když na jeho funkci v případě nebezpečí nepůsobí zdroj.
Snížení izolační úrovně musí být indikováno místně buď vizuálním, nebo zvukovým signálem s možností dálkové indikace. Jestliže je zařízení v průběhu procesu měření izolačního stavu bez zatížení odpojeno od instalace, jsou izolační úrovně, které mají být měřené obecně velmi vysoké.
Analyzátory kvality elektrické energie
Kvalita elektrické energie ovlivňuje nejen efektivitu a životnost elektrických zařízení, ale také stabilitu a spolehlivost celé sítě. Analyzátor kvality elektrické sítě funguje na základě měření a zpracování různých elektrických parametrů v reálném čase. Zařízení je vybaveno senzory a transducery, které měří klíčové parametry jako napětí, proud, frekvence, harmonické zkreslení či výpadky napětí. Tyto senzory převádějí fyzikální veličiny na elektrické signály, které jsou následně převáděny na digitální data pomocí vysokorychlostních analogově-digitálních převodníků (ADC). Tento proces umožňuje detailní analýzu a zpracování dat. Digitální data jsou dále zpracovávána pomocí specializovaného softwaru, který umožňuje identifikaci anomálií, trendů a vzorců v kvalitě elektrické energie. Pokročilé algoritmy a metody numerické analýzy, včetně Fourierovy transformace, se využívají k detekci harmonických a dalších nepravidelností.
Funkce moderních analyzátorů kvality sítě
- Měření harmonických kmitočtů, které mohou způsobovat přehřátí zařízení, rezonanci a další problémy v elektrické síti.
- Monitoring výpadků napětí a frekvenčních odchylek, které mohou ovlivnit provoz elektrických zařízení.
- Sledování účiníku s cílem optimalizace energetické efektivity a snížení ztrát v síti.
- Kontinuální monitorování s možností zpětné analýzy historických dat pro identifikaci dlouhodobých trendů a problémů.
- Komunikační rozhraní, jako je Ethernet, Wi-Fi nebo LTE, umožňující integraci do širších systémů řízení a monitorování.
Vývoj moderních analyzátorů kvality elektrické sítě je poháněn technologickými inovacemi, které zvyšují jejich funkcionalitu a uživatelskou přívětivost. Integrace analyzátorů do ekosystémů Internetu věcí (IoT) umožňuje vzdálené monitorování, automatické aktualizace a pokročilou analýzu dat pomocí cloudových služeb. Využití pokročilé datové analýzy a umělé inteligence (AI) umožňuje prediktivní údržbu, detekci vzorců a automatizované řešení problémů v kvalitě elektrické energie. Moderní analyzátory často nabízejí modulární konstrukce, které umožňují přizpůsobení specifickým potřebám uživatelů a snadnou rozšiřitelnost funkcí. Bezdrátové komunikační metody snižují náklady na instalaci a umožňují flexibilnější rozmístění zařízení v elektrické síti.
Příklady analyzátorů kvality elektrické sítě
Analyzátor kvality elektrické sítě PLA34RG je určen k měření kvality elektrické energie ve všech typech sítí NN a VN metodikou dle normy IEC 61000-4-30 třída S. PLA34RG měření proudu pomocí Rogowského cívek, které umožňují měření proudu až do 10 kA. Přístroj je díky širokému spektru měřených parametrů vhodný k dlouhodobému sledování a záznamu parametrů elektrické energie a k ověření kvality dodávky dle normy EN 50160.
Čtěte také: Radon a asfaltová izolace
Průběhy napětí a proudů jsou nejprve digitalizovány a následně zpracovány dle normy IEC 61000-4-30 třída A. Výpočet efektivních hodnot sítě probíhá z navzájem navazujících oken každých 200ms. Nezávisle na těchto výpočtech je pro detekci událostí každých 10 ms vypočtena efektivní hodnota napětí a proudů. Další zcela nezávislou částí je detekce tranzientů, které jsou detekovány přímo ze vzorků digitalizovaného napětí a proudu. Vypočtené hodnoty, průměrné hodnoty, energie, události a tranzienty následně přístroj ukládá do vnitřní paměti.
Tabulka: Porovnání vybraných analyzátorů kvality elektrické energie
| Model | Typ sítě | Napětí | Kmitočet | Třída přesnosti | Komunikace | Speciální funkce |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Chauvin Arnoux C.A PEL 115 | 1- a 3-fázové | do 1 000 V | DC, 50, 60, 400 Hz | TRMS, IP67 | PC (real-time) | Odolný záznamník, monitoring více míst |
| Fluke 1773 Basic | 1- a 3-fázové | do 1 000 V | - | Třída A (IEC 61000-4-30 edice 3) | USB, LTE, WiFi, Ethernet | Automatická měření, dotykové ovládání, napájení z instalace |
| Chauvin Arnoux C.A. PEL113 + MA194/350 | 1- a 3-fázové | do 1 000 V | DC, 50, 60, 400 Hz | TRMS | - | S převodníky MA194/350, DataView |
| Chauvin Arnoux C.A PEL 112 | 1- a 3-fázové | do 1 000 V | DC, 50, 60, 400 Hz | TRMS | USB, WiFi, Ethernet | Monitoring více míst, 3 napěťové kanály |
| Metrel MI2892 EU Power Master | 3-fázové | - | - | Třída A | - | Ruční, velký barevný displej, 4 proudové a 4 napěťové vstupy |
| PLA34RG | NN a VN | - | - | Třída S (IEC 61000-4-30 třída A, přesnost 0.2%) | Webserver, PMS software | Rogowského cívky (až 10 kA), detekce tranzientů (40kHz) |
Analyzátor kvality elektrické energie PLA34RG měří metodikou dle normy IEC 61000-4-30 třída A, nicméně díky přesnosti měření napětí 0.2% spadá do třídy S. Analyzátory této třídy se používají k hodnocení kvality energie, kdy výsledky nejsou použity k řešení sporů. Součástí dodávky přístroje PLA34RG jsou Rogowského cívky pro měření proudu s nastavitelným rozsahem 10A, 30A, 100A, 1kA, 3kA,10kA. Měření proudu pomocí Rogowského cívek je výhodné především v sítích NN, kdy v mnoha případech není nutné použití předřadných proudových transformátorů, ale proud lze měřit přímo Rogowského cívkami.
Události jsou nepředvídatelné jevy trvající od 10ms až po dny. V některých provozech mohou tyto jevy způsobovat značné materiální a finanční škody. Norma EN 50160 uvádí meze událostí a jejich počet, který může v elektrické síti během roku nastat. Přístroj PLA34RG vyhodnocuje události typu DIP - pokles napětí, INT - výpadek napětí, SWELL - zvýšení napětí, RVC - rychlá změna napětí a I_MAX - nadproud. Události jsou detekovány na základě efektivních hodnot napětí a proudů obnovených každých 10 ms. Tranzienty jsou velice rychlé jevy v řádech us, které mohou způsobit chybnou funkci přístrojů nebo jejich celkové zničení. K detekci tranzientů dochází na základě vzorků signálu, jejichž vzdálenost závisí na vzorkovací frekvenci přístroje. Čím je vzorkovací frekvence přístroje vyšší, tím rychlejší tranzienty je možné detekovat. Přístroj PLA34RG patří se vzorkovací frekvencí 40kHz a možností zachytit tranzienty delší než 25us k nejlepším panelovým přístrojům pro analýzu tranzientů na trhu.
Zabudovaný webový server přístroje PLA34RG umožňuje základní vzdálený monitoring systému bez nutnosti instalace softwaru PMS. Na webovém serveru jsou přehledně zobrazeny aktuální parametry sítě s přehledem posledních padesáti událostí a tranzientů. Přes volně dostupný software PMS - Power Monitor System lze přístroje snadno konfigurovat a využívat dalších možností softwaru pro snadný monitoring systému. Software je rozdělen do dvou částí, jehož první část PMS client umožňuje online sledování naměřených hodnot s přehledným zobrazením v grafech a dále umožňuje snadnou konfiguraci přístroje. Druhá část softwaru PMS Data Evaluation slouží k práci s daty uloženými v paměti přístroje. Naměřená data jsou rozdělena do několika Topics, ve kterých si uživatel může zvolit, která data chce přesně přijímat. Naměřená data jsou přenášena ve formě souboru JSON. Tento soubor je široce podporován a velice snadno se implementuje do jakéhokoliv systému.
Závěr
Moderní analyzátory kvality elektrické sítě nacházejí široké uplatnění v různých sektorech. V průmyslových podnicích je monitorování kvality energie klíčové pro ochranu výrobních zařízení, snížení prostojů a optimalizaci energetické spotřeby. Energetické společnosti využívají analyzátory k zajištění stability a spolehlivosti distribuce elektrické energie, identifikaci a řešení problémů v síti. Komerční budovy mohou optimalizovat energetickou efektivitu, sledovat spotřebu a snižovat náklady na energii. V infrastruktuře smart grid se analyzátory integrují do inteligentních sítí pro zlepšení řízení a distribuce energie. Vývoj analyzátorů kvality elektrické sítě směřuje k větší automatizaci, integraci s dalšími technologiemi a zvyšování přesnosti měření. Rozvoj edge AI umožňuje integraci pokročilých AI algoritmů přímo do zařízení pro real-time analýzu a predikce. Standardizace rozhraní a protokolů přispívá k větší interoperabilitě, což umožňuje lepší integraci různých zařízení a systémů. Energeticky efektivní design se zaměřuje na vývoj zařízení s nižší spotřebou energie, což zvyšuje udržitelnost a snižuje provozní náklady. Vylepšené bezpečnostní protokoly zajišťují vyšší ochranu proti kybernetickým hrozbám a bezpečný přenos dat v rámci IoT sítí. Moderní analyzátory kvality elektrické sítě představují klíčový nástroj pro zajištění spolehlivosti, efektivity a bezpečnosti elektrických systémů. Díky pokročilým technologiím a funkcím umožňují detailní monitorování a analýzu elektřiny, což přispívá k optimalizaci provozu, prevenci poruch a zlepšení celkové kvality energie.
tags: #analyzator #izolace #it #sit #informace