Pomiary w energetyce

Na wstępie przeprowadźmy mały test. Zadaniem losowo wybranych uczestników będzie udzielenie szybkiej odpowiedzi na zasadzie pierwszego skojarzenia. Pytanie brzmi: Co ci się kojarzy ze słowem energetyka? Z dużą dozą prawdopodobieństwa można przewidzieć, że w zależności od wiedzy technicznej respondentów odpowiedzi będą oscylowały wokół terminów takich jak: elektrownia, prąd, linia wysokiego napięcia, turbina, transformator, linia 3-fazowa itp. Raczej niewielu uczestników testu skojarzy energetykę z ciepłownictwem, systemami ogrzewania i ogólnie zaopatrywania w ciepło. A przecież to też energetyka.

No dobrze, to była tylko dygresja mająca na celu uświadomienie, że w ogólnym przypadku mamy do czynienia z tematyką dużo szerszą, niż nam się pierwotnie wydaje. Zakres branżowy Energetabu w przeważającym procencie obejmuje rzeczywiście elektroenergetykę. Do pomiarów w tej branży ograniczymy się w artykule.

Zagadnienia pomiarowe

Wróćmy jeszcze na chwilę do skojarzeń. Jednym z pierwszych i najczęściej występujących były wysokie napięcia, a skoro tak, należy im się chwila uwagi. Rozpatrzmy więc pomiary urządzeń i materiałów przeznaczonych do pracy przy wysokich napięciach lub poddawanych oddziaływaniu takich napięć. Są to stacje rozdzielcze, aparatura łączeniowa, przekładniki prądowe i napięciowe, transformatory, ograniczniki przepięć, izolatory, osprzęt linii napowietrznych itp. Do badań i pomiarów tych obiektów są wykorzystywane napięcia przemienne lub udarowe.

Duża, jeśli nie przeważająca, część urządzeń energetycznych pracuje w otwartej przestrzeni, jest więc narażona na oddziaływanie warunków środowiskowych. Linie przesyłowe wysokiego napięcia nie mogą jednak stanowić nawet najmniejszego zagrożenia bez względu na panujące warunki. Tymczasem oczywiste jest pogarszanie się własności izolatorów wynikające choćby z ich zabrudzenia, zamoczenia czy zmian temperatury. Wszystkie parametry elektryczne muszą więc być utrzymywane pod stałą kontrolą. Ale mierzone są nie tylko parametry stricte elektryczne. Nie mniej istotne są własności mechaniczne elementów sieci przesyłowych, jest to jednak inna klasa zagadnień, którą nie będziemy się zajmować.

O izolatorach trzeba jednak powiedzieć nieco więcej. Z uwagi na makroskalę urządzeń energetycznych konieczne jest uwzględnianie wielu czynników, o których nawet nie myślą inżynierowie zajmujący się np. elektroniką użytkową. Wyobraźmy sobie wielką turbinę pracującą w elektrowni. Wszelkie prace serwisowe przy takim obiekcie powodują ogromne perturbacje w pracy co najmniej danego bloku energetycznego, jeśli nie większej części systemu. Prace serwisowe i obsługowe powinny więc być wykonywane jak najkrócej i jak najrzadziej, aby nie przerywać pracy systemu. Na pewne czynniki nie mamy jednak w zasadzie większego wpływu. Jednym z nich są procesy starzeniowe izolacji uzwojeń. Stan izolacji turbogeneratorów i hydrogeneratorów musi więc być okresowo sprawdzany. Z tych samych względów stałej kontroli muszą być też poddawane uzwojenia stojanów i wirników innych wysokonapięciowych maszyn wirujących. Procesy starzeniowe są kontrolowane metodami analiz diagnostycznych i porównawczych. Z izolatorami wiążą się też pośrednio parametry dielektryczne różnych materiałów, układów izolacyjnych i elementów uzwojeń. Pomiary z tym związane mieszczą się jednak raczej w zakresie jednostek badawczych niż służb utrzymania ruchu.

Pomiary izolatorów nie należą do łatwych. Mamy do czynienia z materiałami o bardzo dużych rezystancjach, często większych od rezystancji elementów izolacyjnych mierników. Wartości rzędu 40 TΩ nie są niczym wyjątkowym. Zresztą wbrew pozorom rezystancja nie jest tym parametrem, który interesowałby energetyków najbardziej.

W badaniach izolatorów konieczne jest stosowanie specjalnych metod pomiarowych. Jedną z nich jest pomiar intensywności wyładowań niezupełnych. W tym przypadku mamy do czynienia z lokalnymi wyładowaniami elektrycznymi zachodzącymi tylko w części izolatora. Wyładowania te nie powodują utraty własności izolacyjnych pod warunkiem, że nie zachodzą zbyt długo. Zbyt długie utrzymywanie wyładowań niezupełnych prowadzi do trwałego uszkodzenia struktury izolatora, czego następstwem jest przebicie, a w konsekwencji całkowite zniszczenie elementu. Badania układów izolacyjnych metodą pomiaru intensywności wyładowań niezupełnych są stosowane w odniesieniu do wszystkich urządzeń wysokiego napięcia, m.in.: stojanów i wirników generatorów, transformatorów olejowych i suchych, przekładników prądowych i napięciowych, kondensatorów elektroenergetycznych, rozdzielnic wysokiego napięcia itd. Zagadnienie to jest od wielu lat tematem prac prowadzonych w instytutach naukowych na całym świecie, co zaowocowało opracowaniem szeregu metod pomiarowych. Część z nich jest stosowana z powodzeniem zarówno w laboratoriach, jak i w terenie, niektóre mają znaczenie raczej tylko teoretyczne. Jest to tematyka na tyle odległa od elektroniki, z jaką spotykają się na co dzień Czytelnicy, że warto ją trochę przybliżyć.

Wyładowaniom niezupełnym towarzyszą różne efekty i zjawiska fizyczne, które mogą być wykorzystywane w pomiarach, np.: emisja fal elektromagnetycznych związana z występowaniem impulsów prądowych, przemiany chemiczne materiałów izolacyjnych, fale akustyczne generowane na skutek udarowych odkształceń sprężystych, emisja promieniowania świetlnego, lokalny wzrost temperatury obserwowany w kanale wyładowania, a nawet zmiany ciśnienia gazu w kanale wyładowania.

W praktyce do najczęściej stosowanych należy zaliczyć elektryczną metodę pomiarową. Pozwala ona nie tylko identyfikować formy wyładowań, ale przy spełnieniu kilku warunków również lokalizować ich źródła. Jest to jednak metoda czuła na zakłócenia zewnętrzne, co ogranicza nieco jej stosowanie w warunkach przemysłowych.

Metoda elektryczna wymaga użycia odpowiednio dobranych wymuszeń. Wymóg ten nie zawsze jest możliwy do spełnienia w warunkach eksploatacyjnych. W takich przypadkach konieczne jest sięganie po metody łączone. Na przykład w pomiarach pracujących transformatorów w pierwszym kroku stosowana jest metoda akustyczna. Pozwala ona stwierdzać ewentualne występowanie wyładowań niezupełnych i je lokalizować, ale nie umożliwia dokonania ilościowej oceny zagrożeń. Odwołanie się do metody elektrycznej jest wtedy niezbędne. Koniecznie musi być ona jednak uzupełniona o analizę korelacji wyników z zakłóceniami otoczenia. Wynika to, jak już wiemy, z wrażliwości tej metody na zakłócenia zewnętrzne.

Analogią do wysokich napięć są wielkie prądy. Zagadnienia pomiarowe są podobne, zmieniają się tylko metody. Energetycy podchodzą do tematu nieco przekornie, twierdząc, że i tak de facto wszystko ogranicza się do pomiaru napięć, uzyskiwanych z odpowiednich przetworników prąd-napięcie będących elementami przekładników pomiarowych. Dodajmy, że mamy do czynienia z pomiarami prądów o natężeniach rzędu kilkudziesięciu kiloamperów. Pomiary prądów są wykonywane m.in. podczas badania uziemniaczy przenośnych, uziomów, łączników, podstaw bezpiecznikowych i bezpieczników wysokiego napięcia, a także przekładników prądowych. Natężenie prądu musi być też kontrolowane w badaniach nagrzewania się transformatorów rozdzielczych. Z pomiarami prądów wiążą się ponadto badania odporności obudów rozdzielnic i złączy niskiego napięcia na działanie łuku elektrycznego powstałego w wyniku zwarcia wewnętrznego.

Techniki pomiarów wysokich napięć i wielkich prądów są wykorzystywane w projektowaniu i eksploatacji elektroenergetycznych układów zabezpieczeń. Jest to dział bardzo mocno związany z automatyką, tylko nieco inną niż automatyka, o której często piszemy w EP. Tu nie mamy do czynienia z małymi silniczkami krokowymi, tylko z zabezpieczeniami wielkich generatorów i bloków energetycznych. W pracach nad takimi systemami nie można pozwolić sobie na błędy. Obliczenia teoretyczne są zawsze wspierane symulacjami. Instytucje zajmujące się tymi zagadnieniami wykorzystują więc na co dzień specjalistyczne oprogramowanie. Symulacje takie często wymagają gigantycznych mocy obliczeniowych. Alternatywą dla bardzo drogich superkomputerów są komputery połączone w sieć, pracujące jednocześnie nad złożonym zagadnieniem obliczeniowym. Takie metody symulacji są wykorzystywane przede wszystkim w instytucjach naukowo-badawczych.

Nie tylko prąd i napięcie

Energetyka, a zwłaszcza elektroenergetyka, kojarzy się z wielkimi słupami linii wysokiego napięcia, stacjami rozdzielczymi, z wielkimi izolatorami i transformatorami, z charakterystycznym brzęczeniem dobiegającym z instalacji szczególnie w deszczowe dni. Jednym słowem, wszędzie otacza nas wysokie napięcie i przepływają wielkie prądy. Parametry elektryczne nie są jednak jedynymi, które są mierzone przez elektroenergetyków. Była już mowa o elektroturbinach. Są to potężne obiekty będące w ciągłym ruchu. Konieczne jest więc stałe nadzorowanie ich parametrów mechanicznych. W trakcie instalacji turbiny niezwykle ważne jest prawidłowe jej wyważenie. Na skutek zużywania się łożysk i innych części mechanicznych może się ono zmieniać w trakcie eksploatacji, a skutkami takiego stanu są zwykle bardzo kosztowne awarie. Konieczne są więc rutynowe pomiary drgań i hałasu świadczące o pojawianiu się defektów mechanicznych. Znajdują tu zastosowanie wszelkiego rodzaju czujniki piezoelektryczne i tensometryczne oraz urządzenia do pomiarów akustycznych. Skutkiem niesprawności mechanicznej turbin jest pogorszenie jakości energii. Parametr ten jest mierzony w wewnętrznych sieciach elektrowni, ale też u odbiorców końcowych, w zakładach przemysłowych itp.

Oddziaływania środowiskowe

My elektronicy niskoprądowi, można chyba zastosować takie określenie w odniesieniu do większości Czytelników naszego miesięcznika, niejednokrotnie mieliśmy do czynienia z jakże irytującymi zakłóceniami radiowymi wywoływanymi np. załączaniem źle zabezpieczonych obwodów elektrycznych. Występują one oczywiście zawsze w najmniej odpowiednich momentach, gdy słuchamy ważnego komunikatu radiowego lub rozmawiamy przez CB-radio z mobilkiem na trasie. Zapewne sami mieliśmy też niejedną okazję, aby przekonać się na własnej skórze, że załączany przekaźnik naszego urządzenia elektronicznego jest doskonale słyszany w radiu. Co dopiero może się wydarzyć, gdy przełączane są prądy o natężeniu kilku, kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu kiloamperów?

Tak jak w elektronice użytkowej, tak i w energetyce ważnym zagadnieniem są badania i pomiary pola elektromagnetycznego (EMF), a także zakłóceń radioelektrycznych. Wielkie obiekty instalacji energetycznych tak jak małe urządzenia elektroniczne podlegają normom dotyczącym ochrony przeciwprzepięciowej oraz kompatybilności elektromagnetycznej. Niezależnie wykonywane są pomiary natężenia pola elektromagnetycznego w pobliżu obiektów energetycznych, na stanowiskach pracy, w osiedlach mieszkaniowych. Na większości współcześnie budowanych osiedli, a nawet w poszczególnych budynkach instalowane są transformatory i rozdzielnie rozsyłające energię elektryczną do lokali. Wokół takich transformatorów można spodziewać się zwiększonego natężenia pola elektromagnetycznego oraz hałasu. Parametry te są mierzone przez wyspecjalizowane jednostki.

Wzorcowanie

Czytelnicy zapewne nie mogą doczekać się, kiedy w artykule pojawi się prezentacja wybranych marek i typów przyrządów używanych w pomiarach branży energetycznej. Jest z tym pewien problem, ponieważ wbrew pozorom w tej dziedzinie marka nie jest najważniejsza. Liczy się przede wszystkim dokładność i wiarygodność uzyskiwanych wyników. Nie jest zatem właściwie istotne, czy pomiar jest wykonany najnowszym miernikiem Fluke, czy starym, wysłużonym meteksem, jeśli tylko przyrządy te będą miały wystawione odpowiednie świadectwo przez akredytowane laboratorium certyfikacyjne. Nie sposób wyobrazić sobie, aby pomiary sieci energetycznych były wykonywane przyrządami niemającymi odpowiednich świadectw i certyfikatów. Skutki uzyskiwania błędnych wyników byłyby zbyt kosztowne, nie wspominając o konsekwencjach mających wpływ na bezpieczeństwo odbiorców energii i pracowników wykonujących pomiary.

Czynnością mającą na celu sprawdzenie poprawności wyników danego przyrządu pomiarowego jest wzorcowanie. Stanowi ono bardzo ważny aspekt pomiarów w energetyce, do którego ludzie tej branży przywiązują bardzo duże znaczenie. Nie może więc dziwić fakt, że liczba laboratoriów wzorcujących stale rośnie. Są one często zakładane bezpośrednio przez producentów aparatury pomiarowej dla energetyki, dzięki czemu realizacja procedur wzorcowania jest znacznie ułatwiona. Nie wszystkie instytucje mogą sobie na to pozwolić, wówczas jedynym rozwiązaniem jest korzystanie z laboratoriów ogólnodostępnych. Usługi tego typu w zakresie oceny zgodności z dokumentami normatywnymi wyrobów przeznaczonych do stosowania w przedsiębiorstwach elektroenergetycznych zajmujących się wytwarzaniem i dystrybucją energii elektrycznej są wykonywane np. w Instytucie Energetyki przez wyodrębniony Zespół ds. Certyfikacji. Świadczy on usługi certyfikacyjne. Zespół ten posiada akredytację Polskiego Centrum Akredytacji.

Z wzorcowaniem jest jednak związany pewien problem nomenklaturowy. Otóż wzorcowanie jest często mylone z kalibracją, a nie są to synonimy. Nieporozumienie wynika z odmiennego znaczenia angielskiego terminu calibration z polską kalibracją. Efektem wzorcowania nie jest wykonanie czynności serwisowych mających na celu spowodowanie, aby dany miernik mierzył prawidłowo na wskazanych zakresach, lecz porównanie jego wyników z wynikami przyrządu wzorcowego i wystawienie na tej podstawie odpowiedniego raportu. Są w nim wykazywane ewentualne odchyłki w wybranych punktach pomiarowych w odniesieniu do przyrządu wzorcowego. Jeśli w jakichś przypadkach okazuje się, że odchyłki te są zbyt duże, dany przyrząd musi być poddany adiustacji, czyli strojeniu, bądź wycofany z użytkowania. Wzorcowanie i strojenie (kalibracja) to zupełnie inne, odrębne czynności.

Mikroelektronika dla makroenergetyki

Energetyka to ultrawysokie napięcia i wielkie prądy. To parametry, z którymi do czynienia ma dość wąska grupa specjalistów. U laika włos jeży się na głowie bynajmniej nie z powodu efektów elektrostatycznych, ale na samą myśl o tych wielkościach. Można przypuszczać, że aby zapewnić odporność na niebotyczne wartości napięć i prądów, aparatura pomiarowa powinna być równie wielka, wręcz toporna. Tymczasem, gdy spojrzymy na konkretne rozwiązania techniczne, okazuje się, że elektronika pomiarowa jest zbudowana w oparciu o dobrze znane mikroprocesory, tranzystory i układy scalone z zastosowaniem montażu powierzchniowego. Właściwie taki stan rzeczy nie powinien dziwić, wszak trudno by było opracować procesor z wejściami odpornymi na napięcia rzędu tysięcy woltów. Nie tędy droga. Problem jest rozwiązywany przez włączanie do toru pomiarowego odpowiednio zaprojektowanych transformatorów, przekładników itp. Analogiczne rozwiązania są stosowane w układach automatyki zabezpieczeń, w których wymagana jest znajomość parametrów wysokonapięciowych.

Typowe pomiary i aparatura

Jednym z ważniejszych parametrów, który jest mierzony, a często nawet monitorowany w sposób ciągły przez dostawców oraz przemysłowych odbiorców energii elektrycznej, jest jakość energii. W rzeczywistości jest to kilkanaście parametrów pozwalających ocenić, czy energia jest dostarczana zgodnie z obowiązującymi normami. Są to:

• napięcie (średnie, skuteczne, maksymalne, chwilowe),
• prąd (średni, skuteczny, maksymalny, chwilowy),
• moc (czynna, bierna, pozorna),
• częstotliwość,
• współczynnik mocy PF, cosφ, tgφ,
• energia (czynna, bierna, pozorna),
• współczynnik szczytu dla prądu i napięcia,
• harmoniczne napięcia i prądu (co najmniej do 50.),
• współczynnik zniekształceń harmonicznych napięcia i prądu - THD,
• asymetria napięć i prądów,
• wskaźnik migotania światła (krótkookresowy i długookresowy).

Konieczność pomiaru jakości energii wynika z ciągle zwiększającej się liczby nieliniowych odbiorników dołączanych do sieci zasilających. Trend ten jest widoczny u odbiorców przemysłowych korzystających w znacznym stopniu z odbiorników o charakterze indukcyjnym, głównie silników elektrycznych, ale też u odbiorców indywidualnych będących użytkownikami wszelkiego rodzaju przetwornic impulsowych i energooszczędnych, przy tym niestety nieliniowych systemów oświetleniowych. Pogorszenie parametrów sieci występuje na przykład wskutek gwałtownych zmian obciążenia wynikających z chwilowego zapotrzebowania na energię u odbiorców, z operacji przełączeniowych w stacjach rozdzielczych, ze zjawisk atmosferycznych, jak też z awarii odbiorników dużej mocy. Z kolei nieodpowiednie parametry sieci mogą być przyczyną nieprawidłowej pracy innych odbiorników, a nawet ich kolejnych uszkodzeń. Takim przypadkom zapobiega się oczywiście już na etapie rozdzielania energii, tworząc grupy przyłączeniowe, nie zwalania to jednak z konieczności monitorowania jakości energii.

Problemem technicznym jest zawsze pomiar prądu. Nie zawsze metoda bezpośrednia jest możliwa. W takich przypadkach konieczne jest stosowanie odpowiednio dobranych przekładników prądowych. Konfiguracja pomiarów zależy od zakresów pomiarowych i rozwiązań technicznych stosowanych przez poszczególnych producentów przyrządów.

Fotografia 1. Przenośny rejestrator jakości energii PQM-700 firmy Sonel

Fotografia 2. Stacjonarny rejestrator jakości energii PQI-DA Smart firmy A-EBERLE

Fotografia 3. Tester kolejności faz TKF-12 firmy Sonel

Fotografia 4. Zaawansowany lokalizator przewodów AT-6000 EUR produkcji Beha-Amprobe

Jakość energii nie jest niezmienna w czasie. Użytkownicy urządzeń elektrycznych muszą być przygotowani na ewentualne zakłócenia, a jeśli mogą być one z jakichś powodów krytyczne, powinni instalować odpowiednie zabezpieczenia. Szczególnie groźne są tzw. zaniki, czyli całkowite przerwy w dostawie energii trwające od kilku milisekund nawet do kilku sekund. Nie mniej groźne są zapady i przepięcia. Zapad to krótkotrwałe obniżenie napięcia sieci poniżej 90% wartości znamionowej, natomiast przepięcie to nagły wzrost tego napięcia powyżej wartości dopuszczalnej. Może się zdarzyć, że ten wzrost wielokrotnie przekracza wytrzymałość udarową izolacji urządzeń, co oczywiście prowadzi do poważnych awarii. Przyczyny powyższych zakłóceń są różne, a ich stwierdzenie jest możliwe właściwie wyłącznie na podstawie analizy wyników rejestrowanych w sposób ciągły. Z tego względu analizatory jakości energii są oferowane przez producentów bardzo często jako rejestratory. Nie wystarczy jednak tylko zapisanie wyników na jakimś rodzaju nośnika. Aby prawidłowo zidentyfikować przyczynę poszczególnych zdarzeń, bardzo ważna jest jak najdokładniejsza synchronizacja zapisów z wzorcowym sygnałem czasu. Może to ułatwić lokalizację źródła zakłócenia u odbiorcy końcowego, na przykład przez skojarzenie z jakimś równoczesnym zdarzeniem na stacji rozdzielczej. Sygnał czasu w rejestratorze pochodzi zwykle z wewnętrznego odbiornika GPS dającego dodatkowo możliwość dołączania do raportu lokalizacji pomiaru. Słabym punktem takiego rozwiązania może być niewystarczający sygnał GPS, szczególnie wtedy, gdy pomiar jest wykonywany w pomieszczeniach zamkniętych. Rozwiązaniem jest dołączanie anteny zewnętrznej, do czego takie rejestratory są zwykle przystosowane. Rejestratory jakości energii są produkowane w wersji przenośnej (np. rejestrator PQM-700 firmy Sonel - fotografia 1) lub stacjonarnej (np. rejestrator PQI-DA Smart firmy A-EBERLE - fotografia 2). Przyrządy stacjonarne występują najczęściej jako mierniki tablicowe. Komunikacja z urządzeniem jest realizowana za pośrednictwem interfejsów: Modbus RTU, Modbus TCP/IP, Profibus, RS232 czy bezprzewodowego Wi-Fi. Kolejnym podziałem rejestratorów i analizatorów parametrów sieci jest liczba faz, które mogą być mierzone jednocześnie. Oprócz przyrządów 1-fazowych i 3-fazowych występują również analizatory 4-kanałowe przystosowane do pomiarów we wszystkich trzech fazach, a ponadto umożliwiające pomiar prądu w przewodzie zerowym. Przykładem takiego rejestratora jest Fluke 1742 (oraz 1746 i 1748).

Wykonując instalacje 3-fazowych sieci elektrycznych, konieczne jest prawidłowe identyfikowanie kolejności faz. Funkcję taką mają niektóre mierniki jakości energii, ale spotykane są również specjalnie do tego przeznaczone testery. Są one wykonywane jako małe ręczne przyrządy przypominające multimetry. Przykładem takiego miernika jest tester TKF-12 firmy Sonel (fotografia 3). Jest on często wykorzystywany przez instalatorów urządzeń z 3-fazowymi silnikami elektrycznymi. Jedna z funkcji pozwala identyfikować obecność pola magnetycznego, kolejna zaś jest przydatna do przewodowej i bezprzewodowej detekcji kierunku obrotów wału silnika. Miernik potrafi też określić kierunek wirowania wirnika tylko na podstawie pomiaru i analizy połączeń, bez uruchamiania silnika.

Fazy są już zidentyfikowane na tablicy rozdzielczej, ale od niej przewody należy rozprowadzić po całej hali produkcyjnej czy po wielokondygnacyjnym budynku. Taka sieć może stanowić niezłą plątaninę przewodów, które muszą być jednoznacznie i bezbłędnie zidentyfikowane przy każdym gnieździe. Zadanie to ułatwiają instalatorom specjalne przyrządy, na przykład zaawansowany lokalizator przewodów AT-6000 EUR produkcji Beha-Amprobe (fotografia 4). Składa się on z dwóch elementów: nadajnika i odbiornika, ale może mierzyć w trybie aktywnym i pasywnym. Praca w trybie pasywnym nie wymaga używania nadajnika. Nadajnik natomiast ma bardzo przydatną własność - może być dołączany nawet w obwodach zasilanych napięciem do 600 V AC/DC. Dzięki funkcji Breaker wyeliminowano występowanie fałszywych sygnalizacji.

Energia ze Słońca

Zmiany klimatyczne na Ziemi są zauważalne gołym okiem. Za produkcję gazów cieplarnianych w dużym stopniu odpowiedzialne są elektrownie węglowe. Będzie ich więc ubywało nie tylko na skutek wyczerpywania się zasobów węgla, ale również z powodu bardzo niekorzystnego wpływu na środowisko. W najbliższych latach czeka nas prawdopodobnie rewolucja w zakresie produkcji energii. Podążamy w kierunku źródeł odnawialnych. Jednym z nich jest Słońce, które już teraz potrafimy do tych celów wykorzystywać.

Fotografia 5. Tester fotowoltaiczny Metrel MI 3109 EurotestPV Life przeznaczony do pomiarów ogniw słonecznych

Fotografia 6. Termowizyjny obraz uszkodzonego panelu słonecznego

Fotografia 7. Kamera termowizyjna VIGOcam v60 firmy VIGO

Fotografia 8. Analizator dźwięku i drgań SVAN 912AE

Fotografia 9. Miernik rezystancji izolacji i ciągłości połączeń wyrównawczych M70 firmy HT Italia SRL

Fotografia 10. Miernik migotania światła GL SPECTRIS 1.0T Flicker firmy GL Optic

Fotografia 11. Multimetr METRAHIT OUTDOOR spełniający wymagania IP65, CAT III 1000 V, CAT IV 600 V

Z ogniwami słonecznymi wiążą się dwa zagadnienia. Pierwsze jest natury czysto elektrycznej. Dotyczy technik montażu i pomiarów elektrycznych pojedynczych ogniw i całych elektrowni. Problemem jest też przekształcanie napięcia stałego wytwarzanego przez ogniwa w napięcie przemienne takie, jakie występuje w sieci energetycznej. Drugi problem to pomiary eksploatacyjne, których celem jest przede wszystkim ocena stanu ogniw i wykrywanie usterek. Należy zwrócić uwagę na to, że na potrzeby energetyki słonecznej jest produkowana specjalnie dla niej przeznaczona aparatura pomiarowa. Przykładem jest tester fotowoltaiczny Metrel MI 3109 EurotestPV Life (fotografia 5), przeznaczony do pomiarów 1-fazowej instalacji fotowoltaicznej opisanej w normie PN-EN 62446. Całą serię zawartych w tej normie pomiarów wykonuje się po naciśnięciu tylko jednego przycisku. Tester mierzy parametry zarówno po stronie stałonapięciowej, jak i zmiennonapięciowej. Przykładowe pomiary to: rezystancja izolacji i ciągłość przewodów ochronnych, krzywa I-U ogniwa i paneli, napięcie i prąd, iradiancja (strumień promieniowania na jednostkę powierzchni wyrażany w W/m²), temperatura panelu. Wyniki pomiarów są prezentowane w postaci graficznej na wyświetlaczu LCD. W kompleksowych pomiarach elektrowni słonecznych aparatura pomiarowa jest rozszerzana najczęściej o analizatory/rejestratory jakości energii.

Miernik MI 3109 EurotestPV Life mierzy temperaturę panelu. Jest to parametr eksploatacyjny, który powinien być stale kontrolowany. Przegrzanie ogniwa prowadzi do zmniejszenia jego wydajności, ale w przypadku krytycznym również do jego uszkodzenia. Konsekwencją tego może być przeciążenie sąsiednich ogniw i kolejne usterki. Pomiar temperatury paneli, choć niezbędny, nie daje jednoznacznej informacji o ich stanie. Owszem, można na tej podstawie wnioskować, że z panelem dzieje się coś niedobrego, ale to za mało, aby poprawnie zlokalizować miejsca zagrożenia. Konieczne jest odwołanie się do metod termowizyjnych, które w energetyce są często stosowane również w zupełnie innych zagadnieniach. Na rysunku 6 przedstawiono przykładowy termowizyjny obraz uszkodzonego panelu słonecznego. Większość kamer umożliwia rejestrację tego samego obiektu w świetle widzialnym oraz w podczerwieni, co ułatwia lokalizowanie wybranych miejsc. Nie zawsze są one wystarczająco czytelne na podstawie samych termogramów. Inną przydatną cechą kamery lub przeznaczonego do niej oprogramowania komputerowego jest nakładanie termogramów na siebie. Funkcja ta jest wykorzystywana do porównywania obrazów obiektu działającego prawidłowo i uszkodzonego. Warunkiem korzystania z tej metody jest oczywiście wykonanie obrazu wzorcowego sprawnego panelu. Jako przykład kamery termowizyjnej stosowanej do pomiarów w energetyce warto zaprezentować tu polską kamerę VIGOcam v60 firmy VIGO (fotografia 7). Wyróżnia się ona detektorem o dużej rozdzielczości 640×480 punktów, ma też 3 wymienne obiektywy. Cechy te gwarantują dużą precyzję pomiarów.

Energia z wiatru

Wiatr to kolejne źródło energii odnawialnej. Był okres, w którym mniejsze lub większe elektrownie wiatrowe pojawiały się jak grzyby po deszczu, ale aktualnie obowiązujące przepisy w Polsce nie są sprzyjające dla tego trendu, wręcz go blokują. Wiatr wzbudza znacznie więcej kontrowersji niż Słońce. Tematem dyskusji są względy estetyczne - rozległe farmy wiatrowe zdaniem przeciwników zaburzają piękno krajobrazu. To trochę tak, jakby dymy z olbrzymich kominów (i same kominy) oraz olbrzymie hałdy węglowe tego krajobrazu nie zaburzały. Drugim, znacznie poważniejszym argumentem przeciw energii wiatrowej jest wytwarzany przez turbiny hałas i śmiercionośne niebezpieczeństwo dla ptaków i nietoperzy rozbijających się o skrzydła wiatraka. Skoro argument o ptakach jest podnoszony w dyskusjach, zapewne są prowadzone w tym kierunku jakieś badania. Dla porządku należy dodać, że tylko w ciągu jednej nocy o jeden oświetlony wieżowiec w wielkim mieście rozbija się kilkaset ptaków. Innym kontrowersyjnym argumentem w walce z wiatrakami jest hałas wytwarzany przez turbiny wiatrowe. Parametr ten powinien być mierzony, gdyż poziomy tych dźwięków są określone w normach. Problem jest dość złożony, gdyż wiatrak wytwarza dźwięki w zakresie słyszalnym, a także równie groźne infradźwięki. Na domiar złego dźwięki te mają charakter dudniący i pulsujący. Nadmierny ich poziom powoduje znaczne pogorszenie samopoczucia u ludzi i zwierząt. Obowiązująca norma określa dopuszczalny poziom hałasu w nocy na 40 dB(A).

Mierniki poziomu dźwięku stosowane do pomiarów turbin wiatrowych powinny mierzyć w szerokim zakresie częstotliwości obejmującym zarówno infra-, jak i ultradźwięki. Jednocześnie ze względu na pomiary dźwięków o bardzo niskich poziomach powinny charakteryzować się niskimi szumami własnymi. Wymagania te spełnia np. miernik SVAN 912AE (fotografia 8), pełniący funkcję analizatora dźwięku i drgań. Przyrząd zawiera dwa procesory sygnałowe wykorzystywane do analizy FFT w czasie rzeczywistym, realizacji filtrów korekcyjnych wymaganych przez normy związane z pomiarami akustycznymi oraz do obliczeń statystycznych.

Oprócz pomiarów hałasu wytwarzanego przez turbiny wiatrowe muszą być systematycznie kontrolowane parametry mechaniczne i stan poszczególnych jej elementów, takich jak: przekładnia główna, łopaty turbiny z mechanizmami nastawiania kąta, a nawet posadowienie wieży. Znane są przypadki urywania skrzydeł i całkowitej destrukcji generatorów. Skutki zewnętrzne takich awarii mogą być dość nieobliczalne, zważywszy, że prędkość liniowa końcówki łopaty przekracza nawet 200 km/h. Rutynowo powinny być wykonywane pomiary drgań i prowadzona najlepiej metodą rejestracji wibrodiagnostyka. Systemy pomiarowe umożliwiają zdalne przesyłanie danych na zewnętrzne serwery, gdzie są magazynowane i analizowane. Ważne jest natychmiastowe informowanie operatorów o przekraczaniu parametrów krytycznych. Pomiary parametrów elektrycznych turbin wiatrowych są prowadzone z użyciem analogicznej aparatury, jaka jest stosowana do innych obiektów energetycznych.

Pomiary elektroinstalacyjne

Energetyka to pojęcie ogólne. Skojarzenia z wielkimi elektroturbinami i przesyłowymi liniami wysokiego napięcia są naturalne, ale czy energetyka kończy się na stacjach transformatorowych i rozdzielczych? Literalnie tak, gdyż energetyka to wytwarzanie energii, a po stronie wtórnej transformatora już raczej mówimy o jej konsumpcji. Przyjmijmy w takim razie, że konsumpcja zaczyna się od gniazda zasilającego u użytkownika, do którego tę energię trzeba jeszcze doprowadzić. Wiąże się z tym kilka specyficznych pomiarów, które wymieniamy już tylko w telegraficznym skrócie. Są to:

• Pomiary impedancji pętli zwarcia (przy prądzie zwarcia dochodzącym np. do 23 A).
• Pomiary rezystancji izolacji napięciami od 50 do 5000 V. W tym przypadku mowa jest o elementach izolacyjnych u odbiorcy końcowego, nie o izolatorach stosowanych po stronie wysokich napięć, które opisano wcześniej.
• Pomiary rezystancji i ciągłości połączeń ochronnych i wyrównawczych (fotografia 9).
• Pomiary zabezpieczeń różnicowoprądowych.
• Pomiar migotania światła (flicker) - fotografia 10.
• Standardowe pomiary napięć i prądów. Są one wykonywane za pomocą typowych multimetrów i cęgowych mierników prądu. Warunkiem, który musi być bezwzględnie spełniony, jest klasa bezpieczeństwa odpowiednia do rodzaju wykonywanych pomiarów. Należy pamiętać, że w punktach pomiarów mogą występować przepięcia o wartościach dużo większych niż napięcia znamionowe. Mierniki powinny być odporne na takie zdarzenia. Ze względu na częste używanie przyrządów w warunkach terenowych, w miejscach o dużym zapyleniu i możliwości pobrudzenia lub zamoczenia, pożądana jest także duża odporność na czynniki środowiskowe. Ostre wymagania spełniają np. mierniki GOSSEN METRAWATT, a spośród nich multimetr serii METRAHIT, np. model OUTDOOR (fotografia 11). Charakteryzuje się on stopniem ochrony IP65 i kategorią pomiarową CAT III 1000 V, CAT IV 600 V, co oznacza, że może być używany do pomiarów na transformatorach linii dystrybucyjnych.

Na koniec

W artykule wspomniano, że pomiary dla energetyki tak naprawdę są oparte na mikroelektronice. Wydaje się, że może to być tematyka, która mogłaby zainteresować Czytelników „Elektroniki Praktycznej” i może warto by było poruszyć ją szerzej w jakiejś formie. Nie chodzi zresztą tylko o pomiary, ale też o metody realizacji niektórych rutynowych operacji, które dla energetyków są chlebem powszednim, a dla mikroelektroników wielką niewiadomą. Na przykład: jak odłączyć od sieci linię wysokiego napięcia przez którą płyną prądy rzędu tysięcy amperów?

Jarosław Doliński, EP