Problem zidentyfikowano w jednym z dużych szpitali w regionie MENA. Aparatura medyczna i inne urządzenia w placówkach służby zdrowia są bardzo podatne na problemy związane z jakością zasilania i EMC. Każdy przestój lub awaria sprzętu może mieć krytyczne konsekwencje.
W obiekcie doświadczano przegrzewania kabli i awarii transformatora zasilającego. Wykonawcy nie byli w stanie zidentyfikować przyczyny. W tej sytuacji zwrócił się do renomowanego eksperta PQ, który był również przedstawicielem firmy Elspec, w celu przeprowadzenia szczegółowego badania. Badany sprzęt obejmował szereg „napędów o niskiej zawartości harmonicznych” składających się z 6 impulsowych napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) i aktywnego filtra (AF) w jednej obudowie, podłączonych do rozdzielnic.
W badaniu wykorzystano trzy analizatory Elspec G4500 klasy A oraz oprogramowanie do analizy jakości zasilania – PQSCADA Sapphire. Według otwartych danych znane są przypadki, gdy produkty oparte na IGBT (np. VFD i filtry aktywne) były odpowiedzialne za awarie transformatorów i innych urządzeń. Dlatego wymagane było zastosowanie analizatora jakości zasilania z możliwością pomiaru harmonicznych wysokiej częstotliwości.
Przenośny analizator jakości zasilania G4500 w sposób ciągły rejestruje sygnały falowe z częstotliwością 1024 próbek/cykl, na podstawie których oblicza 5000 parametrów mocy z rozdzielczością ½ cyklu, w tym harmoniczne do 511. Ponadto jest w pełni zgodny z normą IEC 61000-4-30 Class A i wyposażony we wbudowane Wi-Fi oraz aplikację mobilną do podglądu i konfiguracji w czasie rzeczywistym.
W wyniku analizy wyznaczono THDu napięcia podczas pracy filtrów oraz po ich wyłączeniu, co przedstawiono poniżej na rysunku 1.
Rysunek 1 ilustruje THDu napięcia do 50. harmonicznej w rozdzielczości 3-sekundowej, jak wymagają tego normy IEEE 519. Można zauważyć, że po wyłączeniu filtrów poziom THDu wzrasta z 1,6% do 2,8%, zgodnie z oczekiwaniami. Jednak patrząc na THDu napięcia w rozdzielczości ½ cyklu aż do 511 harmonicznej (rysunek 2 powyżej) ujawnia się inny obraz. Po wyłączeniu filtrów poziom THDu spada do 2,5% z 7,5%, czyli poziomu THDu widocznego podczas pracy filtrów. Oznacza to, że przełączanie filtrów aktywnych stanowiło około 70% całkowitego THDu. Jest to przeciwieństwo tego, czego oczekiwano. Aby dokładniej przeanalizować wynik, przyjrzano się poszczególnym harmonicznym w dwóch okresach „włączonych” i „wyłączonych”. Rysunek 3 poniżej ilustruje THDu, gdy pracowały dwa filtry.
Rysunek 3 wskazuje na nieoczekiwaną, znaczną aktywność harmonicznych w zakresie 2,5 – 12,5 kHz, gdy działają filtry. Jednakże, gdy filtry są wyłączone (rysunek 4 poniżej), harmoniczne wysokiej częstotliwości są ledwo dostrzegalne lub nie występują w ogóle.
Ponadto podczas pracy filtrów aktywnych powstawały również prądy harmoniczne wysokiej częstotliwości, co można zaobserwować na rysunku 5:
Od rysunku 1 do rysunku 2 widać zakres występowania wysokoczęstotliwościowych składowych napięcia. Specyfikacja harmonicznych w projekcie oparta jest na rekomendacji IEEE-519-1992, dla harmonicznych poniżej 50 rzędu. W ramach IEEE-519-1992 istnieją również kryteria „specjalnych zastosowań” dla szpitali i lotnisk z limitem 3% THDu. Rysunki 3 i 4 ilustrują emisję napięcia wysokiej częstotliwości, która objęła również tryb wspólny (tj. pomiędzy trzema fazami a ziemią). Należy pamiętać, że napięcie i prąd trybu wspólnego to kwestie EMC, a nie PQ. Nadmierne napięcie trybu wspólnego może być bardzo szkodliwe i zakłócające dla wrażliwego sprzętu medycznego podłączonego do tego samego uziemienia.
Oprócz powodowania awarii transformatorów, emisja napięcia wysokiej częstotliwości może oddziaływać na silniki i generatory oraz powodować przegrzewanie się kabli elektroenergetycznych. Efekty te wynikają przede wszystkim z nadmiernych strat w miedzi i żelazie oraz efektu zbliżeniowego i efektu naskórkowości na przewodach przewodzących prąd. Prądy powyżej 127 rzędu, jak pokazano na rysunku 5, były podobne do tych występujących w indukcyjnych systemach grzewczych. Te prądy wysokiej częstotliwości, w połączeniu z wynikającymi z nich dodatkowymi stratami i efektami nagrzewania, były bezpośrednim lub przyczyniającym się czynnikiem do niedawnej awarii transformatora 2000kVA oraz przegrzania kabli i rozdzielnicy.
Wnioski
IEEE 519-1992 było w tym przypadku podstawą specyfikacji szpitala, która zalecała, aby THDu wynosiło <3%. Jednakże, ogólnie i poza specjalnymi zastosowaniami, IEEE-519-1992 wymaga maksymalnie 5% całkowitego harmonicznego zniekształcenia napięcia, podczas gdy IEEE-519-2014 i IEEE-519-2022 wymagają <8% THDu. Jednak wszystkie zalecenia IEEE-519 wymagają pomiaru harmonicznych tylko do 50. harmonicznej. Ponadto wymagane rozdzielczości to 3sek i 10min. W tym przypadku wyniki pomiarów pokazują, że pomimo tego, że filtry aktywne traktowały prąd harmoniczny zgodnie z oczekiwaniami, ich przełączane harmoniczne napięcia zwiększyły THDu do prawie trzykrotnej wartości obserwowanej na 6 pulsowych VFD bez mitygacji. Przyczyna tego niezwykłego zjawiska nigdy nie została publicznie ujawniona przez sprzedawcę. Konwencjonalne analizatory, które są zgodne jedynie z normą IEEE-519 dotyczącą harmonicznych, nie ujawniłyby takiego zjawiska, ponieważ ich zapis jest ograniczony do 50. harmonicznej. Jednakże w Wielkiej Brytanii, Engineering Recommendation G5/5 określa pomiary do 100 rzędu. Ten wymóg 100. rzędu może być wkrótce powszechny w zakładach energetycznych na całym świecie. Analizator G4500 firmy Elspec mierzy i rejestruje przebieg w sposób ciągły z rozdzielczością 1,024 próbek/cykl. W rezultacie, zapewnia on możliwość analizy harmonicznych do 511-tej przy rozdzielczości ½ cyklu. Ta możliwość pozwoliła na identyfikację pierwotnej przyczyny problemów, takich jak PQ o wyższej częstotliwości i inne rodzaje zniekształceń, w tym harmoniczne o wysokiej częstotliwości powodowane przez filtry aktywne, AFE VFD i inne urządzenia o śladach harmonicznych >50.
Najnowsze komentarze