ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина XI, брой 3, 2019

Измервания в енергетиката

Методи и основни измервания

Измервания в енергетиката

За да бъде възможно от една страна оптималното управление и развитие на една електрическа мрежа, a от друга - най-ефикасното използване на енергията, която се доставя по нея, както и за установяването на причините за евентуални повреди, електропреносните компании, техните клиенти и лицата, които изграждат или ремонтират електрически инсталации и оборудване, трябва да разполагат с максимално точна и пълна информация за електричеството и апаратурата, които се използват.
Класическите измервания включват няколко основни величини, но съвременните системи започват да обръщат внимание на все повече допълнителни параметри. За тази цел се използват разнообразни по методология и устройство уреди, все повечето от които комбинирани. Заради търсенето се увеличава и делът на устройствата, които позволяват дистанционно отчитане и контрол. Създават се също стандарти и класификации, чрез които потребителите да се ориентират за точността, резолюцията и съвместимостта на различните измервателни инструменти.


Измерванията са ключови за функционирането на една енергийна мрежа, защото те не просто регистрират определени количествени характеристики, които могат се използват за изчисляване на сметките на абонатите, но и са основа за по-ефикасното управление на една такава система, за планирането на нейното оптимално развитие и, в случаите, когато събраните данни са достъпни за тях, за промяна в поведението на самите клиенти, като по този начин се намали консумацията на енергия или, както например при многотарифни електромери, част от нея се пренасочени към други часове на денонощието, като така се намали натоварването на мрежата в пиковите часове, което намалява и вероятността от аварии и необходимостта от „върхови“ електроцентрали. Това би помогнало също консумацията на енергия в определени сгради да бъде организирана така, че да достигне енергийните параметри и да получи статут на зелена/пасивна сграда. Измервателни уреди се използват също за установяване на изправността на една система или на различни елементи от нея. Данните, събрани чрез различни измервания, могат да помогнат за удължаването на живота на оборудването в даден обект и за гарантирането на неговото ефикасно функциониране. Разпознаването на полезността на информацията, която се придобива, е един от основните двигатели на разпространението и развитието на измервателните уреди, наред с нарастващата функционалност на устройствата и понижаването на тяхната цена, с желанието за получаване на информация в реално време, дистанционно отчитане и контрол с цел оптимизация на мрежата, както и с цялостното развитие на електрониката и по-специално разработването на сензори. По отношение на енергийните измервателни устройства паралелно се развиват както законови рамки и изисквания, така и разработвани от частни фирми стандарти, които доброволно да бъдат следвани с цел подобряване на услугите, които енергийните компании предлагат.

Методи за измерването на електрически величини
Измерванията на електрически величини могат да бъдат преки, при което уредът, който се използва е предназначен за измерването на точно тази величина, например такова е измерването на електрическото напрежение с волтметър, или косвени, когато пряко се измерват спомагателни величини, а стойността на търсената величина се установява чрез изчисления по формула или система от уравнения, например установяването на съпротивлението при постоянен ток с амперметър и волтметър и изчисление по закона на Ом. Измервателните уреди се разделят според своето устройство на електромеханични и електронни, според начина на отчитане на резултатите на аналогови, които използват стрелка, показваща стойността върху скала, и цифрови, при които стойностите се изписват върху цифров дисплей. Според вида на измерваната величина уредите се делят на волтметри, амперметри, омметри, ватметри, електромери и комбинирани електроизмервателни уреди, наричани мултиметри или още мултицети, които стават все по популярни. Уредите могат да бъдат стационарни, т.е. инсталирани в табло, или преносими (лабораторни или сервизни), както и да се делят според възможността за съхранение на резултатите на показващи и регистриращи. Според зависимостта на измерваната величина от времето могат да се категоризират като постояннотокови, които измерват постоянни във времето електрически величини, или променливотокови, които измерват променливи във времето електрически величини. Различните уреди имат и различен обхват, т.е. различен диапазон, в рамките на който могат да измерват без претоварване и с грешки в допустимите граници. Грешки и неточности при отчитането могат да настъпят или заради самия апарат, поради някакви проблеми в устройството му (от колкото по-нисък клас е, толкова по-голямо се очаква да е отклонението) или настъпила неизправност, или заради използвания метод на измерване, като този вид грешка е свързан основно със стойността на собствената консумация на уреда или при косвените измервания - от неточности в заложената измервателна схема и формулата изчисление.

Разнообразие на измервателни уреди
Измерванията могат да се правят за установяване на моментното ниво на определени величини или състояние на определено устройство или мрежа, както и за регистриране и проследяване на промените на една величина за по-кратки или по-дълги периоди от време. Данните от първия вид имат по-ограничено приложение и служат за установяване на правилното функциониране на апаратурата, натоварването на мрежата и т.н. През колкото по-дълъг период са събирани определени данни, толкова по-точни са те и имат по-широко приложение, но от друга страна устройствата за измервания през максимално дълги периоди имат най-висока цена, инсталират се най-трудно и е нужно време за получаване на информация, която да бъде използвана за оптимизация, така че изборът на измервателни уреди трябва да бъде съобразен с конкретните цели на измерването и да бъде предшестван от сериозно проучване на ползите и разходите, свързани с всеки един от тях. Измервателните уреди се различават и по обхват, като някои могат да събират данни за голям участък от енергийната мрежа, а други - само за един обект или дори за един елемент от апаратурата. Уредите могат да се отличават функционално още по своята точност (това е разликата между регистрираните и действителните стойности, която обикновено се посочва от производителите като процент от скалата за величината или процент от отчетените данни), прецизност/възпроизводимост на данните (способността при множество измервания на един и същи параметър при едни и същи условия да се възпроизвежда същата стойност) и резолюция (най-малкото увеличение на потреблението или потока на енергия, което може да бъде регистрирано от измервателното устройство). Освен цената, други практически съображения при избора на измервателни уреди включват трудности (или липсата на такива) при инсталирането, нуждата от обслужване и поддръжка, оперативни разходи, които включват и собствената консумация на уреда.

При бурното развитие на един отрасъл обикновено се появява голямо разнообразие от продукти, които се различават по методологията, според която функционират, вътрешното си устройство, външния си дизайн и т.н. Това може да има положителни последствия, защото голямото разнообразие дава възможност на клиенти с най-различни специфични нужди да открият продукти, подходящи точно за тяхната ситуация. От друга страна такава ситуация създава и затруднения, защото в много случаи показателите, измерени от различни уреди, са несъпоставими, което е пречка за извършване на определени сравнения и анализи, особено в голям мащаб. Такъв е случаят и с измервателните уреди в енергетиката, където много параметри не са ясно дефинирани и много компании създават свои уникални алгоритми и методологии. Като средство за справяне с този проблем се разработват различни стандарти за измервателни инструменти, например IEC 61000-4-30, който определя измервателната методология, точността и времевите характеристики на агрегираната информация.

Измерване на напрежение
Измерването на напрежението се осъществява пряко с волтметри, които се включват паралелно към точките, между които трябва да се измери напрежението, т.е. разликата в потенциалите на тези точки. Добре е да се работи с волтметър с най-малък обхват, който все пак е по-голям от измерваното напрежение, за да се измерят най-точни стойности. Волтметрите трябва да имат възможно най-голямо вътрешно съпротивление, за да бъде собствената им консумация възможно най-ниска и така да се намали методичната грешка. За измерване на напрежението се използват още постояннотокови или променливотокови потенциометри.

Измерване на електрически ток
Електрическият ток се измерва пряко с амперметри, които се свързват последователно към елемента, чиито показатели се измерват. При тях е необходимо малко вътрешно съпротивление, тъй като те се включват последователно. Съображенията относно обхвата на амперметъра са същите като тези за волтметъра. В случаите, при които не е възможно или поне не е желателно прекъсването на клона, където се измерва тока, е добре да се използва преносим токов трансформатор с подвижен магнитопровод от вида „токови клещи“. Погрешното включване на амперметър по схемата на волтметър почти винаги води до повреда на уреда, за това трябва да се проявява извънредно внимание, когато се борави с комбинирани измервателни уреди.

Измерване на съпротивление
При постоянен ток има само едно съпротивление, а при променлив - няколко вида, като по закона на Ом се изчислява стойността на пълното съпротивление. Диапазона на измерваните в практиката съединения е много голям, затова се използват няколко метода. Косвените използват закона на Ом и при тях трябва да се знаят стойностите на напрежението и тока на елемента, чиито електрически величини се измерват. Те са най-подходящи за измерването на нелинейни съпротивления, като в този случай статичното съпротивление може да се определи при различни работни условия. Има и уреди, които директно измерват електрическото съпротивление, които се наричат омметри. Някои от тях могат да се свързват с измервания уред по последователна схема, а други по паралелна. Както при електромеханичните, така и при електронните омметри, разреждането на захранващите батерии внася грешка в измерването. Мегаомметрите са предназначени за измерването на много големи съпротивления (напр. при изолации) и устройството им е почти същото като това на обикновените омметри с тази разлика, че магнитноелектрическият им механизъм е такъв, че захранващото напрежение не влияе на измерването. Също така измерването трябва да се извършва при по-високо напрежение, затова се използват вградени постояннотокови генератори или токоизправители. Друг метод за измерване на съпротивлението е чрез измервателни мостове, които са нулеви измервателни методи. Според схемата си биват четирираменни, шестраменни и т.н. и се делят на уравновесени и неуравновесени.

Измерването на земното съпротивление е важно в няколко случая. На първо място то задължително трябва да бъда максимално точно установено при заземяването на електрически инсталации, защото основно изискване в този случай е минималното съпротивление на системата, което е сумата на съпротивлението на заземяване и земното съпротивление. Такова измерване има приложение още в геологията за откриване на руди и определяне дебелината на скални пластове, както и при оценка на подземни метални тръбопроводи. Стойностите варират в зависимост от вида на почвата, съдържанието на влага, температурата и съдържанието на електропроводими вещества. При измерването на земното съпротивление обикновено се използват специални инструменти, като най-разпространен е методът на Венер. Извършва се чрез забиването на електроди в почвата, като техния брой, разположение и дълбочината, до която биват забивани, зависят от спецификите на уреда.

Специален измервателен уред е необходим и за измерването на изолационното напрежение, което е един от най-важните критерии за оценка на качеството и безопасността на една електрическа мрежа. Това измерване представлява сложно свързана система от компоненти, които включват съпротивлението между два проводника в кабела, повърхностното съпротивление на изолатора, съпротивлението между всяко жило в кабела и потенциала на земята. Чрез това измерване се откриват различни, иначе незабележими, увреждания на проводниците и инсталациите, причинени от влага, замърсяване, вибрации или механични повреди.

Измерване на електрическа мощност и енергия
Електрическата мощност и енергия имат сходни физични характеристики, затова и методите за измерването им са сходни. При постояннотокови вериги мощността може да се измерва косвено, подобно на електрическото съпротивление. При променливотоковите вериги мощността се измерва пряко, чрез ватметри. Те са различни в зависимост от това дали се използват за измерването на активна или реактивна мощност, при еднофазни или трифазни вериги.

Измерването на различните видове електрическа енергия има както технически, така и търговски цели. Обичайно се извършва пряко чрез електромери. При измерването се използват същите схеми и методи и са важни същите съображения, както при измерването на мощността. Електромерите са интегриращи уреди, т.е. при тях показанията се натрупват и регистрират. Електромерите могат да бъдат според устройството си електромеханични и електронни. Делят се на постояннотокови и променливотокови, като последните могат да бъдат еднофазни или трифазни, за активна или за реактивна енергия. Във връзка с търговското им приложение те могат да бъдат еднотарифни и многотарифни. Електронните електромери често са комбинирани и могат да измерват както активна, така и реактивна енергия. Също така те обикновено са от по-висок клас по отношение на точността, като често измерват и други величини.

Измерване на качеството на електрозахранването
Качеството на електрозахранването е един от основните критерии за оценка на една електрическа мрежа и услугата, която се предоставя чрез нея. Поради това е много важно да се извършва точно измерване на това качество, за да се установят източниците на проблеми с доставянето на електричество или настъпили повреди на мрежата, които да бъдат отстранени. За това се използват специални регистратори или анализатори на качеството на електрозахранването. Съвременните по-прецизни уреди могат не само да засекат смущения в електроснабдяването, но и са много добри в установяването на преходни процеси, които не нанасят директни щети върху мрежата, а за продължителен период от време постепенно влошават състоянието на мрежата и защитите й от пренапрежение.

Измерване на изолационно съпротивление
На състоянието на електрическите инсталации невинаги се обръща достатъчно внимание. Мнозина са склонни да приемат, че добрите професионални умения на изграждащия нова инсталация са достатъчни, за да гарантират качествата й. А за съществуващите инсталации не всеки се замисля, че параметрите им могат да се променят с времето и поради въздействие на околната среда. Реалистичният подход изисква провеждане на необходимите измервания при въвеждане на инсталацията в експлоатация и периодично при използването й. Това е важно не само за нейното сигурно действие, но най-вече за безопасността на ползващите я и на свързаните към нея уреди.

С течение на времето в материала на изолацията настъпват промени, които се задълбочават при значително нагряване и охлаждане на проводниците, при овлажняването и зацапването им, при наличие на вибрации. Всичко това налага периодична проверка на работещите инсталации и при намаляване на изолационното съпротивление взимане на мерки за предотвратяване на повреди.

Оценката на състоянието на изолацията на електрическите мрежи и оборудване е важен елемент от осигуряването на ефективна защита срещу попадане под въздействието на електрически ток. Този вид измервания най-честно се извършват от малки компании или дори от един-единствен електротехник. Според стандарта IEC 60634.6.61 на Международната електротехническа комисия, приет и у нас, изолационното съпротивление между фазите на електрическата мрежа и между всеки от тях и нулата трябва да е над 0,25MΩ при измерване с постоянно напрежение 250V, над 0,5MΩ при напрежение 500V и над 1MΩ за напрежение 1000V.

Специалният уред за измерване на съпротивлението на изолацията позволява провеждане на измерванията в съответствие с действащия стандарт, следователно за определеното измервателно напрежение и със съответната точност. Осигурява възможност за настройка на напрежението и на времето на измерване, за извършване на циклични измервания, за определяне на стойността на тока на утечка на изолацията, за определяне на стойността на тока на поляризация на диелектрика.

Измерване на качеството на заземителната инсталация
Ефективната заземителна уредба има основно значение за нормалното функциониране на всяка електрическа инсталация и за безопасността на хората. Заземителните уредби ограничават до възможно най-ниска степен разликата в напрежението, което в даден момент може да се появи между металните корпуси и земята, предпазвайки намиращите се в близост хора.

С течение на времето корозивните терени с високо съдържание на влага, високо съдържание на сол и високи температури могат да намалят качеството и съответно стойностите на земното съпротивление на заземителната инсталация.

Качеството на заземяването се определя от земното съпротивление или способността на заземителите (заземителните електроди) да отвеждат тока в земята. Съпротивлението зависи главно от електрическия контакт на заземителя със земята и специфичното съпротивление на почвата, в която са поставени електродите.

На практика повече от 70% от почвата на дълбочина 3m има в пъти по-малко специфично съпротивление от повърхностните почвени слоеве поради по-високото съдържание на влага и плътността. На по-голяма дълбочина често има подпочвени води, които осигуряват много ниско земно съпротивление. Заземяването в тези случаи има много високо качество и надеждност.

Тъй като не могат да се постигнат идеални стойности (нулево съпротивление), всички електрически и електронни устройства са базирани на някои нормализирани стойности на земно съпротивление, като например 0.5, 2, 4, 10, 20, 30 или повече ома.

Минималните изисквания за здравословни и безопасни условия на труд на работните места и при използване на работното оборудване, необходимите измервания се извършват съгласно изискванията на съответните нормативни актове и с периодичността, определена от работодателя за оценката на риска. Контролни измервания за проверка на защитната заземителна уредба, съгласно чл. 260 и чл. 261 от Наредба № 16-116 от 8.02.2008г., се извършват периодично в обхват и срокове, определени от енергетика, съгласно проекта на съответната електрическа уредба, но не по-дълги от една година - за съпротивлението на заземителите спрямо земя; пет години - за съпротивлението на неутралния проводник спрямо земя - в мрежи с директно заземен звезден център, в които се използва зануляване.

Измерване и тест на батерии
С нарастващата зависимост от системите за резервно захранване с акумулаторни комплекти и непрекъснато нарастващата цена на акумулаторите за смяна, приборите и софтуерните системи, които могат да измерват, проследяват тенденция и управляват жизнения цикъл на акумулаторните клетки, се превръщат в икономически ефективна възможност. Съществуват две методологии за изпитване на акумулаторни батерии. Първата, с измерване на импеданс, е изпитване по време на работа и може да се прилага често за определяне на отделни слаби клетки, преди те да се повредят. Втората е изпитване с разреждане на акумулатора, обикновено се извършва след като е изключен от работа, като се измерва изхода на целия акумулатор в условия с товар. Това ще покаже какво ще се случи, ако акумулаторът бъде натоварен. Повечето от акумулаторните системи са включени в паралел и разполагат с монитори за утечки към земя и изключватели при късо към земя. Детекторът на дефектно замърсяване позволява проследяване на повредени вериги в сложни паралелно свързани системи.

Тестерите на импеданс определят състоянието на оловни и никелово-кадмиеви акумулаторни батерии. Функциите включват изчисляване на резултат по въведена от потребителя референтна стойност, разширени функции за печат и др. Приборите работят чрез пускане на тестови ток през батерийния низ в линеен режим, последвано от измерване на общия ток (променливотоков пулс + тестови ток) и пада на напрежение във всяка клетка или цилиндър. След това приборът изчислява импеданса. Приборите измерват също така постояннотоковото напрежение и съпротивлението на съединителния проводник за определяне на общото състояние на електрическия път в батерията от клема до клема.

Приемникът записва показанията във вградената си памет. Тези измервания, заедно с други сервизни данни като околна и пилотна температура на клетките и променливотокови пулсации, помагат за определянето на общото състояние на батерийните системи. Препоръчва се показания да се снемат на всеки шест месеца за електролитни батерии и на три месеца за VRLA.

За разлика от изпитването с циклично натоварване, което изисква продължителен престой и многократно изпразване, тези прибори не изискват разряд и не натоварват батериите по никакъв начин в сравнение с други техники. При време за измерване под 20 секунди за клетка и съединителен проводник, един техник може лесно, бързо и точно да измери вътрешния импеданс на клетката, напрежението на постояннотоковите изводи и съпротивлението на съединителния проводник, без да изключва батерията от линия.