Niewykonywanie prewencyjnych czynności konserwacyjnych systemów elektrycznych może spowodować straty energii, obniżenie jej jakości, wywołać uszkodzenia sprzętu i stworzyć zagrożenie dla ludzi. Artykuł prezentuje zakres czynności, które należy przeprowadzić, aby diagnostyka konserwacyjna odpowiednio spełniła swoje zadanie. Zagadnienie to rozpatrzono z uwzględnieniem układów zasilania awaryjnego UPS, jak i w odniesieniu do ogólnych zasad funkcjonowania przemysłowych sieci elektrycznych.

W eksploatacji układów elektrycznych zachodzi ścisły związek pomiędzy dostępnością energii a stosowanymi konserwacyjnymi czynnościami prewencyjnymi. „Dostępność systemu lub komponentu to czas, w którym działa on poprawnie i pozostaje do dyspozycji użytkownika” [1]. Według tradycyjnej definicji dostępność można określić wzorem:

gdzie MTBF (ang. Mean Time Between Failures – średni czas między awariami) to wielkość statystyczna, określająca średni czas pomiędzy awariami, natomiast MTTR (ang. Mean Time To Repair – średni czas do wykonania naprawy) to czas potrzebny na rozpoczęcie naprawy od momentu zaistnienia sytuacji obniżonej wydajności, a zatem obejmujący czas niezbędny na: podjęcie czynności, uzyskanie części zamiennych i wykonanie właściwej naprawy sprzętu.

Zasilanie
Dostępność zasilania elektrycznego w sposób oczywisty ma wpływ na dostępność całego systemu. Jakakolwiek usterka sieci lub urządzeń bezpieczeństwa oraz zużycie komponentów lub styków zmniejsza poziom dostępności energii, a co za tym idzie również systemu. Przyjmując przykładowy – najkorzystniejszy scenariusz, użytkownik serwera nie jest w stanie uzyskać dostępu do danych. Przy najmniej korzystnym biegu wydarzeń dane zostaną całkowicie utracone. Użytkownik przemysłowy przypadku awarii staje w obliczu ryzyka przestojów lub potencjalnych uszkodzeń urządzeń.

Jakość energii
Aby zapewnić dostępność energii elektrycznej, nie wystarczy doprowadzić ją do urządzeń, ale należy również zapewnić taką jej jakość, aby użytkownik był w stanie jej użyć. Różnicę pomiędzy energią dobrej jakości a energią złej jakości można zestawić z różnicą pomiędzy wodą zdatną do picia i nienadającą się do spożycia. Woda może być niezdatna do picia z powodu skażenia bakteriami, zanieczyszczenia fizycznego lub substancjami chemicznymi. W przypadku energii elektrycznej istotne znaczenie mają takie „zanieczyszczenia”, jak wpływ harmonicznych oraz wartości napięcia lub częstotliwości znacznie odbiegające od wartości nominalnych. Użytkownik nie jest w stanie użyć „brudnej” energii, a co za tym idzie, system nie może wykonać niezbędnych operacji.

Środki
Istnieją różne rozwiązania problemu dostępności energii dla zapewnienia jakości produktu końcowego oraz utrzymania kosztów na odpowiednim poziomie: zastosowanie filtrów, bezprzerwowego zasilania statycznego lub dynamicznego, redundancji źródeł i wiele innych. Chociaż nie można kwestionować przydatności wyżej wymienionych rozwiązań, są one zintegrowane z systemem i jako takie oddziałują na system, a system oddziałuje na nie. Mogą one wyeliminować harmoniczne płynące od i do odbiornika, ale nie są w stanie wykryć np. luzowania się przewodów lub zużycia różnych części składowym systemu. Rozwiązania te są ponadto narażone na zużycie w takim samym stopniu jak inne elementy systemu.
W celu uzyskania maksymalnego poziomu dostępności energii należy podjąć działania w zakresie MTBF i MTTR. Czas MTTR musi zostać skrócony do minimum. Jest to możliwe, jeśli istnieje szybki, automatyczny system sygnalizacyjny, pomoc techniczna znajduje się w pobliżu miejsca instalacji systemu, części zamienne są dostępne od ręki, a system zapewnia łatwy dostęp do elementów wymagających wymiany.
Natomiast czas MTBF powinien być jak najdłuższy. Na jego wielkość ma wpływ nie tylko jakość użytych elementów oraz konstrukcja ograniczająca ilość „wąskich gardeł” lub, używając języka technicznego – „miejsc wystąpienia jednostkowych awarii” do minimum. Równie ważnym elementem jest także okresowa konserwacja, przy wykonywaniu której przewiduje się wystąpienie problemów, oraz regularne, dokładne przeglądy instalacji przeprowadzane w celu wykrycia początków awarii – zanim jeszcze doprowadzą one do przerw w produkcji.

Rys. 1. Techniczne, ekonomiczne i ekologiczne koszty instalacji

Koszty

Każdy system, nawet najlepiej zaprojektowany, starzeje się lub nie może spełnić nowych wymagań wskutek upływu czasu lub np. wzrostu ilości odbiorników. Niezoptymalizowany system powoduje konsekwencje, które schematycznie przedstawiono na diagramie na rys. 1.
W celu obniżenia ogólnych kosztów funkcjonowania systemu elektrycznego należy wziąć pod uwagę:
• optymalizację umowy dostawy,
• zarządzanie popytem,
• pomiar wydajności systemu,
• wzrost produktywności.

Konserwacja prewencyjna UPS

Jednym z istotnych elementów układów elektrycznych są systemy zasilania awaryjnego UPS. Mają one wpływ zarówno na jakość dostarczanej do użytkownika energii, jak i pozwalają ograniczyć skutki awarii, takich jak np. przerwy w dostawie prądu czy niespodziewane zakłócenia w sieci. Z tego powodu konserwacja tych urządzeń ma szczególne znaczenie dla zapewnienia dostępności energii.
Następujące elementy zasilania bezprzerwowego ulegają zużyciu (według skali zagrożenia spowodowanego usterką): baterie, kondensatory elektrolitowe oraz wentylatory. Wyszkoleni technicy oraz automatyczne testy zasilania bezprzerwowego mogą zdiagnozować problem już po pojawieniu się pierwszych jego oznak.

Rys. 2. Procent teoretycznej żywotności w zależności od temperatury środowiska w miejscu instalacji [4]

Rys. 3. Gorące miejsce (Hot point) powstałe prawdopodobnie w wyniku nieprawidłowego zamocowania terminala

Kondensatory elektrolitowe
Oczekiwana teoretyczna żywotność kondensatora zależy od mocy i temperatury otoczenia. Oznaki zużycia to zmniejszenie wydajności oraz wybrzuszanie się obudowy aż do otwarcia zaworu bezpieczeństwa. Żywotność kondensatora jest krótsza od oczekiwanej żywotności zasilacza UPS. Zaleca się wymianę elementu co 4-7 lat, w zależności od temperatury środowiska pracy.

Wentylatory
Spośród części podlegających zużyciu, wentylator niesie ze sobą niskie ryzyko i niebezpieczeństwo, ale jest bardzo istotnym elementem dla dostępności energii elektrycznej.
W sytuacji, gdy wentylacja jest niedostateczna, po przegrzaniu się zasilacza UPS zasilanie zostanie przełączone na bypass. Oznacza to, że odbiornik będzie zasilany bezpośrednio z sieci i zostanie narażony na związane z tym ryzyko. W celu uniknięcia problemów zaleca się wymianę wentylatorów co 2-4 lata, w zależności od warunków środowiska pracy UPS.

Przeglądy systemu

Istnieje cały szereg sytuacji świadczących o tym, że system nie pracuje optymalnie. Sytuacje te mogą nie ulegać zmianie, ale mogą również prowadzić do awarii – w obu tych wypadkach dochodzi albo do ciągłych, albo jednorazowych strat ekonomicznych.
Ocena wizualna jest najbardziej klasycznym rodzajem przeglądu, który wciąż jest niezbędny do rozpoznania niektórych problemów. Mimo, że może się to wydawać zadaniem prostym, oględziny takie powinien przeprowadzić wyspecjalizowany personel, w celu wykrycia usterek, które osoba niedoświadczona mogłaby pominąć.
Jednym z najbardziej wydajnych narzędzi stosowanych w konserwacji prewencyjnej jest termografia. Służy ona wykrywaniu odbiegających od normy symptomów zachowania termicznego. Jest to pierwszy etap procesu badania przyczyn awarii prowadzonego przy współpracy analityków i specjalistów do spraw procesów produkcyjnych.
Monitorowanie parametrów elektrycznych systemu uzupełnia zestaw narzędzi używanych do optymalizacji systemu. Wykrywa ono przeciążenia oraz wadliwe działanie układu.

Oględziny
Oględziny pozwalają wykryć pogorszenie stanu lub zużycie różnych elementów lub wykończenia powierzchni. Typowe wady możliwe do stwierdzenia podczas oględzin to zużycie elementów powierzchni takich jak malowanie lub tropikalizacja, wycieki płynów mogące pochodzić z akumulatorów, rur lub obudów, które nie są już w stanie zagwarantować klasy bezpieczeństwa (IP) zasilania, jak również występowanie korozji, grzyba i pleśni.

Termografia
Niektóre elementy, których stan można kontrolować przy pomocy termografii to:
• transformatory,
• panele elektryczne,
• systemy filtracji i korekcji współczynnika mocy,
• kable i łącza dystrybucyjne,
• urządzenia zabezpieczające, odłączniki izolacyjne, bezpieczniki, rozłączniki,
• terminale,
• falowniki i przetworniki,
• baterie,
• silniki, napędy i systemy oświetleniowe.
Każde gorące miejsce prowadzi do strat energii i zmniejszenia ogólnej sprawności systemu. Używając ponownie analogii do wody – jest to sytuacja odpowiadająca zakupowi wody a następnie transportowaniu jej w dziurawym wiadrze. Poza stratą energii, w takiej sytuacji konieczne jest „osuszenie wycieku”, aby nie dopuścić do uszkodzenia sprzętu znajdującego się w pobliżu.
Dodatkowo, w przypadku energii elektrycznej, wysoka temperatura i rezystancja to dwie cechy łączące się ze sobą – jedna może być przyczyną powstawania drugiej i na odwrót. Gorące miejsca mają również związek z rezystancją pasożytniczą, która powoduje niepożądane spadki napięcia, potencjalnie przekraczające wartości graniczne odbiornika, co może spowodować przerwę w pracy systemu.
Rysunek 3 pokazuje prawdopodobnie poluzowaną śrubę podświetlonego terminala, którą należy dokręcić.

Rys. 4. Diagram energii aktywnej otrzymany z sieci oraz limit umowy przesyłu

Monitorowanie parametrów elektrycznych
Porównanie przesyłu energii elektrycznej do dystrybucji wody można także zastosować w przypadku kabli. Pod niektórymi względami przewody elektryczne przypominające rury. Kable mogą być używane w całym swoim przekroju lub tylko w jego części, co skutkuje zmniejszeniem tempa przepływu. Poza przesyłem, na eksploatację systemu wpływ mają także sami użytkownicy. Mogą oni powodować powstawanie harmonicznych i/lub nadmierne przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem a prądem (zmniejszone cos j). Monitorowanie sieci pod kątem parametrów elektrycznych umożliwia m.in. kontrolę:
• zużycia energii w ciągu dnia,
• braku równowagi między fazami,
• rzędu i siły występujących harmonicznych,
• cos j i/lub współczynnika mocy każdej fazy,
Co za tym idzie – monitorowanie pozwala wyregulować rozpływ energii w systemie i często uzyskać nawet znaczące oszczędności. Przy pomocy wyliczeń wynikających z pomiarów możliwe jest na przykład podjęcie decyzji o zwiększeniu limitu określonego w umowie przesyłu lub o innym podłączeniu odbiorników do poszczególnych faz w celu jak najlepszego wykorzystania systemu. Uzyskiwana jest również wiedza, jakie rozwiązanie będzie najlepsze do wyeliminowania harmonicznych (np. filtry aktywne, filtry bierne lub UPS). W celu uzyskania najlepszego efektu należy odpowiednio wybrać miejsce instalacji danego rozwiązania: stanowisko korekcji współczynnika mocy należy montować w odpowiedniej dopuszczalnej odległości od odbiorników biernych.

Matteo Granziero
Autor jest kierownikiem
działu komunikacji technicznej
firmy Socomec UPS

Bibliografia:
[1] Marshall G., Chapman D., Resilience – Resilience, Reliability and Redundancy, str. 12,
[2] http://www.epa.gov/solar/emissions.htm,
[3] FEMA, Fire in the United States 1992-2001 Thirteenth Edition, October 2004, str. 116,
[4] Eurobat, The Eurobat guide for the specification of valve regulated lead-acid stationary cells and batteries, str. 6.