14. OBECNÉ ZÁSADY PROJEKTOVÁNÍ VÝKONOVÝCH ZAŘÍZENÍ, SYSTÉMŮ A INSTALACÍ Z HLEDISKA EMC 14.1. Úvod Výkonová zařízení, systémy a instalace, jejichž součástí jsou výkonové polovodičové měniče, silové rozvody, řídící a komunikační obvody, prvky automatizační a výpočetní techniky a jistící a spínací přístroje, jsou zdroji nízko a vysokofrekvenčního rušení, z hlediska jeho časového průběhu pak zdroji kvazi-impulzního rušení. Tato rušení se šíří jak vedením tak i prostorem a může negativně ovlivňovat další zařízení připojené k napájecí síti, či zařízení nacházející se v jejich elektromagnetickém prostoru. Takováto zařízení patří k významným zdrojům rušení, je třeba problematice jejich EMC věnovat zvýšenou pozornost a to již ve fázi jejich projektování. Zejména to platí pro oblasti obchodu a služeb a lehkého průmyslu, kdy jsou tato zařízení napájena přímo z distribuční sítě nízkého napětí, ke které jsou například napájeny rovněž domácnosti, školské či zdravotnické objekty apod. V případě průmyslových podniků, které nejsou napájeny z této sítě, nemusí nutně generované rušení znamenat nebezpečí, ovšem pokud v jejich blízkosti jsou instalovaná citlivá zařízení. 14.2. Základní pojmy a legislativa Ve spojení s elektromagnetickým rušením jsou definovány úrovně a meze vyzařování a odolnosti konkrétního zařízení, respektive pojem kompatibilní úroveň, které byly probírány v rámci první přednášky. Z těchto zavedených pojmů pak vyplývá, že zařízení bude vyhovovat požadavkům na EMC tehdy, jestliže úroveň jím generovaného rušení bude nižší než mez vyzařování, jejíž konkrétní hodnota je, např. pro oblast vysokofrekvenčního rušení, určena příslušnou normou pro určitou skupinu zařízení. Z pohledu příjemců rušení pak jde o jejich odolnost vůči tomuto rušení, kdy jsou příslušnými normami stanoveny metody jejich zkoušek odolnosti a doporučené zkušební úrovně. Je zřejmé, že mez vyzařování musí být nižší než mez odolnosti. Jejich rozdíl pak představuje tzv. rezervu EMC, jejíž velikost pak významně ovlivňuje velikost nákladů vynaložených na EMC daného zařízení. Pokud je rezerva EMC zvolena příliš velká, jsou vysoké náklady na EMC, tj. např. na filtrační zařízení, odrušovací prostředky, stínění, zemnění apod. V opačném případě je pak zde riziko, že zařízení nevyhoví zkouškám na EMC, které jsou prováděny tzv. autorizovanými osobami, popř. nevyhoví provozním požadavkům, což vede na dodatečné úpravy zařízení, které mohou být pracnější a dražší, a tím konečné náklady vynaložené na EMC zařízení mohou přesáhnout i náklady při zvolené zbytečně vysoké rezervě EMC. Je třeba si rovněž uvědomit, a vyplývá to i z praktických zkušeností, že s EMC a jejími zásadami úzce souvisí kvalita a spolehlivost vyráběných produktů a samozřejmě i spolehlivost výrobních, technologických a komunikačních procesů včetně bezpečnosti osob. Legislativa z pohledu EMC je zabezpečena řadou odpovídajících norem, a to základními, všeobecnými (kmenovými) a výrobkovými normami, jejichž vybraný přehled byl probírán v první přednášce. Dále je to nařízení vlády č.616/2006 o technických požadavcích na výrobky z hlediska jejich elektromagnetické kompatibility, které se vztahuje na všechny výrobky s výjimkou rádiových a telekomunikačních koncových zařízení na něž se vztahují zvláštní právní předpisy, výrobky, součásti a zařízení letecké techniky, rádiová zařízení používaná radioamatéry, pokud tato zařízení nejsou dostupná na trhu a také zařízení, které mají takové fyzikální vlastnosti, že nemohou způsobit elektromagnetické vyzařování překračující úroveň umožňující rádiovým, telekomunikačním a ostatním zařízením provoz a která budou bez přijatelného zhoršení fungovat v přítomnosti elektromagnetického rušení, jež je běžné vzhledem k účelu jejich použití. Nařízení obsahuje mimo jiné postup posuzování
shody výrobku se základními požadavky, včetně dokladů o posouzení shody a informace o označení výrobků značkou CE a podmínky autorizace. Subjekty autorizované k činnostem při posuzování shody výrobků z hlediska jejich elektromagnetické kompatibility je možné najít např. na internetových stránkách Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (www.unmz.cz) 14.3. Základní opatření EMC pro výkonová zařízení, systémy a instalace Pokud má být garantován bezporuchový chod výkonových zařízení, systémů a instalací z hlediska EMC je třeba začít pracovat na problematice EMC již během zpracovávání počátečních fází projektu. Základní práce ve fázi přípravy projektu by měly být následující: Poukázání na nedostatky, mezery a problémy předkládaného konceptu projektu Návrh případných změn pro zajištění EMC problémových zařízení, systémů či instalací do projektu Zajištění shody speciálních a obecných zájmů a požadavků z hlediska EMC a také shodu zájmů a požadavků investora (uživatele) a dodavatele Schválení konceptu projektu z hlediska EMC Ve fázi přípravy projektu je tedy důležitá jeho analýza z hlediska EMC s cílem zajištění shody s požadavky na EMC, která zahrnuje: Určení dotyčného zařízení, systému nebo instalace do třídy nebo kategorie, které jsou definovány příslušnými normami a které je také blíže specifikují, včetně rozdělení zařízení, systémů a instalací do těchto tříd či kategorií. Shromáždění a analyzování dostupných údajů o jednotlivých subsystémech v projektu Zjišťování vzájemného postavení a působení jednotlivých zařízení či subsystémů z hlediska zdrojů či příjemců rušení, vazebních cest, prostředí pro šíření rušení apod. Je-li to možné provedení měření u zdroje rušení, na přenosové cestě, u příjemce rušení, popřípadě testování v laboratorních podmínkách (zajišťování průběžných testů) Určení přípustných mezí rušení a odolnosti (definovány normami pro daný typ rušení a třídu) V případě nutnosti snahu omezit generované rušení u zdroje a zvýšit odolnost vůči rušení na straně příjemce rušení Nástrojem pro zhotovení analýzy projektu z hlediska EMC může být tzv. plán EMC, který zahrnuje údaje o zařízení, systému nebo instalaci a jeho napájení, tj. technický a funkční popis, údaje o EMC včetně její analýzy s určením např. citlivých či slabých míst, stanovení instalačních pravidel, kdy je nutno věnovat pozornost doporučením daným výrobcem pro konkrétní zařízení či instalaci, dále případné provedení měření či zkoušek, jejich pořadí a zahrnující odpovídající normy. Účinným nástrojem při ověřování a zlepšování EMC vlastností zařízení jsou testy EMC, které mohou být prováděny ve vlastních laboratořích, ve velkých testovacích laboratořích u velkých podniků a nebo zajišťovány autorizovanými osobami. Plán EMC testů může zahrnovat: Analýzu funkce zařízení, systému nebo instalace a parametrů použitých signálů včetně napájení Určení třídy prostředí ve kterém bude zařízení provozováno z hlediska jeho elektromagnetických vlastností a to z hlediska jak vyzařování tak odolnosti. Stupně
tříd jsou definovány v normách ČSN EN 61000-2-4 (kompatibilní úrovně nízkofrekvenčního rušení, týká se tedy vyzařování), ČSN EN 55011 (meze a metody měření vysokofrekvenčního rušení, týká se rovněž vyzařování) a v normách řady ČSN EN 61000-4 (u těch, které se týkají zkoušek odolnosti) Určení nebezpečných elektromagnetických vlivů ve sledovaném prostředí, které mohou ohrozit funkci zařízení, systému nebo instalace. Těmito jevy mohou být: přepětí přechodné děje nízko a vysokofrekvenční emise a imise nestabilní napájení elektrostatické výboje Navržení vhodných opatření pro omezení těchto vlivů, jakými mohou být: stínění filtrace přepěťové ochrany zemnění pospojování změna designu zařízení změna signálových úrovní Určení mezních hodnot vyzařování a odolnosti, které jsou definovány odpovídajícími normami Vybrání odpovídající rezervy vyzařování, rezervy odolnosti (tj. rezervy EMC) s ohledem na problémy uvedené v odstavci 14.2. a kompatibilní úroveň Určení vhodných testovacích metod, postupů měření a vhodných přístrojů, přičemž metodika měření bývá popsaná v normách. Vlastní provedení testů buď v laboratoři, popř. EMC zkušebně a nebo pověřením autorizované osoby jejich provedením 14.4. Třídy prostředí z hlediska EMC Z pohledu normy ČSN EN 61000-2-4 jsou definovány následující třídy elektromagnetického prostředí v průmyslových podnicích: Třída 1: pro zařízení velmi citlivá na rušení (laboratoře, místnosti s výpočetní technikou, automatizační a ochranná zařízení apod.), tj. s chráněným napájením Třída 2: pro průmyslové systémy a instalace jak s elektronickými tak i výkonovými zařízeními malých výkonů Třída 3: provozy velkých výkonů jako jsou válcovny, papírenské linky, výrobní linky ve strojírenském, elektrotechnickém a těžebním průmyslu, linky v automobilových závodech (kde jsou např. svařovací automaty), cukrovary apod. Třídy se od sebe odlišují předepsanými úrovněmi kompatibilních úrovní vybraných charakteristik napětí (viz sylabus k přednášce č.6) Z pohledu normy ČSN EN 55011 jsou definovány následující třídy: Třída A: zařízení, systémy a instalace používané v průmyslovém prostředí Třída B: zařízení, systémy a instalace vhodné pro používání v domácnostech a v provozech přímo připojených na síť nízkého napětí (veřejnou síť)
Zařízení v každé třídě jsou pak ještě rozdělena do dvou skupin. Třídy a skupiny se odlišují mezemi rušivých svorkových napětí v závislosti na kmitočtovém pásmu. Z pohledu norem řady ČSN EN 61000-4 týkajících se zkoušek odolnosti (např. vůči rázovému impulzu, kolísání napětí, kolísání kmitočtu, nesymetrii, rychlým přechodným jevům, vyzařovanému vysokofrekvenčnímu elektromagnetickému poli atd.) jsou tyto třídy popisovány různě dle druhu rušení. Např. pro nízkofrekvenční rušení jako je nesymetrie, harmonické či krátkodobé poklesy napětí apod. jsou třídy prostředí určeny stejně jako u ČSN EN 61000-2-4, avšak s tím rozdílem, že v těchto případech se normy týkají pouze zařízení do 16A včetně. Např. pro rychlé přechodné jevy jsou třídy (či úrovně dle normy) charakterizovány následujícím způsobem: Úroveň 1: dobře chráněná zařízení (charakteristika v normě, např. jsou použity stíněné kabely, oddělené obvody, např. ovládacích a měřících od výkonových), např. počítačové sály, elektronické laboratoře Úroveň 2: chráněné prostředí (provedení na nižší úrovni, oddělení napájecích kabelů od ovládacích), např. velíny, vhodné instalace v průmyslových objektech, zkušebny, elektrická zařízení v plechových skříních Úroveň 3: typické průmyslové prostředí (úpravy nutné v předcházejících úrovních jsou zde nedokonalé nebo nedostatečné). Použité zařízení, systémy či instalace vystaveny rušení, respektive jsou samy zdrojem rušení, tj. instalace kompenzačních a filtračních prostředků Úroveň 4: nepříznivé průmyslové prostředí (zmiňované úpravy nejsou provedeny, použity vícežílové kabely pro ovládací a signálová vedení), např. venkovní zařízení, kde nejsou aplikována žádná zvláštní instalační opatření, prostory elektráren, provozy v těžkém průmyslu. Použité zařízení, systémy či instalace vystaveny rušení, respektive jsou samy zdrojem rušení, tj. instalace kompenzačních a filtračních prostředků 14.5. Kvalita elektrické energie, investiční analýza při řešení kvality energie Elektrická energie je využívána ve všech oblastech průmyslu a služeb. Jde přitom o komoditu, kterou nelze ve větším měřítku skladovat a z tohoto důvodu ani před vlastním použitím prověřovat její kvalitu, je tedy dodávána přímo do míst spotřeby v určitém čase. Její kvalita je tedy velmi důležitá, nelze zajistit, aby elektrická energie nesplňující požadované parametry byla stažena z elektrizační soustavy. Otázka dostatečné kvality elektrické energie je zvláště významná v posledních desetiletích, kdy došlo a dochází k širokému používání takových zařízení, která v důsledku svých činností mohou významným způsobem zhoršovat kvalitu elektrické energie v napájecí síti. Kvalitu elektrické energie, respektive napájecí napětí v daném odběrném místě, lze za idealizovaných přístupů charakterizovat jako trvale přítomné, v předepsaném rozpětí jeho velikosti a kmitočtu a s ideálně sinusovým průběhem. Toto prakticky nelze zajistit už jenom z technologického hlediska. Proto v odpovídajících normách řešících kvalitu napájecího napětí (viz např. sylabus č.11) jsou definovány limity jednotlivých charakteristik napětí, které samozřejmě mohou být jiné ve veřejným distribučních sítích a jiné v průmyslových sítí. Kvalita napájecího napětí je rovněž věcí dodavatele elektrické energie a jejím odběratelem. Za poruchy v oblasti přenosu elektrické energie, např. poklesy a přerušení napětí, je odpovědný dodavatel, za jeho zkreslení je téměř vždy zodpovědný naopak odběratel. Odběratel je tak nucený dodavatelem k přijetí opatření k omezování negativního vlivu jeho provozovaných zařízení, systémů a instalací na napájecí napětí v místě jeho připojení k síti, pokud k této skutečnosti dochází, respektive je očekáván. Pro dosažení dobré kvality napětí splňující
parametry dané příslušnými normami je nezbytný řádný návrh dotyčného zařízení včetně jeho instalace z hlediska EMC, vhodné a účinné kompenzačně-filtrační zařízení, jejich odpovídající údržba, časté sledování provozních parametrů a spolupráce dodavatele s odběratelem. Pro rozhodování o investicích, jak z ekonomického tak technického hlediska, k zabezpečení požadované kvality elektrické energie je důležité vyhodnocení ekonomického dopadu neřešené kvality, resp. špatné kvality napětí a jeho srovnání s náklady na různé varianty přijatých opatření pro její zabezpečení či zlepšení. Vlastní proces vyhodnocení zda a v jaké výši investice použít je ovlivněn následujícími body: Charakteristika kvality elektrické energie v daném přípojném místě, respektive uvnitř stávajícího objektu Odhad nákladů souvisejících s nedostatečnou kvalitou na provoz nového systému, instalace či objektu, resp. stávajícího objektu, tj. když nebude řešena problematika EMC Analýza různých variant řešení EMC z pohledu na jejich náklady a účinnost Provedení ekonomického srovnání uvažovaných řešení Investice do zlepšení nebo dodržení předepsané kvality elektrické energie jsou investice do snížení nákladů, respektive investice podmíněné např. smluvním závazkem s využitím zejména provozních příjmů subjektu. Nejde tedy o tzv. strategické investice, či investice vyžadované přímo ze zákona. Tím je dán určitý tlak na poměrně rychlou návratnost investic do kvality energie, což může znamenat ne zrovna optimální realizaci EMC zajištění, kdy je dávána přednost ekonomicky méně náročnému řešení. 14.6. Dodavatelsko-odběratelské vztahy Kvalitu elektrické energie lze z hlediska dodavatelsko-odběratelských vztahů zajistit prakticky respektováním těchto zásad: Za kvalitu je odpovědný provozovatel sítě, tj. např. ve vztahu s odběratelem musí dosáhnout dohodu v těch případech, kdy odběratel negativně působí na kvalitu elektrické energie a nebo toto negativní působení je očekáváno Stanovit podmínky pro připojování elektrických zařízení k napájecí síti provozované dodavatelem Brát v potaz příslušné normy Zajistit měření jednotlivých parametrů kvality elektrické energie Poskytovat uspokojivé služby Náklady na přenos elektrické energie co nejnižší Vazba odpovídajících norem na smluvní řešení dodavatelsko-odběratelských vztahů je na obrázku dole. Normy, předpisy a smlouvy jsou uvedeny nahoře a skutečná situace v síti je ilustrována na harmonických dole na obrázku. Obdobné vazby platí i pro ostatní charakteristicky napájecího napětí. Závazné podmínky pro připojování zařízení do veřejných distribučních sítí stanovuje smlouva mezi dodavatelem a odběratelem elektrické energie. Podkladem pro formulování této smlouvy jsou mezní hodnoty charakteristik napětí (např. harmonické, kolísání napětí) ve veřejných distribučních sítích dle příslušných norem a další podklady dodavatele. Jsou-li některé meze překročeny, např. harmonických proudů, může dodavatel požadovat filtraci harmonických nebo nesouhlasit s připojením. V tomto případě se mezi dodavatelem a odběratelem vyžaduje
zvláštní smlouva, kdy smluvní hodnoty mezí harmonických proudů se stanoví podle sjednaného příkonu instalace odběratele dle příslušných podkladů, které jsou součástí podmínek pro připojování nových odběrů do veřejných distribučních sítí vydaných dodavatelem. Charakteristiky napětí Kompatibilní úrovně Skutečný stav v rozvodné síti Podniková norma energetiky Skutečné hodnoty harmonických v rozvodné síti Kvalita zařízení Kvalita energie Mez emise harmonických odběratem Odběratel 1 Směrnice EU Odběratel 2 Ve společném napájecím bodu Výrobce zařízení Smlouva mezi energetikou a odběratelem Odběratel i Odběrné místo Odběratel Nabídka zařízení Výběr vhodného zařízení a ochranná opatření nutná pro dodržení požadavků na odolnost i emisi harmonických (filtry) Podklady pro smlouvu Obr. 1. Vazba odpovídajících norem na smluvní řešení dodavatelsko-odběratelských vztahů Postup při připojování nového odběru: Zjištění způsobu provozu, velikosti a charakteru připojovaného zařízení, systému nebo instalace Posouzení jeho negativního vlivu na síť Zjištění úrovní harmonických napětí v místě společného napájení (PCC)
Posoudit emise harmonických proudů od připojovaného zařízení Ověření parametrů sítě v PCC Přihláška k připojení Stanovení podmínek pro připojení Stanovení opatření pro omezení rušení Uvažování plánovaných úrovní harmonických napětí hodnota zkratového výkonu v PCC Dodržování podmínek stanovených v uzavřené smlouvě