Rejestratory przebiegów i ich możliwości

Rejestratory przebiegów i ich możliwości

Rejestratory przebiegów i ich możliwości

Zastosowania rejestratorów przebiegów pozwala na odtworzenie przebiegu zdarzenia mającego niekorzystny wpływ na funkcjonowanie urządzeń elektrycznych.

Pomiarowcy wykorzystują wiele technik pomiarowych do diagnozowania stanu technicznego instalacji i sieci elektrycznych. Pomiary te wykorzystują zespół podstawowych wielkości elektrycznych do oceny stanu instalacji, np. rezystancji izolacji, impedancji pętli zwarcia, rezystancji uziemienia czy wartości prądów różnicowych. W celu wykonania dalszej diagnostyki stosuje się m.in. pomiary jakości energii elektrycznej, które pozwalają na wykrycie nieprawidłowości w funkcjonowaniu instalacji lub sieci elektrycznej. W zdecydowanej większości przypadków diagnostyki problemów te metody są wystarczające. Niestety przy występowaniu bardziej złożonych zjawisk, jak np. interferencji elektromagnetycznej, zwarć, wyładowań niezupełnych i wielu innych, konieczne okazać się może wykorzystanie bardziej zaawansowanych technik pomiarowych niż wymienione powyżej. Szerokie spektrum możliwości diagnostycznych uzyskujemy przy pomocy rejestratorów przebiegów, które pozwalają na odtworzenie przebiegu zdarzenia mającego niekorzystny wpływ na funkcjonowanie urządzeń elektrycznych.

Czym jest rejestrator przebiegów?

Jednym z podstawowych przyrządów wykorzystywanych przez pomiarowców jest oscyloskop. Urządzenie to przedstawia w sposób graficzny przebiegi napięć, prądów czy innych wartości mierzonych przy pomocy dwóch wartości. Oscyloskopy analogowe nie posiadały możliwości zapisywania przebiegów mierzonych. Taką możliwość w ograniczonym zakresie posiadają oscyloskopy cyfrowe. Dlaczego w ograniczonym zakresie? Ponieważ są one w stanie zapisywać pojedynczy zrzut informacji z ekranu, a co za tym idzie, ilość zapisanych informacji jest znikoma. Kolejny problem, jaki wiąże się z zastosowaniem oscyloskopu w diagnostyce problemów obserwowanych w sieci elektrycznej, to bardzo ograniczona możliwość wyboru zdarzeń powodujących wyzwolenie zapamiętania przebiegu. Na ogół wyzwolenie odbywa się za pomocą jedynie wykrycia przejścia przez określoną wartość zbocza opadającego lub rosnącego (z języka angielskiego nazywany trigger). Ograniczenia oscyloskopu powodują, że staje się on w praktyce możliwy do wykorzystania jedynie przy zdarzeniach cyklicznych i/lub dających się przewidzieć.

Rys. 1. Oscyloskop cyfrowy czterokanałowy Tektronix MDO3000 (źródło: uk.tek.com)

Naprzeciw opisanym powyżej problemom wychodzą tzw. rejestratory przebiegów. Urządzenie tego typu zaprezentowane jest na rysunku 2. Rejestratory są w stanie zapisywać wiele przebiegów o znacznym czasie trwania (a nie jedynie pojedynczy zrzut ekranu, tak jak ma to miejsce w przypadku oscyloskopu). W porównaniu z oscyloskopami urządzenia te mają znacznie większe możliwości nastawiania sposobu wyzwolenia (zdarzenia wyzwalającego) sekwencji zapamiętywania przebiegów. Dodatkowym atutem rejestratorów przebiegów, w porównaniu z oscyloskopami, jest wyposażenie ich w znacznie większą liczbę kanałów pomiarowych (tak jak zaprezentowano to na rysunku 3.). Rejestratory wykonują na ogół pomiar bardziej dokładnie, ponieważ są urządzeniami wyposażonymi w przetworniki analogowo-cyfrowe o większej rozdzielczości pomiarów.

Subiektywne porównanie możliwości oscyloskopów i rejestratorów ze szczególnym uwzględnieniem parametrów ważnych przy analizie sieci elektrycznych zestawiono w tabeli 1. Od zaprezentowanych w tabeli danych istnieje oczywiście wiele wyjątków, jak np. wysokoprecyzyjne czy np. wielokanałowe oscyloskopy, ale poza urządzeniami specjalnymi opisane w tabeli cechy są prawdziwe.

Rys. 2. Rejestrator przebiegów Hioki 8861

Rys. 3. Wejścia rejestratora przebiegów (źródło: www.hioki.com)

Tabela 1. Porównanie oscyloskopów i rejestratorów przebiegów

Kryterium

Oscyloskopy

Rejestratory przebiegów

Możliwości w zakresie rejestracji przebiegów

Na ogół ograniczona do jednego, krótkiego przebiegu

Możliwość zapisywania znacznej ilości danych (wiele przebiegów długotrwale)

Liczba kanałów

Niewielka (2 czy np. 4)

Znaczna (np. 32 kanały)

Izolacja kanałów

W wielu wpadkach brak (konieczność stosowania różnicowych sond napięciowych)

Kanały izolowane (możliwość wykonania bezpośrednich pomiarów

Częstotliwość próbkowania sygnałów pomiarowych

Wysoka (Kilkaset megaherców do kilkunastu gigaherców)

Średnia (kilkadziesiąt megaherców)

Dokładność pomiaru

Niska (błąd 1–3%)

Wysoka (błąd 0,01%)

Pomiary wartości elektrycznych (wartość skuteczna, średnia itp.)

Podstawowe

Rozbudowane (włączając pomiary jakości energii elektrycznej)

Pomiary wielkości nieelektrycznych

Sygnały binarne

Sygnały binarne i sygnały wyjściowe czujników pomiarowych

Możliwość wydruku wyników pomiarowych

Brak

Wiele modeli wyposażonych jest w drukarkę o wysokiej rozdzielczości

Częstotliwość próbkowania sygnałów w przypadku rejestratorów przebiegów jest znacznie mniejsza niż w przypadku oscyloskopów. Związane jest to z ograniczeniami pamięciowymi. Duża częstotliwość próbkowania pociągałaby za sobą konieczność implementacji znacznej powierzchni pamięciowej w rejestratorze, w celu umożliwienia mu długotrwałego pomiaru. Ograniczenie częstotliwości próbkowania w zdecydowanej większości przypadków nie pociąga za sobą utraty właściwości diagnostycznych, ponieważ sygnały najwyższych częstotliwości obecne są praktycznie jedynie w telekomunikacji i mają znikome znaczenie na funkcjonowanie urządzeń w sieci elektrycznej.

Ciekawą cechą rejestratorów przebiegów jest możliwość wykonywania wydruków o wysokiej jakości (patrz rysunek 4.). Dzięki temu łatwiejsza jest analiza długotrwałych zdarzeń (obejmujących wiele okresów), ponieważ wydruk jest ciągły i pozwala prześledzić chronologicznie analizowane zjawiska.

Rys. 4. Wydruki przy pomocy rejestratora przebiegów (źródło: www.hioki.com)

Możliwości pomiarowe rejestratorów przebiegów

Rejestratory przebiegów można wykorzystywać na wiele sposobów. Na przykład do: rejestracji przebiegów o niskiej częstotliwości, rejestracji przebiegów o niskiej częstotliwości z jednoczesną rejestracją zdarzeń szybkozmiennych, rejestracji wyników analizy FFT, rejestracji przebiegów we współrzędnych XY, rejestracji danych pomiarowych (np. wartości skutecznej RMS), rejestracji przebiegów dwustanowych. Tak szerokie spektrum możliwości rejestracyjnych połączone ze znaczną pamięcią wewnętrzną (pozwalającą na długotrwałe rejestracje z wysoką rozdzielczością czasową i wartościową pomiaru) daje szerokie możliwości wykorzystania w diagnostyce problemów w sieciach elektrycznych.

Rys. 5. Sposoby zapisywania wyników pomiarowych przez rejestrator przebiegów (źródło: www.hioki.com)

Zdarzenia wyzwalające zapisanie przebiegu

W oscyloskopach znacznie ograniczona jest możliwość wykrywania niekorzystnych zjawisk obecnych w sieciach elektrycznych. Rejestratory przebiegów mają znacznie rozbudowane funkcje wyszukiwania zdarzeń. Do najważniejszych należą:

  • zwykłe wyzwalanie poziomem sygnału i jego zboczem;

  • pojawienie się sygnału wewnątrz okna wyzwalania (pomiędzy Vmin i Vmax);

  • pojawienie się sygnału na zewnątrz okna wyzwalania (poniżej Vmin albo powyżej Vmax);

  • wykrycie zapadu napięcia (obniżenia się wartości skutecznej napięcia);

  • wykrycie znacznej zmiany okresu (częstotliwości sygnału);

  • wyzwalanie poziomem wartości skutecznej sygnału;

  • wyzwalanie wejściem logicznym;

  • wyzwalanie czasowe;

  • wyzwalanie ręczne.

Istnieje także możliwość zastosowania tzw. wstecznego wyzwalania (pre trigger). Polega to na tym, że rejestrator zapisze to, co działo się przed zdarzeniem wyzwalającym zapisanie przebiegów. Zakres czasowy tego wstecznego zapamiętywania przebiegów jest nastawialny (ilustruje to rysunek 5., wskazując położenie okna pomiarowego względem zdarzenia wyzwalającego – literka T).

Rys. 6. Wyzwalanie wsteczne (pre triger) ilustracja trzech przypadków (5%, 50% oraz 95%) (źródło: www.hioki.com)

Możliwości diagnostyczne rejestratorów przebiegów

Rejestratory przebiegów są urządzeniami przeznaczonymi do wielu zastosowań: w energoelektronice, trakcji elektrycznej, napędach, procesach produkcyjnych, automatyce itp. Wśród tych zastosowań mieszczą się także pomiary stricte elektroenergetyczne.

Rejestratory wykorzystuje się do oceny zjawisk związanych z jakością energii elektrycznej definiowanych przez normę PN EN 50160 (np. zapady, harmoniczne, podskoki napięcia; wahania napięcia). Wszystkie te zjawiska mogą zostać graficzne zobrazowane w postaci przebiegów.

Kolejną grupą zjawisk rozprzestrzeniających się w sieciach elektroenergetycznych i negatywnie wpływających na pracę odbiorników energii elektrycznej są zaburzenia elektromagnetyczne przewodzone. Zastosowanie rejestratora pozwala wykrywać pojawianie się problemów z kompatybilnością elektromagnetyczną.

Rejestratory przebiegów pozwalają na analizę stanów dynamicznych obserwowanych w systemie elektroenergetycznym. Jest to liczna grupa zjawisk, wśród których wyliczyć należy: zwarcia, przepięcia łączeniowe, zmiany obciążenia, przełączenia, synchronizacje układów wytwórczych.

Typowym badaniem, wykonywanym przez wielu pomiarowców, podczas którego ogromne znaczenie ma wykorzystanie rejestratora, jest sprawdzenie działania automatyki samoczynnego załączenia rezerwy (SZR). Rejestrator pozwala wtedy na jednoczesne badanie wielu sygnałów z pomiarów elektrycznych (napięcie wszystkich faz linii wejściowej 1, napięcie wszystkich faz linii wejściowej 2, napięcie wszystkich faz linii wyjściowej, prądy wszystkich faz wyjściowych), ale także na badanie sygnałów sterujących i pomiarowych samej automatyki.

Bardzo szerokie spektrum zastosowań rejestratory przebiegów znajdują w systemach zasilania gwarantowanego. Można wykorzystywać je do analizy pracy normalanej, stanów przejściowych, jak i pracy z baterii dla układów zasilaczy UPS. Co więcej, mogą być badane nie tylko parametry sieciowe, istnieje także możliwość analizy prądów ładowania i rozładowania akumulatora i stwierdzenie obecności tętnień w tym prądzie (co jest praktycznie niedopuszczalne ze względu na szybkie starzenie się akumulatora). Ważnym elementem systemów zasilania gwarantowanego są także agregaty prądotwórcze. Rejestrator jest także w stanie badać liczne parametry pracy tych urządzeń.

Podsumowanie

Rejestratory przebiegów przypominają swoją zasadą działania oscyloskopy, jednak ich możliwości zostały rozszerzone w celu umożliwienia zastosowania ich jako urządzeń diagnostycznych. Istnieje szerokie spektrum możliwości zastosowania rejestratorów, ale dla pomiarowca najważniejsza jest diagnostyka sieci i urządzeń elektrycznych. W tym zakresie rejestrowanie przebiegów może się okazać bezcenną metodą pomiarową pozwalającą wykryć źródła problemów w układach zasilania. Znaczna liczba kanałów pomiarowych oraz możliwość długotrwałej rejestracji przebiegów wartości mierzonych i sygnałów dwustanowych stanowi poważne wsparcie w usuwaniu problemów. Wśród wielu zalet tego typ urządzeń należy jednak wspomnieć o najważniejszej ich wadzie, a mianowicie wysokiej cenie. W najbardziej rozbudowanych konfiguracjach urządzenia te mogą kosztować kilkaset tysięcy złotych.

Autor: dr inż. Łukasz Rosłaniec Politechnika Warszawska