Η ορθή και ολοκληρωμένη διαχείριση του προβλήματος των αρμονικών προϋποθέτει την εκτέλεση σωστών και επαρκών μετρήσεων.

Στην πράξη όμως, παρατηρούνται πολύ σοβαρά λάθη και παραλείψεις, τα οποία οδηγούν στη συλλογή λανθασμένων ή ανεπαρκών δεδομένων και συνεπώς, στην ελλειπή αντιμετώπιση του προβλήματος των αρμονικών.

Στη χειρότερη εκδοχή, γίνονται σκόπιμα επιλεκτικές μετρήσεις, ώστε με πρόχειρους υπολογισμούς να προκύπτουν στοχευμένα αποτελέσματα (π.χ. υψηλά ποσοστά εξοικονόμησης, μεγάλες ανάγκες για διόρθωση συνημιτόνου κλπ) που αποσκοπούν στη δημιουργία παραπλανητικής εικόνας για τις πραγματικές ανάγκες της ηλεκτρικής εγκατάστασης και τον απαιτούμενο εξοπλισμό. 

Στη συνέχεια παρουσιάζονται αναλυτικά τα 6 συνηθέστερα λάθη που παρατηρούνται κατά τη διενέργεια των μετρήσεων αρμονικών.

Λάθος 1: Ακατάλληλος εξοπλισμός μέτρησης

Πρώτη και βασικότερη προϋπόθεση για τη σωστή διενέργεια μετρήσεων αρμονικών είναι η χρήση του κατάλληλου εξοπλισμού.

Παρατηρείται συχνά (είτε από άγνοια είτε και από πρόθεση) το φαινόμενο να γίνονται απόπειρες μέτρησης με μονοφασικές αμπεροτσιμπίδες, βολτόμετρα, συνημιτόμετρα ή χαμηλής ακρίβειας αναλυτές ενέργειας.

Καμία από τις παραπάνω μεθόδους δε συνιστά σωστή μέτρηση αρμονικών.

Για τη μέτρηση των αρμονικών πρέπει απαραιτήτως να χρησιμοποιούνται τριφασικοί αναλυτές ενέργειας με υψηλό βαθμό ακρίβειας μέτρησης.

Γιατί όμως οι τριφασικοί αναλυτές ενέργειας είναι ο απαραίτητος εξοπλισμός για τις ηλεκτρολογικές μετρήσεις;

Πρώτον, διότι οι τριφασικοί αναλυτές ενέργειας είναι οι μοναδικές συσκευές που μπορούν και μετρούν όλα τα σχετικά μεγέθη (τάσεις, εντάσεις, ισχείς, αρμονικές κλπ).

Δεύτερον, διότι οι τριφασικοί αναλυτές ενέργειας έχουν τη δυνατότητα καταγραφής δεδομένων για μεγάλο χρονικό διάστημα, απαραίτητη προϋπόθεση για τη λήψη επαρκών δεδομένων.

Παρ’ όλα αυτά, θα πρέπει να προσέχετε διότι οι τριφασικοί αναλυτές ενέργειας που χρησιμοποιούνται για τις μετρήσεις αρμονικών θα πρέπει να καλύπτουν τις απαιτήσεις του διεθνούς προτύπου ποιότητας ισχύος ΕΝ 50160.

Λάθος 2: Σύντομος χρόνος εκτέλεσης των μετρήσεων

Ο αναγκαίος χρόνος εκτέλεσης των μετρήσεων αρμονικών ποικίλει ανάλογα με τα χαρακτηριστικά λειτουργίας της εκάστοτε εγκατάστασης. Υπάρχει τεράστια διαφορά ανάμεσα σε εκείνες  τις εγκαταστάσεις που έχουν σχετικά σταθερή λειτουργία και σε εκείνες που η λειτουργία τους μεταβάλλεται συνεχώς.

Για παράδειγμα, εγκαταστάσεις εκτυπώσεων εφημερίδων ή συντήρησης τροφίμων έχουν παραπλήσια λειτουργία καθημερινά, ενώ αντίθετα οι βιομηχανικές εγκαταστάσεις παραγωγής προϊόντων έχουν διαρκώς μεταβαλλόμενη λειτουργία, καθώς εξαρτώνται από πλήθος παραγόντων όπως η ζήτηση παραγωγής προϊόντων, η εποχή του χρόνου, οι καιρικές συνθήκες κ.α.

Δεν έχει νόημα λ.χ. να γίνεται μέτρηση σε μια βαριά βιομηχανία σε μια εποχή που λειτουργεί μόνο στο 20% της συνολικής παραγωγικής της ικανότητας (λόγω μειωμένης ζήτησης), ή σε ένα κρουαζιερόπλοιο τους ανοιξιάτικους μήνες που δε χρησιμοποιείται το σύστημα κλιματισμού.

Η συνήθης πρακτική για μεσαίου μεγέθους βιομηχανίες είναι οι μετρήσεις να διαρκούν περί τις 4 ημέρες, ενώ για τις μεγαλύτερες ο αντίστοιχος χρόνος μπορεί να ανέλθει σε εβδομάδες.

Σε κάθε περίπτωση πάντως οι μετρήσεις δε νοείται να γίνονται για χρονικό διάστημα μικρότερο των 24 ωρών, δειγματοληπτικά ή σε χρόνους που δεν καταγράφονται κρίσιμα μεταβατικά φαινόμενα όπως εκκινήσεις, παύσεις λειτουργίας, προγραμματισμένες χρήσεις εφεδρικών γεννητριών κλπ.

Πρέπει να αφιερώνεται επαρκής αριθμών ημερών, ώστε να γίνεται πλήρης καταγραφή και αποτύπωση του κύκλου λειτουργίας της εγκατάστασης.

Λάθος 3: Λανθασμένο σημείο μέτρησης

Ένα ακόμη σημαντικό σφάλμα που παρατηρείται κατά την πραγματοποίηση των μετρήσεων αρμονικών είναι η επιλογή του σημείου σύνδεσης του οργάνου. Αρκετοί τεχνικοί παίρνουν μετρήσεις δειγματοληπτικά από διάφορα σημεία του δικτύου, θεωρώντας ότι με αυτόν τον τρόπο θα αποκτήσουν πληρέστερη εικόνα της εγκατάστασης.

Όμως, οι δειγματοληπτικές μετρήσεις σε διάφορα σημεία του δικτύου είναι μία ελλειπής και εσφαλμένη μέθοδος διότι είναι πρακτικά αδύνατο με δειγματοληπτικούς ελέγχους να καλυφθεί το σύνολο της εγκατάστασης, ιδιαίτερα αν η εγκατάσταση περιλαμβάνει πολλά διαφορετικά φορτία.

Παράλληλα υπάρχει κίνδυνος να γίνουν σοβαρά λάθη στις μετρήσεις των αρμονικών έντασης. Αντίθετα με την τάση που είναι σταθερή (400V σε όλα τα σημεία του δικτύου), η τιμή της έντασης δεν είναι σταθερή, καθώς γι αυτές ισχύει ο 1^ος κανόνας του Kirchhoff.

Όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα, αν η μέτρηση γίνει στο (λάθος) σημείο Β, το όργανο θα καταγράψει μόνο τις αρμονικές έντασης του συγκεκριμένου κλάδου και όχι τις συνολικές, τις οποίες θα κατέγραφε αν η μέτρηση γινόταν στο (σωστό) σημείο Α.

Εικόνα

Πλέον η διεθνής πρακτική είναι η μέτρηση να γίνεται στο λεγόμενο «Σημείο Κοινής Ζεύξης» ή αλλιώς PCC (Point of Common Coupling) όπως ονομάζεται στο πρότυπο ΙΕΕΕ 519.

Το Σημείο Κοινής Ζεύξης πρέπει να βρίσκεται κοντά στο Μετασχηματιστή Ισχύος και συνήθως στους ζυγούς του Πίνακα ΧΤ, όπως υποδεικνύεται και στο παραπάνω σχήμα.

Με τον τρόπο αυτό ο αναλυτής ενέργειας καταγράφει το σύνολο των μετρούμενων μεγεθών και όχι ένα μέρος αυτών.

Λάθος 4: Ελλειπής αξιολόγηση μεγεθών

Μια μέτρηση προκειμένου να θεωρείται άρτια και επαρκής θα πρέπει καταρχάς να γίνεται βάσει των προδιαγραφών του διεθνούς προτύπου EN 50160, το οποίο αναφέρει μεταξύ άλλων, όλα τα απαραίτητα ηλεκτρικά μεγέθη που πρέπει να ληφθούν υπόψη.

Στην πράξη όμως, αντίθετα με ό,τι ορίζει το πρότυπο, κατά την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων μετρήσεων αρμονικών, συνηθίζεται η προσοχή να επικεντρώνεται μόνο στους δείκτες αρμονικής παραμόρφωσης THDv και THDi.

Ωστόσο για τη σωστή αξιολόγηση των αποτελεσμάτων θα πρέπει να ληφθούν υπόψιν και τα ακόλουθα μεγέθη που σχετίζονται με την ποιότητα ισχύος:

1. Η τάση και οι διακυμάνσεις της

Πολλές φορές οι βλάβες στον εξοπλισμό ή οι ανωμαλίες στη λειτουργία των γραμμών παραγωγής αποδίδονται λανθασμένα στην ύπαρξη αρμονικών, ενώ πραγματική αιτία είναι οι μεγάλες διακυμάνσεις της τάσης.

Γιατί συμβαίνει αυτό; Διότι λαμβάνονται υπόψη μόνο οι δείκτες αρμονικής παραμόρφωσης THDv και THDi και δεν γίνονται ολοκληρωμένες μετρήσεις.

Για παράδειγμα, υπάρχει το φαινόμενο της υπέρτασης (όπου ο εξοπλισμός κινδυνεύει να καταστραφεί) και το φαινόμενο της βύθισης (όπου ο εξοπλισμός υπολειτουργεί και δεν αποδίδει ικανοποιητικά.

Αν όμως μετρηθούν μόνο οι δείκτες αρμονικής παραμόρφωσης THDv και THDi και δεν γίνει συνολική εκτίμηση της κατάστασης και ολοκληρωμένες μετρήσεις, υπάρχει ο κίνδυνος να διαγνωσθεί το πρόβλημα ως πρόβλημα αρμονικών, ενώ στην πραγματικότητα υπάρχει πρόβλημα τάσης.

Στην περίπτωση αυτή, θα προταθεί – λανθασμένα – η αγορά φίλτρων αρμονικών ενώ ο κατάλληλος εξοπλισμός είναι ο σταθεροποιητής τάσης.

Είναι προφανές πόσο πολύ μπορεί να κοστίσει στην επιχείρηση η αγορά και εγκατάσταση λανθασμένου εξοπλισμού, λόγω ελλειπούς αξιολόγησης της κατάστασης και ελλειπών μετρήσεων.

2. Η μέγιστη ένταση λειτουργίας της εγκατάστασης I_L και το ρεύμα βραχυκύκλωσης του Μετασχηματιστή Ισχύος I_SC 

Όπως θα εξηγηθεί σε επόμενη παράγραφο, οι συγκεκριμένες τιμές είναι ιδιαίτερα σημαντικές για την αξιολόγηση των αρμονικών έντασης.

3. Η άεργος ισχύς και η τιμή του συνημιτόνου

Οι αρμονικές και η διόρθωση συνημιτόνου είναι δυο αλληλένδετες έννοιες αλλά δεν είναι ταυτόσημες έννοιες. Στην πράξη όμως, συμβαίνει να χρησιμοποιούνται ως ταυτόσημες έννοιες, οδηγώντας σε άσκοπες δαπάνες.

Ειδικότερα, η χαμηλή τιμή του συνημιτόνου δεν σημαίνει απαραίτητα και ύπαρξη αρμονικών. Αν όμως ερμηνευθεί λανθασμένα ως ύπαρξη αρμονικών, τότε μπορεί να οδηγήσει στην αγορά εξοπλισμού για την εξάλλειψη αρμονικών, χωρίς να υπάρχουν αρμονικές!

Σημειώνουμε όμως ότι υπάρχουν και περιπτώσεις εγκαταστάσεων, όπου υπάρχει ανάγκη τόσο για διόρθωση συνημιτόνου όσο και για αντιστάθμιση αρμονικών.

Στις περιπτώσεις που υπάρχει ανάγκη μόνο για διόρθωση του συνημιτόνου, αυτό επιτυγχάνεται συνήθως με χρήση συστοιχιών πυκνωτών.

Στις περιπτώσεις όμως που υπάρχει επιπλέον ανάγκη και για αντιστάθμιση αρμονικών, οι συστοιχίες πυκνωτών δε διορθώνουν το πρόβλημα και πρέπει να χρησιμοποιηθούν άλλες λύσεις όπως είναι τα ενεργά φίλτρα αρμονικών.

Σε κάθε περίπτωση πάντως κατά τη διενέργεια μετρήσεων ποιότητας ισχύος θα πρέπει να μετρώνται τόσο οι τιμές της άεργης ισχύος όσο και του συνημιτόνου, υπό την προϋπόθεση όμως μην συγχέονται με αυτές των αρμονικών και να αξιολογούνται ξεχωριστά.

Λάθος 5: Χρήση λανθασμένων ορίων των αρμονικών τάσης

Όσον αφορά τις προδιαγραφές των αρμονικών, υπάρχει πληθώρα προτύπων ανά τον κόσμο, γεγονός που δημιουργεί σύγχυση για το ποια είναι τελικά τα όρια που πρέπει κανείς να επιδιώκει προκειμένου η εγκατάστασή του να λειτουργεί με ασφάλεια.

Τα πιο γνωστά διεθνή πρότυπα αρμονικών είναι τα ΙΕΕΕ 519, IEC 61000 και EN50160.

Επί σειρά ετών, υπήρχε σημαντική διαφοροποίηση ανάμεσα στα όρια των προαναφερόμενων προτύπων, καθώς το αμερικανικής έμπνευσης ΙΕΕΕ 519 ανέφερε ως όριο αρμονικής παραμόρφωσης τάσης THDv το 5%, ενώ τα ευρωπαϊκά πρότυπα IEC 61004 και ΕΝ50160 το 8%.

Μετά την τελευταία όμως αναθεώρησή του το 2014, το πρότυπο ΙΕΕΕ 519 υιοθέτησε επίσης το 8% ως όριο αρμονικής παραμόρφωσης τάσης, με αποτέλεσμα να υπάρχει πλέον πλήρης τυποποίηση μεταξύ των προτύπων.

Παρόλ’ αυτά, η εμπειρική καθιέρωση του 5% ως στόχου ακόμη και σήμερα, οδηγεί πολλούς τεχνικούς λανθασμένα σε αυξημένες απαιτήσεις αντιστάθμισης και ως εκ τούτου, σε ζήτηση υπερδιαστασιολογημένων φίλτρων (σε σχέση πάντα με τις πραγματικές τους  ανάγκες), γεγονός που αυξάνει άσκοπα το συνολικό κόστος αγοράς τους.

Λάθος 6: Χρήση μη ενδεδειγμένου δείκτη μέτρησης αρμονικών

Αντίθετα με τις αρμονικές τάσης, οι αρμονικές ρεύματος πολλές φορές συνηθίζεται να αγνοούνται.

Αυτό οφείλεται κυρίως στους εξής τρεις λόγους:

• Συνήθως οι βλάβες του εξοπλισμού και οι διακοπές των γραμμών παραγωγής οφείλονται περισσότερο στις αρμονικές τάσης και λιγότερο σε αυτές της έντασης.
• Το ευρωπαϊκό πρότυπο IEC 61000 δεν αναφέρει όρια αρμονικής παραμόρφωσης έντασης παρά μόνο για επίπεδα έντασης μέχρι 16 Α.
• Πολλά όργανα μέτρησης δεν μετρούν το δείκτη ολικής αρμονικής παραμόρφωσης TDD, που είναι και ο δείκτης βάσει του οποίου το πρότυπο ΙΕΕΕ 519 κατατάσσει τις εγκαταστάσεις σε κατηγορίες ανάλογα με το ύψος των αρμονικών τους.

Στο σημείο αυτό, επειδή πολλοί δεν γνωρίζουν τι σημαίνει ο δείκτης TDD και πώς επηρεάζει τις μετρήσεις κλπ, θα αφιερώσουμε λίγο χρόνο για να παρουσιάσουμε το συγκεκριμένο δείκτη.

Τι είναι όμως ο δείκτης TDD;

Για τη μέτρηση της αρμονικής παραμόρφωσης τάσης χρησιμοποιείται ο δείκτης THDv σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο.

Για τη μέτρηση της αρμονικής παραμόρφωσης ρεύματος χρησιμοποιείται ο αντίστοιχος δείκτης THDi.

Οι δύο δείκτες THD_V και THD_I έχουν μια πολύ σημαντική διαφορά.

Στον πρώτο δείκτη ο παρονομαστής είναι πάντα σταθερός στα 380 ή στα 400V μιας και οι εγκαταστάσεις λειτουργούν υπό σταθερή τάση.

Στο δεύτερο δείκτη όμως ο παρονομαστής μεταβάλλεται συνεχώς. Η ζήτηση για ρεύμα ποικίλει σε σχέση με το χρόνο καθώς μια εγκατάσταση μπορεί:

• να λειτουργεί την ημέρα αλλά όχι τη νύχτα
• να λειτουργεί μόνο εργάσιμες ημέρες και ώρες
• να παράγει διαφορετικά προϊόντα ανά ημέρα, ανά ώρα ή γενικά ανά χρονική περίοδο
• να υπερλειτουργεί ή να υπολειτουργεί ανάλογα με τις ανάγκες παραγωγής των προϊόντων
• να έχει διαφορετικές ανάγκες θέρμανσης, κλιματισμού ή φωτισμού ανάλογα με την εποχή

Αυτή η ιδιομορφία οδήγησε στη χρήση του δείκτη TDD (Total Demand Distortion).

H διαφορά των δεικτών TDD και THDi είναι στην τιμή του παρονομαστή.

Ο δείκτης TDD έχει στον παρονομαστή τη μέγιστη τιμή έντασης  της εγκατάστασης, αντί της εκάστοτε τιμής έντασης .

Με άλλα λόγια, ο δείκτης TDD υπολογίζει την αρμονική παραμόρφωση πάντοτε ως προς το μέγιστο ρεύμα λειτουργίας της εγκατάστασης (σταθερό μέγεθος) και όχι ως προς το στιγμιαίο ρεύμα λειτουργίας (διαρκώς μεταβαλλόμενο μέγεθος) όπως ο δείκτης THDi.

Οι διαφορές των δεικτών THD και TDD περιγράφονται αναλυτικά στο παγκοσμίου φήμης άρθρο των T.Blooming & D. Carnovale.

Kατά τη μέτρηση των αρμονικών, στόχος είναι ο εντοπισμός των μέγιστων τιμών των αρμονικών (βλέπε δείκτη TDD) κατά τη λογική της ανίχνευσης του “worst case scenario” και αυτός είναι ο λόγος που το πρότυπο ΙΕΕΕ 519 αναφέρεται σε όρια του δείκτη TDD (και όχι του δείκτη THDi).

Πώς θα πρέπει να αξιολογούνται οι μετρήσεις των αρμονικών έντασης

Μετά τον υπολογισμό των τιμών του δείκτη TDD και προκειμένου να διαπιστωθεί ποια είναι τα επιτρεπτά όρια αρμονικών έντασης, θα πρέπει να γίνουν επιπλέον τα εξής:

• Να υπολογιστεί ο λόγος του ρεύματος βραχυκύκλωσης του Μετασχηματιστή προς το μέγιστο ρεύμα της εγκατάστασης I_SC / I_L.
• Με βάση αυτό το λόγο και ανατρέχοντας στον πίνακα τιμών TDD του προτύπου ΙΕΕΕ 519 πρέπει να ελεγχθεί σε ποια τιμή του δείκτη TDD (5%, 8%, 12%, 15% ή 20%) αντιστοιχεί.

Επιπτώσεις των λανθασμένων μετρήσεων αρμονικών

Συμπέρασμα:

Η διενέργεια σωστών μετρήσεων, αλλά και η κατάλληλη τεχνική κατάρτιση για την ορθή αξιολόγηση των απατελεσμάτων των μετρήσεων, αποτελούν βασικές προϋποθέσεις για την αντιμετώπιση των προβλημάτων ποιότητας ισχύος στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις.

Φαντασθείτε λοιπόν οι πραγματικές αρμονικές της εγκατάστασής σας να είναι 7% (με όριο αρμονικών το 5% βάσει του δείκτη TDD), ενώ οι μετρήσεις, επειδή δεν έχουν γίνει σωστά, να δείχνουν λανθασμένα την τιμή 30% (βάσει του μη ενδεδειγμένου δείκτη THDi), κάτι το οποίο μπορεί να γίνεται και σκόπιμα.

Μετά την εγκατάσταση του – πιθανότατα – μη ενδεδειγμένου εξοπλισμού, οι τελικές μετρήσεις δείχνουν π.χ. την τιμή 5%, οδηγώντας στο εσφαλμένο συμπέρασμα ότι οι αρμονικές σας έχουν μειωθεί από το 30% στο 5% ενώ ουσιαστικά έχουν μειωθεί από το 7% στο 5%!

Στο ενδιάμεσο όμως, έχετε αγοράσει, χωρίς πραγματική αιτία, ακριβό εξοπλισμό για να μειώσετε τις αρμονικές σας!

Ποιο είναι το τελικό συμπέρασμα;

Χωρίς αξιόπιστες ολοκληρωμένες μετρήσεις και ακριβή αποτελέσματα δεν μπορεί να γίνει σωστή εξαγωγή συμπερασμάτων, ενώ η λανθασμένη αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, ακόμη και αν οι μετρήσεις έχουν εκτελεσθεί με το σωστό τρόπο, ενέχει σημαντικούς κινδύνους, όπως:

• να μη γίνει ολοκληρωμένη καταγραφή των μεγεθών της εγκατάστασης συνολικά, αλλά μόνο ενός μέρους αυτής κι έτσι να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα μερικώς.
• να προταθεί υπερδιαστασιολογημένος και ως εκ τούτου ακριβότερος ή αντίστοιχα υποδιαστασιολογημένος εξοπλισμός σε σχέση με τις πραγματικές ανάγκες.
• να μη γίνει σωστή διάγνωση της φύσης του προβλήματος και να προταθεί ακατάλληλος εξοπλισμός (π.χ. πυκνωτές αντί φίλτρων, ή φίλτρα αντί σταθεροποιητών).
• να δοθεί ψευδής εικόνα της εγκατάστασης με αποτέλεσμα την άσκοπη σπατάλη χρημάτων για μη απαραίτητο εξοπλισμό.