Erfaringer ved måling av transienter
Vi gjorde nylig et sett med målinger i et industrianlegg for å undersøke koblings-transienter fra vakuumbrytere. Vi tenker det kan være greit å nevne litt om disse målingene for andre bedrifter – for de kunne både vært gjort mer nøyaktig og med mindre styr og feilmålinger!
Innledende arbeid
Oppgaven vår var å måle transienter fra utkobling av vakuumbrytere. Dette er forholdsvis raske transienter (frekvenskomponenter fra noen kHz til MHz), så vi var godt klar over at en del vanlige måleinstrumenter ikke ville få jobben gjort tilstrekkelig. Vi hadde tre alternativer:
- Bruke et av instrumentene våre som kan måle opp til 1 MHz, og samtidig lagre kontinuerlig trefase kurveform for spenning og strøm.
- Bruke oscilloskop med sampling på 100 MHz (med triggesettinger for å fange opp transientene).
- Leie andre instrumenter
Vi valgte å bruke instrumentet som kan sample opp til 1 MHz – Dewesoft Sirius. Fordelen med denne, over f.eks. et oscilloskop, er at vi kan sette den opp over internett. Vi kunne derfor sende den i posten og gjøre innstilling av instrumentet selv fra vårt kontor. Ikke bare praktisk i koronatider, men besparende for kundene våre. Siden instrumentet sampler strøm og spenning kontinuerlig trenger vi ikke å stille triggegrenser, og er garantert å få med oss ev. små fenomener som er vanskelig å avdekke.
Oppkoblingsproblemer
Ved oppkobling (over telefon og fjerninnlogging på nett) så strømmålingene «rare» ut. Selv om flexprobene som ble benyttet (med en merkestrøm på 30 kA) hadde batterier, skulle det vise seg at de fungerte best med ekstern strømforsyning. Det lønner seg å kvalitetssikre måleoppsettet så man vet man måler det man har tenkt å måle.
Senere skulle vi gjøre en endring i måleoppsettet, hvor vi målte både høyspent og lavspent. To av fasene ble hentet fra spenningstrafoer i det høyspente distribusjonsnettet internt i bedriften, de to andre fra lavspentkretsen. Tanken var at dette kunne vise hvordan koblingstransientene forplantet seg fra høyspent til lavspent. Her oppstod imidlertid en klassisk problemstilling vi ser det syndes mye mot: hvilke referansepunkt skal man velge for en spenningsmåling? Spenningen må jo måles i forhold til noe (jord, en annen fase spennings, osv.).
Jord er ikke jord
Vi ser ofte feiloppkoblinger eller feilkonfigurasjon av måleinstrumenter når vi hjelper eller kvalitetssikrer andre selskap sine måleoppsett. Vanlig feil inkluderer:
- Blande nøytralleder og jord. Dette er ikke det samme, så her må du vite om du vil måle og analysere fase-nøytral spenninger eller fase-jord spenninger. I et TN-S nett kan du overse problemer med nøytralleder om du ser på fase-jord spenninger, mens i et IT-nett kan du få feil måleresultater om du ser på fase-nøytral spenninger uten å ha referanse til nøytralpunktet. Sistnevnte er en feil det f.eks. er fullt mulig å gjøre med Elspec-instrumenter om du kobler opp uten å laske sammen N-leder inngang og jord, og bruker WYE konfigurasjon. Andre instrumenter har andre «feller» for de som ikke passer på tilkobling og instrument-konfigurasjon.
- Dårlig eller manglende jordtilkobling. Kanskje man har hentet ut jordpotensial ved å bruke en krokodilleklemme på en skapdør – og så har ikke denne tilstrekkelig kontakt. Da vil en kunne få måleresultater som vist i figuren under. Forfatteren har flere ganger selv lurt på hvorfor måleresultatene var litt rare da han skulle kvalitetssikre måleoppsettet, før han kom på å flytte på jordleder.
- En feil som vanligvis ikke får så store konsekvenser, men som ble aktuell i dette oppdraget: Anta at jord ett sted i anlegget har samme potensiale som jord ett annet sted. Det kan være store nok potensialforskjeller i et anlegg til å påvirke måleresultatene, særlig i industrianlegg med høye strømmer og høy andel ulineære laster. I vårt tilfelle ødela dette en spenningsmåling hvor vi samtidig målte på to spenningstrafoer høyspent, og de to tilsvarende fasene lavspent. Ved å bruke lavspent jord på alle fire målesignalene som referanse, ble høyspentmålingene åpenbart upålitelige. (Dette kunne vært avdekket om vi hadde sett på målingene etter oppkobling og vurdert om resultatene var som forventet – noe en alltid bør gjøre.)
Range (måleområde)
Transientene fra vakuumbryterne var i vårt tilfelle større enn vi hadde sett for oss. Måleinstrumentet vårt hadde en range på ± 1,6 kV, så vi kan måle det som skjer innenfor dette området. Men transientene fra vakuumbryterne var tidvis over 1,6 kV! For å vite nøyaktig hvor store de var kunne vi enten:
- Bruke et annet instrument med range opp til 8 kV. Det er PQAs inntrykk at man får enten ca. 1,5 kV (~1000 V*√2 ) eller 8 kV.
- Benytte sensorer (f.eks. differensial-prober, ofte kalt diffprober) som skalerer målesignalet. Slik at transienter på 5 kV blir skalert ned til f.eks. 50 V (som måleinstrumentet kan måle).
Ettersom vi hadde en diffprobe liggende som skalerte 1/100 og hadde tilstrekkelig CAT-rating, var valget for vår del enkelt. Problemet var bare at denne hadde et lineært område opp til 700 V. Usikker på hvordan denne oppførte seg utenfor det lineære området besluttet vi å prøve og se om den ga fornuftige resultater. Det gjorde den ikke. En transient som ble målt direkte av instrumentet til 1,1 kV, påstod diffproben at var 2,6 kV. Altså en feilmargin på over 100 %! Det finnes andre diffprober med lineærområde til 7 kV (og sikkert høyere), så slike målinger er ikke umulig å utføre. Men akkurat her måtte vi si stopp om vi ikke skulle bruke penger på å leie et annet instrument eller kjøpe nye diffprober.
Spenningstrafoer
Litt nedstemt over at vi ikke fikk målt amplituden på de største transientene lavspent, tenkte vi at vi kanskje kunne få noe relevant informasjon fra høyspentmålingene. Utgangsspenningen fra spenningstrafoene er ofte 110 V / √3, så måleområde på instrumentet ville ikke være begrensende. (Med et måleområde på 1,6 kV vil et TN-nett ha måleområde tilsvarende 4 p.u. lavspent, men ca. 18 p.u. høyspent).
En utfordring er imidlertid at frekvensresponsen til induktive spenningstransformatorer er ulineær, pga. kapasitansen mellom måleviklingene. Det er gjort omfattende tester av frekvensrespons på induktive måletransformatorer (Energi Norge har blant annet gitt ut en rapport om dette). Vi greide ikke å finne data for frekvensrespons over 10 kHz, og frekvenskomponenter i hurtige koblings-transienter er raskere enn det. Uavhengig av dette kunne vi se fra måleresultatene at transientene mest sannsynligvis ble dempet en del i måletrafoen, ettersom amplituden var langt lavere enn det som ble målt på lavspentsiden av transformatoren. (En må ta med i betraktningen at transientene kan ha blitt forsterket fra HV ned til LV.)
Om en ikke vil gi seg med det første, så finnes det spesialdesignede spenningsdelere, resistive spenningstrafoer og andre løsninger som kan brukes for å gjøre nøyaktige målinger høyspent. Men kostnaden er dessverre langt utenfor budsjettet til et vanlig måleoppdrag.
CAT-rating
De fleste kjenner til CAT-rating, som sier noe om hvor store spennings-transienter et måleinstrumenttåler. Avhengig av hvor instrumentet skal brukes (hovedtavle, underfordelinger, beskyttede kurser osv.) er det ulike krav til CAT-rating, fra CAT I (beskyttede kretser) til CAT IV (strømnettet). Ofte har oscilloskoper CAT II-rating, mens spenningskvalitetsinstrumenter har CAT III eller CAT IV. De fleste spenningskvalitetsinstrumenter som er noe å samle på leveres som CAT III 600 V eller CAT IV 600 V. Dewesoft Sirius er CAT III 600 V, tilsvarende CAT IV 300 V. (Som betyr at instrumentet er testet mot transienter opp til 6 kV, med kildeimpedans på 2 Ω.)
Mesteparten av målingene skulle foregå på en CAT IV 200 V krets, som gjorde at dette var tilfredsstillende. Men det betød at vi strengt talt ikke kunne bruke instrumentet på en CAT IV 400 V krets, som vi også ønsket. Vi valgte likevel å gjøre dette med begrenset oppkoblingstid. Det gikk (ikke overraskende) bra, men er ikke anbefalt praksis. Et alternativ vi kunne ha valgt var å benytte å bruke diffprober med ønsket CAT-rating. Ettersom dette også hadde løst problemet med vi hadde med begrenset måleområde, var det det som hadde vært rett løsning fra starten av.
Avslutning og andre usikkerhetsmomenter
Selv om vi kunne se at vi målte fornuftige resultater når måleoppsettet til slutt ble rett, må vi konstatere at både samplehastighet på instrumentet var for lav (burde vært over 10 MHz for å fange opp de raskeste frekvenskomponentene), og det var sannsynligvis induserte spenninger på valgt jordpotensial lavspent og i måleledningene våre.
Det hadde vært mulig å få gjort noe med både dette, CAT-rating og måleområde uten for store investeringer. Men når alt kom til alt fikk vi målt det vi trengte for å svare på oppdraget – og så lenge man er klar over begrensningene er det det viktigste.