n a p ę d y i s t e r o w a n i e

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 7 - 8 / 2 0 0 4

40

W

raz z postępującą moderniza-
cją instalacji przemysłowych

stale rośnie liczba pracujących ener-
goelektronicznych układów napędo-
wych. Potrzeba ich stosowania podyk-
towana jest koniecznością utrzyma-
nia powtarzalności parametrów pro-
duktu oraz zwiększenia wydajności.
Przetwornice częstotliwości są ele-
mentami wykonawczymi systemów
automatyki, które znakomicie speł-
niają te funkcje. Jednak za moderni-
zacją układów produkcyjnych powin-
no nadążać unowocześnianie ukła-
dów kontrolnych tak, aby uwzględ-
niały one zarówno nowe zjawiska po-
jawiające się w sieci, jak i rosnące wy-
magania co do pewności zasilania.
Urządzenia energoelektroniczne
wprowadzają do sieci zakłócenia,
które powodują, że część z tradycyj-
nych metod kontroli jest niepewna.
Konieczność zwiększania wydajno-
ści stawia przed układami zabezpie-
czeń wymagania nie tylko szybkiej
reakcji na zaistniałe zdarzenia, ale
także ciągłego monitorowania pracy
sieci i przewidywania możliwych
problemów.

W niniejszym artykule zapre-

zentowane zostały główne zjawi-
ska mające wpływ na dobór urzą-
dzeń do ciągłej kontroli stanu izola-
cji sieci elektrycznych, automatycz-
nego wykrywania zarówno faktu po-
wstania doziemienia, jak i automa-
tycznego lokalizowania uszkodzone-
go odpływu. Opisane są także głów-
ne problemy, na jakie napotyka się
w nowoczesnych sieciach przemysło-
wych z układami napędowymi oraz
sposób ich rozwiązania zapewniają-
cy niezawodną i bezbłędną pracę sys-
temów nadzoru stanu izolacji.

W artykule rozpatrywane są urzą-

dzenia i systemy dla trzech typo-
wych sytuacji:

kontrola izolacji instalacji napę-

dowych w sieci uziemionej,

kontrola izolacji napędów w sieci

izolowanej,

kontrola izolacji napędów w sta-

nie beznapięciowym (np. gorąca
rezerwa).

układy napędowe

w sieciach uziemionych

(systemy TN/TT)

Zdecydowana większość przemy-

słowych sieci elektrycznych pracu-
je w systemie TN lub TT, a więc ma
uziemiony punkt neutralny. Kryte-
rium oceny stanu izolacji stanowi
tu wartość prądu upływu do ziemi.
Urządzeniami do jego monitorowa-
nia są wyłączniki i przekaźniki róż-
nicowoprądowe.

W typowych instalacjach stan-

dardem jest stosowanie wyłączni-
ków różnicowoprądowych jako za-
bezpieczenia przeciwporażeniowe-
go. Przy próbie zabezpieczenia w ten
sposób sieci, w której znajduje
się przetwornica częstotliwo-
ści, napotykamy jednak kilka
przeszkód. Zwykle przy zasto-
sowaniu zwykłych wyłączni-
ków różnicowoprądowych kla-
sy A w chwili załączenia zasila-
nia następuje zadziałanie wy-
łącznika. Spowodowane jest
to tym, że w pierwszej chwi-
li ładowane są liczne pojem-
ności doziemne wbudowane
w przetwornicę (np. konden-
satory w filtrze RFI). Ponieważ
pojemności te mają różną war-

tość w stosunku do poszczególnych
faz, co wynika chociażby z tolerancji
wartości powszechnie stosowanych
elementów, prądy ładowania w po-
szczególnych fazach nie równoważą
się, co powoduje zadziałanie wyłącz-
nika różnicowoprądowego. Aby tego
zjawiska uniknąć, aparat kontrolują-
cy prąd różnicowy musi być selektyw-
ny, a więc nieczuły na krótkotrwałe
zakłócenia pomiarowe. W aparatach
przeznaczonych do współpracy z prze-
twornicami częstotliwości zwłoka ta
powinna wynosić przynajmniej kil-
kadziesiąt milisekund.

Kolejnym wymaganiem dotyczą-

cym zabezpieczenia prądów upływo-
wych w przetwornicach częstotliwo-
ści jest reakcja na różne rodzaje prą-
dów różnicowych. W zależności od
miejsca, w którym wystąpi dozie-
mienie, prąd różnicowy może mieć
kształt sinusoidalny (doziemienie na
wejściu przetwornicy), pulsujący lub
gładki stały (doziemienie na szynie
DC) oraz silnie odkształcony z bar-
dzo dużą zawartością harmonicz-
nych (wyjście przetwornicy). Zagro-
żenie porażeniowe pojawia się nieza-

leżnie od kształtu prądu. Dlatego, aby
zabezpieczenie było skuteczne, musi
reagować jednakowo przy osiągnię-
ciu wartości alarmowej przez każdy
z tych prądów lub przez ich kombi-
nację (rys. 1).

To wymaganie pokazuje, że do bu-

dowy takich zabezpieczeń powinny
być stosowane jedynie aparaty róż-
nicowoprądowe typu B – jednako-
wo czułe na dowolny rodzaj prądu
różnicowego.

Kolejnym problemem napotyka-

nym przy właściwym doborze za-
bezpieczeń różnicowoprądowych
jest fakt, że instalacje z przetworni-
cami częstotliwości charakteryzują
się wysokim poziomem prądu róż-
nicowego. Wynika to z dużych po-
jemności doziemnych wprowadza-
nych przez kable zasilające i silniko-
we (często ekranowane) oraz konden-
satory filtrów zakłóceń.

Szczególnie dla składowych prądu

o wyższych częstotliwościach pojem-
ności te stanowią niskoimpedancyj-
ną ścieżkę upływu. Co gorsza, obli-
czenie poziomu tego prądu upływu
przed uruchomieniem instalacji jest

monitoring stanu izolacji

przemysłowych układów

napędowych

Jarosław Mielczarek – Biuro Projektów i Usług Inwestorskich PRO-MAC

Rys. 1 Prądy różnicowe w przetwornicy częstotliwości

n r 7 - 8 / 2 0 0 4

41

praktycznie niemożliwe – zależy on
od długości, jakości i sposobu uło-
żenia kabli, parametrów elementów
filtra RFI, częstotliwości pracy prze-
twornicy. W celu właściwego ustawie-
nia poziomu zadziałania zabezpiecze-
nia, należy najpierw określić ustalony
poziom prądu różnicowego instalacji,
a następnie ustawić poziom zabezpie-
czenia w stosunku do wartości usta-
lonej, płynącej przy poprawnej pracy
sieci. Wynika stąd kolejne wymaga-
nie stawiane aparatom do budowy za-
bezpieczeń różnicowoprądowych in-
stalacji z przetwornicami częstotliwo-
ści: powinny mieć możliwość nasta-
wiania wartości zadziałania.

Tego typu zabezpieczenia prze-

ciwpożarowe lub przeciwporażenio-
we można osiągnąć za pomocą se-
lektywnego przekaźnika różnicowo-
prądowego klasy B, który, łącznie
z odpowiednio pod względem mocy
i szybkości działania dobranym wy-
łącznikiem, stworzy zespół wyłącz-
nika różnicowoprądowego, reagują-
cego na dowolny kształt prądu różni-
cowego i mającego możliwość nasta-
wiania wartości wyzwalającej.

Przykładem takiego rozwiązania

jest aplikacja przekaźnika różnico-
woprądowego RCMA473 firmy BEN-
DER. Przekaźnik wraz z przekładni-
kiem tworzą część analizującą prąd

różnicowy, sygnalizującą przekro-
czenie nastawionej wartości i steru-
jącą wyłącznikiem mocy realizują-
cym bezpośrednio wyłączenie zasila-
nia. Te trzy elementy tworzą zespół
selektywnego wyłącznika różnicowo-
prądowego klasy B o progu zadziała-
nia nastawianym płynnie w zakresie
30…300 mA (rys. 2).

Zabezpieczenie to dostarcza tak-

że informacji ostrzegawczej przy
wykryciu prądu różnicowego wyno-
szącego 50 % nastawy wyłączającej,
a linijka diodowa na ściance czoło-
wej przekaźnika RCMA473 pozwa-
la na oszacowanie aktualnej war-
tości prądu różnicowego w instala-
cji. Za pomocą przycisków możliwe
jest wymuszenie dwóch wartości prą-
du różnicowego (30 mA lub 300 mA)
w celu przeprowadzenia testu zabez-
pieczenia.

układy napędowe

w sieciach izolowanych

(system IT)

Do ciągłego nadzoru stanu izola-

cji w sieciach systemu IT wykorzystu-
je się przekaźniki kontroli stanu izo-
lacji. O możliwościach zastosowania
danego aparatu w konkretnej insta-
lacji decyduje zastosowana metoda
pomiarowa. Podczas pomiaru nale-
ży bowiem uwzględnić pewne zjawi-
ska występujące w sieci kontrolowa-
nej, zakłócające pomiar. Są to:

składowe stałe napięć w sieci,
pojemności doziemne,
zmiany napięcia i częstotliwości.

Zjawiska te można wyeliminować

stosując odpowiedni kształt napięcia
pomiarowego. W najprostszym przy-
padku może to być napięcie stałe. Jed-
nak rozwiązanie takie powoduje, że
przekaźnik może być stosowany jedy-
nie w czystych sieciach prądu prze-
miennego. Jeżeli do sieci dołączony
zostanie prostownik i po stronie sta-
łoprądowej wystąpi doziemienie, to
do sieci przedostanie się składowa
stała napięcia, która wpłynie na na-
pięcie pomiarowe. Jeżeli napięcia się
zsumują, wtedy doziemienie zosta-
nie zasygnalizowane zbyt wcześnie,

Rys. 2 Zespół wyłącznika różnicowoprądowego z przekaźnikiem RCMA 473

Rys. 3 Kontrola izolacji układu napędowego w sieci nieuziemionej

n a p ę d y i s t e r o w a n i e

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 7 - 8 / 2 0 0 4

42

jeżeli się odejmą – zbyt późno. W ty-
powych przetwornicach częstotliwo-
ści energia przekształcana jest za po-
średnictwem bloku DC, który, w przy-
padku uszkodzenia izolacji, może być
źródłem napięcia stałego o wysokiej
wartości. Dlatego w instalacjach na-
pędowych zalecane jest stosowanie
przekaźników stanu izolacji niewraż-
liwych na składowe stałe.

Kolejnym zjawiskiem utrudniają-

cym przeprowadzenie pomiaru jest
pojemność doziemna sieci kontro-
lowanej. Pewna część prądu sieci
i prądu pomiarowego upływa przez
te pojemności. W Europie jako pa-
rametr oceny stanu izolacji przyjmu-
je się wartość rezystancji, a nie całej
impedancji izolacji. Dlatego w czasie
pomiaru należy rozpatrywać jedy-
nie część czynną prądu upływające-
go przez izolację. Zastosowana me-
toda pomiarowa powinna w swoim
algorytmie uwzględniać fakt powsta-
wania prądu pojemnościowego i po-

prawnie dokonać pomiaru rezystan-
cji izolacji – bez względu na wartość
pojemności doziemnej w sieci kontro-
lowanej. Rozpatrując układy napędo-
we należy pamiętać, że powszechnie
stosowane filtry przeciwzakłócenio-
we wykorzystują kondensatory połą-
czone do ziemi. Dlatego nawet sto-
sunkowo mała sieć z wieloma prze-
twornicami wyposażonymi w filtry
RFI może mieć dużą pojemność do-
ziemną (rys. 3).

Kolejnym czynnikiem zakłóca-

jącym pomiar są zmiany napięcia
i częstotliwości w sieci kontrolowa-
nej. Zjawisko to jest istotne zwłasz-
cza w przypadku energoelektronicz-
nych układów napędowych, wpro-
wadzających szczególnie dużo zakłó-
ceń do sieci kontrolowanej. Wpływają
one niekorzystnie na układy pomia-
rowe izometrów i wymagają filtrowa-
nia prądu pomiarowego, zwykle ma-
jącego niewielką wartość. Tu istotne
są zwłaszcza zakłócenia o wysokich

Rys. 4 Kontrola izolacji silnika w stanie beznapięciowym

częstotliwościach. Jednak problemy
mogą spowodować także zakłócenia
o częstotliwościach niskich. Wyma-
ganie odporności izometru na skła-
dowe stałe i niezależności pomiaru
od pojemności doziemnej sieci najła-
twiej uzyskać stosując zmienne na-
pięcie pomiarowe. Może się jednak
okazać, że okresowe wahania napię-
cia sieci mogą mieć tę samą często-
tliwość, co zmienne napięcie pomia-
rowe, powodując rozstrojenie ukła-
dów pomiarowych i błędne odczy-
ty. Algorytm pomiarowy musi zatem
uwzględniać mechanizmy „obrony”
przed takimi sytuacjami.

kontrola silników w stanie

beznapięciowym

Codziennym zadaniem wielu in-

stalacji napędowych jest nie tyle fak-
tyczna realizacja funkcji, do jakich zo-
stały zaprojektowane, co pozostawa-
nie w gotowości do ich wykonywania.
Typowym przykładem mogą być na-
pędy pomp wody pożarowej, wentyla-
torów oddymiających, elektryczne na-
pędy zaworów awaryjnych, itp. Do tej
grupy urządzeń można także zaliczyć
napędy stanowiące „gorącą rezerwę”
w istotnych punktach procesu tech-
nologicznego.

Wspólną cechą tych wszystkich

instalacji jest stawiane im wymaga-
nie ciągłej gotowości do pracy. Du-
żym problemem w realizacji tego
wymogu jest utrzymanie stanu izo-
lacji silników na wysokim pozio-
mie. W stanie zatrzymanym wilgoć
i agresywne opary bardzo ławo wni-
kają do wnętrza silnika, gdyż nie są
usuwane ani przez podwyższoną na
skutek przepływu prądu temperatu-
rę uzwojeń, ani przez podmuch ob-
racającego się wirnika i wentylatora
chłodzącego.

W celu ograniczenia zagrożenia ko-

rozją stosuje się różne środki zapo-
biegawcze. Przede wszystkim okre-
sowe załączanie silników do pracy,
osuszanie prądem uzwojeń głów-
nych lub dodatkowych taśm osusza-
jących. Moment rozpoczęcia tych za-
biegów wyznaczany jest zwykle arbi-

tralnie, przez zdefiniowanie procedur
określających, co jaki czas takie dzia-
łania muszą zostać podjęte.

Istnieje jednak prosty sposób na

znacznie dokładniejszą informację
o stanie izolacji niepracujących sil-
ników. Istnieje specjalna klasa prze-
kaźników kontroli stanu izolacji prze-
znaczonych tylko do kontroli takich
właśnie obiektów. Typowo są one do-
łączane tak, że ich praca rozpoczyna
się automatycznie, z chwilą odłącze-
nia urządzenia kontrolowanego od za-
silania (rys. 4).

W stanie beznapięciowym w spo-

sób ciągły kontrolowana jest rezy-
stancja izolacji silnika. Typowo de-
finiuje się dwa sygnalizowane sta-
ny: ostrzegawczy, przy spadku rezy-
stancji poniżej pierwszego progu po-
jawia się informacja dla służb serwi-
sowych, i przy dalszym pogarszaniu
izolacji sygnał alarmowy, powodują-
cy najczęściej zablokowanie możliwo-
ści podania napięcia na kontrolowa-
ną część sieci.

Tego typu kontrola może być stoso-

wana zarówno do silników niskiego,
jak i średniego (6 kV) napięcia. Ponie-
waż po odłączeniu od zasilania odcin-
ki sieci pracujące w systemie IT oraz
TN/TT nie różnią się od siebie, dla-
tego opisana metoda kontroli ma za-
stosowanie zarówno do sieci uziemio-
nych, jak i izolowanych.

podsumowanie

Ciągły nadzór stanu izolacji jest

jednym z podstawowych środków
zapobiegawczych przed nagłymi wy-
łączeniami instalacji napędowych.
Właściwie dobrane elementy i sys-
temy monitoringu pozwalają nie tyl-
ko wykryć osiągnięcie stanu awaryj-
nego, ale także dostarczyć informa-
cji wyprzedzającej, pozwalającej na
podjęcie zapobiegawczej akcji serwi-
sowej. Przy doborze urządzeń i sys-
temów monitorujących należy jed-
nak zawsze pamiętać o zjawiskach,
jakie występują w sieciach kontro-
lowanych, aby uzyskana z nich in-
formacja była rzetelną podstawą do
oceny stanu instalacji.