Stabilność napięcia zasilającego jest jednym z kluczowych parametrów wpływających na niezawodność pracy urządzeń przemysłowych. Spadki napięcia mogą powodować zatrzymania linii produkcyjnych, błędy sterowników, wyzwalanie zabezpieczeń oraz przeciążanie transformatorów. W wielu przypadkach przyczyną jest zarówno specyfika obciążenia, jak i niewłaściwa konstrukcja lub stan techniczny instalacji.
W tym opracowaniu przedstawiamy dopuszczalne wartości spadków napięcia, obowiązujące normy, najczęstsze przyczyny zjawiska oraz skuteczne metody ich ograniczania – ze szczególnym uwzględnieniem rozwiązań stosowanych w przemyśle.
Czym jest spadek napięcia w sieci energetycznej
Spadek napięcia to różnica między napięciem źródła a napięciem zmierzonym na końcu linii lub przy odbiorniku. Występuje naturalnie na każdym fragmencie instalacji elektrycznej, jednak jego wartość musi mieścić się w granicach określonych normami i wytycznymi projektowymi.
Zbyt duży spadek napięcia prowadzi do nieprawidłowej pracy urządzeń, zmniejszenia ich sprawności, wzrostu prądów rozruchowych oraz awarii podzespołów elektronicznych.
Normy dotyczące dopuszczalnych spadków napięcia
PN-EN 50160 – parametry napięcia zasilającego
Norma określa dopuszczalne odchylenia napięcia w publicznych sieciach elektroenergetycznych:
- napięcie powinno mieścić się w zakresie ±10 % wartości znamionowej,
- częstotliwość napięcia pozostaje w granicach ±1 %.
W przypadku obiektów przemysłowych z dużymi odbiorami nieliniowymi, spadki napięcia mogą częściej występować w chwilach rozruchu lub zmian obciążenia.
Najczęstsze przyczyny spadków napięcia w zakładach przemysłowych
Duże prądy rozruchowe silników
Silniki elektryczne – szczególnie o dużej mocy – pobierają kilkukrotnie większy prąd w momencie rozruchu. To powoduje krótkotrwałe, ale głębokie spadki napięcia, które mogą zakłócać pracę urządzeń automatyki, sterowników i falowników znajdujących się w tej samej sekcji zasilania.
Niewystarczające przekroje przewodów lub znaczna długość kabli
Zbyt duża impedancja przewodów powoduje zwiększenie spadków napięcia na odcinkach przesyłowych. Dotyczy to zwłaszcza hal o rozproszonej infrastrukturze oraz instalacji modernizowanych etapowo bez korekty przekrojów kablowych.
Przeciążony transformator
Gdy transformator pracuje z obciążeniem bliskim mocy znamionowej lub jest obciążany odbiornikami o wysokim współczynniku THDi, jego zdolność do utrzymania stabilnego napięcia maleje.
Duża liczba odbiorników nieliniowych
Falowniki, serwonapędy, prostowniki, UPS i zasilacze impulsowe mogą powodować szybkie i nieregularne zmiany obciążenia, co pogłębia spadki napięcia.
Niestabilność sieci zewnętrznej
Spadki napięcia mogą wynikać również z parametrów sieci dystrybucyjnej, szczególnie w przypadku dużych odbiorców przemysłowych zasilanych z linii o znacznej długości lub obciążonej infrastruktury OSD.
Skutki zbyt dużych spadków napięcia
Spadki napięcia przekraczające wartości dopuszczalne prowadzą do szeregu problemów eksploatacyjnych:
- wyłączanie sterowników PLC i paneli operatorskich,
- błędy falowników (Undervoltage, DC Bus Undervoltage),
- przestoje linii produkcyjnych,
- niestabilna praca maszyn CNC i robotów,
- zwiększone prądy rozruchowe i nagrzewanie uzwojeń silników,
- skrócenie żywotności urządzeń elektronicznych,
- zakłócenia transmisji danych w sieciach przemysłowych,
- pogorszenie jakości energii i wzrost strat energii elektrycznej.
W środowisku przemysłowym skutki te mogą prowadzić do realnych strat finansowych, nieplanowanych przestojów oraz zagrożeń dla ciągłości produkcji.
Jak diagnozować spadki napięcia
Analiza parametrów jakości energii
Skuteczna diagnostyka wymaga pomiarów napięcia z wysoką rozdzielczością czasową oraz rejestracji zdarzeń krótkotrwałych. Kluczowe jest monitorowanie:
- napięcia fazowego i międzyfazowego,
- prądów chwilowych,
- wartości THD napięcia (THDu),
- mocy czynnej, biernej i odkształcenia,
- zapady, wzrosty napięcia, przerwy w zasilaniu.
Rejestracja zdarzeń szybkozmiennych
Chwilowe spadki napięcia mogą trwać milisekundy, dlatego standardowe multimetry lub liczniki energii nie są w stanie ich wykryć. Wymagane są analizatory zgodne z PN-EN 61000-4-30, umożliwiające rejestrację w czasie rzeczywistym.
Jak ograniczyć spadki napięcia w instalacjach przemysłowych
Modernizacja instalacji zasilającej
Do często stosowanych działań należą:
- zwiększenie przekrojów przewodów,
- skrócenie długości odcinków kablowych,
- ograniczenie wspólnych szyn zasilających dla odbiorników wrażliwych,
- poprawa połączeń i minimalizacja rezystancji styków.
Zastosowanie rozwiązań kompensujących dynamiczne spadki napięcia
Operatorzy OSD mają możliwość zabudowy na słupach linii niskiego napięcia Kondycjonery napięcia typu KN-01, które chronią wybrany odcinek sieci i pozwalają na utrzymanie poziomu napięcia w ustalonych granicach z jednoczesną redukcją asymetrii.Kondycjonery napięcia typu KN-01, stabilizują napięcie w ułamku sekundy, niwelując skutki nagłych obciążeń, falowników, napędów oraz zewnętrznych zakłóceń sieci.
Redukcja zniekształceń prądu (THDi)
Wysoki poziom THDi jest częstą przyczyną spadków napięcia w instalacjach z przemiennikami częstotliwości. Zastosowanie filtrów aktywnych:
- zmniejsza odkształcenia prądu,
- redukuje obciążenie transformatora,
- poprawia warunki pracy urządzeń automatyki.
Podsumowanie
Dopuszczalne spadki napięcia są określone normami i muszą być zachowane w instalacjach przemysłowych, aby zapewnić prawidłową pracę maszyn i systemów automatyki. Przekroczenia wartości dopuszczalnych mogą prowadzić do awarii, zakłóceń i przestojów produkcyjnych. Kluczem do stabilności zasilania jest właściwa diagnostyka, analiza jakości energii oraz zastosowanie rozwiązań technicznych umożliwiających ograniczenie spadków napięcia, takich jak filtry aktywne i kondycjonery napięcia.
Stabilne zasilanie stanowi podstawę niezawodnej pracy przemysłu, a odpowiednio dobrane rozwiązania elektroenergetyczne pozwalają znacząco ograniczyć ryzyko awarii i poprawić efektywność energetyczną obiektów produkcyjnych.
