Для того, чтобы понять, насколько качественное напряжение поступает к нам в розетку, необходимы две вещи — знать стандарты качества и знать, как измерить эти стандарты. В статье я подробно расскажу, что такое качество напряжения и как измерить его характеристики. Это будет не теоретическая википедийная статья, а материал, максимально приближенный к реальной жизни.
Посмотрим, что мы можем измерить и посмотреть реально в питающей сети. Я приведу официальные стандарты качества и покажу, что в сети может происходить на самом деле.
Как и зачем оценивать качество напряжения в сети?
Действительно, зачем? Ведь достаточно нажать кнопку на пульте телевизора или воткнуть зарядное устройство айфона в розетку и пользоваться благами электрификации всей страны!
Но бывают моменты, когда что-то идет не так: крокодил не ловится, айфон не заряжается, кондиционер вместо прохлады выдает натужное гудение, а телевизор после щелчка не подает признаков жизни.
Тут собрались люди знающие, которые понимают, что значения основных параметров электрической сети — напряжения и частоты — можно узнать в первую очередь посредством мультиметра. Но что делать, если нужно посмотреть, что делается в розетке в течение суток? А что если нужно отследить скачок напряжения, который по времени гораздо короче интервала измерения мультиметра? Причем может быть так, что время появления этого артефакта неизвестно.
Обычно при любых проблемах с напряжением ставят стабилизаторы, но они помогают далеко не всегда. Ведь стабилизатор устраняет следствие, но не причину проблемы. А если происходит скачкообразное кратковременное изменение напряжения, то стабилизатор не только не поможет, но и усугубит положение.
И чтобы понять, что делать в том или ином случае — проверить качество контактов на вводе или поставить стабилизатор, — нужен анализатор качества электроэнергии (Power Quality Analyzer).
Анализатор качества электроэнергии дает полную картину того, что происходит в розетке.
Я использую в своей работе анализатор качества электрической энергии HIOKI 3197, фото которого будут приведены в статье.
Без анализатора качества часто вообще непонятно, что происходит в сети: какие помехи, импульсные перенапряжения и провалы, коэффициент мощности cos и так далее. Приходится действовать наугад, используя свой опыт и эксперименты. А с японцем HIOKI из Нагано все ясно-понятно. Для того, чтобы составить полную картину того, что творится в сети, прибор имеет клещи для измерения тока и зажимы для измерения напряжения, а также зажим для подключения к нейтрали. Итого — 7 точек подключения.
Анализатор качества электроэнергии
Реальный случай, когда без анализатора качества не обойтись. Контроллер в технологической линии периодически зависал и выдавал ошибки. Когда все перелопатили, а причину не нашли, на помощь пришел анализатор качества электроэнергии. После непродолжительного наблюдения напряжения 220 В, поступающего на питание контроллера, выяснилось, что причина в плохом контакте внутри сетевого фильтра.
Сколько герц имеет хороший телевизор?
Не стоит путать этот показатель с частотой кино-съемки, которая равняется 24 кадрам в секунду, или показателем теле-контента, равному 50 кадрам. Частота обновления экрана телевизора — или развертка — измеряется в Гц (герц). Показатель Гц указывает, какое число кадров за секунду способна показать панель.
Чем выше данная характеристика, тем более четкой будет картинка, без «смазанных» движений и мерцания.
Если немного углубиться в историю, то уже морально устаревшие мониторы и телевизоры обладали скромной частотой 50Гц, не скрывая «размазанных» сюжетов при быстром перемещении объекта. Позже их заменили более технологичными устройствами с разверткой 100Гц. В новинках полностью устранили неприятное мерцание, но говорить о качестве все еще не приходилось. Как сказано выше, теле-контент выдает 50 кадров в секунду (что равно 50Гц), обновленные модели «дорисовывали» промежуточные кадры, тем самым, незначительно увеличивая четкость изображения до удовлетворительного уровня. Но в сравнении с предшественниками, телевизоры считались отличными, а более качественная альтернатива отсутствовала.
Высокое качество изображения обеспечат как минимум 200Гц, когда цифровая обработка видео проецирует уже три дополнительных промежуточных кадра. Хоть производитель и обещает, что 100Гц для современной техники достаточно, но это не совсем правда. Достаточно включить два телевизора с разной частотой: в сравнении разница в качестве при развертке в 100 и 200 Гц будет заметна. Но следует принимать во внимание и разрешение экрана. Для современных типов телевизоров 4К 120 Гц вполне достаточно.
Напряжение в электросети
Это самый важный параметр, определяющий в основном качество и характеристики всей энергосистемы.
Старый ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» гласит, что действующее (или среднеквадратическое, что для синуса одинаково) фазное напряжение в питающей сети должно составлять 220±10 %=198…242 В.
Однако новый ГОСТ 29322-2014 «Напряжения стандартные» «повысил» напряжение до 230 В±10 % =207…253 В. При этом разрешено действие напряжения 220 В. Линейные напряжения (между фазами) будут соответственно 380 и 400 В.
Получается, что если напряжение в розетке «плавает» от 198 до 253 В, то это укладывается в норму.
Рассмотрим трехфазную систему питания. Пример того, что может происходить на вводе в электрошкаф, виден на экране анализатора качества электроэнергии HIOKI 3197.
Фазные напряжения в трехфазной сети
На графиках видно, что уровень фазного напряжения колеблется около среднего уровня 238–240 В за время измерения 2 минуты. Судя по одинаковым провалам на всех фазах, за это время несколько раз включалась относительно мощная трехфазная нагрузка.
График напряжения, приведенный выше, может записываться в память прибора несколько дней. Таким образом, можно проанализировать, как меняется напряжение в течение суток, и подобрать стабилизатор. Либо вообще его не ставить, а отремонтировать электропроводку или предъявить претензии энергоснабжающей организации.
Кроме того (что очень важно!), можно зафиксировать и посмотреть все артефакты на напряжении. Например, скачки и провалы напряжения (последствия плохих контактов или помех), моменты пуска мощных приводов и т. д. Пороги событий устанавливаются в настройках. Пример экрана, на котором отображены события:
События и деталировка на экране анализатора качества электроэнергии
Ток в электросети
Когда-то в детстве отец мне купил мой первый тестер ТЛ-4М. Я мерил все подряд, пока мою голову не посетила «гениальная» идея — измерить ток в розетке. В итоге — выбило пробки, в тестере сгорел шунт, а я понял — ток измеряется всегда только через нагрузку. С тех пор средства измерения тока сильно шагнули вперед, и для этого используются только токовые клещи (трансформаторный метод), шунты практически не применяются.
Ток, точнее, его значение, форма и составляющие, значительно зависит от нагрузки. Например, вот как выглядит форма напряжения и тока при работе диммера:
Напряжение в сети и ток ЧЕРЕЗ диммер
Естественно, присутствуют гармоники тока и напряжения. Гармоники говорят о том, как отличаются формы напряжения и тока от синусоидальной.
Гармоники напряжения и тока
Гармоники напряжения и тока можно увидеть в графическом виде, как на скрине выше, так и в виде таблицы — с 1-й до 50-й гармоники. И для однофазной, и для трехфазной сети.
На что влияет разрешение
Говоря о частоте развертки телевизора, нельзя не упомянуть о других важных параметрах. Кроме вышеописанного показателя стоит обратить внимание на разрешение экрана, которое также оказывает влияние на качество изображения. Показатель измеряется в пикселях (p).
Стоит отметить, что непрерывное развитие технологий, их усовершенствование, приводит к тому, что каждая новая модель значительно лучше предыдущей. Около пяти лет назад на пике популярности были устройства в 720p, а модели Full HD в 1080p только появились и стоили вдвое дороже, но сегодня их стоимость практически сравнялась. Современный рынок обновлен новым показателем разрешения HDTV – 4K Ultra HD, способным отображать в четыре раза больше пикселей, чем Full HD.
Новый UHDTV или 4К обладает большей цветопередачей, частота развертки 120Гц обеспечивает чистое, четкое и реалистичное изображение. Сложно оценить, что лучше: полное погружение в 3D или свехреалистичные картинки нового формата разрешения. Но не стоит списывать со счетов Full HD в 1080p. Разрешение хоть и отходит на второй план, но будет активно использоваться еще продолжительное время. Большинство контента «заточено» под данное разрешение, в отличие от нового UHDTV, под которое и фильмов еще практически не выпустили, а существующие стоят не дешево. Поэтому выбрать, какое разрешение телевизора лучше, можно лишь, исходя из качества входящего сигнала.
Более того, вес такого файла значительно больше, текущие кабели, скорость Интернета и Wi-Fi-роутер тоже придется заменить на более быстрые и мощные, способные воспроизводить и отображать видео сверхточного формата.
Частота
Все знают, что частота питающего напряжения у нас в розетке равна 50 Гц. Это означает, что 50 раз в секунду все повторяется. Иначе говоря, длительность периода напряжения равна 20 мс. Если точнее, то согласно ГОСТ 29322-2014 частота напряжения должна быть 50±0,2 Гц. То есть от 49,8 до 50,2 Гц.
Пожалуй, частота — единственный параметр, на который ничего не влияет. И ее стабильность зависит только от работы электростанции. Вот как график частоты выглядит на экране анализатора качества электроэнергии:
Частота питающей сети
Из графика видно, что частота отклоняется не более чем на 0,03 Гц от номинала, что с большим запасом укладывается в ГОСТ.
Откуда они вообще взялись?
Электрифицироваться мир начал в конце XIX-го – начале XX-го веков. В Америке у ее истоков стояли Эдисон и Вестингауз, Европу «приучали» к электроэнергетике в основном инженеры немецкой . Стандартные частоты 50 и 60 Гц были выбраны, в общем-то, относительно случайно из диапазона 40…60 Гц. Вот границы диапазона были выбраны не случайно: при частоте ниже 40 Герц не могли работать дуговые лампы, бывшие в то время основным электрическим источником искусственного освещения, а при частоте выше 60 Гц – не работали асинхронные электродвигатели конструкции Николы Теслы, наиболее распространенные в тот период…
В Европе был выбран стандарт 50 Гц («золотая середина»!), у американцев прижился стандарт 60 Гц – на этой частоте стабильнее работали дуговые лампы. Прошло больше века, дуговые лампы стали раритетом, а стандарты остались – и на работоспособности электрооборудования эта разница в 10 Гц практически не отражается. Гораздо важнее напряжение в электрической сети – во многих странах оно примерно вдвое ниже, чем в России! А частота… в Японии, например, в трети префектур установлен стандарт 60Гц, в оставшихся двух третях – стандарт 50 Гц.
