Uploaded by User1099

BoekLaagspanningInleiding 570

advertisement
Inleiding
Situering
Het dimensioneren van een industriële elektrische laagspanningsinstallatie is een heel moeilijke opdracht, waarbij steeds moet voldaan zijn aan
de regelgeving die van toepassing is. De Belgische wetgeving omtrent
elektrische installaties (AREI) laat ontwerpers, studiebureaus, keuringsorganismen. . . vaak toe een eigen interpretatie te geven aan de toepassing
van een artikel. Er wordt namelijk vaak verwezen naar ’regels van goed
vakmanschap’. Bovendien worden een aantal berekeningen voor kabels en
de bijhorende beveiligingen niet of nauwelijks aangegeven in het AREI.
Gevolg hiervan is dat een installatie die door de ene als ’veilig’ beschouwd
wordt, voor de andere niet veilig genoeg is.
De bepalingen uit het AREI worden in dit werk op een duidelijke manier
geïnterpreteerd en zijn bijgevolg onmiddellijk toepasbaar. Er wordt
een algemeen overzicht gegeven van hoe een elektrische installatie moet
opgebouwd worden overeenkomstig de huidige wetgeving, uitgebreid met
de bepalingen die niet expliciet in het AREI zijn opgenomen.
2
Hoofdstuk 0. Inleiding
In de praktijk is het zo dat bij het uitvoeren van industriële installaties
met grote stroomwaarden vaak meerdere kabels parallel geplaatst worden.
Deze, soms vele parallelle kabels kunnen aanleiding geven tot grote
onderlinge stroomverschillen. Uit industriële praktische metingen is
gebleken dat dit zelfs kan oplopen tot een factor 10. Er dringt zich
duidelijk een grondige studie op in het geval van installaties met een
groot aantal toelaatbare parallelle kabels, zeker in het geval van korte
kabellengtes.
Harmonische stromen, ten gevolge van het volledig geïntegreerd gebruik
van niet-lineaire verbruikers zoals in hedendaagse verlichtingssystemen,
aandrijfsystemen en andere toepassingen zorgen voor hogere kabelbelasting en/of verhoogde nulgeleiderstromen ten gevolge van derde orde
harmonischen. Dit kan zich uiten in thermische overbelasting van de
kabels. Deze verhoogde stromen geven ook aanleiding tot verhoogde
kabelverliezen, wat dan op zijn beurt een energetisch economische impact
heeft.
Doelstellingen
De belangrijkste doelstelling van dit boek is het opstellen van een duidelijk overzicht van de bepalingen waaraan een elektrische installatie
moet voldoen. Het eindresultaat is een samenvatting van alle bestaande
technieken die gebruikt worden voor het dimensioneren, aangevuld met
nieuwe richtlijnen die rekening houden met de hedendaagse technologieën.
Niet alleen de industriële, maar ook de residentiële sector heeft meer
en meer met de problematiek van harmonische stromen te maken. De
gevolgen uiten zich voornamelijk in overbelastingen, overspanningen
met mogelijks brand tot gevolg. Een onbetrouwbare werking van beveiligingsautomaten werd ook vastgesteld, zeker in het geval waar de
vermogensschakelaars elektronisch geactiveerd worden. Bijgevolg wordt
in dit werk ook de nodige aandacht besteed aan de gevolgen van het nietlineair gedrag door de hedendaagse stroomprofielen in rekening te brengen
bij de berekening en dimensionering van een industriële installatie.
Wereldwijd bedragen de netwerkverliezen jaarlijks 1279TWh. Deze
verliezen verschillen sterk van land tot land. Enkel de cijfers voor WestEuropa en Noord-Amerika worden weergegeven (Tabel 1) en bedragen
±7,2% van het totale energieverbruik.
3
Tabel 1: Schatting van de netwerkverliezen
Land
Verbuik [TWh]
Verliezen [TWh]
Verliezen [%]
West-Europa
3046
222
7,3
Noord-Amerika
4293
305
7,1
Totaal
7339
527
7,2
Van het totaal netwerkverlies situeert zich ±75% in de distributie van
energie (Tabel 2), wat de verliezen op transmissie op ±1,8% van het
getransporteerd vermogen brengt. Het grootste verliesreductiepotentieel
is dus te vinden in het distributienet, zowel op midden- als op laagspanning. Naarmate het spanningsniveau daalt, dus zeker in geval van
laagspanning, zijn de distributieverliezen niet langer te verwaarlozen.
Tabel 2: Verdeling van de netwerkverliezen [in %] in transformatoren en
voedingslijnen
Land
Transformatoren
Lijnen en kabels
Andere
Transmissie
Distributie
Transmissie
Distributie
Amerika
3,1
26,3
21,4
44,2
5,0
Australië
2,0
40,0
20,0
38,0
–
V.K.
9,0
28,0
18,0
44,0
1,0
Onderzoek
10,0
35,0
15,0
35,0
5,0
Gemiddeld
6,0
30,6
19,0
41,6
2,8
Het gemiddeld verlies op distributieniveau wordt geschat op 3,2% van het
getransporteerd vermogen. In industriële installaties wordt deze verliesfactor nog hoger geschat, veelal om reden van het minimaal dimensioneren
van de voedingskabels.
De cijfers uit Tabel 2 zijn eerder een voorzichtige schatting, gebaseerd op
meerdere case studies. De werkelijkheid geeft wel aanleiding tot hogere
verliezen. De redenen hiervoor zijn:
• schattingen zijn gemaakt op de bestaande situatie, zonder rekening
te houden met de groei naar energie en netwerkuitbreiding;
• bijkomende verliezen ten gevolge van harmonische belastingen zijn
niet opgenomen;
• bijkomende verliezen door niet optimale dPF zijn evenmin in rekening gebracht;
• de veronderstelling dat in de vrije energiemarkt de efficiëntieniveaus
4
Hoofdstuk 0. Inleiding
behouden worden, veeleer dan investeren in reductie van energieverliezen; een sterke tendens naar lage eerstelijnskost manifesteert
zich nu reeds.
Zoals hoger vermeld, is bij de energetische studie van de netwerkverliezen,
geen melding gemaakt van de verliezen veroorzaakt door harmonische
stromen. Wat betreft de laagspanningsnetten geeft dit aanleiding tot een
onderschatting van de werkelijke verliezen, met mogelijke overbelasting
van de kabel tot gevolg.
Specifiek in het geval van installaties met nulleider zijn derde-orde harmonische stromen een bijkomende oorzaak van overbelasting. Ten gevolge
van de harmonische vervorming ontstaat een weerstandstijging door frequentieverhoging, zodat de kabelverliezen toenemen, wat een verdere
temperatuurstijging in de kabel veroorzaakt. Door de positieve temperatuurscoëfficiënt van zowel koper en aluminium (beiden ≈0,004/K) wordt
dit effect nog versterkt.
De overbelasting ten gevolge van harmonische stromen geeft niet alleen
aanleiding tot verhoogde opwarming in de kabels, maar ook in de voedingstransformatoren. Dit vormt dan de laatste doelstelling van dit werk,
namelijk de benadrukking van de vermogensverliezen en spanningsvallen
die kunnen ontstaan in elektrische installaties.
Overzicht
Het boek vertrekt van een inleidend hoofdstuk waarin de elektrotechnische basisbegrippen en grootheden terug aangehaald worden, dit om de
situering verder in het werk, zeker voor wat de theoretische benaderingen
betreft, beter te kunnen toelichten. Op die manier wordt ook vermeden
dat een basisnaslagwerk elektrotechniek moet geraadpleegd worden om
de verder gebruikte theoretische benaderingen beter te doorgronden.
In de Europese regelgeving van Hoofdstuk 2 Regelgeving worden de
specifieke richtlijnen en artikels binnen het AREI toegelicht en afgetoetst
aan een aantal buitenlandse regelgevingen. Dit laat toe een breder zicht
te krijgen op de verschillen in regelgeving binnen de Europese Unie.
Uiteraard staat veiligheid van individu en omgeving op de eerste plaats,
en wordt uitgaande van de drie veiligheidsrichtlijnen bestudeerd. Na de
studie van de opgelegde beschermingsmaatregelen (A, B, C, en IP-klasses)
sluit het tweede hoofdstuk af met de belangrijkste regelgeving in het
5
domein van de netkwaliteit, zowel vanuit comptabiliteitsstandpunt als
van netnormering.
In Hoofdstuk 3 Energieverdeling wordt, vertrekkende van de opwekking
van de energie met klassieke en hernieuwbare energiebronnen de situering
van de hedendaagse Belgische energiemarkt in kaart gebracht. Hierbij
worden de verschillende actoren, samen met hun verantwoordelijkheden
gespecificeerd. In een kort overzicht wordt de structuur van zowel het
transport als de distributie van elektriciteit op het net in kaart gebracht.
Tot slot wordt de vrijgemaakte energiemarkt verduidelijkt. Dit moet
toelaten een beter beeld te vormen van enerzijds de verantwoordelijkheden
van de energielevering in zowel de techniciteit als de kwaliteit van de
geleverde energie.
Gezien elke installatie principieel start met een elektriciteitsaansluiting vanaf het middenspanningsnet wordt in Hoofdstuk 4 Aansluiting
middenspanningsnet na de keuze van het voedingssysteem de middenspanningscabine bestudeerd. Hierbij worden niet alleen de exploitatie en
aansluitmodaliteiten besproken, maar worden eveneens alle elementen
uit het netwerk nader toegelicht. Dit moet toelaten een bedrijfszekere
middenspanningsinstallatie op te bouwen. Uiteraard wordt er extra aandacht besteed aan de implementatie van hernieuwbare energiebronnen
in het net. Het hoofdstuk sluit af met de vitale 8, die de veiligheid van
schakelen extra benadrukt. In deze derde druk is extra aandacht besteed
aan dit hoofdstuk gezien de nieuwe normering Synergrid C2/112 sinds
medio 2015 in voege is getreden.
Elektrische veiligheid kan slechts gegarandeerd worden indien de aanraakspanning minimaal is. Om hieraan te voldoen dient het materiaal niet
alleen geïsoleerd te zijn, maar moet ook de potentiaal ten opzichte van de
aarde voldoende laag gehouden worden. In Hoofdstuk 5 Aarding wordt
niet alleen het onderscheid tussen massa en aarde verduidelijkt, maar worden eveneens de verschillende aardingssystemen toegelicht. In aanvulling
tot de vorige druk wordt hier aandacht besteed aan het meten van de effectieve aardweerstand. Ten slotte wordt de complete aardingsinstallatie
geanalyseerd en besproken.
Met de kennis van het aardingssysteem, de uitbating van de middenspanningscabine en de richtlijnen vanuit het AREI kunnen de verschillende
netstelsels opgebouwd worden. Hoofdstuk 6 Netstelsels geeft niet alleen
de bespreking van de klassieke netstelsels weer, maar ook de specifieke
6
Hoofdstuk 0. Inleiding
netten zoals IU en IN. Naast de uitvoering van de ’klassieke’ netten wordt
eveneens aandacht besteed aan zowel de enkelvoudige als de dubbele
fouten in deze netten.
Hoofdstuk 7 Leidingen vormt een heel belangrijk hoofdstuk bij het ontwerpen van de elektrische installatie, gezien hier de distributie van de
energie over de installatie besproken wordt. Het is van cruciaal belang
de juiste geleiders en kabels te kiezen in functie van zowel de toepassing,
de benutting en de gelijktijdigheid als de plaatsing van de kabel. Eveneens wordt het gevaar van het overmatig parallel schakelen van kabels
nader toegelicht. Om dit hoofdstuk te vervolledigen worden eveneens
de barenstelsels in verdeelkasten bestudeerd. Dit hoofdstuk wordt eveneens doorweven met industriële cases van overmatige kabelopwarming en
afgerond met enkele economische beschouwingen omtrent de geschikte
kabelkeuzes.
Het Hoofdstuk 8 Beveiligingen evalueert de veilige uitbating van het
net naar zowel de thermische als de elektrodynamische als persoonsbeveiligingssystemen van het net. Vertrekkende van de bespreking van
de verschillende beveiligingscomponenten wordt er eveneens dieper ingegaan op het kortsluitvermogen van beveiligingstoestellen. Begrippen
als coördinatie (ook associatie of filiatie genoemd), back-up beveiliging
en selectiviteit worden nader toegelicht. Specifieke aspecten met betrekking tot plaatsing van beveiligingstoestellen en hun uitzonderingen
komen hierin aan bod. Tot slot wordt het gedrag van beveiligingen onder
niet-lineaire belastingen nader toegelicht.
Om een veilige uitbating van het net te kunnen garanderen, wordt in
Hoofdstuk 9 Persoonsbeveiliging heel specifiek dieper ingegaan op de
persoonsbeveiliging. Niet alleen het elektrocutiegevaar wordt nader
besproken, maar eveneens de impact van de netconfiguraties op het
elektrocutiegevaar wordt toegelicht. Mogelijke beschermingsmaatregelen
worden geëvalueerd en nader besproken.
Met de kennis van de netstelsels en de stroombelasting door de kabels
wordt het mogelijk een grondige studie door te voeren van de spanningsvallen die kunnen ontstaan in installaties. Hierbij wordt niet alleen
rekening gehouden met de spanningsvallen ten gevolge van de stromen
door de kabels, maar ook met de grootte van de reactieve belasting. Heel
specifiek wordt de spanningsval in transformatoren en ten gevolge van
de aanzetstromen van motoren verder uitgewerkt. Hoofdstuk 10 Span-
7
ningsval besteedt ook aandacht aan de harmonische spanningsvallen in
kabels, waarbij heel in het bijzonder de spanningsval over de nulgeleider
wordt toegelicht.
Met de kennis van de kabels, de netten en de beveiligingstoestellen
wordt in het Hoofdstuk 11 Kortsluitstromen dieper ingegaan op het
mechanisme van de kortsluitstromen. De theoretische benadering van
zowel de eenfasige, tweefasige als driefasige kortsluitstroombepaling wordt
nader toegelicht. Heel in het bijzonder wordt er aandacht besteed aan
de minimale en maximale kortsluitstroombepaling. Dit hoofdstuk is
volledig herwerkt conform de kortsluitstroomberekening volgens IEC
60909 normering en aangevuld met benaderende berekeningsmethodes.
De problematiek van de nulgeleiderstroom wordt in Hoofdstuk 12 Nulgeleider besproken. Enerzijds bestaat de mogelijkheid dat we in een
installatie te maken hebben met onevenwicht en asymmetrie, die aanleiding geven tot verhoogde nulgeleiderstromen. Anderzijds worden deze
verhoogde nulgeleiderstromen eveneens veroorzaakt door derde orde harmonischen en eventueel ook andere orden van harmonsichen in geval
van niet-lineaire verbruikers die niet identiek zijn aan elkaar. Het hoofdstuk beschrijft de basisproblematiek en spitst zich dan specifiek toe op
harmonische nulgeleiderstromen.
In Hoofdstuk 13 Praktische handleiding wordt de voorgestelde theorie van
de vorige hoofdstukken vertaald naar een stappenplan om een industriële
installatie te ontwerpen. Deze studie omvat de precieze bepaling van
alle leidingen en hun overeenkomstige beveiligingen, vanaf de kop van de
installatie tot aan de eindverbruiker. Gezien elk geheel van leiding en haar
beveiliging tegelijkertijd aan meerdere voorwaarden moet beantwoorden,
wordt het ontwerp stap voor stap uitgewerkt, op basis van een TN-net. Er
wordt in het bijzonder een accent gelegd op de harmonische overbelasting
van de nulgeleider, de coördinatieproblematiek en de selectiviteit. Het
hoofdstuk sluit af met een uitgewerkt voorbeeld.
Vanaf Hoofdstuk 14 Verlichting worden de problematieken, die niet rechtstreeks met het basisontwerp te maken hebben behandeld. Dit hoofdstuk
start met de basisprincipes van de verlichtingstechnologie. Uitgaande
van de fotometrische grootheden worden verlichtingsberekeningen doorgevoerd vanuit zowel verlichtingstechnisch als energetisch standpunt. Als
belangrijke aanvulling wordt de noodverlichting bestudeerd overeenkomstig de nieuwe regelgeving.
8
Hoofdstuk 0. Inleiding
In Hoofdstuk 15 Bliksem- en overspanningsbeveiliging wordt de basisstudie van de bliksem- en overspanningsbeveiliging doorgevoerd. Startend
bij het fysisch fenomeen van de bliksem worden de inkoppelmechanismen
bestudeerd. Hieruit wordt het bliksembeveiligingszoneconcept afgeleid.
Dit moet dan toelaten de geschikte beveiligingen te kiezen in functie van
de gewenste veiligheidsniveaus. Het hoofdstuk sluit af met de evaluatie
van bliksembeveiliging op PV-installaties.
Meer en meer hebben we te maken met netstoringen of fenomenen die de
kwaliteit van de voedingsspanning beïnvloeden. In Hoofdstuk 16 Power
quality worden de basisprincipes van een optimale netkwaliteit toegelicht,
zonder hierbij diep in te gaan op alle verschillende fenomenen. Het
hoofdstuk richt zich vooral op de harmonische vervorming, omdat deze
de grootste invloed heeft op de dimensionering en de verliezen binnen
de elektrische installatie. In aanvulling tot de vorige editie is hier ook
extra aandacht besteed aan de oorzaken en de gevolgen van verminderde
netkwaliteit.
Een nieuw Hoofdstuk 17 Compensatie van reactief vermogen en passief
filteren is toegevoegd waar expliciet aandacht besteed wordt aan reactief
compensatie vanuit het standpunt van extra verliezen en verhoogde spanningsvallen in industriële installaties. Aan de hand van enkele specifieke
voorbeelden worden de belangrijkste knelpunten geaccentueerd. Het
hoofdstuk sluit af met een evaluatie van de verschillende compensatiemethodes, afregeling en beveiliging. Onmiddellijk hieraan gekoppeld
zijn de mogelijke gevaren voor resonantie ten gevolge van het plaatsen
van condensatorbatterijen, wat zich dan uit in een studie van passieve
filtersystemen.
Op vandaag zijn heel wat elektrisch gevoede toepassingen uiterst gevoelig
voor spanningsstoringen. Meer bepaald korte spanningsonderbrekingen
kunnen aanleiding geven tot onzekere werking of ongewild uitschakelen van elektrische apparatuur. In Hoofdstuk 18 Actieve filtering en
UPS-systemen (Uninterruptable Power Supply) worden de specifieke mogelijkheden van UPS systemen in kaart gebracht. Naast de verschillende
types wordt eveneens de nodige aandacht geschonken aan de werking
en de batterijkeuze. Uiteraard wordt in dit hoofdstuk ook de nodige
aandacht besteed aan het toepassen van actieve filtersystemen om de
harmonische vervorming en daarbij horende verliezen in de installatie te
beperken tot een minimum. Tot slot worden actieve filters afgewogen
ten opzichte van de passieve filters.
9
Gezien de hoge penetratie van vermogenselektronica in zowel huishoudelijke als industriële installaties zijn de hoogfrequente storingen een niet
meer te verwaarlozen fenomeen. Naast de schakelharmonischen onstaan
ook nog hoogfrequente storingen ten gevolge van het snel schakelen van
de vermogenelektronische componenten. Dit geeft aanleiding tot stoorsignalen die zich sluiten via de common mode en differential mode paden.
Het Hoofdstuk 19 EMC in de installatietechniek is een zeer belangrijke
aanvulling op het ontwerpen van een storingsvrije industriële installatie.
Afsluitend zijn er vier bijlagen. Bijlage A geeft de toelaatbare stroomwaarden en vergelijkt de IEC-normering met de NFC 15-100. Analoog
geeft Bijlage B het overzicht van de stroombelasting van railstellen. Om
een beter inzicht te hebben van bestaande kabels wordt in Bijlage C een
overzicht gegeven van de meest gebruikte kabels volgens verschillende
normeringen. Tot slot worden in Bijlage D kleine (residentiële) elektrische
installaties besproken.
Schematisch kan het boek als volgt worden voorgesteld:
HoofdstukO1:
ElektrischeOgrootheden
Tijdsignalen
SpanningyOstroom
ElektrischOvermogen
HoofdstukO2:
Regelgeving
SitueringOvanOgeldendeO
reglementeringenOmet
betrekkingOtotOelektrischeO
installatiesObinnenOEuropa
HoofdstukO3:
Energieverdeling
OpwekkingyOtransportyOdistributie
vanOelektrischeOenergie
GeliberaliseerdeOenergiemarktO
RolOvanOdeOmarktspelers
HoofdstukO4:
Aansluiting
middenspanningsnet
AansluitmodaliteitenOenOexploitatie
vanOmiddenspanningscabineOen
veiligOschakelen
DeOvitaleO8
HoofdstukO5:
Aarding
AardingyOaardingssystemeny
aardingsinstallatiesOenO
equipotentiaalverbindingen
Aardingsmetingen
HoofdstukO6:
Netstelsels
StudieOvanOdeOklassiekeOnetten
BijzondereOnetten
DubbeleOfouten
10
Hoofdstuk 0. Inleiding
HoofdstukV9E
Leidingen
StroombelastbaarheidVvanVkabels
CorrectiefactorenVinVplaatsing
CorrectiefactorenVinVgebruik
ThermischeVeffecten
HoofdstukVTE
Beveiligingen
KortsluitOVenVoverstroombeveiliging
Differentieelbeveiliging
CoördinatieVenVBackOup
Selectiviteit
HoofdstukVöE
Beveiligingen
ElectrocutiegevaarVenVmechanisme
Beschermingsmiddelen
Stroomgrenzen
BBVklasses
HoofdstukVLUE
Spanningsval
SpanningsvallenVinVkabels
InwendigeVspanningsvalVinVtransfo
HarmonischeVspanningsvallen
HoofdstukVLLE
Kortsluitstromen
SoortenVkortsluitstromen
MinimaleVkortsluitstroombepaling
MaximaleVkortsluitstroombepaling
HoofdstukVLFE
Nulgeleider
OnbalansVenVasymmetrie
NietOlineairVverbruik
ProblematiekVvanVderdeVordeV
harmonischen
HoofdstukVLRE
PraktischeVhandleiding
StappenplanVvoorVhetVontwerpVvanV
eenVindustriëleVinstallatieë
SpecifiekeVprobleemstelling
UitgewerkteVcase
HoofdstukVLIE
Verlichting
Lichttechnologie
FotometrischeVgrootheden
Lichtbronnen
Verlichtingsberekeningen
HoofdstukVLDE
BliksemOVenV
overspanningsbeveiliging
StudieVvanVhetVfenomeenVbliksem
Bliksembeveiligingsconcept
Overspanningsbeveiligingen
BeveiligingVvanVPVVinstallaties
HoofdstukVL8E
PowerVquality
Basisbegrippen
HarmonischeVvervormingVenVRMS
HarmonischeVvermogens
InvloedVopVinstallatieOonderdelen
HoofdstukVL9E
CompensatieVvanVreactiefV
vermogenVenVpassiefVfilteren
Situering
CompensatieVvanVreactiefVvermogen
Dimensionering
Compensatiemethodes
11
HoofdstukA18:
ActieveAfilteringAenAUPS
HarmonischeAfilters
SoortenAenAwerkingAUPSRen
HoofdstukA19:
EMCAinAelektrischeA
installaties
EMC'richtlijn
EM'spectrum
ParasitairAgedrag
Oplossingen
BijlageAA:
ToelaatbareA
stroomwaardenA
kabels
BijlageAB:
ToelaatbareA
stroomwaarden
rails
BijlageAC:
Kabeltypes
BijlageAD:
Residentiële
installaties
Download
Random flashcards
mij droom land

4 Cards Lisandro Kurasaki DLuffy

Rekenen

3 Cards Patricia van Oirschot

Test

2 Cards oauth2_google_0682e24b-4e3a-44be-9bca-59ad7a2e66a4

Create flashcards