Mogelijke afwijkingen spanning toegelicht

IJ01_p32_33_35-kwaliteit 06-01-2006 10:29 Pagina 32
DE KWALITEIT VAN ELEKTRICITEIT
Mogelijke afwijkingen
spanning toegelicht
De aanwezigheid van elektriciteit wordt in Nederland als vanzelfsprekend
beschouwd. Evenals het feit dat de elektriciteit van de juiste kwaliteit is. De
ideale elektrische voorziening is een perfecte sinusvormige spanning. In de
praktijk is de ideale spanning echter niet aanwezig. In dit artikel worden
diverse afwijkingen kort toegelicht.
Het wegvallen van de elektrische
voorziening is in ons land, in tegenstelling tot in sommige andere landen, een bijzonderheid. Deze hoge
betrouwbaarheid is voor een belangrijk deel te danken aan het feit dat
een groot deel van het elektriciteitsnet in Nederland met kabel is uitgevoerd en dus in de grond ligt.
Hierdoor zijn we minder afhankelijk
van slechte weersomstandigheden
zoals bliksemontladingen en storm.
Graafwerkzaamheden kunnen echter
wel weer leiden tot beschadigingen
van de kabel en dus tot onderbreking
van de elektrische voorziening.
Ideaal
De ideale elektrische voorziening is
een perfecte sinusvormige spanning,
zoals aangegeven in figuur 1, met het
juiste niveau en de juiste frequentie
(aantal wisselingen per seconde).
incidentele afwijkingen. Figuur 2
geeft een overzicht van de mogelijke
afwijkingen en op welke manier ze
voorkomen.
Figuur 2: Mogelijke afwijkingen.
Een andere mogelijke indeling is of
de afwijking te wijten is aan aangeslotenen of aan gebeurtenissen in het
net. De continue gebeurtenissen ontstaan door omstandigheden die bij
een aangeslotene of meerdere aangeslotenen liggen. Een aanloopstroom
van een motor kan bijvoorbeeld flikker veroorzaken. Een grote hoeveelheid schakelende voedingen kan leiden tot een vervormde spanning. Er
is dus een interactie tussen het net en
de installatie van de klant, zoals aangegeven in figuur 3.
De netbeheerder zorgt er voor dat er
een elektriciteitsnet ligt waarop de
klant is aangesloten. Daar wordt door
de netbeheerder een juiste spanning
aangeboden (zie figuur 3). Als op deze
spanning een toestel wordt aangesloten gaat er een stroom lopen. Deze
stroom heeft weer invloed op de aangeboden spanning. Een hele grote
stroom leidt tot meer spanningsverlies en dus tot een lagere spanning.
Een vervuilde stroom (geen sinusvormige stroom) leidt tot een vervuiling
in de spanning. De aangesloten klanten hebben op deze manier dus ook
invloed op de kwaliteit van de spanning.
Behalve een onderbreking van de
elektrische voorziening zijn de volgende afwijkingen in de spanning
mogelijk:
– te hoge of te lage spanning;
– te hoge of te lage frequentie;
– spanningsdip;
– afwijking van de sinusvorm;
– snelle variaties in het niveau van de
spanning;
– piekspanningen.
Figuur 4: korte onderbreking.
Figuur 1: Ideale spanningsvorm.
In de praktijk is de ‘ideale’ spanning
meestal niet aanwezig. Er zijn diverse
afwijkingen mogelijk die onder te verdelen zijn in continue afwijkingen en
32
INSTALLATIE JOURNAAL / JANUARI 2006
Figuur 3: Relatie tussen stroom en spanning.
Een onderbreking in de elektrische
voorziening is vrijwel altijd een
gevolg van een defect in het elektriciteitsnet. Dit defect heeft een grote
stroom (kortsluitstroom) tot gevolg
die moet worden afgeschakeld waar-
IJ01_p32_33_35-kwaliteit 06-01-2006 10:29 Pagina 33
in de
Figuur 5 laat zien in hoeverre de verschillende netvlakken (hoogspanning
HS, middenspanning MS en laagspanning LS) de afgelopen jaren hebben
bijgedragen aan het aantal storingsminuten per jaar. De meeste onderbrekingen als gevolg van een storing
zijn het directe gevolg van graafwerkzaamheden, waarbij een kabel wordt
beschadigd.
In een elektriciteitsnet zijn veel belastingen aangesloten. Op momenten
dat er een grote belasting is (veel toestellen aangesloten) dan zal de spanning op de aansluitpunten gaan
dalen. De klant die op de uiteinden
van het net is aangesloten zal de laagste spanning krijgen. Uiteraard moet
deze nog wel voldoen aan de eerder
genoemde waarden. Als er vrijwel
geen belasting is dan zal de spanning
op zijn hoogst zijn. De spanning op
de aansluitpunten kan nog verder
worden verhoogd als er aan de uiteinden van het net veel decentrale
opwekkers zijn aangesloten. Dit kunnen windmolens of zonnepanelen
zijn. De netbeheerder moet rekening
houdend met de variaties in belasting
en de decentrale opwekkers de spanning binnen de 207 en 253 volt houden.
Te hoog of te laag
Het niveau van de spanning is binnen Europa vastgesteld op 230 volt.
Dit is de zogenoemde nominale span-
Alle toestellen moeten geschikt zijn
voor de nominale spanning van 230
volt en een mogelijke afwijking van
+ of – 10%. Dit is weer gelijk aan de
Figuur 5: Bijdrage van HS-, MS- en LS-net aan aantal storingsminuten per jaar.
Wijk met woningen waarbij het dak is
voorzien van zonnepanelen.
spanningen van 207 en 253 volt.
Gedurende een langere tijd een te
lage spanning kan problemen geven
bij de goede werking van een toestel.
Meestal treedt er geen schade op. Een
te hoge spanning, gedurende langere
tijd, kan een verkorting van de
levensduur van toestellen (bijvoorbeeld gloeilampen) tot gevolg hebben.
De frequentie in het Europese net is
50 hertz. Dit betekent dat de sinusvorm 50 maal per seconde voorkomt.
Sommige klokken stemmen hier hun
tijdinstelling op af. Afwijkingen in de
frequentie kunnen dus leiden tot een
weergave van de verkeerde tijd.
Omdat het Nederlandse net gekoppeld is met het buitenland (het hele
Europese net is met elkaar gekoppeld)
treden frequentieafwijkingen niet of
nauwelijks op.
Spanningsdip
Het niveau van de spanning kan kortstondig in elkaar zakken. Vrijwel
altijd is dit het gevolg van een defect
in het elektriciteitsnet. Bij de
betrouwbaarheid is al aangegeven
welke oorzaken er zijn bij onderbrekingen in het net. Voor een beperkt
aantal klanten leidt een fout in het
net tot een onderbreking. De kabel
die defect is, wordt afgeschakeld. Stel
dat dit in één seconde gebeurt.
Klanten die zijn aangesloten op de
Figuur 6: Spanningsdip.
INSTALLATIE JOURNAAL / JANUARI 2006
33
TEKST: SJEF COBBEN
door er voor een aantal klanten een
onderbreking zal optreden. Als de
fout in het laagspanningsnet optreedt
dan is het aantal getroffen klanten
relatief gering, maar de hersteltijd kan
meerdere uren bedragen. Bij een fout
in het middenspanningsnet worden
er meer klanten getroffen door de
onderbreking maar de hersteltijd is
korter (meestal binnen een uur). Een
fout in het hoogspanningsnet treft
zeer veel klanten maar de hersteltijd
is heel kort. Door automatische af- en
omschakelingen kan de voorziening
weer binnen seconden hersteld zijn.
ning. De netbeheerder, die moet zorgen voor het transport van de elektrische energie, moet een spanning leveren die ligt tussen de 207 en 253 volt.
Gedurende vijf procent van de tijd
(gemeten binnen een week) mag de
spanning liggen tussen de 196 volt en
253 volt.
Dit criterium is, evenals de meeste
andere kenmerken van de spanning,
vastgelegd in de netcode. Deze netcode wordt bepaald en uitgegeven door
de DTE, de dienst toezicht energie. De
netcode is van de website van DTE te
downloaden (www.nma-dte.nl).
IJ01_p32_33_35-kwaliteit 06-01-2006 10:29 Pagina 35
defecte kabel zullen een onderbreking
van de levering ondervinden. Klanten
die niet zijn aangesloten op de defecte kabel, maar wel in de omgeving
hiervan, zullen gedurende deze
seconde een dip in de spanning kunnen zien.
De hinder die wordt ondervonden
van een dip is afhankelijk van de
duur van de dip en van de diepte
(hoever zakt de spanning in elkaar).
Ook de uitvoering van de toestellen
speelt een belangrijke rol. Vaak zijn
toestellen uitgevoerd met een kleine
back-up voorziening (bijvoorbeeld
een batterij) om nog gedurende korte
tijd de instellingen vast te houden.
De meeste toestellen zijn ook voorzien van een elektronische voeding in
of buiten het toestel die ook bij zeer
lage spanningen blijft werken. Een
behoorlijke dip wordt ’s avonds
meestal opgemerkt door een dip in
het verlichtingsniveau, maar verder
zijn er in de huishoudelijke omgeving
meestal geen problemen. Bij de
industrie is de gevoeligheid voor een
dip afhankelijk van het soort proces
en de opbouw van de installatie.
Bedrijven die gevoelig zijn voor dips
zijn bedrijven met veel synchroon
lopende machines (papierfabrieken),
veel dataverkeer (banken), of met
ovens in combinatie met transportsystemen (grote bakkerijen, fritesbedrijven en dergelijke). Het is van
belang om bij de opbouw van een
proces rekening te houden met mogelijk optredende dips. Een mogelijkheid hiertoe is gevoelige apparatuur
te voorzien van een UPS. Een andere
mogelijkheid is een snelle herstartprocedure om de kosten van een dip
te reduceren.
Sinusvorm
Kleine afwijkingen in de vorm van de
spanning zijn onvermijdelijk omdat
de stroom die veel toestellen vragen
al grote afwijking van de sinusvorm
toont. Figuur 7 toont een typische
Figuur 7: Afwijkingen in de spanningsvorm.
stroomvorm voor een elektronische
voeding die bij veel toestellen wordt
gebruikt. Dit leidt tot de weergegeven
verandering van de spanning. Als er
een grote stroom optreedt dan daalt
de spanning. Hierdoor wordt de spanning in de top iets vlakker.
Een grote vervorming van de spanning leidt tot extra verliezen en dus
tot extra warmteontwikkeling. Bij
extreme vervormingen kan een toestel niet meer goed functioneren.
Deze extreme vervormingen treden
doorgaans alleen in zeer bijzondere
gevallen op. Een specifiek probleem
wat kan optreden is het ontstaan van
3e harmonische stromen. Bij een normale driefasige symmetrische belasting is de som van de stromen in de
fasen nul en loopt er geen stroom
door de nulleider. Als er in de fasestromen een behoorlijke 3e harmonische stroom loopt dan zal er een drievoud van deze stroom door de nulleider gaan lopen. Er is namelijk tussen
de 3e harmonische stromen geen
faseverschuiving. Hierdoor zal ook bij
een symmetrische belasting een grote
stroom door de nulleider gaan lopen
met mogelijk overbelasting tot
gevolg.
In de NEN 1010 wordt hiervoor de
nodige aandacht gevraagd. Als de 3e
harmonische stroom in de fasegeleiders de tien procent overschrijdt dan
mag de nulgeleider al niet meer de
helft zijn van de fasegeleider.
Variaties
Bij het inschakelen van toestellen
gaat er een stroom lopen die leidt tot
een kleine verlaging van de spanning.
Sommige toestellen hebben bij
inschakeling kortstondig een grotere
stroom nodig die dan ook weer leidt
tot een grotere kortstondige spanningsdaling. Als deze toestellen regelmatig worden ingeschakeld dan zal
ook de spanning regelmatig in elkaar
zakken. Deze variatie in de spanning
is beperkt (er is dus geen sprake van
een dip) maar is wel merkbaar in het
niveau van de verlichting. Diverse
lampen zijn gevoelig voor het spanningsniveau. Bij een lagere spanning
zal ook het verlichtingsniveau dalen.
Teveel variaties in de spanning kunnen op den duur hinderlijk zijn. Dit
probleem kan optreden door bijvoorbeeld liftinstallaties, lastoestellen en
soortgelijke toestellen die regelmatig
worden ingeschakeld (liften) of grote
stroomvariaties hebben (lastoestellen).
Deze afwijking van de spanning
levert alleen hinder op door de variaties in de verlichting. Voor de goede
werking van de aangesloten toestellen
heeft dit geen gevolgen. Een mogelijke oplossing is om de gevoelige lampen (gloeilampen) te vervangen door
lampen met een elektronische voeding.
Piekspanningen
Op de sinusvormige netspanning
kunnen soms pieken optreden, zoals
weergegeven in figuur 8. Deze pieken
kunnen het gevolg zijn van bliksemontladingen. Ook door schakelhandelingen in het net of uw eigen installatie kunnen tijdelijk piekspanningen
ontstaan.
Figuur 8: Piekspanning.
Toestellen moeten voor de meest
voorkomende piekspanningen zijn
ontworpen. Piekspanningen kunnen
tot beschadiging van toestellen leiden. Deze piekspanningen kunnen
via het elektriciteitsnet op de toestellen komen. Er zijn echter ook andere
wegen mogelijk. Ook via een eigen
aardingssysteem kan een piekspanning (ten gevolg van bliksemontladingen) op de toestellen komen. Alle
installatieonderdelen en toestellen
moeten een piekspanning van een
bepaalde waarde kunnen hebben.
Conclusie
De goede werking van alle aangesloten installaties en toestellen op het
net is afhankelijk van de kwaliteit
van de aangeboden spanning. De
kwaliteit van de aangeboden spanning is weer afhankelijk van de aangesloten installaties en toestellen.
Deze interactie vraagt om een betere
afstemming en normering op het
aansluitpunt. Overleg tussen de netbeheerder en de aangeslotene is van
belang om hinder voor anderen te
voorkomen.
In volgende artikelen worden specifieke afwijkingen diepgaander behandeld. De volgende keer gaan we meer
in detail in op het aspect spanningsIJ
niveau.
INSTALLATIE JOURNAAL / JANUARI 2006
35