Aardingsproblemen bij het uitbreiden van bestaande

Aardingsproblemen bij het uitbreiden van b estaande installaties Focus Vele elektrische installaties, gaande van kleinschalige (residentiële of commerciële) tot grootschalige (industriële) toepassingen, dienen na verloop van tijd te worden uitgebreid, bijvoorbeeld door een drastische toename van de belasting ten opzichte van de tijd waarin de installatie werd ontworpen of door aangepaste eisen gesteld door de eigenaar, bepaalde lasten of onderdelen van de elektrische installatie. Wanneer men in een bestaande installatie nieuwe energiebronnen plaatst, dient men de nodige aandacht te besteden aan het aarden van deze onderdelen. In de praktijk blijkt het niet altijd zo eenvoudig te zijn om dit correct uit te voeren, en een foutieve uitvoering kan leiden tot incidenten met schade aan bronnen en/of belastingen. Uitbreiding van de installatie Dit document beschrijft een installatie waarin een UPS­systeem (Uninterruptible Power Supply, een systeem dat ervoor zorgt dat een bepaalde kritische belasting met zeer hoge betrouwbaarheid voorzien wordt van elektrische voeding, zelfs bij een uitval van de netvoeding) diende te worden uitgebreid, maar waarin de configuratie van het aardingssysteem (meer bepaald de verbinding van de nulgeleiders met de aarde) niet correct werd uitgevoerd. Nadien wordt ook beschreven hoe de uitbreiding correct kan worden uitgevoerd. Hoewel deze beschrijving geïllustreerd wordt aan de hand van een concreet voorbeeld, zijn de besluiten en concepten ook toepasbaar op andere gevallen waarin een groep van belastingen gevoed dient te worden door verschillende bronnen. Figuur 1 toont het schema van de installatie, waarbij UPS 2 geïnstalleerd wordt in parallel Figuu r 1: Schema van de installatie
met de reeds aanwezige UPS 1. De nulgeleider wordt telkens in het zwart voorgesteld, de drie fasegeleiders in het blauw en de aardgeleiders in het geel­groen. Elk UPS systeem bestaat uit een vermogenelektronische omvormer of wisselrichter, die een gelijkspanning omzet naar een wisselspanning, en een uitgangsfilter, gevormd door condensatoren en een transformator. Dit filter heeft tot doel om de hoogfrequente spanningscomponenten in de uitgangsspanning van de wisselrichter af te zwakken en zo een sinusoïdale spanning aan de lasten aan te bieden. Er wordt gebruik gemaakt van een Static Transfer Switch (STS) die de mogelijkheid biedt om een last door een van twee parallelle bronnen te laten voeden. Wanneer een van beide bronnen wegvalt, neemt de andere bron de voeding van de last onmiddellijk over, zodat deze niet zonder elektriciteitsvoorziening valt en kan blijven werken. Elk UPS systeem heeft ook een statische bypass (SB). Indien de UPS om welke reden dan ook de last niet kan voeden, wordt de statische bypass gesloten en kan de last gevoed worden door het elektriciteitsnet. Bemerk dat de topologie met een static transfer switch niet voor alle lasten dient te worden gebruikt. Het is ook mogelijk dat een bepaald deel van de lasten gevoed wordt door het elektriciteitsnet (bijvoorbeeld indien het niet­kritische lasten betreft, waarvoor het weinig kwaad kan indien deze tijdelijk niet kunnen werken door een uitval van het net) of door 1 UPS systeem. Fouten Het schema getoond in Figuur 1 bevat enkele fouten, waardoor de correcte werking niet gegarandeerd kan worden. Het grote probleem is de mogelijkheid van optreden van zwerfstromen. Wanneer eenfasige lasten (die in een normale installatie, zoals een datacenter, fabriek, kantoorgebouw,… een belangrijk deel uitmaken van de totale belasting) in werking zijn, dient de stroom van de last via de nulgeleider terug te vloeien naar de bron. Zoals geïllustreerd in Figuur 2 zijn er voor het schema van Figuur 1 meerdere parallelle terugvoerpaden mogelijk. Dit geeft aanleiding tot zwerfstromen in de (niet betrokken) nulgeleiders, de aardingsgeleiders en de aarde. Dit wil zeggen dat door elk van deze geleiders een stroom vloeit die men niet zou verwachten indien men enkel bronnen en lasten in acht Figuur 2: Zw erfstromen bij h et voeden van een een fasige last
neemt, zonder rekening te houden met de structuur van het net. Deze zwerfstromen zijn aangeduid met behulp van de rode pijlen. Het normale stroompad is aangeduid met groene pijlen. Het is duidelijk dat er naast het normale (groene) terugstroompad nog twee parallelle (rode) terugstroompaden zijn, die niet gewenst zijn. Zwerfstromen kunnen onder andere volgende gevolgen hebben:
·
Overbelasting van geleiders, in het bijzonder nulgeleiders die niet gedimensioneerd zijn om hoge stromen te voeren.
·
Uitschakelen van een installatie door middel van differentieelschakelaars door het vloeien van stroom door de aardgeleiders, terwijl in werkelijkheid geen lek naar de aarde aanwezig is. Op deze manier wordt de voeding van de lasten dus onnodig onderbroken, wat strijdig is met de redenen om een UPS systeem te plaatsen.
·
Optreden van overspanningen bij het uitschakelen van (eenfasige) lasten of het uitvoeren van schakelingen (bijvoorbeeld het uitschakelen van een UPS en het inschakelen van het net via de statische bypass). Hierdoor kan de isolatie van bepaalde toestellen in de installatie doorslaan. Oplossingen Mits enkele aanpassingen kan het schema getoond in Figuur 1 worden omgevormd tot een zwerfstroomvrije topologie. Figuur 3 toont een correcte uitvoering van het aardingssysteem en de verbinding tussen nulgeleider en aarde. Er zijn twee verschillen met het schema van Figuur 1. Vooreerst wordt er een scheidingstransformator (oranje) geplaatst voor de statische bypass. Hierdoor zijn de nulgeleider van het net en het geaarde sterpunt van de uitgang van de voedingstransformator niet langer elektrisch verbonden met de nulgeleider aan de uitgang van de UPS­wisselrichters (tussen de statische bypass en de static transfer switch). Een alternatief zou zijn om een vierpolige statische bypass te gebruiken (waarbij niet enkel in de fasegeleiders, maar ook in de nulgeleider een schakelaar geplaatst wordt) in plaats van de driepolige Figuur 3: Aanpassing van het schema vo or het voorko men van zw erfstromen
uitvoering, getoond op Figuur 1 en Figuur 3. Dergelijke vierpolige statische bypasses zijn echter niet gemakkelijk te vinden, zodat de oplossing via een scheidingstranformator de voorkeur geniet. Zelfs indien er maar 1 UPS­systeem wordt geïnstalleerd, zou men een scheidingstranformator in het bypasskanaal moeten plaatsen. Vaak wordt dit echter niet gedaan omwille van kostenbesparingen. Een tweede aanpassing betreft de static transfer switch. Het schema van Figuur 3 gebruikt een vierpolige static transfer switch (waarbij niet enkel de fasegeleiders, maar ook de nulgeleider wordt geschakeld), terwijl het schema van Figuur 1 een driepolige static transfer switch gebruikt. Belangrijk is dat beide aanpassingen gecombineerd worden. Indien slechts één van beide wordt doorgevoerd, kan het optreden van zwerfstromen niet verhinderd worden. De groene pijlen in Figuur 3 illustreren het stroompad voor een eenfasige last of een driefasige ongebalanceerde last. Het is duidelijk dat er in dit geval geen zwerfstromen kunnen ontstaan. Het blijkt dat het voorkomen van zwerfstromen in een dergelijke installatie een zekere kost heeft (een scheidingstranformator tussen het net en de stroomafwaarts gelegen onderdelen, het gebruik van vierpolige static transfer switches in plaats van driepolige exemplaren). Vaak zal de opbrengst van de op deze manier bekomen verhoging van de bedrijfszekerheid van elektrische voeding echter groter blijken dan de kost van de extra componenten, daar het uitvallen van lasten meestal een belangrijk productieverlies met zich meebrengt. Bron Au teur : : departement Electrotechniek (ESAT ) – Electa K.U.Leu ven ir. T. Loix