(On)voldoende spanningskwaliteit kost geld!

(On)voldoende spanningskwaliteit kost geld!
De verantwoordelijkheid voor een voldoende kwaliteit van de spanning en de stroom is een
gezamenlijke verantwoordelijkheid van netbeheerders, fabrikanten en aangesloten klanten
(gebruikers), zoals weergegeven in figuur 1.
Figuur 1: Verantwoordelijkheden voor voldoende kwaliteit van vermogen (Power Quality)
De diverse verantwoordelijkheden van de verschillende partijen zijn:



De netbeheerder is verantwoordelijk voor de kwaliteit van de voedende spanning en voor
een voldoende hoog kortsluitvermogen (of voldoende lage impedantie) op het aansluitpunt.
De benodigde kwaliteit van de spanning is vastgelegd in de netcode
De fabrikant is er verantwoordelijk voor dat de geleverde producten voldoen aan de eisen die
hier aan gesteld worden door de betreffende IEC 61000 normen. Dit moet voor een groot
deel (maar helaas niet geheel afdekkend) garanderen dat de producten goed functioneren bij
de normaal optredende spanningen.
De gebruiker van het toestel (en de elektrische energie) is verantwoordelijk voor de
samenbouw en de gehele installatie en bijbehorende processen die ook onderling en in
samenhang met de voedende spanning en netimpedantie goed moet functioneren.
Deze laatste verantwoordelijkheid wordt meestal onderschat. Ook fabrikanten en
netbeheerders moeten hierbij adviserend optreden om problemen in een later stadium te
voorkomen. Aangezien er nog onvoldoende op elkaar afgestemde normen zijn die regelen
dat op het overdrachtspunt tussen net en installatie voldoende garanties zijn voor het goed
functioneren van alle aangesloten toestellen is overleg tussen en de partijen en enig
onderzoek altijd aan te bevelen.
De kwaliteit van de voedende spanning is niet de enige maatstaf voor de kwaliteit van de
installatie. Ook de kwaliteit van de stromen is belangrijk. In een voorbeeld met een tweetal
kwaliteitskenmerken (asymmetrie en harmonischen) zal dit worden toegelicht. Ook zal hierbij
indicatief iets worden toegelicht over de kosten die onvoldoende kwaliteit van de stromen
met zich mee kunnen brengen.
Asymmetrie
Bij een meergeleidersysteem is de optimale situatie als alle fasegeleiders gelijk worden
belast. Hierdoor wordt niet alleen de installatie optimaal gebruikt (minimale verliezen en
maximaal rendement van de componenten) maar ook het voedende net wordt gelijkmatig
belast waardoor ook de spanning symmetrisch blijft. In figuur 2 is een voorbeeld gegeven
van een verdeelinrichting met een nominaal vermogen van 86,6 KVA (lijnstroom van 125 A).
Figuur 2: Schakel- en verdeelinrichting met nominale stroom van 125 A
Het nominale vermogen kan worden gebruikt als de fasen symmetrisch zijn belast zoals
aangegeven in figuur 3.
Figuur 3: Symmetrische belasting, maximaal vermogen en geen nulstroom
Als er geen sprake is van een symmetrische belasting dan onstaat er een verschil in de drie
fasestromen en dit heeft ook een nulstroom tot gevolg. In figuur 4 is de situatie geschetst dat
30% van de stroom (of vermogen) van fase 2 is overgeheveld naar fase 3.
Figuur 4: Stromen en vectoren bij asymmetrische belasting (overbelasting en nulstroom).
Het totale vermogen is nu nog gelijk, maar dit leidt tot overbelasting in fase 3 wat uiteindelijk
zal leiden tot het aanspreken van de beveiliging. Bij een gelijkblijvende asymmetrie moet de
stroom in fase 3 worden verlaagd tot 125 A, wat zal leiden tot een maximaal af te nemen
vermogen van 66,6 kVA. In tabel 1 zijn de diverse stromen en vermogens in de drie
verschillende situaties nog eens op een rij gezet.
Tabel 1: Overzicht verschillende situaties (vermogen in kVA, stromen in A)
Situatie 1
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Symmetrische
Vermogens 28,87
28,87
28,87
belasting
stromen
125
125
125
Situatie 2
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Asymmetrische
Vermogens 28,87
20,21
37,53
belasting
stromen
125
87,5
162,5
Situatie 3
Fase 1
Fase 2
Fase 3
gereduceerde
Vermogens 22,2
15,5
28,87
belasting
stromen
96,1
67,3
125
Nul
0
0
Nul
0
65
Nul
0
50
Kortom, een asymmetrische belasting leidt tot:



Verlies van capaciteit van de installatie (kabels en verdeelinrichtingen kunnen niet meer
optimaal worden benut.
Extra stromen in de nulgeleider.
Extra verliezen in de kabels.
Een ander bijkomend nadeel wat ook nog zal spelen bij zwakke voedingen (bijvoorbeeld aan
boord van schepen) is dat een asymmetrie in de spanning ontstaat, wat nadelige gevolgen
heeft voor driefasenbelastingen zoals grotere motoren.
Harmonische stromen en spanningen
Overbelasting en reducering van capaciteit kan ook optreden door harmonische stromen.
Deze ontstaan als de aangesloten apparatuur een niet-sinusvormige stroom vraagt of als er
al een grote vervorming van de spanning is opgetreden door andere belastingen. Bekende
voorbeelden van belastingen die geen sinusvormige stroom vragen zijn schakelende
voedingen, fluorescentielampen, frequentieregelaars en andere toestellen met
halfgeleiderelementen.
Figuur 5: Stroom en frequentiespectrum van spaarlamp met elektronische regeling
In figuur 5 is de stroom van een spaarlamp met elektronische regeling te zien. De stroom is
niet sinusvormig en bevat veel harmonische componenten, zoals in het frequentiespectrum
van figuur 5 ook is weergegeven. Hieruit is af te lezen dat de 3e harmonische (150 Hz) ca.
80% bedraagt van de fundamentele stroomwaarde. Toepassing van veel lampen en andere
toestellen met 3e harmonische stromen zullen leiden tot overbelasting en in sommige
gevallen zelfs beschadiging (verbranding) van leidingen zoals ook in figuur 6 zichtbaar is.
Figuur 6: Beschadiging van leidingen door harmonische stromen
Zeker de 3e harmonische stromen (en andere veelvouden van 3) geven aanleiding tot een
grote extra belasting van de nulgeleider. Dit komt omdat de faseverschuiving tussen de 3e
harmonische stromen van elke fase geen faseverschuiving hebben. De drie stromen zijn in
fase met elkaar en zullen dus een grote stroom in de nulgeleider veroorzaken.
Figuur 7: Belasting zonder en met 3e harmonische stromen
In figuur 7 is een situatie afgebeeld waarbij in eerste instantie een belasting is aangebracht
met een nominale stroom van 100 A, waarbij geen netvervuiling aanwezig is. De drie
fasestromen zijn onderling 120° verschoven waardoor de nulstroom 0 A is. In de tweede
situatie is in de fasestroom een 3e harmonische stroom aanwezig die een waarde heeft van
40% van de effectieve stroom. Deze 3e harmonische stromen van de drie verschillende fasen
Die onderling geen faseverschuiving hebben zullen leiden tot een stroom van 120 A in de
nulgeleider. Dit betekent dat bij de keuze van de kabel rekening gehouden moet worden met
deze stroom in de nulgeleider, inclusief een correctiefactor van 0,86 zoals aangegeven in
tabel 2.
Tabel 2: Correctiefactor 3e harmonische, bron:NEN 1010
Ook harmonische stromen leiden weer tot harmonische spanningen. Deze zullen weer
gevolgen hebben voor andere toestellen. Zo zijn bijvoorbeeld toestellen met aan de ingang
een condensator gevoelig voor hogere harmonische spanningen. De impedantie van de
condensator zal bij hogere frequenties dalen, waardoor de stroom toeneemt. Uiteindelijk zal
dit tot een defect toestel leiden. Harmonische stromen en spanningen leiden dus tot verlies in
capaciteit (vermogen van leidingen en transformatoren voor transporteren en omzetten van
energie), overbelasting en verkorte levensduur van componenten en storingen in processen.
Ook de goede werking van beveiligingstoestellen zal door hogere harmonischen worden
aangetast. Kortom: Beperken van harmonische stromen en spanningen is een noodzaak!
Reduceren van asymmetrie en harmonischen
Zoals eerder aangegeven hebben asymmetrie en harmonischen een negatief effect op het
gebruik van een installatie en de aangesloten toestellen. Ieder probleem afzonderlijk leidt tot
een minder optimaal gebruik van de installatie en mogelijk tot uitschakeling of defecten.
Gecombineerd (dus een installatie met asymmetrie en harmonischen) verergeren de
problemen snel. Het beperken van asymmetrie en harmonische stromen is dus ten zeerste
aan te raden.
Het beperken van de asymmetrie is in eerste instantie eenvoudig te doen door de
belastingen evenredig over de drie fasen te verdelen. Bij driefasige belastingen of identieke
eenfasige belastingen is dit in de regel eenvoudig te doen. Als er geen sprake is van
identieke belastingen of het inschakelgedrag is niet of moeilijk te voorspellen dat wordt het
lastiger. Bij voedingen met beperkt vermogen en een zwak kortsluitvermogen zoals
bijvoorbeeld op schepen aanwezig is kan dit tot problemen leiden.
Het beperken van harmonische stromen kan ook het beste bij de bron beginnen. Door het
toepassen van toestellen die een minimale vervorming geven wordt de stroom het
eenvoudigste (hoeft niet altijd het goedkoopste te zijn) beperkt. Ook hier geldt echter dat dit
niet altijd mogelijk is. Harmonische kunnen dan nog verder worden beperkt door het
toepassen van filters. Dit kunnen passieve of actieve filters zijn. Een mooi voorbeeld van een
actief filter is weergegeven in figuur 8.
Figuur 8: Actief filter die stroom injecteert met harmonische in tegenfase.
De belastingsstroom wordt gemeten en geanalyseerd. Vervolgens injecteert het actieve filter
harmonische stromen in tegenfase waardoor de voedende stroom weer redelijk sinusvormig
wordt. Voordeel van het getoonde actieve filter is dat ook asymmetrie kan worden
weggeregeld. Uiteraard is mate waarin de verschillende “Power Quality” kunnen worden
opgelost afhankelijk van de nominale stroom die het actieve filter kan leveren.
Conclusies
Bij het ontwerpen van een elektrische installatie moet ook rekening worden gehouden met de
diverse “Power Quality” onderwerpen. Hierbij moet gekeken worden naar het
spanningsniveau in de installatie, de bestandheid tegen (gevoeligheid voor) optredende dips,
de mate van asymmetrie en harmonischen en het optreden van snelle spanningsvariaties die
tot hinder bij de verlichting kunnen geven. Een goed ontwerp kan al veel problemen
voorkomen. Desondanks is niet alles te voorspellen en nieuwe toestellen, uitbreidingen van
installaties en andere netconfiguraties kunnen achteraf toch nog tot problemen leiden. Het
monitoren van een installatie (en dit geldt zeker voor de grotere industriële installaties of
gevoelige installaties (bank, datacentra, ziekenhuizen) ten aanzien van de kwaliteit van
spanningen en stromen is zeker geen overbodige luxe. Hierdoor kunnen problemen op tijd
worden gesignaleerd en maatregelen worden genomen. Elk specifiek power quality
probleem heeft eigen oplossingen. In sommige gevallen, zoals bijvoorbeeld bij het getoonde
actieve filter kunnen diverse problemen gelijktijdig worden opgelost. Een goede analyse van
het probleem is wel noodzakelijk want ook hier geldt in het algemeen dat zonder goede
analyse vooraf men al gauw van de drup in de regen kan geraken.