Issu pq

PDT-instructieboek PQ

PDT-instructieboek PQ

Power Quality Basiscursus

Platform Duurzame Technologie www.duurzame-technologie.nl

PQ Omslag.indd 1

21-10-2014 14:48:29

PDT-instructieboek PQ Dit is een uitgave van het platform Duurzame Technologie (PDT). Het PDT draagt zorg voor het samenbrengen van de mogelijkheden voor scholing van duurzame technieken voor de technische installatiebranche.

De organisaties achter het PDT zijn OTIB, ISSO, Uneto-VNI, TVVL en NL-Ingenieurs.

Basiscursus Power Quality Dit instructieboek hoort bij de basiscursus Power Quality (PQ) en dient als naslagwerk. Het instructieboek wordt tijdens de cursus in dezelfde volgorde behandeld, maar met minder diepgang.

De inhoud van dit instructieboek is verzorgd en samengesteld door de volgende personen: – Ing. J. van Dijk, ISSO – M.C.G.M. Hermans (rapporteur), Martin Hermans Technische dienstverlening en advies – Ir. M. van Lumig (rapporteur), Laborelec – Ir. M. van der Starre (projectcoördinator), ISSO De volgende personen worden bedankt voor hun medewerking en bijdrage: – K. Compaan, KWX bv – Ing. E. Horstman, Uneto-VNI – Ing. P. Lots, Laborelec – Ing. S.J.H.T. van Montfort, Parkstad Inspecties AIB Smits – J. Peeters, Hyteps – E. van Riet, Fluke Nederland bv – J. van Zweden, GTI Dit instructieboek is tot stand gekomen door financiering van OTIB.

‘Duurzame Technologie’ hét platform tot scholing voor de technische installatiebranche.

Meer informatie op www.duurzame-technologie.nl

Ontwerp en opmaak: Strapatz Productie en distributie: Strapatz R&P PQ, eerste druk, febuari 2013 ISBN: 978-90-820389-0-3

Aansprakelijkheid De samenstellers van deze publicatie hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het verzamelen, samenstellen en verwerken van de gegevens in deze uitgave. Nochtans moet de mogelijkheid niet worden uitgesloten dat er toch fouten en onvolledigheden in deze uitgave voorkomen. Ieder gebruik van deze uitgave en gegevens daaruit is geheel voor eigen risico van de gebruiker en het PDT sluit, mede ten behoeve van al degenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van deze uitgave en de daarin opgenomen gegevens.

Auteursrechten Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze publicatie mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar worden gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enig andere manier zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van het bestuur van het platform Duurzame Technologie.

PQ Omslag.indd 2

21-10-2014 14:48:29

PDT-instructieboek PQ

Power Quality Basiscursus

Dit instructieboek is tot stand gekomen door financiering van OTIB

Inhoudsopgave Samenvatting 6 Symbolenlijst 7 Begrippenlijst 9 1

2

3

Basisleer elektriciteit

13

1.1 1.2 1.3 1.4

Algemeen Elektrische energieopwekking Effectieve- of Root Mean Square (RMS) waarde Driefasensysteem 1.4.1 De warmtepomp 1.5 Watt, VAR en VA 1.6 Impedantie - weerstand 1.6.1 Netimpedantie 1.7 Cos φ en power factor 1.8 Laag, - midden,- hoogspanning 1.9 Faseverschuiving 1.10 Harmonischen en Total Harmonic Distortion (THD) 1.10.1 Total Harmonic Distortion 1.10.2 Crest factor

13 13 16 18 20 21 21 22 25 27 27 28 29 30

Waarneembare problemen met als oorzaak slechte Power Quality

31

2.1

31 32 33 33 35 36 37 38 38 39 40 40 41 42 42 43 43 44

Typische waarneembare problemen 2.1.1 Klachten door flicker 2.1.2 Problemen met transformatoren 2.1.3 Problemen met distributie installaties 2.1.4 Problemen met aanloop/bedrijfscondensatoren 2.1.5 Oververhitting van kabels 2.1.6 Problemen met controle apparatuur (PLC’s) voor processen 2.1.7 Hinderlijk trippen van beveiligingen 2.1.8 Abnormale geluidsproductie en opwarming van motoren 2.1.9 Flikkerende beeldschermen in de productiehal 2.1.10 Foutieve werking van motoren of (vermogens)elektronica 2.1.11 Onvoorzien uitvallen van processen 2.1.12 Stukgaan van snelheidsregelaars 2.1.13 Problemen met PEN-geleider 2.1.14 Problemen met communicatiesignalen 2.1.15 Schade aan dure ICT-apparatuur 2.1.16 Problemen door verbrande koppelingen 2.1.17 Spontaan resetten van computers

De verschillende Power Quality fenomenen

47

3.1

47 48 49 49 50 51 52 52 52 52 53 54

3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

3.7 3.8

Wat is een PQ-probleem 3.1.1 Normen en regelgeving 3.1.2 Problemen niet gedekt door wettelijk kader Trage spanningsvariaties Spanningsdips Korte onderbrekingen van de spanning Lange onderbrekingen van de spanning Snelle spanningsfluctuaties 3.6.1 Grootte van de snelle spanningsfluctuaties 3.6.2 Flicker niveau Frequentievariaties Grootte van de spanning

Power Quality Basiscursus

3

3.9 3.10 3.11 3.12

3.13 3.14 3.15 3.16

4

55 55 57 58 59 60 61 62 63 64 64

Analyseren van PQ-problemen

65

4.1

65 65 66 67 68 69 70 70 71 74 74 74 75 76 76 77 78 78

4.2

5

Overspanningen Transiënte overspanningen Onbalans Harmonischen 3.12.1 Grenswaarden voor harmonischen 3.12.2 Even harmonischen 3.12.3 Resonantie door harmonische frequenties Interharmonische spanningen Toonfrequent (TF)-signalen op de netspanning Betrouwbaarheid Verantwoordelijkheden

Link tussen waarnemingen en PQ-fenomenen 4.1.1 Problemen door flicker 4.1.2 Problemen met transformatoren 4.1.3 Problemen met distributieinstallaties 4.1.4 Problemen met aanloop/bedrijfscondensatoren 4.1.5 Oververhitting van kabels 4.1.6 Problemen met controleapparatuur (PLC’s) voor processen 4.1.7 Hinderlijk trippen van beveiligingen 4.1.8 Abnormale geluidsproductie en opwarming van motoren 4.1.9 Flikkerende beeldschermen in de productiehal 4.1.10 Foutieve werking van motoren of (vermogens)elektronica 4.1.11 Onvoorzien uitvallen van processen 4.1.12 Stukgaan van snelheidsregelaars 4.1.13 Problemen met PEN-geleider 4.1.14 Problemen met communicatiesignalen 4.1.15 Problemen met (dure) ICT-apparatuur 4.1.16 Problemen door verbrande koppelingen Omvang van het probleem

Meetmethoden voor de verschillende PQ fenomenen

81

5.1 Inleiding 81 5.2 Een overzicht van de te behandelen metingen en meetmethoden 85 5.2.1 Meting van de netfrequentie 85 5.2.2 Meten van de spanning 87 5.2.3 Stroom, aanloopstroom en verschillende stroomvormen 89 5.2.4 Werkelijk vermogen 93 5.2.5 Blindvermogen 101 5.2.6 Schijnbaar vermogen 102 5.2.7 Arbeidsfactor 102 5.2.8 Faseverschuiving cos φ 102 5.2.9 Spanningsharmonischen en stroomharmonischen 103 5.2.10 Flickermetingen 106 5.2.11 Transiënten, dips en overspanningen 106 5.2.12 Netimpedantie, kortsluitfactor en Crest Factor 107 5.2.13 Asymmetrie en onbalans 108 5.3 Tips voor het aansluiten van PQ-apparatuur 109 5.4 Analysemogelijkheden ingebouwd in diverse instrumenten 109 5.4.1 Trage spanningsvariaties 110 5.4.2 Spanningsdips 110 5.4.3 Flicker 111 5.4.4 Harmonischen 111 5.4.5 Netfrequentie 112 5.4.6 Onbalans 112 5.4.7 Transiënten 112

6

4

Oorzaken van PQ-problemen

113

6.1

113

Algemeen

PDT-instructieboek PQ

6.2

Dips 113 6.2.1 Sluitingen in het laagspanningsnet 114 6.2.2 Sluitingen in het middenspanningsnet 115 6.2.3 Sluitingen in het hoogspanningsnet 115 6.3 Harmonischen 115 6.3.1 Schakelende voedingen 116 6.3.2 Ballasten voor fluorescentieverlichting 117 6.3.3 Snelheidsregelaars 118 6.3.4 Dimmers 119 6.4 Onbalans 120 6.5 Flicker 121 6.6 Tijdelijke overspanningen en transiĂŤnten 123 6.6.1 Overspanning door bliksem 123 6.6.2 Overspanningen door schakelacties 125 6.6.3 Tijdelijke overspanningen 126 6.6.4 Overspanningen door decentrale opwekking 126 6.6.5 Overspanningen door interactie van verschillende systemen 126 6.7 Lange en korte onderbrekingen van de spanning 126 6.8 Frequentievariaties 127 6.9 Langzame spanningsvariaties

127

7

Oplossingen voor PQ-problemen

129

7.1 Algemeen 129 7.2 Dips 129 7.2.1 Aanpassen apparatuur zelf 129 7.2.2 Tussen net en apparatuur, met statische energiereserve 131 7.2.3 Statische energiebronnen 133 7.2.4 Tussen net en apparatuur, met draaiende energiereserve 135 7.2.5 Tussen net en apparatuur, zonder energiereserve 136 7.2.6 Aanpassingen in het net 137 7.3 Harmonischen

138 7.3.1 Aanpassen van de veroorzaker 138 7.3.2 Toepassen van zuigfilters 138 7.3.3 Toepassen van sperfilters 139 7.3.4 Toepassen van spoelen 140 7.3.5 Toepassen van duoschakelingen 140 7.3.6 Veranderen van de homopolaire impedantie 141 7.3.7 Toepassen van Zigzagtransformatoren 142 7.3.8 Toepassen van actieve harmonische compensatie 142 7.4 Onbalans

142 7.4.1 Herschikken van de faseaansluitingen 143 7.4.2 Aanpassen van de belasting of haar werkingscondities 143 7.4.3 Het vergroten van het kortsluitvermogen op het PCC 143 7.4.4 Speciale transformatoren 143 7.4.5 Static VAR Compensators (SVC) 144 7.4.6 Actief harmonisch filter 144 7.5 Flicker

144 7.6 Trage spanningsvariaties

145 7.6.1 Regelbare voedingstransformatoren 145 7.6.2 Regeltransformatoren 145 7.6.3 Nettransformatoren met aftakschakelaar 145 7.6.4 Smarttrafo 145 7.6.5 Verlagen netimpedantie 146 7.6.6 Verbeteren cos φ 146 7.6.7 Voltage stabilizer 146 7.6.8 Decentrale opwekking 146 7.7 Overspanningen en transiÍnten

146 7.7.1 Bliksemstroomafleider 146

Bijlage A

Formules en tekens

Power Quality Basiscursus

150

5

Samenvatting Voordat Power Quality behandeld kan worden, is kennis van de basisbegrippen van de elektriciteitsleer noodzakelijk. Daarom worden deze in hoofdstuk 1 herhaald. Deze kennis moet aanwezig zijn voordat er aan de rest van het instructieboek kan worden begonnen.

In hoofdstuk 2 worden de waarneembare problemen van Power Quality beschreven. De verschillende Power Quality fenomenen lezen we in hoofdstuk 3. Het analyseren en meten van de Power Quality problemen worden respectievelijk in hoofdstuk 4 en 5 weergegeven. De oorzaken worden in hoofdstuk 6 behandeld en de oplossingen krijgen in hoofdstuk 7 aandacht.

Er worden 17 praktijkcases behandeld met waarnemingen of problemen die kunnen ontstaan door een slechte netkwaliteit. Ook wordt in deze cases beschreven hoe men achter de benodigde informatie kan komen die noodzakelijk is om het probleem op te lossen. Na deze casestudies worden de fenomenen die ten grondslag liggen aan de waarnemingen verklaard . Tevens worden de waarnemingen gekoppeld aan de fenomenen, waarna in hoofdstuk 5 de verschillende meetmethodes voor Power Quality problemen behandeld worden. Vervolgens worden de oorzaken van de fenomenen uitgelegd met hun oplossingen.

6

PDT-instructieboek PQ

Symbolenlijst A

oppervlaktedoorsnede van een geleider

[mm2]

C

capaciteit

[F]

Cos φ

arbeidsfactor

[-]

f

frequentie

[Hz]

I

stroom

[A]

Il

lijnstroom

[A]

In

nominale stroom

[A]

J

stroomdichtheid

[A/m2]

L

zelfinductie

[H]

N

aantal

[-]

P

actief of Wattvermogen

[W]

PCu

koperverliezen

[W]

Pn

nominaal vermogen

[W]

Ps

schijnbaar vermogen

[W]

Q

blindvermogen

[W]

R

(gelijkstroom) weerstand

[Ω]

S

schijnbaar vermogen

[W]

t

tijd

[s]

T

temperatuur

[°C]

U

spanning

[V]

Uf

fasespanning

[V]

Ul

lijnspanning

[V]

U0

fasespanning

[V]

UN

nulspanning

[V]

W

energie

[J]

X

reactantie

[Ω]

Z

impedantie

[Ω]

φ

hoek

[rad]

ω

hoeksnelheid

[rad/s]

ρ

weerstandscoefficiënt

[-]

Power Quality Basiscursus

7

8

PDT-instructieboek PQ

Begrippenlijst AC Wisselstroom.

Actief vermogen (P) Vermogen dat omgezet kan worden in arbeid of warmte.

Blindvermogen (Q) Vermogen benodigd voor opbouw elektrische en magnetische velden.

Betrouwbaarheid De mate waarin de aangeslotene kan rekenen op de elektrische energielevering.

Capacitieve belasting Bij toenemende frequentie neemt de impedantie af.

Cos phi (cos φ) Hoek tussen spanning en stroom.

Crest Factor (CF) Verhouding tussen piekwaarde en RSM-waarde.

DC Gelijkstroom.

DPF Displacement Power Factor = cos phi.

DVR Dynamic Voltage Restorer.

EN Europese Norm.

EN 50160 Europese Norm voor Power Quality ‘Spanningskarakteristieken in openbare elektriciteitsnetten’.

Eilandbedrijf Werking van opwekkers en belastingen zonder connectie met het openbare elektriciteitsnet.

Fasespanning Spanning tussen fase en nul.

Faseverschuiving Verschuiving van de spanning en stroom in de tijd, hoekverschil.

Flicker Niveau dat aangeeft hoeveel flikkeringen van een bepaalde amplitude zich voordoen in een bepaald tijdsbestek.

Harmonischen Signaal met een frequentie die een geheel veelvoud is van de grondfrequentie.

IEC International Electrotechnical Commission.

Power Quality Basiscursus

9

Impedantie QuotiĂŤnt van de aangelegde spanning en de resulterende stroom.

Inductieve belasting Bij toenemende frequentie neem de impedantie toe.

Lijnspanning Spanning tussen twee fasen.

NEN Nederlandse Norm.

Ohmse belasting Belasting uitsluitende bestaande uit weerstanden.

Onbalans Verschil in de fasespanningen in een driefasig net.

Overdrachtspunt Zie POC.

Overspanning Spanning groter dan 110% van de nominale spanning.

PCC Point of Common Connection, laatste punt waar vanaf twee of meer aangeslotenen gevoed kunnen worden.

PE Protective Earth, beschermingsgeleider.

PEN Geaarde beschermingsgeleider + nul.

PLC Programmable Logic Controller, apparatuur voor de automatisering van industriĂŤle processen.

POC Point Of Connection, punt waar de verantwoordelijkheid van de netbeheerder ophoudt, voor particulieren de meterkast.

Power Factor Verhouding tussen actief en schijnbaar vermogen.

Power Quality Kwaliteit van de spanning en de stroom.

Reactief vermogen (Q) Zie blindvermogen.

Resonantie Potentie van een systeem om te oscilleren op een bepaalde frequentie.

RMS Root Mean Square, effectieve waarde van de stroom of spanning.

Schijnbaar vermogen (S) Het totale afgeven vermogen, product van effectieve spanning en stroom.

10

PDT-instructieboek PQ

Skin Effect De voorkeur van de stroom om nabij de buitenkant van de geleider te lopen, dit neemt toe bij toenemende frequentie.

Spanningsdip Tijdelijke verlaging van de spanning gedurende korte tijd.

TF Toon Frequent, signalen voor sturen van de straatverlichting of dag- en nachttarieven.

THD Total Harmonic Distortion, harmonische inhoud van de spanning of stroom.

TransiĂŤnte overspanning Spanning groter dan 110% van de nominale spanning van zeer korte duur.

(T)RMS True RMS-waarde.

Verantwoordelijkheid Degene die zorg MOET dragen voor de juiste kwaliteit van de spanning en stroom op het overdrachtspunt.

VSA Conventioneel voorschakelapparaat.

Wattvermogen (P) Zie actief vermogen.

Power Quality Basiscursus

11