4 Elektrische storingen

Transcriptie

1 4 Elektrische storingen 4.1 Elektromagnetische compatibiliteit en Power Quality Elektromagnetische compatibiliteit (EMC) slaat op de mogelijkheid tot het samenleven van toestellen en installaties in een elektromagnetische omgeving. Wederzijdse elektromagnetische beïnvloeding kan ontstaan door straling, bijvoorbeeld GSM-straling die de werking van een radio stoort en geleiding, bijvoorbeeld een blikseminslag die een grote aardstroom veroorzaakt. De kwaliteit van het product elektriciteit wordt omschreven met de (engelse, moeilijk vertaalbare) term Power Quality (PQ). PQ behandelt het gedeelte van EMC dat via de voeding van toestellen verspreid wordt, dus geen beïnvloedingen die zich via geleiding (maar niet via de voeding) of via straling verspreiden. PQ-problemen zijn op te splitsen in spanningskwaliteit en betrouwbaarheid. Elke mogelijke vervorming van de voedingsspanning is een vermindering van de kwaliteit van de spanning. Wanneer de voeding echter volledig wegvalt is er een probleem van betrouwbaarheid. Het product elektriciteit wordt gekenmerkt door frequentie ( 50 Hz), amplitude ( 230 V), symmetrie (faseverschuiving van 120 in een driefasig systeem en golfvorm (sinusoïde). Alle afwijkingen hierop zijn een vermindering van de spanningskwaliteit. 4.2 Soorten storingen Elektrische storingen vinden hun oorsprong in het voedingsnet zelf, in de installatie, maar ook in de omgeving van de verbruiker. Incidentele (wisselvallige) storingen zijn bijvoorbeeld kortstondige en langdurige onderbrekingen, spanningsdalingen, kortstondige overspanningen. Permanente (niet-wisselvallige) storingen (storingen tijdens periodes van bepaalde duur) zijn onder andere harmonischen, spanningsvariaties en een onstabiele spanning. Storing door geleiding (figuur 4.1) plant zich voort door middel van een geleider, bijvoorbeeld een draad, kabels, metalen delen, banen van gedrukte schakelingen,... kortstondige onderbrekingen met een onderbrekingstijd t 20msec, oorzaken hiervan zijn meestal te zoeken bij schakeltoestellen; spanningsdalingen waarbij de amplitudevermindering zo groot is dat er een onderbreking is (20msec t 1min); oorzaken zijn kortsluitingen in het voedingsnet, atmosferische invloeden, beschadiging van een ondergrondse kabel, werking van toestellen op wisselende belasting, het starten van zware toestellen; langduringe onderbrekingen waarbij de amplitude op nul valt (20msec t 300msec); oorzaken zijn slechte verbindingen, slecht contact schakeltoestel; kortstondige overspanningen hebben een incidenteel karakter met invloed op de spanningsamplitude en met een onderbrekingstijd kleiner dan 20 msec; oorzaken zijn bliksem, schakelen van toestellen; spanningsschommelingen met amplitudeverandering kleiner dan 10% van de nominale spanningsamplitude; duurtijd is minder dan een uur; werking van lasposten, boogovens, verlichtingstoestellen met starters kunnen zo n schommeling veroorzaken; spanningsonevenwicht: een niet-symmetrische vervorming met invloed op amplitude, verschillend per fase; oorzaak is de aanwezigheid van zware eenfasige vermogens op een driefasig net; harmonischen waarbij de sinusoïdale vervormd wordt door superpositie van pare en onpare harmonische golven; elektrostatische ontladingen, bijvoorbeeld werkingsproblemen ter hoogte van computerapparatuur vanwege de aanwezigheid van statische elektriciteit. Storing door straling plant zich voort in de omgevende ruimte via een elektromagnetisch veld; een draad, kabel, een baan van een gedrukte schakeling,... gedraagt zich dus als een antenne. 27

2 frequentievariatie flicker overspanning onderbreking onevenwicht schommeling harmonischen elektrische ruis Figuur 4.1: Elektrische storing door geleiding Lokale storingsbronnen zijn lasposten, boogovens, gelijkrichters en wisselrichters, afschakelinrichtingen, bliksem, elektromagnetische impulsen van kernernergie. Zenders, microgolven, GSM s zijn interlokale storingsbronnen. Blikseminslag : duurtijd is kleiner dan 200 µs, maar de amplitude van de bliksemstroom ligt in 50% van de gevallen boven de 30 ka; 5% van de blikseminslagen bereikt zelfs meer dan 80 ka. Gevolgen: beschadiging van de installaties; thermische en elektrodynamische gevolgen: stromen naar aarde via kabels en toestellen; elektromagnetische gevolgen: een krachtig magnetisch veld in de omgeving en geïnduceerde overspanningen; door de poteniaalstijging van de grond ontstaan er potentiaalverschillen tussen aardingen en zijn er overspanningen op elektrische circuits van voeding en transmissie. 4.3 Spanningsdips Een spanningsdip is een verschijnsel dat zich afspeelt in het secondengebied: een kortstondige spanningsdaling (figuur 4.2, links) waarbij de spanning (effectieve waarde) daalt tot minder dan 90 % van de nominale waarde. De grootte van een dip wordt uitgedrukt als het verschil (in %) tussen de nominale spanning en de restspanning. De duur van een dip bedraagt minimaal een halve periode (10 ms) en maximaal één minuut. Wanneer de restspanning minder is dan 1 % spreekt men niet meer van een dip, maar van een korte onderbreking. Langdurige onderbrekingen zijn een probleem met de betrouwbaarheid en dus niet met de spanningskwaliteit. Het optreden van spanningsdips en korte onderbrekingen is heel onvoorspelbaar en bovendien heel verschillend van plaats tot plaats en van tijdstip tot tijdstip. v(t) I t U bron Z kabel U last Figuur 4.2: Spanningsdip Spanningsdips zijn het belangrijkste power quality fenomeen. Ze komen het vaakst voor (enkele 28

3 tientallen tot wel duizend dips per jaar) en hebben belangrijke gevolgen voor de installaties. De meeste dips hebben een duur van minder dan één seconde en een amplitude kleiner dan 60%. Korte onderbrekingen zijn er jaarlijks enkele tientallen tot enkele honderden; ongeveer 70% van deze onderbrekingen duurt minder dan een seconde. Figuur 4.2, rechts geeft een sterk vereenvoudigde voorstelling van het elektriciteitsnet. Wanneer de last een grote stroom I vraagt, zal de spanning U last lager zijn dan de bronspanning: U last = U bron Z kabel I Overmatig grote stromen in combinatie met de netimpedantie geven dus aanleiding tot spanningsdips. Zo n grote stromen worden veroorzaakt door: veranderende belastingen met groot vermogen, bijvoorbeeld startstromen van inductiemachines; deze spanningsdips zijn meestal sterk plaatsgebonden en nooit groter dan 15%; netfouten door kortsluitingen, bijvoorbeeld ten gevolge van graafwerkzaamheden of menselijke handelingen; de beveiliging van het net zal de lijn snel uitschakelen; op een dergelijke spanningsdip volgt dus een korte (of lange) onderbreking. Elektronische schakelingen, bijvoorbeeld PC, PLC, bevatten meestal een systeem om kleine dips (< 20%) zeer kortstondig te overbruggen (bypass condensator). Een dip in het secondengebied veroorzaakt dataverlies, zodat immunisatie van gevoelige toepassingen (bijvoorbeeld bankcomputers) noodzakelijk is. Ook verlichtingstoestellen worden beïnvloed door spanningsdips: gloeilampen flikkeren eventjes, ontladingslampen (bijvoorbeeld TL-lampen) doven bij dips > 50%. De keuze van maatregelen om de gevolgen van spanningsdips te beperken is meestal gebaseerd op een economische afweging van kosten en baten (zich tegen alle vormen van storingen volledig beschermen is heel duur). Het voorkomen van spanningsdips lijkt de beste oplossing, maar is niet voor de hand liggend. Spanningsdips kunnen wel beperkt worden, bijvoorbeeld door de impedantie van een lijn te verlagen (dikkere kabel). Deze aanpassingen zijn echter niet altijd mogelijk, aangezien vaak ook het distributienet aangepast zou moeten worden. Een andere manier om spanningsdips te voorkomen, voorkomt de overmatige stromen. Zeer grote startstromen kunnen beperkt worden door aangepaste startschakelingen (bijvoorbeeld ster-driehoek aanloop) of door niet alle machines tegelijkertijd te starten. Foutstromen kunnen echter niet altijd voorkomen worden. Niet alle spanningsdips kunnen echter vermeden worden. Daarom is het noodzakelijk methodes te voorzien om een installatie toch werkend te houden tijdens en vooral na een spanningsdip. Immunisatie-apparatuur repareert de spanning voordat zij bij de gevoelige installatie komt. UPS (uninteruptable power supply) systemen leveren voortdurend elektriciteit van goede kwaliteit. Zij worden gevoed enerzijds door het net en anderzijds door een energie-opslag, bijvoorbeeld batterijen. 4.4 Uninteruptable Power Supplies Een UPS vormt een energie-backup tussen de elektrische voeding en de belasting. Een UPS voorkomt geen dips, maar beschermt tegen de nadelige gevolgen ervan. Een UPS wordt tussen het elektriciteitsnet en de verbruiker geplaatst. Elk verschil tussen de gewenste spanning (door de verbruiker) en de geleverde spanning (van het net) wordt door de UPS gecompenseerd. De belangrijkste onderdelen zijn een opslagmogelijkheid voor energie, een omvormer om de elektrische energie van het net om te zetten in de energievorm van de opslag en een controle-eenheid (figuur 4.3). Mogelijke vormen van energieopslag zijn: batterijen, vliegwielen, condensatoren, SMES (supergeleidende spoelen), supercapacitors,... Soms wordt een UPS gecombineerd met een noodstroomgenerator. De energie-opslag levert in dit geval de benodigde energie om de generator op te starten. Statische UPS : meestal opgebouwd ut batterijen en vermogenelektronica. Een gelijkrichter zet de netspanning om in gelijkspanning. Deze energie wordt opgeslagen in de batterijen, die 29

4 omvormer controle omvormer net energie-opslag belasting Figuur 4.3: Principe van een UPS bij een tekort in de voeding de nodige energie leveren aan de belasting. Een wisselrichter zet de gelijkspanning weer om in wisselspanning voor de belasting. Bij statische UPS-toestellen kan de vermogenelektronica soms storende harmonischen produceren. Er bestaan statische toestellen voor vermogens van 200 VA tot 800 kva. De overbruggingstijd is afhankelijk van het aantal batterijen en bedraagt standaard zo n 10 minuten. Met enkele seconden overbruggingstijd wordt reeds 95% van de storingen opgevangen. Door de statische UPS te combineren met een noodgenerator, is er geen beperking meer op de autonomie van het systeem. Dynamische UPS : een constant draaiend vliegwiel en een snel opstartende dieselmotor. Een synchrone machine is aangesloten op het net en drijft het vliegwiel aan. Hierin wordt energie onder de vorm van kinetische energie opgeslagen. Bij een tekort in de voeding verloopt de energiestroom omgekeerd: het vliegwiel zal de synchrone machine aandrijven, die dan als generator werkt en zo de nodige elektrische energie levert om het tekort te dekken. Bij langere storingen drijft een snel opstartende dieselmotor het vliegwiel aan. Het vermogen van de dynamische toestellen varieert tussen circa 100 en 2000 kva. Het toestel kan in principe stroom leveren gedurende een onbeperkte tijd, maar in de praktijk is er de beperking van de hoeveelheid dieselbrandstof. Het kortsluitvermogen en de overbelastbaarheid zijn typisch beter dan voor statische UPS. Topologie : de tussenkring met energieopslag kan op verschillende manieren gepositioneerd worden tussen het net en de verbruiker: een off-line UPS: staat in serie tussen het net en de verbruiker, maar dient als reserve; in normale omstandigheden gaat het vermogen niet door de UPS; Net gelijkrichter wisselrichter verbruiker Wanneer de AC input buiten de voorgedefinieerde grenzen gaat, wordt de wisselrichter gebruikt om stroom uit de batterij te halen (single-conversion system). De belasting blijft gebruik maken van de batterij totdat de AC input terug binnen de normale toleranties zit of tot de batterij leeg is. een parallelle UPS met het net en de verbruiker; de UPS levert het vermogen wanneer het net tekort schiet; de UPS moet niet voortdurend het volle verbruikersvermogen leveren. Net verbruiker wisselrichter 30

5 een on-line UPS: staat in serie tussen het net en de verbruiker; het totale vermogen voor de verbruiker loopt steeds door de UPS (om onderhoud mogelijk te maken is een rechtstreekse verbinding tussen net en verbruiker beschikbaar); Net gelijkrichter wisselrichter verbruiker Omdat het vermogen tweemaal geconverteerd wordt, spreekt men ook van een double-conversion system: eerst een gelijkrichten van de aangeboden AC uit het net en dan het wisselrichten naar de verbruiker. Hiermee wordt het verbruik geïsoleerd van het ruw aangeboden vermogen; de verbruiker (bijvoorbeeld IT apparatuur) ontvangt propere betrouwbare elektriciteit. Wanneer de AC input buiten voorgedefinieerde grenzen gaat, wordt de gelijkrichter afgesloten en de wisselrichter begint vermogen af te nemen van de batterij. Dit duurt totdat de AC input terug binnen de normale toleranties zit of tot de batterij leeg is. In geval van een hoge overbelasting van de wisselrichter of een falen van de gelijkrichter of de wisselrichter, kan de rechtstreekse verbinding geactiveerd worden. Een multi-mode system combineert de betere elementen van single-conversion en double-conversion systemen wat een verbetering geeft op het vlak van efficiëntie en betrouwbaarheid: in normale omstandigheden werkt de UPS in off-line mode, waardoor energie en geld gespaard wordt; wanneer het vermogen uit de AC bron buiten de toleranties zit, schakelt het systeem automatisch over naar de on-line mode (double conversion) zodat de IT apparatuur volledig afgeschermd wordt van de AC bron; wanneer de AC bron uitvalt, schakelt de UPS over op de batterij om de IT apparatuur draaiende te houden; wanneer het vermogen uit de AC bron terug binnen de toleranties zit, wordt terug overgeschakeld naar de off-line mode. onderhoudsbypass Net AC bron normale mode 1 normale mode 2 laadstroom batterij gestockeerde energie stroom statische schakelaar gelijkrichter wisselrichter verbruiker ITE Elementen bij de keuze van een gepaste UPS: 1. Topologie: single-conversion systemen zijn efficiënter maar geven minder bescherming. Double-conversion systemen bieden de hoogste niveaus van bescherming en zijn daarom de standaard keuze voor het beschermen van kritische systemen. Multi-mode systemen zijn het duurst maar geven eeen optimale mix op het vlak van efficiëntie en bescherming. 2. Eénfasig of driefasig. Een eenfasige UPS is een gepaste (economische) oplossing voor kleine, eenvoudige toepassingen met lage kva behoeftes (kleiner dan 20 kva), bijvoorbeeld in 31

6 kleine ondernemingen. Driefasige UPSs zijn de voorkeurkeuze voor toepassingen met hoge kva, ook omwille van de grotere gecompliceerdheid en de hogere rekenintensiteiten. 3. Capaciteit: de hoeveelheid van last (in volt-ampère, VA) dat kan ondersteund worden, gaande van 300 VA tot 5000 kva en meer. Basisprocedure om deze capaciteit benaderend te berekenen: maak een lijst van alle toestellen die door de UPS beschermd worden; bepaal het aantal volt en ampère dat elk toestel trekt; maak per toestel het product van aantal volt en ampère; sommeer deze VA getallen; vermenigvuldig deze som met 1.2 (wat ruimte voor groei). 4. Vormfactor: rack gemonteerd of vrijstaand. 5. Beschikbaarheid door UPSs in redundante groepen te voorzien. Mogelijke architecturen (figuur 4.4): zone: één of meerdere UPSs bieden bescherming voor een specifieke verzameling van toestellen, serieel: meerdere UPSs zijn met elkaar verbonden op een manier dat wanneer één UPS in de keten faalt, de anderen automatisch kunnen compenseren, parallel: bij meerdere onafhankelijk parallel-geconnecteerde UPSs zullen, wanneer een UPS faalt, de andere UPSs de (IT) toestellen operationeel houden. 6. Hot-swappable componenten: onderhoud op een UPS kan gebeuren zonder deze uit te schakelen waardoor de (IT) toestellen minder risico lopen op downtijd. 7. Uitbreiden van de batterij looptijd: zodat deze groter wordt dan de klassieke 15 minuten door supplementaire externe batterij modules te voorzien. 8. Batterijbeheer: de juiste techniek om een batterij te laden kan de levensduur van een batterij gevoelig verhogen. 9. Remote monitoring door te kijken naar waarschuwingssignalen voor toekomstige problemen, bijvoorbeeld afnemende performantie of oververhitte batterijen. Bij een faling geeft een UPS een paar minuten om de systemen elegant te stoppen. Maar tegenwoordig kunnen heel wat ondernemingen zich niet veroorloven om gedurende enkele uren zonder operationele IT systemen te zitten. Daarom is een generator een essentieel onderdeel in de architectuur voor bescherming van vermogen toevoer. Afhankelijk van de hoeveelheid beschikbare brandstof kan zo n generator de IT systemen operationeel houden, gaande van 10 minuten tot zeven dagen of meer. De capaciteit van zo n generator kan best 1.25 tot 3 keer de UPS capaciteit zijn. 32

7 Zonebescherming gebruikt afzonderlijke afgeschermde zones en kan virtualisatie gebruiken om belastingen te verschuiven naar andere zones bij faling of onderhoud. Serieel: bij falen van de UPS die de belasting voedt, wijzigt het vermogenpad. Parallelle UPS systemen voeden allen de uitvoer bus. Een enkele UPS module kan geïsoleerd worden bij falen of voor onderhoud. Figuur 4.4: UPS architecturen: redundantie 33

8 Veiligheidscurves: BB3 : 12 V, ondergedompeld; BB2 : 25 V, vochtig; BB1 : 50 V, droog. Voorbeeld: bij een contactspanning van 100 V is in een droge omgeving de beschikbare tijd om uit te schakelen 0.3 sec voor er werkelijk gevaar optreedt. 34