Het dimensioneren van een industriële elektrische laagspanningsinstallatie is een heel moeilijke opdracht, waarbij steeds moet voldaan zijn aan

Transcriptie

1 Inleiding Situering Het dimensioneren van een industriële elektrische laagspanningsinstallatie is een heel moeilijke opdracht, waarbij steeds moet voldaan zijn aan de regelgeving die van toepassing is. De Belgische wetgeving omtrent elektrische installaties (AREI) laat ontwerpers, studiebureaus, keuringsorganismen... vaak toe een eigen interpretatie te geven aan de toepassing van een artikel. Er wordt namelijk vaak verwezen naar regels van goed vakmanschap. Bovendien worden een aantal berekeningen voor kabels en de bijhorende beveiligingen niet of nauwelijks aangegeven in het AREI. Gevolg hiervan is dat een installatie die door de ene als veilig beschouwd wordt, voor de andere niet veilig genoeg is. De bepalingen uit het AREI worden in dit werk op een duidelijke manier geïnterpreteerd en zijn bijgevolg onmiddellijk toepasbaar. Er wordt een algemeen overzicht gegeven van hoe een elektrische installatie moet opgebouwd worden overeenkomstig de huidige wetgeving, uitgebreid met de bepalingen die niet expliciet in het AREI zijn opgenomen.

2 2 Hoofdstuk 0. Inleiding In de praktijk is het zo dat bij het uitvoeren van industriële installaties met grote stroomwaarden vaak meerdere kabels parallel geplaatst worden. Deze, soms vele parallelle kabels kunnen aanleiding geven tot grote onderlinge stroomverschillen. Uit industriële praktische metingen is gebleken dat dit zelfs kan oplopen tot een factor 10. Er dringt zich duidelijk een grondige studie op in het geval van installaties met een groot aantal toelaatbare parallelle kabels, zeker in het geval van korte kabellengtes. Harmonische stromen, ten gevolge van het volledig geïntegreerd gebruik van niet-lineaire verbruikers zoals in hedendaagse verlichtingssystemen, aandrijfsystemen en andere toepassingen zorgen voor hogere kabelbelasting en/of verhoogde nulgeleiderstromen ten gevolge van derde orde harmonischen. Dit kan zich uiten in thermische overbelasting van de kabels. Deze verhoogde stromen geven ook aanleiding tot verhoogde kabelverliezen, wat dan op zijn beurt een energetisch economische impact heeft. Doelstellingen De belangrijkste doelstelling van dit boek is het opstellen van een duidelijk overzicht van de bepalingen waaraan een elektrische installatie moet voldoen. Het eindresultaat is een samenvatting van alle bestaande technieken die gebruikt worden voor het dimensioneren, aangevuld met nieuwe richtlijnen die rekening houden met de hedendaagse technologieën. Niet alleen de industriële, maar ook de residentiële sector heeft meer en meer met de problematiek van harmonische stromen te maken. De gevolgen uiten zich voornamelijk in overbelastingen, overspanningen met mogelijks brand tot gevolg. Een onbetrouwbare werking van beveiligingsautomaten werd ook vastgesteld, zeker in het geval waar de vermogensschakelaars elektronisch geactiveerd worden. Bijgevolg wordt in dit werk ook de nodige aandacht besteed aan de gevolgen van het nietlineair gedrag door de hedendaagse stroomprofielen in rekening te brengen bij de berekening en dimensionering van een industriële installatie. Wereldwijd bedragen de netwerkverliezen jaarlijks 1279TWh. Deze verliezen verschillen sterk van land tot land. Enkel de cijfers voor West- Europa en Noord-Amerika worden weergegeven (Tabel 1) en bedragen ±7,2% van het totale energieverbruik.

3 3 Tabel 1: Schatting van de netwerkverliezen Land Verbuik [TWh] Verliezen [TWh] Verliezen [%] West-Europa ,3 Noord-Amerika ,1 Totaal ,2 Van het totaal netwerkverlies situeert zich ±75% in de distributie van energie (Tabel 2), wat de verliezen op transmissie op ±1,8% van het getransporteerd vermogen brengt. Het grootste verliesreductiepotentieel is dus te vinden in het distributienet, zowel op midden- als op laagspanning. Naarmate het spanningsniveau daalt, dus zeker in geval van laagspanning, zijn de distributieverliezen niet langer te verwaarlozen. Tabel 2: Verdeling van de netwerkverliezen [in %] in transformatoren en voedingslijnen Land Transformatoren Lijnen en kabels Transmissie Distributie Transmissie Distributie Andere Amerika 3,1 26,3 21,4 44,2 5,0 Australië 2,0 40,0 20,0 38,0 V.K. 9,0 28,0 18,0 44,0 1,0 Onderzoek 10,0 35,0 15,0 35,0 5,0 Gemiddeld 6,0 30,6 19,0 41,6 2,8 Het gemiddeld verlies op distributieniveau wordt geschat op 3,2% van het getransporteerd vermogen. In industriële installaties wordt deze verliesfactor nog hoger geschat, veelal om reden van het minimaal dimensioneren van de voedingskabels. De cijfers uit Tabel 2 zijn eerder een voorzichtige schatting, gebaseerd op meerdere case studies. De werkelijkheid geeft wel aanleiding tot hogere verliezen. De redenen hiervoor zijn: schattingen zijn gemaakt op de bestaande situatie, zonder rekening te houden met de groei naar energie en netwerkuitbreiding; bijkomende verliezen ten gevolge van harmonische belastingen zijn niet opgenomen; bijkomende verliezen door niet optimale dpf zijn evenmin in rekening gebracht; de veronderstelling dat in de vrije energiemarkt de efficiëntieniveaus

4 4 Hoofdstuk 0. Inleiding behouden worden, veeleer dan investeren in reductie van energieverliezen; een sterke tendens naar lage eerstelijnskost manifesteert zich nu reeds. Zoals hoger vermeld, is bij de energetische studie van de netwerkverliezen, geen melding gemaakt van de verliezen veroorzaakt door harmonische stromen. Wat betreft de laagspanningsnetten geeft dit aanleiding tot een onderschatting van de werkelijke verliezen, met mogelijke overbelasting van de kabel tot gevolg. Specifiek in het geval van installaties met nulleider zijn derde-orde harmonische stromen een bijkomende oorzaak van overbelasting. Ten gevolge van de harmonische vervorming ontstaat een weerstandstijging door frequentieverhoging, zodat de kabelverliezen toenemen, wat een verdere temperatuurstijging in de kabel veroorzaakt. Door de positieve temperatuurscoëfficiënt van zowel koper en aluminium (beiden 0,004/K) wordt dit effect nog versterkt. De overbelasting ten gevolge van harmonische stromen geeft niet alleen aanleiding tot verhoogde opwarming in de kabels, maar ook in de voedingstransformatoren. Dit vormt dan de laatste doelstelling van dit werk, namelijk de benadrukking van de vermogensverliezen en spanningsvallen die kunnen ontstaan in elektrische installaties. Overzicht Het boek vertrekt van een inleidend hoofdstuk waarin de elektrotechnische basisbegrippen en grootheden terug aangehaald worden, dit om de situering verder in het werk, zeker voor wat de theoretische benaderingen betreft, beter te kunnen toelichten. Op die manier wordt ook vermeden dat een basisnaslagwerk elektrotechniek moet geraadpleegd worden om de verder gebruikte theoretische benaderingen beter te doorgronden. In de Europese regelgeving van Hoofdstuk 2 Regelgeving worden de specifieke richtlijnen en artikels binnen het AREI toegelicht en afgetoetst aan een aantal buitenlandse regelgevingen. Dit laat toe een breder zicht te krijgen op de verschillen in regelgeving binnen de Europese Unie. Uiteraard staat veiligheid van individu en omgeving op de eerste plaats, en wordt uitgaande van de drie veiligheidsrichtlijnen bestudeerd. Na de studie van de opgelegde beschermingsmaatregelen (A, B, C, en IP-klasses) sluit het tweede hoofdstuk af met de belangrijkste regelgeving in het

5 5 domein van de netkwaliteit, zowel vanuit comptabiliteitsstandpunt als van netnormering. In Hoofdstuk 3 Energieverdeling wordt, vertrekkende van de opwekking van de energie met klassieke en hernieuwbare energiebronnen de situering van de hedendaagse Belgische energiemarkt in kaart gebracht. Hierbij worden de verschillende actoren, samen met hun verantwoordelijkheden gespecificeerd. In een kort overzicht wordt de structuur van zowel het transport als de distributie van elektriciteit op het net in kaart gebracht. Tot slot wordt de vrijgemaakte energiemarkt verduidelijkt. Dit moet toelaten een beter beeld te vormen van enerzijds de verantwoordelijkheden van de energielevering in zowel de techniciteit als de kwaliteit van de geleverde energie. Gezien elke installatie principieel start met een elektriciteitsaansluiting vanaf het middenspanningsnet wordt in Hoofdstuk 4 Aansluiting middenspanningsnet na de keuze van het voedingssysteem de middenspanningscabine bestudeerd. Hierbij worden niet alleen de exploitatie en aansluitmodaliteiten besproken, maar worden eveneens alle elementen uit het netwerk nader toegelicht. Dit moet toelaten een bedrijfszekere middenspanningsinstallatie op te bouwen. Uiteraard wordt er extra aandacht besteed aan de implementatie van hernieuwbare energiebronnen in het net. Het hoofdstuk sluit af met de vitale 8, die de veiligheid van schakelen extra benadrukt. In deze derde druk is extra aandacht besteed aan dit hoofdstuk gezien de nieuwe normering Synergrid C2/112 sinds medio 2015 in voege is getreden. Elektrische veiligheid kan slechts gegarandeerd worden indien de aanraakspanning minimaal is. Om hieraan te voldoen dient het materiaal niet alleen geïsoleerd te zijn, maar moet ook de potentiaal ten opzichte van de aarde voldoende laag gehouden worden. In Hoofdstuk 5 Aarding wordt niet alleen het onderscheid tussen massa en aarde verduidelijkt, maar worden eveneens de verschillende aardingssystemen toegelicht. In aanvulling tot de vorige druk wordt hier aandacht besteed aan het meten van de effectieve aardweerstand. Ten slotte wordt de complete aardingsinstallatie geanalyseerd en besproken. Met de kennis van het aardingssysteem, de uitbating van de middenspanningscabine en de richtlijnen vanuit het AREI kunnen de verschillende netstelsels opgebouwd worden. Hoofdstuk 6 Netstelsels geeft niet alleen de bespreking van de klassieke netstelsels weer, maar ook de specifieke

6 6 Hoofdstuk 0. Inleiding netten zoals IU en IN. Naast de uitvoering van de klassieke netten wordt eveneens aandacht besteed aan zowel de enkelvoudige als de dubbele fouten in deze netten. Hoofdstuk 7 Leidingen vormt een heel belangrijk hoofdstuk bij het ontwerpen van de elektrische installatie, gezien hier de distributie van de energie over de installatie besproken wordt. Het is van cruciaal belang de juiste geleiders en kabels te kiezen in functie van zowel de toepassing, de benutting en de gelijktijdigheid als de plaatsing van de kabel. Eveneens wordt het gevaar van het overmatig parallel schakelen van kabels nader toegelicht. Om dit hoofdstuk te vervolledigen worden eveneens de barenstelsels in verdeelkasten bestudeerd. Dit hoofdstuk wordt eveneens doorweven met industriële cases van overmatige kabelopwarming en afgerond met enkele economische beschouwingen omtrent de geschikte kabelkeuzes. Het Hoofdstuk 8 Beveiligingen evalueert de veilige uitbating van het net naar zowel de thermische als de elektrodynamische als persoonsbeveiligingssystemen van het net. Vertrekkende van de bespreking van de verschillende beveiligingscomponenten wordt er eveneens dieper ingegaan op het kortsluitvermogen van beveiligingstoestellen. Begrippen als coördinatie (ook associatie of filiatie genoemd), back-up beveiliging en selectiviteit worden nader toegelicht. Specifieke aspecten met betrekking tot plaatsing van beveiligingstoestellen en hun uitzonderingen komen hierin aan bod. Tot slot wordt het gedrag van beveiligingen onder niet-lineaire belastingen nader toegelicht. Om een veilige uitbating van het net te kunnen garanderen, wordt in Hoofdstuk 9 Persoonsbeveiliging heel specifiek dieper ingegaan op de persoonsbeveiliging. Niet alleen het elektrocutiegevaar wordt nader besproken, maar eveneens de impact van de netconfiguraties op het elektrocutiegevaar wordt toegelicht. Mogelijke beschermingsmaatregelen worden geëvalueerd en nader besproken. Met de kennis van de netstelsels en de stroombelasting door de kabels wordt het mogelijk een grondige studie door te voeren van de spanningsvallen die kunnen ontstaan in installaties. Hierbij wordt niet alleen rekening gehouden met de spanningsvallen ten gevolge van de stromen door de kabels, maar ook met de grootte van de reactieve belasting. Heel specifiek wordt de spanningsval in transformatoren en ten gevolge van de aanzetstromen van motoren verder uitgewerkt. Hoofdstuk 10 Span-

7 7 ningsval besteedt ook aandacht aan de harmonische spanningsvallen in kabels, waarbij heel in het bijzonder de spanningsval over de nulgeleider wordt toegelicht. Met de kennis van de kabels, de netten en de beveiligingstoestellen wordt in het Hoofdstuk 11 Kortsluitstromen dieper ingegaan op het mechanisme van de kortsluitstromen. De theoretische benadering van zowel de eenfasige, tweefasige als driefasige kortsluitstroombepaling wordt nader toegelicht. Heel in het bijzonder wordt er aandacht besteed aan de minimale en maximale kortsluitstroombepaling. Dit hoofdstuk is volledig herwerkt conform de kortsluitstroomberekening volgens IEC normering en aangevuld met benaderende berekeningsmethodes. De problematiek van de nulgeleiderstroom wordt in Hoofdstuk 12 Nulgeleider besproken. Enerzijds bestaat de mogelijkheid dat we in een installatie te maken hebben met onevenwicht en asymmetrie, die aanleiding geven tot verhoogde nulgeleiderstromen. Anderzijds worden deze verhoogde nulgeleiderstromen eveneens veroorzaakt door derde orde harmonischen en eventueel ook andere orden van harmonsichen in geval van niet-lineaire verbruikers die niet identiek zijn aan elkaar. Het hoofdstuk beschrijft de basisproblematiek en spitst zich dan specifiek toe op harmonische nulgeleiderstromen. In Hoofdstuk 13 Praktische handleiding wordt de voorgestelde theorie van de vorige hoofdstukken vertaald naar een stappenplan om een industriële installatie te ontwerpen. Deze studie omvat de precieze bepaling van alle leidingen en hun overeenkomstige beveiligingen, vanaf de kop van de installatie tot aan de eindverbruiker. Gezien elk geheel van leiding en haar beveiliging tegelijkertijd aan meerdere voorwaarden moet beantwoorden, wordt het ontwerp stap voor stap uitgewerkt, op basis van een TN-net. Er wordt in het bijzonder een accent gelegd op de harmonische overbelasting van de nulgeleider, de coördinatieproblematiek en de selectiviteit. Het hoofdstuk sluit af met een uitgewerkt voorbeeld. Vanaf Hoofdstuk 14 Verlichting worden de problematieken, die niet rechtstreeks met het basisontwerp te maken hebben behandeld. Dit hoofdstuk start met de basisprincipes van de verlichtingstechnologie. Uitgaande van de fotometrische grootheden worden verlichtingsberekeningen doorgevoerd vanuit zowel verlichtingstechnisch als energetisch standpunt. Als belangrijke aanvulling wordt de noodverlichting bestudeerd overeenkomstig de nieuwe regelgeving.

8 8 Hoofdstuk 0. Inleiding In Hoofdstuk 15 Bliksem- en overspanningsbeveiliging wordt de basisstudie van de bliksem- en overspanningsbeveiliging doorgevoerd. Startend bij het fysisch fenomeen van de bliksem worden de inkoppelmechanismen bestudeerd. Hieruit wordt het bliksembeveiligingszoneconcept afgeleid. Dit moet dan toelaten de geschikte beveiligingen te kiezen in functie van de gewenste veiligheidsniveaus. Het hoofdstuk sluit af met de evaluatie van bliksembeveiliging op PV-installaties. Meer en meer hebben we te maken met netstoringen of fenomenen die de kwaliteit van de voedingsspanning beïnvloeden. In Hoofdstuk 16 Power quality worden de basisprincipes van een optimale netkwaliteit toegelicht, zonder hierbij diep in te gaan op alle verschillende fenomenen. Het hoofdstuk richt zich vooral op de harmonische vervorming, omdat deze de grootste invloed heeft op de dimensionering en de verliezen binnen de elektrische installatie. In aanvulling tot de vorige editie is hier ook extra aandacht besteed aan de oorzaken en de gevolgen van verminderde netkwaliteit. Een nieuw Hoofdstuk 17 Compensatie van reactief vermogen en passief filteren is toegevoegd waar expliciet aandacht besteed wordt aan reactief compensatie vanuit het standpunt van extra verliezen en verhoogde spanningsvallen in industriële installaties. Aan de hand van enkele specifieke voorbeelden worden de belangrijkste knelpunten geaccentueerd. Het hoofdstuk sluit af met een evaluatie van de verschillende compensatiemethodes, afregeling en beveiliging. Onmiddellijk hieraan gekoppeld zijn de mogelijke gevaren voor resonantie ten gevolge van het plaatsen van condensatorbatterijen, wat zich dan uit in een studie van passieve filtersystemen. Op vandaag zijn heel wat elektrisch gevoede toepassingen uiterst gevoelig voor spanningsstoringen. Meer bepaald korte spanningsonderbrekingen kunnen aanleiding geven tot onzekere werking of ongewild uitschakelen van elektrische apparatuur. In Hoofdstuk 18 Actieve filtering en UPS-systemen (Uninterruptable Power Supply) worden de specifieke mogelijkheden van UPS systemen in kaart gebracht. Naast de verschillende types wordt eveneens de nodige aandacht geschonken aan de werking en de batterijkeuze. Uiteraard wordt in dit hoofdstuk ook de nodige aandacht besteed aan het toepassen van actieve filtersystemen om de harmonische vervorming en daarbij horende verliezen in de installatie te beperken tot een minimum. Tot slot worden actieve filters afgewogen ten opzichte van de passieve filters.

9 9 Gezien de hoge penetratie van vermogenselektronica in zowel huishoudelijke als industriële installaties zijn de hoogfrequente storingen een niet meer te verwaarlozen fenomeen. Naast de schakelharmonischen onstaan ook nog hoogfrequente storingen ten gevolge van het snel schakelen van de vermogenelektronische componenten. Dit geeft aanleiding tot stoorsignalen die zich sluiten via de common mode en differential mode paden. Het Hoofdstuk 19 EMC in de installatietechniek is een zeer belangrijke aanvulling op het ontwerpen van een storingsvrije industriële installatie. Afsluitend zijn er vier bijlagen. Bijlage A geeft de toelaatbare stroomwaarden en vergelijkt de IEC-normering met de NFC Analoog geeft Bijlage B het overzicht van de stroombelasting van railstellen. Om een beter inzicht te hebben van bestaande kabels wordt in Bijlage C een overzicht gegeven van de meest gebruikte kabels volgens verschillende normeringen. Tot slot worden in Bijlage D kleine (residentiële) elektrische installaties besproken. Schematisch kan het boek als volgt worden voorgesteld: HoofdstukO1: ElektrischeOgrootheden HoofdstukO2: Regelgeving HoofdstukO3: Energieverdeling HoofdstukO4: Aansluiting middenspanningsnet HoofdstukO5: Aarding HoofdstukO6: Netstelsels Tijdsignalen SpanningyOstroom ElektrischOvermogen SitueringOvanOgeldendeO reglementeringenomet betrekkingototoelektrischeo installatiesobinnenoeuropa OpwekkingyOtransportyOdistributie vanoelektrischeoenergie GeliberaliseerdeOenergiemarktO RolOvanOdeOmarktspelers AansluitmodaliteitenOenOexploitatie vanomiddenspanningscabineoen veiligoschakelen DeOvitaleO8 AardingyOaardingssystemeny aardingsinstallatiesoeno equipotentiaalverbindingen Aardingsmetingen StudieOvanOdeOklassiekeOnetten BijzondereOnetten DubbeleOfouten

10 10 Hoofdstuk 0. Inleiding HoofdstukVLUE Spanningsval HoofdstukVLLE Kortsluitstromen HoofdstukVLFE Nulgeleider HoofdstukVLRE PraktischeVhandleiding HoofdstukVLIE Verlichting HoofdstukVLDE BliksemOVenV overspanningsbeveiliging HoofdstukVL8E PowerVquality HoofdstukVL9E CompensatieVvanVreactiefV vermogenvenvpassiefvfilteren SoortenVkortsluitstromen MinimaleVkortsluitstroombepaling MaximaleVkortsluitstroombepaling OnbalansVenVasymmetrie NietOlineairVverbruik ProblematiekVvanVderdeVordeV harmonischen StappenplanVvoorVhetVontwerpVvanV eenvindustriëlevinstallatieë SpecifiekeVprobleemstelling UitgewerkteVcase Lichttechnologie FotometrischeVgrootheden Lichtbronnen Verlichtingsberekeningen StudieVvanVhetVfenomeenVbliksem Bliksembeveiligingsconcept Overspanningsbeveiligingen BeveiligingVvanVPVVinstallaties Basisbegrippen HarmonischeVvervormingVenVRMS HarmonischeVvermogens InvloedVopVinstallatieOonderdelen Situering CompensatieVvanVreactiefVvermogen Dimensionering Compensatiemethodes SpanningsvallenVinVkabels InwendigeVspanningsvalVinVtransfo HarmonischeVspanningsvallen HoofdstukV9E Leidingen HoofdstukVTE Beveiligingen HoofdstukVöE Beveiligingen StroombelastbaarheidVvanVkabels CorrectiefactorenVinVplaatsing CorrectiefactorenVinVgebruik ThermischeVeffecten KortsluitOVenVoverstroombeveiliging Differentieelbeveiliging CoördinatieVenVBackOup Selectiviteit ElectrocutiegevaarVenVmechanisme Beschermingsmiddelen Stroomgrenzen BBVklasses

11 11 HoofdstukA18: ActieveAfilteringAenAUPS HarmonischeAfilters SoortenAenAwerkingAUPSRen HoofdstukA19: EMCAinAelektrischeA installaties EMC'richtlijn EM'spectrum ParasitairAgedrag Oplossingen BijlageAA: ToelaatbareA stroomwaardena kabels BijlageAB: ToelaatbareA stroomwaarden rails BijlageAC: Kabeltypes BijlageAD: Residentiële installaties