Power Quality: een uitdaging!

Transcriptie

1 Power Quality: een uitdaging! 12 december 2007 Isabelle Vervenne

2 Overzicht Definitie en beschrijving van het fenomeen Meten van flicker Bronnen van spanningsvariatie en flicker Propagatie van flicker Oplossingen

3 Spanningsvariaties Opwekking Net Belastingen Spanningsvariaties veroorzaakt door: Belastingen: aan- en afschakelen Generatoren: evenwicht behouden Elektrisch net: schakelmanoeuvres, fouten

4 Spanningsvariaties I R,X V1 V 2 (R jx)i V 1 V 2 P Q V1 cos V 2 V1 V2 RIcos RIcos XIsin XIsin V 1 V 1 V 2 V 2 RV Icos 2 V 2 2 XV Isin 2 I V 2 RI XI V V RP V 2 XQ XQ 2 V Q S sc

5 Spanningsvariaties Trage spanningsvariaties Wijziging in totale belasting van het net Tijdsorde: minuten Maatregel: taptransformator (HS/MS) Snelle spanningsvariaties Aan- of afschakelen van een grote belasting Tijdsorde: seconden

6 Spanningsvariaties Geïsoleerde plotse spanningsvariaties Oorzaken: starten van motoren met groot vermogen, fouten in publieke netwerken, gewijzigde netwerktopologie Repetitieve plotse spanningsvariaties Oorzaken: lasapparaten, vlamboogovens, Amplitude: 6 tot 8% van U n

7 Spanningsvariaties Hebben GEEN invloed op de werking!

8 Flicker Repetitieve spanningsvariaties veroorzaken het flicker fenomeen in verlichtingsapparatuur. Zeer kleine variaties in de spanning zijn reeds voldoende om variaties in lichtsterkte voort te brengen die irriterend zijn voor het menselijk oog.

9 Flicker Oorzaak: spanningsvariaties Amplitude: binnen 10% van U n, dus klein Repetitief

10 Flicker Gevolg: schommelingen in lichtsterkte => irriterend voor het menselijk oog (vooral bij 800 tot 1200 wijzigingen per min., 7-10Hz)

11 Flicker Afhankelijk van: Amplitude van de variaties Sequentie van de repetitieve spanningsvariaties of frequentiespectra Duur van de storing Gevolgen: Zeer vervelend bij het lezen en TV-kijken In hoge doses: probleem voor epileptici

12 Flicker Gevoeligheid van de mens voor variaties in lichtintensiteit veroorzaakt door een gloeilamp is afhankelijk van de frequentie Maximale spectrale responsie: tussen 8 en 10 Hz bij 0,3% spanningsvariatie Bovengrens frequentie: 35 Hz

13 Flicker Variatie in lichtsterkte veroorzaakt door spanningsvariaties is afhankelijk van: Type en vermogen van de lamp Nominale spanning Beneden drempelwaarde is flicker niet zichtbaar Bij periodieke golfvorm: drempelwaarde is afhankelijk van de frequentie van de fluctuatie

14 Flicker theorie Gebaseerd op de 60W gloeilamp Verplicht in standaardisatieproces Waarom 60W? Hogere vermogens hebben dikkere filamenten, dus grotere thermische traagheid, dus minder flicker voor eenzelfde hoeveelheid spanningsvariaties

15 I nvloed van de lam p Eigenschap van gloeilampen:

16 I nvloed van de lam p Relatieve veranderingen in lichtniveau (RI) van de geteste lamp worden gemeten gedurende spanningsvariaties met fotometer GF = % RI / % V met GF: versterkingsfactor RI: RI max RI min V: VRMS max VRMS min

17 I nvloed van de lam p

18 I nvloed van de lam p Gloeilamp 230V Tijdsconstante: 19 ms Gloeilamp 120V Dikker filament dan 230V lamp, dus grotere thermische traagheid Tijdsconstante: 28 ms Fluorescentielampen Zeer kleine thermische traagheid Tijdsconstante = 5ms

19 I nvloed van de lam p Hoe hoger de staaf, hoe hoger het flickerniveau Versterkingsfactoren van een aantal geteste CFL-lampen bij 8Hz

20 I nvloed van de lam p Zonder dimmer Invloed van een dimmer op de versterkingsfactor bij een 60W gloeilamp

21 W aarnem ing van licht Hoe kunnen we flicker meten? Model van lamp-oog-brein systeem nodig Relatie tussen amplitude en frequentie op grens van waarneembaarheid? Flicker sensatie bij onregelmatig lichtsterktevariaties? Tijdsconstante van menselijk brein? Model van oog-brein gedrag geschikt voor elke lichtsterktevariatie?

22 W aarnem ing van licht Simons karakteristiek Flicker fusion threshold : frequentie waarbij een bepaalde V/V te snel varieert om nog flicker sensatie te veroorzaken Simulatie m.b.v. gewogen filter over een zeker frequentiegebied

23 W aarnem ing van licht De Lange karakteristiek Gedrag van de fovea: kritische flickerfrequentie bij verschillende rimpelverhoudingen Boven- en ondergrens voor frequentie bij hoge verlichtingsniveaus Simulatie door laagdoorlaatfilter

24 W aarnem ing van licht Rashbass karakteristiek Grens waarneembaarheid voor lichtvariaties van variabele duur t.o.v. positieve flash van 2ms Geen significant verschil tussen negatieve en positieve flashes Simulatie door 1 e orde LPF met tijdsconstante 150 tot 250 ms

25 W aarnem ing van licht

26 W aarnem ing van licht Menselijk oog onderscheidt variaties in lichtsterkte met een frequentie < 35 Hz Gevoeligheid hangt af van de duur van de veranderingen (korte flashes => veel flicker) Flicker is dominanter aanwezig in het lateraal zicht dan in het foveaal zicht Flickerintensiteit hangt af van persoon, hoeveelheid licht, activiteit, verlicht oppervlak en kleur van de lichtbron

27 Overzicht Definitie en beschrijving van het fenomeen Meten van flicker Bronnen van spanningsvariatie en flicker Propagatie van flicker Oplossingen

28 Meten van flicker IEC 61000: Electromagnetic Compatibility IEC : 16A IEC : 16A < I 75A IEC : bouw en gebruik van de flickermeter

29 Meten van flicker Flicker genereert enkel problemen in verlichtingstoestellen aangesloten op het laagspanningsnet Enkel flickerniveau bij laagspanning is van belang Flickerniveau in een netwerk dat geen flickergevoelige belastingen voedt, moet niet beschouwd worden (Bv. industriële netwerken: P st > 1 kan!)

30 I EC Toepassingsgebied elektrische en elektronische uitrustingen ingangsstroom 16A per fase aangesloten op het publieke laagspanningsnet (220V-250V fasespanning en 50Hz)

31 I EC

32 I EC

33 I EC P st : short-term flicker indicator (minuten) flickersterkte geëvalueerd over korte periode (P st = 1: grenswaarde voor irritatie) P lt : long-term flicker indicator (uren) flickersterkte geëvalueerd over lange periode gebruik makend van opeenvolgende P st - waarden

34 I EC Schatting van P st -waarde Flickermeter Simulatiemethode Analytische m ethode

35 I EC Analytische methode te gebruiken voor: Stapvormige spanningskarakteristiek Dubbele stapvormige en hellende spanningskarakteristiek Rechthoekige en driehoekige spanningskarakteristiek Startkarakteristieken van motoren Niet aangewezen als de tijdsduur tussen het einde van één spanningsvariatie en het begin van een volgende kleiner is dan 1s

36 I EC Flicker impression time t f t f 2,3 F d max 3,2 d max : percentage van U nom F: vormfactor (F=1 voor spanningsstappen) Short-time flicker indicator P st P st t f / T p 1/ 3,2 T p : totale tijdsinterval in s

37 I EC

38 I EC

39 I EC Long-term flicker value P lt P lt 3 12 i 1 P 3 st i 12 P lt zeker evalueren bij apparaten die normaal meer dan 30 min onafgebroken werken

40 I EC Limieten: P st 1,0 P lt 0,65 d(t) overschrijdt 3,3% niet gedurende meer dan 500ms d c 3,3% maximale percentages voor d max afhankelijk van werkingsmode

41 I EC

42 I EC Testcondities Voedingsspanning: 230V ± 2% (enkelfasig) of 400V ± 2% (driefasig) Frequentie: 50 Hz ± 0,5% THD < 3% Veranderingen van voedingsspanning tijdens test negeren als P st < 0,4

43 I EC Testcondities Referentie impedantie Z ref Observatieperiode T p - P st T p = 10 min - P lt T p = 2 h

44 I EC Toepassingsgebied elektrische en elektronische uitrustingen ingangsstroom tussen 16A en 75A aangesloten op het publieke laagspanningsnet (220V-250V fasespanning en 50Hz) Ook voor uitrusting die valt binnen de scope van IEC en die niet voldoet aan de limieten, indien getest bij Z ref (voorwaardelijke aansluiting)

45 I EC Voorwaardelijke aansluiting: aansluiting van toestellen die een lagere ingangsimpedantie vragen op het aansluitpunt dan de referentieimpedantie Z ref (zie ), opdat de emissies van het toestel in overeenstemming zijn met de standaard

46 I EC Eisen opgelegd aan de constructeur: Maximaal toegelaten systeemimpedantie Z max op het aansluitpunt bepalen en opnemen in de handleiding voor de gebruiker Toestel testen volgens IEC paragraaf 6.3 en aangeven in handleiding dat toestel enkel gebruikt mag worden wanneer de toepassing een service current capacity 100A heeft

47 I EC Limieten (zelfde als in IEC ): P st 1,0 P lt 0,65 d(t) overschrijdt 3,3% niet gedurende meer dan 500ms d c 3,3% maximale percentages voor d max afhankelijk van werkingsmode

48 I EC Testcondities Testimpedantie Z test < Z ref Optimale testimpedantie: - U veroorzaakt door EUT ligt tussen 3% en 5% van de voedingstestspanning - X test /R rest ligt tussen 0,5 en 0,75 Overige analoog als in IEC

49 I EC Verwerking meetresultaten bij Z test Z ref : d c d c test Z Z ref test P st P st test Z Z ref test d max d max test Z Z ref test P lt P lt test Z Z ref test Waarden vergelijken met opgelegde limieten => indien voldaan: product voldoet aan technische vereisten van IEC

50 I EC Indien niet voldaan aan limieten, kan toestel enkel aangesloten worden met een systeemimpedantie Z sys < Z ref Bepalen van Z sys : Z Z sys1 sys2 Z Z ref ref (d max 3,3% d limiet) d c max Minimum van 4 waarden bepaalt Z sys Z Z sys3 sys4 Z Z ref ref 1 P st 0,65 P lt

51 Overzicht Definitie en beschrijving van het fenomeen Meten van flicker Bronnen van spanningsvariatie en flicker Propagatie van flicker Oplossingen

52 Bronnen van spanningsvariaties

53 Bronnen van spanningsvariaties Condensatoren Starten van asynchrone motoren Boogovens Weerstandslasapparaten Weerstandsovens Elektrische boilers

54 Condensatoren Parallel in het net => leveren reactief vermogen Inschakelen van een condensatorbank: V V Q S bank sc

55 Condensatoren Problemen bij het inschakelen: Variatie in RMS-waarde van de spanning Harmonischen door resonantieverschijnsel Mogelijk optreden van een transiënt

56 Starten van asynchrone m otoren

57 Starten van asynchrone m otoren Probleem bij het starten: Startstroom is veel groter dan I nom Veroorzaakt spanningsvallen in het net Versterking van het probleem bij: Hoge inertie van de aandrijving en dus hoge aanlooptijd Voeding vanuit een dieselgroep (f wijzigt) Kies een aangepaste startinrichting!!!

58 Starten van asynchrone m otoren m t P P P P Z Z Z Z V V Eerste methode met m t P t P m m Z Z Z Z Z V V scp 2 n P S V Z t 2 n sc t S V 100 u Z d 2 m m S V Z

59 Starten van asynchrone m otoren Tweede methode V V RP 2 V n XQ met P S S cos s en Q S S 1 cos s 2 V V Snom Snom en V V Pnom Pnom zijn nu te berekenen

60 Vlam boogovens Materiaal opwarmen d.m.v. elektrische boog Eigenschappen: Zeer groot vermogen AC en DC boogovens Grootste bron van flicker op HS-net

61 Vlam boogovens Werkingsprocédé ( 1h.) Metaalschroot laden in oven Ontsteking van elektroden Elektroden laten zakken in metaalschroot Gesmolten metaal aftappen en slak verwijderen Boogoven in werking.mpeg Tijdens één smeltproces wordt 2 tot 3 maal schroot toegevoegd!

62 Vlam boogovens Regeling m.b.v. elektroden volgens principe van constant vermogenverbruik Praktijk: principe van constante impedantie door het variëren van de booglengte Actief vermogen: P V R 2 PCC t R R a t 2 R a 2 t X

63 Vlam boogovens Werkingspunt A: A kleine variaties in weerstand van de boog grote variaties in reactief vermogen R < X P < Q R. P << X. Q oorzaak van flicker P R A 1 A A 2 Q X

64 Vlam boogovens Variatie in lijnstroom op PCC (150kV) voor een 100 MVA boogoven

65 Vlam boogovens Cyclus 1 Cyclus 2 Evolutie van flicker (P st ) gedurende twee opeenvolgende smeltcycli

66 Vlam boogovens P st en P lt m etingen bij een boogoven gedurende 24h

67 W eerstandslasapparaten Joule-effect veroorzaakt door stroomdoorgang Onderdelen van een installatie Elektrisch circuit: stroom regelen Stroomgenerator (transformator) Mechanisch gedeelte: voldoende mechanische sterkte geven Timer

68 W eerstandslasapparaten Spanning Stroom

69 W eerstandslasapparaten Per las: twee spanningsvallen Driefasige lasapparaat: V V % RP 2 n V n XQ Tweefasige en enkelfasige lasapparaten: Transformator tussen lastoestel en MV-bus Connectie van lastoestel op het net (lijnlijn of lijn-fase)

70 W eerstandslasapparaten

71 W eerstandslasapparaten Eerste groep a (RP XQ) 2 2 V n (XP RQ) c 0 b (RP XQ) 2 2 V n (XP RQ) Tweede groep d 200 RP 2 V n XQ f 100 (RP XQ) V n (XP RQ) e 100 (RP XQ) V n (XP RQ)

72 W eerstandslasapparaten Flicker veroorzaakt door enkelfasig lastoestel Flicker veroorzaakt door driefasig lastoestel

73 W eerstandsovens Verschillende types: Stralingsovens met warme stralingsomgeving Stralingsovens met koude stralingsomgeving Thermische conductieovens voor het opwarmen van vloeistoffen Thermische convectieovens voor het verhitten van gassen Elektrische conductieovens voor het smelten

74 W eerstandsovens Werking veroorzaakt volgende storingen: Spanningsvallen tijdens het schakelen Snelle spanningsvariaties door manier van regelen Weerstandsoven = resistieve belasting V V RP V 2 n XQ V V Elektrische boiler weerstandsoven RP V 2 n bijzonder geval van

75 W eerstandsovens

76 Connectie op HS- en MS- netten IEC : planning levels voor aansluiting van fluctuerende belastingen op HS- en MS-netten Indicative values of planning levels MV HV - EHV P st 0,9 0,8 P lt 0,7 0,6 Opmerking: waarden in veronderstelling dat TC HV LV =1

77 Laagspanningsnetten Flickerbronnen in LS-netten: Röntgentoestellen Warmtepompen, airco s Grote kopieermachines, drogers in fotografielabo s

78 Overzicht Definitie en beschrijving van het fenomeen Meten van flicker Bronnen van spanningsvariatie en flicker Propagatie van flicker Oplossingen

79 Propagatie Spanningsvariaties in voedingsnetten Verzwakken in richting van spanningsbron Geen substantiële verzwakking in richting van power flow P st is homogeen over spanningsval => P st vloeit door voedingsnet zoals spanningsval Transfer coëfficiënt: TC AB P P st st B A

80 Propagatie langs lijnen Radiale voedingslijn naar stoorbron P st (A) P st (P) Z A Z Z A AP

81 Propagatie langs lijnen Klant stroomafwaarts op dezelfde feeder als stoorbron TC BP 1

82 Propagatie langs lijnen Klant stroomopwaarts op dezelfde feeder als stoorbron P st (B) P st (P) Z A Z A Z AB Z AB Z BP

83 Propagatie langs lijnen Radiale voedingslijn die stoorbron niet voedt TC TC AB BP 1 TC BA TC AP TC AP

84 Propagatie door transform ator

85 Gevalstudie: lasapparaat 2 gevallen: Rechtstreeks op MS-net Via 6 km lijn geconnecteerd op MS-net Te berekenen: R, X, P, Q bij referentiespanning van 20 kv

86 Gevalstudie: lasapparaat Impedanties: Z Z Z Z cp HV tr MV j0,5 0,28 j2,4 0,96 j0,81 j2,1 Totale impedantie in punt A: Totale impedantie in punt B: Z NW 0,28 j3,71 1,24 j5, 81 Z NW

87 Gevalstudie: lasapparaat Vermogens: Actief vermogen P: P = S max cos = 537,6 kw Reactief vermogen Q: Q = S max sin = 403,2 kvar Spanningsvariaties: V V RP 2 V n XQ V V In punt A: 0,4% In punt B: V V 0,75%

88 Gevalstudie: lasapparaat P st =1 curve 1 las = 2 spanningsstappen 40 lasoperaties per minuut in B 350 lasoperaties per minuut in A

89 Overzicht Definitie en beschrijving van het fenomeen Meten van flicker Bronnen van spanningsvariatie en flicker Propagatie van flicker Oplossingen

90 Oplossingen Volledige compensatie van flicker onmogelijk Mitigeren = verzwakken van flicker Flic ker voor installatie mitigatie Flic ker na installatie mitigatie Amplitude van spanningsvariaties verminderen: Kortsluitvermogen van net verhogen Reactieve power flow in het net verlagen Progressief plaatsen van condensatorbanken

91 Oplossingen Verhogen van kortsluitvermogen Kortsluitvermogen van het voedende net verhogen Verminderen van impedantie op PCC PCC verplaatsen naar een hoge spanningsniveau

92 Oplossingen Verminderen van variaties in reactief vermogen: Zelfinductie in serie plaatsen met stoorbron SVC (static var compensator) in parallel met stoorbron plaatsen Vanuit net: Q belasting + Q compensator = 0

93 Oplossingen

94 Oplossingen Flicker veroorzaakt door lasapparaten: Voedingsnet lasapparaten scheiden van voedingsnet lichtbronnen m.b.v. transfo s Lasmachines op hoogst mogelijke voedingsspanning aansluiten Enkelfasige apparaten zo goed mogelijk gebalanceerd aansluiten op een driefasig net Verlichting en lasapparaat niet op dezelfde fase aansluiten

95 Vragen?

96 This document was created with Win2PDF available at The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only. This page will not be added after purchasing Win2PDF.