Harmonische vervuiling en kabels

Transcriptie

1 Katern voor scholing, her- en bijscholing 59 inhoud 1 harmonische vervuiling en kabels 4 Fotowedstrijd Een uitgave van Intech Elektro & ICT en otib februari 2012 Harmonische vervuiling en kabels Belastingen van installaties veranderen zeer snel en de harmonische vervuiling neemt toe, maar wordt daarbij rekening gehouden met de belastbaarheid van de huidige installatie en kabels? En welke rol speelt de nulgeleider in dit verhaal? 5 Cursussen 5 Otib-nieuws Tekst: Christan van Dorst, power qualityspecialist Hyteps Kabels spelen sinds het tijdperk van de elektrische energie en later de data- en signaaloverdracht een zeer belangrijke rol in het dagelijkse leven. Puur materialistisch gezien, gaat het meestal om een stuk koper of aluminium met daaromheen een gegoten laag van kunststof om de geleidende delen van elkaar te isoleren. Maar een echte verdieping in de wereld van de kabelwetenschap leert ook tal van andere dingen. In de moderne wereld is deze snelweg voor elektronen niet meer weg te denken. Wat is de kwaliteit van de stromen die door de kabels lopen? En hoe beïnvloedt deze kwaliteit de betrouwbaarheid van de installatie en daarmee de continuïteit van een kantoor, productieomgeving of woning? De belasting van de installatie verandert immers continu, maar verandert de installatie ook met de belasting mee? Harmonische vervuiling Hogere harmonische vervuiling, ook wel netvervuiling genoemd, is altijd aanwezig geweest in elektriciteitsnetten en installaties. De mate van netvervuiling was in het verleden echter zeer laag en directe problemen waren niet aan de orde. De laatste twintig tot dertig jaar is dit beeld sterk veranderd, en is de harmonische vervuiling toegenomen. Energiebedrijven wekken een zuiver sinusvormige spanning met een frequentie van 50 Hz op. Als op deze zuivere spanning een lineaire gebruiker wordt aangesloten, zoals een verwarmingselement of een gloeilamp, wordt een zuiver sinusvormige stroom afgenomen. Deze apparaten worden lineaire gebruikers genoemd. De toename van harmonische vervuiling is direct te relateren aan de toename van niet-lineaire gebruikers. De opkomst van de moderne halfgeleidertechniek, bijvoorbeeld in laagspanningsvoedingen voor pc s en ver- 1. Een vervuilde spanning. 59 1

2 lichting, motorregelaars en ups-systemen, is het aandeel harmonische vervuiling in de installaties sterk toegenomen. De nietlineaire belastingen veroorzaken stroomen spanningsvormen in het net, die als overeenkomst hebben dat de grondgolf een frequentie heeft van 50 Hz, maar bestaand uit hogere frequenties. Simpel gezegd zijn hogere harmonischen, meervouden van de grondharmonische die door de installatie stromen. De grondharmonische is de netfrequentie van 50 Hz. Harmonischen zijn opgebouwd uit de som van een aantal sinusvormige stromen met frequenties van n maal netfrequentie (50 Hz). n is in deze formule de orde van de harmonische van de netfrequentie. Bijvoorbeeld: - De derde harmonische met een grondfrequentie van 50 Hz heeft een frequentie van: n 50 Hz = 3 50 Hz = 150 Hz. - De zevende harmonische met een grondfrequentie van 60 Hz (VS) heeft een frequentie van: n 60 Hz = 7 60 Hz = 420 Hz. Hogere harmonische stromen worden opgewekt door niet-lineaire gebruikers en stromen terug richting de energiecentrale. De kabels, verdelers en transformatoren die zich tussen de niet-lineaire gebruikers en de energiecentrale bevinden, zullen voldoende capaciteit moeten hebben om deze harmonische stromen te transporteren. Harmonische frequenties zijn onderverdeeld in drie verschillende groepen. Deze worden ook wel draairichtingen genoemd. Er is uitgegaan van een grondharmonische van 50 Hz. Elke draairichting heeft een ander effect op het systeem. Zo heeft een 5e harmonische een linksdraaiend veld ten opzichte van de grondfrequentie en heeft een 7e harmonische een rechtsharmonische vervuiling en kabels 2. Het effect van netvervuiling op de harmonische spanning 59 2 draaiend veld. Echter, de 3e harmonische heeft geen draairichting en staat hierdoor stil in de nul. Skin-effect Hogere harmonische stromen bestaan dus uit stromen met een hogere frequentie dan de frequentie van de grondharmonische. De harmonische stromen hebben het kenmerk dat deze naarmate de frequentie toeneemt, steeds meer aan de buitenzijde van de kabel gaan lopen. De oorzaak hiervan is het magneetveld in de geleider zelf. De skin-diepte is afhankelijk van het de weerstand en permeabiliteit van het materiaal waar de kabel van is gemaakt. Dit houdt dus in dat de hogere frequenties niet meer het volledige oppervlak van de geleiderdoorsnede gebruiken. De stroom die door de geleider heen loopt heeft dus een kleiner beschikbaar oppervlakte om de stromen te geleiden en zal al bij een lage belasting sneller opwarmen. Hierdoor neemt de levensduur van de kabel af en de kans tot oververhitting van de kabel toe. Nul Zoals de naam al zegt is de nulgeleider in de installatie bedoeld om nulstroom te geleiden. De enige situatie waarbij de nulstroom geleidt, is wanneer de drie fasen ongelijk worden belast. De maximale stroom die door de nulgeleider kan lopen is hierdoor gelijk aan de stroom die door de fasen loopt. De verschilstroom tussen de fasen zal via de nul retour lopen naar de voeding. Echter, door de toename van harmonische vervuiling in de netten wordt ook de nul steeds zwaarder belast. Om kosten te besparen was het vroeger mogelijk om in driefasensystemen voor de nul een kleinere diameter te kiezen dan voor de fasen. Tegenwoordig wordt de nul uitgelegd met een gelijkwaardige, of soms zelfs grotere diameter dan de fasen. Naast de nulstroom, die ontstaat door ongelijke belasting van de fasen, wordt de nul nu ook met harmonische vervuiling belast. De oorzaak van de nulstromen door harmonische vervuiling kan worden gezocht in de 3e harmonische of veelvouden hiervan. Doordat de 3e harmonische (frequentie van 150 Hz) geen draairichting heeft en eigenlijk stil staat ten opzicht van de grondfrequentie (50 Hz), worden al de 3e harmonischen aanwezig in de drie fasen, opgeteld in de nulgeleider. Vooral in de kassenbouw was dit een groot probleem, hier brandde regelmatig de installatie uit door overbelasting. Stromen in de nul die twee tot drie keer de grote van de fasenstromen hebben, zijn geen uitzondering meer. Maar ook in nieuwe of retrofit-installaties kan de harmonische vervuiling een effect hebben op de nulstroom. Denk hierbij aan het vervangen van bestaande verlichting of harmonische grondharmonische 2e 3e 4e 5e 6e 7e 8e 9e frequentie (Hz) draairichting Tabel 1. Harmonische frequenties zijn onderverdeeld in drie verschillende groepen, deze worden ook wel draairichtingen genoemd. Isolatie maximumtemperatuur (normaal gebruik) pvc (vinyl) 70 C xlpe (polyetheen) 90 C rubber 60 C Tabel 2. De maximumtemperatuur van de kabel wordt door het isolatiemateriaal bepaald.

3 harmonische vervuiling en kabels 3. Hier komt nog een passend bijschrift bij. 4. Met een power quality analyser wordt zichtbaar wat er zich in de kabel afspeelt. de plaatsing van datacentra in bestaande kantoorpanden. Overbelasting van de nulgeleider komt ook voor in kantoorpanden, magazijnen of fabrieken en wordt vaak pas opgemerkt als het te laat is. Brandgevaar De veiligheidsbepalingen voor laagspanningsinstallaties (nen 1010) geeft verschillende handvatten om een installatie veilig te ontwerpen, met inachtneming van harmonische stromen in de installatie. Hierbij wordt vooral gekeken naar de overbelasting van de nul in driefasennetten door hogere harmonische vervuiling. In bepaling 524 van nen 1010 staat omschreven waar rekening mee moet worden houden bij het dimensioneren van nulleidingen in aanwezigheid van harmonische vervuiling. Hoe groter het aandeel harmonische vervuiling is, des te lager de belastbaarheid van de geleider zal zijn. Om alsnog een goede kabel te dimensioneren moet een de-rating factor worden toegepast. Het is dus van groot belang om tijdens de engineering rekening te houden met de toepassing van de installatie en het effect van de harmonische vervuiling vroegtijdig in te schatten. Ook verzekeraars stellen eisen aan de maximale harmonische vervuiling in netten of kabels. Zo is de maximale toegestane harmonische vervuiling binnen de scheepvaart en kassenbouw door de verzekeraars gelimiteerd. Het doel is reductie van het brandgevaar, om zo risico s te beperken. Een groot deel van de branden in Nederland wordt veroorzaakt door elektrische installaties, vaak zonder eenduidige reden. Praktijk Problemen met harmonische vervuiling hoeven niet direct op te treden, het zijn storingen die langzaam in de installatie sluipen en geen eenduidige oorzaak hebben, zoals het opwarmen en de slijtage van kabels, vroegtijdig aanspreken van 5. Het in kaart brengen van de harmonische vervuiling kan door het laten uitvoeren van harmonische metingen. 6. Actieve harmonische filters kunnen harmonische vervuiling compenseren 59 3

4 harmonische vervuiling en kabels fotowedstrijd zekeringen of automaten en het uitvallen van gevoelige apparatuur. Het in kaart brengen van de harmonische vervuiling binnen een installatie kan door 7. Een aantal actieve harmonische filters kunnen netvervuiling neutraliseren. het (laten) uitvoeren van een harmonische meting. Met een power quality analyser wordt zichtbaar wat er zich in de kabel afspeelt en in welke risicogroep de installatie zich bevind. en leert wat de maximale harmonische vervuiling in de spanning mag zijn. De energieleverancier wordt geacht een kwaliteit van spanning te leveren, zoals die in de richtlijn wordt gesteld. Echter, de harmonische vervuiling in de spanning zegt niets over de harmonische stroom die de kabels zwaarder belast. In de VS en Australië wordt wel naar de maximale harmonische vervuiling in de stroom gekeken. In deze landen wordt hiervoor de ieee 519-richtlijn gebruikt. Door jaarlijks of bij grote veranderingen binnen de installatie een harmonische meting uit te voeren, kan nauwkeurig het gedrag van de harmonische vervuiling worden vastgesteld. Hierdoor kan inzicht in de 8. Een passief harmonische filter. belasting van de installatie worden verkregen en kan er tijdig worden geanticipeerd als de harmonische vervuiling te veel dreigt te worden. In bestaande installatie is het niet direct noodzakelijk de kabels te verzwaren, maar is het ook mogelijk de harmonische vervuiling te compenseren. Dit kan zowel met actieve harmonische filters als met passieve systemen. Fotowedstrijd Zo moet het niet Onder het motto Zo moet het niet zoekt de redactie van Intech Elektro en ICT naar duidelijke voorbeelden van slecht of foutief uitgevoerde installaties. Inzenders van wie de foto s worden geplaatst winnen een Isso-handboek ter waarde van 245 euro. De foto s (van goede kwaliteit), vergezeld van een korte beschrijving en naam en adres van de inzender, kunnen o.v.v. Zo moet het niet worden g d naar info@installmedia.nl, of per post naar Intech Elektro en ict, t.a.v. redactie, postbus 188, 2700 AD Zoetermeer. Prijswinnaar van de maand Deze maand gaat het Isso-handboek naar Wim Beudeker. Het gaat hierbij om de aanpassing door de edf (een Franse elektriciteitsmaatschappij) in een Frans huis. De eerste foto is de oude situatie. De tweede foto laat de situatie zien na montage van een nieuwe meter met een hoofdzekering. Wie goed kijkt, kan zien dat sommige draden zonder enkele vorm van zekering (uitgezonderd de hoofdschakelaar) zijn doorverbonden. Wat niet op de foto s staat is een andere installatiefout die Beudeker constateerde: een 16 mm2- was aan een 1,5 mm2- draad verbonden door van de eerste zes aders af te knippen Het Isso-handboek is inmiddels onderweg. Namens de redactie: van harte gefeliciteerd. Kijk voor meer foto s van slecht uitgevoerde installaties op Zo moet het niet. 59 4

5 otib-nieuws cursussen Kennis en tools voor integraal ontwerpen Otib heeft een nieuwe website voor integraal ontwerpen gelanceerd. geeft aan de hand van vijf pijlers inzicht in de belangrijkste aandachtspunten en valkuilen. Integraal ontwerpen is een manier van werken waarover veel wordt gesproken, maar dat in de praktijk nog maar zelden lukt. De voordelen van integraal ontwerpen zijn groot: minder faalkosten, meer mogelijkheden op terrein van duurzaamheid en de ontwikkeling van een gebouw dat beter aansluit bij de wensen van de eindgebruiker. Op de website wordt aan de hand van vijf pijlers (de klant, vertrouwen, teamwerk, projectmanagement en kennismanagement) inzicht gegeven in de belangrijkste randvoorwaarden. De kennis en praktische tools ondersteunen bedrijven bij het implementeren. Voor integraal ontwerpen is samenwerking in de bouwkolom onontbeerlijk. Otib is dan ook actief bezig om de andere bouwpartijen aannemers, architecten, constructeurs en adviseurs te laten participeren in de website. Doel is dat alle bouwpartijen dezelfde basisprincipes voor integraal ontwerpen gaan hanteren. Cursussen Basiskennis glasvezeltechniek Wie: Telematicamonteurs, onderhoudsmonteurs, telecommonteurs, werkvoorbereiders. Informatie: Fiber to the Home Wie: Glasvezelmonteurs Fiber to the Home (basiskennis glasvezeltechniek) Wie: Monteurs glasvezel, servicemonteurs, technici. Monteur Fiber to the Home klantaansluitpunten Wie: Monteurs. Beheer en onderhoud wan-bekabelinginfrastructuren Wie: Onderhoudsmonteurs, servicetechnici. Glasvezeltechniek fusielassen Wie: Glasvezelmonteurs Glasvezel meten otdr Wie: Medewerkers otdr-metingen. Technicus bekabelingsinfrastructuren catv en Fiber Wie: Elektrotechnici cai, functionarissen catv/hfc. Informatie: Basiscursus glasvezeltechniek kco 0801 Wie: Monteurs, ontwerpers, projectbegeleiders. Informatie: Interpretatie en rapportage otdr-meetgegevens Wie: Medewerkers otdr-metingen. Installatie lan-bekabelinginfrastructuren Wie: Installateurs, monteurs, datamonteurs. Introductie wan-bekabelinginfrastructuren Wie: Beginnende monteurs. Installatie wan-bekabelinginfrastructuren Wie: Beginnende monteurs. Monteur glasvezeltechniek allround Wie: Glasvezelmonteurs. Disney en Otib samen voor techniek Otib gaat in 2012 samenwerken met Disney om kinderen te inspireren en te enthousiasmeren voor techniek. In de Disney xd Experimententour (elke vrijdag op Disney xd om uur) gaat presentator Levi van Kempen met de Technobiel van Otib langs bij basisscholen. In elke aflevering wordt de kijker uitgedaagd zelf een experiment aan te gaan met huis-, tuin- en keukenattributen. Hoe laat je bijvoorbeeld een spaarlamp branden met een ballon? In de reportage Hoe zit dat? gaat Levi op onderzoek uit hoe dingen in elkaar steken. Daarnaast wordt er elke week aandacht besteed aan een bijzondere uitvinding: van stormparaplu en 3D-printer tot en met een elektronisch skateboard. Technicus bekabelinginfrastructuren voor glasvezel-, telecom- en catv-netwerken Wie: Technici. Informatie: Glasvezel meten (Fluke dtx-1800, Fluke Optifiber otdr cct 0104, Compact otdr cct 0103) Wie: Meettechnici, monteurs. Informatie: Monteur glasvezeltechniek Wie: (Glasvezel)monteurs. Lassen van glasvezels Wie: Glasvezellassers. Meten glasvezelinfrastructuren (otdr, demping, inspectie en onderhoud) Wie: Servicetechnici, onderhoudsmonteurs. Informatie: Meten van glasvezelnetwerken Wie: Servicemonteur, technici. 59 5