WHITE PAPER WAAROM EEN GOEDE POWER QUALITY ESSENTIËEL IS

WHITE PAPER WAAROM EEN GOEDE POWER QUALITY ESSENTIËEL IS

INHOUD Inleiding 03 1. De kwaliteit van elektrische energie 04 AUTEURS Arjan Pit sales manager energy control apt@fortop.nl Jarno schoen Power Quality specialist jsn@fortop.nl 2. Power Quality en de wet van Ohm 05 3. Power Quality en verantwoordelijkheden 06 3.1 De netbeheerder 06 3.2 De fabrikant 06 3.3 De installatieverantwoordelijke (de klant) 06 4. Power Quality en normen 07 4.1 Randvoorwaarden voor de spanning 07 in openbare netten 4.2 Randvoorwaarden voor de spanning 07 in niet-openbare netten 4.3 Randvoorwaarden voor de stroom 08 5. Power Quality-verschijnselen 09 5.1 Harmonische vervuiling 09 5.2 Spanningsdips 10 5.3 Indeling langzame spanningsvariaties 11 5.4 Flikkering 11 6. Power Quality Management 12 6.1 Stap 1: Meten 12 6.2 Stap 2: Analyseren 12 6.3 Stap 3: Verbeteren 12 6.4 Een continu verbeterproces 12

INZICHT IN POWER QUALITY WAAROM EEN GOEDE POWER QUALITY ESSENTIEEL IS Als u overweegt een auto te kopen is het gebruikelijk dat u de kwaliteit ervan wilt vaststellen. U wilt een kwalitatief goede auto die lang mee gaat, lage onderhoudskosten heeft en zuinig in gebruik is. Voor een minder tastbaar product als elektrische energie zijn we er minder van bewust dat het belangrijk is de kwaliteitsaspecten ervan te bewaken. De kwaliteit van elektrische energie wordt beschreven met het begrip Power Quality en wordt geborgd door normen en richtlijnen.

1. DE KWALITEIT VAN ELEKTRISCHE ENERGIE De kosten van een slechte Power Quality worden in de meeste gevallen betaald uit het onderhoudsbudget en worden als onvermijdbaar gezien. Tegelijkertijd komt de Power Quality steeds meer onder druk te staan door een toename van elektronische apparatuur en decentrale energieopwekking. Door Power Quality inzichtelijk te maken en deze data te managen, worden kosten bespaard en wordt de kwaliteit van de organisatie en het eindproduct vergroot. Een slechte kwaliteit van elektrische energie (= Power Quality) leidt tot: - een hogere uitvalkans van apparatuur; - hogere onderhoudskosten; - levensduurverkorting van apparatuur; - meer energieverbruik; - het vervallen van garanties; - de kans op boetes of claims. hoog kosten uitvalkans, levensduurverkorting en energieverspilling De spanningskwaliteit vs. kosten laag goed spanningskwaliteit slecht In deze white paper gaan we in op het fenomeen Power Quality en beschrijven we de verschillende verantwoordelijkheden en normen. Ook behandelen we de Power Quality verschijnselen en de gevolgen ervan. Als afsluiting behandelen we het inzichtelijk maken en verbeteren van Power Quality. 4 fortop white paper Power Quality

2. POWER QUALITY EN DE WET VAN OHM De spanning (U) wordt uitgedrukt in Volt (V) en heeft in Nederland in het ideale geval een effectieve waarde (RMS) van 230V (laagspanning), een frequentie van 50Hz en is sinusvormig. Deze spanning wordt opgewekt in de energiecentrales en is via het nationale en lokale distributienet bij de eindklant beschikbaar. Als de aangeboden spanning zuiver sinusvormig is en de belasting is lineair, dan zal overal in de installatie de stroom zuiver sinusvormig zijn. Spanning en stroom beïnvloeden elkaar door de impedantie van de installatie de wet van Ohm In het onderstaande figuur is een motor aangesloten achter een nettransformator. Het net, de installatie en met name de nettransformator, vormen een impedantie. De motor heeft een lineair gedrag en zal een sinusvormige stroom opnemen. Derhalve is na de impedantie de spanning weliswaar iets lager (spanningsverlies) en ook iets in fase verschoven (inductiviteit) maar is hij nog steeds sinusvormig. Impendantie (Z) stroom spanning U = I * Z Spanningsval door impedantie Als de opgenomen stroom niet sinusvormig is, door elektronische apparatuur als LED-verlichting, drives of laadpunten voor elektrische auto s, zal door de impedantie van de installatie de spanning vervuilen. Bij een niet sinusvormige stroom is de spanningsval over de impedantie immers niet sinusvormig. Dit leidt tot een vervuilde spanning. Impendantie (Z) stroom spanning U = I * Z Spanningsval door impedantie Als nu een motor met een lineair gedrag wordt aangesloten achter de impedantie uit het bovenstaande voorbeeld, heeft de motor last van de vervuilde spanning (die wordt veroorzaak door de impedantie en het niet-lineaire gedrag van de elektrische apparatuur). fortop white paper Power Quality 5

3. POWER QUALITY EN VERANTWOORDELIJKHEDEN Om apparatuur naar behoren te laten werken, liggen er verantwoordelijkheden bij drie partijen. EN 50160 spanningskwaliteitsnorm voor openbare netten PCC IEC 61000-2-4 spanningskwaliteitsnorm voor niet-openbare netten tot 35kv PCC PCC IEC 61000 EMC Normenreeks (Emissie-eisen) levering (U) beïnvloeding (I) PCC EN 50160 verantwoordelijkheid: netbeheerder IEC 61000-2-4 verantwoordelijkheid: installatieverantwoordelijke IEC 61000-reeks verantwoordelijkheid: fabrikanten De verhoudingen tussen de verantwoordelijke partijen 3.1 De netbeheerder De netbeheerder is verantwoordelijk voor een levering van spanning van voldoende kwaliteit. Deze kwaliteit kan negatief worden beïnvloed door een zwak net en de beïnvloeding door de klant. Op het overdrachtspunt - het point of common coupling (PCC) - moet de kwaliteit aan de Netcode voldoen, die is afgeleid van de Europese norm EN50160. In de EN50160 zijn randvoorwaarden voor spanning vastgelegd. 3.2 De fabrikant Fabrikanten van apparatuur zorgen ervoor dat hun apparatuur juist werkt binnen de geldende normen en eisen. De apparatuur is hierbij immuun voor spanningsvervuiling dat zich binnen de grenzen van de norm afspeelt. Dit wil zeggen dat de apparatuur juist functioneert en de te verwachten economische levensduur zal behalen. Indien de aanwezige vervuiling zich buiten de norm bevindt, is er een grote kans dat de apparatuur niet naar behoren werkt of zelfs defect gaat. Voor apparatuur geldt daarnaast dat deze ook normen heeft voor maximale emissie van vervuiling naar andere verbruikers. Voor apparatuur tot 75A gelden bijvoorbeeld speciale normen voor de maximaal toelaatbare harmonische stromen. De emissie van harmonische stromen voor apparatuur met grotere vermogens is niet in normen vastgelegd. In dat geval ligt de verantwoordelijkheid ligt bij de ontwerper van de installatie. 3.3 De installatieverantwoordelijke (de klant) De klant is er verantwoordelijk voor dat de elektrische installatie aan de eisen voldoet, de apparatuur volgens de installatiehandleiding is geïnstalleerd en volgens de gebruikershandleiding wordt toegepast. Indien de netbeheerder en de fabrikanten aan hun verantwoordelijkheid voldoen, is de verwachting dat de kwaliteit van de spanning die wordt aangeboden aan de apparatuur op het PCC aan de IEC61000-2-4 voldoet. Hierin zijn de randvoorwaarden voor de spanning in niet-openbare netten vastgelegd. Dit is echter geen garantie. Indien de spanning op het PCC niet voldoet aan deze norm vervalt de garantie van de aangesloten apparatuur en wordt de verwachte technische levensduur van apparatuur sterk gereduceerd. Hiermee is de IEC61000-2-4 de expliciete verantwoordelijkheid van de installatieverantwoordelijke. 6 fortop white paper Power Quality

4. POWER QUALITY EN NORMEN 4.1 Randvoorwaarden voor de spanning in openbare netten De minimale kwaliteit van de spanning is in Nederland vastgelegd in de Netcode. Deze is afgeleid van de EN50160. Binnen de Europese Norm EN50160 wordt bijvoorbeeld gesteld dat de spanning gedurende 99% van de tijd niet meer dan 10% mag afwijken van de nominale waarde gedurende een beschouwingsperiode van één week. De grenswaarden binnen de Netcode zijn strenger dan die in de EN50160. Tabel 1: Voorbeeld grenswaarden EN50160 >1kV en <35kV Variabele Frequentie 99,5% 99,5% van de 10 sec.waarden over 1 jaar, binnen +/- 1% van 50Hz Frequentie 100% Alle 10 sec.waarden, binnen +4/-6% van 50Hz Voedingsspanning onbalans 95% van de 10 min. gemiddelde waarden over 1 week, tussen 0 en 2% Spanningsvariatie 99% 99% van de 10 min. gemiddelde waarden over 1 week, binnen +/- 10% van U Nominaal Spanningsvariatie 100% Alle 10 min. gemiddelde waarden, binnen +/- 15% van U Nominaal Flikker 95% van de waarden over 1 week, lager of gelijk aan 1 (langetermijnflikker) THD 95% van de 10 min. gemiddelde waarden over 1 week, lager of gelijk aan 8% Minimumpercentage 99,5% 100% 95% 99% 100% 95% 95% 4.2 Randvoorwaarden voor de spanning in niet-openbare netten De IEC61000-2-4 geeft de grenswaarden voor de spanningen in niet-openbare netten tot 35kV. De kwaliteit van de spanning die wordt geleverd aan een apparatuur moet voldoen aan de IEC61000-2-4 norm. Bij overschrijding van de normwaarden kan de machine of installatie (versneld) uitvallen en zijn garantieregelingen niet meer van toepassing. Hiermee is de IEC61000-2-4 ook een immuniteitsrichtlijn geworden voor machinebouwers. Tabel 2: Grenswaardes voor de spanning en individuele harmonische componenten volgens de IEC61000-2-4 Meetwaarde Grenswaarde IEC 61000-2-4 minimum maximum Spanning L1-N 207 V 253 V Spanning L2-N 207 V 253 V Spanning L3-N 207 V 253 V Frequentie 49 Hz 51 Hz THD-U L1-N 8% THD-U L2-N 8% THD-U L3-N 8% Onbalans 2% fortop white paper Power Quality 7

6 % 5 % 4 % 3 % 2 % 1 % 0 % 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 In de EN61000-2-4 zijn voor het ontwerpen en bewaken van een niet openbare elektrische installatie drie klassen te onderscheiden. Deze klassen (klasse 1, 2 en 3) bepalen de mate van toegestane vervuiling binnen een elektrische installatie. Bij het ontwerp van een installatie dient men hiermee rekening te houden en te zorgen dat alle aangesloten apparatuur juist functioneert binnen de gekozen klasse. Klasse 2 is de standaard, hierbij kan standaardapparatuur gebruikt worden. Klasse 1 wordt met name gebruikt bij gevoelige apparatuur binnen datacenters, ziekenhuizen en laboratoria. Klasse 3 wordt voornamelijk gebruikt voor speciale (dedicated) systemen in de zware industrie. Deze klasse staat een hoge mate van vervuiling toe, wat inhoudt dat alle aangesloten apparatuur immuun dient te zijn voor deze hoge mate van vervuiling. 4.3 Randvoorwaarden voor de stroom Spanning en stroom beïnvloeden elkaar. Een slechte stroomkwaliteit leidt tot een slechte spanningskwaliteit door de impedantie van de installatie. Daarom worden er eisen gesteld aan de maximale stroomvervuiling die apparaten mogen veroorzaken. Twee van deze eisen zijn: EN 61000-3-2 norm: Maximale harmonische stromen (I<16A per fase) EN 61000-3-12 norm: Maximale harmonische stromen (16>I<75A per fase) 8 fortop white paper Power Quality

5. POWER QUALITY-VERSCHIJNSELEN Binnen de Power Quality normen onderscheiden we een aantal eigenschappen van de spanning en stroom. In de normen voor Power Quality die van belang zijn voor de verbruiker en netbeheerder wordt vaak gesproken over spanningskwaliteit, omdat de spanning wordt beïnvloed door de stroom. Als het gaat om spanningskwaliteit, maken we onderscheid tussen continu optredende verschijnselen en tijdelijke verschijnselen. Continu Tijdelijk (events) - Spanningsniveau - Spanningsdips - (inter-)harmonischen - Spanningspieken - Flikkering - Spanningsonderbreking - Asymmetrie - Transiënten - Frequentie - Toonfrequentsignalen Hieronder gaan we kort in op een aantal verschijnselen. 5.1 Harmonische vervuiling Normaal gesproken is de netspanning zuiver sinusvorming. Als hier een lineaire belasting op wordt aangesloten (zoals een gloeilamp, motor of condensator), is de stroom die gaat lopen zuiver sinusvormig. Wanneer een niet-lineaire belasting wordt aangesloten op een lineaire spanning zal deze een niet-lineaire stroom opnemen. Deze stroom noemen we een vervuilde stroom of niet-lineare stroom. Bijvoorbeeld: een niet-lineaire stroom kan er uitzien zoals in Figuur 4. Vervuilde stromen zien we bij pompgemalen, op schepen, in ziekenhuizen, datacenters en energiezuinige kantoorgebouwen. l h /l 1 50% 37,5% 25% 12,5% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Een niet-lineaire stroom weergegeven als signaal en in fourier analyse h Zoals beschreven in Power Quality en de wet van Ohm zal een niet-lineaire stroom een niet-lineaire spanningsval veroorzaken over impedanties als leidingen en transformatoren. Hierdoor onstaat spanningsvervuiling. De totale spanningsvervuiling wordt uitgedrukt met de THD-U en de totale stroomvervuiling wordt uitgedrukt met de THD-I. Periodieke sinusvormige signalen kunnen worden opgebouwd uit meerdere sinusvormige signalen van verschillende frequentie. Dit wordt weergegeven in een harmonisch spectrum, ook wel fourier analyse genoemd. Deze analyse wordt gebruikt bij het achterhalen van Power Quality problemen. fortop white paper Power Quality 9

De korte termijn of directe effecten van harmonische vervuiling zijn: Het onbedoeld trippen van beveiligingstoestellen. Abnormale geluiden en frequenties in verdeelinrichtingen en transformatoren. Het defect raken van condensatoren door thermische overbelasting. Het veroorzaken van resonanties. Energieverlies in kabels in transformatoren door wervelstroomverliezen. Bij het overschrijden van normwaardes ontstaat: een versnelde veroudering van apparatuur en verlies van de productiecapaciteit; een versnelde veroudering van condensatoren in bijvoorbeeld VSA s; een veroudering van kabels en transformatoren en daarmee overbelasting; een versnelde veroudering van motoren door pulserende stroom (vibraties); het defect raken van motoren door pulserende stroom (vibraties). Lees meer in de white paper Hogere Harmonischen. 5.2 Spanningsdips Spanningsdips zorgen in de praktijk voor de meeste kosten. Volgens de Europese Norm EN-50160 wordt onder een spanningsdip verstaan: Een plotselinge verlaging van de effectieve waarde van de spanning tot een waarde tussen 90% en 1% van de afgesproken waarde, direct gevolgd door een herstel van deze spanning. De duur van de spanningsdip ligt tussen een halve periode (10ms) en 1 minuut. Als de effectieve waarde van de spanning niet onder de 90% van de afgesproken waarde daalt, wordt dit als een normale bedrijfssituatie gezien. Indien de spanning onder de 1% van de afgesproken waarde daalt, is dit een onderbreking. overspanning 110 100 90 normale bedrijfsspanning Ueff (%) spanningsdips onderspanning 1 korte onderbreking lange onderbreking 10ms 1 min 3 min t 10 fortop white paper Power Quality

5.3 Indeling langzame spanningsvariaties Een spanningsdip kan ontstaan door verschillende verschijnselen in het net. De meeste spanningsdips worden veroorzaakt door inschakelverschijnselen of storingen en sluitingen in het middenspanningsnet. Oorzaken van een spanningsdip: Inschakelstromen van grote belastingen Sluitingen in de laagspanningsinstallatie Sluiting of storingen in het middenspanningsnet Sluiting of storingen in de hoogspanningsnet Hoewel spanningsdips vaak niet worden opgemerkt, kunnen ze zorgen voor uitval van kritische processen of leiden tot kwaliteitsproblemen in de productie. Ook kan een spanningsdip leiden tot een piekstroom bij een spanningsdaling (elektronische belasting) of een inschakelpiek bij het terugkomen van de spanning. Deze piekstroom kan leiden tot het aanspreken van beveiligingen. Lees meer in de white paper Spanningsdips. 5.4 Flikkering Flikker is een periodiek veranderende spanning die zich vertaalt in flikkerende beeldschermen en verlichting. Om flikkering vast te stellen moet een meting met een meetalgoritme die wordt beschreven in de EN 61000-4-15 worden uitgevoerd. De waarden voor flikkering worden omschreven met Pst (10 min., short term) en Plt (2 uur, long term). Meestal worden grenswaarden van 1 aangehouden voor maximale waarde voor de Plt. Flikkering wordt vaak veroorzaakt door repeterend inschakelen en sterk wisselende belastingen van grote belastingen zoals hamermolens, puntlasmachines en vlamboogovers. Ook solar parken en windmolens kunnen een oorzaak zijn. Omdat de net-impedantie een grote invloed heeft op de mate van flikkering, is flikkering in de meeste gevallen een gezamenlijk probleem van de netbeheerder en de verbruiker. 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5 Flikkering is een periodieke variatie in de topwaarde Het knipperen van verlichting is het voornaamste en meest zichtbare effect van flikker. Bij een knipperfrequentie van circa 8Hz kan dit zelfs tot medische klachten leiden bij personen die hier regelmatig mee te maken hebben. Dit knipperen van verlichting vindt met name plaats bij gloeilampen. Elektronisch geregelde lampen hebben hier minder last van. Ook elektronica kan snel verouderen door de wisseling in de topwaarde van de sinus. fortop white paper Power Quality 11

6. POWER QUALITY MANAGEMENT De kosten van een slechte Power Quality zijn niet altijd zichtbaar en worden vaak uit onderhoudspotjes betaald. Bij de integratie van energiemeetsystemen voor energiebesparing loont het zeker de moeite het aspect Power Quality mee te nemen en te integreren in het meetconcept. Deze relatief geringe extra investering maakt het mogelijk pro actief Power Quality te monitoring, waar mogelijk te verbeteren en verantwoordelijkheden te bewaken. Power Quality Management is een continu verbeterproces van meten, analyseren en verbeteren met als doel onderhoudskosten te verlagen en beschikbaarheid te vergroten. Dat hiermee ook energie wordt bespaard is een prettige bijkomstigheid. We doorlopen hier continu drie stappen; meten, analyseren en verbeteren. 6.1 Stap 1: Meten De keuze voor de juiste meter is essentiëel Voor een continu verbeterproces is het nodig permanent en goed te meten. Dat lijkt eenvoudiger dan het is. 30% van de meetinstrumenten wordt verkeerd aangesloten. Hoe zorg je ervoor dat je goed meet? bepaal wat je wilt meten en op welk niveau in de installatie kies de juiste meter en meettransformatoren plaats de meetinstrumenten (analysers) op de juiste plaats sluit de meetinstrumenten goed aan zorg voor de juiste configuratie van de meetinstrumenten 6.2 Stap 2: Analyseren Trek de juiste conclusies Alleen door een goede interpretatie van de meetgegevens kunnen we de juiste conclusies trekken. We willen meetdata kunnen bekijken, op de juiste momenten gealarmeerd worden en periodiek rapportages kunnen genereren. Hiervoor is goed doordachte software nodig. Zowel software op de meter (decentraal) als software waarin alle meetpunten kunnen worden aangebracht (centraal). 6.3 Stap 3: Verbeteren Het PQ-probleem oplossen Bij Power Quality problemen lossen we het probleem het liefst op bij de bron. Het kan zijn dat de fabrikant van apparatuur niet aan zijn verplichting voldoet of de installatie anders moet worden opgebouwd. In enkele gevallen ligt het probleem bij de netbeheerder. Als dit niet lukt zal ingegrepen moeten worden met een passieve oplossing (filter of compensatie) of een actieve oplossing als een actief dynamisch filter. Lees de white paper Actief dynamische filter. 6.4 Een continu verbeterproces Zo krijg je inzicht! Voor een continu verbeterproces is het van belang deze stappen te herhalen. Goed gemeten, geanalyseerd en verbeterd? Meet opnieuw, zodat je kunt zien welk effect het heeft gehad. Alleen zo krijg je inzicht in je Power Quality. 12 fortop white paper Power Quality

NOTITIES Meer weten? Neem contact met ons op: 038 337 2700 of info@fortop.nl