Power Quality: De kwaliteit van elektrische energie

Wat is Power Quality? Power Quality is een verzamelnaam voor de kwaliteit van elektrische energie. Zoals vermogen beschreven kan worden als stroom en spanning, zo kan Power Quality beschreven worden als stroom- en spanningskwaliteit. Problemen met de kwaliteit van elektriciteit leidt tot een slechte Power Quality.

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.

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.

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.

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.

 

Ontvang de white paper Power Quality als PDF

 

Power quality kosten en spanningskwaliteit | fortop

Power Quality en "de wet van Ohm"

Zuiver sinusvormig

De spanning (U) wordt uitgedrukt in Volt (V) en heeft in Nederland in het ideale geval een effectieve waarde (RMS) van 230 V (laagspanning), een frequentie van 50 Hz en is sinusvormig. Deze spanning wordt opgewekt in de energiecentrales en is via het nationale en lokale distributienet bij de eindgebruiker 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.

Power Quality impendantie motor nettransformator

Spanningsval door impedantie

Vervuilde spanning

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.

Power quality ledverlichting laadpunten impendantie

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).

Power Quality en verantwoordelijkheden

Om apparatuur naar behoren te laten werken, liggen er verantwoordelijkheden bij drie partijen:

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.

 

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 75 A 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.

 

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.

 

Power Quality en normen

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.

Variabele

Minimum percentage

Frequentie 99,5%

99,5% van de 10 sec.waarden over 1 jaar, binnen +/- 1% van 50Hz

99,5%

Frequentie 100%

Alle 10 sec.waarden, binnen +4/-6% van 50Hz

100%

Voedingsspanning onbalans

95% van de 10 min. gemiddelde waarden over 1 week, tussen 0 en 2%

95%

Spanningsvariatie 99%

99% van de 10 min. gemiddelde waarden over 1 week, binnen +/- 10% van U Nominaal

99%

Spanningsvariatie 100%

Alle 10 min. gemiddelde waarden, binnen +/- 15% van U Nominaal

100%

Flikker

95% van de waarden over 1 week, lager of gelijk aan 1 (langetermijnflikker)

95%

THD

95% van de 10 min. gemiddelde waarden over 1 week, lager of gelijk aan 8%

95%

Tabel 1: Voorbeeld grenswaarden EN50160 >1kV en <35kV

 

Randvoorwaarden voor de spanning in niet-openbare netten

In de norm IEC61000-2-4 worden de grenswaarden voor de spanningen in niet-openbare netten tot 35 kV beschreven. De kwaliteit van de spanning die wordt geleverd aan een apparatuur moet voldoen aan de norm IEC61000-2-4. Bij overschrijding van de normwaarden kan de machine of installatie (versneld) uitvallen en zijn garantieregelingen niet meer van toepassing. Hiermee is de norm IEC61000-2-4 ook een immuniteitsrichtlijn geworden voor machinebouwers.

Meetwaarde

Grenswaarde
IEC 61000-2-4

  Power quality randvoorwaarden

Tabel 2: Grenswaardes voor de spanning en individuele harmonische componenten volgens de IEC61000-2-4

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.

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%

Randvoorwaarden voor de stroom

  • EN 61000-3-2 norm: Maximale harmonische stromen (I<16 A per fase)
  • EN 61000-3-12 norm: Maximale harmonische stromen (16>I<75 A per fase)

.nl

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

 

 

 

 

 

 

 

We gaan kort in op een aantal verschijnselen.


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.

 

power quality vervuilde stroom

Een niet-lineaire stroom weergegeven als signaal- en in fourieranalyse

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.

Fourieranalyse

Periodieke sinusvormige signalen kunnen worden opgebouwd uit meerdere sinusvormige signalen van verschillende frequentie. Dit wordt weergegeven in een harmonisch spectrum, ook wel fourieranalyse genoemd. Deze analyse wordt gebruikt bij het achterhalen van Power Quality problemen.

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 over hogere harmonische in de whitepaper


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.

Een spanningsdip kan ontstaan door verschillende verschijnselen in het net. De meeste spanningsdips worden veroorzaakt door inschakelverschijnselen of storingen en sluitingen in het middenspanningsnet.

 

power quality spanningsdips

Indeling spanningsvariaties

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 over spanningsdips in de whitepaper


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.

Oorzaken flikkering

Flikkering wordt vaak veroorzaakt door repeterend inschakelen en sterk wisselende belastingen van grote belastingen zoals hamermolens, puntlasmachines en vlamboogovers. Ook solarparken 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.

Het knipperen van verlichting is het voornaamste en meest zichtbare effect van flikker. Bij een knipperfrequentie van circa 8 Hz 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.

 

power quality flikkering

Flikkering is een periodieke variatie in de topwaarde

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 3 stappen; meten, analyseren en verbeteren.

Power quality analyser UMG 512 | Janitza

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


Lees meer over 'kies de juiste energiemeter'

power quality analyse

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).

Lees meer over analyse en rapportage software

power quality verbeteren

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 meer over Actieve Filters in de whitepaper

close-video-button