-1-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
Netvervuiling: Soorten, normen en reducerende maatregelen G. Blom 1.
INLEIDING
De mate waarin de spanning van een elektriciteitsnet vervormd is, dus de mate waarin netvervuiling optreedt, heeft grotendeels en rechtstreeks te maken met de EMC-kwaliteit van de op dat net aangesloten belastingen. Die twee kunnen dus niet los van elkaar worden gezien. Om netvervuiling en de gevolgen ervan te kunnen beheersen, worden dan ook – via normen –eisen gesteld aan apparatuur, toestellen etc. bedoeld om op het elektriciteitsnet aan te sluiten. In dit artikel zal worden ingegaan op: - de soorten netvervuiling die kunnen worden onderscheiden, hun veroorzakers en de mogelijke gevolgen ervan - de mate waarin de verschillende soorten netvervuiling in de Nederlandse elektriciteitsnetten optreden en de wijze waarop het netvervuilingsniveau wordt bewaakt - de eisen die worden gesteld aan op het openbare elektriciteitsnet aan te sluiten apparatuur voor wat betreft de emissie van netvervuiling - de eisen die met betrekking tot immuniteit voor netvervuiling worden gesteld aan op het openbare elektriciteitsnet aan te sluiten apparatuur - maatregelen om het netvervuilingsniveau te beperken. De nadruk zal worden gelegd op netvervuiling in de vorm van harmonische componenten in de spanning; dat heeft rechtstreeks te maken met de emissie van harmonische stromen. Bron van dergelijke stromen zijn vooral vermogenselektronische toepassingen (convertors), consumentenelektronica (TV-toestellen) en kantoorapparatuur (PC’s, monitoren, kopieermachines). Er is sprake van een zeker spanningsveld tussen enerzijds energie- en kostenbesparende toepassingen van vermogenselektronica, waaronder die in de energietechniek, en anderzijds het streven om het netvervuilingsniveau in de elektriciteitsnetten onder de niveaus te houden waarbij de kans op problemen niet meer te verwaarlozen is, de zogenaamde compatibiliteitsniveaus. Fabrikanten en elektriciteitsbedrijven hebben daarbij voor wat betreft dat laatste in feite een gemeenschappelijke verantwoordelijkheid. Discussies over de juiste invulling daarvan hebben met name in de betreffende normcommissies (IEC TC 77 en haar subcommissie IEC SC77A, maar ook in de nationale commissies) vaak een emotioneel verloop gekend. Normen zoals IEC 61000-3-2 [“Electromagnetic compatibility (EMC) – Limits – Limits for harmonic current emissions (equipment input curent ≤ 16 A per phase”)] en de verschillende amendementen daarop zijn danook bijzonder moeizaam tot stand gekomen.
2.
SOORTEN NETVERVUILING, HUN VEROORZAKERS EN MOGELIJKE GEVOLGEN
2.1 Soorten Naar soort is netvervuiling globaal in 3 groepen in te delen: - surges en transients. Dit zijn spanningsveranderingen van korte tot zeer korte duur, die qua grootte kunnen oplopen tot enkele kV. In termen van een elektriciteitsnet zijn dit hoogfrequentverschijnselen. Die worden sterk gedempt, waardoor de propagatie ervan doorgaans
-2-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
is beperkt tot de installatie van de verbruiker die ze veroorzaakt, en de onmiddellijke omgeving. In de volgende figuren zijn voorbeelden gegeven van dergelijke verschijnselen
Fast transient burst (t.g.v. vonkende verbinding) -
Surge (t.g.v. blikseminslag)
Oscillatory impulses (t.g.v. inschakelen C-batterij)
spanningsfluctuaties, met als bijzondere verschijnselen spanningsdalingen van korte duur, de zogenaamde spanningsdips. Spanningsfluctuaties zijn variaties in de effectieve waarde van de netspanning, die een maximale frequentie van de helft van de netspanningsfrequentie kunnen hebben. Zoals gezegd is een spanningsdip een bijzonder geval van een spanningsfluctuatie: volgens de definitie gehanteerd in EN 50160 [3] is het een spanningsdaling die resulteert in een spanning tussen 1% en 90% van de nominale spanning, gedurende 10 ms tot 60 s. De volgende figuur licht deze definitie toe.
Unom
0,9.Unom tijd
∆dip (%)
∆t Udip 0V
Hinder ten gevolge van netspanningsfluctuaties komt in Nederland nauwelijks voor. Ook hiervan kan worden gezegd, dat als het optreedt het veelal is beperkt tot de installaties van de verbruiker die hinder veroorzaakt (oorzaak: slecht, dat wil zeggen te “licht” ontworpen installaties) en de onmiddellijke omgeving. In landen met inductriële installaties die het net sterk fluctuerend belasten, zoals bijvoorbeeld bij elektrische lichtboogovens, vormen spanningsfluctuaties een veel wijdverbreider probleem. Een extreme vorm van een spanningsfluctuatie is een spanningsonderbreking. In de volgende figuur is een voorbeeld gegeven van een spanningsdip.
-3-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
Voorbeeld van spanningsdip (veroorzaakt door het starten van een lift)
-
(hogere) harmonischen, subharmonischen en interharmonischen. Met name harmonischen vormen een groter probleem dan de andere, hiervoor genoemde netvervuilende componenten. Dat komt door de geringe verzwakking van dit soort componenten in de elektriciteitsnetten, de cumulatie van harmonischen veroorzaakt door verschillende niet-lineaire belastingen en door de kans op het optreden van resonantieverschijnselen. In de volgende figuur is een voorbeeld gegeven van een sterk vervormde spanning (ten gevolge van harmonischen).
2.2 Oorzaken Netvervuiling kan in principe op drie verschillende plaatsen ontstaan: bij de opwekking, bij de voortgeleiding (transport) en bij het gebruik van elektrische energie. De generatoren in de huidige centrales wekken een nagenoeg sinusvormige spanning op; dat was in het begin van de elektrificatie wel anders. Netvervuiling bij de voortgeleiding kan ontstaan door blikseminslag, door tijdelijke aardsluitingen in bovengrondse netten en door het in verzadiging raken van vermogens- en distributietransformatoren. Voor het overgrote deel wordt netvervuiling echter – via de impedantie van het elektriciteitsnet - veroorzaakt door de aangesloten belastingen van de verbruikers. Netvervuiling kan afzonderlijk of in combinatie optreden en worden veroorzaakt door: - blikseminslag in bovengrondse (HS-)netten (surges) - het aanspreken van smeltveiligheden, waardoor (grote) belastingen plotseling worden afgeschakeld (surges/transients)
-4-
-
-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
vermogenselektronica (ongestuurde en gestuurde gelijkrichters en andere convertors, spanningsfrequentieregelingen, chopperschakelingen), gasontladingslampen e.d. (harmonischen, subharmonischen, interharmonischen, commutatietrillingen bij gelijkrichters). Voorbeelden van wijdverbreide bronnen van harmonische netvervuiling zijn TV-toestellen en andere consumentenelektronica, PC’s en monitors. Ook compact-fluorescentielampen kunnen in dat verband worden genoemd, al is de bijdrage aan het netvervuilingsniveau daarvan minder dan aanvankelijk weleens werd aangenomen het inschakelen van apparatuur met grote vermogens en van grote inductieve en capacitieve belastingen (spanningsveranderingen, spanningsdips, surges/transients) apparatuur waarvan de belasting sterk varieert zoals lasapparatuur, kopieermachines e.d. (spanningsdips, surges/transients) schakelen van condensatorbatterijen t.b.v. blindstroomcompensatie in MS- en HS-netten (oscillatory impulses/uitslingerverschijnselen) storingen/kortsluitingen in hoog-, midden- en laagspanningsnetten of in de installaties van de aangeslotenen (dips en spanningsonderbrekingen, qua tijd variërend van kortstondig tot langdurig).
2.3 Gevolgen Gevolgen van het optreden van netvervuiling kunnen zijn: - extra warmte-ontwikkeling in motoren, transformatoren en condensatoren (ten gevolgen van harmonischen etc.) eventueel gevolgd door het aanspreken van de desbetreffende beveiligingen (voor zover aanwezig) - tijdelijke verstoring van de goede werking en beschadiging van elektronische apparatuur, zoals PC’s (surges en transients, dips, maar ook interharmonischen) - lichtflikkeringen veroorzaakt door lampen aangesloten op het elektriciteitsnet (spanningsfluctuaties) - het verstoren van de goede werking van afstandsbesturingssystemen (TF-systemen), zoals die door de elektriciteitsbedrijven worden gebruikt (harmonischen en interharmonischen).
3.
EN 50160 EN DE BEWAKING VAN HET NETVERVUILINGSNIVEAU DOOR DE NEDERLANDSE ENERGIEBEDRIJVEN
De Europese norm EN 50160 (“Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems”) bevat een overzicht van de belangrijkste kenmerken van de netspanning. Voor een aantal van die kenmerken is aangegeven welke waarde naar verwachting niet zal worden overschreden voor wat betreft de spanningen in de aansluitpunten (van verbruikers) in openbare laag- en middenspanningsnetten in Europa onder normale omstandigheden, waarbij de (ideale) situatie met sinusvormig verlopende, symmetrische driefasen spanningen als referentie wordt genomen. In die norm wordt aandacht besteed aan de volgende afwijkingen van de ideale situatie: - variaties van de netfrequentie - langzame netspanningsvariaties - snelle netspanningsvariaties (resulterend in onder meer flickerverschijnselen) - spanningsdips * - kort- en langdurige spanningsonderbrekingen * - 50 Hz-overspanningen tussen geleiders en aarde * - transiënte overspanningen tussen geleiders en aarde * - netspanningsasymmetrie - harmonische componenten in de spanning - interharmonische componenten in de spanning * - signaalspanningen gesuperponeerd op de spanning.
-5-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
Voor de met een * aangegeven afwijkingen zijn in EN 50160 slechts indicatieve waarden genoemd of in het geheel geen waarden aangegeven. Al meer dan 10 jaar bewaken de Nederlandse energiebedrijven het netvervuilingsniveau in hun elektriciteitsnetten. Dat gebeurt steekproefsgewijs en op landelijk niveau. Dat wil zeggen, dat het een gezamenlijk systeem is van de Nederlandse energiebedrijven en dat periodiek – het streven is jaarlijks - de kwaliteit van de netspanning in de populaties gevormd door de laag-, midden- en hoogspanningsnetten in Nederland steekproefsgewijs wordt vastgesteld. Aanvankelijk beperkte dit systeem van Power Quality Monitoring (PQM-systeem) zich uitsluitend tot netvervuiling in de vorm van harmonischen, maar sinds 1996 wordt ook aandacht besteed aan andere vormen van netvervuiling: - langzame netspanningsvariaties (grootte van de netspanning) - snelle netspanningsvariaties - netspanningsasymmetrie. De andere in EN 50160 genoemde kenmerken worden (nog) niet in beschouwing genomen, omdat er geen eenduidige normen voor zijn gesteld en EN 50160 dus geen criteria bevat om de resultaten van metingen te kunnen beoordelen (kenmerken aangegeven met * in de hiervoor opgenomen opsomming), of omdat ze minder relevant zijn (netfrequentie, signaalspanningen). Voor de overige kenmerken, die wel worden geregistreerd, worden de criteria die gehanteerd worden bij de beoordeling van de resultaten ontleend aan EN 50160. Voor die kenmerken zijn in tabel 1 de toetsingscriteria weergegeven. Voor wat betreft de registratie en beoordeling van die kenmerken wordt uitgegaan van de door UNIPEDE opgestelde “Measurement Guide for voltage characteristics” . Dat betekent, dat er meetperioden van een week worden gehanteerd met meetintervallen van 10 minuten. De vermelde grenswaarden mogen voor 95% van meetintervallen niet worden overschreden. Tabel 1 PQM-project: de te bewaken spanningskenmerken en de daarvoor gehanteerde grenswaarden. 1 Spanningskenmerk Te meten grootheid Grenswaarde ( ) 2 Langzame spanningsvariaties Gemiddelde van de effectieve LS: Unom +6%/-10% ( ) waarden in een meetinterval MS: Uc ± 10% Snelle spanningsvariaties Plt op basis van 12 Plt = 1 opeenvolgende waarden van Pst Asymmetrie van de netspanning Gemiddelde van de verhouding A = 2% van de inverse en synchrone 50 Hz-componenten in meetinterval Zie tabel 1 resp. 2 van EN 50160 Harmonische spanningen Per harmonische: gemiddelde THD = 8% van effectieve waarde in meetinterval, gerelateerd aan de nominale netspanning, en THD 1
( ) Voor HS-niveau gelden dezelfde eisen als voor MS-niveau 2 ( ) De grenswaarden zijn anders (strenger) dan volgens EN 50160. De spanning dient tot en met 2003 te voldoen aan de eisen gesteld in HD 472 S1 (IEC 38). Spanningsdips worden niet geregistereerd, omdat er in EN 50160 eenduidige beoordelingscriteria voor ontbreken. Vanwege de relevantie van deze spanningsafwijkingen is echter wel gepoogd dergelijke criteria voor de Nederlandse situatie vast te leggen (zie tabel 2; heeft geen officiële status).
-6-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
Tabel 2 Referentiewaarden voor het aantal spanningsdips (betrokken op een periode van een jaar) verdeeld naar grootte en duur voor de Nederlandse laag-, midden- en hoogspanningsnetten (LS/MS/HS). Duur
Grootte van de dip in % van de nominale spanning. 10 ms ≤ t < 100 ms
100 ms ≤ t ≤ 500 ms
500 ms ≤ t <1s
1s≤t <3s
3s≤t < 20 s
20 s ≤ t < 1 min
10% < dip ≤ 15%
75/30/15
75/30/15
10/5/3
5/3/2
4/2/1
2/1/1
15% < dip ≤ 30%
50/20/15
40/20/10
5/3/2
2/1/1
2/1/1
1/1/0
30% < dip ≤ 60%
15/8/4
10/6/4
5/3/2
2/1/1
2/1/1
1/1/0
60% < dip ≤ 99%
10/5/3
10/5/3
2/1/1
2/1/1
1/1/0
1/1/0
Zoals vermeld worden de metingen ten behoeve van het PQM-systeem overeenkomstig de door UNIPEDE opgestelde “Measurement Guide for voltage characteristics” uitgevoerd en geëvalueerd. De tot nu toe gevonden resultaten kunnen als volgt worden samengevat: De resultaten voldoen aan de in het kader van het PQM-project gestelde eisen. Dit betekent, dat zowel voor de laag-, midden- en hoogspanningsnetten per beschouwd spanningskenmerk in niet meer dan één van de meetpunten (van een steekproef van 50) niet wordt voldaan aan het voor dat kenmerk gestelde criterium (zie tabel 1: grenswaarde) voor meer dan 5% van de tijd. Opmerking: De NetCode, waarin de rechten en verplichtingen van (net)beheerders van en aangeslotenen op openbare elektriciteitsnetten zijn vastgelegd om de netbeheerders de noodzakelijke middelen te verschaffen om de transportdiensten te kunnen leveren conform artikel 16, lid 1 van de Elektriciteitswet 1998, zijn onder meer eisen geformuleerd met betrekking tot de spanningskwaliteit. Oorspronkelijk is bij het opstellen van dit technische voorschrift (door de netbeheerders) uitgegaan van eisen zoals geformuleerd in EN 50160 en in andere internationale normen. DTe, de Dienst uitvoering en toezicht Elektriciteitwet, heeft deze eisen echter aangescherpt. Zo is bijvoorbeeld het deel van de tijd dat de in het kader van het PQM-project beschouwde kenmerken aan de gestelde eisen moeten voldoen, verhoogd van 95% naar 99,5%. Ook op andere punten zijn strengere eisen geïntroduceerd dan op grond van internationale normen mocht worden verwacht. De consequentie hiervan is, dat de NetCode – voor wat betreft de aan te sluiten apparatuur – aanleiding kan geven tot ongelijke behandeling van Nederlandse verbruikers ten opzichte van verbruikers in andere Europese landen en dientengevolge tot handelsbelemmeringen, hetgeen indruist tegen de principes van de Europese regelgeving.
4
INTERNATIONALE NORMEN
Om de mate waarin netvervuiling optreedt en de gevolgen ervan, te kunnen beheersen zijn eisen geformuleerd waaraan apparatuur, toestellen etc. bedoeld om op het elektriciteitsnet aan te sluiten moeten voldoen. Het betreft enerzijds eisen gesteld met betrekking tot de emissie van verschijnselen
-7-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
die netvervuiling veroorzaken en anderzijds eisen met betrekking tot de immuniteit voor netvervuiling. In tabel 3 is een globaal overzicht gegeven van de betreffende internationale normen. In het overzicht zijn ook de relevante IEC-rapporten opgenomen. Tabel 3 Spanningskenmerk Harmonischen; LS; ≤ 16 A Harmonischen; LS; > 16 A Harmonischen; MS en HS Harmonischen, interharm., signaalspanningen; LS Spanningsfluctuaties; LS; ≤ 16 A Spanningsfluctuaties; LS; > 16 A Spanningsfluctuaties; LS; ≤ 75 A (spec. cond.) Spanningsfluctuaties; MS en HS
1
Emissie ( ) IEC 61000-3-2 (H) IEC 61000-3-4 (R) IEC 61000-3-11 (S) IEC 61000-3-6 (R) IEC 61000-3-3 (H)
IEC 61000-4-13 (S) IEC 61000-4-14 (S)
IEC 61000-3-5 (R) IEC 61000-3-11 (H) IEC 61000-3-7 (R) IEC 61000-4-11 (S)
Dips, onderbrekingen, variaties; LS; ≤ 75 A Netfrequentie; LS Spanningsasymmetrie; LS; ≤ 16 A Surges; LS Transients (EFT); LS Oscillatory waves; LS Signaalspanningen; LS CM-spanningen 0 –150 kHz; LS RF-storing; LS
1
Immuniteit ( )
IEC 61000-4-28 (S) IEC 61000-4-27 (S) IEC 61000-4-5 (S) IEC 61000-4-4 (S) IEC 61000-4-12 (S) IEC 61000-3-8 (S) IEC 61000-4-16 (S) IEC 61000-4-6 (S)
(1) (H) = EN-versie is in het kader van de Europese EMC-richtlijn 89/336/EEG geharmoniseerde Europese Norm (S) = International Standard / Europese Norm (R) = Report 4.1
Wijzigingen in EN-IEC 61000-3-2
Met name EN-IEC 61000-3-2 (“Electromagnetic compatibility (EMC) – Limits – Limits for harmonic current emissions (equipment input curent ≤ 16 A per phase”) was in de laatste 10 jaar onderwerp van felle discussies tussen vertegenwoordigers van fabrikanten en van elektriciteitsbedrijven in de betreffende internationele (IEC SC77A en de werkgroepen ervan) en nationale normcommissies. De eerste uitgave – min of meer de opvolger van IEC 555-2 – verscheen in maart 1995. De tweede uitgave, waarin hoofdzakelijke redactionele wijzigingen zijn aangebracht, werd in augustus 2000 gepubliceerd. Slechts een paar maanden later – in oktober 2000 – is een nieuwe versie van deze Europese norm geratificeerd en in januari 2001 gepubliceerd. Hierin zijn essentiële wijzigingen doorgevoerd. De in de norm gehanteerde klasse-indeling is drastisch gewijzigd. Zo vallen onder klasse D uitsluitend nog PC’s en monitoren daarvoor, alsmede TV-ontvangers. Met deze nieuwe publicatie bestaat er vanaf 1 januari 2001 de keuze om producten ofwel aan de eisen van de bestaande EN of aan de eisen van de – door Amendement A 14 – gewijzigde EN te laten voldoen. Vanaf 1 januari 2004 is alleen dat laatste mogelijk. De belangrijkste wijzigingen die door middel van Amendement A 14 zijn ingevoerd zijn: - Een gewijzigde klasse-indeling van apparatuur. Zo valt onder klasse A nu ook audio-apparatuur. Deze apparatuur behoorde eerst grotendeels tot de klasse D; de eraan gestelde eisen zijn door
-8-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
deze wijziging versoepeld. Tot de klasse D behoren nu – zoals eerder vermeld – alleen nog PC’s en monitoren daarvoor, alsmede TV-ontvangers. Een volledig overzicht van de nieuwe klasseindeling is gegeven in hoofdstuk 5 van de nieuwe versie van EN-IEC 61000-3-2. Ter vergelijking: In de flow-chart (figuur 2) in hoofdstuk 5 van de oude versie van EN-IEC 61000-3-2 is aangegeven hoe de oude klasse-indeling was. -
Verder is hoofdstuk 6 (“General requirements”) - en met name paragraaf 6.2 daarvan (“Harmonic current measurement”) grondig aangepast.
-
Voor wat betreft de categorieën apparatuur waarvoor geen eisen zijn gedefinieerd worden - naast professionele apparatuur met een nominaal vermogen groter dan 1 kW – in hoofdstuk 7 nu ook expliciet genoemd: • apparatuur met een nominaal vermogen van 75 W en minder, anders dan verlichtingsapparatuur • symmetrisch geregelde verwarmingselementen met een nominaal vermogen van 200 W of minder • losse dimmers voor gloeilampen met een vermogen van 1 kW en minder. Deze uitzonderingen golden overigens ook reeds volgens de oude norm, maar zijn nu eenduidiger en transparanter vermeld.
In de flowchart in hoofdstuk 7 van de nieuwe versie van EN-IEC 61000-3-2 is aangegeven hoe wordt vastgesteld of apparatuur aan de eisen gesteld in die norm voldoet.
5
NATIONALE NORMEN
Artikel 2.1.5.8 van de NetCode bepaalt, dat de aangeslotenen moeten aantonen dat desbetreffende apparatuur, toestellen etc. voldoen aan: - “Richtlijnen voor toelaatbare harmonische stromen geproduceerd door apparatuur met een vermogen groter dan 11 kVA” in januari 1996 uitgegeven door EnergieNed - “Richtlijn voor harmonische stromen en netspanningsasymmetrie bij eenfasige 25 kV-voedingen” in maart 1999 uitgegeven door EnergieNed. 5.1
“Richtlijnen voor toelaatbare harmonische stromen geproduceerd door apparatuur met een vermogen groter dan 11 kVA” Deze richtlijnen zijn opgesteld om eisen te kunnen stellen aan de emissie van harmonischen door apparatuur waarin EN-IEC 61000-3-2 totdantoe niet in voorzag. Het gaat onder meer om apparatuur te installeren door verbruikers die op middenspanning- of zelfs hoogspanningsniveau zijn aangesloten. Weliswaar is voor die situaties inmiddels een technisch rapport van IEC (IEC 61000-3-6) verschenen, maar de verwachting is, dat er geen IEC- en/of EN-norm voor zal worden opgesteld, omdat de problemen ten gevolge van harmonischen op die spanningsniveaus veelal een specifiek nationaal karakter vertonen en nauw samenhangen met de betreffende (nationale) netconfiguraties. Veel landen hebben danook hun eigen nationale normen ervoor opgesteld.
-9-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
In bedoelde Nederlandse richtlijnen zijn eisen voor een viertal soorten niet-lineaire belastingen opgenomen: - belastingen die met het elektriciteitsnet zijn gekoppeld via een gestuurde of ongestuurde gelijkrichter c.q. apparatuur bestaande uit een energiebron die via een wisselrichter energie aan het elektriciteitsnet levert - triac- en thyristorgeregelde ohmse belastingen zoals die onder meer worden gebruikt voor de regeling van verlichtingsinstallaties (bijvoorbeeld in theaters) en van heaters - softstarters voor asynchrone motoren - installaties voor assimilatieverlichting, gebruikt in de glastuinbouw. De eisen zijn rechtstreeks gericht op het technisch ontwerp van de apparatuur. - Zo worden er voor wat betreft gelijkrichters en wisselrichters niet alleen eisen gesteld aan de geproduceerde harmonische stromen, maar daarnaast ook aan het maximaal toegestane vermogen (per spanningsniveau), het pulsgetal, de overlappingshoek, de rimpelfactor en – bij gestuurde gelijkrichters – aan de asymmetrie van de ontsteekhoeken. - Voor triac- en thyristorgeregelde ohmse belastingen zijn de eisen gericht op de symmetrie van de ontsteekhoeken en van de belastingen en bovendien – om te grote interharmonischen te voorkomen – op de regelsnelheid van de ontsteekhoeken. - Bij softstarters voor asynchrone motoren mag de asymmetrie van de ontsteekhoeken een bepaalde waarde (3°) niet overschrijden; bovendien geldt er met betrekking tot de te hanteren starttijd een minimum-eis. - Assimilatieverlichting wordt in de glastuinbouw in toenemende mate toegepast. Bovendien worden er per aansluiting steeds grotere vermogens aangewend. Bij dit soort belastingen – bestaande uit een groot aantal gasontladingslampen - dient rekening te worden gehouden met twee soorten resonantieverschijnselen in de installatie van de betreffende verbruiker (tuinder): • parallelresonantie voor harmonischen opgewekt door (de gasontladingslampen van) de verbruiker zelf • serieresonantie voor harmonischen afkomstig van andere verbruikers. Met name door dit laatste verschijnsel moet bij assimilatieverlichting met een geheel ander probleem rekening worden gehouden dan bij andere niet-lineaire belastingen; namelijk met overbelasting van de installatie door harmonischen die als het ware worden afgezogen vanuit het elektriciteitsnet en die dus door andere verbruikers worden geproduceerd. De maatregelen ter e voorkoming van problemen zijn er op gericht resonantie bij de lagere harmonische frequenties (3 e e en 5 en ook 7 ) te voorkomen; met andere woorden de resonantiefrequentie van de installatie - die niet vast is maar varieert met het aantal ingeschakelde armaturen – op voldoende afstand van die harmonische frequenties te houden. Uiteraard moeten de toegepaste gasontladingslampen voldoen aan EN-IEC 61000-3-2. Resonantie in dergelijke installaties kan leiden tot overbelasting van de installatie zelf en van de betreffende nettransformator. De volgende figuur geeft een voorbeeld van de mate waarin de belastbaarheid van een nettransformator wordt gereduceerd als functie van de harmonische stroom in die transformator. Dit voorbeeld betreft – zoals aangegeven – een nettransformator waarvan de zogenaamde extra-koperverliezen 5% bedragen van de kortsluitverliezen.
-10-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
Belastbaarheid van distributietransformator (Pcu,extra=5% Pkort)
100,0
90,0
85,0
Belastbaarheid (%)
95,0
80,0
75,0
70,0 0
0 10
10 15
15 20
20 25
25 30
5e harmonische (%)
30 35
35 40
40 45
3e harmonische (%)
45 50
50 55
55 60
5.2
“Richtlijn voor harmonische stromen en netspanningsasymmetrie bij eenfasige 25 kVvoedingen” De Nederlandse Spoorwegen (NS) passen op dit moment tractievoedingen toe met een gelijkspanning van nominaal 1500 V. De gelijkrichterinstallaties van deze tractievoedingen zijn op het openbare elektriciteitsnet (middenspanningsniveau) aangesloten. In verband met capaciteitsproblemen, de komst van hogesnelheidstreinen en van de Betuwe-lijn wil NS eenfasige 25 kVAC-tractievoedingen gaan toepassen. EnergieNed heeft eisen opgesteld met betrekking tot de harmonische stromen en spanningsasymmetrie veroorzaakt door dit soort tractievoedingen, waarvan het nominale vermogen in de orde van grootte van enkele tientallen MVA ligt. Voor wat betreft de door een tractievoeding veroorzaakte spanningsasymmetrie geldt als eis, dat deze niet groter mag zijn dan 1%, waarbij deze asymmetrie is gedefinieerd als de verhouding van de grootte van de inverse component in de spanning en de synchrone of normale component. Deze eis kan tot 1,5% worden verruimd in het geval de frequentieverdeling van het tractievermogen afgenomen via de betreffende tractievoeding (bij goede benadering) lognormaal is.
-11-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
EnergieNed heeft deze eis gebaseerd op diverse internationale en nationale normen/rapporten. Met name driefasige elektrische machines zijn erg gevoelig voor spanningsasymmetrie. De verliezen nemen er door toe. NEN 3173 (“Roterende elektrische machines. Kengetallen en eigenschappen”) stelt in dit verband: Elektrische draaistroommotoren moeten met een inverse spanningscomponent van 2% kunnen werken, maar dit kan een zeer zware bedrijfstoestand betekenen, die de levensduur van de motoren nadelig kan beïnvloeden. Voor wat betreft de in een hoogspanningsnet veroorzaakte harmonische netspanningsvervorming wordt als eis gehanteerd, dat iedere harmonische in de netspanning het planningsniveau van die harmonische volgens “Report on EMC-co-ordination in Electricity Supply Systems” van UNIPEDE niet mag overschrijden en dat iedere aangeslotene op het HS-net een deel evenredig met zijn aansluitvermogen van dat planningsniveau mag opsouperen. In formulevorm luidt deze eis:
h' n ≤
1,5 S K [ MVA] * * a n ,c.i. n S nom [ MVA]
Hierin is: n rangnummer van beschouwde harmonische h’n bijdrage van een aangeslotene aan het planningsniveau van de n-de harmonische SK het kortsluitvermogen van het HS-net Snom het nominale (3-fasige) vermogen van het HS-net an,c.i. het planningsniveau van de n-de harmonische voor het HS-net. Zie tabel 4.
De gevoeligheid van veel apparatuur voor harmonischen hangt samen met de erdoor veroorzaakte extra thermische belasting. Daarom wordt voor een maximaal toegestane harmonische het gemiddelde ervan over 10 minuten genomen. Bij bovenstaande, in formulevorm gegoten eis is geen rekening gehouden met de gunstige invloed van: - de ongelijktijdigheid van het ingeschakeld zijn van de verschillende niet-lineaire belastingen - de diversiteit van de fasehoeken van de harmonischen geproduceerd door de verschillende nietlineaire belastingen. Als daarmee wel rekening wordt gehouden, dan kan een grotere waarde worden gehanteerd voor de maximaal toegestane harmonische stromen veroorzaakt door een eenfasige 25 kV-tractievoeding. In de richtlijn wordt aangegeven hoe deze mildere eis kan worden berekend. 5.3 Simulatie Probleem bij het opstellen van normen is het beantwoorden van de vraag hoe reëel deze zijn: - Zijn ze niet te streng, waardoor de producenten van apparatuur – en daarmee ook de gebruikers ervan – onnodig op te hoge kosten worden gejaagd - of zijn ze niet te mild, waardoor de kans op overschrijding van de compatibiliteitsniveaus groot is en er problemen kunnen ontstaan met de op een elektriciteitsnet aangesloten apparatuur?
-12-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
Tabel 4: Planningsniveaus voor harmonische spanningen in HS-netten volgens UNIPEDE Rangnummer
Planningsniveau an,c.i. (%)
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 rest even rest oneven, geheel veelvoud van 3 rest oneven
1,5 2 1 2 0,5 2 0,2 1 0,2 1,5 0,2 1,5 0,2 0,3 0,2 1 0,2 1 0,2 0,2 0,2 0,7 0,2 0,7 0,2 0,2 0,2+12,5/n
Om deze vraag te kunnen beantwoorden voor de in 5.1 en 5.2 genoemde EnergieNed-richtlijnen, is gebruik gemaakt van simulaties berustend op de Monte Carlo-methode. Globaal ziet die methode er als volgt uit voor de simulatie om de richtlijnen voor gelijkrichters bedoeld in par. 5.1 te beoordelen: 1. Benoeming van de variabelen, de maximale en minimale waarde die ze naar verwachting in de praktijk zullen aannemen en hun kansdichtheidsverdeling. Die variabelen zijn in dit geval: • de kortsluitspanning en het nominale vermogen van de vermogenstransformator(en) • de parallel-resonantiefrequentie van het beschouwde net • het maximum en minimum van het totale niet-lineaire vermogen (in de vorm van gelijkrichters etc.) waarmee het net wordt belast en de kansdichtheidsverdeling daarvan • de grootste en kleinste waarde van de individuele niet-lineaire belastingen (in de vorm van gelijkrichters) en de kansdichtheidsverdeling ervan • de grootste ontsteekhoek van de gelijkrichters en de kansdichtheidsverdeling van de ontsteekhoeken.
-13-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
2. Linearisering van de beschouwde kansdichtheidverdelingen (in verband met de aselecte trekkingen). 3. Aselecte trekking van het totale niet-lineaire vermogen. 4. Invulling van dit totale niet-lineaire vermogen door aselecte trekking van de vermogens van de gelijkrichters. 5. Aselecte trekking van de ontsteekhoeken van de gelijkrichters. 6. Berekening van de diverse harmonische stromen geproduceerd door de gelijkrichters (er wordt vanuitgegaan dat die gelijkrichters juist aan de richtlijnen voldoen). 7. Sommering van die harmonische stromen met inachtneming van de fasehoeken. 8. Berekening van de netimpedanties voor de verschillende harmonischen. 9. Berekening van de harmonische spanningen. 10. Stappen 3 tot en met 9 worden 100 maal herhaald. 11. Van elke harmonische spanning wordt de waarde bepaald die in X% van de gevallen niet wordt overschreden (voor X wordt bijvoorbeeld 95 genomen) 12. Voor elke harmonische wordt de op die wijze gevonden waarde getoetst aan het compatibiliteitsniveau van die harmonische. De Monte Carlo simulatie-methode is overigens algemeen toepasbaar bij complexe problemen waarbij diverse variabelen in het spel zijn, met name dus ook bij die welke betrekking hebben op de elektriciteitsvoorziening. Deze methode is ook toegepast bij de totstandkoming van de onder 5.2 genoemde richtlijn en bij problemen die te maken hebben met de liberalisering van de elektriciteitsmarkt. De praktische toepasbaarheid van de onder 5.2 genoemde richtlijn is trouwens geverifieerd door middel van een tweetal case-studies, waarvan er één betrekking had op de (toekomstige) hogesnelheidslijn.
6
MAATREGELEN OM HET NETVERVUILINGSNIVEAU TE BEPERKEN
Om de mate waarin netvervuiling optreedt en de gevolgen ervan, te beperken worden er – zoals eerder aangegeven - eisen gesteld aan apparatuur, toestellen etc. bedoeld om op het elektriciteitsnet te worden aangesloten. Bedoelde normen zijn in de voorgaande paragrafen genoemd. Met name bij de EnergieNed-richtlijnen behandeld in 5.1 is kort vermeld welke technische maatregelen in de aan te sluiten apparatuur zelf leiden tot een lager netvervuilingsniveau. Bij gelijkrichters bijvoorbeeld is de harmonische netvervuiling lager naarmate het vermogen kleiner is, het pulsgetal groter is (reductie lagere harmonischen, afhankelijk van pulsgetal) , de overlappingshoek toeneemt (vooral reductie van harmonischen met de hogere rangnummers), de rimpelfactor afneemt (reductie van lagere harmonischen) en – bij gestuurde gelijkrichters – naarmate de asymmetrie van de ontsteekhoeken kleiner is. Met betrekking tot voornoemde rimpelfactor kan in het algemeen worden gezegd, dat bij gelijkrichterschakelingen – ook bij die toegepast in bijvoorbeeld consumentenelektronica - voor een goede afvlakking van de gelijkrichterstroom moet worden gezorgd. Leemtebedrijf – dat is de situatie waarbij door een gelijkrichter een periodiek onderbroken stroom uit het net wordt betrokken – dient in ieder geval te worden vermeden. Ook het gebruik van andersoortige apparatuur met dezelfde functie kan het netvervuilingsniveau beperken. Te denken valt daarbij bijvoorbeeld aan het gebruik van TFT-schermen (flat-screens) in plaats van de tot nu toe meer gebruikelijke monitoren bij computeropstellingen. Vooral als het om
-14-
FE 01-0007 01-08-28 Blm/Blm
grote aantallen gaat – zoals bij banken – kan dit voorkomen, dat de werking van apparatuur gestoord wordt door de door die apparatuur zelf geproduceerde netvervuiling. Dat laatste kan zich ook voordoen bij regelingen van grote verlichtingsinstallaties zoals die bijvoorbeeld in theaters worden toegepast. Door de immuniteit (voor harmonische componenten in de spanning) van die regelingen te verhogen kunnen problemen worden voorkomen, aangenomen dat de rest van de aangesloten apparatuur ook een voldoende hoog immuniteitsniveau bezit. De laatste jaren is er sprake van ontwikkeling van netvriendelijke toepassingen van de vermogenselektronica. Met name de komst van nieuwe halfgeleidercomponenten - zoals GTO’s en IGBT’s - heeft dat mogelijk gemaakt. Als laatste redmiddel om problemen ten gevolge van harmonische netvervuiling te voorkomen c.q. op te lossen kunnen filters worden genoemd. Daarbij dient onderscheid te worden gemaakt tussen zuigfilters opgebouwd uit passieve componenten – spoelen en condensatoren – en actieve filters die ongewenste harmonische stromen compenseren door zelf harmonischen te injecteren, 180° in fase verschoven. Als er zuigfilters moeten worden geïnstalleerd, dan zijn de Nederlandse energiebedrijven voorstander van een centrale aanpak. Dat wil zeggen, dat niet iedere verbruiker die (te veel) harmonische netvervuiling produceert, zijn eigen zuigfilter plaats, maar dat het energiebedrijf zelf één filter in het betreffende elektriciteitsnet installeert, in de meeste gevallen direct aan de secundaire zijde van de vermogens- of distributietransformator via welke het betreffende net wordt gevoed. Door deze centrale aanpak worden eventuele resonantieproblemen in de netten beter beheersbaar.
7
REFERENTIES
[1] EN-IEC 61000-3-2:2000: “Electromagnetic compatibility (EMC) – Limits – Limits for harmonic current emissions (equipment input curent ≤ 16 A per phase)”; december 2000 [2] EN 50160: “Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems”; november 1999 [3] UNIPEDE: “Measurement Guide for voltage characteristics”; juli 1995 [4] Dienst uitvoering en toezicht Elektriciteitswet (DTe): “NetCode”; april 2001 [5] M. Achterkamp, J. Knijp: “Spanningskwaliteit in Nederland. Resultaten van het project Power Quality Monitoring, 1999”; KEMA-rapport; 26 juni 2000 [6] EnergieNed: “Richtlijnen voor toelaatbare harmonische stromen geproduceerd door apparatuur met een vermogen groter dan 11 kVA”; januari 1996 [7] EnergieNed: “Richtlijn voor harmonische stromen en netspanningsasymmetrie bij eenfasige 25 kV-voedingen”; maart 1999 [8] UNIPEDE: “Report on EMC-co-ordination in Electricity Supply Systems”; oktober 1994 [9] G. Blom: “Beperking van harmonische stromen in installaties voor assimilatieverlichting”; KEMArapport; 28 juli 1998 [10] G. Blom: “Het toepassen van zuigfilters in vervuilde elektriciteitsnetten”; Elektrotechniek 63 (1985)
