Spanningsdips: hoe zich beschermen tegen het onvermijdelijke? Synergrid, de federatie van de netbeheerders elektriciteit en aardgas in België

Spanningsdips: hoe zich beschermen tegen het onvermijdelijke ?

Synergrid, de federatie van de netbeheerders elektriciteit en aardgas in België.

1. Inleiding Elektriciteit is overal aanwezig in ons leven, zowel in onze privéomgeving als op professioneel vlak. Bij een stroomon derbreking ondervind je dit aan den lijve! In de industrie heeft de modernisering van de processen (door de verbreiding van de automatisering en de elektronica in het algemeen) de gevolgen van een elektrische storing aanzienlijk vergroot. Maar niet alleen is de beschikbaarheid van elektriciteit belangrijk, ook haar kwaliteit wordt een be palende factor! Een spanningsdip, zelfs relatief klein in omvang, kan grote problemen veroorzaken. Industriëlen en ondernemers den ken hierbij onmiddellijk aan het stilvallen van de productie, aan het verlies van producten of grondstoffen of aan de over uren die eventueel nodig zouden zijn om het proces weer op gang te krijgen. Om de kost van een elektrische storing exact te bepalen, moeten ook andere aspecten in aanmer king genomen worden: de impact op de klantentevredenheid (bijvoorbeeld door een vertraging van de levering), de veilig heidsrisico’s voor het personeel en de productieinstallatie, het verlies van gegevens, enz. Toch kunnen er in de meeste gevallen aanvaardbare maatregelen genomen worden om de schade te beperken. Om hierbij de juiste keuze te maken moet een zo correct mogelijke schatting van de kosten inge bracht worden in een technisch-economische analyse.

Spanningsdips: hoe zich beschermen tegen het onvermijdelijke ? | 2

De beheerders van elektrische netten (transport en distribu tie) zijn bewust van de steeds groter wordende gevolgen van storingen in de toevoer van elektriciteit. Elke dag wordt er gewerkt om een maximale kwaliteit van onze netwerken te garanderen. Maar de netbeheerders zijn niet overal aanwezig en hebben niet alles zelf in de hand. Dit is dan ook de reden waarom bij de problematiek van spanningsdips verschillende betrokken partijen verantwoordelijkheid dragen: de netbe heerders, de netgebruikers, maar ook de fabrikanten van de apparatuur, de studiebureaus, de netgebruikers… Met het opmaken van deze brochure, wil Synergrid – de fe deratie van de netbeheerders – de netgebruikers helpen de problematiek van spanningsdips beter te begrijpen. Na eerst het fenomeen gedefinieerd te hebben, zullen de oorzaken ervan aangesneden worden. Vervolgens zullen de gevolgen van spanningsdips bestudeerd worden voor bepaalde typi sche industriële apparatuur. Tenslotte zullen een aantal mo gelijkheden voorgesteld worden om de gevoeligheid van de processen te verminderen.

2. Het fenomeen “spanningsdip” Definitie Allereerst is het belangrijk om het begrip spanningsdip te definiëren: het gaat om een plotse, kortstondige daling van de spanning. De norm EN501601 bepaalt dat het spannings niveau hierbij daalt tot een restwaarde die ligt tussen 90% en 5% van de referentiespanning2. De duur van de daling varieert van 10 ms tot een paar seconden. Onderstaande figuur toont een voorbeeld van het verloop van de spanningsgolfvorm U(t) tijdens een spanningsdip, evenals de evolutie van haar effectieve waarde Urms3. U(t) t

Als er meerdere fasen bij een dip betrokken zijn, is conven tioneel overeengekomen dat de dip begint wanneer op een eerste fase de spanning daalt tot onder de grens van 90 % van de referentiewaarde en eindigt wanneer de spanning op alle fasen opnieuw tot boven deze waarde gestegen is. Uit deze definitie kan men gemakkelijk de drie belangrijkste parameters afleiden die karakteristiek zijn voor een span ningsdip: de duur, de diepte en het aantal betrokken fasen4. Spanningsdips worden meestal grafisch voorgesteld in een duur/restspanninggrafiek (zie Figuur 3 - Verzameling van alle dips gemeten op 39 sites in 2007, per type)5.

Spanningsdip of onderbreking: waar zit het verschil ?

Urms Uref Uref - 10% ∆U ∆t

t

Figuur 1| Voorbeeld van een spanningsdip

De diepte van de spanningsdip komt overeen met de maximale daling van de effectieve waarde van de spanning (uitgedrukt in %). De duur van de spanningsdip wordt gemeten vanaf het ogenblik dat de spanning onder de 90 % (Uref–10%) daalt tot ze opnieuw 90 % bedraagt.

Men maakt meestal het onderscheid tussen spanningsdips, korte spanningsonderbrekingen en lange spanningsonderbre kingen. Al deze fenomenen worden in de meeste gevallen ver oorzaakt door hetzelfde voorval: een elektrische kortsluiting. Het is de plaats in het elektrisch net ten opzichte van de plaats van de oorzaak die bepaalt welke gevolgen dit op de elektri sche voeding op het aansluitingspunt heeft. Bij een kortsluiting wordt het getroffen netgedeelte geïsoleerd door de werking van de beveiligingen. Een aansluitingspunt op het net zal enkel door een onderbreking getroffen worden indien het deel uit maakt van dit geïsoleerde gedeelte6. Meestal gebeurt dit wan neer de kortsluiting zich voordoet op de kabel of de luchtlijn die het aansluitingspunt voedt of in een naburige installatie.

1 | EN 50160: Spanningskarakteristieken in openbare elektriciteitsnetten 2 | Referentiespanning: Bij laagspanning is dit de nominale spanning (230V), bij hogere spanningsniveaus is dit de meegedeelde spanning. 3 | Effectieve waarde: De effectieve waarde (ook RMS of Root Mean Square genoemd) van een stroom of van een spanning, veranderlijk in tijd, komt overeen met de waarde van de continue stroom of een continue spanning die een identieke opwarming veroorzaakt in een weerstand. 4 | Er bestaan andere karakteristieken, zoals bijvoorbeeld de vectorsprong. 5 | Een restspanning van 70% komt overeen met een diepte van 30% 6 | Op de spanningsniveaus van 30 kV tot 380 kV zijn de netten vermaasd. Hierdoor wordt, bij het optreden van een kortsluiting in deze netten, een groot deel van de voedingsonderbrekingen van het cliënteel vermeden.


Twee gevallen kunnen zich voordoen:  De spanning kan niet onmiddellijk hersteld worden: de netbeheerder moet in dit geval ter plaatse komen om, na de automatische isolering van het netge deelte, de voeding van de getroffen netgebruikers zo snel mogelijk opnieuw op gang te brengen (dit kan vrij lang duren – van een paar tientallen minuten tot ver scheidene uren). Men spreekt dan van een langdurige onderbreking. De kortsluiting doet zich hierbij meestal voor in ofwel een (ondergronds) kabelnet ofwel in een bovengronds luchtnet waarbij de kortsluiting aanwe zig blijft na de eventuele pogingen tot automatisch herinschakelen7.  De spanning wordt snel hersteld door middel van een automatisme. Een voorbeeld hiervan is een beveili ging met een automatische herinschakeling7 waarbij de netgebruikers snel opnieuw gevoed worden bij een kortsluiting van voorbijgaande aard; in dit geval is de korte tijdsduur van de onderbreking gekoppeld aan de combinatie van de tijd die nodig is om de kort sluiting te doen verdwijnen en de tijd nodig voor het opeenvolgend herinschakelen (meestal 500 ms, 3 s, 30 s voor de netwerken van 6kV tot 15 kV8). Wanneer hebben we dan te maken met een spanningsdip? In functie van een bepaald aantal parameters veroorzaakt een kortsluiting binnen een zekere elektrische actieradius (buiten het geïsoleerde gedeelte) een spanningsdip met variërende amplitude (zie verder). Het is dan ook logisch dat het automatisch herinschakelen aanleiding kan geven tot snel opeenvolgende dips (met tussenpauzen van ty pisch 300 ms, 3 s, 30 s).

Zich beschermen tegen onderbrekingen – waarbij de restspanning nul of verwaarloosbaar is en de duur meestal belangrijk is - vereist veel meer middelen dan bescherming tegen de gevolgen van spanningsdips. Gelukkig komt deze storing minder vaak voor. Enkel de problematiek rond spanningsdips wordt besproken in het vervolg van deze brochure.

Karakteristieken van een spanningsdip Zoals hierboven gemeld, hebben spanningsdips een sterk variërende duur en diepte en kunnen er bovendien één of meerdere fasen bij betrokken zijn. Om dit te illustreren heb ben wij in de netten van 6 kV tot 15 kV, 39 representatieve meetpunten gekozen waarvoor de gemeten spanningsdips van het jaar 2007 geanalyseerd worden. Een onderscheid is gemaakt tussen drie types van span ningsdips, in functie van het aantal betrokken fasen: (zie ook Figuur 2)

Type I : Daling van voornamelijk één van de

fase-nulpuntspanningen

Type II : Daling van voornamelijk een fase-fase

spanning

Type III : De spanningen op de drie fasen worden

op identieke wijze getroffen

De types I en II worden typisch veroorzaakt door een- of tweefasige kortsluitingen. Type III wordt veroorzaakt door driefasige kortsluitingen.

7 | Om de duur van de onderbreking te beperken, probeert het automatisme van de beveiliging om het voedingscircuit opnieuw te sluiten (herinschakeling). Deze techniek kan enkel gebruikt worden in bovengrondse netten; hier is immers een groot deel van de kortsluitingen van kortstondige, voorbijgaande aard. 8 | Op de lijnen van 70 kV tot 380 kV, is er slechts één poging tot automatisch herinschakelen.


Type 1

Type II

Type III

Figuur 2 | De drie meest voorkomende types van spanningsdips

Voor de meeste spanningsdips is de duur rechtstreeks gekoppeld aan de reactietijd van de beveiliging die een kortsluiting isoleert: in netten van 30 kV tot 380 kV bedraagt de tijd meestal 100 tot 600 ms, maar kan in sommige gevallen 1 s overschrijden; in netten van 6 kV tot 15 kV is de typische grootteorde 300 ms tot 1 s. Dit verklaart reeds waarom de grote meerderheid van de op gemeten spanningsdips (zie verder) een duur heeft die korter is dan één seconde. Let wel: de reactietijden van de beveiligingen worden vastgelegd op basis van selec tiviteitsregels.

Duur van de dip (s)

Dips van type III Restspanning (% Unom)

Dips van type II Restspanning (% Unom)

Restspanning (% Unom)

Dips van type 1

De grafieken in Figuur 3 tonen, voor het geheel van de geselecteerde meetsites en per type, de duur (op de X-as) en de diepte (op de Y-as) van de gemeten spanningsdips. Bij wijze van voorbeeld wordt de gevoeligheidscurve van contactoren ook aangegeven (blauwe curven); de linkse curve karakteriseert de meest gevoelige contactoren ter wijl de rechtse curve de minst gevoelige contactoren ka rakteriseert (zie ook paragraaf over Contactoren in hoofd stuk 3). Indien een dip zich in de zone rechts onder de curve situeert, zal deze een opening van de betreffende contactor veroorzaken en dus de installatie storen.

Duur van de dip (s)

Duur van de dip (s)

Figuur 3 | Verzameling van alle dips gemeten op 39 sites in 2007, per type

Men merkt dat de duurtijd van het overgrote deel van de dips korter is dan één seconde.

Men kan ook onmiddellijk vaststellen dat de keuze voor minder gevoelig materiaal de situatie opmerkelijk kan verbeteren.

De dips van type I (spanningsdaling tussen één fase en het nulpunt) komen het meeste voor, terwijl de dips van het type III het zwaarst zijn.


Oorzaken en verspreiding In tegenstelling tot het algemeen verspreid idee, worden spanningsdips niet altijd veroorzaakt door het “elektrisch net”. In tegendeel! Deze storingen zijn wel onlosmakelijk verbonden met het leven van een elektrisch net. Het is evi dent dat een goed beheer en een degelijk onderhoud van het net het risico op storingen vermindert. Maar een perfect net dat ongevoelig is voor uitwendige factoren bestaat niet. Een netgebruiker beloven dat hij nooit onderhevig zal zijn aan spanningsdips is dan ook totaal denkbeeldig! Een spanningsdip is zelden een lokaal fenomeen. Een spanningsdip plant zich immers voort in het elektrisch net volgens de volgende basisregels: weinig of geen verzwak king in stroomafwaartse richting, wel verzwakking stroom opwaarts (naar hogere spanningsniveaus). Bij de overgang naar een ander spanningsniveau zal de spanningsdip ook van type wijzigen (met uitzondering van type III). Hoe een spanningsdip zich voortplant op eenzelfde spanningsniveau hangt af van de locatie ten opzichte van de oorzaak en de opbouw van het netwerk (radiaal of vermaasd). De opbouw van het net is in grote mate bepaald door de functie die het vervult. Als industrieel of ondernemer moet men er zich van bewust zijn dat men getroffen kan worden door een spanningsdip ten gevolge van een kortsluiting die veroorzaakt is in een nabijgelegen bedrijf. De figuur hiernaast toont, voor een gegeven punt in het net werk, de verschillende zones waarin een kortsluiting een al dan niet diepe spanningsdip zal veroorzaken. De meest kritische zone is aangeduid in rood. Deze zones kunnen zich uitstrekken tot tientallen (en soms zelfs honderden) kilome ters ver.


Figuur 4 | Verspreiding van dips

De meeste spanningsdips worden veroorzaakt door kortslui tingen die op hun beurt worden veroorzaakt door meteorolo gische verschijnselen (blikseminslag op lijnen, losrukken van de lijnen tijdens een storm,…), door beschadigingen aan kabels door wegwerkzaamheden, door de aanwezigheid van dieren, falen van materiaal,… Het is duidelijk dat de oorza ken van de spanningsdips heel verscheiden en talrijk zijn. Een gebruiker kan ook zelf een dip veroorzaken in zijn ei gen netwerk, zonder dat er sprake is van een kortsluiting! Het inschakelen van een grote transformator of het starten van een zware motor kan in sommige omstandigheden een spanningsdaling van meer dan 10 % veroorzaken in een in stallatie. Het aantal dips kan heel sterk evolueren, niet alleen van week tot week, maar ook van jaar tot jaar. Dit kan gemakkelijk af geleid worden uit onderstaande Figuur 5 die de evolutie toont van het aantal dips per week (uitgedrukt in % van het totale aantal) en dit voor dezelfde selectie van meetpunten die ge bruikt wordt in de vorige paragrafen. Figuur 5 vergelijkt met elkaar de resultaten voor de jaren 2005, 2006 en 2007.

Aantal dips of (%dips van(% het Number of totaal) total)

Selectie meetpuntenpoints Selectionvan of measurement 16 14 12 10 8 6 4 2 0

2005

16 14 12 10 8 6 4 2 0

2006

16 14 12 10 8 6 4 2 0

2007

1

3

5

7

9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51

Weeks Weken Figuur 5 | Spreiding in de tijd van de spanningsdips gemeten op 39 sites over de jaren 2005 tot 2007

Het is onmogelijk het aantal storingen of het tijdstip waarop ze zich gaan voordoen te voorspellen. Men kan wel vaststel len dat in sommige periodes meer storingen optreden dan in andere. Dit is voornamelijk gekoppeld aan de onweers

activiteit. Deze invloed van de seizoenen is sterk aanwezig in de bovengrondse netten met spanningen van 30 kV tot 380 kV.

3. Impact van spanningsdips op installaties Immuniteit van apparaten voor spanningsdips Elk apparaat dat elektrisch gevoed wordt, is in meer of minde re mate immuun voor spanningsdips. Bij de beoordeling van deze immuniteit tegenover in duur en diepte voorgeschreven spanningsdips, worden doorgaans een aantal gradaties ge bruikt zoals weergegeven in Tabel 1.

De immuniteitseisen zijn voor elk type van apparaat uiter aard niet identiek. De kritikaliteit van de toepassing waarin dit apparaat gebruikt wordt, is bijvoorbeeld een belangrijke parameter. Denk hierbij maar aan toestellen die in een zie kenhuisomgeving worden gebruikt. Voor een aantal appara ten bestaan dan ook specifieke productnormen waarin on dermeer de immuniteitseisen tegenover spanningsdips zijn opgenomen. Het gedrag van zo een apparaat wordt typisch beschreven aan de hand van de volgende gradaties:


a) Binnen de vereisten die de fabrikant heeft vastgelegd of die door de aankoper zijn voorgeschreven, kan de werking van het apparaat als normaal bestempeld worden. b) Het apparaat vervult tijdelijk zijn functie niet of lijdt aan een verlies van het prestatievermogen, maar herneemt nadien zijn normale werking zonder tussenkomst van een operator. c) Het apparaat vervult tijdelijk zijn functie niet of lijdt aan een verlies van het prestatievermogen. Een operator is vereist om de normale werking te herstellen. d) De hardware of de software van het apparaat raakt beschadigd of er is verlies aan data waardoor een onherstelbaar verlies aan functie of prestatievermogen optreedt.

Tabel 1 | Overzicht van evaluatiecriteria voor de immuniteit

Het kan noodzakelijk zijn om de immuniteit individueel te be naderen omdat veel apparaattypes (zoals bijvoorbeeld snel heidsregelaars) ingezet worden in zowel kritische als nietkritische toepassingen. Indien het immuniteitscriterium niet uitdrukkelijk ter sprake wordt gebracht, zullen in een concur rentiële markt meestal de standaardproducten worden aan geboden die enkel aan de minimumeisen voldoen (criterium c), terwijl voor een beperkte meerkost interessante alterna tieven beschikbaar kunnen zijn. In het geval van kritische processen is het essentieel om reeds tijdens de ontwerpfase rekening te houden met de mogelijke impact van spannings dips. Zoals ook aangeven is in de internationale normen, kan dit door de evaluatiecriteria van Tabel 1 te gebruiken bij de opmaak van een lastenboek voor een apparaat of een instal latie. Voor criterium a moeten de immuniteitseisen qua diepte en tijdsduur van spanningsdips gespecificeerd worden. In de ontwerpfase is het dikwijls mogelijk om tegen een beperkte meerprijs een goede immuniteit te bekomen, terwijl correc tieve maatregelen om de immuniteit van een bestaande in stallatie te verbeteren dikwijls veel duurder zijn. Uit het voorgaande blijkt duidelijk dat de internationale normeringswereld erkent dat onder invloed van spannings

Controllers

A

dips, in functie van hun ernst (diepte en/of duur), de goede werking van apparaten verstoord kan worden. Een dekking van 100 % is in vele gevallen dan ook niet haalbaar om technisch-economische redenen. Meestal is het dan ook noodzakelijk om bijkomende maatregelen te treffen om de gevolgen van een spanningsdip op te vangen. De volgende paragrafen gaan hier dieper op in en kunnen een aanzet zijn om deze aspecten in elke installatie te evalueren.

De immuniteit van een installatie verbeteren Om de impact van dips op een installatie te beperken, kun nen corrigerende maatregelen genomen worden. Dit wordt mitigatie of immunisatie genoemd. Hierbij wordt een onder scheid gemaakt tussen lokale maatregelen op apparaatni veau en globale maatregelen waarbij de volledige installatie beschermd wordt (Figuur 6). Vanuit technisch standpunt bestaan er oplossingen om ieder proces globaal te bescher men. Maar de investering voor zo een globale oplossing is, voor de meeste installaties, economisch niet verantwoord.

B

C

Net

Actuatoren PQ Monitor LS klant

PQ Monitor MS

A Aanpassing op apparaatniveau B Aanpassing voor volledig proces C Globale bescherming bedrijf Figuur 6 | Lokale en globale maatregelen voor de immunisatie van spanningsdips 9 | Indien geen productnorm bestaat, geldt een algemene norm (EN61000-6-1 en EN61000-6-2).


Figuur 7 laat toe om de investeringskost die vereist is om de immuniteit te verhogen, af te wegen ten opzichte van de toekomstige besparingen (vermeden kosten door minder procesonderbrekingen). In eerste instantie dienen de meest kritische processen in de installatie gedetecteerd te worden. De mate waarin een proces kritisch is, kan op meerdere manieren ervaren worden. Veiligheid, heropstarttijd en ver lies van kostbare grondstoffen zijn slechts enkele aspecten die hierbij een rol kunnen spelen. Binnen de kritische processen worden vervolgens de meest gevoelige apparaten of onderdelen gelokaliseerd. Ieder pro ces kan volgens Figuur 9 opgedeeld worden in een vermo gengedeelte en een controlegedeelte. De vraag dient nu ge steld te worden of het volstaat om enkel op controle niveau immunisatie te voorzien. Volgens sommige bronnen zijn tot 70% van de procesuitvallen te wijten aan het falen van de controle apparatuur. Bovendien vergt het immuniseren van het controlegedeelte meestal beperkte investeringen ten op zichte van immunisatiemethoden voor de vermogenkring. Indien het probleem zich niet in het controlesysteem be vindt, moet nagegaan worden welke aanpassingen in de vermogenkring de betrouwbaarheid van de installatie kun nen verhogen.

Bepaal de kritische processen in het bedrijf

Detecteer de meest gevoelige apparaten per kritisch proces

ja

Volstaat bescherming op controle niveau ?

Bepaal de immunisatiestrategie op controleniveau

nee

Bepaal de immunisatiestrategie in de vermogenkring

Analyseer de investeringskost t.o.v. de vermeden kosten door minder uitval

Aantal en aard van de spanningsdips (metingen binnen bedrijf of via netbeheerder)

Figuur 7 | Stappenplan voor het immuniseren

Tenslotte moeten de noodzakelijke aanpassingen en inves teringen gerelateerd worden aan de vermeden kosten door de verhoogde betrouwbaarheid. Hierbij is informatie over de aard en het aantal dips die statistisch verwacht kun nen worden uiteraard belangrijk. Deze informatie kan best vergaard worden door metingen op het aansluitpunt van de installatie, eventueel door de klant zelf of door een andere dienstverlener. Indien dit niet mogelijk is, kan beroep ge daan worden op de meer algemene meetdata afkomstig van enkele meetpunten van de netbeheerder. Pas wanneer het resultaat van deze technisch-economische analyse positief is kan een gemotiveerde aanpassing binnen het proces doorgevoerd worden. 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Kosten bescherming PQ kosten

0

A

B

C

D

E

Figuur 8 | Technisch-economische analyse van immunisatietechnieken (A tot E).

Figuur 8 geeft een voorbeeld van een dergelijke analyse. Ten opzichte van de huidige situatie worden de totaalkosten voor meerdere oplossingen A tot E aangegeven. Oplossing A is veruit de beste keuze: de investeringskosten zijn het kleinst en bovendien zijn de resterende power-quality-kosten het laagst. De kaarten liggen echter niet altijd zo eenvoudig. Het maken van een grondige analyse is dikwijls een zeer moeilijke opgave. Het komt er op aan de apparaten of in stallaties die aan de oorsprong liggen van de procesonder breking te identificeren. Hierbij is het van groot belang alle procesonderdelen in beschouwing te nemen. Vervolgens moet voldoende kennis aanwezig zijn om een geschikte op lossing voor te stellen. Ervaring blijkt bij deze opgave van zeer groot belang. Naast de ervaringsdeskundigen op vlak van het proces zelf, wordt vaak beroep gedaan op externen voor ondersteuning.

van processen


Figuur 9 geeft de schematische opbouw weer van een on derdeel van een installatie. Hierbij is een onderscheid ge maakt tussen de vermogenkring en het controlegedeelte. Via actuatoren zoals motoren en snelheidsregelaars wordt het proces aangestuurd. De actuatoren zijn via contactoren en beveiligingsapparatuur met het elektrisch net verbonden. Binnen het controlegedeelte staat de controller (PLC) cen traal. De procesparameters worden via sensoren opgeme ten en door de programmatuur van de controller geïnterpre teerd. Dit resulteert in het bijsturen van de actuatoren en/of het schakelen van contactoren. Hierbij worden telkens de problemen en mogelijke oplos singen kort aangehaald. In eerste instantie worden de mo gelijkheden voor de immunisatie van het controlegedeelte besproken. Daarna worden die actuatoren besproken die zeer gevoelig zijn voor spanningsdips.

Controle apparatuur Controleapparatuur omvat ondermeer PLC’s, computers, veldbussen voor datacommunicatie, visualisatieappara tuur, relais en sensoren. Het zijn meestal eenfasig gevoede apparaten met een beperkt vermogen ten opzichte van de actuatoren in het proces. Het verlies van één van de ele menten uit het controlegedeelte ten gevolge van een span ningsdip kan verregaande gevolgen hebben. Het verlies van informatie afkomstig van een sensor kan bijvoorbeeld door een controller zo geïnterpreteerd worden dat alle actuato ren gestopt worden terwijl die actuatoren misschien zonder problemen de dip hadden kunnen doorstaan. In andere si tuaties kan het aangewezen zijn om bij de detectie van een dip bepaalde actuatoren doelbewust te onderbreken om ze na het herstel van de spanning op een gecontroleerde ma nier terug in dienst te nemen. Het steeds in dienst houden van de controleapparatuur en een doordachte opmaak van het regelsysteem is met andere woorden essentieel. On derstaand overzicht geeft een aantal technieken weer om tot een goede bescherming van het controlegedeelte te komen.

KZgbd\Zc\ZYZZaiZ Net

Contactor

Actuator

Proces

Voeding

PLC

Sensoren

Programmatie

8dcigdaZ\ZYZZaiZ Figuur 9 | Typische opbouw van een installatie met onderscheid tussen controlegedeelte en vermogengedeelte.


Tips voor de bescherming van controle apparatuur: Gebruik DC-voedingen i.p.v. AC-voedingen: DC-voedingen bevatten inherent een energiebuffer. Hierdoor zijn ze typisch minder gevoelig aan dips (bv: contac toren met DC-bekrachtigingswikkeling). Voorzie geconditioneerde voedingen voor controleapparatuur: Het geïnstalleerd vermogen aan éénfasige controleapparatuur is meestal klein. De kost om hiervoor bescherming te voorzien is dan ook vaak te verantwoorden. Vaak worden hiervoor UPS-systemen voorzien. Er moet hierbij opge merkt worden dat de betrouwbaarheid van een UPS in grote mate bepaald wordt door de toestand van de batterijen. Goed onderhoud en tijdig vervangen van deze batterijen is dan ook essentieel. Dit geldt ook voor PLC’s. Vervang tijdig de back-up batterij zodat de programmacode niet verloren gaat. Gebruik aangepaste programmeertechnieken: Voor processen opgebouwd uit sequentiële acties kunnen de variabelen per actie best in het niet-volatiel geheugen weggeschreven worden. Indien de controller moet heropgestart worden, is meteen geweten in welke stap het proces zich voor de dip bevond en kan snel hernomen worden.

In bestaande installaties zijn de vermogenkringen en de controlekringen niet altijd strikt gescheiden. Hierdoor is het niet altijd evident om alle controleapparatuur vanaf een UPS te voeden.

het daarom aangewezen zijn om via testen de exacte ge voeligheid te bepalen of om aan de leverancier specifica ties over het gewenste gedrag van de apparatuur door te geven10.

Actuatoren

Netgekoppelde inductiemotoren

De kern van iedere installatie wordt gevormd door de ac tuatoren. Netgekoppelde motoren, snelheidsgeregelde aan drijvingen en contactoren zijn hierbij de voornaamste on derdelen. Afhankelijk van de aard van het proces worden ze aangevuld met bijvoorbeeld gelijkrichters voor elektrolyse.

Netgekoppelde inductiemotoren zijn zowat de grootste ver bruikers van elektrische energie binnen de industrie. In de meeste gevallen zijn ze weinig gevoelig voor spanningsdips. Onder invloed van een spanningsdip schakelen ze niet meteen uit maar wijzigt het werkingspunt (Figuur 10); de lagere spanning resulteert in een afname van het kipkoppel (proportioneel met het kwadraat van de spanning) en de inductiemotor zal iets trager draaien (wdip i.p.v. wnom). De snelheid waarmee het nieuw werkingspunt wordt bereikt, hangt af van het lastkoppel en de traagheid of inertie van de aandrijving. Indien de resulterende vertraging de nor male werking van het proces niet nadelig beïnvloedt, kan dit getolereerd worden. Dips met een resterende spanning

Hierna wordt voor de meest voorkomende apparaten aange geven hoe ze zich tijdens een dip gedragen en welke maat regelen kunnen getroffen worden om op componentniveau de gevoeligheid voor dips te verminderen. Het is belangrijk te vermelden dat er, voor eenzelfde apparaattype, duidelijke verschillen kunnen zijn in het gedrag tussen verschillende merken. Voor apparaten in zeer gevoelige installaties kan

10 | IEC 61000-34, IEC 61800


tot 70 % geven meestal geen problemen. Is vertraging niet toegelaten, dan doet men er beter aan de aandrijving tot stilstand te brengen.

Netgekoppelde inductiemotoren Gevolgen

Correctieve maatregelen

Vertraging van de motor

T

Lager kipkoppel

Motorkoppel Motorkoppel vóór vóór de de dip

Normaal werkingspunt werkingspunt

Motorkoppel tijdens tijdens de Motorkoppel de dip dip

Lastkoppel Lastkoppel

Hoge stromen bij herstel van de voedingsspanning: extra spanningsval

Niet-kritische motoren uitschakelen. Sequentiële herstartprocedure uitwerken

Aanspreken motorbeveiliging (hoge stromen)

Vertraging van de uitschakeling bij dipdetectie

Nieuwwerkingspunt werkingspunt Nieuw

Wdip Wnom W Figuur 10 | Impact van een dip op de koppel (T)-toerental (ω)-karakteristiek van een inductiemotor

Bij het herstel van de voedingsspanning bij het einde van de dip, wordt de motor versneld naar het oorspronkelijk wer kingspunt. Tijdens deze versnelling vloeien in de motor hoge stromen die vergelijkbaar zijn met de startstroom van de motor. In veel toepassingen worden maatregelen getroffen om hoge startstromen te vermijden. Ze vormen immers een thermische belasting voor de motor en resulteren stroom opwaarts bovendien in spanningsdalingen. Bij zeer zware motoren kan dit leiden tot een dip. Zware aanlopen worden vaak onbelast gestart (bv. een compres sor) of starten via een ster-driehoekaanloop of een vermo genelektronische voeding. Tijdens een kortstondige span ningsdip zijn deze aanlooptechnieken niet actief. Er vloeien bijgevolg zeer grote stromen die door de motorbeveiliging verkeerdelijk kunnen geïnterpreteerd worden (locked-rotordetectie). Hierdoor koppelt de beveiliging de motor van het net los en stopt de aandrijving en in het slechtste geval de volledige toepassing.

Tabel 2 | Gevolgen en correctieve maatregelen voor netgekoppelde inductiemotoren

Snelheidsgeregelde motoren Vermogenelektronische omvormers worden gebruikt waar de snelheid van een aandrijving flexibel moet kunnen wijzi gen of om energie te besparen. Bij het optreden van een dip vormen de vermogenelektronische omvormers de zwakke schakel binnen de aandrijving. Een standaard omvormer voor een AC-motor maakt gebruik van een diodegelijkrich ter, een spanningstussenkring met beperkte energieopslag in een condensator, en een invertor voor het genereren van de geschikte wisselspanning voor de motor (Figuur 11). Bij het optreden van een dip wordt geen energie van het net naar de tussenkring overgebracht. De tussenkringspanning daalt en de beveiliging van de omvormer schakelt het toe stel uit. In figuur 12 geeft de streeplijn de typische vorm van een tolerantiecurve weer. Het aandrijfsysteem moet dan ofwel manueel ofwel automatisch opnieuw gestart worden. Veel snelheidsregelaars beschikken over opties om de gevolgen van dips te beperken. Ze worden hieronder kort besproken.


Vliegende start: Dit is een snelle herstart van de aandrij ving na uitschakeling t.g.v. een dip waarbij de snelheid van de al dan niet nog draaiende motor wordt bepaald om hoge motorstromen te vermijden.

kringspanning op peil gehouden worden bij dalingen van de voedingsspanning. De toepassing ondervindt dan geen last van de dip. Om hetzelfde vermogen over te brengen, moet in een dergelijke situatie een hogere stroom onttrok ken worden, wat een extra spanningsval kan veroorzaken. Typisch kunnen dips met een resterende spanning tot 60% via een actieve gelijkrichter overbrugd worden. Indien de actieve gelijkrichter overgedimensioneerd wordt, kunnen zelfs diepere dips doorstaan worden.

Kinetische buffering: Indien de rotatiesnelheid van de toepassing mag afnemen en er voldoende kinetische ener gie in de draaiende onderdelen beschikbaar is, kan bij het optreden van de dip energie uit de draaiende onderdelen onttrokken worden door de motor af te remmen (Figuur 12 Kinetische buffering). Op deze manier blijft de omvormer actief en kan hij na het herstel van de spanning de motor gecontroleerd laten versnellen.

Ook gelijkstroomaandrijvingen zijn gevoelig voor spannings dips. De thyristorbrug aan de ingang van een dergelijke aandrijving moet gesynchroniseerd met het net aangestuurd worden. Tijdens dips kan het synchronisme verloren gaan. Vooral bij het regenereren van energie (wisselrichterwerking) zijn dergelijke schakelingen uiterst gevoelig.

Actieve gelijkrichter: Recente ontwikkelingen maken het mogelijk om de diodegelijkrichter te vervangen door een actieve gelijkrichter (figuur 12). Hierdoor kan de tussen

L dc Rlaad

R S T

T1

T2

T3

ac motor

C

Net

gelijkrichter

tussenkring

invertor

Figuur 11 | Opbouw van een omvormer voor snelheidsregeling

Figuur 12 | Impact van kinetische buffering of het gebruik van een actieve gelijkrichting op de tolerantiecurve van een snelheidsgeregelde aandrijving


Snelheidsgeregelde AC-aandrijvingen Gevolgen

Correctieve maatregelen

Aanspreken van de onderspanningsbeveiliging met trip tot gevolg (vooral dips van Type III)

Herstarten van de omvormer: • Herstart op draaiende motor • Herstart op stilstaande motor Verlagen van de onderspanningslimiet en plaatsen van netspoelen Omvormer met hogere waarde tussenkringcapaciteit Gebruik van actieve gelijkrichter Afremmen van de aangedreven last (kinetische buffering)

Vertraging van de motor

Gebruik van snelheidsterugkoppeling of veldgeoriënteerde omvormers

Trip door detectie faseverlies (Dips van Type I en II)

Uitstel faseverliesdetectie > 500 ms indien mogelijk

Trip door hoge motorstromen bij herstel voedingsspanning (U/f-omvormers)

Gebruik van veldgeoriënteerde omvormers

Verlies regelsysteem van de omvormer

Aparte voeding van regelsysteem via UPS

Opslingering van de tussenkringspanning bij herstel van de span ning met breuk van diodes of tussenkring.

Oordeelkundig plaatsen van smoorspoelen

Tabel 3 | Gevolgen en correctieve maatregelen voor snelheidsgeregelde aandrijvingen

Contactoren

Tension (pu) Spanning (pu) 1.0

Contactoren worden gebruikt om actuatoren op het voe dingssysteem te schakelen. Klassieke contactoren bevatten een bekrachtigingswikkeling die met AC of DC wordt gevoed. Bij bekrachtiging sluit het mechanisch contact van de con tactor. Contactoren worden eenfasig gevoed. Ten gevolge van een dip kunnen contactoren ongecontroleerd openen. Dit kan leiden tot volledige procesuitval en onvei lige situaties. Om dergelijke problemen te vermijden, zijn er twee oplossingen mogelijk: de contactoren steeds gesloten houden, ofwel het gecontroleerd openen van de contactor bij detectie van een dip. Dit laatste wordt onder andere toege past voor het gecontroleerd herstarten van zware, netgekop pelde motoren. Indien de contactoren niet mogen openen, is het beter te opteren voor DC-bekrachtiging of, drastischer, de voedingen via UPS te verzekeren.


Passe Pass

0.8 0.6

dude contacteur DeL'immunité immuniteit van contactor varieert in functie van de leverancierà l'autre varie d'un fournisseur

0.4 0.2

Fail Echec

0.0 0

20

40

60

80

100 120 140 160 180 200 Tim,(ms) (ms) Tijd

Figuur 13 | Tolerantiecurve voor commercieel beschikbare contactoren

In Figuur 13 worden tolerantiecurven voor contactoren met wisselstroomwikkeling weergegeven. De grijze zone wordt afgebakend door de beste en minst goede contactoren ge baseerd op recente meetcampagnes. Hier blijkt de grote spreiding van het gedrag in functie van de leverancier van de contactor. Bij kritische processen is het dan ook aange wezen de leveranciers te bevragen naar het gedrag van hun apparaten tijdens dips.

Ook onderspanningsrelais behoren tot de groep van con tactoren. Ze vervullen een veiligheidsfunctie bij te lage voe dingsspanning. Bij een kortstondige dip kunnen ze een ma chine afschakelen terwijl de dip voor de andere apparaten misschien geen enkel probleem vormt.

Herstartprocedure Volledige bescherming is in veel gevallen vanuit financieel standpunt niet te verantwoorden. De methodes die tot nu toe besproken zijn, moeten dan ook helpen om het aantal uitval len van de installatie te reduceren. Bij diepe en langdurige dips zal de installatie toch nog uitvallen. Om de installatie na een dergelijk falen snel terug op te starten, is een procedure noodzakelijk die stap voor stap beschrijft wie welke acties moet ondernemen. Zo heeft het bijvoorbeeld geen zin om een

machine die perslucht nodig heeft terug te starten indien niet eerst de persluchtinstallatie opnieuw in dienst gesteld is.

Globale immunisatieapparatuur Indien grote delen van een installatie gevoelig zijn voor dips kan immunisatieapparatuur ingezet worden. Het vermogen bereik van dergelijke apparatuur kan gemakkelijk tot 1 MW oplopen. Er kan onderscheid gemaakt worden tussen stati sche UPS-systemen en draaiende UPS-systemen. De mate waarin deze apparatuur in staat is om dips te compenseren, hangt in grote mate af van de aanwezige hoeveelheid ener gie in het immunisatieapparaat. Statische systemen worden eerder in de kleinere vermogensbereiken gebruikt.

4. Het meten van spanningsdips In deze brochure wordt regelmatig gewezen op het belang van het meten van spanningsdips. De netbeheerders doen een opvolging van de spanningskwaliteit in hun netten. Dit resulteert onder andere in globale informatie rond spannings dips, zoals bijvoorbeeld in deze brochure opgenomen.

die zij kunnen leveren in het immunisatieproces, ook indien deze metingen aan externe dienstverleners worden uitbe steed. Bovendien geven deze metingen ook een beeld van de eventuele spanningsdips die hun oorzaak hebben in de eigen installaties.

Mede door de wijze waarop spanningsdips zich voortplanten (zie ook paragraaf ‘Oorzaken en verspreiding’ in hoofdstuk 2), geven deze gemeten spanningsdips niet altijd de realiteit weer van wat zich bij een specifieke netgebruiker voordoet. Om op een correcte wijze de impact van spanningsdips in te schatten en de efficiëntie van immunisatiemaatregelen te evalueren is het dan ook sterk aangeraden voor de betrok ken netgebruikers om spanningsdips te meten ter hoogte van hun eigen installatie. Indien spanningsdips nefaste gevolgen hebben in een proces, is de kost van dergelijke metingen veelal sterk verwaarloosbaar ten opzichte van de bijdrage

Opdat meetresultaten vergelijkbaar zouden zijn en op juiste wijze geïnterpreteerd kunnen worden, is het aangeraden een meettoestel te gebruiken waarvan de meetmethode beant woordt aan de Europese norm EN 61000-4-30 (Klasse A of S). De meetparameters worden best gekozen in overeen stemming met de Europese norm EN 50160. Om een gedetailleerde analyse mogelijk te maken kunnen deze metingen uiteraard aangevuld worden met andere me tingen zoals het verloop van de spanning (zoals weergegeven in Figuur 1) of stroommetingen.

11 | EN 61000-4-30 : 2009 = IEC 61000-4-30 : 2009


De geregistreerde spanningsdips kunnen individueel geëva lueerd worden en meer specifiek in relatie met wat zich in het proces heeft afgespeeld. Ook als er geen storing van het proces optreedt, levert dit interessante informatie om het im muniteitsniveau van de installaties te leren kennen.

Let wel: om betrouwbare statistieken van spanningsdips te bekomen moet men heel lang meten. De reden hiervoor is het stochastisch karakter van deze storing. Onderstaande ta bel toont bijvoorbeeld dat er, om de statistische onzekerheid te beperken tot 20 %, 20 jaar gemeten moet worden als er gemiddeld 5 dips per jaar voorkomen. Bij een korte meetduur zal de onzekerheid uiteraard toenemen.

e = 50 %

e = 20 %

e = 10 %

µ = 2 dips/jaar

8 jaar

50 jaar

200 jaar

µ = 5 dips/jaar

3,2 jaar

20 jaar

80 jaar

µ = 10 dips/jaar

1,6 jaar

10 jaar

40 jaar

Tabel 4 | Statistische meetduur (met e= onzekerheid en µ= gemiddelde dipfrequentie)


5. Besluit Zelfs bij een goede netuitbating treden spanningsdips op waarvan de oorzaken heel verscheiden kunnen zijn. Ook de gevolgen in een (industrieel) proces kunnen heel uiteenlopend van aard zijn: veiligheidsrisico, materiaalkosten, imagoverlies, opstartkosten, … Door het onvermijdelijke karakter en de mogelijk nadelige invloed is het essentieel dat de problema tiek van spanningsdips ernstig genomen wordt. Hierbij heb ben alle actoren een bijdrage te leveren. De netbeheerder moet uiteraard zijn netten op een correcte manier uitbouwen, uitrusten en onderhouden en kan globale informatie over spanningsdips ter beschikking stellen. De netgebruiker is het best geplaatst om de risicogevoelig heid van de processen in te schatten en moet rekening hou den met de mogelijke impact van spanningsdips bij de uit bouw van de installaties of het vastleggen van de technische specificaties in een lastenboek. De fabrikanten/leveranciers kennen hun producten het best en dragen de verantwoordelijkheid hun afnemers correct te informeren, ook met betrekking tot het gedrag bij het optre den van spanningsdips. Bovendien bieden zij naast hun stan daardapparaten veelal alternatieven die voor een beperkte meerprijs een hogere immuniteit bieden. Deze worden dan ook best als waardige alternatieven verdedigd. Het studiebureau moet van in de ontwerpfase rekening hou den met de mogelijk nefaste impact van spanningsdips op de goede werking van een proces; dit kan door immuniteitscri teria op te nemen in de lastenboeken, bijkomende immuni seringsmaatregelen te nemen voor bijvoorbeeld de regel- of controlesystemen, een herstartprocedure te voorzien e.d.

Door de aard van spanningsdips en de diversiteit aan installa ties zijn er geen kant-en-klare oplossingen. Met betrekking tot de gevolgen van spanningsdips geldt echter wel de gouden regel: voorkomen is beter dan genezen. De preventieve benadering waarbij vanaf de ontwerpfase rekening gehouden wordt met de impact van spanningsdips is te verkiezen boven de curatieve benadering, waarbij in een bestaande installatie immunisatiemaatregelen genomen worden. Toch kunnen ook deze curatieve maatregelen een heel gunstig terugverdienef fect hebben. Of het nu om een preventieve of een curatieve benadering gaat, het best gaat men op een gestructureerde manier te werk. Hierbij dringt zich een gepersonaliseerde evaluatie op van zowel de noodzaak aan als de wijze van immunisering van installaties. Hierbij moet de procesverantwoordelijke een eerlijke inschatting maken van de impact van dips op de wer king van zijn installatie. Informatie over de aard van de te ver wachten dips is eveneens wenselijk om een goede financiële analyse uit te voeren. De beheerders kunnen informatie van algemene aard over spanningsdips in hun netten ter beschik king stellen. Bij voorkeur worden ook metingen uitgevoerd op het aansluitpunt van de klant zelf. Met de tips uit deze brochure is het mogelijk een eerste inschatting te maken van de mogelijke maatregelen om de betrouwbaarheidsgraad van processen te verzekeren of te verhogen. Voor een diepere analyse van deze problematiek wordt er verwezen naar een interessante CIGRE-brochure of kan beroep gedaan worden op externe diensten.


Deze brochure is een initiatief van Synergrid en kwam tot stand met inbreng van Laborelec en Howest (Hogeschool West-Vlaanderen).

Spanningsdips: hoe zich beschermen tegen het onvermijdelijke? Synergrid, de federatie van de netbeheerders elektriciteit en aardgas in België

Recommend Documents