De gevolgen van spanningsdips
Wat is de betekenis van een spanningsdip? Een spanningsdip is een plotselinge en kortstondige verlaging van de spanning tot 90% en 1% van de nominale waarde, gevolgd door een herstel van deze spanning. De duur van de spanningsdip ligt tussen een halve periode (10ms) en 1 minuut.
Wat is een spanningsdip?
Spanningsdips kunnen leiden tot grote problemen, zoals het uitvallen van productieprocessen en kwaliteitsproblemen. Dips komen vele malen vaker voor dan onderbrekingen. De economische impact van spanningsdips wordt dan ook sterk onderschat. Maar wat is eigenlijk een spanningsdip? Hoe ontstaat een spanningsdip? Kunnen we een spanningsdip voorkomen of moeten we de gevolgschade zien te beperken door tijdige signalering?
Wat is een spanningsdip?
Volgens de Europese Norm EN-50160 wordt onder een spanningsdip een plotselinge verlaging van de effectieve waarde van de spanning tot een waarde tussen 90% en 1% van de afgesproken waarde verstaan direct gevolgd door een herstel van deze spanning. De duur van de spanningsdip ligt tussen een halve periode (10 ms) en 1 minuut.
Indien de effectieve waarde van de spanning niet onder de 90% van de afgesproken waarde daalt, wordt dit als een normale bedrijfssituatie verstaan. Indien de spanning onder de 1% van de afgesproken waarde daalt, is dit een onderbreking.
Spanningsdip en onderbreking
Een spanningsdip is dan ook niet te verwarren met een onderbreking. Een onderbreking ontstaat ten gevolge van het aanspreken van een beveiliging (typ. 300 ms) bij een netfout. De netfout plant zich in de vorm van een spanningsdip over de rest van het distributienet voort. Hiernaast is het verschil tussen een dip, korte onderbreking en onderspanning te zien.
Hoe ontstaat een spanningsdip?
Inschakelstromen
Een bekende oorzaak van kleine spanningsdips zijn de inschakelstromen van motoren of andere toestellen. In de onderstaande afbeelding is te zien dat tijdens het aanlopen van de motor de stroom kortstondig hoog wordt. De spanningsval over de impedanties Z en Z1 leidt tot een kleine spanningsdip op de laagspanningsverdeler (dipzone 1) en een wat grotere spanningsdip achter de impedantie Z1 (dipzone 2).
Het “aanlopen” van motoren kan leiden tot een kleine spanningsdip
Het oplossen van de problemen die door deze dips ontstaan moeten worden gevonden in een optimalisatie van de installatie zelf. Het inschakelen van toestellen zou niet moeten leiden tot het ontstaan van dips.
Sluitingen in het laagspanningsnet
Indien zich in het laagspanningsnet een sluiting voordoet, gaat er een kortsluitstroom lopen. De grootte van de kortsluitstroom is afhankelijk van de grootte van de impedantie Z en Z3. In de praktijk heeft Z3 de grootste impedantie. De grootte van de impedantie Z3 wordt bepaald door het type kabel en de lengte van deze kabel. Hoe groter de kabellengte, hoe kleiner de kortsluitstroom zal zijn. De kortsluitstroom veroorzaakt een spanningsval over de impedantie Z waardoor de spanning op de laagspannings hoofdverdeler tijdelijk laag wordt (dipzone 1).
Bij een sluiting zal de beveiliging in groep 3 aanspreken. Als dit 100 ms duurt, zal in de gehele installatie de spanning gedurende 100 ms een diepe dip ondervinden.
Typisch voorbeeld van een situatie waarbij een dip ontstaat door sluiting in het LS-net
Sluitingen in het laagspanningsnet komen niet veel voor en kunnen in de praktijk worden verwaarloosd.
Sluitingen in het middenspanningsnet
De meest voorkomende dips zijn dips die worden veroorzaakt in het middenspanningsnet. Deze kunnen ontstaan door bijvoorbeeld:
- graafwerkzaamheden
- doorslaan van een verbindingsmof
- minimale afschakelduur (s)
- veroudering van de kabel
In het onderstaande figuur is een typisch voorbeeld van een opbouw van een middenspanningsnet te zien. De bekende transformatorhuisjes (groene bolletjes) zijn in een ringvorm met elkaar verbonden en aangesloten op een verdeelstation (blauwe bolletjes). De ring staat altijd ergens open (zie in de ring van groene bolletjes rechtsonder). Indien zich een kortsluiting voordoet, gaat er een kortsluitstroom lopen (rode lijn). De kortsluitstroom loopt totdat de beveiliging in het verdeelstation de ring afschakelt. Dit is in de linker figuur te zien (in de ring linksboven).
Tijdens de kortsluitsituatie loopt er dus kortstondig een hoge stroom. Door de netimpedanties leidt dit tot een tijdelijke spanningsvermindering in het gehele net. Deze tijdelijke spanningsvermindering is herkenbaar als een “dip”.
De meeste dips worden veroorzaakt door kortsluitsituaties in het middenspanningsnet
Circa 75% van de dips ontstaan in het middenspanningsnet. Veelal zijn deze voor de gebruikers niet te voorkomen.
Sluitingen in het hoogspanningsnet
Sluitingen in het hoogspanningsnet worden vaak veroorzaakt door onweer of (foutieve) schakelhandelingen. Dit veroorzaakt met name problemen in gebieden aan het einde van een hoogspanningslijn.
Problemen door spanningsdips
Spanningsdips kunnen leiden tot uitval van computersystemen, PLC’s, relais en frequentieregelaars. Bij kritische processen kan een dip direct leiden tot hoge kosten. Voorbeelden hiervan zijn spuitgietprocessen, extrusieprocessen, drukprocessen, of de verwerking van levensmiddelen als melk, bier of frisdrank.
De kosten van een dip bestaan uit:
- winstderving door productiestilstand
- kosten om productachterstand in te lopen
- te late levering producten
- grondstoffen die verloren gaan
- schade aan machines, apparaten en matrijzen
De gemiddelde kosten van een dip zijn sterk afhankelijk van de sector:
- fijnchemie € 190.000
- microprocessoren € 100.000
- metaalbewerking € 35.000
- textiel € 20.000
- voeding € 18.000
Soms lopen processen in onbemande ruimtes en worden dips niet opgemerkt. Dan kan bijvoorbeeld ongemerkt een spuitgietmachine tot stilstand komen. Indien dit later wordt ontdekt is er veel schade. De klanten krijgen de producten te laat en het kunststof in de machine is uitgehard. Bij drukkerijen of de papierindustrie kan papier scheuren of zelfs brand ontstaan. Een ander bekend voorbeeld is de schade die bandenfabrikant Vredestein ondervindt door spanningsdips.
Gevoeligheid van it-apparatuur voor dips en onderbrekingen
Met name IT-apparatuur is gevoelig voor onderbrekingen en dips. Dat betekent dat alle processen die door microprocessoren worden aangestuurd hiervoor gevoelig zijn, zoals:
- PLC’s
- frequentieregelaars
- machinebesturingen
- servers, PC’s etc.
In de ITI CBEMA curve die is opgesteld door het Information Technology Industry council, is vastgelegd wanneer een dip leidt tot uitval van IT-apparatuur en wanneer een spanningspiek leidt tot beschadiging van IT-apparatuur. Hoewel het model is ontwikkeld voor 120 V - 60 Hz netten, wordt het ook gebruikt voor apparatuur aangesloten op 230 V - 50 Hz netten. Het model kan door fabrikanten als ontwerprichtlijn worden gebruikt.
De ITI (CBEMA) curve legt vast wanneer een dip leidt tot uitval van IT-apparatuur
Het 'opheffen' van spanningsdips
De meeste spanningsdips ontstaan in het openbare elektriciteitsnet. Deze spanningsdips zijn niet te voorkomen. Wilt u spanningsdips 'opheffen' en de consequenties ervan tot een minimum beperken? Dan kunt u overwegen om een UPS, Active Voltage Conditioners of Actief Dynamische Filters (ADF) te gebruiken.
"Een UPS is een niet onderbreekbare voeding (Uninterruptible Power Supply) en levert voeding aan achterliggende apparatuur in situaties waar gebruikelijke primaire voeding uitvalt."
Statische UPS-systemen
Een statische UPS wordt veelal gebruikt voor het opvangen van spanningsuitval. Het systeem bestaat uit een gelijkrichter, energieopslag door batterijen gevolgd door een wisselrichter. UPS-systemen dienen in bijvoorbeeld datacenters en ziekenhuizen als overbrugging naar de noodstroom geleverd door de generatoren. UPS-systemen zijn dus breed inzetbaar en vangen ook de kortstondige spanningsdips op. Nadelen van statische UPS-systemen zijn het rendement (eigen verbruik), de fysieke benodigde ruimte voor de systemen, de aanschafs- en de relatief hoge onderhoudskosten.
Active Voltage Conditioners (AVC’s)
Voor het opvangen van spanningsdips zijn dedicated systemen beschikbaar. Deze zijn te onderscheiden in systemen die werken op basis van super capacitor en systemen die de benodigde energie halen uit de fase die niet aan een dip onderhevig is. Deze systemen worden ook wel spanningsstabilisatiesystemen genoemd. Fortop heeft met haar Europese power quality netwerk ervaring in het dimensioneren, engineeren, inbedrijfstellen en onderhouden van dit soort systemen. Neem voor meer informatie contact met ons op.
Het signaleren van spanningsdips
Janitza heeft een uitgebreid programma van analysers die in staat zijn korte onderbrekingen en dips te herkennen. De UMG 604 is zo’n analyser. De universeelmeter UMG 604 bewaakt continu meer dan 800 elektrische parameters. Alle kanalen worden 20.000 keer per seconde gesampled, waardoor korte onderbrekingen en dips worden gesignaleerd en geregistreerd. Op basis van deze events is het mogelijk een e-mail of SMS te versturen. Met het meegeleverde softwarepakket GridVis is het mogelijk uitgebreide rapportages te genereren. Lees meer over power analysers.
Door een UMG 604 op het inkomende veld te plaatsen, heeft u een uitgebreide en kostengunstige oplossing voor het herkennen, registreren, alarmeren en rapporteren van dips. De meter is voorzien van een webbrowser, waardoor het mogelijk is zonder dure en ingewikkelde software programma’s direct de belangrijkste parameters uit de analysers te halen. Met de ingebouwde eventbrowser is het mogelijk de onderbrekingen en dips te analyseren en de rapporteren.
Door een power analyser op het inkomende veld te plaatsen worden spanningsafwijkingen herkend
| Janitza meetinstrumenten die korte onderbrekingen herkennen: | |
| Janitza UMG 604 | compacte power analyser voor DIN-rail montage |
| Janitza UMG 509 | power analyser met intuïtief kleurenscherm voor paneelmontage |
| Janitza UMG 605 | klasse A power quality analyser voor DIN-rail montage |
| Janitza UMG 512 | klasse A power quality analyser met kleurenscherm voor paneelmontage |
Analyses met gridvis
Met GridVis biedt fortop gebruikersvriendelijke software voor het configureren en analyseren van meetdata voor verbruik en power quality. GridVis levert de gegevens om kostenbesparingen te identificeren, energiekosten te laten dalen en de juiste acties te nemen om productie uitval te voorkomen.
De basislicentie van GridVis wordt kosteloos met Janitza meters meegeleverd.
Met dit pakket is het onder andere mogelijk om:
- realtime meetwaarden uit te lezen
- historische meetgegevens op te vragen in bestanden en grafieken
- korte onderbrekingen, transiënten en dips te analyseren
- gemakkelijk complete EN50160 rapportages uit te draaien
- eenvoudige goed-fout rapporten te genereren
Met GridVis is het mogelijk zelf uitgebreide analyses te doen
Met de ingebouwde rapportengenerator is het mogelijk zelf periodiek dips, korte onderbrekingen en pieken aan de hand van de ITI (CBEMA) curve te rapporteren. In de onderstaande figuur is te zien dat er drie dips zijn geweest die kunnen leiden tot uitval van apparatuur.
Rapportage van dips en pieken aan de hand van de ITI curve
OSKαR® – Spanningsstabilisatie systeem - Condensator Dominit
Het OSKαR® spanningsstabilisatiesysteem van Condensator Dominit biedt een efficiënte oplossing voor het opvangen van spanningsdips met een aantal interessante voordelen. In vergelijking met traditionele UPS-systemen is OSKαR® vaak compacter, energiezuiniger en voordeliger. OSKαR® is dan ook met name geschikt voor het opvangen van de meest voorkomende 1 en 2 fasige spanningsdips.
Voordelen OSKαR® spanningsstabilisatie:
- Minimale invloed op het kortsluitvermogen van uw elektrische installatie
- In vergelijking met andere gangbare oplossingen voor spanningsdips is OSKαR® een kosteneffectieve keuze
- OSKαR® vereist minder onderhoud, biedt een betere energie-efficiëntie en heeft een kleinere fysieke footprint dan UPS systemen.
- Het OSKαR® systeem kan modulair worden uitgebreid met modules van 300kVA, 600kVA, 1200kVA enz.
OSKαR® - Spanningsstabilisatie systeem van Condensator Dominit
Conclusie
De meeste spanningsdips ontstaan in het openbare elektriciteitsnet. Ze worden niet altijd herkend, maar kunnen wel leiden tot uitval van processen. Door dips tijdig te signaleren met een power analyser kunnen de gevolgkosten worden beperkt. Met UPS-systemen of dedicated Active Voltage Conditioners kunnen de spanningsdips worden geëlimineerd.
Bronvermelding
- Voltage sags an explanation
causes, effects and correction
Ian K.P. Ross, MIEE - Power Quality, over spanning, stroom en hun interactie
Dr.ir. J.F.G. Cobben & Ir. J.N. Luttjehuizen
Lees meer white papers
Lees meer over specifieke onderwerpen in één van de onderstaande white papers. Op de desbetreffende pagina kunt u de white paper gratis aanvragen als PDF.
- Actief dynamisch filteren
- Meetnauwkeurigheid en meetonzekerheid
- Cos-phi compensatie
- Hogere harmonische en vervuiling
- Blindstroom reduceren en compenseren
- Power quality van elektrische energie
