white paper

De kosten van spanningsdips onderschat

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.

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 spanningdip? Kunnen we een spanningsdip voorkomen of moeten we de gevolgschade zien te beperken door tijdige signalering?

 

Ontvang de white paper spanningsdips als PDF

Spanningsdips elektriciteit
overspanning onderspanning spanningsdips korte onderbreking en lange onderbreking

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 direkt gevolgd door een herstel van deze spanning. De duur van de spanningsdip ligt tussen een halve periode (10ms) 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.

Een spanningsdip is dan ook niet te verwarren met een onderbreking. Een onderbreking ontstaat ten gevolge van het aanspreken van een beveiliging (typ. 300ms) 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).

motor zorgt voor spanningsdip

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 spanningval 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 100ms duurt, zal in de gehele installatie de spanning gedurende 100ms een diepe dip ondervinden.

Situatie met ontstaan van dip door sluiting in LS-net

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 rechts-onder). 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 het linker figuur te zien (in de ring links-boven).

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”.

spanningsdip impendantie

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 produktachterstand 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 spanningsdippen.

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 beschadinging van IT-apparatuur. Hoewel het model is ontwikkeld voor 120V-60Hz netten, wordt het ook gebruikt voor apparatuur aangesloten op 230V-50Hz netten. Het model kan door fabrikanten als ontwerp-richtlijn worden gebruikt.

De ITI (CBEMA) curve legt vast wanneer een dip leidt tot uitval van IT apparatuur

 

Iti cbema curve

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 kunt u overwegen om een UPS of Active Voltage Conditioners te gebruiken.

Statische UPS-systemen
Een statische UPS wordt veelal gebruikt voor het opvangen 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-en zijn dus breed inzetbaar en vangen ook de kortstondige spanningsdips op. Nadelen van statische UPS-en 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 is korte onderbrekingen en dip’s te herkennen. De UMG604 is zo’n analyser. Hij 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 uitbreide rapportages te genereren.

Door een UMG604 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 zonder dure en ingewikkelde software programma’s direct de belangrijkste parameters uit de meters 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

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 intuitief kleurenscherm voor paneelmontage
Janitza UMG 605 klasse S 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 productieuitval te voorkomen.

De basislicentie van GridVis wordt kostenloos met Janitza meters meegeleverd. 

Met dit pakket is het o.a. mogelijk om:

  • realtime meetwaarden uit te lezen
  • historische meetgegevens op te vragen in bestanden en grafieken
  • analyseren korte onderbrekingen, transiënten en dips
  • 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 het 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

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

 

close-video-button