THEMA'S
SERVICE & ADVIES

NEN 1010 en Power Quality

Datum:25-03-2015

De NEN 1010 wordt veel gebruikt bij het ontwerpen van een installatie (ontwerprichtlijn), terwijl Power Quality-aspecten vooral naar voren komen bij aanpassingen aan een installatie (vanwege problemen door een verkeerd ontwerp).

Eigenlijk moet een installatie worden ontworpen op basis van de veiligheidsbepalingen van de NEN 1010 met in achtneming van de technische facetten van Power Quality. Dit vergt een brede kennis van de eigenschappen van alle componenten (beveiligingen, leidingen, transformatoren, toestellen) ten aanzien van aspecten zoals: inschakelstromen, immuniteit tegen spanningsdips, spanningsvariaties, eventuele harmonischen en de invloed van harmonische spanningen. Ook de interactie tussen alle toestellen en netcomponenten speelt een grote rol. De impedantie van het net of de leidingen in de installatie is hierbij weer van belang. Kortom: een interessante materie die zeker nog de nodige aandacht verdient.

Zes voorbeelden maken duidelijk dat het voor een goed ontwerp en een goede bedrijfsvoering van belang is om te werken aan een integratie van de kennisgebieden NEN 1010 en Power Quality. Deze en andere voorbeelden staan uitgebreid beschreven in de Kennisbank Power Quality.

Voorbeeld 1: optredende spanningsdips

Een spanningsdip kan in installaties leiden tot het afvallen van magneetschakelaars, elektronische apparatuur of besturingen. Daardoor kan een proces gedeeltelijk of compleet ontregeld raken of stoppen. Dit brengt grote kosten met zich mee die in sommige gevallen eenvoudig te voorkomen waren.

Een spanningsdip ontstaat door sluitingen in de transport- of distributienetten en kan in grote delen van het net doorwerken. Daardoor zal een spanningsdip vele malen vaker voorkomen dan een complete onderbreking. De toepassing van een UPS (uninterruptable power supply) kan schade ten gevolge van een spanningsdip helpen voorkomen. Dit betekent wel dat al in de ontwerpfase moet worden nagedacht over de immuniteit van componenten in de installatie. Relevante vragen zijn:

  • Welke componenten zijn gevoelig voor een spanningsdip?

  • In hoeverre moeten componenten worden beschermd?

  • Tegen welke dips of onderbrekingen moeten componenten worden beveiligd?

Voorbeeld 2: leidingen dimensioneren bij aanwezigheid van harmonischen

Het dimensioneren van een leiding, rekening houdend met harmonischen, is deels al geregeld in de NEN 1010. In de NEN 1010 is hiervoor een tabel opgenomen (zie onderstaande tabel) die afhankelijk van de hoeveelheid 3e harmonischen in de stroom bepaalt welke correctiefactor moet worden toegepast (zie afbeelding).

Tabel 1: Het aandeel van 3e harmonischen.

3e harmonische stromen bepalen mede de doorsnede van de leiding.

De 3e harmonische stromen zijn belangrijk, omdat alle 3e harmonische stromen in de diverse fasen door de nulgeleider teruglopen. Dus ook bij een symmetrische belasting kan door de nulgeleider een grote stroom lopen. Als bijvoorbeeld 33,3% 3e harmonische stroom door de fasen loopt, dan zal door de nulgeleider een drievoud hiervan lopen, dus 100% of met andere woorden: een stroom die vrijwel gelijk is aan de fasestroom. Er is dan sprake van vier belaste aders in plaats van drie. Dit levert – doordat de warmteontwikkeling kwadratisch is met de stroom – een correctiefactor op van:

Als de 3e harmonische stroom een grotere waarde heeft dan 33%, dan wordt de nulstroom nog groter dan de fasestroom en dan gaat de nulstroom de doorsnede van de kabelkernen bepalen. In feite is hier nog sprake van een globale benadering, want niet alleen de 3e harmonische stromen bepalen de warmteontwikkeling in de kabels, maar ook alle andere harmonische stromen. De totale warmteontwikkeling in de kabels wordt bepaald door de vermogensverliezen in de kabels die berekend kunnen worden met de formule:

Dus voor elke geleider n (meestal de drie fasen en nul) moet voor elke harmonische stroom (h) de warmteontwikkeling worden uitgerekend met de bijbehorende weerstand bij de betreffende frequentie. Immers, als gevolg van het skinn-effect zal de weerstand van de geleider groeien bij toenemende frequentie.

Voorbeeld 3: transformator dimensioneren

Als in een installatie veel harmonische stromen lopen, zal dit ook ten koste gaan van de belastbaarheid van de transformator. Een transformator heeft nullastverliezen (ijzerverliezen) en koperverliezen. De nullastverliezen zijn afhankelijk van de kwaliteit van de spanning, maar ze zullen weinig last hebben van harmonischen en redelijk constant zijn, mede gezien de geringe vervorming in de voedende spanning. De koperverliezen zullen wel toenemen en dat betekent dat een transformator bij een behoorlijke harmonische vervorming niet meer volledig kan worden belast.

De factor waarmee de belasting moet worden gereduceerd, kan worden berekend met de formule:

waarbij:

  • e   =    de verhouding tussen de wervel- en lekstroomverliezen bij fundamentele frequentie en de ohmse verliezen bij de referentietemperatuur;

  • h    =    de harmonische orde;

  • I     =    de rms-waarde van de stroom;

  • Ih   =    de amplitude van de harmonische stroom met orde h;

  • I1   =    de amplitude van de stroom bij de fundamentele frequentie;

  • q    =    een constante die afhankelijk is van het type en de bouw van de winding.

De waarden van e en q moeten worden opgevraagd bij de leverancier van de transformator. In de praktijk kan dit leiden tot een reductie van het vermogen tot 70-80% van het nominale vermogen. Als ten gevolge hiervan in een later stadium een andere transformator moet worden geplaatst met een hoger nominaal vermogen, dan kan dit tot grote kosten leiden:

  • de kosten van de duurdere transformator;

  • de bijbehorende vastrechtkosten;

  • de kosten van een aanpassing van de laagspanningsverdeelinrichting.

Voorbeeld 4: spanningsvariaties beperken

Een ander veelvoorkomend probleem is het optreden van veel kleine spanningsvariaties die leiden tot hinder met betrekking tot de verlichting. In bijvoorbeeld een kantoor of ziekenhuis met veel liften, kan door het veelvuldige gebruik van die liften een situatie ontstaan met veel inschakelpieken in de stroom en een groot aantal schakelingen per minuut.

In onderstaande grafiek staat wat de maximale spanningsvariatie mag zijn (afhankelijk van het aantal variaties per minuut) om hinder te voorkomen. Stel dat er tijdens spitsuren zes schakelingen per minuut plaatsvinden, dan is de maximaal toegestane spanningsvariatie (althans op de punten waar ook verlichting is aangesloten) ongeveer 1,5% van de nominale spanning. Dit is een relatief kleine variatie en dus een belangrijk aspect om bij een ontwerp rekening mee te houden.

De maximale spanningsvariatie gerelateerd aan het aantal veranderingen per minuut.

Voorbeeld 5: inschakelstromen en beveiligingen

Het laatste voorbeeld betreft het inschakelen van een eindgroep waarop veel toestellen zijn aangesloten met een relatief hoge inschakelpiek. Nu komt het bij steeds meer toestellen voor dat er een relatief grote inschakelpiek optreedt. De hoogte van de inschakelstroom is mede afhankelijk van het moment waarop het toestel wordt ingeschakeld. Onderstaande grafieken tonen de inschakelpiek van een 11 W-spaarlamp die ingeschakeld wordt rond de nuldoorgang van de spanning (a) en als de spanning maximaal is (b). Het moment van inschakelen speelt dus een belangrijke rol bij de hoogte van de uiteindelijke inschakelstroom.

a) Inschakelen bij nuldoorgang

b) Inschakelen bij maximale waarde

Inschakelstromen afhankelijk van moment van inschakelen.

Bij het inschakelen rondom de nuldoorgang is de piekwaarde van de inschakelstroom 0,4 A en bij inschakeling op de topwaarde van de spanning is de piekwaarde van de stroom bijna 5 A. In de praktijk levert dit al regelmatig problemen op. Afhankelijk van het moment van inschakelen kan een installatieautomaat dus uitschakelen of niet, mede uiteraard afhankelijk van hoeveel toestellen gelijktijdig worden ingeschakeld. Bij het ontwerp dient te worden nagedacht over de maximale inschakelpiek die kan optreden en de beveiliging die moet worden toegepast.

Voorbeeld 6: Blindvermogen en arbeidsfactor

Voor de dimensionering van een installatie is het van belang om een goed beeld te hebben van de optredende vermogens. Hierbij spelen zowel het wattvermogen (actieve vermogen) als het blindvermogen een belangrijke rol. De totale arbeidsfactor van een installatie is een goede maatstaf voor het blindvermogen in een installatie, maar met veel harmonische vervuiling is voorzichtigheid vereist bij het rekenen met deze arbeidsfactor. In dit artikel de wetenswaardigheden over arbeidsfactor, cos φ, distortie blindvermogen, DPF en andere belangrijke kenmerken.

De verschillende soorten blindvermogen

Inductief blindvermogen

Er is sprake van inductief blindvermogen als er een belasting aangesloten is, waarbij de stroom na-ijlt op de spanning, zoals aangegeven in de afbeelding hieronder. Dit treedt op bij inductieve belastingen zoals motoren. Zeker als motoren niet op vollast draaien dan is de arbeidsfactor laag en is er relatief veel inductief blindvermogen.

Inductief blindvermogen bij na-ijlende stroom

Door het optreden van deze na-ijlende stroom ontstaat er blindvermogen. Het totale schijnbare vermogen is samen met de stroom en de spanning weergegeven in figuur 2. De formules die kunnen worden gebruikt voor het berekenen van de diverse vermogens zijn:

Waarbij:

  • S = het totale schijnbare vermogen

  • P= het totale actieve vermogen (watt-vermogen)

  • Q= het totale blindvermogen

Stroom, spanning en schijnbaar vermogen

Capacitief blindvermogen

Bij een capacitieve belasting ijlt de stroom voor op de spanning, zoals weergegeven in de afbeelding hieronder. Een condensator is een capacitieve belasting en zorgt dus voor capacitief blindvermogen.

Capacitieve belasting

Voor de berekening van de vermogens bij een capacitieve belasting kunnen dezelfde formules worden gebruikt. Het blindvermogen is nu tegengesteld aan het inductieve blindvermogen en wordt als negatief aangegeven. Inductief blindvermogen kan met capacitief blindvermogen worden gecompenseerd omdat het tegengesteld gericht is. In het verleden (en wellicht nu ook nog) werden condensatorbanken gebruikt om het blindvermogen in een installatie te verlagen.

Distortie blindvermogen

Distortie blindvermogen is blindvermogen wat ontstaat door harmonische vervuiling in het net. Naast een geringe bijdrage in het wattvermogen uit het vermogen van harmonische zich voornamelijk als blindvermogen. Dit blindvermogen is niet te compenseren met spoelen of condenstoren. De enige manier om dit blindvermogen te verlagen is de verlaging van harmonische stromen en spanningen. Door de aanwezigheid van dit distortie blindvermogen ontstaat er een verschil in de arbeidsfactor (PF) en de cos φ (DPF). De totale arbeidsfactor PF is inclusief het distortie blindvermogen en daarom geldt in het algemeen de formule:

De cos φ (DPF) is de displacement power factor oftewel het blindvermogen wat wordt veroorzaakt door de faseverschuiving tussen de fundamentele stroom en spanning. Dit is de som van het inductieve en capacitieve blindvermogen, zoals eerder aangegeven en dus maar een deel van het totale blindvermogen.

Totale blindvermogen

Het totale blindvermogen is de som van de diverse soorten blindvermogen. Vectorieel ziet het geheel er uit als aangegeven in de onderstaande afbeelding.

Samenstelling van de diverse vermogens

In dit vectordiagram is:

  • S = het totale schijnbare vermogen

  • P= het totale actieve vermogen (watt-vermogen)

  • Qi= het inductieve blindvermogen

  • Qc= het capacitieve blindvermogen

  • D = het distortie blindvermogen

  • Qtot= het totale  blindvermogen

De som van het totale blindvermogen kan worden berekend met:

Het totale schijnbare vermogen kan worden berekend met:

Het schijnbare vermogen

Het totale schijnbare vermogen bepaalt uiteindelijk welke stroom er gaat lopen en in hoeverre de installatie (kabels en transformatoren e.d.) worden belast. Het totaal te transporteren schijnbare vermogen is dus ook bepalend voor de verliezen die in een installatie optreden. Het beperken van het schijnbare vermogen door het verminderen van het blindvermogen kan dus voordelen bieden. Het kan leiden tot minder investeringen bij uitbreidingen, minder verliezen en betere benutting van de installatieonderdelen. Om deze reden werden er in het verleden regelmatig condensatorbatterijen geplaatst. Dit is zeker in de huidige tijd niet altijd een goede oplossing. Het blindvermogen beperken is op zich een goed uitgangspunt maar eerst moet goed worden geanalyseerd uit welke componenten het blindvermogen is opgebouwd. Als het blindvermogen al capacitief is (wat steeds meer voorkomt) dan werkt het plaatsen van condensatorbanken natuurlijk averechts. Als het blindvermogen voortkomt uit harmonische dan werkt het plaatsen van spoelen of condensatoren ook niet. Bij het plaatsen van condensatoren loopt men zelfs het risico dat deze in een omgeving met veel harmonische vervuiling een zeer korte levensduur hebben. Blindvermogen door harmonische kan alleen worden verminderd door de harmonische stromen zelf te verkleinen.

Kortom: Het is van belang om goed te kijken naar de opbouw van het blindvermogen en de maatregelen om het blindvermogen te verlagen hier op af te stemmen!

Vragen over dit artikel?
Stel uw vraag
Details
Gerelateerd
NEN 1010 Wetgeving NEN 1010 NPR 5310, Praktijkrichtlijn bij NEN 1010
10-06-2020
NEN 1010 Wetgeving NEN 1010 Tabel 41.1 - Maximale uitschakeltijden
04-05-2020
NEN 1010 Wetgeving NEN 1010 Werkschakelaars bij PV-omvormers
31-01-2020
NEN 1010 Bijzondere installaties NEN 1010 deel 701: bad- en doucheruimten
20-01-2020
Verdeelsystemen Wetgeving verdeelsystemen Mag een besturingskast die in Duitsland is besteld, worden gebruikt in Nederland?
12-11-2019
NEN 1010 Bijzondere installaties Elektrische installaties in bad- en doucheruimten
24-05-2019
Power Quality Wetgeving Power Quality Kwaliteitsvereisten voor geleverde spanning
13-06-2017
Power Quality Wetgeving Power Quality Coördinatie binnen spanningsniveaus
22-03-2017
NEN 1010 Wetgeving NEN 1010 Correctieblad met aanpassingen aan NEN 1010:2015 C1:2016 nl
23-02-2017
Power Quality Spanningsniveau Schema van elektriciteitsnet en kwaliteitsbeïnvloeding
14-02-2017
Power Quality Transiënten en EMC EMC en coördinatie
02-02-2017
NEN 1010 Wetgeving NEN 1010 NEN 1010 en andere normen
15-06-2016
Power Quality Wetgeving Power Quality Kwaliteit van de spanning in Nederland (2015)
30-05-2016
NEN 1010 Bijzondere installaties Ruimten met een bad of douche (rubriek 701)
12-04-2016
NEN 1010 Elektrisch materieel Stuurstroomketens
16-10-2015
NEN 1010 Wetgeving NEN 1010 De nieuwe NEN 1010
13-10-2015
Power Quality Meten van Power Quality Kwaliteit van de spanning in Nederland
01-04-2014
NEN 1010 Wetgeving NEN 1010 Toepassingsgebied van de NEN 1010
20-12-2013
Machineveiligheid Bestaande machines Inspectie bestaande niet-CE-machines
07-06-2013
Machineveiligheid Wetgeving Machineveiligheid Samenhang normen
07-06-2013
Power Quality Meten van Power Quality Kwaliteitsbewaking voorkomt veel ellende
26-03-2012
Power Quality Wetgeving Power Quality NEN 1010 en Power Quality
03-02-2012
Power Quality Meten van Power Quality Meetresultaten beoordelen en weergeven
24-05-2011
NEN 1010 Wetgeving NEN 1010 Overig
09-07-2020
Inhoudsopgave