Power Quality Analyse: Tips & Tricks – Deel 1 | A. Eberle
Praktische tips voor het gebruik van Power Quality-meettoestellen en het vermijden van typische gebruikersfouten.
Vaste Power Quality-meettoestellen versus draagbare Power Quality-analyzers
Beide soorten toestellen hebben hun voor- en nadelen. Over het algemeen wordt een draagbare analyzer gebruikt wanneer zich een acuut probleem in het netwerk heeft voorgedaan en er zeer snel een meting moet worden uitgevoerd. Bijvoorbeeld wanneer een Power Quality-probleem wordt vermoed in een productie-installatie. In dat geval wordt een draagbaar meettoestel in het netwerk geïnstalleerd om te achterhalen wat er mogelijk enkele dagen eerder is gebeurd. Dit werkt vaak, maar uiteraard niet altijd. Wanneer een installatie is uitgevallen door een uitzonderlijke situatie die tijdens de mobiele metingen niet meer kan worden gereproduceerd, of wanneer de netomstandigheden ondertussen zijn gewijzigd, kan het moeilijk zijn om het probleem met een draagbaar meettoestel te verklaren. In dergelijke gevallen kan het nuttig zijn om het meettoestel geïnstalleerd te laten totdat de betreffende storing opnieuw optreedt.
Een voordeel van permanent geïnstalleerde meettoestellen is de mogelijkheid tot retrospectieve analyse van meetgegevens. Doordat alle netparameters permanent worden geregistreerd gedurende een zeer lange meetperiode, is het mogelijk om na een storing in het energienetwerk het exacte tijdstip van de verstoring nauwkeurig te analyseren. Dankzij een opslagcapaciteit van meer dan één jaar kan bij netwerkproblemen ver worden teruggekeken om terugkerende momenten met gelijkaardige storingspatronen te identificeren. Door stromen en spanningen van de installatie met elkaar te correleren, kan meestal worden bepaald of de storing haar oorsprong vond in de installatie zelf of in het elektriciteitsnet.
Een nadeel van deze toestellen is echter dat ze meestal niet worden geïnstalleerd op de plaatsen in het netwerk waar de verbruikers zich bevinden. Permanent geïnstalleerde Power Quality-toestellen bevinden zich doorgaans in de buurt van de laagspanningsverdeling en dicht bij de transformator. Met andere woorden: op het punt met het hoogste kortsluitvermogen binnen het laagspanningsnet. Op deze locatie hebben de terugwerkingen van de verbruikersstromen echter minder invloed dan aan het einde van een voedingslijn.
Draagbare meettoestellen maken het daarentegen mogelijk om diep in het netwerk metingen uit te voeren op de punten met het laagste kortsluitvermogen. Ze zijn bijzonder nuttig bij het opsporen van storingsbronnen doordat ze tot diep in de installatie kunnen worden ingezet en de spanningskwaliteit rechtstreeks aan de belasting kunnen registreren. In dat opzicht zijn vaste meettoestellen beperkt omdat ze enkel op hun vaste meetpunten binnen het netwerk kunnen meten.
Bij het beoordelen van spanningskwaliteit volgens de geldende normen is het meestal voldoende om enkel de spanningen te registreren. Met behulp van de norm kan vervolgens worden gecontroleerd of deze waarden binnen de toegelaten toleranties vallen. Om de oorzaak van storingen te identificeren, is het echter meestal noodzakelijk om ook de stroom van de belasting te meten. Wanneer de stroom de waargenomen spanningsverstoring kan verklaren, moet de veroorzaker gezocht worden op het meetpunt zelf. Indien de stroom de verstoring niet verklaart omdat de verbruiker op dat moment geen stroom afnam, moet de oorzaak vóór het meetpunt in het netwerk worden gezocht.
Bij stroommetingen is het belangrijk om vooraf te bepalen of men op zoek is naar een storing, dan wel naar een zo nauwkeurig mogelijke meting van vermogen en energie van een belasting. Om nauwkeurige metingen uit te voeren, is het bijvoorbeeld niet aangewezen om een Rogowski-spoel met een meetbereik van 3000 A te gebruiken wanneer slechts 10 A wordt gemeten. In dat geval kan de meetfout aanzienlijk oplopen. Om vermogen, energie en cosinus phi zo nauwkeurig mogelijk te bepalen, moet de gemeten stroom zich idealiter tussen 50% en 100% van het meetbereik van de stroomtang bevinden. De grootste meetfout bij stroommetingen wordt meestal veroorzaakt door de stroomtangen zelf, aangezien deze vaak minder nauwkeurig zijn dan het meettoestel.
Bij de analyse van Power Quality-verstoringen, zoals spanningsdips, is het van groot belang om de belasting te identificeren die gepulste hoge stromen trekt. Het is hierbij niet aangewezen om een stroomtang uitsluitend te dimensioneren op basis van de nominale stroom van de installatie. Zo kunnen inschakelstromen van aandrijvingen of piekstromen van verlichtingsinstallaties gedurende een halve periode oplopen tot tien maal de nominale stroom. In dergelijke situaties is het verstandiger om een stroomtang te gebruiken met een meetbereik dat minstens vijf tot tien maal hoger ligt dan de nominale stroom. Hierdoor wordt voorkomen dat hoge inschakelstromen worden begrensd door de stroomtang of het meettoestel en kunnen deze pieken correct worden geregistreerd.
Figuur 1: Verschillende oplossingen voor het meten van Power Quality met een PQ-Box: stroomtangen, Rogowski-spoelen of een shunt.
Er zijn verschillende methoden beschikbaar voor het meten van stromen. Een mogelijkheid is het gebruik van een standaard AC-stroomtang. Deze heeft echter als nadeel dat gelijkstromen (DC) niet kunnen worden gemeten.
Voor het meten van gelijkstromen is een stroomtang met Hall-sensor geschikt. Hiermee kunnen zowel wisselstromen (AC) als gelijkstromen (DC) worden gemeten.
Een zeer nauwkeurige, maar minder praktische methode is het gebruik van een stroomshunt die in de geleider wordt opgenomen. Deze levert een spanning die evenredig is met de gemeten stroom. Ook deze methode maakt metingen van zowel AC als DC mogelijk, maar vereist dat de bedrading tijdelijk wordt losgekoppeld.
Een andere mogelijkheid voor stroommetingen is het gebruik van Rogowski-spoelen. Elke van deze meetmethoden heeft zijn eigen voor- en nadelen, die in een afzonderlijk artikel uitgebreider zullen worden besproken.
Figuur 2 toont de inschakelstroom van een grote motor en de bijbehorende spanningsdaling. De stroom werd gemeten met behulp van een Rogowski-spoel met een meetbereik van 3000 A. Het meetresultaat gaf een maximale waarde van 4.250 ampère weer. Een gelijktijdige registratie van de spanning toonde een spanningsdaling tot 185 V.
Figuur 2: Meetgegevens van de inschakelstroom van een grote elektromotor.
Een diepgaandere analyse met behulp van een oscilloscoopopname toonde aan dat de sinusgolf aan de bovenzijde werd afgevlakt. Hierdoor bleek dat de werkelijke stroom aanzienlijk hoger lag dan de gemeten waarde.
Omdat de Rogowski-spoel haar meetbereiklimiet bereikte bij een piekwaarde van 6000 ampère, kon de werkelijke inschakelstroom niet correct worden geregistreerd.
Figuur 3: Toevoeging van de oscilloscoopopname.
Selectie van de juiste meetlocatie
Voordat meettoestellen in het netwerk worden geïnstalleerd, is het raadzaam om vooraf te bepalen welke metingen moeten worden uitgevoerd, waar deze metingen moeten plaatsvinden en hoe de veroorzaker van de storing het snelst kan worden opgespoord.
In dit voorbeeld ontving de netbeheerder een groot aantal klachten van klanten uit het lokale netwerk. Om deze storingen te onderzoeken, wordt eerst het netwerk geanalyseerd. Bij meetpunt 2 bevindt zich een industriële klant die vermoedelijk verantwoordelijk is voor de verstoringen die bij andere klanten worden waargenomen. Daarom is het logisch om de oorzaak van de verstoringen eerst bij deze klant te onderzoeken.
Voordat wordt gestart met metingen in het netwerk, moet zorgvuldig worden overwogen welke metingen nodig zijn en op welke meetpunten deze het snelst en meest efficiënt kunnen worden uitgevoerd.
Figuur 4: Lokale netwerksituatie voor het bepalen van geschikte meetpunten
Tips voor het uitvoeren van metingen met PQ-Boxen:
- Voer metingen altijd uit gedurende minimaal één week.
- Registreer metingen tijdens alle uren van de dag en nacht, inclusief het weekend.
- Parallelle metingen op meerdere meetpunten versnellen het opsporen van storingen.
Een aanbevolen werkwijze is om metingen gedurende ten minste één week uit te voeren. Deze meetperiode dient zowel alle uren van de dag en nacht als het volledige weekend te omvatten, zelfs wanneer een industriële klant zijn installaties tijdens het weekend uitschakelt. Met name de periodes waarin geen storingen optreden leveren waardevolle informatie op over welke omstandigheden veranderen wanneer de klant bijvoorbeeld op maandag opnieuw zijn activiteiten opstart.
In het beschreven geval bevond de installatie zich aan het einde van de voedingslijn bij meetpunt 1. In de werkplaats van het bedrijf werd een CNC-machine met een aangesloten vermogen van 12 kW gebruikt. Wanneer de CNC-draaibank in bedrijf was, traden er verstoringen op in het volledige lokale elektriciteitsnet.
Auteur: Jürgen Blum, Product Manager Power Quality Mobil