Steeds meer en grotere problemen door harmonische vervuiling

Harmonische vervuiling: de ‘sluipmoordenaar’ in elektrische installaties

Harmonische vervuiling is in nagenoeg elke elektrische installatie in meer of mindere mate aanwezig. Hoe meer harmonische vervuiling er is, des te meer risico uw installatie loopt. Vooral bij installaties met veel vermogenselektronica (niet-lineaire belastingen) is de kans op problemen door harmonische vervuiling groot. Daarnaast zorgen harmonischen voor extra blindvermogen, oftewel distortie vermogen of harmonisch vermogen. Door harmonischen kan geschakelde apparatuur (bijv. frequentieregelaars) soms meer dan 50% aan blindvermogen verbruiken.

Verbrande kabel door harmonische vervuiling

Risico’s van harmonische vervuiling:

  • uitval van apparatuur;
  • onverwacht uitschakelen van beveiligingstoestellen;
  • problemen met inschakelen van generatoren;
  • ontbranden van juist gedimensioneerde kabels en verdeelkasten;
  • onnodige energie- en capaciteitsverliezen;
  • verkorte levensduur van apparatuur;
  • onnodige kosten voor service & onderhoud.
Ontbranden verdeelkast door slechte Power Quality

De oorzaken van harmonische vervuiling

Harmonische vervuiling wordt veroorzaakt door niet-lineaire belastingen. Dit zijn elektrische apparaten die geen ‘lineair’ gedrag vertonen; de vorm van de opgenomen stroom komt niet overeen met de vorm van de aangeboden spanning. De resulterende stroom is daardoor niet zuiver sinusvormig.

Vermogenselektronica of apparatuur waarin vermogenselektronica aanwezig is, zijn typische niet-lineaire belastingen. In industriële en commerciële installaties wordt dergelijke apparatuur in steeds grotere mate toegepast. Hierdoor neemt de harmonische vervuiling binnen deze installaties exponentieel toe.

Voorbeelden van niet-lineaire belastingen:

  • Frequentieregelaars / variabele snelheidsaandrijvingen (t.b.v. AC- en DC-motoren)
  • Industriële apparaten (lasapparatuur, vlamboogovens, inductieovens, batterijontladers)
  • Uninterruptible Power Supplies (UPS)
  • IT-apparatuur (servers, computers, printers)
  • Verlichting met elektrische voorschakelapparaten (TL-verlichting, ledverlichting)
  • Meeste apparaten waar halfgeleiders in zijn verwerkt (transistors e/o diodes, solid state relais)

IT apparatuur loopt risico's door harmonische vervuiling

De gevolgen van harmonische vervuiling

Harmonische vervuiling in een installatie kan tal van gevolgen hebben: van defecte apparatuur tot uitgebrande verdeelkasten. Afhankelijk van de mate van de harmonische vervuiling en de gevoeligheid van aangesloten apparatuur zullen de negatieve effecten van harmonische vervuiling zich sneller openbaren.

Negatieve effecten van harmonische vervuiling:

  • de kabelweerstand wordt hoger waardoor er meer warmte in de kabels ontstaat => brandgevaar & ‘skineffect’;
  • hoge nulstromen die onvoorziene problemen kunnen veroorzaken => storingsrisico’s;
  • het onverwacht uitschakelen van beveiligingstoestellen => veiligheidsrisico;
  • extra blindvermogen (distortie blindvermogen) in de installatie => energie- en capaciteitsverlies;
  • geschakelde apparatuur - zoals frequentieregelaars - kan soms tot wel meer dan 50% aan blindvermogen introduceren => energie- en capaciteitsverlies;
  • ongewenste stromen door de kabels => storingen
  • overbelasting van motoren en transformatoren => geluidstoename & proportioneel negatief draaiveld;
  • verkorte levensduur van apparatuur door verhoogde bedrijfstemperaturen => onnodige kosten.

Wat is een harmonische

Een harmonische is een frequentie die een gehele veelvoud is van de grondfrequentie. De grondfrequentie is in het Europese spanningsnet 50Hz. Met een veelvoud wordt bedoeld dat bij bijvoorbeeld 50Hz hier alleen frequenties van 100Hz, 150Hz, 200Hz etc. in zitten. Deze ‘veelvoudfrequenties’ worden harmonischen genoemd. Een 3e harmonische betekent in het geval van een 50Hz grondfrequentie dus 150Hz, een 5e harmonische 250Hz en een 7e harmonische 350Hz. In de praktijk komen vrijwel alleen oneven harmonischen voor. Dit heeft te maken met de karakteristieken van elektronische apparatuur.

De totale harmonische vervorming van de spanning en stroom wordt uitgedrukt in THD waardes. THD is de totale graad van de harmonische vervorming, van de 2e order harmonische tot en met de 50e orde, als percentage van de fundamentele frequentie.

Harmonische stromen bij harmonische vervuiling

Drie groepen harmonischen

Harmonischen kunnen we onderverdelen in drie groepen, ook wel draairichtingen genoemd. We gaan hierbij uit van een grondfrequentie van 50Hz die rechtsdraaiend is. Elk van deze groepen heeft een ander effect.

Stilstaand in de nul

3e harmonische
9e harmonisch
15e harmonische
enz. tot de 50e

Veroorzaken verhoogde nulstromen die tot opwarming en ontbranding van kabels en componenten kunnen leiden.

Linksdraaiend veld

5e harmonische
11e harmonische
17e harmonische
enz. tot de 50e

Veroorzaken verliezen in o.a. motoren en transformatoren en warmteontwikkeling in de elektrische infrastructuur.

Rechtsdraaiend veld

7e harmonische
13e harmonische
19e harmonische
enz. tot de 50e

Veroorzaken verliezen in o.a. motoren en transformatoren en warmteontwikkeling in de elektrische infrastructuur.

Ieder apparaat heeft zijn eigen kenmerkende harmonischen. Zo ontstaan er in frequentieregelaars vaak 6e harmonischen en in ledlampen veel 3e harmonischen.

In de Power Quality meten we de harmonische vervuiling tot de 50e harmonische. Hiervoor gebruiken we Fluke meters en Power Quality analyzers. Boven de 50e harmonische is meer geavanceerde apparatuur nodig zoals een oscilloscoop.

Power Quality meting met osciloscoop
Harmonische meten met Fluke 435 meter
Power Quality monitoring met Power Quality Analyzers

De normen omtrent de maximale harmonische vervuiling

De maximale harmonische vervuiling (van de spanning) – in zowel openbare als niet-openbare netten – zijn vastgelegd in verschillende normen die betrekking hebben op de spanningskwaliteit.

(NEN) EN50160

  • Norm voor de spanningskwaliteit voor energieleveranciers/netbeheerders.
  • Beschrijft de maximale harmonische vervuiling tot de 25e orde.
  • Bij het voorschrijven van de minimale kwaliteit van de spanning wordt in de Netcode verwezen naar de NEN-EN50160. Dit is een Nederlandse norm, gebaseerd op de Europese norm EN50106 en onderdeel van de Netcode.
  • In de EN50160 is vastgelegd aan welke eisen netkwaliteit dient te voldoen die door de energieleverancier geleverd wordt in openbare laag-, midden- en hoogspanningsnetwerken. Deze norm beschrijft de belangrijkste kenmerken waaraan de kwaliteit van de netspanning moet voldoen op het ‘point of coupling’; het overdrachtspunt van de netbeheerder naar de eindgebruiker. Deze norm beschrijft niet de gemiddelde situatie die gewoonlijk door een eindgebruiker wordt ervaren.
Voorbeeld harmonische vervuiling t.o.v. NEN-EN50160

Voorbeeld van gemeten harmonische vervorming t.o.v. de max. harmonische vervorming volgens de NEN-EN50160.

Wat kan HyTEPS voor u betekenen?

 

HyTEPS heeft de kennis, ervaring en gespecialiseerde apparatuur om de harmonische vervuiling binnen uw installatie te meten, analyseren en toetsen aan de normen. Wij geven u inzicht en adviseren u omtrent mogelijke verbeteringen. Daarnaast leveren wij innovatieve productoplossingen om deze verbeteringen tot stand te brengen. Het Actief Harmonisch Filter; is in het geval van harmonische vervuiling een veelvuldig toegepaste oplossing.