Nettforhold/Overharmonisk

• Kurs for elektrobransjen
– Installatører
– DLE, faglig forum
– Eltakstskolen
– Industri mm
• Elkvalitet
– Elkvalitetsanalyser
– KILE-ordningen
– Jording, jordfeil
• Energikontroll
– Kontroll i felt
• Tilstandskontroll
– Næringsbygg, industri
– Mottakskontroll/3.parts
Nettforhold
Overharmoniske
Bernt Prestkvern
bernt@prestkvern.no
Telefon: 90193580
Elektrobistand
• Bernt Prestkvern
– Elektro ingeniør (HiT 1988)
– Installatør gr. L
– Elsikkerhetskonsulent
– Medlem NK 8
1

TETORP
Phase A-B Voltage
RMS Variation
Volts
Volts
270
260
250
240
230
220
210
200
190
-100
-200
-300
-400
0
400
300
200
100
Nettforhold, tavler
Spenningsdipper
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time (Seconds)
EMC?
June 24, 1999 at 08:54:38 Local
Trigger
Duration
0.140 Sec
Min 197.4
Ave 219.5
Max 225.3
Ref Cycle
59812
0 50 100 150 200 250
Time (mSeconds)
Electrotek
2

Volts
Volts
Spenningsdipper
ROLA02
September 01, 2000 at 13:04:35 Local
Phase C-A Voltage
RMS Variation
Trigger
275
250
225
200
175
150
125
100
75
0
-100
-200
-300
-400
0
0.2
50
0.4 0.6
Time (Seconds)
100 150
0.8
200
1
250
0
400
300
200
100
Time (mSeconds)
Duration
0.100 Sec
Min 88.89
Ave 226.9
Max 250.1
Ref Cycle
65283
Electrotek
ROLA02
Phase A Current
RMS Variation
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 0.2 0.4
September 01, 2000 at 13:04:35 Local
Min 4.015
Ave 10.33
Max 35.19
Ref Cycle
65283
0.6 0.8 1
Time (Seconds)
SSM-OB
Phase B Voltage
Wave Fault
400
Volts
300
200
100
0
-100
-200
-300
Amps
Amps
-50
-100
-150
0
200
150
100
50
Kurveformfeil
June 29, 1999 at 07:01:44 Local
Trigger
Max 344.5
Min -339.8
Duration
0.078 Sec
Ref Cycle
32935
-400
0 20 40 60
Time (mSeconds)
80 100
Electrotek
0 50 100 150 200 250
Time (mSeconds)
Electrotek
SSM-OB
Phase B Current
Wave Fault
1000
800
600
400
200
0
Amps
June 29, 1999 at 07:01:44 Local
Max 909.7
Min -661.7
-200
-400
-600
-800
0 20 40 60 80 100
Time (mSeconds)
Electrotek
3

SSM-OB
Phase C Voltage
Impulse
400
Volts
300
200
100
0
-100
-200
-300
Kurveformfeil
June 29, 1999 at 07:01:48 Local
Trigger
Max 420.5
Min 28.94
Positive Peak
185.6
Negative Peak
-205.9
Volt-Seconds
0.004
Ref Cycle
33149
-400
0 20 40 60
Time (mSeconds)
80 100
Electrotek
SSM-OB
Phase C Current
Impulse
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
-800
June 29, 1999 at 07:01:48 Local
0 20 40 60
Time (mSeconds)
80 100
Electrotek
Industribedrift Oslo
• Perioden 18.12.03 tom 30.03.04
• Antall ”forstyrrelser” på nettet i perioden er
433
• Forstyrrelsene er av typen koblingsoverspenninger
med varighet inntil 10mS
Amps
4

Rapport fra måleinstrument
Eksempel på spenningsvariasjon
5

Krav til energileveransen
• Tidligere, netteiers leveringsbetingelser
– +/- 10% av Un
– NEK-EN-50160
• 95% av tiden
• I dag (1.1.05), ny forskrift om
leveringskvalitet (FoL) fra NVE
– Bygger på NEK-EN-50160 + IEC 61000-xx
• 100% av tiden
• Total harmonisk
forvrengning THD
• THDu < 8%
NEK-EN-50160
AFM6_3
Phase B Voltage
SS Wave
300
200
100
0
-100
-200
-300
Volts
% Fund
12
10
8
6
4
2
0
May 03, 1999 at 13:32:32 Local
Fund 233.1
RMS 234.7
CF 1.274
Min -299.1
Max 298.8
0 2.5 5 7.5 10 12.5
Time (mSeconds)
15 17.5
THD 11.58
20
HRMS27.00
TIF/IT 53.57
0 20 40 60 80 100 120 140
Harmonic
Electrotek
6

Krav til maks individuelle
harmoniske
Virkning av den enkelte
harmoniske komponent
Harmonisk orden Frekvens Maks spenning Sekvens
2 100 Hz 2 % -
3 150 Hz 5 % 0
5 250 Hz 6 % -
7 350 Hz 5 % +
9 450 Hz 1,50 % 0
THD Alle 8 %
Sekvens Rotasjon Resultater
Positiv Forover Oppheting av kondensatorer, releer mm.
Negativ Bakover I tillegg til positiv sekvens motorproblemer
Null Ingen Oppheting + addering i N-leder
7

5.harmoniske
5. harmoniske spenning
konsekvens
• Negativ rotasjon av 5.
harmonisk spenning gir
motvirkende effekt av
50Hz dreieretning.
• Resultat er redusert
levetid på motorer
8

Kilder til harmoniske strømmer
• 3. harmoniske
L1
L2
L3
N
– 1-fase elektronisk
forkobling
• PC, Lysanlegg, osv
• 5. harmoniske
– Frekvensomformere
– UPS-anlegg (3-fase)
• Pga 3.harmoniske strøm summerer seg i Nleder
bør man være klar over dette ved valg
av tverrsnitt og vern
Måling:
L1-370A
L2-370A
L3-370A
N- 390A
Lysanlegg 33-40 % regulering
630
630
630
315
Bryteren som har
Koblet ut x antall
ganger
Lysregulator
#1
#2
#n
9

L1
L2
L3
N
Måling:
L1-456A
L2-456A
L3-456A
N- 339A
L1
L2
L3
N
Måling:
L1-415A
L2-415A
L3-415A
N- 35A
Lysanlegg 66 % regulering
630
630
630
315
Bryteren som har
Koblet ut x antall
ganger
Lysanlegg 100 % regulering
630
630
630
315
Bryteren som har
Koblet ut x antall
ganger
Lysregulator
#1
#2
#n
Lysregulator
#1
#2
#n
10

TN-C-S 400/230 volts anlegg
• N-leder lik faseleder
• Allpolig vern med vern i N-leder tilpasset
N-leders strømføringsevne
IT 230 volt anlegg
• Overharmoniske og spesielt 3.harmoniske
vil utligne seg overkapasitansene til jord.
• Det er viktig å være klar over dette ved
valg av isolasjonsovervåking, jordfeilvarslingsanlegg
og strømstyrte jordfeilvern
11

5. Harmoniske tavler
Spesielle forhold for reserve- og
nødstrøms forsynte anlegg
• Erfaringsmessig anlegg med mye spesielt
utstyr
– Elektronisk forkobling
– UPS med 6 eller 12 puls likeretter
– Generator med langt lavere ytelse enn
hovedforsyning
– Fintfølende elektronikk (kontroll/overvåking)
– Omkoblingsautomatikk, spenningsvariasjoner
12

G
Emisjonsnivå til andre
Noen elementer:
-Rydding av linjer
-Kapasitet på linjer
-Transienter
-Overspenninger fra lyn
-Overspenninger fra koblinger
-Harmoniske
-Spenningsfall
-Spenningsvariasjoner
-Korte
-Lange
Osv....
Kartlegging
Installasjon
Installasjon
Installasjon
Installasjon
Installasjon
Installasjon
Installasjon
Installasjon
Installasjon med mye
Støy, f.eks ASD/UPS
• Egenskaper på utstyr som skal driftes
• Forbruk VA-W
• Startstrømmer
• Harmonisk innhold (strøm)
• Store inn/ut koblinger av laster
13

Krav i FoL
Krav i FoL
14

Krav i FoL
Krav i FoL
15

Krav i FoL
Krav i FoL
16

Krav i FoL
Krav i FoL
17

Krav i FoL
Krav i FoL
18

Interne krav
• Spenning tilført elektrisk utstyr ved
forskjellige driftsituasjoner
• Eksempel fra Astrup Fearnley Gården i
Oslo
Grev Wedelsplass 9 AS
19

Konfigurasjon
• Hafslund nett trafo 1600 kVA
• Egen generator 325 kVA
• Online UPS anlegg 2 x 200 kVA
• ”Enkel” omkoblingsautomatikk mellom nett
og generator
• Aktive harmoniske filtre
AFHFL2
Phase A Voltage
SS Wave
Volts
% Fund
6
5
4
3
2
1
0
Hovedtavle
May 05, 1999 at 16:02:46 Local
-100
-200
-300
-400
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20
0
400
300
Fund 229.9
200
100
RMS 230.3
CF 1.369
Min -315.3
Max 313.1
THD 6.017
Time (mSeconds)
HRMS13.83
TIF/IT 14.34
0 20 40 60 80 100 120 140
Harmonic
Electrotek
20

AFRK01
Phase C Voltage
SS Wave
Volts
% Fund
Generator spenning
-100
-200
-300
-400
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20
0
400
300
200
100
Time (mSeconds)
14
12
10
8
6
4
2
0
June 25, 2003 at 07:42:33 Local
Fund 226.3
RMS 229.9
CF 1.416
Min -325.4
Max 324.5
THD 17.81
HRMS40.30
TIF/IT 102.4
0 20 40 60 80 100 120 140
Harmonic
Electrotek
Underfordeling 5. og 6. etg
AFM5_3
Phase B Voltage
SS Wave
Volts
% Fund
12
10
8
6
4
2
0
May 05, 1999 at 11:20:12 Local
-100
-200
-300
-400
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20
0
300
200
Fund 233.5
100
RMS 235.0
CF 1.278
Min -300.3
Max 299.2
THD 11.29
Time (mSeconds)
HRMS26.36
TIF/IT 54.72
0 20 40 60 80 100 120 140
Harmonic
Electrotek
21

Underfordeling 5. og 6. etg (2)
AFM5_303
Phase B Voltage
SS Wave
Volts
% Fund
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
June 06, 2003 at 12:22:23 Local
-100
-200
-300
-400
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20
0
400
300
Fund 230.4
200
100
RMS 230.4
CF 1.410
Min -323.6
Max 324.8
THD 1.355
Time (mSeconds)
HRMS3.123
TIF/IT 34.13
0 20 40 60 80 100 120 140
Harmonic
Electrotek
Endringer
• Nytt UPS anlegg, byttet fra 160KVA til
2x200kVA
• Aktive filtre fra MGE UPS
22

NORKGRAN
Phase A-B Voltage
SS Wave
Volts
% Fund
September 14, 2005 at 07:43:50 Local
300
200
100
0
-100
-200
-300
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20
Time (mSeconds)
12
10
8
6
4
2
0
0 20 40 60 80 100 120 140
Harmonic
Fund 223.1
RMS 225.2
CF 1.260
Min -283.8
Max 281.7
THD 13.82
HRMS30.82
TIF/IT 81.32
Electrotek
23

NORKGRAN
Phase C-A Voltage
THD Trend
16
THD (%)
14
12
10
8
6
4
2
September 14, 2005 at 07:24:51 Local
Max14.80
Min 10.12
0
07:00 08:00 09:00
Time
10:00 11:00
Electrotek
24

OVERHARMONISKE
STRØMMER OG
SPENNINGER
Bernt Prestkvern
25

Innhold
• Hvorfor må vi kjenne til harmoniske ?
• Gjennomgang av harmoniske
• Problemstillinger rundt harmoniske
• Hvordan måle og påvise harmoniske
• Praktiske målinger
• Tiltak for å begrense/fjerne harmoniske
• Gjennomgang av et konkret anlegg
Målsetning
• Gi en grunnleggende forståelse av harmoniske
spenninger og strømmer
• Gi kjennskap til noen problemer som
harmoniske komponenter forårsaker
• Gi nødvendig kunnskap for enkelt å kunne
påvise harmoniske spenninger og strømmer
• Gi en forståelse av hvilke tiltak som kan
iverksettes for å fjerne problemene
26

Hvorfor må vi kjenne til
overharmoniske ?
• En nødvendighet for å takle/forstå de problemer
som har kommet og vil øke i fremtiden i alle type
installasjoner/anlegg.
• ”Uforklarlige” feil oppstår, som vi idag må ha
større kjennskap til for å løse.
• De er idag en realitet i våre kraftnett.
• Redusere kostnader ved driftsavbrudd og andre
feil, når vi kjenner til de ved prosjektering og
feilsøking
Harmoniske / Overharmoniske
• Harmoniske er et fellesbegrep for alle strømmer
og spenninger som ikke er linjere
• Overharmoniske dekker alle strømmer og
spenninger som har høyere frekvens en
grunnfrekvens
• Grunnfrekvens er fordelingssystemets frekvens
(Norge f=50Hz USA f=60Hz NSB f=16.6Hz
Flyselskap GPU f=400Hz)
27

Strøm/spenningsform Sinus
Tilnærmet generatortilstand
0 ,
Tid (ms)
Ren matematisk sinusform blir benyttet som grunnlag
for grunnharmoniske ved analyser
Ulineær strøm/spenning, ikke
sinusformet strøm/spenning
AFD6_1
Neutral Current
SS Wave
Amps
Amps
10
8
6
4
2
0
May 03, 1999 at 14:06:40 Local
30
20
10
0
Fund 3.793
RMS 12.34
CF 2.374
-10
-20
-30
0 2.5 5 7.5 10 12.5
Time (mSeconds)
15 17.5
Min -29.30
Max 27.68
THD 309.5
20
HRMS11.74
TIF/IT 5564
0 5 10 15
Harmonic
20 25 30
Electrotek
28

Beskrivelse av avvik fra ren kurvefor
• Metode for beskrivelse er Fourier-analyse
• Baseres på at et hvert periodisk signal kan
beskrives som summen av en rekke sinusformede
funksjoner med frekvens lik et heltall
ganget med frekvensen til det periodiske
signalet
• Beskrivelse skjer i tidsplan og frekvensplan
Sammenheng mellom tidsplan
og frekvensplan
29

Forvrengt kurveform n=1,5
Resultat av F-analyse i tidsplan
30

Resultat av F-analyse i
frekvensplan
Kurve med flere overharmoniske
komponeter
31

Definisjoner
• THD- Total harmonisk forstyrrelse,
beskriver andel av overharmoniske
signaler i forhold til det totale signal
• CF- Crest factor, kurveform faktor, normalt
ved ohmske laster til 1,41 ( )
• Trippelharmonisk - 3.harmoniskes venner, 2
og N-leders uvenner pga. sammenlagring
Kurveform strøm for stiger til
datafordeling
32

Frekvensplan strøm for stiger til
datafordeling
Kurveform spenning i
hovedfordeling,datafordeling
33

Frekvensplan, spenning i
hovedfordeling, datastiger
Kurveform strøm, stiger til UPS
– datafordelinger
AFSEKUP1
Phase C Current
SS Wave
Amps
100
80
60
40
20
0
May 02, 1999 at 13:13:28 Local
600
400
200
0
Fund
RMS
CF
262.0
281.5
1.561
-200
-400
-600
0 2.5 5 7.5 10 12.5
Time (mSeconds)
15 17.5
Min -439.5
Max 425.2
THD 38.69
20
HRMS101.4
TIF/IT 106417
Amps
0 10 20 30 40 50 60 70
Harmonic
BMI/Electrotek
34

Veilysarmatur 125 W HQL
5.0
Current
2.5
Amps 1Ø0.0 ,
-2.5
2,5 5, 7,5 10,012,515,017,51
-5.0
mSec
Veilysarmatur 125 W HQL
1.5
Amps rms
1Ø
1.0
0.5
0.0
Current
DC 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Harmonic
Harmoniske
35

Damplampearmatur 600 VA
Harmoniske
Damplampearmatur 600 VA
Harmoniske
36

2
El.dimmer 600 VA
Current
1
Amps 0
,
-1
2,5 5, 7,5 10,012,515,017,51
-2
mSec
Amps
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
El.dimmer 600 VA
Current
DC 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Harmonic
37

5.0
PC-last blandet
Current
2.5
Amps 1Ø0.0 ,
-2.5
2,5 5, 7,5 10,012,515,017,51
-5.0
mSec
0.8
0.6
Amps rms
1Ø
0.4
0.2
0.0
PC-last blandet
Current
DC 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Harmonic
38

Sparepære PLC-E 11 watt
2
Current
1
Amps 1Ø0 ,
-1
2,5 5, 7,5 10,012,515,017,51
-2
mSec
Sparepære PLC-E 11 watt
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
Strøm
DC 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Harmonic
39

Tyristorstyrt anlegg
Tyristorstyrt anlegg
40

Problemstillinger rundt
overharmoniske
• TN-S problemstillinger
• Påvirkning:
– Utstyr
– Vern av forskjellig type
– tap i kabler og transformatorer
– Effektmåling
• Internasjonale normer
Nettmodell for forståelse
av harmoniske situasjoner
U’
Z nett
U’’
U’’=U’-Z nett * I U’- generatorspenning
U’’- lastspenning
I
Z last
41

Nett ulineær last, lav
nettimpedans
U’
U’
Z nett
U’’
U’’ er tilnærmet lik U’ i kurveform
I laststrøm har forvrengt kurveform
Nett ulineær last
Høy nettimpedans
Z nett
I
U’’
U’’ har forvrengt kurveform
I, laststrøm har forvrengt kurveform
I
Z last
Z last
42

Ulinjer last
Strømforsyning PC (SMPS)
Switch Mode Power Supply
Likeretter
AC inn C(F) Switcher DC ut
SMP Switch Mode Power
• Brukes i PC, KOPI, TV, VIDEO, STEREO
mm. Alt som har elektroniske kretser
• Trekker slipper igjennom strøm på toppen
av sinuskurven, dvs høy spiss/toppverdi
• Typisk høye harmoniske av orden 3,5,7,9
med fallende amplitude
43

5.0
2.5
Philips TV, SMPS
Current
Amps 1Ø0.0 , 2,51 5,02 7,53 10,0412,5515,0617,57
-2.5
-5.0
0.6
0.5
Amps rms
1Ø
0.4
0.3
0.2
0.1
mSec
Philips TV, SMPS
Current
0.0
DC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Harmonic
44

2
Compaq LTE 5100
Current
1
Amps 1Ø0 ,
-1
2,5 5, 7,5 10, 12,515, 17,5
-2
mSec
0.15
Amps rms
1Ø
0.10
0.05
0.00
Compaq LTE 5100
Current
DC 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Harmonic
45

Oversikt over problemer
• Overbelastning av kondensatorer
• Overbelastning og redusert ytelse på
motor, transformatorer, generatorer
• Overbelastning av N-leder
•Økte tap
• feilfunksjon på fintfølende utstyr
• Økte elektromagnetiske felt
Kilder til harmoniske
• Tyristorstyrte apparater/anlegg
• Strømrettere (likerettere/vekselrettere)
• Lysstoffrøyrarmaturer, kompaktlysrørarmaturer
mm
• lysbueovner,induksjonsovner,
sveiseapparater
• Strømforsyninger til apparater
46