Håndtering av spenningsproblem i praksis interessante eksempler Problembeskrivelse Identifisering/årsak (måleopplegg, resultat) Løsning/videre plan Helge Seljeseth helge.seljeseth@sintef.no www.energy.sintef.no 1
Industrianlegg med havari på mye elektroniske apparater Ganske stort industrianlegg ~ 40 MW Mye 230 V AC elektroniske apparater har havarert Havariene skjer i perioder De fleste havariene skjer i enkelte av kontorfløyene Mest havari av flatskjermer og batteriladere En stor transformator i anlegget har havarert under 1 år tidligere 2
690 V nødtavle T1 T6 ~ ~ T7 X ~ X G 11 kv X ~ M5 Nødgenerator T2 T3 X 230 V ~ ~ ~ ~ T4 X T5 ~ M3 ~ M4 ~ M1 ~ M2 690 V Utility 3
Målinger Industribedriften har gjort noen forsøk på å finne årsaken til problemene Relativt høye overharmoniske verdier, men tross alt under grenseverdier i aktuelle normer EN50160, IEC61000-2-4 Måleutstyret ikke avansert nok til å måle høyere frekvenser i form av transienter/impulser Utstyrsleverandørene skylder på transienter/overspenninger i anlegget SINTEF velger å foreta ganske omfattende målinger Samtidige målinger både på 11 kv, 690 V og 230 V Instrumenter som kan måle alt av spenningsavvik som kan gi havari Dranetz-BMI Dualnode Series5500 Fluke 435 UNIPOWER Unilyzer 902 Medcal H 4
Spenning i 230 V stikk 5
6
7
INGEN kortvarige over- eller underspenninger (swell, dip) Ingen høyfrekvente transienter over 100 V peak (dvs 100 V utsving fra 50 Hz sinus) Ingen koblingstransienter (noen hundre Hz til noen khz) Ingen jordfeil 8
9
10
11
12
13
11 kv samleskinne 14
690 V nødtavle T1 T6 ~ ~ T7 X ~ X G 11 kv X ~ M5 Nødgenerator T2 T3 X 230 V ~ ~ ~ ~ T4 X T5 ~ M3 ~ M4 ~ M1 ~ M2 690 V Utility 15
Årsak - sammenheng Anlegget var planlagt med til vanlig å forsyne 230 V fra 690 V utility (mellom 3,9 og 5,5 % THD) Etter et kjedelig strømbrudd valgte bedriften å koble 230 V samleskinne over fra T5 til T7 slik at 230 V samleskinnen ble permanent forsynt fra nødtavlen. Dermed unngikk man utkobling i den tiden det tok å koble over fra 690 V Utility til nødtavle og nødgenerator. Når motordriften tilkoblet nødtavlen rutinemessig ble testet (sikkerhetsmessig testrutine) stiger nivået av overharmoniske spenninger på nødtavlen fra mellom 4,0 og 5,5 % til mellom 7 og 8 %. Lasten på 230 V samleskinne bidrar til å heve nivået av overharmoniske spenninger ytterligere opp til mellom 8 og 9 % i tavlen/samleskinnen og helt opp i over 11 % ute på lastkursene. På forespørsel til leverandører av havarert utstyr ville ingen godkjenne disse for bruk på spenninger med 11 % THD. Det var et tydelig mønster på tidspunkt for havarier og tidspunkt for rutinemessig test av motordrift på nødtavlen. 16
Foreslåtte tiltak Forbedre harmonisk filter (dette filtrerte nesten bare 5.h og 7.h) Gå tilbake til å forsyne 230 V samleskinne fra 690 V Utility Iverksette en fast rutine for å koble 230 V samleskinne fra 690 V nødtavle til 690 V Utility før hver test av motordriften på nødtavlen. 17
UTSTYRSHAVARI PÅ GRUNN AV AVBRUDD? Denne problemstillingen har SINTEF nå erfart gjennom 2 uavhengige saker (i hhv 2006 og 2007) Går igjennom den ene saken i dette foredraget En næringslivskunde klager til det lokale nettselskapet og forlanger å få erstattet tapene de fikk på grunn av havari på datautstyr. De hevder at datautstyret havarerte som følge av et planlagt avbrudd fra det lokale nettselskapet. Nettselskapet vurderer saken som tvilsom og merkelig da ingen av de andre kundene på samme nettstasjon rapporterer om skader/havari Videre anså man det som sjelden å erfare havari ved vanlig utkobling og innkobling av nettstasjon m/kunder 18
Målinger SINTEF ble leid inn som konsulent og uavhengig ekspert Anbefalte å forsøke å gjenskape situasjonen som kunden mente hadde forårsaket havari på datautstyr hos dem under forutsetning av at kundene under aktuell nettstasjon syntes dette var akseptabelt Det ble foretatt 10 utkoblinger og 10 innkoblinger av den aktuelle nettstasjonen. Det ble besluttet å foreta samtidige målinger både: I nettstasjonen På kundens inntak Inne i kundens installasjon Instrumenter benyttet: UNIPOWER Unilyzer 902 Fluke 435 Dranetz-BMI DualNode Series 5500 19
Resultater Det ble IKKE registrert noen transiente overspenninger over + 100 V utsving fra 50 Hz sinusspenning. De største spenningsavvikene fra ideell sinusspenning var fall i momentanverdien av spenningen under normal sinusspenning. Kurveformen/sinusen var moderat forvrengt til innkoblingsforløp å være Kurveformen/sinusen var nesten helt ren ved utkoblingene Det ble ikke registrert unormale spenninger mellom fase og jord under koblingene Ved flere av utkoblingene ble det registrert betydelig spenningshale pga roterende maskiner som ikke kobles fra ved spenningsutfall. 20
21
22
23
24
Årsak sammenheng (ALVORLIG!) Havariene var med kun et unntak (som kanskje var tilfeldig?) utelukkende på harddisker i noen få bestemte datamaskiner Diskoverflaten var ødelagt av lesehodet på diskene Vi har konstatert at enkelte datamaskiner dessverre har så enkle/dårlige kraftforsyninger at de ikke har noen form for spenningsvern på utgangene. Istedenfor å koble helt ut når AC spenningen på inngangen blir for lav til å opprettholde klart definerte spenninger på utgangene (+12 V DC, +5 V DC, +3 V DC) synker utgangsspenningene på enkelte billige/dårlige kraftforsyninger. Dette har i to saker det SINTEF har vært involvert medført havari på harddisker Det kan virke som at lesehodene på harddisker riper opp diskoverflaten når harddiskene får for lave/udefinerte spenninger 25
Forslag til løsning Bytte til bedre (dyrere) PSU (kraftforsyning) i datamaskinene Bør det vurderes å stille krav til vern/frakobling av motorer ved avbrudd? Det anses imidlertid som et MEGET alvorlig problem dersom elektriske apparater ikke lenger tåler strømbrudd fra nettet Dette ser foreløpig ut til å ha blitt en aktuell problemstilling med motorlast til stede der motoren(e) ikke har vern som kobler dem fra ved avbrudd 26
Klassisk sak med lastpåslag Dette er en klassiker som ikke kan repeteres for ofte! En kunde har problemer med elektrisk utstyr som svært ofte slår seg av og ved noen få anledninger skal ha havarert. Det blir foretatt målinger av konsulentfirma, men de delvis feiltolker målingene (henter ikke frem tilstrekkelige MEN tilgjengelige data) og finner ikke de riktige svarene på bakgrunn av målingene SINTEF blir koblet inn i saken når den er på vei inn i rettssystemet 27
Slik mente konsulentfirmaet spenningen så ut 28
Slik fant SINTEF ut av spenningen var 29
Det er en motor ( direktestartet ) i kunden installasjon. Stikkledningen til kunden er underdimensjonert i forhold til startstrømmen på motoren, men ikke i forhold til den stasjonære strømmen kunden trekker. Kunden har IKKE varslet det lokale nettselskapet om størrelsen på motor eller hvilke startstrømmer som må påregnes 30
31
Løsning Montere frekvensomformer Mykstarter kan alternativt anvendes i enkelte tilfeller, men frekvensomformer foretrekkes Skifte stikkledningen til kunden (større tverrsnitt) 32
Overharmoniske spenninger som forårsaker flimmer Kunde klager på kraftig lysflimmer fra belysning styrt av dimmere Kunden har ca 90% av belysningen i huset styrt av lysdimmere. Det blir kun observert flimmer av betydning fra dimmerstyrt belysning og ikke lamper koblet direkte på 230 V uten effektregulering. Det blir gjort forsøk på å bytte ALLE lysdimmerne til en annen type uten at dette ser ut til å hjelpe. Nettselskapet måler og finner ikke flimmerverdier som er spesielt høye på kundens inntak 33
34
Den eneste verdien ved spenningen som noen relativt få ganger overskrider de norske forskriftskravene er 19.harmonisk spenning. Denne varierer MYE over tid sammen med 17.harmonisk spenning som også er relativt stor. Den eneste sammenheng nettselskapet finner er at 17. og spesielt 19.harmonisk spenning blir store når det lokale kraftverket som er tilkoblet 22 kv er i drift. At 17. og 19. harmoniske spenning skal kunne forårsake lysflimmer fra dimmerstyrte lamper oppfattes som svært merkelig uforklarlig? SINTEF Energiforskning måler direkte på dimmerutstyret med avansert måleutstyr Det blir bekreftet betydelig variasjon i 17. og 19.harmonisk spenning. Blant annet med hjelp av oscilloscop-funksjon på måleutstyret, ser vi hva som forårsaker lysflimmeret i lamper bak lysdimmere. 35
36
37
38
39
40
Hvorfor overharmoniske spenninger fra dette lille kraftverket? Småkraftverk med billig asynkronmotor. Asynkronmotoren hadde ikke skjevstilte spor til viklingene ( slot skewing factor ~ 0 ). Produserer store overharmoniske. Kan også skje ved eks. stavbrudd i en asynkron motor med slot skew som normalt ikke medfører så store harmoniske. 41
42
43
44
Men hvorfor vandrer 17. og 19. harmoniske på den grunnharmoniske sinuskurven? En asynkronmaskin/motor har en viss sakking ( slip ) avhengig av belastningen. Flimmeret varierer dermed med belastningen/produksjonen i kraftverket da sakkingen av de harmoniske komponentene i forhold til grunnharmonisk frekvens varierer. 45
Andre oppdagelser (i laboratoriet) Ulike lysdimmere reagerer ulikt på denne type harmoniske spenninger. Noen er mer følsomme enn andre. MEN ALLE som hittil er testet REAGERER med betydelig flimmer som resultat! Thyristor Transistor (flere typer testet) 46
Kobling av kondensatorbatteri To matvarefabrikker erfarer utfall av fabrikkprosessen på grunn av utfall/trip av frekvensstyrte motordrifter. Nettselskapet foretar målinger og konstaterer noen relativt kortvarige forstyrrelser i spenningen. Nettselskapet vurderer spenningsforstyrrelsene som relativt ufarlige og overser nok til en viss grad betydningen av strømmålingen sammenhengen mellom strøm og spenning, variasjonen av overharmoniske i strøm/spenning etc. 47
Man bør IKKE bare se på spenningen! Hva med strømmen? 48
49
Det er tydelig at koblingsoverspenninger i nettet forårsaket store inrush - strømmer i kundenes installasjoner. Disse går inn i kondensatorbatteriene på de frekvensstyrte motordriftene og får disse til å trippe på overspenning i DC mellomkretsen. Dette kan leses av at kundens strøm inneholder en betydelig andel overharmoniske strømmer før transienten samtidig som strømmen totalt sett da også er større. Ved transienten i spenningen inntreffer en kraftig transient overstrøm (inrush) før kundens strøm altså reduseres (bortfall av last). Dersom kunden hadde forårsaket en spenningsforstyrrelse (for eksempel på grunn av en slik stor strøm ved lastpåslag, kortslutning eller annet) skulle spenningen ha sunket(!) og ikke steget slik som i dette tilfellet. Det var ingen koblinger i nettselskapets eget nett sammenfallende i tid med de målte transientene. Det var det derimot med koblinger av kondensatorbatterier i Statnetts nett. 50
TAKK for oppmerksomheten! 51