Het effect van harmonische vervorming op ons net; Power Quality deel 3.

Het effect van harmonische vervorming op ons net

In deel 3 van onze serie over Power Quality gaan we in op het effect van harmonische vervorming op ons net. In deel 2 hebben we gezien wat de effecten zijn van harmonische vervorming op de arbeidsfactor ofwel de powerfactor. Dat was minimaal. Een hoge harmonische vervorming heeft echter wel een groot effect op ons net. Om dat beter te begrijpen moeten we even iets verder kijken dan het toestel.

3 fasen spanning en het effect van harmonische vervorming op ons net

Ons elektriciteitsnet is een drie fasen net. Dat wil zeggen we maken in Nederland gebruik van een drie fasen net maar onze armaturen sluiten we op 1 fase aan. Het elektriciteitsnet moet gebalanceerd gebruikt worden. Dat is niet altijd even eenvoudig. Op onze grote netten geldt echter de wet van de grote getallen en als we de installatie goed verdeeld aanleggen dan worden de fasen vanzelf gebalanceerd belast. Natuurlijk geld dat grote fabrieken etc daar wel voor moeten zorgen maar in relatief kleine installaties kunnen we dat niet.

Iedere huis installatie wordt aangesloten op 1 fase (meestal komen alle 3 wel binnen maar wordt er slechts 1 gebruikt. Het huis naast het eerste huis wordt dan op de volgende fase aangesloten en die daarna weer op de volgende en dan beginnen we weer bij de eerste. Dat geldt ook voor onze lichtmasten. Die worden ook om de beurt op een andere fase aangesloten en daarmee ontstaat een gebalanceerd net. In onderstaande plaatje wordt dit weergegeven.

Lichtmasten op 3 fasen

Wat heeft dat te maken met het effect van harmonischen op ons net? In een perfect systeem waar de stromen alle onvervormd zijn en het net netjes is uitgebalanceerd is de stroom die uiteindelijk in de nul geleider loopt 0. De stromen lopen in dat geval van fase naar fase. De nul is enkel de verbindende factor tussen de armaturen.

De wet van Kirchhof

De wet van Kirchhof leert dat de stromen in een knooppunt bij elkaar opgeteld altijd 0 zijn. Voor de 50 Hz stroom betekend dat dus dat wanneer de stroom in de ene fase 100% is ze in beide andere fasen 50% zijn en de som is dan nul. In de nul geleider loopt dan geen stroom. De armaturen zijn uiteindelijk in ster geschakeld zoals we in het vorige figuur zagen. Dat ziet er dan schematisch als volgt uit.

3 fasen schakeling in ster

De wet van kirchof leert dan dat de stromen I1 + I2 + I3 + I4 opgeteld 0 moeten zijn. In onderstaande figuur zien we de fasestromen op een willekeurig moment en we zien dan dat de stromen I1 + I2 + I3 bij elkaar opgeteld reeds 0 zijn. In de nulgeleider loopt dan dus geen stroom. In het voorbeeld is dat I1 + I2 + I3 + I4 = 0,5 + 0,5 + -1+ 0 = 0.

Gebalanceerde momentane stroom is 0

De stromen van de oneven harmonischen (3, 5, 7 etc) tellen zich echter op. De optelling tussen de fasen is daardoor niet nul. Die stromen worden dan afgevoerd via de nul geleider. Zie hieronder het figuur van een sterk vervormde stroom. De lijn is weer getrokken op een willekeurig moment en daar zien we direct dat de optelling van de stromen door de fasen niet 0 is. Het resultaat van de optelling wordt dan afgevoerd via de nulgeleider. In het voorbeeld kunnen we ongeveer stellen dat I1 + I2 + I3 + I4 = 1,2 + 1,2 + -1,2+ I4 = 0. Daaruit volgt dat I4 is -1,2!! Die stroom loopt dus in de nulgeleider. Het effect van de harmonische vervorming op ons net is daarmee dat de stromen gaan lopen in de nulgeleider en er een potentieel voor overbelasting ontstaat.

Effecten van harmonische vervorming op ons net

Het resultaat in een openbaarverlichtingssyteem.

In onderstaande plaatjes zien we een sterk vervormde 3 fasen stroom. In iedere fase hebben we dezelfde vervorming aangebracht. Dat zal in de praktijk in een openbare verlichtingsinstallatie ook heel normaal zijn. We gebruiken tenslotte in een installatie steeds hetzelfde armatuur. In het eerste plaatje zien we de spanningen en in het tweede plaatje de stromen. Je ziet dat de stromen netjes in fase zijn met de respectievelijke spanningen. Dat betekend meteen dat de displacement factor 1 is (zie ook het deel 1 uit deze reeks).

Invloed van harmonische vervorming op ons net

In het onderstaande plaatje zie je dan wat de resulterende stroom is in de nul geleider van de boven zichtbare stromen. Hier zie je dan het effect van de harmonische vervorming op ons net. Een gek signaal? Nee het zijn de oneven harmonischen opgeteld en dat levert dus een andere stroom dan de normale 50 Hz stroom.

Invloed van harmonische vervorming op ons net

Conclusie over het effect van harmonische vervorming op ons net.

De resulterende stroom bij de maximaal toegestane harmonische vervorming volgens de huidige wetgeving levert dan een stroom op die bijna gelijk is aan de stroom die in de fasen loopt. Dat wil dus zeggen als de harmonische vervorming binnen de wettelijke eist ligt kan geen overbelasting van de nul geleider ontstaan. Namelijk een standaard installatie wordt bedraad met gelijke ader doorsnedes voor de Nul en de Fase. Dat wil zeggen normaliter 2,5 mm2. De stroom door de nul mag dus nooit hoger worden dan de stroom door de fasen en dat hebben we bereikt met de limitatie van de harmonischen.

Maar wat als we nu een vervorming hebben en een fase verschuiving? Dat lees je in het volgende deel.

Dit artikel is onderdeel van het complete verhaal over power quality. In een korte serie van artikelen ga ik in op alle factoren die de zogenaamde power quality bepalen. We hebben het dan over power factor / arbeidsfactor, cosinus φ / fase verschuiving en harmonische vervorming. Wat is het allemaal en welke relaties heeft het met elkaar. Welke invloeden hebben deze factoren op onze netten. Aanleiding is dat in de nieuwe later dit jaar uit te komen “one lighting regulation” de wettelijke regels worden aangepast.

Deel 1 van de reeks gaat over De cosinus φ (cos φ), fase verschuiving, displacement factor.

Deel 2 van de reeks gaat over Harmonische vervorming, THD, Distortion factor.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *