EMC problematik och el-kvaliteti elkraftnätSugulle, Abdirashiid

School of Mathematics and Systems Engineering Reports from MSI - Rapporter från MSI

Apr 2006

MSI Report 06039

Växjö University ISSN 1650-2647

SE-351 95 VÄXJÖ ISRN VXU/MSI/EL/E/--06039/--SE

EMC problematik och el-kvalitet

i elkraftnät

Sugulle, Abdirashiid

Organisation/Organizaition Författare/Author VÄXJÖ UNIVERSITET Sugulle Abdirashiid Matematiska och systemtekniska institution

Växjö University /

School of Mathematics and systems Engineering Dokumenttyp/Type of document

Examensarbete/Diploma work

Titel och undertitel / Title and subtitle

EMC problematik och el-kvalitet i elkraftnät / EMC Problems and electrical power quality

Sammanfattning

Examensarbetet behandlar de faktiska problem som kan uppstå inom EMC (Electro Magnetic Compatibility) och el-kvalité, orsaken till elavbrott diskuteras och vad som kan göras för att minimera avbrotten. Arbetet innehåller också en definition av

planeringsnivåer och vilka faktorer man behöver ha kontroll över för att genomföra ett eventuellt planeringsutrymme, och hur lokala distributionsnät kan bli säkrare. Näten kan bli säkrare men inget system kan bli avbrottsfritt.

I examensarbetet undersöks två fördelningstransformatorer: GLA40T1 (Glansås) och T399 i Tranås energi. Båda transformatorerna saknar regulator. Man tillämpar en

planeringsnivå för spänningsvariationen på spänningen på sekundära sidan som är +/-5 % av nominell spänning. Avsikten är att minska konsekvenserna av höga

spänningsvariationer och att hålla kostnaden på en acceptabel nivå. Undersökningen omfattar också en jämförelse mellan de teoretiska beräkningsresultaten och de verkliga mätningarna som är hämtade från Tranås energi. Undersökningen visar att antagna planeringsnivån är uppfyllda.

Nyckelord: EMC, Planeringsnivåer, direktiv, Standard.

Abstract

The dissertation deals with an account of actual problem, which can arise within EMC and power quality. The cause of power interruption and what can be done to minimise the power interruption is discussed. It also includes a definition of planning levels and which factors one needs to have control over to carry out a possible planning strategy and how the local distributions net could be more secure. The electrical net could be secure but no system can be free from interruption.

The dissertation examines two distribution transformers: GLA40T1 (Glansås) and T399 in Tranås Energy which don’t have regulators. It applies a planning level for voltage

variation in the voltage of second level with +/-5 % of nominal voltage. The purpose is to reduce the consequence of high voltage variation and to keep the costs at an acceptable level. The research also makes even clear the similarity between results of the theoretical calculations and results of the practical measurements taken from Tranås Energy. The examination shows that the supposed planning level is fulfilled.

Key Words: EMC, Planning level, directive, standard.

Utgivningsår / Year of issue Språk/Language Antal sidor/Number of pages 2006 Swedish 39

Internet/www http://www.msi.vxu.se

Innehållsförteckning

1.0 Förord ________________________________________________________ 5 1.1 Tack ______________________________________________________________________ 5 2.0 Bakgrund______________________________________________________ 5 3.0 Syfte och mål __________________________________________________ 5 4.0 Sponsring _____________________________________________________ 5 5.0 Liten historik över utvecklingen av Tranås Energi ____________________ 6 6.0 Hur uppstod EMC-begreppet?_____________________________________ 7 6.1 Definition av EMC-begreppet _________________________________________________ 7 6.2 EMI_______________________________________________________________________ 7 6.2.1 Behov av EMC skydd_____________________________________________________________ 7 6.2.2 Vad handlar EMC-direktivet om?____________________________________________________ 8 6.2.3 Genomförande av direktivet ________________________________________________________ 8 6.2.4 Nytt EMC direktiv _______________________________________________________________ 8 6.2.5 Uppfyller apparaten EMC-direktivets krav?____________________________________________ 9

7.0 El-kvalitet______________________________________________________ 9 7.1 Beskrivning av Spänningsdippar och kortvariga avbrott__________________________ 10 7.1.1 Definition av kortvarig spänningssänkning: ___________________________________________ 10 7.1.2 Definition av kortvarigt avbrott: ____________________________________________________ 10 7.1.3 Praktisk orsak till spänningsdippar och korta avbrott: ___________________________________ 10 7.1.4 Matematisk beräkning av kvarvarande spänning vid spänningsdipp ________________________ 11 7.1.5 Minska konsekvensen av spänningsdippar och korta avbrott ______________________________ 12 7.1.6 Reducera antalet kortslutningsfel ___________________________________________________ 13 7.1.7 Reducera bortkopplingstiderna. ____________________________________________________ 13 7.2 Transienter _______________________________________________________________ 13 7.2.1 Hur uppstår transienter? __________________________________________________________ 13 7.2.2 Vilken skada orsakar transienter? ___________________________________________________ 14 7.2.3 Hur skall man begränsa problem orsakade av transienter? _______________________________ 14 7.3 Övertoner_________________________________________________________________ 14 7.3.1 Hur uppstår övertoner? ___________________________________________________________ 14 7.3.2 Förekomst av övertoner __________________________________________________________ 16 7.3.3 Vilken skada orsakar övertoner?____________________________________________________ 16 7.3.4 Begränsning av övertoner _________________________________________________________ 16 7.3.5 Två filtertyper __________________________________________________________________ 17 Det finns i huvudsak två sätt att filtrera övertoner: med passiva eller aktiva filter. _______ 17 7.3.6 Passiva filter. __________________________________________________________________ 17 7.3.7 Aktiva filter ___________________________________________________________________ 17 7.4 Spänningsosymmetrier ______________________________________________________ 17 7.4.1 Hur uppkommer osymmetri? ______________________________________________________ 17 7.4.2 vilken skada orsakar osymmetri? ___________________________________________________ 18 7.4.3 Åtgärder mot osymmetri__________________________________________________________ 18 7.5 Flicker ___________________________________________________________________ 18 7.5.1 Hur uppkommer flicker?__________________________________________________________ 18 7.5.2 Vilken skada orsakar flicker? ______________________________________________________ 18 7.5.3 Åtgärder mot flicker _____________________________________________________________ 18

8.0 Definition av störningstyper _____________________________________ 18 9.0 Planeringsutrymme ____________________________________________ 20

9.1 Uttagen effekt _____________________________________________________________ 20 9.2 Uttagen reaktiv effekt _______________________________________________________ 20 9.3 Spänning – Strömdistorsion__________________________________________________ 21 9.4 Spänningsnivå/Flicker ______________________________________________________ 21 10.0 Bestämning av lokala planeringsnivåer ___________________________ 21 11.0 Undersökning av spänningsvariationer ___________________________ 24 12.0 Beräkning av spänningsvariationer på transformator GlA40T1 (Glansås) __________ 28 12.1 Mätvärden för transformator/Station GLA40T1. Hämtade från Tranås energi: _____ 31 13.0 Beräkning av spänningsvariationen på transformator T399 ______________________ 32 13.1 Beräkning av maximal spänningsvariation:____________________________________ 35 13.2 Verkliga mätvärden för transformator/Station T399. Hämtade från Tranås energi: __ 36 14.0 Beräknade spänningsvariationer jämfört med antagna planeringsnivåer.___________ 37 14.1 Första jämförelsen _______________________________________________________________ 37 14.2 Andra jämförelsen _______________________________________________________________ 37 14.3 Tredje jämförelsen_______________________________________________________________ 37

15.0 Slutsats: ____________________________________________________ 37 16.0 Källförteckning _______________________________________________ 38 Matematiska och systemtekniska institutionen_________________________ 39

1.0 Förord

Det ingår som avslutning på min ingenjörsutbildning att utföra ett problembaserat

examensarbete. Jag valde att kontakta Tranås Energi för detta ändamål. Efter att jag framfört mina synpunkter kring vad jag ville skriva om, valde de ut ett område som stämde överens med mina önskningar. De ville att jag skulle analysera och kontrollera deras elnät. Detta arbete är viktigt då företaget har en produktionsprocess där nationell konkurrens kräver hög precision och tillgänglighet. Varje produktionsstörning är ett allvarligt hot mot lönsamheten.

Gemensamt är att kvaliteten måste vara rätt för det som den ska användas till, eftersom elektricitet är en handelsvara och en produktionsresurs.

1.1 Tack

Jag vill rikta ett tack till företaget Tranås Energi för det stora intresse de visat för mina studier och det trevliga bemötande jag har fått under mina studiebesök. På Tranås Energi vill jag rikta ett stor tack till Börje Gustafsson VD för Tranås Energi och Leif Åberg Driftchef för Tranås Energi.

Jag vill också rikta ett stort tack till min examinator Erik Loxbo vid Högskolan i Kalmar som har gett konstruktiv kritik och feedback genom hela arbetet och Reidar Gustavsson, från NORBO Kraftteknik. Reidar har fungerat som min handledare men är också min sponsor då han har låtit mig delta i en kurs om El-kvalitet, planeringsnivåer och beräkning av

planeringsnivåer. Mitt sista tack men inte minsta går till min vän Elin för all positiv uppmuntran under arbetets gång.

2.0 Bakgrund

Samhället blir allt mer beroende av el och detta medför att kraven på el-kvalitet ökar. Det som man kallar bra el-kvalitet är svårdefinierat och problemet med bristande el-kvalitet kommer i olika former. Vad en kund uppfattar som defekt el-kvalitet behöver inte vara ett problem för andra kunder. I allmänhet relaterar man detta problem ”bristande el-kvalitet” till nätägaren, vilket dem oftast tillbakavisar. Då är frågan som blir aktuell: Hur skall man tyda vilka normer och gränsvärden som gäller? Vad säger stark-strömföreskrifterna om överspänningar?

En bra utgångs punkt är att skaffa kunskap om hur bristande el-kvalitet påverkar ansluten utrustning och vad apparaternas föreskrifter säger. För att förstå vad som gäller i interfacet mellan elnät och kund krävs goda insikter om regelverket av el-kvalitet samt korrekta uppfattningar inom områden som EMC (Electro Magnetic Compatibility), el-miljö och el- kvalitet.

3.0 Syfte och mål

Målet är att verifiera om ett faktiskt elnät uppfyller antagna planeringsnivåer i en given punkt.

Detta skall nås genom att analysera nätrelaterade EMC problematik och praktisk el-kvalitet och att definiera planeringsnivåer.

4.0 Sponsring

Genom Tranås Energi har jag kommit i kontakt med Reidar Gustavsson, från NORBO Kraftteknik. Reidar har fungerat som min handledare men är också min sponsor då han har låtit mig delta i en kurs om El-kvalitet, planeringsnivåer och beräkning av planeringsnivåer.

Denna kunskap har jag sedan tillämpat i mitt arbete.

5.0 Liten historik över utvecklingen av Tranås Energi

1911 Tranås köping inköpte Tranås kvarn och uppförde där ett kraftverk, som stod färdigt att tas i drift 1 oktober, 1911. Det var utrustat med två

likströmsgeneratorer om 70 hk med ackumulatorbatterier. Verket kördes med vattenkraft från kl 6 på morgonen till kl 12 på natten.

1912 Den första motorinstallationen gjordes, en elmotor på 15 hk i Tranås Snickerifabrik.

1919 Elverket övergick till VÄXELSTRÖM 127 / 220 V.

1968 De första fjärvärmeleveranserna. Produktionen skedde i flyttbara panncentraler.

1974 En egen 130/40 kV trafo installerades och en fördelningsstation för 10 kV byggdes i Stoeryd. 40 kV ställverket i Stoeryd uppfördes.

1978 Hetvattencentralen N. Vakten invigdes den 23 oktober. Utrustningen levererades och installerades av Generator AB, Göteborg.

En ny organisation började gälla 1 juli (värmeverket delades upp i drift- och anläggningsavdelningen) och kontoret flyttades från Cityhuset till

Smedjeholmen i december.

1981 Hjälmaryd 10 kV fördelningsstation klar.

1987 En 40/10 kV fördelningsstation i Glansås uppfördes. Expeditionen på Smedjeholmen gjordes större, Ljusare och trevligare.

1988 Tranås energiverk blev Tranås Energi AB. El-debiteringen flyttades över från drätselkontoret till Smedjeholmen. Reservcentralen Tallbacken togs i drift.

1989 En ny organisation trädde i kraft vid halvårsskiftet med fjärrvärmeteknik-, elteknik-, Marknads- och Ekonomiavdelningar. Marknad startade sin satsning på energitjänster. Den administrativa sidan utökades med många nya rutiner som tidigare legat på kommunens drätselkontor.

Vattenfall Östsveriges övertog fr.o.m. 1 februari leveransen av råkraft till Tranås Energi. Installationen av en ny rundstyrningsanläggning påbörjades.

Hetvattencentralen begåvades med en roterande frukt-värmeväxlare.

Gatubelysningsnätet övertogs av Tranås Kommun.

1990 Den 28 november fastställdes Tranås Energis affärsidé, som styrelsen och företagsledningen gemensamt arbetat fram. Den nya rundstyrningsanläggningen togs i drift 1990-11-01.

6.0 Hur uppstod EMC-begreppet?

När radion uppfanns, var det oljud i radiokommunikation som var besvärande. För att komma tillrätta med detta bekämpades radiostörningar, RFI (radio frequency interference). Efter en tid började man bygga förstärkare med radiorör (elektronrör) avsedda för annat än radio.

Även dessa apparater blev störda och då var RFI ingen bra förkortning för teknikområdet och man skapade EMI-begreppet (Electro Magnetic Interference), som således täcker alla typer av störningsfall orsakade av elektromagnetiska fenomen. Man kan dela upp EMI i olika

delområden (olika störningstyper), När man lyckas behärska EMI:n då har man erhållit EMC som betyder elektromagnetisk förenlighet, samexistens.

6.1 Definition av EMC-begreppet

Tillräcklig EMC innebär att en elektrisk apparat¹ skall fungera tillfredställande i sin elektro- magnetiska miljö. Apparaten får inte heller inverka störande på denna miljö. För att nå detta mål finns det idag ett antal standarder som är accepterade i Europa, t.ex. emissionsstandarder, immunitetsstandarder, installationsstandarder och produktstandarder. Observera att EMC- direktivet inte anger några nivåer. De standarder som styr olika nivåer för t.ex. tillåtna störnivåer har tagits fram av olika branschorganisationer. Dessa standarder godkänns av EU- kommissionen och anses därmed harmoniserade med EMC-direktivet. I och med att en standard harmoniserar EMC-direktivet blir den en Europanorm och därmed tvingande inom EU.

6.2 EMI

EMI betyder elektromagnetisk störning, och syftar på de oönskade verkningarna av elektromagnetiska fenomen. EMI är ett sammanfattande begrepp för ALLA typer av

störningar. Definition: EMI är Försämring av utrustningens, signalöverföringskanalens eller systemets funktion eller prestanda orsakat av elektromagnetiska fenomen. Se även definition av Störningstyper i punkt 8.

6.2.1 Behov av EMC skydd

När det gäller behov av EMC skydd så finns det en rad grundkrav som måste uppfyllas. Här tar vi upp några av dessa grundkrav:

 Apparater som t.ex. radio eller telekommunikations utrustningar måste konstrueras på ett sådant sätt att de har möjlighet att kunna arbeta som planerats trots alla störsignaler som de genererar.

 Apparater måste konstrueras på ett sådant sätt att de har immunitet mot störningar vilket innebär att de kan arbeta utan att deras prestanda försämras.

 Apparaternas totala alstrande elektromagnetiska störning får inte hindra användning av t.ex. medicinisk utrustning eller vetenskaplig apparatur.

1Apparat definieras som alla elektriska eller elektroniska anordningar och utrustningar och installationer som omfattar elektriska eller elektroniska komponenter.

6.2.2 Vad handlar EMC-direktivet om?

Direktivet gäller för apparater som kan orsaka elektromagnetiska störningar samt apparaternas prestanda som kan påverkas av sådana störningar. EU har utfärdat 3 direktiv som styr

konstruktion, montage och handhavande av elektriska apparater och maskiner:

 Maskindirektivet

 Lågspänningsdirektivet

 EMC-direktivet

6.2.3 Genomförande av direktivet

Några av normerna som gäller inom Sverige är:



 Förordning om elektromagnetisk kompatibilitet, SFS 1993:1 067

 Starkströmsföreskrifter, ELSÄK-FS 1999:5

6.2.4 Nytt EMC direktiv

Den 31 december 2004 publicerades EU:s nya EMC-direktiv i Official Journal. Det nya direktivet heter 2004/108/EC, och är alltså den nya sifferkombination man ska lägga på minnet i fortsättningen. Det gamla direktivet 89/336/EEC ersätts helt av det nya 20/7 2007.

Riksdagen och Elsäkerhetsverket har fram till 20/1 2007 på sig att överföra direktivet till nationell lag och föreskrift. Som tillverkare har man en övergångsperiod fram till 20/7 2009, innan man måste tillämpa det nya direktivet.

Vad innebär då det nya direktivet? Rent allmänt kan man säga, att man har inkluderat valda delar av den guideline som finns till det nuvarande direktivet. Man utgår från ett allmänt begrepp "utrustning", vilket delas in i två underbegrepp: "apparater" och "fasta installationer".

För apparater ska man påvisa uppfyllelse av de tekniska kraven genom CE-märkning, tillverkardeklaration samt hållande av teknisk dokumentation. Det finns även specifika krav på vilken information som slutanvändaren ska få, och hur märkning av produkten ska vara utformad. Man rekommenderar användande av harmoniserad standard, men det är inte tvång att göra så.

Man har även förtydligat att komponenter och delsystem, som monteras av slutanvändare som kan påverka EMC-prestanda, jämställs med apparater och således ska CE-märkas. Exempel på sådana produkter är instickskort till datorer (vilka lyder under detta krav även idag).

Direktivet ställer även krav på produktionskvalitet - det som tillverkas ska motsvara det som har provats!

Det ställs även installations krav. Man behöver inte CE-märka eller prova enligt harmoniserad standard, men man ska upprätta dokumentation som beskriver hur man använt god

branschpraxis för att uppnå god EMC-prestanda. Det påpekas specifikt att myndigheten kan

6.2.5 Uppfyller apparaten EMC-direktivets krav?

Vad innebär det att en apparat uppfyller EMC-direktivets krav? Det innebär bland annat att den har genomgått ett antal tester. Här följer ett exempel med en in- och utsignal och apparat under test.

Fig. 01 visar en generell beskrivning av en apparat som skall genomgå ett EMC-test.

Beroende på apparatens utformning kommer de anslutningar som är tillämpbara att testas för två saker: immunitet och emission (observera att även apparatens hölje räknas som en

anslutning). En apparat som är försedd med en CE-märkning har genomgått ett antal, för den specifika apparaten tillämpbara, kompatibilitetstester. Dessa försäkrar oss om att denna apparats störkänslighet d.v.s. dess immunitet inte är under angivna kompatibilitetsnivåer i de standarder apparaten berörs av. På samma sätt garanteras vi att apparaten inte avger störningar (emission) som överstiger kompatibilitetsnivåerna i de standarder apparaten berörs av.

Normerna skall vara en garanti för att en nätansluten apparat varken störs av eller stör det elnät den är ansluten till.

7.0 El-kvalitet

Bättre el-kvalitet handlar om att lösa sju typer av problem, nämligen verkningsgrad, övertoner, transienter, spänningsvariationer, flicker, osymmetri och avbrott.

Första steget till en bättre el-kvalitet är att genom en noggrann mätning skaffa sig en

nulägesbild över anläggningens tillstånd. Andra steget är att utifrån nulägesbilden göra en el- kvalitetsanalys som visar på det mest kostnadseffektiva sättet till bättre el-kvalitet.

Definitionen av El-kvalitet kan variera beroende på respektive abonnents behov. Begreppet omfattar i sin helhet, både leveranssäkerhet och spänningsgodhet. I vårt samhälle har

teknikens utveckling åstadkommit allt mer komplicerade apparater som i sin tur blir anslutna till elnätet. Detta medför ökat krav på störningsfri el-leverans. Det är också viktigt att notera att om det uppstår störning och apparaten inte fungerar på avsett vis, så behöver inte

nödvändigtvis orsaken vara bristande el-kvalitet från matande elnät. Orsaken kan vara störningar från närliggande maskiner.

Det faktum att det står 220 V, 50 Hz på våra eluttag innebär inte att det endast förekommer sinusformad 50 Hz växelspänning med effektivvärdet 220 V. Det förekommer också andra spänningar och frekvenser på nätet och följden blir försämrad el-kvalitet. Orsaken till att det förekommer spänning och frekvensvariation beror på att allt fler apparater kopplas till nätet.

Svensk Standard SEN 21 18 11 ger vissa anvisningar om avvikelse från nominell spänning vid normal drift dvs.

 Långsamma spänningsvariationer skall inte övergå mer än +/-10 % från 230V AC.

 Frekvensen får inte avvika från 50 Hz med mer än 0,2 Hz.

 Effektivvärdet av alla övertoner skall vara mindre än 4 % av 230V AC och alla enskilda övertoner mindre än 3 %.

Denna standard specificerar endast toleransnivå vid normala förhållanden.

El-distributörerna är inte skyldiga att hålla med en elkraftkvalitet som är störningsfri, eftersom det är svårt att kontrollera de laster som kopplas in och ur på nätet.

7.1 Beskrivning av Spänningsdippar och kortvariga avbrott

I detta avsnitt skall vi ge en kortfattat beskrivning av hur och varför spänningsdippar och korta avbrott inträffar. Vi börjar med att först skaffa oss en uppfattning om definitioner av spänningsdippar och kortvariga avbrott enligt SS-EN 50160.

7.1.1 Definition av kortvarig spänningssänkning:

En hastig minskning av matningsspänning ner till mellan

90 % och 1 % av den nominella spänningen, med en varaktighet Mellan 10 ms och 60 s.

När det inträffar en kortvarig spänningssänkning som är större än 10 % av den nominella spänningen blir efterverkningen kortvariga avbrott om återkopplingen sker inom 90 s. Detta kallas spänningsdipp.

7.1.2 Definition av kortvarigt avbrott:

Ett tillstånd där spänningen i anslutningspunkten är lägre än 1 % av den nominella spänningen, med en varaktighet mellan 10 ms och 3 minuter.

Generellt anser man i Sverige att korta avbrott har en varaktighet mellan 10 ms och 90 s.

Tidsbegränsningen mellan 10 ms och 90 s. har sitt ursprung från starkströmsföreskrifterna

”ELSÄK-FS” som bestämmer att återkopplingen vid avbrott (jordfel) får ske inom 90 s.

7.1.3 Praktisk orsak till spänningsdippar och korta avbrott:

Spänningsdippar och korta avbrott orsakas framför allt av kortslutningsfel i el-systemet eller i kundens anläggningar. Naturfenomen som åska är också en väsentlig orsak till förekommande spänningsdippar. Kabelskada i mark vid grävning är en annan orsak till spänningsdippar.

Fåglar kan också orsaka skador på friledningar för lägre spänningsnivåer som i sin tur orsakar spänningsdippar.

En kortslutning mellan faserna i ett trefas system, eller mellan en eller flera faser och jord medför en mycket stor ökning av strömmen, vilket i sin tur medför stora spänningsfall över impedansen i elnätet. Kortslutning i el-system, eller kundernas anläggningar, går att begränsa men inte att undvika helt.

Kortslutningen har många olika orsaker, men beror i grunden på ett genombrott i isoleringen mellan objekt som är elektriskt isolerade från varandra och befinner sig på olika elektriska potentialer. Då den felförknippade anläggningen bortkopplas återkopplas spänningen snabbt i det övriga elnätet. De kunder som elektriskt sätt befinner sig bortom felet utan alternativ energikälla drabbas av ett avbrott medan de kunder som elektriskt sätt befinner sig mellan den felförknippade anläggningen och det matande nätet, dvs. energikällan, upplever en

spänningsdipp. Se fig. 02

Många fel i elnätet försvinner relativt snabbt och den bortkopplade ledningen kan därför ofta automatiskt återinkopplas efter en kort tid. Om automatisk återinkoppling appliceras kommer avbrottet därför endast att bli kortvarigt. Om felet kopplas bort med exempelvis en säkring som kräver att personal måste åka dit och byta denna manuellt, alternativt att felet är kvarstående, kommer avbrottet att vara långvarigt.

Kopplingar av stora laster kan också orsaka stora strömmar liknande de vid kortslutningar som jag har nämnt tidigare. Dessa leder dock inte till några avbrott. Start av stora motorer och inkoppling av transformatorer är karakteristiska exempel på sådana kopplingar.

Även om spänningsdippen i den punkt där kopplingen sker inte är lika stor som vid ett kortslutningsfel, kan den spänningsdipp som upplevs i en avlägsen punkt i nätet likna den som orsakats av en kortslutning. Enligt definitionen ovan utmärks en spänningsdipp framför allt av dess djup och varaktighet. Korta avbrott karaktäriseras enbart av dess varaktighet.

Hur en spänningsdipp ser ut beror på vilken typ av fel som är orsaken, t.ex. om det är kortslutning mellan faserna eller mellan en eller flera faser och jord, spänningsdippen beror även på i vilken typ av nät felet har inträffat, exempelvis om nätet är direktjordat eller om det är impedansjordat. Spänningens utseende under dippen har stor betydelse för vilken effekt dippen har på olika typer av utrustningar. Även om spänningsdippar huvudsakligen karakteriseras av djup och varaktighet räcker dessa begrepp inte för att fullständigt karakterisera spänningsdippar.

7.1.4 Matematisk beräkning av kvarvarande spänning vid spänningsdipp

Vid symmetriska förhållanden och i radiella nät kan den kvarvarande spänningen vid en spänningsdipp beräknas med en spänningsdelarmodell enligt figur 0.3. I figuren är G-punkt gemensam anslutningspunkt, Udipp kvarvarande spänning i G-punkt och U_genspänningen vid generatorn. Z_G-punk är impedansen från G-punkt till felstället och Z_fel fel impedansen

”impedansen mellan felstället och jord där spänningen antas vara 0 volt”. Z_k är kortslutnings impedans för överliggande nät vid G-punkt.

Från figur 03 kan U-dipp beräknas enligt:

Från ovanstående ekvation förstås att en låg fel impedans, reducering av Z_fel, ger en lägre kvarvarande spänning och därmed djupare spänningsdipp i G-punkt och lasten. De kunder som befinner sig bortom felet i figur 0.3 upplever som nämnts tidigare ett avbrott då felet bortkopplas, genom att ledningen utsatt för felet kopplas bort från det övriga nätet i punkten G-punkt.

7.1.5 Minska konsekvensen av spänningsdippar och korta avbrott

I detta avsnitt ges en kortfattad teknisk skildring av möjligheter att minska riskerna för samt konsekvenserna av spänningsdippar och korta avbrott. För att förstå olika möjligheter att minska riskerna för, samt konsekvenserna av, spänningsdippar och korta avbrott är det viktigt att förstå vad det är som leder till att utrustningar upphör att fungera som avsett.

Det är det faktum att utrustningar upphör att fungera som avsett som gör att spänningsdippar och korta avbrott är ett problem. Den huvudsakliga bakomliggande orsaken till att

utrustningar upphör att fungera är enligt föregående avsnitt kortslutningsfel i elsystemet eller i kundens anläggningar. Vid fel sjunker spänningen relativt mycket i felstället. Effekten av felet i anslutningspunkten av en utrustning hos en kund i en annan del av elnätet är en händelse, huvudsakligen karakteriserad av djup och varaktighet. Ett fel kommer alltid att medföra en spänningsdipp för några kunder.

Om felet inträffar i ett radiellt nät kommer det också att leda till ett avbrott för vissa kunder när felet kopplas bort av skyddssystemen i elnätet. Om tillräcklig redundans² finns i nätet kan avbrott undvikas så att felet endast resulterar i en spänningsdipp. Om djup och varaktighet på den resulterade spänningsdippen är tillräckligt stor kan konsekvenserna bli att utrustningar upphör att fungera som avsett. Som nämnts tidigare är det inte bara kortslutningsfel som kan leda till så stora spänningsändringar att utrustningar upphör att fungera som avsett, utan även kopplingar av stora laster. De tekniska möjligheterna att minska riskerna för samt

konsekvenserna av spänningsdippar och korta avbrott kan delas in i följande olika typer av åtgärder:

7.1.6 Reducera antalet kortslutningsfel

Genom att antalet kortslutnings fel reduceras så reduceras inte enbart antalet spänningsdippar och korta avbrott, utan också antalet långvariga avbrott i de fall reparationstiderna för att åtgärda felet är långvariga. Det är ett effektivt sätt att kraftigt förbättra spänningskvaliteten.

7.1.7 Reducera bortkopplingstiderna.

Reducering av felbortkopplingstider och återkopplingstider reducerar inte antalet fel, men däremot effekterna av dessa. Varaktigheten för korta avbrott bestäms av hur snabbt nätet återställs efter ett fel, dvs. hur snabbt en ledning utsatt för fel återkopplas. Att förkorta felbortkopplingen har ingen effekt vad gäller antalet spänningsdippar, men kan i hög grad minska varaktigheten av dessa. Den totala tid det tar att koppla bort ett fel består av dels den tid det tar för reläskyddssystemet att registrera att ett fel uppstått och besluta om åtgärd, dels den tid det tar för brytaren att öppna. Kortare felbortkopplingstider kräver båda snabbare brytare och snabbare kontrollutrustningar

7.2 Transienter

Ordet transient används av många som ett gemensamt begrepp för alla typer av snabbare spänningsvariationer. I el-kvalitetssammanhang menas med transient en mycket snabb och övergående förändring på spänningsamplituden som normalt kallas för spänningsspik eller bara spik. Transienter kan indelas i två typer: Impulstransienter och oscillerande (svängande) transienter. Impulstransienter är positiva eller negativa "spikar" som varar mycket kort tid och innehåller liten energimängd. En oscillerande transient karaktäriseras av en mycket snabb förändring av strömmens eller spänningens polaritet och uppkommer främst i samband med kopplingar av olika slag.

7.2.1 Hur uppstår transienter?

Vid inkoppling av kondensatorer liksom vid alla kopplingar i nätet erhålls transienter som kan vara skadliga för motorer, transformatorer, kondensatorer, brytare och elektronikutrustningar.

Transienter kan också komma från överliggande elnät genom åsknedslag eller genom

kopplingar ute i elnätet. I lokala nät, som industrinät, kan skadliga transienter uppkomma vid till- och frånslag av tyngre el-utrustningar. I lågspänningsnät kan transienter uppstå vid brytning av induktiva laster exempelvis maskiner innehållande motorer.

2Redundans innebär att nätet är byggt på ett sådant sätt att om en kabel skadas så väljer signalerna en annan väg.

Skadan skall i princip inte kunna slå ut kommunikationen.

7.2.2 Vilken skada orsakar transienter?

Elektronik är känslig för transienter. Inom industri, sjukvård och handel finns datorer, teleutrustningar och olika typer av styrsystem som kan skadas och därmed kan orsaka allvarliga störningar i verksamheten. Idag finns också en stor mängd elektronisk i hemmet som kan skadas och ge upphov till störningar. Avgörande för om en transient kan orsaka skada är amplitudens storlek, energiinnehållet och den utsatta apparatens isolationshållfasthet.

7.2.3 Hur skall man begränsa problem orsakade av transienter?

Hur man åtgärdar problem orsakade av transienter är olika beroende på typ av problem och anläggning. Vi skall först analysera den optimala felsökningsanalysen i ett transient problem.

Om man misstänker problem med transienter i sin anläggning skall man se till att få

mätningar utförda som åskådliggör problemet. Det är viktigt att mätutrustningen kan uppfatta mycket snabba förlopp, dvs. kan arbeta med en tillräckligt hög samplingsfrekvens för att ge en så tydlig bild som möjligt av problemen.

Genom en noggrann analys av mätningen kan orsaken till transienterna fastställas och lämpliga åtgärder vidtas. Orsaken kan återfinnas antingen i den egna anläggningen eller i överliggande elnät. Ett bra mät- och analysunderlag är nödvändigt för att fatta beslut om åtgärder eller för att diskutera med elnätsägaren.

I en industri kan en billig åtgärd vara att styra inkopplingen av t.ex. kondensatorbatterier, så att detta sker innan man slår till en känslig utrustning. En annan lösning är att separera störande och störd utrustning. Andra lösningar är att skydda känslig utrustning med hjälp av ventilavledare.

7.3 Övertoner

I det svenska elnätet är grundfrekvensen 50 Hz, men spänningar och strömmar i godtyckliga snitt innehåller övertoner. En viss av halt av övertoner har alltid funnits men det är först under de senaste decennierna som halterna blivit så höga att de orsakar driftstörningar d v s skada på anslutningar. Övertoner är ström- eller spänningskomponenter med en frekvens som är en heltalsmultipel av grundtonsfrekvensen (3*50, 5*50, 7*50 etc.) och som överlagrade på denna ger en periodiskt återkommande deformation av sinuskurvan.

I elnätet uppträder framför allt övertoner av udda ordningstal. Övertoner av jämna ordningstal fås endast om spänningens positiva och negativa halvperioder deformeras olika. Det så

kallade THD-värdet (Total Harmonic Distrotortion) är ett mått på övertonshalten hos en ström eller en spänning. THD anger övertonernas effektivvärde i förhållande till grundtonens

effektivvärde och uttrycks normalt i procent.

7.3.1 Hur uppstår övertoner?

Idag kan man inte anta att alla el-kraftnätets spänningar och strömmar är sinusformade. Allt större del av motorlasterna är omriktarstyrda och båda hemmet och kontor är fyllda av

Alla dessa laster drar icke sinusformad ström och ger därför stora övertonsströmmar som i sin tur ger upphov till övertonsspänningar. Övertoner alstras då icke linjära

belastningsimpedanser anslutes till elnätet. Med icke linjära belastningar menar vi belastningar där förhållandet mellan ström och spänning inte är konstant. För de ideala kretselementen motstånd R, induktor L och kondensator C gäller ett rätlinjigt och

proportionellt samband mellan effektivvärdena för spänning och ström om kretselementens parametrar R, L och C är konstanta och den matande spänningen sinusformat se fig. 04a.

Råder inte detta rätlinjiga samband är kretselementet icke linjärt och alstrar övertoner.

Ett exempel på ett sådan icke linjärt övertonsalstrande kretselement framgår i fig. 04b

Elnäten i sig kan anses tämligen linjära medan de icke linjära kretselementen finns som belastningar. Dessa icke linjära belastningar skapar strömövertoner och bidrar också till att alstra övertoner i spänning. Hur mycket spänningen distorderas på grund av

övertonsströmmar beror på nätimpedansen. Om vi antar att den matande generatorn levererar en sinusspänning, vilket är en god approximation. Spänningen U_L över belastningen blir då skillnadsspänningen U_O - UI.

Se fig. 05 om strömmen I, innehåller övertoner kommer spänningen över nätimpedansen att innehålla övertoner. Därmed kommer också spänningen U_L att innehålla övertoner.

En sinusformad lastspänning förekommer endast i de fall där nätimpedansen är försumbart liten eller om samtliga belastningar och nätelement är linjära.

7.3.2 Förekomst av övertoner

Hur hög är distorsionsnivån i våra elnät?

Lågspänning 400 – 690 V

Internt för en industri UTHD = 3 – 6 % Allmän distribution UTHD = 1 – 6 % Mellan spänning 6 till 40 kV UTHD = 1 – 5 % Högspänning 130 till 400 kV UTHD < 2 %

7.3.3 Vilken skada orsakar övertoner?

Övertoner är störningar med spänning och ström med högre frekvens än 50 Hz, ofta som heltalsmultiplar: 3*50, 5*50, 7*50 etc. sådana störningar har blivit vanligare och orsakas av strömriktnings utrustningar för motordrifter men även apparater med nätaggregat, t.ex. TV datorer, lysrör och lågenergi lampor.

Figur 06 visar dels en beskrivning av ett nät, dels hur belastningen impedans ZL (nätets belastning – induktivt om resistensen försummas) och impedansen ZC för en parallellkopplad kapacitans som varierar med frekvensen. Där kurvorna skär varandra är ZL = ZC, vi har en parallellresonans. Som framgår av impedansdiagrammet går ZC mot 0, d.v.s. ren kortslutning, vid höga frekvenser. Vi kan således konstatera att övertoner på nätet kan innebära stora påfrestningar på kondensatorer.

Begränsningen av övertoner kräver olika typer av lösningar, eftersom de lätt sprider sig i ett nät. Ofta krävs mätningar i flera punkter för att ringa in och identifiera källan. Åtgärderna för att dämpa övertoner varierar beroende på vilken typ av last de genereras och varifrån de kommer i nätet.

En åtgärd är att filtrera övertonerna med övertonsfilter uppbyggda av kondensatorer och reaktorer. Filtren skall dimensioneras så att helheten bildar en avstämd krets som ger låg impedans vid en specifik frekvens. Detta innebär att strömmen av närliggande högre frekvenser till stor del filtreras. Genom att installera övertons filter uppnås flera fördelar.

Förutom att övertonerna i nätet minskar, reduceras också uttaget av reaktiv effekt genom faskompensering. Dessutom kan problem med parallellresonans mellan nätets induktiva och kapacitiva delar undvikas genom att resonanspunkten placeras på en ofarlig frekvens utan övertonsströmmar.

7.3.5 Två filtertyper

Det finns i huvudsak två sätt att filtrera övertoner: med passiva eller aktiva filter.

7.3.6 Passiva filter.

Passiva filter är som namnet antyder uppbyggda av passiva komponenter och består i

huvudsak av två varianter. Bandpassfilter: som består av en kondensator kopplad i serie med en reaktor och spole som ger en mycket bra filtrering vid en specifik frekvens.

Högpassfilter: Innehåller dämpmotstånd som effektivt dämpar höga frekvenser och ger en större bandbredd.

7.3.7 Aktiva filter

Principen för aktiva filter är att generera övertoner av samma frekvens och amplitud som de som finns i nätet. Därefter injicerar man dem i motfas. På samma sätt kommer övertonshalten helt att dämpas ut i en given mätpunkt.

7.4 Spänningsosymmetrier

En symmetrisk trefasspänning karaktäriseras av två olika egenskaper. De tre fasspänningarna har samma amplitud, och den inbördes fasförskjutningen är lika stor. Om någon eller båda av dessa egenskaper saknas säger man att spänningen är osymmetrisk.

7.4.1 Hur uppkommer osymmetri?

Osymmetri i lågspänningsnät orsakas av obalanserade laster. I högspänningsnät är det oftast den osymmetriska nätimpedansen orsakad av luftledningar som ger obalans. Osymmetri kan bestämmas genom att mäta de tre fasspänningarna och därefter beräkna obalansfaktorn, US. Obalansfaktorn är 0 % då fullständig symmetri råder. 1-2 % osymmetri i de flesta fall accepteras. Om en inledande översiktsmätning visar på problem gör man en längre mätning över flera dagar för att få ett bra analysunderlag.

Obalansfaktorn US presenteras efter mätningen som ett 95 % -värde, d.v.s. det mätvärde som inte överskrider 95 % av mätperioden. Orsaken till osymmetri kan sedan spåras och ta beslut

om åtgärder eller diskuteras med elnätsägaren.

7.4.2 vilken skada orsakar osymmetri?

Osymmetri kan orsaka överbelastning på olika växelströmsmaskiner. Strömriktare som snedbelastas kan komma att generera övertoner med frekvenser utöver de karakteristiska.

Konsekvenserna av osymmetri kan vara så allvarligt som haverier med efterföljande driftstopp som följd. Andra konsekvenser kan vara kortare livslängd på apparater och påtvingade inköp av utrustning som klarar högre störnivåer.

7.4.3 Åtgärder mot osymmetri

Det bästa är att angripa själva orsaken till osymmetrin, t.ex. bättre skruvade

högspänningsledningar, eller att arrangera om belastningar så att bättre balans erhålls.

7.5 Flicker

Flicker är ett engelskt ord som används för det som på svenska kan kallas flimmer. Flicker är irriterande blinkningar i belysningen vid en frekvens som ligger under 50 Hz. Flimmer kan spridas över stora geografiska områden kring störkällan, speciellt om nätet är svagt.

7.5.1 Hur uppkommer flicker?

Typiska orsaker till flicker på högre spänningsnivåer är ljusbågsugnar. Deras störningar kan breda ut sig i elnäten över relativt stora geografiska områden. Mer lokalt och på lägre

spänningsnivåer kan svetsapparater, hissmotorer och kompressorer vara en källa till flicker. I båda fallen är det de mycket snabba lastvariationerna som påverkar spänningen.

7.5.2 Vilken skada orsakar flicker?

Flicker kan göra att man upplever en belysning som obehaglig. Människor reagerar psykiskt olika på ljusflimmer och det som är störande för en person är kanske inget problem för en annan.

7.5.3 Åtgärder mot flicker

Flicker mäts med hjälp en flickermätare. Mätutrustningen ska ge möjlighet att mäta enligt normen IEC 868 med tillägg. Spänningsändringarna registreras med hjälp av ett filter som efterliknar ögats känslighet och mätvärden ska lagras baserat på 10-minutersintervall. Genom att mätutrustningen kan påbörja nya 10-minutersintervall varje minut, får starttidpunkten liten betydelse och dessutom får man en bättre bild av hur mätvärdena är spridda under

mätperioden.

Naturligtvis är ett bra mät- och analysunderlag nödvändigt för att fatta beslut om åtgärder eller för att diskutera vidare med elnätsägaren eller den industri där störningskällan återfinns.

I samband med el-kvalitet kan det vara ett skäl att observera vad en störning är och vilka störningstyper vi kan stöta på. En störning kan definieras som en icke önskvärd signal som tränger in i en apparat eller ett system och orsakar en felaktig funktion. I alla störningsfall kan man särskilja tre led: störkälla, kopplingsväggen och störoffret. Detta visas principiellt i fig.07 Med systematisk störbekämpning angriper man ett eller flera av dessa led.

Det är självklart att i första hand angripa störkällan. Kan man stoppa en störning i sin linda har man löst problemet, inte bara för sig själv, utan även för andra tänkbara störoffer. Man kan se detta som att hålla el-miljön så ren som möjligt. Men det är inte alltid som man lyckas stoppa störningen vid källan.

Naturfenomen som åska är en väsentlig del av alla förekommande störningar. Det finns också störningar av s.k. funktionell natur vilket innebär att störningarna genereras av en apparats avsiktliga och korrekta funktion. Ett exempel är radiosändare som utstrålar radiofrekvent energi. Detta kan uppfattas som störning. Kan man inte avstöra vid källan angriper man i andra hand kopplingsvägen. Elektriska störningar kan transporteras av en ledning eller av en elektromagnetisk våg.

I sista hand avstör man störoffret. Detta kan lösa ett akut problem, men lämnar inget bidrag till en bättre el-miljö. Målsättningen är att förbättra störtåligheten hos själva störoffret, så att man uppnår en positiv störsignal, se fig. 08. Innebörden är den att om störoffret utsätts t.ex.

för en radio-frekvent störning som varierar med frekvensen, så skall störoffret vid varje frekvens ha en tålighet som är högre än den högsta störnivån.

Ett förebyggande syfte för störbekämpningsfilosofi är att hålla el-miljön ren, lokalisera störningskällan och åtgärda så tidigt som möjligt. Sträva inte efter att rensa bort all störning, utan låt den ligga under störtröskeln.

9.0 Planeringsutrymme

För att utnyttja ett elnät på effektivt sätt krävs att man vet vad som sker i nätet. Vi måste dessutom ha planering inför lastens variationer och störningsnivåer. I ett eventuellt

planeringsutrymme behövs att man skall tänka ut ett antal faktorer som är viktigt att man skall ha kontroll över: uttagen effekt, uttagen reaktiv effekt, spännings- strömdistorsion och flicker (flimmer).

9.1 Uttagen effekt

Det är viktigt som nätägare att ha kontroll över uttagen effekt. Det finns reläskydd som bryts bort om vi belastar någon punkt i nätet över dess märkeffekt och konsekvensen blir ett avbrott. Därför är det viktigt att vi hela tiden måste försäkra oss om att vi inte belastar någon punkt i nätet över dess märkeffekt. Vi måste också försäkra oss om att den effekt vi tar från överliggande nät inte överstiger vad det är avsett för.

9.2 Uttagen reaktiv effekt

Då uttagen reaktiv effekt belastar matande nät vill man åstadkomma att kunden som förbrukar reaktiv effekt själv producerat denna t.ex. via kondensatorbatterier. Aktiva och reaktiva effekten är den totala förbrukningen som kunden betalar. Om kundens reaktiva

effektförbrukning passerar överenskomna nivåer blir straffavgifter ett sätt att ta betalt för det effektutrymme som den reaktiva effekten tar av tillgängligeffekten eftersom man inte vill ha för stort reaktivt uttag i nätet.

9.3 Spänning – Strömdistorsion

Om vi har kontroll över spänningsdistorsionen har vi även möjligheten att i god tid förbereda utbyggnader av nätavsnitt eller andra åtgärder t.ex. filter, till följd av ökande olinjära laster i nätavsnittet. Vi styr nivån på spänningsdistorsionen via nivåerna på strömövertonerna.

Genom att begränsa strömövertonerna som en funktion av någon fysikalisk storhet som t.ex.

kortslutningsimpedansen i kopplingspunkten kan vi bestämma nivån på

spänningsdistorsionen. Vi vill även ha kontroll över strömövertonernas nivå då dessa kan begränsa användningsgraden av matande transformator.

9.4 Spänningsnivå/Flicker

Standarden för el-kvalitet bestämmer egenskaperna för överföringsspänningen i låg- och mellanspänningsnätet under normala förhållanden. Spänningskvaliteten formas av många delfaktorer, bl.a. av frekvens, variationer i spänningsnivå, snabba spänningsvariationer, harmoniska övertonsströmmar, osymmetri, spänningsfall, oharmoniska övertonsströmmar, överspänningar vid driftfrekvens och transienta överspänningar.

Ett spänningsfall är ett fenomen som påminner om ett kort elavbrott. Spänningen sjunker för en mycket kort stund, men bryts inte helt och hållet. Spänningsfallet kan man märka t.ex. på att glödlampan försvagas eller blinkar till. Spänningsfall uppstår i allmänhet när stora belastningar kopplas till t.ex. när en stor elmotor startar, när termostaten till ett värmebatteri med hög effekt slår på eller när ett svetsaggregat tas i användning. För att bedöma eventuella anslutningar av nya laster i nätet måste vi känna till dagens flimmernivåer för att kunna bedöma var nya laster kommer att placera ev. ny flimmernivå.

10.0 Bestämning av lokala planeringsnivåer

Det som förväntas av en planeringsnivå är optimalt utnyttjande av elnätet. Vi vill erhålla optimalt utbyte av investeringen. Svårigheten vid planeringen är hur man väljer lämplig planeringsmodell. En modell är att man börjar dimensionera elnätet utifrån dagens behov.

Nackdelen med detta är att vår energiförbrukning tenderar mot att hela tiden öka.

Trots strävan att spara energi, har vi efter ett antal år elnät som är för små ur både störnings- och energisynpunkt och utvidgning av elnätet blir ett nödvändigt faktum.

Det är inte självklart att ange en generell planeringsmodell som passar alla utan den måste anpassas till lokala behov. Är det ett stadsnät i en expansionsregion eller ett industrinät? Vi antar ett stadsnät för en normalstor stad med en planerad framtida utbyggnad av

bostadsområden, köpcentra och småindustrier. Skillnaden mellan detta nät och ett större industriellt nät är lasttyperna. I stadsnätet finner vi ofta många små 1-fasiga laster medan industrinätet uppvisar många stora 3-fasiga laster. Detta medför att industrinätet arbetar oftast med högre kortslutningseffekter för att kunna hantera dessa laster.

När vi skall bestämma våra lokala planeringsnivåer är vi alltid styrda av EMC -standardernas kompatibilitetsnivåer. Dessa anger våra maximalt tillåtna nivåer. I praktiken måste vi alltid arbeta med planeringsutrymmen som har god marginal till kompatibilitetsnivåerna. Se fig. 09

Fig.09 visar ett tänkt nätavsnitt som illustrerar hur vi kan använda oss av de olika begreppen när vi skall planera nätavsnittet. Kompatibilitetsnivåerna är givna av gällande EMC-standard t.ex.

SS-EN 61000-2-2 För allmänt elnät SS-EN 61000-2-4 För industri elnät SS-EN 61000-2-12 För mellanspänningsnät

Dessa normer anger absoluta nivåer som vi inte får överstiga.

För att försäkra oss om att vi får en störningsfri drift av nätanslutna apparater skall dessa uppvisa en immunitetsnivå som klart överstiger kompatibilitetsnivån för nätavsnittet. Men för att vi skall säkerställa goda marginaler till kompatibilitetsnivåerna måste vi bestämma oss för en planeringsnivå som är lämplig.

Anta att vi arbetar med ovannämnda planeringsutrymmen som illustreras i fig. 09. Om vi väljer 60 % av kompatibilitetsnivån för ett tätortsnät, 420 V. Så har vi kvar 40 % av den absoluta nivån som vi inte får överstiga dvs. marginal till kompatibilitetsnivån. När vi har bestämt planeringsnivån så har vi automatiskt även bestämt den maximala emissionsnivån i och med att emissionen är avgiven ström. Därmed kommer matningspunktens

kortslutningsimpedans att bli bestämmande för hur stor emission vi kan tillåta. Denna maximala emissionsnivå sätter gränsen för den totala emission som alla anslutna laster kan avge. Det innebär att vi i många fall måste tilldela vissa större abonnenter ett givet

emissionstak för att vi skall behålla kontrollen över emissionsnivåerna i vårt nät.

Planeringsnivån är således nätägarens verktyg för att sätta gränsvärden för större laster och

Ett sådant avtal kan också omfatta åtgärder i kundanläggningen för att reducera störningar, eller att kunden köper störutrymme i nätet. Detta kan exempelvis ske genom att den störande lasten ansluts till en separat transformator. Fig. 10 visar ett tänkt nätavsnitt, från 130 kV till 420 V. Vi ser här att den angivna kompatibilitetsnivån är den samma för alla

spänningsnivåerna, 130 kV till 420 V. Vi ser även att immunitetsnivån är det samma för alla spänningsnivåerna i nätavsnittet.

Då de flesta EMC störningarna uppträder som en spänningsstörning betyder det att vi

generellt kan anta att den störningsnivå i % som vi hittar på ett överliggande nätavsnitt hittar vi även på det underliggande nätet.

Våra planeringsnivåer är lägst för den högsta nätnivån för att därefter öka. Detta då vi inte kan tillåta att högsta nätnivån uppvisar en störningsnivå som närmar sig kompatibilitetsnivån.

Detta skulle innebära att det inte skulle finnas något emissionsutrymme i det underliggande nätavsnittet. Emissionsnivån för nätet uppvisar dock högsta tillåtna nivå på nätets högsta nivå.

För att kortslutningseffekten är högst där. I takt med att vi går ner i nätnivåerna så minskar tillåten emissionsnivå i takt med minskad kortslutningseffekt.

För ett industrinät klass 3, kan vi givetvis höja kompatibilitetsnivån och därmed även

planerings- och emissionsnivån. Men det innebär även att vi måste höja ansluten utrustnings immunitetsnivå! Genom att klassificera ett nätavsnitt som industrinät, klass 3 får vi ett större emissionsutrymme och kan oftast ansluta en större mängd laster. Men följden blir att all ansluten utrustning i nätavsnittet måste uppvisa en högre immunitetsnivå.

11.0 Undersökning av spänningsvariationer

Med ökande krav på nätägaren, el-leverantören, användaren och produktleverantören finns det anledning att formulera en strategi för en förbättring av el-kvaliteten. Därför har målet i denna praktiska undersökning varit att sätta spänningsvariationen till +/-5 % av nominell spänning.

Inom Europa är det dock tillåtet med en +/-10 % spänningsvariation och apparaterna är tillverkade att klara +/-10 % spänningsvariation. Detta i förebyggande syfte för att mer effektivt avhjälpa och lindra de fel som kan uppstå i näten. Många störningar (tillfälliga spänningsfall, höga spänningsvariationer osv.) beror på att vissa kunders utrustningar stör nätbolagets spänning, vilket i sin tur stör andra kunders utrustningar.

Tillämpningen av denna planeringsnivå ger oss möjlighet att minska konsekvenserna av höga spänningsvariationer. Det finns också möjlighet att kunna hantera störande laster i elnätet, eftersom lasten orsakar spänningsvariationer i nätet. Utifrån ovanstående teori har två fördelningstransformatorer: GLA40T1 (Glansås) (44 kV/11 kV) och T399 (11 kV/0.42kV) i Tranås energi undersökts. Undersökningen sker i sekundära delen av transformatorerna och där sätts spänningsvariationen till +/-5 % av nominell spänning.

Anledningen till att dessa transformatorer valdes är att de saknar regulatorer och därför finns det risk för spänningsvariation. I undersökningen visas också en jämförelse mellan teoretiska beräkningar och resultatet av verkliga mätningar som är hämtade från Tranås energi.

Från de stora kraftstationerna leds energin via stamnät, regionnät och lokalnät till hushåll och andra användare. På vägen transformeras spänningen ned i flera nivåer. Under stamnätet finns regionnät som ägs av Vattenfall (130 kV - 44 kV) och därefter lokalnätet som ägs av Tranås Energi (44 kV – 0.42 kV) och som leder energin till de slutliga användarna. Se Figur 11.

Innan energin från regionnätet leds ut på lokalnät passerar den en transformator, som sänker spänningen från 130 kV till 44 kV. Härifrån går energin vidare till olika delar av

distributionsområdet vid spänningsnivåerna 44 kV ner till 11 kV, via ledningar, som på landsbygden oftast går ovan jord. För att spänningen skall bli hanterbar för användaren transformeras den ned ytterligare innan den når fram till förbrukaren.

Lågspänningsledningarna, som till stor del ligger under jord, med huvudspänningen 0.42 kV har en nivå som passar för trefasmaskiner och som ger fasspänningen 230 volt i vanliga vägguttag.

Station GLA40T1 (Glansås) som saknar regulator transformerar ned spänningen från 44 kV till 11 kV. Storförbrukare, till exempel större industrier, är kopplade direkt till den. Station T399 som också saknar regulator transformerar ned från 11 kV till 0.42kV och den matas från GLA40T1 (Glansås). Hushåll, mindre industrier, skolor, vårdcentraler och en rad andra elförbrukare får sin el via det lokala elnätet och dess distributionstransformator T399.

Eftersom T399 är kopplad till GLA40T1 (Glansås) är det intressant att undersöka hur spänningsvariationen påverkas av de laster som är anslutna till dessa transformatorer.

Nedanstående figurer visar Tranås energis fördelningsnätkarta och överföringen av elenergi.

Från station Stoeryd, med utgående ledning L62 till Hjälmaryd.

Station Hjälmaryd med inkommande ledning L62 från Stoeryd, samt matning av T399 via T1 i Glansås.

12.0 Beräkning av spänningsvariationer på transformator GlA40T1

(Glansås)

Transformatorn GLA40T1 (Glansås) har följande märkdata:

Märkspänningsomsättningen 44/11 kV, 50 Hz. Där 44 kV är konstant.

Märkeffekten 1000 kVA. rk = 5,30 % och zk = 10 % Spänningen över belastningen är 11 kV.

Belastningens effektfaktor är 0.9 ”induktivt”

Beräkning av spänningsfall i GAL40T1 vid maxlast

U

/ U

= U

/ U

 U

= U

/ U

* U

 U = U

- U

 R

* P

/U

+ X

* Q

/U

U

= U

+ R

* P

/U

+ X

* Q

/U

P

= S

* cos

= 1000 * 0.9 = 900 kW

Q

= S

* sin

= 1000 * 0,4358 = 436 kVar

r

= R

/ (U

/ S

) * 100%

R

= r

* U

/S

= 5.3/100* (11*10

)

/1000*10

= 6,413 Ω

x

= X

/ (U

/ S

) * 100% där x

= (z

-r

) = 0.085 Ω

X

= x

* U

/S

= 0.085 * (11*10

)

/1000*10

= 10.26 Ω

U

=11*10

+ 6,413*(900*10

)/11*10

+ 10.26*(436*10

)/11*10

= 11931.4V

U

= 11,931 kV – 11 kV = 0,931 kV

U = 0,931 kV

Resultat: Spänningsfallet i transformator GLA40T1 är 0.931 kV.

Vid maxlast 1MVA, cos1 = 0.9

Utredning om hur spänningsfallet i transformatorn T1 beror av lasten S1 och ger upphov till spänningsvariationen i punkt P1

U

U

130/44 kV 44/11 kV 11/0.42 kV

Höglast 10.535kV Höglast

P1 P₂

Låglast 11.465kV Låglast

T₁ T₂

Hög last: 11.00 kV – 0.465 kV = 10.535 kV Låg last: 11.00 kV + 0.465 kV =11.465 kV

1000 kVA

S

500 kVA

0 kVA

Om S2 varierar mellan 1000 kVA och ett värde som är nära 0 fås olika ΔU.

S1 (kVA) ΔU(V)

1000 0.931

750 0.73

500 0.465

250 0.23

0 0

Antag spänningsvariationen runt nominell spänning 11 kV, vilket antas inträffa vid S1 = 500 kVA d.v.s. halv märklast.

Det betyder: Vid S1≈ 0 så är spänningsfallet ≈ 0. U = 11.0 kV + 0.465 kV = 11.465 kV.

Vid S1 = 1000 kVA  U = 11.0 kV - 0.465 kV = 10.535 kV.

Spänningen U i P

som funktion av lasten S

framgår av fig. 15 nedan.

Ur figur 15 framgår:

Maximal spänningsvariation U – Uo = 0.465 V

Max procentuell variation: Uvar = Uvar = [(U – Uo)



Uvar = [(11.465 – 11.00)



12.1 Mätvärden för transformator/Station GLA40T1. Hämtade från

Tranås energi:

Station - Transformator GLA40T1 / GLA10T1

--- Transformator 1 1000 kVA GLANSÅS FÖRDELN.STN Lastnivå 50 % Transfoskydd Re: 20A-080s, Total ström 0 A Jordfelsrelä 4.0 A 0.35s Jordfelsström 8.3A KAP.J-ström 6.6A Total last 0 MWh --- Märkomsättning 44.00 / 11 Läge 3 steg 2.50 %

Matande Spänning 43.80 / 10.95 Steg 5 (3) 1 förluster (Kw,KVAR,MWh) Utmatad Effekt Kortsl.eff Res. IK-skena Trafo Nät Total

P : 0.5 MW PK: 3497 kW IK: 0 A Pf : 0.0 0.0 0.0 Q : 0.1 M Var QK 15877 Kvar Tid: 0.000 S Qf : 0.0 0.0 0.0 S : 0 kMVA SK 16258 kVA Wf : 0.0 0.0 0.0

========================================================

Grupp 2, Fack :

Jordfelsrelä 0.0 A Överströmsrelä 0 A Kapacitiv Ström 0.0 A Fas / skärm längd ström spänning Från Till typ mm² Knr m A % kV %

...

GLA40T1 2573 SKENA 900/0 0 7 0 0 10.95 0.0 ---

Energi Sp.sättn Ik3 Ik2 Ik1j --säkring -- utl.tid parallell

Från Till typ KWh V A A A Bef1 Bef2 Min/Max S Fall S A Red.Larm

……...

T399 2573 N1XV 0 0 857 742 8 0 0 2 / 50 0.40 0 0 0

13.0 Beräkning av spänningsvariationen på transformator T399

TransformatornT399 har följande märkdata:

Märkspänningsomsättningen 11/0.42 kV, 50 Hz. Där 11 kV är konstant.

Märkeffekten 50 kVA. rk = 0.03 och zk = 0.06 Spänningen över belastningen är 0.42 kV.

Belastningens effektfaktor är 0.9 ”induktivt”

Beräkning av spänningsfall vid i 399 maxlast

U

/ U

= U

/ U

 U

= U

/ U

* U

 U = U

- U

 R

* P

/U

+ X

* Q

/U

U

= U

+ R

* P

/U

+ X

* Q

/U

P

= S

* cos

= 50 * 0.9 = 45 kW

Q

= S

* sin

= 50 * 0,4358 = 21.79 kVar

R

= r

* U

/S

= 0.03 * (420)

/ (50

) = 0.1058

X

= x

* U

/S

där x

= (z

- r

)= 5.2*10

X

=  (z

- r

)* U

/S

= 5.2*10

* (420)

/ (50*10

) = 0.1835

U

= 420 + 0,1058 * (45*10

)/420 + 0,1835 * (21.79*10

)/420  440,853 V

U

= 440,853 V – 420 V =  20,85 V

U = 20,85 V

Resultat: Spänningsfallet i transformator 399 är 20.85 V vid maxlast 50 kVA, cos1 = 0.9

Utredning om hur spänningsfallet i transformatorn T2 beror av lasten S2 och ger upphov till spänningsvariationen i punkt P2

U

U

130/44 kV 44/11 kV 11/0.42 kV

Höglas 10.535kV Höglast 409.6 V

P₁ P₂

Låglast 11.465kV Låglast 430.4 V

T₁ T₂

Hög last: 420 V – 10.4 V = 409.6 V Låg last: 420 V + 10.4 V =430.4 V

50 kVA Ger stort spänningsfall.

S

0 kVA Ger 0.0 spänningsfall.

Om S2 varierar mellan 50 kVA och ett värde som är nära 0 fås olika ΔU.

S2 (kVA) ΔU(V)

50 20.85

25 10.4

0 0