Löpnummer: EN1310
Utredning om förekomsten och inverkan av övertoner i Umeås centrala elnät
Investigation of the occurrence and influence of harmonics in the power grid in central Umeå
David Eriksson
Sammanfattning
Elmiljö och elkvalitet är något som har fått ökat fokus de senaste åren, en av parametrarna som kontrolleras för att erhålla en tillfredställande elkvalitet är övertoner. Den senaste tidens teknikutveckling har gjort att mer övertoner går ut på elnätet, samtidigt som utrustningen blir allt mer känslig för störningar. För att minimera utbredningen av övertoner har en ny standard tillkommit där kraven för tillåtna nivåer har skärps.
Projektet uppkom eftersom bostadsområdet Forellen i centrala Umeå översteg gränsvärdet för övertoner två gånger under 2012. Under projektet har gränsvärdet dessutom överstigits fyra gånger i Umåkers fördelningsstation.
En litteraturstudie om elkvalitet och övertoner har genomförts. Information från de mätarna med fast installation har analyserats och kompletterande mätningar har genomförts för att erhålla en överskådlig bild av övertonernas förekomst. Det har även genomförts simuleringar med övertoner för att öka förståelsen kring olika övertonsproblem.
Övertoner uppkommer främst av apparater som drivs på likström. Likriktaren använder bara en del av strömkurvan, vilket skapar övertoner. Enfaslaster sänder främst ut den 3:e övertonen, som summeras i nolledaren vilket kan leda till att nolledaren överbelastas. Trefaslaster sänder främst ut den 5:e övertonen, dessa övertoner sprids relativt obehindrat genom transformatorn och kan skapa resonans med kondensatbatterier. Frekvensomvandlare som saknar filter anses vara den mest problematiska störningskällan eftersom den släpper ut väldigt höga nivåer av övertoner samtidigt som de ofta används vid större effekter.
Ett problem med övertoner är att nolledaren överbelastas, vilket kan leda till att ett spänningsfall i nolledaren uppstår eller i värsta fall att den förstörs. Övertoner skapar även ökade förluster i transformatorer och motorer.
Störningarna som gjorde att gränsvärdet för övertoner överstegs i Umåkers fördelningsstation kommer från en större fabrik. Även störningar i bostadsområdet Forellen visade sig komma från samma fabrik, eftersom fabriken har möjlighet att koppla över till Tegs fördelningsstation som matar till Forellen. I samband med att fabriken matades från Tegs fördelningsstation och ett resonansfenomen i ett kondensatorbatteri så spreds störningen till bostadsområdet.
Simuleringarna som är gjorda visar att spänningsövertonerna sprids mellan kunderna, samtidigt som strömövertonerna sprids mot strömkällan (transformatorn). Detta betyder att strömövertonerna ska undersökas när en störningskälla ska lokaliseras i nätet. Simuleringar visar även vikten av att ett starkt nät med låg impedans främjar en bättre elkvalitet.
Överlag anses inte övertoner vara något större problem i Umeås centrala elnät. Störningar som överstiger gränsvärdet kommer från en större kundanläggning och inte från en sammanlagring av många mindre störningar. Ett bostadsområde anses inte kunna överskrida gränsvärdena för övertoner samtidigt som största delen av övertonerna fastnar i transformatorns deltalindning.
Eftersom övertoner sprids relativt obehindrat i nätet erhålls en bra överblick av förekomsten av övertoner genom att mäta elkvaliteten i fördelningsstationerna.
Abstract
During the last years the focus of power quality has increased, one of the parameters that have to be controlled to get an acceptable power quality is harmonics. The development of the technology has resulted in more harmonics spreading through the grids, at the same time equipment is becoming more sensitive to interference. To minimize the spread of the harmonics a new standard has recently been developed where the requirements for allowable levels of harmonics have been tightened.
The number of measurements of power quality varies widely from various energy companies, some companies do not have a meter, while some companies have a meter in each substation and distribution station. Umeå Energi installed the first meter that measures power quality a few years ago, now they have about 30 permanently installed and a couple of portable meters. The project was initiated as the residential area Forellen in central Umeå exceeded the limit for harmonic twice in 2012. During the project, the limit also exceeded four times in the distribution station in Umåker.
A literature review of power quality and harmonics has been conducted. Information from the permanently installed meters has been analyzed and additional measurements have been conducted to get a clear picture of the occurrence of the harmonics. A simulation has also been conducted to increase the understanding of different problems regarding harmonics.
Harmonics generated mainly by devices that operates on DC power. Rectifiers use only a portion of the period, which creates harmonics. Single phase loads mainly spread the third harmonic out, as summarized in the neutral conductor which may lead to an overloading of the neutral conductor.
Three phase loads mainly transfer the 5th harmonics, and these harmonics are spread relatively unrestricted through the transformer and can create resonance with condensate batteries.
Frequency converter with no filter spread high levels of harmonics, while normally used for larger loads can locally create big problems of harmonics.
One problem with harmonics is that the neutral conductor can become overloaded, which can lead to a voltage drop in the neutral conductor or, worst case scenario, that it will be overheated.
Harmonics also creates increased losses in transformers and motors.
Disturbances that allowed limit harmonics were exceeded in the distribution station in Umåker came from a superior factory. Disturbances in the residential area Forellen showed that it most likely came from the same factory. The factory has the opportunity to switch to distribution station in Teg. When the factory was fed from the distribution station in Teg and a resonance phenomenon of a capacitor spread the disturbance all the way to residential areas.
The simulations conducted indicate that the voltage harmonics is spread between the customers, while the current harmonics spread to the power source (the transformer). To locate the source of interference in the electric grid the current harmonics has to be investigated, not the voltage harmonics. The simulations also show the importance of a strong grid with low impedances produces better power quality.
Generally harmonics is not a major problem in the central power grid of Umeå. Disturbance that exceeds the limit comes from a larger customer facility and not from a diversity of much smaller interferences. A residential area is not considered to exceed the limits for harmonics, while most of the harmonics get stuck in the transformer delta winding. By measuring the power quality in the distribution stations one receives a good overview of the problems with the harmonics.
Förord
Detta examensarbete omfattar 30 högskolepoäng och är en obligatorisk del i Civilingenjörsexamen i Energiteknik vid institutionen Tillämpad Fysik och Elektronik (TFE) på Umeå Universitet. Arbetet har utförts i uppdrag av Umeå Energi Elnät AB.
Jag vill tacka mina handledare på Umeå Energi, Agneta Linder och Negar Ghanavati, som har varit ett stort stöd under hela projektet. Även ett stort tack till Mikael Antonsson, ansvarig för elkvaliteten på Umeå Energi, för att han alltid ställt upp och hjälp till. Jag vill också tacka alla andra på Umeå Energi som har hjälp till under projektets gång.
Tack till min handledare på Umeå Universitet, Jan-‐Åke Olofsson, som har varit till stor hjälp speciellt under rapportskrivningen.
Till sist vill jag tacka min kurskamrat Linn Björ för otaliga tips under projektets gång och ett stort tack till alla andra kurskamrater på Umeå Universitet som har förgyllt min studietid.
Umeå, Maj 2013 David Eriksson
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Syfte ... 1
1.2 Mål ... 1
1.3 Avgränsningar ... 1
2 Metod ... 2
2.1 Litteraturstudie ... 2
2.2 Datainsamling ... 2
2.3 Beräkningar ... 2
2.4 Simuleringar ... 2
2.5 Mätutrustning ... 2
3 Elnätet ... 4
3.1 Sveriges elnät ... 4
3.2 Umeå Energis elnät ... 5
4 Allmänt om övertoner ... 6
4.1 Spänningsdistorsion ... 7
4.2 Övertoners fasläge ... 7
4.3 Multiplar av tre/Trippelövertonerna ... 8
4.4 Mellanövertoner, högfrekventa övertoner och effektövertoner. ... 8
5 Elmiljö och elkvalitet ... 10
5.1 Spänningsvariationer ... 10
5.2 Flimmer ... 10
5.3 Avbrott och dippar ... 10
5.4 Transienter ... 11
5.5 Ansvar för elkvalitet ... 11
6 Övertonskällor ... 12
6.1 Olika kurvformer ... 12
6.2 Enfaslaster ... 14
6.2.1 Datorer ... 15
6.2.2 TV-‐apparater ... 15
6.2.3 Lampor ... 15
6.3 Trefaslaster ... 17
6.3.1 Magnetisering ... 17
6.3.2 6-‐Pulsbryggor ... 17
6.3.3 12-‐Pulsbryggor ... 18
6.3.4 Tyristorlikriktare ... 19
6.3.5 Frekvensomvandlare ... 19
7 Definitioner och beräkningar ... 20
7.1 Övertonshalt ... 20
7.1.1 THD ... 20
7.1.2 THD-‐R ... 20
7.1.3 THD-‐F ... 20
7.2 Effektfaktor ... 21
7.3 Effektivvärde (RMS) ... 21
7.4 Fourieranalys ... 22
7.5 Distorsionseffekt ... 22
7.6 Toppfaktor ... 23
8 Lagar och gränsvärden ... 24
9 Övertoners inverkan ... 26
9.1 Nätet ... 26
9.1.1 Transformatorer ... 26
9.1.2 Resonans ... 27
9.2 Laster ... 28
9.2.1 Digitala klockor ... 28
9.2.2 Telefoner ... 29
9.2.3 Motorer ... 29
10 Filter ... 30
10.1 Passivt filter ... 30
10.1.1 Finavstämda filter ... 31
10.1.2 Snedstämda filter ... 31
10.1.3 Tredjetons filter ... 31
10.1.4 EMC-‐filter ... 32
10.2 Aktiva filter ... 32
11 Utvärdering av nuläget ... 34
11.1 Genomsnittlig THD ... 34
11.3 Individuella övertoner ... 36
11.4 Över gränsvärdet ... 37
11.5 Kompletterande mätningar på Forellen ... 37
11.6 Kompletterande mätningar vid Umåker T1 ... 39
11.7 Jämförelse mellan två villakvarter, ett nybyggt och ett äldre ... 40
12 Simulering ... 42
12.1 Genomförande ... 42
12.1.1 Störningens dämpning i nätet ... 42
12.1.2 Störningens spridning i nätet ... 43
12.1.3 Övertonshalten beroende på nätimpedansen ... 43
12.2 Resultat ... 44
12.2.1 Störningens dämpning i nätet ... 44
12.2.2 Störningens spridning i nätet ... 45
12.2.3 Impedansen beroende på nätimpedansen. ... 46
13 Diskussion och slutsatser ... 47
13.1 Elkvalitet och elmiljö ... 47
13.2 Övertonskällor ... 47
13.3 Problem beroende av övertoner ... 48
13.4 Mätningar ... 49
13.5 Simuleringar ... 49
13.6 Felkällor ... 49
14 Rekommendationer ... 50
15 Referenser ... 51
16 Bildreferenser ... 54 Bilaga 1: Transformators nedstämpling beroende av K-‐faktorn och virvelströmsförlusterna
Bilaga 2: Övertonerna beroende på lastströmmen Bilaga 3: Samband för Forellens nätstation Bilaga 4: Uppställning för simulering
1 Inledning
Kontrollen av elkvalitet varierar mycket från olika elbolag, vissa bolag har ingen mätare samtidigt som vissa bolag har en mätare i varje fördelnings-‐ och nätstation. Hos Umeå Energi installerades den första mätaren som mäter elkvalitet för några år sedan, i dagsläget har de ett 30-‐tal fastinstallerade och några portabla mätare.
Kvaliteten på elnätet kontrolleras med olika parametrar t.ex. transienter, spänningsvariationer, flimmer och övertoner. Den senaste tiden har elkvalitet fått mer fokus och elbolagen har därmed utökat antalet mätningar. Ett allt vanligare problem är att konsumenterna av el skapar övertoner som sprids ut i elnätet.
Alla laster som inte är linjära ger upphov till övertoner. Definitionen på ickelinjära laster är last som inte använder hela sinusvågen av strömmen, t.ex. dioder tyristorer och likriktare.
Energimarknadsinspektionen har satt ett gränsvärde för de olika parametrarna som nätägarna måste efterfölja, däribland övertoner.
Detta projekt uppkom eftersom gränsvärdet för övertoner har överskridits vid två tillfällen i ett bostadsområde i Umeå under 2012.
1.1 Syfte
Syfte med detta arbete är att öka kunskapen om övertoner och utreda dess utbredning i Umeå centrala elnät. Rutiner för att lokalisera övertonskällor och därefter åtgärda dem skall också tas fram.
1.2 Mål
Projektmålen har graderats i två kategorier. (S) betyder att målet SKA genomföras. (B) står för att målet BÖR genomföras om tid finns.
• (S) Lokalisera störningskällan vid bostadsområdet Forellen.
• (S) Ta fram en översiktsbild på förekomsten av övertoner.
• (S) Föreslå olika metoder för att dämpa övertoner.
• (B) Utreda konsekvenserna och spridningen av övertoner på elnätet.
• (B) Ta fram rutiner för hur elnätet ska konstrueras vid störningar (transformatorer, kablar osv.).
Effektmål
• Öka kunskaperna kring övertoner och aktuellt regelverk.
• Snabbare kunna lokalisera och åtgärda problematisk utrustning.
• Bättre elkvalitet.
• Mindre förluster och slitage på elnätet.
1.3 Avgränsningar
Projektet är avgränsat till övertoner inom Umeås centrala elnät.
2 Metod
Detta avsnitt beskriver metoderna som har använts under projektets gång.
2.1 Litteraturstudie
För att öka förståelsen om elkvalitet i allmänhet och övertoner i synnerhet har en litteraturstudie genomförts. Liknande studier angående problem med övertoner samt allmänna studier om övertoner har studerats.
2.2 Datainsamling
Umeå Energi har 32 stycken mätare med fast installation som mäter energi och elkvaliteten. Dessa mätare skickar in information till en server genom ett trådlöst modem eller via en fiberkabel.
Samtliga mätare och dataprogram för att analysera mätningarna är levererat från företaget Metrum.
Utöver de fasta mätarna har även data studerats från portabla mätare som har varit placerade i nätstationer eller hos kunder. Information angående utformningen av elnätet och utrustningen i elnätet har erhållits utifrån kartprogrammet Meldis.
2.3 Beräkningar
Informationen och statistiken från mätningar har importerats till Microsoft Excel, där är samtliga beräkningar och sammanställningar är gjorda. Resultaten utifrån simuleringarna har också sammanställts i Microsoft Excel.
Utifrån datainsamlingen från de fasta elkvalitetsmätarna har följande beräknats:
• Ett medelvärde över den totala övertonshalten på spänningen och strömmen beroende av tiden.
• Variationen för den totala övertonshalten på spänningen och strömmen över en vecka.
• Ett medelvärde på de individuella övertonernas storlek på strömmen och spänningen.
• Jämföra övertonshalten för ett nybyggt och ett äldre bostadsområde. Det nybyggda området har fjärrvärme medan det äldre har bergvärme som uppvärmningskälla.
2.4 Simuleringar
För att öka kunskapen om övertonernas utbredning och egenskaper i elnätet har följande simulerats:
• Spänning-‐ och strömövertoners utbredning i elnätet.
• Spänningsövertoners dämpning i elnätet.
• Övertonernas storlek beroende på nätimpedansen.
Samtliga simuleringar är gjorda i simuleringsprogrammet DIGsILIENT PowerFactory.
2.5 Mätutrustning
Till projektet har fyra olika typer av mätare nyttjats, samtliga från Metrum Sweden AB. Alla dessa mätare uppfyller mätstandard A, vilket betyder att de kan användas som referensinstrument.
Statistiken från samtliga mätare går att överföra till en server där mätningarna kan illusteras i grafer.
Instrumenten är även utrustade med en lysdiod som lyser grönt om mätningen är godkänd eller rött
om mätningen är underkänd. Mätningar är godkända om samtliga parametrar för elkvalitet är under gränsvärdet. Användaren kan på så sätt se om mätningar är godkända utan att koppla in mätarna till en dator. Samtliga mätare mäter tom 50:e övertonen [1].
Metrum PQ är deras mest avancerande mätare. Det är en trefasmätare för energi och elkvalitet, som lämpar sig främst för fördelningsstationer eller i krävande industrimiljöer. Installationen är fast och kommunikationen sker via Ethernet utgången eller RS-‐porten. [2].
Metrum SC är också en trefasmätare som mäter energi och elkvalitet. Instrumentet lämpar sig främst för mätningar på nätstationer eller i industrimiljöer. Mätaren har tre spänningsingångar (max 500 V RMS) och tre strömingångar (1-‐5 A). Mätaren har en separat ingång för strömförsörjning (230 V). För kommunikation finns en Ethernet port och två RS-‐portar som kan anslutas till ett modem [3].
SPQ-‐serien är ett portabelt instrument som är anpassat för mätningar i alla delar av elnätet. Enheten strömförsörjs via mätingången U1, vilket gör enheten väldigt enkel att ansluta. Beroende på antalet felrapporteringar som sker under mätperioden, klarar mätaren att lagra information i cirka en månad [4].
PQ-‐smart är en portabel mätare som mäter en fas (230 V). Den kopplas in i ett vägguttag vilket gör mätaren mycket lättanvänd. Status för mätningen kan avläsas på dioden eller så kan informationen överföras till en dator med en USB-‐kabel [5].
Figur 1 visar de fyra olika mätarna som har använts i projekt.
Figur 1. Samtliga mätare som har använts i projektet. Uppe till vänster: Metrum PQ. Uppe till höger: Metrum SC. Nere till vänster: Metrum SPQ. Nere till höger: Metrum PQ smart.
3 Elnätet
Följande kapitel redovisar översiktlig hur Sveriges elnät är uppbyggt och kort information om Umeå Energis elnät.
3.1 Sveriges elnät
För att minimera förlusterna i elnätet används olika spänningsnivåer. Utifrån de olika spänningsnivåerna delas Sveriges elnät vanligtvis upp i tre nivåer; stam-‐, region-‐ och lokalnät.
Stamnätet binder samman Sveriges större produktionsanläggningar med regionnäten och utlandsförbindelserna. Till stamnätet räknas kraftledningarna med spänningarna 220-‐400 kV, transformatorer, ställverk och tillhörande utrustning. Staten äger och Svenska Kraftnät ansvarar för driften och underhållet på stamnäten. Transformatorstationerna mellan stamnät och regionnät kallas stamstationer.
Regionnäten består av spänningsnivåer mellan 30-‐130 kV och fungerar som en länk mellan stamnäten och lokalnäten, med undantag för vissa större industrier som är inkopplade direkt till regionnätet. Från regionnäten går strömmen till fördelningsstationer där spänningen transformeras ner.
Lokalnäten levererar ström från regionnätet till elkonsumenterna, näten ägs och drivs av de lokala nätbolagen och har spänningar upp till 20 kV. Där spänningen transformeras ner till lågspänning (0,4 kV) kallas nätstationer. Lokalnätets utformning varierar mycket beroende på dess placering, i tätorterna är det främst jordkablarna medan på landet är det till största del luftledningar [6]. En översiktlig bild av elnätets utformning redovisas i Figur 2.
Figur 2. En översiktlig på elnätets uppbyggnad.
3.2 Umeå Energis elnät
Umeå Energi Elnät AB är ett dotterbolag till Umeå Energi AB och distribuerar el i hela Umeå kommun, med undantag för den nordligaste delen av kommunen. Redan 1892 tände Elverket de första glödlamporna i Umeå, sedan dess har bolaget bytt namn till Umeå Energi och det har skett en omfattande utbyggnad av elnätet [7].
Nätet består av 1196 km luftledningar och 1862 km kablar, samt 21 stycken fördelningsstationer och 1576 stycken nätstationer. I slutet av 2012 levererar Umeå Energi Elnät AB el till 57454 kundanläggningar. Umeå som stad är i en expansiv fas, vilket gör att elnätet ständigt måste förbättras och byggas ut [8].
En översiktlig bild av elnätet redovisas i Figur 3.
Figur 3. Det gröna motsvarar omfattningen på Umeå Energis Elnät.
4 Allmänt om övertoner
Idealt är både spänningen och strömmen sinusformad, detta gäller dock bara i teorin, i verkligheten är kurvformen deformerad. Övertoner kan beskrivas som ett mått på hur mycket ström och spänning avviker från den ideala sinuskurvformen.
Sinuskurvformen deformeras eftersom att vissa laster inte använder hela kurvformen. Den deformerade kurvformen kan undersökas med avseende på dess frekvensinnehåll. Enligt fourieranalysen går samtliga kurvformer att beskriva matematiskt med hjälp av alla ingående frekvensers amplitud och fasförhållande. Den deformerade kurvan går alltså att dela upp i flera svängningar med olika frekvenser. Vanligtvis beskrivs deformeringen bara i frekvenser som är en heltalsmultipel av grundtonen, så kallade övertoner.
I det svenska elnätet är grundtonen 50 Hz, detta medför att den 2:a övertonen har 100 Hz och den 3:e övertonen 150 Hz osv. De jämna övertonerna uppkommer när deformeringens positiva och negativa perioder är osymmetrisk. Vanligtvis är sinusvågen symmetrisk vilket gör att de jämna övertonerna är så små att de kan försummas. Figur 4 visar kurvformens utseende i en sammanslagning av grundtonen och de 3:e och 5:e övertonerna.
Figur 4. Sammanslagning av grundtonen med 3:e och 5:e övertonen.
Övertoner uppstår som tidigare nämnt av laster som inte utnyttjar hela sinusvågen av strömmen. Vid undersökning av lasters påverkan på nätet kan lasterna delas upp i linjära och olinjära laster.
En linjär last innebär att lasten drar en sinusformad ström vid en sinusformad spänning. Även om lasten visar en fasförskjutning anses den vara linjär, vanliga glödlampor är exempel på en linjär last.
En olinjär last betyder att lasten inte drar en sinusformad ström, de använder endast vissa delar av strömmen under en period, detta gör att spänning och ström inte blir lika. Exempel på olinjära laster är dioder och transistorer [9].
Figur 5 visar ett exempel hur kurvformen kan se ut för en linjär respektive icke linjär last.
Figur 5. Exempel på en linjär och olinjär last.
Från figuren ovan går det utläsa att den linjära lasten (den vänstra mätningen) använder hela strömkurvan (även om den är induktiv). Den högra mätningen visar en olinjär last som bara använder delar av strömkurvan.
4.1 Spänningsdistorsion
Alla komponenter och laster på elnätet ger upphov till en viss impedans, detta gör att det uppstår ett visst spänningsfall över komponenten eller lasten. Är strömmen sinusformad, kommer även spänningsfallet att vara sinusformad. Om strömmen inte är linjär kommer detta också att påverka spänningsfallet. Beroende på impedansen i elnätet övergår övertonerna på strömmen till spänningen. Detta kan härledas via Ohms lag:
!!= ! ∙ !! (1)
Där:
UD = distorsion på spänningen [V]
Z = impedansen [Ω]
ID = distorsion på strömmen [A]
Detta betyder att ett svagt nät med hög impedans kommer att ha större problem med spänningsövertoner, jämfört med ett starkt nät med låg impedans.
4.2 Övertoners fasläge
De olika övertonerna har olika fasläge, detta beror på i vilken del av grundtonen som övertonen har genererats. Tabell 1 visar de nio första övertonernas frekvens och fasläge.
Tabell 1. De olika övertonernas fasläge.
Överton 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Frekvens 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Fasföljd + -‐ 0 + -‐ 0 + -‐ 0
Om övertonen har ett positivt fasläge roterar den åt samma håll som grundtonen, detta betyder att övertonerna med ett positivt fasläge kommer att skapa ett roterande magnetfält i samma riktning som magnetfältet som grundfrekvensen ger upphov till. Om övertonen har ett negativt fasläge så roterar magnetfältet i motsatt riktning jämfört med grundtonens riktning i en induktionsmotor. I en
elmotor kommer vridmomentet att minska och förlusterna att öka. De övertoner som är multiplar av tre (3, 6, 9 osv) ger inte upphov till någon fasförskjutning [10].
4.3 Multiplar av tre/Trippelövertonerna
I trefassystem blir vertikalsumman för grundfrekvensen (50 Hz) noll när det är symmetri mellan faserna, eftersom varje fas är förskjuten 120 grader. Detta gör att de tre fasströmmarna upphäver varandra i nolledaren. Elanläggningar är konstruerade så att de tre faserna ska belastas så jämt som möjligt, för att minimera strömmarna genom nolledaren. Om vertikalsumman för den 3:e övertonen (150 Hz) studeras, som inte har någon individuell fasförskjutning, kommer de tre faserna istället att förstärka varandra. Strömmen från den 3:e övertonen kommer därför att ledas tillbaka i nolledaren [11]. Figur 6 visar fasförskjutningen för grundtonen och den 3:e övertonen.
Figur 6. Skillnad på fasläget mellan grundtonen och tredjeövertonen.
Som figuren ovan visar har grundtonen en fasförskjutning på 120 grader och den 3:e övertonen har ingen fasförskjutning. Eftersom de jämna övertonerna ofta är försumbara är det de udda övertonerna som är jämnt delbart med tre (3:e, 9:e, 15:e och 21:a osv) som benämns som övertoner som en multipel av tre, eller trippelövertonerna.
4.4 Mellanövertoner, högfrekventa övertoner och effektövertoner.
Övertoner är svängningar med en frekvens som är en heltalsmultipel av grundfrekvensen, dessa kallas även karaktärristiska svängningar. Det finns även icke-‐ karaktäristiska svängningar, dessa är svängningar vars frekvens inte är en heltalsmultipel av grundtonen. För att kunna lokalisera mellanövertoner behövs speciella mätare som har ett stort mätintervall och ett högt samplingsintervall, mellanövertoner genereras främst av frekvensstyrda motorer [12].
Övertoner benämns som svängningar med en frekvens upp till 2 kHz. Svängningar med frekvenser 2 kHz – 150 kHz namnges som högfrekventa övertoner (En: High Frequency Harmonics). Högfrekventa övertoner uppkommer främst av switchande nätaggregat [13]. Inom samma frekvensintervall som de högfrekventa övertonerna finns mätinsamlingen från elmätarna, detta kan medföra problem i kommunikationen till mätarna.
Effektövertoner är en multiplikation av spännings-‐ och strömövertonerna, fördelen med dessa är att de innehar en riktning. Det går på så sätt att avgöra om övertoner sprids i samma eller motsatt
riktning som effektflödet. Mätarna som har en fast installation, har möjlighet att redovisa effektövertoner.
5 Elmiljö och elkvalitet
Elmiljö är ett brett begrepp, det kan förenklat beskrivas som eldistributionens inverkan på omgivande miljö genom störning, strålning eller annan oönskad effekt. En god elmiljö är när en installation inte skapar någon form av inverkan, varken till en annan elprodukt eller för människor.
Elmiljö har fått allt mer fokus under de senaste åren. Detta som ett resultat av teknikutvecklingen som gjort att utrustning är mer störningskänslig samtidigt som utrustningen sänder ut mer störningar på elnätet.
Begreppet elkvalitet kan beskrivas som avvikelser av kurvformen, frekvensen och spänningssymmetrin jämfört med ett idealt elnät med sinusformad spänning och ström. Störningarna som förekommer brukar delas upp i periodiska och icke periodiska förlopp. Transienter, flicker, spänningsvariationer, över-‐ och underspänning klassas som icke periodiska, samtidigt som övertoner i strömmen och spänningen klassas som periodiska [14].
5.1 Spänningsvariationer
Spänningen på elnätet kommer alltid att variera eftersom lasten på elnätet varierar. Inom en veckas mätperiod ska varje mätning motsvarande tio minuter vara mellan 90-‐110 % av referensspänningen, enligt den svenska normen EIFS 2011:2. Utifrån en fasspänning på 230 V betyder det att spänningen kan variera mellan 207-‐ 253 V, elmotorer är känsliga för den här typen av störningar [15].
5.2 Flimmer
Variationer av spänningens effektivvärde kallas för flimmer, det uppkommer av förändringar i lasten.
Vid större effekter är det främst ljusbågsugnar och i vissa fall vindkraftverk som skapar flimmer. Vid lägre spänningsnivåer kan flimmer skapas av svetsar, kopieringsmaskiner och hissmotorer.
Flimmernivån kan beskrivas som förhållandet mellan kortslutningseffekten och variationen i belastningen.
För tekniska system anses inte flimmer ha alltför stor påverkan, det främsta problemet med flimmer är att människor upplever belysningen obehaglig. Normerna är därför framtagna utifrån mänskliga experiment, flimmer begränsas av normerna SS-‐EN 61000 [15].
5.3 Avbrott och dippar
Kortare spänningssänkningar, benämns ofta som spänningsdippar, är när spänningen sjunker minst 10 % av den nominella spänningen samtidigt som sänkningen varar 10 ms – 90 s. Sjunker spänningen istället till 0 V (eller nära 0 V) under samma tidsintervall, definieras det som ett kortvarigt avbrott.
Dessa störningar orsakas i de flesta fall av åska eller omkopplingar i nätet och inkopplingar av större laster.
Känslig utrustning är framförallt varvtalsstyrda elektriska maskiner, reglersystem och datorer. Av många anses detta vara det mest problematiska störningen eftersom det kan slå ut en hel industri [14].
5.4 Transienter
Om spänningen stiger kraftigt under en kortare period är det en transient, eller en så kallad spänningsspik. Transienter uppkommer från åska, nät-‐ och lastkopplingar samt in-‐ och urkopplingar av kondensatorbatterier. Figur 7 visar utseendet på två olika transienter.
Figur 7. Utseendet på vanligt förekommande transienter.
Transienter är främst skadligt för elektronik. Ett sätt att skydda sig mot transienter är med överspänningsskydd som endast leder ström vid en viss spänning [15].
5.5 Ansvar för elkvalitet
Ofta anser elkonsumenterna att elnätsägaren har hela ansvaret för elkvaliteten i elnätet, men det krävs ett samarbete eftersom elkonsumenterna i allra högsta grad påverkar elkvaliteten. I det lokala elnätet har elkunderna ansvar att inte släppa ut störningar på elnätet samtidigt som nätägaren har ansvar att hålla en god elkvalitet i anslutningspunkten. För att hålla en god elkvalitet i det publika elnätet krävs därför ett samarbete mellan följande parter:
• Nätägare
• Elkonsumenterna
• Apparat-‐/Anläggningsleverantörerna
Samtidigt som nätägarna och kunderna försöker minska störningar så kommer det aldrig att finnas helt störningsfria nät. Det kommer alltid att finnas stormar, avgrävda kablar och åska som skapar störningar på elnätet. En av lösningarna för att förbättra elmiljön i framtiden är därför att öka kraven på att de elektriska apparaterna ska ha en högre tålighet mot störningar.
6 Övertonskällor
Övertoner skapas som tidigare nämnts av icke linjär elektrisk utrustning. Dessa utrustningar kan delas upp i tre kategorier.
• Laster
• Elgenereringen
• Elnätet
Med laster menas den utrustning som elkonsumenterna innehar, vilket betyder att dessa störningar främst förekommer på lägre spänningar. Elgenerering är där elen produceras, den främsta övertonskälla här är vindkraftverk. I elnätet skapas övertoner i transformatorer, HVDC (High voltage direct current) och SVC (Static var compensator).
Denna uppdelning kan även göras beroende på spänningen, lasterna finns främst vid lägre spänningar. Elgenerering finns vid låga och mellanspänningar och elnätet finns vid samtliga spänningsnivåer. Generellt är sammanslagningen av störningar från flertalet laster den främsta felkällan för övertoner. I specifika fall kan dock en punktkälla så som ljusbågsugn, HVDC eller vindkraftverk vara enskild källa som skapar problem med övertoner.
Eftersom detta arbete är fokuserat mot övertoner i eldistributionsnätet, kommer fokus att vara på lasternas generering av övertoner. Att ta fram ett mönster (s.k. fingerprint) på övertonerna från olika utrustningar är svårt eftersom det varierar mycket, beroende på den specifika utrustningen.
Nedan följer dock några exempel på hur störningar från några problematiska utrustningar kan se ut.
6.1 Olika kurvformer
Ett exempel hur kurvformerna kan se ut i elnätet redovisas i Figur 8. Mätningen är gjord på en 10 kV-‐
skena i en fördelningsstation.
Figur 8. Visar strömmens och spänningens kurvform vid en mätning i en fördelningsstation.
Den röda grafen visar spänningens kurvform och den orange grafen visar strömmens kurvform. Nivån på de enskilda övertonerna från mätningen i figuren ovan redovisas i Figur 9. Övertonerna i diagrammet är redovisat som procent av grundtonen.
Figur 9. De specifika övertonerna från mätningen i figur 9.
Den totala övertonshalten i exemplet ovan var 4,9 % på spänningen och 13,8 % på strömmen. I Figur 10 redovisas resultatet från en mätning av en fyrkantsformad spänning [16].
Figur 10. Grafen till vänster visar en mätning av en fyrkantsvåg, den högra grafen visar fyrkantsvågen övertoner.
Som man kan utläsa från Figur 10 så är det endast udda övertoner, detta beror på att fyrkantsvågen är symmetrisk på den positiva och negativa sidan. Figur 11 redovisar en mätning på en osymmetrisk strömspik [17].
Figur 11. Grafen till vänster visar en mätning av en strömspik, den högra grafen visar strömspikens övertoner.
Från figuren går det att utläsa att grundtonen är knappt den största tonen. Det finns både udda och jämna övertoner, detta beror på att spiken inte är symmetrisk.
0%
5%
10%
15%
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Övertoner
Spänningsövertoner Strömövertoner
0%
25%
50%
75%
100%
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Överton
0%
25%
50%
75%
100%
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Överton
6.2 Enfaslaster
Den utrustning som är mest problematisk bland enfaslaster är elektrisk utrustning som drivs på likström. Det är främst likströmsomvandlaren som orsakrar störningarna. En schematisk bild över en enfasig likströmomvandlare redovisas i Figur 12.
Figur 12. Schematisk bild för en likriktare för enfas.
Omvandlaren består av fyra dioder och en kondensator som jämnar ut likströmmarna. Ett exempel på hur spänning-‐ och strömkurvan ser ut till en likriktare redovisas i Figur 13.
Figur 13. Strömmens och spänningens utseende i en likriktare.
Från Figur 13 kan man även tydligt se att kurvformen är symmetrisk för den positiva och negativa periodhalvan. Övertonerna i nätströmmen till figuren ovan redovisas i Figur 14 [18].
Figur 14. Mätningen av nätströmmen till en enfaslikriktare.
Från figuren ovan går det att avläsa att övertonerna 3, 5 och 7 dominerar. Den totala övertonshalten på nätströmmen till en likriktare kan uppgå till 100 %. Observera att störningarna kan vara långt över 100 %, detta erhålls om störningar är större än grundtonen.
0%
25%
50%
75%
100%
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Nätströmmens övertoner
6.2.1 Datorer
En vanligt förekommande olinjär last i bostadsområden och kontorlandskap är datorer. Figur 15 visar en mätning av nätströmmen till en stationär dator utan skärm [19].
Figur 15. Mätning av nätströmmen till en stationär dator utan skärm.
Den totala övertonshalten på nätströmmen är 58 %, från grafen erhålls att den 3:e övertonen är störst. I kontorslokaler med många datorer hjälper det inte att fördela lasterna jämt över faserna, detta eftersom strömmarna från den 3:e övertonen kommer att summeras i nolledaren.
6.2.2 TV-‐apparater
Mätningar av nätströmmen till en 23” TV-‐apparat redovisas i Figur 16 [20].
Figur 16. Mätning av nätströmmen från en TV-‐apparat.
Som grafen visar är det främst 3:e, 5:e och 7:e övertonerna som dominerar, men även övertonerna 11 och 13 har en betydande inverkan.
6.2.3 Lampor
Knappt 10 % av den energi som en glödlampa andvänder blir ljus, resten blir värme. EU har därför bestämt sig för att fasa ut glödlampan. Sedan 2012 är det förbud mot klara glödlampor ner till 15 W, riktade glödlampor är fortfarande godkända [21].
En glödlampa innehåller ingen elektronik, detta gör att den kan ses som en rent resistiv last. Detta betyder att strömmen ligger i fas med spänningen och att glödlampan drar en ström som följer spänningens sinuskurvform.
0%
25%
50%
75%
100%
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Nätströmmens övertoner
0%
25%
50%
75%
100%
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Nätströmmens övertoner
