Examensarbete
Övertonsmätning vid Södra Cell
Analys av halter och spridning av övertoner i Södra Cells elnät.
Författare: Anders Sehammar Handledare: Pieternella Cijvat Examinator: Pieternella Cijvat
Handledare, företag: Jimmy Sandström Datum: 17-09-10
Kurskod: 2ED07E, 15 hp Ämne: Elektroteknik Nivå: Högskoleingenjör
Institutionen för fysik och elektroteknik Fakulteten för Teknik
Sammanfattning
Den här rapporten presenterar resultatet från ett antal övertonsmätningar som genomförts vid Södra Cell i Mönsterås. Övertonshalter på spänning och ström har mätts upp med referensinstrument vid två procesställverk och ett huvudställverk. Mätningarna viktas mot Energimarknadsinspektionens standard EIFS 2013:1. Rapporten redovisar enskilda övertonsnivåer samt den totala harmoniska distorsionen THD för samtliga mätpunkter.
Resultatet visar på stor variation mellan procesställverken. Det går att se en tydlig koppling mellan belastningseffekten från frekvensstyrda laster och övertonshalter.
Det redovisas även en utvärdering av om övertonerna sprider sig fabrikens elnät och stör andra laster.
Rapporten presenterar även en utvärdering av om befintliga
strömtransformatorer i procesställverken har tillräcklig mätnoggrannhet för mätning av strömövertoner. Genom att utföra övertonsmätningar med strömtransformatorn och referensinstrumentets strömtänger gick det att analysera värdena och utvärdera strömtransformatorns mätnoggrannhet.
Mätresultatet indikerar att strömtransformatorn har god mätnoggrannhet. För ett tydligare resultat krävs att det utförs ytterligare mätningar.
Det redovisas även bakomliggande teori till hur övertoner uppkommer och fortplantar sig i ett system. Det går även läsa om hur övertoners kvantifieras och mot vilka standarder det går att vikta mätningarna mot. Rapporten beskriver dessutom ett antal problem kopplat till övertoner och metoder för att motverka dem.
Summary
This report presents the result from several harmonic measurements which were implemented on Södra Cell in Mönsterås. The harmonic levels on voltage and current were measured with a reference instrument on four low- voltage switchgears and one medium-voltage switchgear. The data from the measurements is weighted against the standard from
Energimarknadsinspektionen EIFS 2013:1. The report shows individual harmonic levels and the total harmonic distortion THD.
The result shows a high variation between the low-voltage switchgears.
There is a distinct connection between the load power from rectifiers and the harmonic levels.
It is also evaluated if the harmonics are spreading in the electric grid and interferes other loads.
The report is also evaluating if the existing current transformer in the low- voltage switchgear has sufficient accuracy for current harmonics
measurements. By making harmonic measurements with the current transformer and the current probes from the reference instrument it is possible to compare the result and evaluate the accuracy on the current transformer. The result indicate that the current transformer has a good accuracy.
A theoretic analysis is also given on how harmonics can be described by fourier series and how they propagate in a system. It is also described how harmonics are quantified and for which standards they can be weighted. The report treat several problems referred to harmonics such as overheating transformers and broken capacitors.
Abstract
Rapporten presenterar övertonshalter på spänningen vid två procesställverk och ett och huvudställverket vid Södra Cells anläggning i Mönsterås.
Mätningarna är viktade mot Energimarknadsinspektionens standard EIFS 2013:1.
Det utvärderas även om övertoner från procesställverken sprider sig till överliggande huvudställverk.
Dessutom utvärderas det om strömtransformatorer som sitter monterade i procesställverken har tillräcklig mätnoggrannhet för framtida
övertonsmätningar.
Förord
Examensarbetet har utformats med utgångspunkt från övertonsproblematik i nära samarbete med Södra Cell i Mönsterås.
Jag vill tacka ett antal personer som har hjälpt mig med mitt examensarbete:
Min handledare på Linnéuniversitetet Ellie Cijvat för bra handledning och goda råd.
Erik Wretlind på Unipower AB för att han ordnade med utlåning av mätinstrument och gav mig support under arbetet.
Thor-Björn Johansson på Södra Cell för att han gav mig möjlighet och bra förutsättningar för att skriva mitt examensarbete på företaget.
Min handledare på Södra Cell Jimmy Sandström för att ha delat med sig av sina kunskaper och visat stort engagemang för mitt examensarbete.
Innehållsförteckning
Sammanfattning ______________________________________________ III Summary ____________________________________________________ IV Abstract _____________________________________________________ V Förord ______________________________________________________ VI Innehållsförteckning __________________________________________ VII 1. Introduktion _________________________________________________ 2
1.1 Bakgrund ... 2
1.2 Syfte ... 3
1.3 Mål ... 3
1.4 Avgränsningar ... 3
2. Teori ______________________________________________________ 4 2.1 Elmiljö... 4
2.2 Elkvalitet ... 4
2.3 Övertoner ... 5
2.3.1 Fourieserieutveckling ______________________________________ 5 2.3.2 Fouriertransform _________________________________________ 6 2.3.3 DFT ___________________________________________________ 7 2.3.4 FFT ____________________________________________________ 7 2.4 Strömövertoner ... 7
2.5 Spänningsövertoner ... 8
2.6 Fasläge övertoner ... 9
2.7 Att riktningsbestämma övertoner ... 10
2.8 Kvantifiering av övertoner ... 11
2.9 Konsekvenser av övertoner ... 11
2.9.1 Varmgång av transformatorer ______________________________ 11 2.9.2 Deltakopplad transformator ________________________________ 12 2.9.3 Nollströmmar ___________________________________________ 13 2.9.4 Vagabonderade strömmar _________________________________ 13 2.9.5 Kondensatorhaveri _______________________________________ 13 2.10 Att dämpa övertoner ... 14
2.10.1 Passivt finavstämda filter _________________________________ 15 2.10.2 Passivt snedavstämt filter _________________________________ 15 2.10.3 Aktiva filter ___________________________________________ 16 2.10.4 12-pulslikriktare ________________________________________ 16 2.11 Mätstandarder för övertoner ... 17
2.11.1 EN50160 _____________________________________________ 18 2.11.2 EIFS 2013:1 ___________________________________________ 19 2.11.3 Standard Södra Cell _____________________________________ 20 3. Metod och genomförande _____________________________________ 21
3.1 Kvantitativ mätning ... 21 3.1.1 Övertonshalter __________________________________________ 21 3.1.2 Spridning övertoner ______________________________________ 25 3.1.3 Mätnoggrannhet strömtransformator _________________________ 25 4. Resultat och analys __________________________________________ 27
4.1 Övertonshalter ... 27 4.1.1 Procesställverk 705-P716F ________________________________ 27 4.1.2 Procesställverk 455-P417F ________________________________ 29 4.1.3 Huvudställverk S73.01A __________________________________ 31 4.2 Spridning övertoner ... 32
4.2.1 Procesställverk 705-P716F ________________________________ 32 4.2.2 Procesställverk 455-P417F ________________________________ 33 4.2.3 Huvudställverk S73.01A __________________________________ 34 4.3 Mätnoggrannhet strömtransformator ... 34 5. Diskussion och slutsatser _____________________________________ 38
5.1 Övertonshalter ... 38 5.2 Spridning övertoner ... 38 5.3 Mätnoggrannhet strömtransformator ... 39 6. Referenser _________________________________________________ 40 7. Bilagor ____________________________________________________ 41
1. Introduktion
1.1 Bakgrund
Södra Cell Mönsterås är en högteknologisk processindustri som utifrån vedråvara producerar pappersmassa, grön elenergi, fjärrvärme och biodiesel.
Södra Cell är den största producenten av pappersmassa i södra Sverige med en årlig produktion på 750 000 ton.
Genom att tillvarata överskottsenergin från tillverkningsprocessen, generar anläggningens fyra generatorer tillsammans med tio vindkraftverk
tillräckligt med elenergi för att självförsörja fabriken och leverera ett överskott till det allmänna nätet. 2016 uppgick nettoleveransen elenergi till 230GWh, vilket motsvarar årsförbrukningen för 13 000 eluppvärmda villor.
Södra Cell har precis som industrin i allmänhet ökat användningen av olinjära laster i form av frekvensomriktare. Fördelarna är tydliga vad gäller energieffektivisering och flexibel varvtalsreglering av motorer. Nackdelen är att frekvensomriktare genererar övertoner som mer eller mindre fortplantar sig i industriernas elnät och försämrar elkvaliteten. Övertonsproblem kan uppkomma som explicita driftstörningar i form av haveri i
kondensatorbatterier, höga strömmar i neutralledare och över eller
underspänningar som medför att skyddsfunktioner inte fungerar. Övertoner kan dessutom orsaka förkortad livslängd på kablage, motorer och
transformatorer genom förhöjd värmeutveckling.
Det är viktigt för industrier att kontrollera elkvaliteten på deras interna elnät då nätbolagen enbart ansvarar för elkvaliteten i anslutningspunkten till fabriken[2]. Det är även viktigt att de kontrollerar elkvaliteten från
perspektivet att inte avge gränsöverskridande störningar ut på det allmänna nätet. Energimarknadsinspektionen har lagstadgade krav på hur mycket störningar en industri får avge.
Södra Cell är medvetna om elkvalitetsproblem kopplat till övertoner och vill utreda om det förekommer övertonsnivåer som kan orsaka driftstörningar i fabriken. Det finns idag ingen erfarenhet av övertonsrelaterade
driftstörningar i fabriken.
Genom att utföra mätningar på utvalda ställverk med varierad belastningseffekt från frekvensomriktare vill Södra Cell skapa en uppfattning om hur övertoner fortplantar och sprider sig i deras elnät.
Påvisar mätningarna höga övertonshalter kan det ge incitament till att vidta åtgärder. Södra Cell vill även utvärdera om befintliga strömtransformatorer i procesställverken har tillräcklig mätnoggrannhet för att tillämpas för
kontinuerlig övertonsmätning.
1.2 Syfte
Syftet med arbetet är att bestämma omfattning och spridning av övertoner i Södra Cells elnät. Det ska även utvärderas om strömtransformatorerna i procesställverken har tillräckligt bra mätnoggrannhet för framtida övertonsmätningar.
1.3 Mål
Utifrån syftet ovan kan följande mål sättas upp:
§ Bestämma övertonshalter vid två procesställverk.
§ Bestämma övertonshalter vid ett huvudställverk.
§ Utreda om övertoner sprider sig från procesställverk till huvudställverk.
§ Bestämma mätnoggrannhet på en strömtransformator.
1.4 Avgränsningar
Spänning och ström mäts vid två procesställverk och ett huvudställverk med varierad belastningseffekt från frekvensomriktare, se bilaga 6. Strömmätning på huvudställverket begränsas till faser L1 och L3.
Rapporten kommer utvärdera enskilda spänningsövertoner upp till 50:e ordningen samt den totala harmoniska distorsionen THD-F. Samtliga mätningar kommer viktas mot Energimarknadsinspektionens standard EIFS 2013:1 [2]. Strömövertoner kommer inte utvärderas mot någon standard då det idag endast finns rekommenderade nivåer.
EMC-frekvenser från 150kHz och uppåt hanteras inte per definition som ett övertonsproblem och kommer således inte tas med i rapporten.
För utvärdering av strömtransformatorernas mätnoggrannhet genomförs strömmätning på en strömtransformator.
2. Teori
2.1 Elmiljö
Elmiljö är ett begrepp och omfattar både elkvalitet och eldistributionens inverkan på kringliggande omgivningen. Under elmiljö behandlas EMC relaterade begrepp som magnetiska och elektriska fälts inverkan på
närliggande utrustning. För att uppnå en störningsfri elmiljö är det viktigt att nätägare, apparat/anläggningsleverantör och elkunder tar ett gemensamt ansvar[4].
2.2 Elkvalitet
Elkvalitet är ett sammanfattande begrepp för att bedöma kvaliteten på elleverans. Kvaliteten bedöms utifrån faktorerna kontinuitet och
spänningsnivå. Kontinuitet innebär att elleveransen ska vara avbrottsfri och spänningsnivå innebär att spänningens kurvform, frekvens och symmetri ska ligga inom angivna gränsvärden [5]. En avvikelse från det är att betrakta som en bristande elkvalitet. Elkvalitet kan därmed definieras som ”att en nätansluten apparat ej störs av övergripande skeenden i nätet, och ej heller blir störd av eller stör andra apparater” [3]. Elkvalitet delas upp i ett antal olika parametrar.
§ Spänningsdippar
§ Spänningshöjningar
§ Transienter
§ Obalans
§ Flimmer
§ Spänningssprång
§ Frekvensavvikelse
§ Övertoner
Det är viktigt att inte enbart koppla elkvalitet till en bedömning av kvaliteten på elen från matande nät. Det är vanligt att störningar orsakas av apparater i det egna nätet [3].
2.3 Övertoner
En grundton beskrivs i sin enklaste form som en perfekt sinusformad kurva med amplitud 𝐴, frekvens 𝑓 och fasläge 𝜑. I Sverige är elnätets grundton 50Hz.
𝑓 𝑡 = 𝐴𝑠𝑖𝑛(2𝜋𝑓 + 𝜑) (2.1)
Om en ton inte är perfekt sinusformad betyder det att det är en sammansatt ton som består av en grundton och sinusodiala deltoner, även känt som övertoner. I figur 2.1 går det se hur en grundton stegvis påverkas av övertoner med olika frekvenser.
Figur 2.1. Grundtonen och två övertoner samt den sammansatta tonen.
Övertoner förekommer som både harmoniska- och icke harmoniska.
Harmoniska övertoner är heltalsmultiplar av grundtonens frekvens. Tabell 2.1 visar de harmoniska övertonerna upp till nionde ordningen. Övertoner med annan frekvens är oharmoniska. Alla periodiska signaler går
matematiskt att beskriva som en serie med sinusfunktioner med olika fasläge, frekvens och amplitud. Metoden kallas fourieserieutveckling och är en metodik som ligger till grund i moderna elnätsanalysatorer.
Tabell 2.1. Harmoniska övertoner.
Nummer 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Frekvens 50 100 150 200 250 300 350 400 450 2.3.1 Fourieserieutveckling
En sammansatt ton går att beskriva som en funktion 𝑓(𝑡) som består av grundtonen och deltoner med en multipel frekvens av grundtonen.
Fourierserieutveckling är en matematisk metod som gör det möjligt att beskriva alla kontinuerliga periodiska funktioner 𝑓(𝑡) som en serie av trigonometriska sinus- eller cosinusfunktioner där 𝑛 = 1 motsvarar grundtonen.
𝑓 𝑡 = 𝐹0+ 𝐴1sin (2𝜋𝑓𝑛𝑡 + 𝜑1)
6
178
(2.2)
Konstanten 𝐹0 i ekvationen motsvarar medelvärdet av funktionen 𝑓(𝑡) och beräknas genom att integrera funktionen över en period vid 𝑛 = 0. Vid elektrotekniska sammanhang motsvarar medelvärdet DC-nivån i ett elnät.
𝐹0 = 1
𝑇 𝑓 𝑡 𝑑𝑡
<=>
<
(2.3) Termen 𝐴1sin (2𝜋𝑓𝑛𝑡 + 𝜑1) ekvationen motsvarar summans deltoner. För att bestämma amplitud 𝐴1 och fasvinkel 𝜑1 för respektive term går det att tillämpa komplex fourierserieutveckling.
𝑓 𝑡 = 𝐶1
6
17@6
𝑒B1CDEF (2.4)
För komplex fourierserieutveckling går det att beräkna fourierkoefficienterna 𝐶1 enligt.
𝐶1 = 1
𝑇 <=>𝑓(𝑡)𝑒@B1CDEGF
<
(2.5) Vidare gäller följande samband mellan fourierkoefficienterna 𝐶1, amplitud 𝐴1 och fasvinkel 𝜑1 [5].
𝐴1 = 2 𝐶1 𝑛 ≥ 1 (2.6) 𝜑1 = 𝑎𝑟𝑔𝐶1+𝜋
2 𝑛 ≥ 1 (2.7)
En fourierserieutveckling beskriver hur diskreta sinusodiala
frekvenskomponenter bygger upp en sammansatt ton med en bestämd periodtid. Frekvensinnehållet presenteras vanligen i ett frekvensspektrum där de diskreta frekvenskomponenternas magnituder presenteras som procent av grundtonen.
För analys av frekvensinnehållet i en verklig icke-periodisk signal som har mer eller mindre varierad kurvform över tid, går det inte tillämpa
fourierserieutveckling.
2.3.2 Fouriertransform
Fouriertransform används för att överföra en funktion från tidsplanet till ett kontinuerligt frekvensspektrum i frekvensplanet. Till skillnad från
fourierserieutveckling går den att tillämpa på signaler som är aperiodisk, det vill säga att periodtiden går mot oändligheten.
𝐹 𝜔 = 6𝑥(𝑡)𝑒@BNFGF
@6 (2.8)
För att matematiskt förstå vad som sker vid transformeringen går det att utgå från ekvationen för fourierseriekoefficienterna vid komplex
fourieserieutveckling.
𝐶1 = 1
𝑇 𝑓(𝑡)𝑒@B1CDEGF
<=>
<
(2.9)
När periodtiden 𝑇0 går mot oändligheten kommer grundfrekvensen 𝑓0 =>8 bli oändligt litet, vilket medför att övertonerna till grundfrekvensen 𝑛𝑓0 O
kommer ligga oändligt tätt och skapa ett kontinuerligt frekvensspektrum med frekvensen 𝑓. Med utgångspunkt från den informationen går det härleda fouriertransformen.
𝐶1𝑇0 = 𝑓 𝑡 𝑒@B1CDEGF
6
@6
⟹ 𝐹 𝜔 = 𝑥(𝑡)𝑒@BNGF
6
@6
(2.10) Fouriertransformen beskriver alla frekvenser, båda harmoniska och icke harmoniska frekvenser i ett kontinuerligt frekvensspektrum.
2.3.3 DFT
För att genomföra datorberäkningar av en verklig signal används diskret fouriertransform (DFT). Med diskret fouriertransform genomförs ett ändligt antal samplar 𝑁 av signalen. Beräkningsmetoden är tidskrävande då det förenklat går att säga att 𝑁 samplar kräver 𝑁C aritmetiska beräkningar.
𝑋S[𝑘] = 𝑥[𝑛]𝑒@BW CDS 1
S@8 170
(2.11)
𝑘 = 0,1, … , 𝑁 − 1 2.3.4 FFT
För att minska beräkningstiden som DFT medför har det utvecklats ett antal algoritmer som kallas fast fourier transform (FFT). Med smarta
beräkningsscheman sänker algoritmerna antalet beräkningar från 𝑁C till 𝑁log (𝑁)C där 𝑁 är antalet samplar av signalen. FFT är den
beräkningsmetoden som tillämpas i elnätsanalysatorer.
2.4 Strömövertoner
Alla laster har en linjär eller icke linjär karaktär. En linjär last består av någon eller några av kretselementen, motstånd 𝑅, induktor 𝐿, kondensator 𝐶 som i idealfallet är linjära [6]. Matas en linjär last med växelspänning och kretselementen håller konstant värde kommer rätlinjig proportionalitet råda mellan effektivvärdet på ström och spänning. [6] Det medför att lasten
kommer dra en ström med samma kurvform som spänningen se figur 2.2.
Rent sinusformade kurvor består enbart av grundtonen. En linjär last har med andra ord inga övertoner.
Figur 2.2. Kurvform spänning och ström för en linjär last.
En olinjär last består av kretselement som drar en ström som inte proportionerlig följer spänningen. Följer inte strömmen spänningens kurvform betyder det att lasten genererar övertoner som deformerarar strömmens sinuskurva. [6] Typiska olinjära kretselement är dioden och tyristorn. Figur 2.3 visar att strömmen för en ideal diod utan resistans inte har samma kurvform som spänningen.
Figur 2.3. Kurvform spänningskälla, och ström för en diod.
2.5 Spänningsövertoner
Övertoner förekommer på både ström och spänning. För att förstå hur spänningsövertoner uppkommer går det analyser hur en övetonsdistorderad ström påverkar ett elnät. Kablar och komponenter i ett elnät uppvisar alltid någon form av impedans. Figur 2.4 visar ett elnät med en nätimpedans och en olinjär last.
Figur 2.4. Förenklad modell av ett elnät med olinjär last.
Den olinjära lasten drar i det här exemplet en pulsliknande ström enligt figur 2.5. Strömpulserna kommer orsaka spänningsfall över nätimpedansen, vilket medför att lastspänningen sänks. Figur 2.6 visar hur lastspänningens
toppspänning dämpas vid strömpulserna. På grund av att strömmens övertoner orsakar spänningsfall över nätimpedansen kommer motsvarande spänningsövertoner överlagras på lastspänningens. [2]
Figur 2.5. Kurvform Ström.
Figur 2.6. Kurvform ström och lastspänning.
Hur mycket strömövertonerna distorderar generatorspänningen 𝑈ab och vidare lastspänningen 𝑈c beror på nätimpedansen 𝑍. Låg nätimpedans medför att variationer i strömmen orsakar mindre spänningsfall över nätimpedans och lastspänning, se ekvation 2.12.
𝑈c = 𝑈ab− 𝑍𝐼 (2.12)
Ett starkt nät med hög kortslutningseffekt kommer distorderas mindre av övertoner.
2.6 Fasläge övertoner
Övertoner genereras med olika faslägen mot grundtonen vilket medför att övertoner får positivt, negativt eller fasläge noll mot grundtonen. Beroende av var på grundtonen övertonerna uppkommer får de en karakteristisk
rotationsriktning [6]. Konsekvenserna av övertonernas fasläge är bland annat höga strömmar i neutralledare och varmgång av induktionsmotorer. Se även avsnitt 2.9.
Tabell 2.2. Övertonernas fasläge mot spänningen.
Nummer 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Frekvens 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Fasläge + - 0 + - 0 + - 0
Utifrån övertonens fasläge delas de upp i tre grupper med en karakteristisk rotationsriktning mot grundtonen [3].
§ Plusföljdskaraktär – Medroterande
Figur 2.7. Medroterande övertonsström med 120 graders mellan faserna.
§ Minusföljdskaraktär – Motroterande
Figur 2.8. Motroterande övertonsström med 120 grader mellan faserna.
§ Nollföljdskaraktär - Ingen rotationsriktning
Figur 2.9. Ingen rotationsriktning med 0 grader mellan faserna.
2.7 Att riktningsbestämma övertoner
För att minska övertonshalter i ett elnät är det viktigt att detektera varifrån störningarna kommer. Genom att analysera om en störning kommer
nedströms från överliggande nät eller uppströms från lasten går det att på ett metodiskt sätt avgränsa problemet och ringa in störkällan.
En metod för att riktningsbestämma övertoner är att hitta korrelationer mellan lastströmmen och spänningsövertonerna. Går det att se tydliga likheter genereras övertonerna från lasten. Figur 2.10 visar att spänningens THD har tydliga likheter med lastströmmens kurvor, vilket betyder att spänningsövertonerna genereras av lastströmmen. Med andra ord kommer störningen från lasten.
Figur 2.10. Korrelation mellan spänningsövertoner och lastström.
2.8 Kvantifiering av övertoner
För att bestämma hur mycket en grundton distorderas av övertoner finns ett antal beräkningsmetoder som kan tillämpas på spänning och ström. Totala distorsionsnivåer eller övertonshalter bestäms genom att beräkna den totala harmoniska distorsionen THD och presentera värdet som procent av
grundtonen THD-F eller effektivvärde THD-R [8]. Det förekommer att THD-F har benämningen THD i litteratur och standarder. Enskilda övertoner beräknas som övertonens procentuella effektivvärde av grundtonen. Högt värde på THD visar på höga övertonshalter. Samtliga beräkningar bygger på att 𝑢g är ett effektivvärde på grundtonen.
𝑻𝑯𝑫 = (𝑈g)C
k0
g7C
(2.13)
THD anger distorsionsnivå i Volt. [4]
𝑻𝑯𝑫 − 𝑭 =
(𝑈g)C
k0g7C
𝑈m
(2.14)
THD-F anger THD som procent av grundtonen [4].
𝑻𝑯𝑫 − 𝑹 =
(𝑈g)C
k0g7C
𝑈opq
(2.15)
THD-R eller klirr-faktor anger THD som procent av effektivvärdet [4].
𝑻𝑯𝑫 − 𝑿 =
(𝑈g)C
k0g7C
𝑈s
(2.16)
THD-X anger THD som procent av valfri storhet [4].
2.9 Konsekvenser av övertoner
2.9.1 Varmgång av transformatorer
En transformators effektförlust påverkas utöver de resistiva lastförlusterna även av övertoner från lastström och matande spänning. Ett elnät med höga övertonshalter kan medföra att en transformator måste stämplas ned till en lägre märkeffekt, alternativt överdimensioneras för att inte gå varma och få en förkortad livslängd. Ett vanligt problem vid höga övertonshalter är ökade virvelströmsförluster och hysteresisförluster i transformatorns järnkärna. Det
mest framträdande problemet är att övertoner i lastströmmen orsakar virvelströmsförluster vars effekt ökar med kvadraten på frekvensen, se ekvation 2.17. Hysteresisförluster uppkommer som en konsekvens av spänningsövertoner. Hysteresisförluster är ett mindre problem då spänning tenderar att vara mindre distorderad. [4]
För att bestämma hur mycket strömövertoner påverkar transformatorns virvelströmsförluster beräknas K-faktorn för transformatorn, se ekvation 2.17. K-faktorn är en storhet som anger övertonsströmmars inverkan på transformatorns effektförluster. En K-faktor över 1,0 anger en förhöjd värmeutveckling.
𝐾 − 𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 = 𝐼gC×ℎC
𝐼gC (2.17)
𝐼 = 𝑠𝑡𝑟ö𝑚 𝑝𝑢
ℎ = ö𝑣𝑒𝑟𝑡𝑜𝑛𝑠𝑛𝑢𝑚𝑚𝑒𝑟
För att dimensionera en transformator för virvelströmsförluster går det beräkna ett derating-värde 𝐷 för transformatorn. Derating-värdet anger transformatorns maximala belastningsgrad. Värdet beräknas enligt ANSI/IEEE C57.100-1986 med K-faktorn för lastströmmen och
virvelströmsförlustfaktorn 𝑃~(•€) för en transformator vid märkeffekt, se ekvation 2.18. För beräkning av virvelströmsförlustfaktorn avläses lastförluster 𝑃W och resistiva förluster 𝑃• från transformatorns provningsprotokoll, se ekvation 2.19.
𝐷 = 1 + 𝑃~(•€)
1 + 𝐾𝑃~(•€) (2.18)
𝑃~(•€) =𝑃W− 𝐼C×𝑅
𝑃• (2.19)
Några generella rekommendationer för en transformator vid märkdrift är att enskilda strömövertoner inte bör överstiga 5% för udda och 1-2% för jämna.
För spänningen kan en övertonsdistorsion på 8% leda till att
magnetiseringsströmmen uppvisar övertoner vilket kan leda till att det inte går att at ut märkeffekt på transformatorn.
2.9.2 Deltakopplad transformator
Ett annat problem kopplat till D/Y kopplade transformatorer är att
tredjetonsströmmarna 3,6,9… cirkulerar i transformatorns deltalindning och skapar värmeutveckling i kopparlindningarna. Detta medför att
transformatorn kan gå varm även om den uttagen effekt ligger inom
märkdata. För att utvärdera hur strömövertoner påverkar en D/Y kopplad transformators effektförluster bör mätningarna genomföras på sekundärsidan då tredjetonerna filtreras bort på transformatorns primärsida. [6]
2.9.3 Nollströmmar
På grund av att fasströmmar är fasförskjutna med 120˚ sinsemellan får strömmarna i respektive fasledare olika riktning och storlek vid varje tidpunkt. Vid symmetrisk belastning av ett 4 eller 5 ledarsystem med jordningssystem enligt TN-S, TN-C och TN-C-S kommer strömmen i neutralledaren summeras till noll. Uppstår det övertonsströmmar av tredje ordningen 3,6,9 o.s.v. i ett sådant jordningssystem kommer
tredjetonsströmmarna istället summeras i neutralledaren. Orsaken till det är att övertonsströmmar av den ordningen karakteriseras av att ha
nollföljdskaraktär, vilket innebär att det är samma fasläge på strömmarna.
Resultatet blir att samtliga tredjetonsströmmar summeras i neutralledaren och kan snabbt komma upp till nivåer som kan medföra att neutralledaren överbelastas och brinner av.
2.9.4 Vagabonderade strömmar
Vid övertonsströmmar i neutralledaren på ett TN-C system kan det uppstå vagabonderade strömmar. På grund av att impedansen i neutralledaren ökar med frekvensen, känner övertonströmmarna ett ökat motstånd och tar andra väger tillbaka till spänningskällan [5]. Som en konsekvens av de
vagabonderande strömmarna ökar magnetfälten i omgivningen. För att undvika problematiken med vagabonderade strömmar går det att jorda enligt ett TN-S system, vilket använder separat kabel för skyddsjord.
2.9.5 Kondensatorhaveri
Kondensatorbatterier används inom industrin för att optimera fasvinkeln cos (𝜑) mellan spänning och ström. Genom optimering går det att ta ut mer aktiv effekt från elnätet med samma säkringsstorlek.
Om kondensatorbatterier kopplas till ett elnät kan övertoner orsaka resonans på grund av kondensatorbatteriernas kapacitans och elnätets induktans.
Reaktansen för kapacitans och induktans är frekvensberoende, hög frekvens sänker den kapacitiva reaktansen medans den höjs för induktansen, se ekvation 2.20 och 2.21.
𝑋b = 1
2𝜋𝑓𝐶 (2.20)
𝑋c = 2𝜋𝑓𝐿 (2.21)
Om strömövertonen har sådan frekvens att den kapacitiva och induktiva reaktansen tar ut varandra uppstår det resonans mellan kondensatorbatteriet
och det induktiva nätet, se figur 2.11. Resonansfrekvensen 𝑓o kan beräknas enligt ekvation 2.22.
Figur 2.11. Resonansfrekvens mellan nätets induktans och kondensatorbatteriernas kapacitans
𝑓o = 1
2𝜋 𝐿𝐶 (2.22)
Vid parallellkopplade kondesatorbatterier uppstår det en
parallellresonanskrets, se figur 2.12. Vid resonansfrekvensen kommer det uppstå en mycket hög ström i kretsen som kan skada kondensatorbatterierna.
En parallellresonanskrets uppvisar hög impedans mot nätet.
Figur 2.12. Parallellresonanskrets.
Vid seriekopplade kondensatorbatterier uppstår det en serieresonanskrets. Se figur 2.13. Vid resonansfrekvensen uppvisar kretsen låg impedans mot nätet vilket medför att det uppstår en hög ström genom kretsen som kan skada kondensatorbatterierna.
Figur 2.13. Serieresonanskrets.
2.10 Att dämpa övertoner
För att minska övertonshalter i ett elnät går det att installera övertonsfilter.
Det finns ett antal olika filtertyper med olika för- och nackdelar. Val av övertonsfilter påverkas av omfattningen på övertonsproblematiken,
ekonomiska aspekter och hur känslig den belastande utrustning är. En annan metod för att sänka övertonshalterna är att förse frekvensomriktarna med likspänning från 12-pulslikriktare istället för 6-pulslikriktare.
2.10.1 Passivt finavstämda filter
Ett finavstämt filter kan tillämpas som ett faskompenserande filter. Filtret utgörs av en spole i serie med en kondensator. Filtret dimensioneras så att dess resonansfrekvens avstäms vid samma frekvens som den störande övertonen. På grund av att filtret vid resonansfrekvensen får en väldigt låg impedans kommer filtret att suga åt sig övertonsströmmarna och stoppa dem från att sprida sig vidare i elnätet. Figur 2.14 visar två filter som är avstämda för överton fem och sju.
Figur 2.14. Två serieresonansfilter parallellt med lasten.
2.10.2 Passivt snedavstämt filter
En nackdel med finavstämda filter är att de är känsliga för förändringar i nätet. Utökad användning av frekvensomriktare och värmeutveckling i komponenter är faktorer som kan medföra att resonansfrekvensen kan öka till en högre frekvens. För att undvika det går det att snedavstämma filtrets resonansfrekvens till att ligga något under övertonen som ska dämpas.
Filtreringen blir inte lika effektiv men sänker övertonsnivån betydande.
Figur 2.15 visar ett snedavstämt filter för överton fem. Det går att se att filterimpedansen 𝑍mƒ„F…•ƒ†•…G‡1ˆ har sitt minimum vid resonansfrekvensen 𝑓o och att den punkten är avstämd vid en lägre frekvens än vid femte övertonen. För att undvika parallellresonans dimensioneras filtret så att punkten där belastningsimpedansen och filterimpedansen skär varandra, hamnar vid en frekvens utan övertonsströmmar.
Figur 2.15. Passivt snedavstämt filter för dämpning av överton fem.
2.10.3 Aktiva filter
Aktiva filter kan tillämpas då det finns krav på väldigt låga övertonshalter som till exempel sjukhusmiljöer. Ett aktivt filter mäter kontinuerligt lastströmmens övertoner och genererar övertonsströmmar i motfas, vilket medför att summan av övertonsströmmarna blir teoretiskt noll.
Filtertekniken bygger på PWM styrda IGBT transistorer som genererar sinusformade strömkurvor med olika frekvens [3]. Aktiva filter är väldigt effektiva men också förhållandevis dyra. För en industri är det ofta svårt att motivera installation av ett aktivt filter då det går att uppnå ett fullgott resultat med ett passivt filter till en lägre kostnad.
2.10.4 12-pulslikriktare
För att förse en frekvensomriktare med likspänning är en metod att likrikta trefasig växelspänning med en 6-pulskopplad likriktarbrygga, se figur 2.16.
Likriktarbryggan nyttjar diodernas egenskap att enbart leda ström i en riktning, vilket medför att en växelspänning kan omriktas och filtreras till en likspänning.
Figur2.16. D/Y kopplad 6-pulslikriktare.
En konsekvens med metoden är att dioderna i likriktarbryggan genererar övertoner som distorderad strömmen, vilket påverkar spänningen från matande nät, se kap 2.5. Figur 2.17 visar en typisk fasström för en 6- pulskopplad likriktarbrygga och figur 2.18 visar strömmens
övertonskomponenter.
Figur 2.17. Strömkurva 6-pulslikriktare. Figur 2.18. FFT 6-pulslikriktare.
För att minska strömmens distorsion är en bättre metod att likrikta
spänningen med en 12-pulskopplad likriktare. Ett sätt att konstruera denna är att seriekoppla två 6-pulskopplade likriktare till en trefastransformator där
sekundärsidan är uppdelad på en D respektive Y kopplad 3-faslindning, se figur 2.19.
Figur 2.19. 12-pulslikriktare med D kopplad primärsida och D-respektive Y kopplad sekundärsida.
Kopplingen medför att sekundärsidan får 6 huvudspänningar med 60 graders fasförskjutning. Likriktarbryggorna kommuterar sedan huvudspänningarna med 30 graders intervall till ett system med 12 huvudspänningar[4]. Som en konsekvens av konstruktionen kommer överton 3 och 5 att dämpas vilket övertonsspektrat i figur 2.21 visar. Figur 2.20 visar fasströmmen på transformatorns primärsida, fasströmmen är nu mindre distorderad jämför med 6-pulskopplad likriktare.
Figur 2.20 Strömkurva 12-pulslikriktare. Figur 2.21. FFT 12-pulslikriktare.
2.11 Mätstandarder för övertoner
Det finns ett antal utformade nätstandarder med normer och föreskrifter för vad som anses vara god elkvalitet. De vanligaste standarderna vid
elkvalitetsmätning är europastandarden EN50160 och
Energimarknadsinspektionens standard EIFS 2013:1. Generellt har EIFS 2013:1 en hårdare bedömning då den kräver godkända mätvärden under 100% av en veckas mätperiod, jämfört med EN50160 som kräver 90%.
Båda standarderna anger enbart gränser för spänningsövertoner. För
strömövertoner finns det idag ingen standard att vikta mätningarna mot, utan enbart rekommendationer.
Södra Cell har en egen standard för övertoner på lågspänningssidan.
Standarden används som kravspecifikation för under vilka driftsvillkor komponenter i anläggningen ska fungera.
För att bedöma elkvalitet, och i det här fallet övertoner är det viktigt att inte enbart utvärdera dem mot en standard. En elkvalitetsrapport ger en
indikering om hur det ser ut på elnätet, men avhjälper inte per automatik övertonsproblem Det kan förekomma störningar i en anläggning trots att en rapport visar godkända värden. Elkvalitetsmätning får inte ersätta ett analytiskt arbete utan bör ses som en vägledning till god elkvalitet [3].
2.11.1 EN50160
Europastandarden EN50160 med den officiella svenska språkversionen EN50160:2010 anger gränser för spänningens egenskaper i
anslutningspunkten till en elanvändare. Standarden avser allmänna
distributionsnät för låg-, mellan- och högspänning. Två nyckelformuleringar är.
”Under normala driftförhållanden ska, under varje period av en vecka, 95 % av antalet 10-minuters medelvärden för effektivvärdet för varje enskild överton i spänningen vara mindre än eller lika med värdena i tabell 1.
Resonanser kan orsaka högre spänningar hos en enskild överton.
Dessutom ska den totala övertonshalten (THD) hos matningsspänningen (inklusive alla övertoner upp till och med den 40:e) vara mindre än eller lika med 8 % [7].” 1
1
Tabell 2.3. Gränsvärden för övertoner enligt EN50160.
Udda övertoner Jämna övertoner
Ickemultipler av 3 Multipler av 3 Ordning
h
Relativ spänning
(𝑢g)
Ordning h
Relativ spänning
(𝑢g)
Ordning h
Relativ spänning
(𝑢g)
5 6,0 % 3 5,0 % 2 2,0 %
7 5,0 % 9 1,5 % 4 1,0 %
11 3,5 % 15 0,5 % 6…24 0,5 %
13 3,0 % 21 0,5 %
17 2,0 %
19 1,5 %
23 1,5 %
25 1,5 %
2.11.2 EIFS 2013:1
Energimarknadsinspektionens standard EIFS 2013:1 anger allmänna råd och krav som ska vara uppfyllda för att överföring av el ska vara av god kvalitet.
Standarden ställer generellt högre krav än EN50160 på övertoner.
Mätningarna måsta lika inom angivna gränser under 100% av tiden. Vid spänning över 36kV är gränserna även lägre.
”För referensspänningar upp till och med 36 kilovolt gäller följande. Under en period motsvarande en vecka ska förekommande tiominutersvärden för varje enskild överton vara mindre än eller lika med värdena i tabell 1 och varje tiominutersvärde av den totala övertonshalten ska vara mindre än eller lika med åtta procent [2].”
Tabell 2.4 Gränsvärden för övertoner under 36kV enligt EIFS 2013.
Ej multiplar av 3 Multiplar av 3 Övertone
r (n)
Relativ övertonsha
lt (%)
Övertone r (n)
Relativ övertonsha
lt (%)
Övertone r (n)
Relativ övertonsha
lt (𝑢g)
5 5,0 % 3 3,0 % 2 1,9 %
7 4,0 % 9 1,3 % 4 1,0 %
11 3,0 % 15 0,5 % 6…24 0,5 %
13 2,5 % 21 0,5 %
17 2,0 %
19 1,5 %
23 1,5 %
25 1,5 %
2.11.3 Standard Södra Cell
Södra Cells egna standard har följande formulering.
”Kopplingsutrustning, enheter apparater och kabelnät skall dimensioneras för en spänningsgodhet enligt nedanstående tabell eller sämre.”
Det ska nämnas att standarden primärt tillämpas för att ställa hårda krav på tillverkare av elkraftskomponenter.
Tabell 2.5. El/Instrument standard Södra Cell
p-kraft
690V 400V
Övertonshalt UTHD 10 % 10 %
Kortvarig övertonshalt UTHD (<15s) 15 % 15 %
3. Metod och genomförande
3.1 Kvantitativ mätning
Studien kommer baseras på ett antal övertonsmätningar som genomfördes i fabriken. Mätdata kommer analyseras och utvärderas utifrån projektets olika delmål. För att vikta mätresultatet mot en branschstandard måste
mätningarna genomföras med en godkänd elnätsanalysator. Till projektet valdes elnätsanalysatorn Unilyzer 902 från Unipower AB, vilket är ett klass A instrument som uppfyller normen för referensmätning enligt IEC 61000- 4-30. Val av instrument påverkades av att kurslitteratur hänvisade till Unipower AB och att företaget erbjöd att låna ut instrument och ge support under projektets gång.
Unipowers mätsystem består av den fysiska elnätsanalysatorn samt programvarorna PQ Online och PQ Secure. Programvaran PQ Online används till att med uppkopplad dator konfigurera mätparametrar i instrumentet innan påbörjad mätning. Efter avslutad mätning överförs mätdata till datorn och analyseras med PQ Secure mot önskade
elkvalitetsparametrar. Programvaran kan sedan automatiskt sammanställa all mätdata i en rapport mot önskad branschstandard.
3.1.1 Övertonshalter
Södra Cells kraftförsörjs med två inkommande 130kV matningar och fabrikens fyra generatorer G2, G3, G4 och G5. Figur 3.1 visar de två inkommande 130kV matningar som transformeras ner till 10kV via T1 och T2. Transformatorerna spänningsmatar tre huvudställverk S73, S71 och S75.
Från huvudställverken transformeras spänningen sedan ner ytterligare till ett helt isolerat 690V nät som spänningsförser underliggande procesställverk (visas ej i figur). Sekundärsida av procesställverken spänningsförser sedan fabrikens olika processdrifter.
Figur3.1. Förenklad systemöversikt av fabrikens kraftförsörjning.
Utvärdera övertonshalter och spridning för hela fabriken är ett betydande arbete som inte ryms inom tiden för examensarbetet. Istället kommer det utföras mätningar vid två procesställverk och ett huvudställverk vilka får representera typiska lastsituationer för fabriken. Mätpunkterna har valts utifrån belastande effekt av frekvensstyrda drifter och mätpraktiska aspekter, se tabell 3.1 och 3.2. För fullständig information om ställverkens laster och effekter, se bilaga 7.
Tabell 3.1. Utvalda procesställverk med antal frekvensomriktare och frekvensomriktarnas totala märkeffekt.
Procesställverk Spänning Antal Total märkeffekt från frekvensomriktare
705-P716F 690V 12 700,5kW
455-P417F 690V 5 3,4MW
Tabell 3.2. Huvudställverk S73.01A.
Huvudställvek Spänning
S73.01A 10kV
Övertonsmätningarna genomfördes över tid enligt tabell 3.3 och
utvärderades mot Energimarknadsinspektionens standard EIFS 2013:1 [2].
Tabell 3.3. Mätperioder för studiens mätningar.
Procesställverk Period start Period slut 705-P716F 2017-05-22 15:00:00 2017-05-29 09:09:59 455-P417F 2017-05-29 11:40:00 2017-06-07 08:29:59 Huvudställverk Period start Period slut S73.01A 2017-05-04 15:00:00 2017-05-11 09:29:59
Figur 3.2 visar ett urklipp från systemöversikten på huvudställverket och procesställverken som projektets mätningar genomfördes på. För fullständig systemöversikt se bilaga.
Figur 3.2. Huvudställverk och procesställverk som mätningarna genomfördes på.
Elnätanalysatorn kopplades enligt samma princip vid samtliga procesställverk för mätning av fasspänning. Testsladdar för spänningsmätning anslöts till uttagen L1, L2, L3 och jord på
ställverksskåpets framsida, se figur 3.3. Sladdarna drogs sedan genom golvet till underliggande kabelkällare.
Figur3.3. Procesställverk 716-P718F.
I kabelkällaren anslöts sedan testsladdarna och strömtängerna till
elnätsanalysatorn. Strömtängerna monterades runt L1, L2 och L3, se figur 3.4. På grund av att ställverken matas med fem parallellkopplade 400𝑚𝑚C kablar per fas och strömtängernas begränsande diameter monterades de runt en av de fem kablarna. För att kompensera för kopplingen konfigurerades elnätsanalysatorn med skalfaktor fem.
Figur 3.4. Elnätsanalysatorns placering i kabelkällaren och strömtängernas montering.
Vid huvudställverket kopplades elnätsanalysatorn in för mätning av huvudspänningar. Tre testsladdar för spänningsmätning anslöts till plint i ställverksskåp. Två testsladdar för strömmätning av L1 och L3 byglades över plint och två strömtänger monterades runt respektive byglad testsladd.
Figur 3.6 visar hur strömtängernas montering runt de byglade testsladdarna i mitten av skåpet, samt spänningens testsladdar längst ner till höger i bilden.
Figur3.5. Huvudställverk S73.01A
Figur 3.6. Inkopplad elnätsanalysator vid huvudställverket S73.01A.
3.1.2 Spridning övertoner
För att utvärdera om övertonerna sprider sig i nätet kommer metoden för att riktningsbestämma övertoner tillämpas, enligt avsnitt 2.7. Visar analysen att övertonerna genereras från överliggande nät, ger det en indikation på att övertonerna sprider sig i fabrikens elnät.
3.1.3 Mätnoggrannhet strömtransformator
Mätnoggrannheten på strömtransformatorn Holec HF6 741F0029 bestäms genom att utföra en övertonsmätning med strömtransformatorerna i procesställverk 705-P716F. Mätvärdena jämföras sedan med en mätning som utförts med elnätsanalysatorns strömtänger vid samma procesställverk.
Mätningarna med elnätsanalysatorns strömtänger blir således en
referensmätning som övriga mätningar viktas mot. Mätningarna genomförs under en vecka med respektive mätmetod, se tabell 3.4. Mätanalysen begränsas av att projektets elnätsanalysator endast kan hantera tre
fasströmmar. På grund av begränsningen genomförs respektive mätning vid olika tillfällen. Belastningen av procesställverket bedöms vara jämn över tid.
Tabell 3.4. Mätsekvenser för utvärdering av mätnoggrannhet av strömtransformatorn Holec HF6 741F0029.
Holec HF6 741F0029 Period start Period slut 705-P716F 2017-04-21 11:30:00 2017-04-28 11:30:00
Strömtänger Period start Period slut 705-P716F 2017-03-30 14:20:00 2017-04-06 14:20:00
4. Resultat och analys
4.1 Övertonshalter
4.1.1 Procesställverk 705-P716F
I tabell 4.1 och 4.2 redovisas mätresultatet på spänningsövertoner som utvärderats mot EIFS 2013:1. Resultatet visar godkända värden på THD-F och enskilda spänningsövertoner. Procesställverket medeleffekt under mätsekvensen var 0,3MW, se figur 4.1. Mätresultat för strömövertoner presenters i bilaga 6.
Tabell 4.1. THD-F för spänningen vid procesställverk 705-P716F.
Tid inom
gränsen Max värde Min värde 95% värde Resultat
THDF U1 100% 1,59% 0,84% 1,14% Godkänd
THDF U2 100% 1,62% 0,87% 1,16% Godkänd
THDF U3 100% 1,61% 0,85% 1,14% Godkänd
Tabell 4.2. Värden på enskilda spänningsövertoner vid procesställverk 705-P716F.
# Gräns [%]
MaxU21 [%]
95%
U21 [%]
MaxU23 [%]
95%
U23 [%]
MaxU31 [%]
95%
U31 [%]
Resultat
2 2 0,07 0,06 0,10 0,09 0,10 0,10 Godkänd
3 5 0,06 0,06 0,07 0,07 0,11 0,11 Godkänd
4 1 0,03 0,02 0,03 0,02 0,03 0,02 Godkänd
5 6 1,24 0,87 1,25 0,89 1,25 0,88 Godkänd
6 0,5 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 Godkänd
7 5 0,81 0,64 0,84 0,65 0,80 0,61 Godkänd
8 0,5 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Godkänd
9 1,5 0,02 0,02 0,03 0,02 0,03 0,03 Godkänd
10 0,5 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Godkänd
11 3,5 0,43 0,26 0,42 0,27 0,45 0,28 Godkänd
12 0,5 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Godkänd
13 3 0,24 0,23 0,24 0,23 0,23 0,22 Godkänd
14 0,5 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Godkänd
15 0,5 0,02 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 Godkänd
16 0,5 0,02 0,01 0,02 0,01 0,02 0,01 Godkänd
17 2 0,40 0,33 0,41 0,34 0,41 0,34 Godkänd
18 0,5 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,01 Godkänd
19 1,5 0,15 0,14 0,14 0,13 0,14 0,13 Godkänd
20 0,5 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Godkänd
21 0,5 0,01 0,01 0,02 0,01 0,02 0,02 Godkänd
22 0,5 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Godkänd
23 1,5 0,14 0,08 0,13 0,09 0,13 0,08 Godkänd
24 0,5 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Godkänd
25 1,5 0,11 0,08 0,10 0,07 0,10 0,08 Godkänd
Figur 4.1. Belastningskurva för procesställverk 705-P716F.
4.1.2 Procesställverk 455-P417F
I tabell 4.3 och 4.4 redovisas mätresultatet på spänningsövertoner som utvärderats mot EIFS 2013:1. Resultatet visar ett godkänt THD-F men ett underkänt värde på femte spänningsöverton. Procesställverket medeleffekt under mätsekvensen var 1,76MW, se figur 4.2. Mätresultat för strömövertoner presenters i bilaga 6.
Tabell 4.3. THD-F för spänningen vid procesställverk 455-P417F.
Tid inom
gränsen Max värde Min värde 95% värde Resultat
THDF U1 100% 7,69% 5,62% 7,52% Godkänd
THDF U2 100% 7,51% 5,55% 7,34% Godkänd
THDF U3 100% 7,6% 5,61% 7,42% Godkänd
Tabell 4.4. Värden på enskilda spänningsövertoner vid procesställverk 455-P417F.
# Gräns [%]
MaxU21 [%]
95%
U21 [%]
MaxU23 [%]
95%
U23 [%]
MaxU31 [%]
95%
U31 [%]
Resultat
2 2 0,08 0,07 0,11 0,11 0,12 0,11 Godkänd
3 5 0,29 0,28 0,11 0,10 0,36 0,34 Godkänd
4 1 0,04 0,04 0,03 0,03 0,04 0,04 Godkänd
5 6 6,30 6,14 6,11 5,96 6,16 6,01 Underkänd
6 0,5 0,04 0,03 0,03 0,02 0,04 0,04 Godkänd
7 5 2,09 2,06 2,13 2,11 2,18 2,15 Godkänd
8 0,5 0,03 0,03 0,03 0,03 0,02 0,02 Godkänd
9 1,5 0,12 0,12 0,07 0,06 0,16 0,15 Godkänd
10 0,5 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 Godkänd
11 3,5 2,65 2,61 2,55 2,50 2,53 2,50 Godkänd
12 0,5 0,02 0,02 0,02 0,02 0,03 0,03 Godkänd
13 3 1,63 1,56 1,66 1,59 1,75 1,68 Godkänd
14 0,5 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 Godkänd
15 0,5 0,14 0,14 0,03 0,03 0,15 0,14 Godkänd
16 0,5 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 Godkänd
17 2 1,43 1,39 1,35 1,32 1,30 1,27 Godkänd
18 0,5 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 Godkänd
19 1,5 1,20 1,16 1,24 1,20 1,30 1,27 Godkänd
20 0,5 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 Godkänd
21 0,5 0,13 0,12 0,04 0,03 0,14 0,13 Godkänd
22 0,5 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 Godkänd
23 1,5 0,80 0,76 0,74 0,70 0,70 0,67 Godkänd
24 0,5 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 Godkänd
25 1,5 0,76 0,72 0,82 0,78 0,86 0,82 Godkänd
Figur 4.2. Belastningskurva för procesställverk 455-P417F.
4.1.3 Huvudställverk S73.01A
I tabell 4.5 och 4.6 redovisas mätresultatet på spänningsövertoner som utvärderats mot EIFS 2013:1. Resultatet visar på godkända värden på THD-F och enskilda övertoner. Låga värden på högspänningsställverk är att vänta då strömmen transformeras ner och distorderar spänningen mindre. Mätresultat för strömövertoner presenters i bilaga 6.
Tabell 4.5. THD-F värden för S73.01A Tid inom
gränsen Max värde Min värde 95% värde Resultat
THDF U1 100% 1,06% 0,65% 0,92% Godkänd
THDF U2 100% 1,01% 0,62% 0,88% Godkänd
THDF U3 100% 1,08% 0,67% 0,91% Godkänd
Tabell 4.6. Värden på enskilda spänningsövertoner vid procesställverk 455-P417F.
# Gräns [%]
MaxU21 [%]
95%
U21 [%]
MaxU23 [%]
95%
U23 [%]
MaxU31 [%]
95%
U31 [%]
Resultat
2 2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
3 5 0,18 0,07 0,23 0,05 0,14 0,10 Godkänd
4 1 0,08 0,00 0,07 0,00 0,07 0,00 Godkänd
5 6 0,67 0,57 0,62 0,57 0,67 0,61 Godkänd
6 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
7 5 0,80 0,62 0,76 0,59 0,83 0,61 Godkänd
8 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
9 1,5 0,05 0,00 0,02 0,00 0,02 0,00 Godkänd
10 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
11 3,5 0,44 0,42 0,42 0,39 0,40 0,38 Godkänd
12 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
13 3 0,17 0,15 0,16 0,13 0,18 0,14 Godkänd
14 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
15 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
16 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
17 2 0,19 0,18 0,19 0,18 0,19 0,18 Godkänd
18 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
19 1,5 0,09 0,07 0,09 0,08 0,10 0,08 Godkänd
20 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
21 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
22 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
23 1,5 0,13 0,11 0,15 0,10 0,13 0,10 Godkänd
24 0,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Godkänd
25 1,5 0,10 0,08 0,09 0,07 0,10 0,07 Godkänd
4.2 Spridning övertoner
4.2.1 Procesställverk 705-P716F
Figur 4.3 visar lastströmmen och THD-F för spänningen för procesställverk 705-P716F. Det går att se vissa likheter men också olikheter mellan
kurvorna. Eftersom att det inte är en tydlig korrelation mellan kurvorna indikerar det att procesställverket störs av spänningsövertoner från överliggande nät.
Figur 4.3. Lastströmmen (nedersta kurvorna) och THD-F för spänning (översta kurvorna) för procesställverk 705-P716F.
4.2.2 Procesställverk 455-P417F
Figur 4.4 visar lastströmmen och THD-F för spänningen för procesställverk 455-P417F. Det går att se en tydlig korrelation mellan spänningsövertonerna och lastströmmen, vilket betyder att spänningsövertonerna genereras från lasten.
Figur 4.4 Lastströmmen (nedersta kurvorna) och THD-F för spänning (översta kurvorna) för procesställverk 455-P417F.
4.2.3 Huvudställverk S73.01A
Figur 4.5 visar lastströmmen och THD-F för huvudställverk S73.01A. Det går inte att se några korrelationer mellan kurvorna, vilket är ett väntat resultat då huvudställverket blir en sammanlagring av samtlig
spänningsövertoner och lastströmmar.
Figur 4.5 Lastströmmen (nedersta kurvorna) och THD-F för spänning (översta kurvorna för huvudställverk S73.01A.
4.3 Mätnoggrannhet strömtransformator
Tabell 4.7 och figur 4.6 visar det 95% värdet av resultatet från
övertonsmätningarna på strömmen som genomfördes under en vecka med strömtransformatorerna Holec HF6 741F0029 och strömtängerna till
elnätsanalysatorn. Mätningarna genomfördes vid procesställverk 705-P716F.
Procesställverket hade vid respektive mätsekvens olika
belastningssituationer. Figur 4.7 och 4.8 visar hur procesställverket belastades över tid för respektive mätsekvens.
Resultatet visar på likheter mellan mätmetoderna, se figur 4.6.
Strömtransformatorerna från Holec detekterar enskilda strömövertoner med liknande karakteristik som strömtängerna till elnätsanalysatorn, dock med ett generellt lägre THD-F värde. Det lägre THD-F värdet kan härledas till att mätningarna genomfördes vid olika tidpunkter med olika
belastningssituation, se figur 4.7 och 4.8.
