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Voltage dips / Voltage sags

Flicker, voltage sags and swells and voltage unbalances are changes in the e ective value of voltage. This e ects can lead to production outages which are costly and unplanned. If the voltage drops be- low 85% of the nominal voltage, it could lead to the tripping of contactors, frequency converters and switching power supplies.

Spannungseinbruch

a) Spannungseinbrüche (engl. „voltage dips“, amerik. „voltage sags“)

Ein Spannungseinbruch bezeichnet eine plötzliche Verringerung des Effektivwertes (< 1 min. bei Abweichung der Nominalspannung > 10 %*) der Spannung an einem bestimmten Punkt im Stromnetz, wenn dieser unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes sinkt, gefolgt von einer Wiederherstellung des ursprünglichen Spannungsniveaus innerhalb eines kurzen Zeitintervalls.
Spannungseinbrüche gelten als zweidimensionales Phänomen, das von der Höhe der Spannung und der Zeitdauer abhängt. In der elektrischen Energieversorgung sind sie die Hauptursache für kostspielige, ungeplante Produktionsstillstände.

Sie treten häufig durch einen Kurzschluss und dessen Unterbrechung (Klärung) oder durch Laständerungen, wie zum Beispiel das Einschalten größerer Maschinen, auf. Bei Letzteren fällt durch den anfallenden hohen Einschaltstrom die Spannung im System am Innenwiderstand schlagartig ab. 

Normativ sind Grenzwerte festgelegt, um die Störung und den Ausfall verschiedener Geräte zu verhindern. Das betrifft unter anderem Frequenzumrichter, Schaltnetzteile, Schütze und in Extremfällen sogar robuste Verbraucher, wie Asynchronmotoren.

Überspannung:
Spannungsabweichung >10 % (Toleranzbereich) der Nominalspannung

Unterspannung:
Langfristiger Spannungsfall > 10 % und t > 1 min.

b) Über-/ und Unterspannungen (langfristige Spannungsabweichungen vom Nominalwert)

"Überspannung" liegt vor, sobald die Spannung die Nennspannungstoleranz (+10%) überschreitet. Man unterscheidet von langzeitiger Überspannung (eine Sekunde oder länger) und Transienten, die weiter unten behandelt werden.

Überspannung ist Sache des Energieversorgers, da dieser die Leistungszufuhr regelt.

Überspannungen können zum Beispiel durch folgende Vorgänge auftreten: 

-technischer Defekt einer Anlage in der Umgebung, die höhere Spannung verursacht
-große Last schaltet ab (-> Ausgleich der Leistungszufuhr)
-Abschaltung eines Netzsegments durch Schutzvorrichtung (Sicherung trennt einen Teil vom Netz -> Ausgleich der Leistungszufuhr)

Folgen von längeren Überspannungen können thermische Überbelastung (zum Beispiel am Transformator) oder Schädigung von elektronischen Bauteilen (Extremfall Brand / Explosion) sein.


"Unterspannung"
liegt dann vor, wenn der Spannungseinbruch länger als 60 Sekunden eintritt. Bei Spannung unterhalb der Nennspannungstoleranz (-10%) wird zwischen den oben genannten Spannungseinbrüchen und Unterspannung differenziert.

Über- und Unterspannungen auf einen Blick

Übersicht Über- und Unterspannungen nach EN 50160
Unsymmetrie 3-phasig
Beispiel-Graphen eines regelmäßigen Leistungseinbruchs der zu Flicker (z.B. Flackern einer Glühlampe) führt

c) Unsymmetrien

Im dreiphasigen Drehstromnetz sind die Spannungen symmetrisch, wenn sie um 120° verschoben und die Amplituden gleich sind. Dieser ideale Verlauf wird in der Regel durch die Generatoren in der Energieerzeugung gewährleistet. Allerdings kann dieser Verlauf vor allem in kleineren Netzen durch verschiedene oder verschieden angeschlossene Lasten im Netz verzerrt werden. Sind die Phasen ungleich verschoben oder unterscheiden sich die Amplitudenwerte, spricht man von Unsymmetrie. Dieses Phänomen führt zu ungleicher Belastung des Netzes, höheren Verlusten, Störungen und anderen Problemen, wie zum Beispiel uncharakteristische harmonische Oberschwingungen.

 

d) Flicker

Die Spannungsversorgung in einem Industriebetrieb kann zeitlichen Schwankungen unterliegen, die durch Laständerungen großer Verbraucher hervorgerufen werden.

Der Flicker (dt. Flimmern) bezeichnet die Änderungen der Lichtstärke von ungeregelten Beleuchtungsmitteln, die durch diese Schwankungen hervorgerufen werden. Als Wert stellt er ein wichtiges Kriterium zur Einschätzung der Spannungsqualität im betreffenden Energienetz dar. Da sich das Flimmern über die Ausbreitung der Spannung auswirkt, tritt es großflächig auf und ist nicht auf einen Raum begrenzt. Die Stärke der auftretenden Flickerpegel wird maßgeblich durch die Netzimpedanz bestimmt. Ab einer gewissen Intensität können diese Lichtänderungen vom Menschen wahrgenommen werden und zum Beispiel in Büros die Gesundheit und Psyche belasten. Neben den Lichtänderungen können unter anderem auch unkontrollierte Neustarts von PC's, Regelungsfehler, Momentenschwankungen in Motoren oder Netzwerkstörungen auftreten.

 

 


Harmonic voltage distortions

With an increasing number of non-linear loads such as Switched Mode Power Supplies (SMPS), recti- ers, Variable Frequency Drives (VFD), which bear a non-linear characteristic, resulting into non-sinu- soidal current consumption. This results into the generation of harmonics voltages whose frequency are the integer multiples of the network frequency, which in turn determines the order of that respec- tive harmonic. Any device or equipment, whether mechanical or electrical, can only be loaded com- pletely under de ned conditions. Furthermore, industrial networks are subject to relevant standards which must be complied with. In case of networks not conforming these standards, the warranty claims are voided, since the equipment manufacturers are not obliged if there is no standard power supply. But from the customer’s point of view, it is a functional defect of that device or equipment.


Supraharmonic and resonance voltage distortions

In addition to the harmonic voltage distortions, whose frequencies are the integer multiples of fundamental frequency, there are some more reasons for the distortion of the voltage waveforms. Self-commutated power converters of all types supply high-frequency voltage distortions based on the switching frequency of power electronics to the connected power supply. Thyristor cont- rollers can produce commutation nodges of different depths up to double zero crossings. Network resonances caused by the interaction of capacitive and inductive components produce in some cases serious and destructive overvoltages. In virtually all cases where a resonance point exists, the resonance is either permanently excited by nonlinear loads or activated by switching processes.

Transienten

a) Transienten

Transienten sind kurzzeitige Spannungs- oder Stromsprünge, die durch plötzlich freigesetzte Energie, die zuvor gespeichert oder in anderen Mitteln induziert war, auftreten. In Umrichtern entstehen zum Beispiel beim Schalten der Thyristoren Entladungen, die sich je nach Intensität in den Kurvenverläufen als Transienten niederschlagen. Eine weitere Ursache sind induktive Maschinen, Blitzschläge und elektrostatische Entladungen.

 

Taktfrequenzen

b) Taktfrequenzen

Elektrische Schaltungen, zum Beispiel Wechselrichter in Solarparks, schalten in unterschiedlich vielen Stufen die Gleich- in eine Wechselkomponente. Die einzelnen Schritte (Takte) werden demnach nach ihrer Anzahl in einer bestimmten Geschwindigkeit geschalten: der "Taktfrequenz". Dabei entstehen auch in den Spannungs- und Stromkurven Verzerrungen und damit unter anderem auch Oberschwingungen.

 

Kommutierungseinbrüche

c) Kommutierungen

Eine Kommutierung beschreibt den Übergang von Strom von einem Leiter auf einen anderen. Für die Spannungsverzerrung spielen hierfür Wechsel-, Gleich-, Umrichter und allgemein Thyristoren eine große Rolle. In der Theorie schalten diese unendlich schnell und es kommt zu keiner Überschneidung der Ventile. In der Praxis führen allerdings kurzzeitig beide Leiter einen Strom (vgl. Kurzschluss) und erzeugen damit einen Kommutierungsstrom, der sich auf die Spannung als Verzerrung überträgt.

 

 


Resonanzen

Resonante Spannungsverzerrungen dämpfen

Resonanzen

Im Energienetz sind verschiedenste Arten an induktiven und kapazitiven Lasten miteinander verschalten. Zum Beispiel in einem Industriebetrieb induktive Transformatoren und kapazitive Gleichrichter mit nicht abgestimmten Kondensatoren. Dabei können Schwingkreise gebildet werden, die bei einer Resonanzfrequenz verstärkt schwingen und um ein Vielfaches ausschlagen können.

Die Resonanz beruht auf einer Polstelle, die durch die Wechselwirkungen der Betriebsmittel entsteht. An der Polstelle erhöht sich die Impedanz in einem bestimmten Frequenzbereich (Resonanzfrequenz). In diesem Fall entfällt nahezu der Blindwiderstand und es können zum Beispiel schon geringe Ströme (z.B. durch eine Schalthandlung) zu hohen Spannungsverzerrungen führen. Diese schwingenden Spannungsverzerrungen gefährden den Betrieb der Komponenten und Steuerungen im Werk und können diese auch zerstören.


Reactive power

Electrical loads, such as motors, transformers, welding machines, operate according to the induction princi- ple and require inductive reactive power for the formation of the magnetic elds. This power is not conver- ted into mechanical movement or heat, like the real power, but alternately oscillates between generator and load. The customer who requires this kind of power is charged based per kvar by the utility company. Howe- ver, there are some relaxations. The most common speci cation for industrial customers is to maintain their power factor abuve cos φ ≈ 0.9. The reference to the inductive reactive power is calculated with a working rate of, for example, 1 Cent/kvarh (Price sheet 10 of Westnetz). Thus, in addition to the active energy (real energy), the overconsumption of reactive energy (usage in kvarh) is calculated. These additional costs can be avoided by means of a reactive current compensation system by providing the inductive reactive current over-covering with choked capacitors and automatically regulated in power stages. Condensator Dominit is the compensation specialist and has the necessary tool for every type of reactive power. The harmonic lters SOFIA® and MIA® are used to compensate for distortion-free power.

 


Frequency distortion (=frequency disturbance)

In European Network of Transmission System Operators for Electricity (UCTE), as well as in many other strong power distribution networks worldwide, the network frequency is subject to a very narrow tole- rance range which is by default never violated. This tolerance range in Germany is in the range of 47.5 Hz to 51.5 Hz, thus guaranteeing a reliable guide for every consumer and every producer. Therefore, only the energy supplier is responsible for ensuring the grid frequency in the public distribution grid. The situation is di erent in the case of self-sustaining „island networks“, as described, for example, in emergency power operation in hospitals or on ships. If the current-generating generator is too weak for the loads or if the generator feeds unwanted harmonic oscillations into the island network, the network is destabilized in this phenomenon as well. If there is a problem, then contact our team of experts in matters of grid quality. The Condensator Dominit team will be very glad to help you.


Was genau ist jetzt der richtige Begriff? 'Oberwelle' oder 'Oberschwingung'?

 

Folgend ein kurzer wissenschaftlicher Exkurs, verfasst von Geschäftsführer und Quantenphysiker Dr. rer. nat. Christian Dresel, zur häufig gestellten Frage "Spricht man bei harmonischen Spannungsverzerrungen von 'Oberwellen' oder 'Oberschwingungen'?"

Um der Thematik wissenschaftlich auf den Grund zu gehen, vorweg die unterschiedlichen physikalischen und elektrotechnischen Definitionen der geforderten Begriffe 'Welle' und 'Schwingung'. 

Definition Welle:

Eine sich räumlich ausbreitende Erregung, die Energie transportiert. Damit können Wellen als Ausbreitung der Störungen von physikalischen Größen, wie z.B. die Auslenkung von Teilchen eines Mediums oder die Feldgrößen eines physikalischen Feldes, aufgefasst werden. Die Störung kann dabei eine einmalige Erregung oder auch ein periodischer Vorgang sein. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen ist stets endlich.

(Quelle: Spektrum der Wissenschaft)

 

Definition Schwingung (Physik):

Eine Schwingung ist eine zeitlich periodische Änderung einer physikalischen Größe bzw. eines physikalischen Zustandes.

(Quelle: Lexikon der Physik)

 

Definition Schwingung (nach Fouriertheorie):

Periodische Vorgänge die nicht sinusförmig verlaufen, deren Funktion aber unendlich oft stetig differenzierbar ist, lassen sich aus einer Grundschwingung und Schwingungen mit ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz darstellen.

(Quelle: Bronstein Semendjajew, Taschenbuch der Mathematik)

 

Fazit:

Im Sinne der oben aufgeführten Definitionen sind 'Oberschwingungen' die Änderungen einer physikalischen Größe, deren Frequenz ein Vielfaches einer gegebenen Grundschwingungsfrequenz ist, welche aber immer am gleichen Ort stattfindet.

Im Sinne der oben aufgeführten Definitionen sind 'Oberwellen' die Änderungen einer physikalischen Größe, deren Frequenz ein Vielfaches einer gegebenen Grundschwingungsfrequenz ist, die sich aber - im Gegensatz zu 'Oberschwingungen' - gemeinsam mit der Grundwelle im Raum ausbreitet.

Die Begriffe 'Oberwelle' und 'Oberschwingung' werden im Bereich der Spannungsqualität (PowerQuality) oft als Synonym verwendet.

Selbst ausgewiesene Experten der Spannungsqualität rümpfen über den Begriff 'Oberwelle' äufig snobistisch die Nase.

Fakt ist, dass für Spannungsqualitätsphänomene, die sich in einem bereits eingeschwungenen Zustand befinden, die 'Oberschwingung' wissenschaftlich gesehen der korrekte Begriff ist.

Wenn aber eine Störgröße ihre Störung noch im Raum ausbreitet ist es, nach der obigen Definition, eine 'Oberwelle'.

In der praktischen Anwendung ist die Verwendung beider Begriffe von mathematisch ausreichender Präzision, um Phänomene richtig zu beschreiben.

Wissenschaftlich grob falsch ist es hingegen, nicht harmonische Spannungsverzerrungen wie Taktfrequenzen, Kommutierungseinbrüche und ähnliches, als 'Oberschwingungen' oder 'Oberwellen' zu bezeichnen.

Diese Art von Verzerrungen ist weder unendlich oft differenzierbar, noch handelt es sich zwingend um Störungen, deren Frequenz ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung sind.

gez. Dr. rer. nat. Christian Dresel


Warum eigentlich DAS Filter und nicht DER Filter?

Während im alltäglichen Sprachgebrauch die maskuline Form vorherrscht (z. B. der Kaffeefilter), wird im technischen oder fachlichen Zusammenhang die Neutrumform bevorzugt: das Farbfilter, das Luftfilter.

Im Allgemeinen definieren wir das Filter wie folgt:
Das Filter ist eine aus elektrischen Schwingkreisen bestehende Vorrichtung, die nur Wechselstrom bestimmter Frequenzen hindurchlässt.

 

 

 

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Allgemeine wichtige Fachinformationen zu Kompensations- und Filterkreisanlagen:

Inrush current limiting reactors

Inrush current limiting chokes limit the current that is o- wing the moment the capacitor is energized on.
This has several advantages: 

 

  • Reduces the grid side voltage drop during turn-on
  • Facilitates the design of the up-line power breaker
  • Easier compliance with selectivity criteria
  • Unproblematic parallel connection of several capacitor banks
  • Reduces the inrush current (Î) according to norm < 100 x IN (IEC 60871) 

Optimum ventilation

Organic polymers are used as dielectric in capacitors. The service life of these polymers depends strongly on the heat
load to which they are exposed and the available cooling. Generally, an open design of the capacitor bank ensures
optimum cooling without forced ventilation. However, high power capacitor banks, in particular, generate large
amounts of heat, which suggests IP00 as design solution. All Condensator Dominit capacitors are designed for an expected service life of 15 years, on average. 


Unverdrosselt entgegen Verdrosselt

Unverdrosselte Kondensatoren, bzw. unverdrosselte Kompensationsanlagen, verschlechtern die Spannungsqualität in Ihrem elektrischen Netz. Störung oder gar Zerstörung von im Netz befindlichen Betriebsmitteln, kostspielige Maschinenausfälle und ungeplante Stillstände sind die Folge.
Unverdrosselte Kompensationsanlagen stellen ein kostspieliges Risiko dar!

Verdrosselte Kondensatoren, bzw. verdrosselte Kompensationsanlagen, verschlechtern die Spannungsqualität in Ihrem elektrischen Netz oberhalb deren Abstimmfrequenz NICHT. Sie führen dort sogar zu einer Verbesserung der Spannungsqualität.

Die nötige Abstimmfrequenz ergibt sich aus dem Verdrosselungsgrad, der üblicherweise in Prozent angegeben wird.

Typische Verdrosselungsgrade:

• 189 Hz = 7 %

• 141 Hz = 12,5 %

• 134 Hz = 14 %

Eine deutliche Verbesserung der Spannungsqualität in Ihrem elektrischen Netz erreichen Sie, wenn Sie eine Filterkreisanlage zur Filterung der destabilisierenden 5. Harmonischen installieren. Siehe auch: SOFIA


Discharge time of capacitors

Capacitors are excellent energy storage devices. When a compensation system is turned off, it must be assumed that the capacitors are still be dischar- ged. This can be a safety risk to persons and when the compensation system is turned on again while the capacitors are still charged, this affects the life of the capacitors and therefore is not recommended. 

  • Unless explicitly agreed otherwise in the purchase order, all medi- um voltage capacitors delivered by Condensator Dominit are equipped with an internal discharge device which ensures norm compliant discharge of the capacitor.
  • The standard for medium voltage capacitor systems requires a discharge to 75 V residual voltage within 10 minutes.
  • All system controllers from Condensator Dominit ensure that the banks are not switched until the end of a appropriate discharge time.
  • Conventional AC voltage testers cannot measure the discharge of a capacitor reliably – Caution: Direct voltage (use a DC voltage tester). 

Internal faults, Arcing

The energy content of an internal faults arc, particularly in a medium voltage system, can be substantial.
Generally, the damage an internal fault cau- ses is the greater the higher the voltage, the higher the short circuit power of the grid and the longer the arc stands. If in a compensation plant the accidental arc occurs down-line the anti-resonance reactor, the arc current is distinctly smaller. The advantage of this is that generally the risk of accidental arcing in a compensati- on system is smaller than in switchgear, but that must be considered when the settings of up-line circuit breakers, if installed, are made. 

The energy content of an accidental arc that occurs for 1 second at a voltage of the order of 20 kV is equal to the explosive power of about 1 kg T N T for every 10 kA shirt-circuit current!

 


IP protection classes

The protection of persons against accidentally touching a medium voltage system installed outdoors and for protecting the
system from weather and trespassers are very important aspects. In the nomenclature of the IP protection class, the rst digit
describes the dust protection, the second digit describes the protection against the entry of water and in some cases an additional letter provides information about personal protection. Frequently used protection classes have the following meanings: 

  • IP00 – no shock hazard protection, no protection from weather impact, com- pletely open. Systems of this type must be protected by a fence or installed inside a hall.
  • IP21 – protection against solid foreign objects of > 12 mm diameter and water drops from above; systems of this type are suitable, in the rst line, for instal- lation in closed indoor equipment rooms.
  • IP42 - protection solid foreign object of > 1 mm diameter and water hitting the equipment obliquely; potential installation sites include factory halls with sprinkler systems or outdoor sites.
  • IP34D - protection solid foreign object of > 2.5 mm diameter and splash water from any direction; “D” means increased personal protection. A wire or tool entering the system 100 mm will not reach any part live with electricity. 

Restistance to moisture condensation

Electrical equipment in closed buildings or stations is protected from direct exposure to weather.
However, optimum ventilation is essential to the service life of compensation systems installed in indoor environments, which means that the equipment is exposed to indirect weather conditions. To resolve this contradiction, the concrete stations of Condensator Dominit consist of two parts. 

The control electronic component, programmable logic assemblies and other susceptible components are installed in a separate air-conditioned cabinet or an air-conditioned compartment of the station.
These components produce very little heat and air-conditioning is not a problem technically. 

 

The actual power components come with double impregnation and other similar treatment to make them insensitive to weather. 


Air and iron

Iron core reactor are compact, rarely have a strong field, are ideal for indoor environments and provide high inductivities on a small footprint area. Air reactors need iron-free space around them to avoid magnetic interference, are ideal for outdoor sites and are suitable, in particular, for high power levels.

Typically, air core reactors should be used for applications of 20 kV or more and powers per step of 2.5 Mvar and more. Iron core reactors are generally preferred for voltages below 20 kV or less than 2.5 Mvar po- wer per step.