Elkvalitetsproblem - Spänningstoppar och spänningsfall

Som en fortsättning på tidigare artikel om problem med övertoner i elektriska installationer så fortsätter vi med att beskriva symptom och effekter orsakade av spänningstoppar och spänningsfall i elnätet samt olika åtgärder som man kan vidta för att minimera dessa problem.

När en elabonnent köper elektrisk energi så köper de en produkt. Och precis som alla andra produkter måste den uppfylla den föreskrivna kvalitetsstandarden för att säkerställa att den fungerar korrekt. Eller som i detta fall när det gäller elektrisk energi att den installerade elektriska utrustningen i installationen fungerar korrekt och säkert.

Om elektrisk utrustning ska fungera korrekt så krävs det att den elektriska energin levereras med en spänning (och frekvens) som ligger inom vissa specificerade intervall. Med anledning av detta så har det utarbetats en europeisk standard som heter SS-EN 50160. I Sverige heter denna standard EIFS 2013:1. Den definierar samt specificerar huvudegenskaperna hos spänningen i en elnätsanvändares anslutningspunkt i allmänna distributionsnät för låg-, mellan- och högspänning under normala driftförhållanden.

Standarden beskriver bl.a. de gränser eller värden mellan vilka spänningens egenskaper kan förväntas bibehållas vid anslutningspunkter i de publika elnäten, vilket dock inte innebär en beskrivning av en medelsituation som vanligen kan förväntas hos en enstaka elnätsanvändare.
Som med de allra flesta frågor om elkvalitet så blir slutsatsen dock inte om matningsspänningen uppfyller eller inte uppfyller en standard utan hur bra kompatibiliteten är mellan elförsörjningen och de belastningar som är anslutna till den.
Med andra ord att en installation fungerar säkert, felfritt och utan avbrott till kunden.

Vad är då spänningstoppar och spänningsfall?

Ett spänningsfall eller spänningsdipp som det ibland kallas är en plötslig minskning av matningsspänningen mellan 10 % och 90 % och som återhämtar sig efter en kort tid. Vedertaget så varar spänningsfallet mellan 10 ms och 1 minut. Djupet för ett spänningsfall definieras som skillnaden mellan den lägsta RMS -spänningen under fallet och den deklarerade spänningen. Spänningsfall som inte minskar matningsspänningen med mindre än 10 %, anses inte vara något spänningsfall.

Spänningsfall kan orsakas av yttre eller inre faktorer och kan existera som slumpmässiga enstaka händelser eller som en serie av upprepade händelser ibland med ett tidsmönster. Genom att övervaka och mäta matningsspänningen över tid så kan man snabbt identifiera vilka specifika händelser som inträffar i en installation och därigenom lokalisera orsakerna till spänningsfallen.

Yttre faktorer är ofta mer benägna att producera enstaka händelser som t.ex. kortsiktiga minskningar av matningsspänningen orsakade av olika lastväxlingar och fel i själva elnätet. Liknande effekter kan uppstå när man växlar mellan elnätet och avbrottsfria nätaggregat eller back-up generatorer för nödsituationer. Vanliga orsaker till spänningsfall i installationer är till- och frånkoppling av stora laster som t.ex. motorer, ljusbågsugnar, svetsutrustning eller möjligen belastningar med krav på pulserande ström. Dessa spänningsfall kan då uppträda både som mer regelbundna händelser eller vid särskilda tillfällen.

Problem och effekter på kringutrustning och för personal som orsakas av spänningsfall varierar mycket och är beroende av en mängd olika faktorer samt vilken utrustning som finns i den elektriska installationen. Det är fullt möjligt att man aldrig ens vet eller märker av att det förekommer spänningsfall i en kontorsmiljö med utrustning som huvudsakligen drivs av switchade nätaggregat och UPS –system och som är utrustade med fluorescerande belysning. Men på samma kontor utrustat med en annan typ av belysning kan man uppleva ett regelbundet och irriterande ljusflimmer. Detta flimmer är effekten av slumpmässiga samt repetitiva variationer i spänningen som resulterar i snabba synliga förändringar av ljuset och i dimningen i belysningsutrustningen.

Dippar i matningsspänningen kan orsaka särskilt stora problem på AC-induktionsmotorer och med varierande allvarlighetsgrad. När matningsspänningen till induktionsmotorn minskar sjunker varvtalet och beroende på storleken och varaktigheten av spänningsfallet kan motorhastigheten återgå till sitt normala värde först när spänningsamplituden återhämtar sig. Om storleken på spänningsfallet och/eller varaktigheten överskrider vissa gränser kan motorn stanna och ett underspänningsskydd eller kontaktormotorskydd lösa ut eller så kan en frekvensomriktare stängas av för att förhindra potentiella motorskador.

Spänningstoppar är helt enkelt motsatsen till spänningsfall och definieras som en plötslig ökning av matningsspänningen med 10 % eller mer följt av en spänningsåterhämtning efter en kort tidsperiod. Återigen i allmänhet mellan 10 ms och 1 minut. Spänningstoppar uppstår nästan uteslutande när en stor belastning stängs av någonstans på elnätet eller i själva installationen.

Även om effekterna av spänningsfall kan vara mer märkbara, är ofta effekterna av spänningstoppar mer destruktiva. Regelbundna och ihållande spänningstoppar kan snabbt leda till kostsamma isolationsfel och överhettningar i induktionsmotorer till följd av ökat strömflöde.

Spänningstoppar över tid kan också orsaka haverier i strömförsörjningsutrustning på grund av ackumulativa överbelastningseffekter. De kan också orsaka skador på elektroniska komponenter och annan känslig utrustning.

Som med alla elkvalitetsproblem så finns det lösningar på problemen och sätt att mildra effekterna av spänningsfall och spänningstoppar när orsakerna har identifierats och lokaliserats.

Detta kan göras genom att utföra en undersökande mätning där man flyttar runt i hela den elektriska installationen och mäter matningsspänning och strömförbrukning över tid och spårar källorna som orsakar spänningsfall och spänningstoppar.

Att idag göra en platsundersökande mätning är relativt enkelt med de nya effekt- och energiloggrar och elkvalitetsanalysatorer som finns tillgängliga. Dessa instrument kopplas in till olika punkter på det elektriska nätverket i installationen utan att strömmen bryts och sen lämnas de där för att samla in mätdata.

Om mätningarna visar att problemen kommer från den externa elförsörjningen och standardens gränser överskrids då är det dags att ringa till elleverantören.

Men i många fall finns själva elkvalitetsproblemet i den egna installationen. Om så är fallet så är det dags att fundera på olika åtgärder för att mildra problemet efter det att man identifierat vilken del i installationen eller vilken utrustning som orsakar spänningsfallen.

En åtgärd kan vara att strömförsörja utrustningen i fråga från en annan matning så att det inte finns några andra objekt på samma matning som påverkar utrustningen. Har man känsliga laster så kan man se till att de matas separat eller ansluts till reglerade/UPS -matningar för att ta bort alla eventuella problem.