Noodstroomvoorzieningen

Vaak wordt bij belangrijke installaties de eis gesteld, dat bepaalde functies en werkzaamheden ononderbroken dienen te kunnen doorgaan, onafhankelijk van de aan- of afwezigheid van de primaire voeding, meestal de netspanning. Tevoren moet dan worden overwogen, welke van de functies en apparaten absoluut onontbeerlijk zijn voor de goede werking van het geheel. Verder moet worden nagegaan, welke installaties tijdelijk gemist mogen worden. Dit leidt vervolgens tot het vaststellen van de zogenaamde vitale of preferente groepen. Deze worden bij netuitval dan door een noodstroomvoeding of een ononderbroken voeding veilig gesteld.

Vitale of preferente groepen

Bij de vitale of preferente groepen wordt het volgende onderscheid gemaakt::

• systemen die bij een onderbreking van de netspanning omschakelen op een hulpvoeding met een korte onderbreking minder dan een minuut : meestal short break genoemd
• systemen waarbij in het geheel geen spanningsonderbreking mag optreden : meestal no break of Uninterrupted Power Supply ( UPS ) genoemd

Onder de term short break worden installaties gerangschikt, als:

• wisselspanningsvoedingen voor gelijkrichters die belangrijke accubatterijen voeden, de voornaamste verlichtingsgroepen, sommige verwarmings- en airconditioningsinstallaties in belangrijke ruimten zoals regionale bedrijfsvoeringscentra van elektriciteits, gasbedrijven en ziekenhuizen.

Onder de term no break worden installaties gerangschikt, die absoluut geen spanningsonderbreking noch zelfs maar een spanningsdip ( dus een kortdurende daling van de spanning ) kunnen verdragen, als:

• procescomputers, de essentiële installaties van ziekenhuizen, belangrijke computercentra, vliegvelden en de verkeersleiding van vliegvelden.

Voorzieningen

Om te zorgen, dat de vitale groepen bij een netuitval in werking blijven, zijn er voorzieningen ontwikkeld, die hiervoor zorg dragen.

Omvormers

Om een goed begrip te krijgen welke componenten aanwezig moeten zijn om te komen tot de gewenste voorzieningen, worden hier eerst de diverse omvormers geïntroduceerd die hierbij nodig zijn.
Er bestaan 4 soorten omvormers, namelijk omvormers die:

• een wisselspanningsniveau omzetten naar een ander wisselspanningsniveau ( transformator )
• wisselspanning omzetten naar gelijkspanning ( gelijkrichter )
• gelijkspanning omzetten naar wisselspanning ( DC/AC inverter )
• een gelijkspanningniveau omzetten naar een ander gelijkspanningsniveau ( DC/DC converter )

Noodstroomaggregaten

Omschakelen na een korte onderbreking ( short break ) op een externe spanningsbron, kan men bereiken door direct na de spanningsuitval van het net, automatisch een noodstroomaggregaat ( NSA ) te laten starten.
Vaak wordt hiervoor een synchrone generator gebruikt, aangedreven door een dieselmotor.
Dieselmotoren hebben het voordeel, dat ze snel aanlopen, zodat de generator in korte tijd op spanning is. De gebruikelijke tijd die hiervoor staat is 10 à 15 seconden. Het vermogen van de generator is meestal 100 à 200 kVA.

No breakinstallaties

Echt ononderbroken is eigenlijk alleen maar de spanning van een accubatterij. Men laat daarom de vitale groepen, die een wisselspanningsvoeding nodig hebben, voeden door een inverter, dus een gelijkstroom/wisselstroomomvormer.
Inverters worden gevoed met de gelijkspanning van accubatterijen en vormen die om tot de gewenste wissel- of draaistroom. Bij de roterende omvormers gebeurt dit door aandrijving van een generator. Bij de statische omvormers gebeurt dit met behulp van onder meer thyristoren. Deze hebben de eigenschap bijzonder snel van niet-stroomdoorlatend in stroomdoorlatende toestand te kunnen komen. Het nadeel van de statische omvormers is, dat bij een kortsluiting een onvoldoende kortsluitstroom kan worden opgebouwd, waardoor het betrekkelijk lang duurt voordat beveiligingen aanspreken en er beschadigingen kunnen optreden. Ook het geluid dat door een statische omvormer wordt gegenereerd, kan onaangenaam zijn.

No breakinstallaties, kunnen draaistroom leveren met vermogens van enkele kilovoltampére’s ( kVA's ) tot enkele honderden kVA's.

De roterende omvormers hebben onder meer als groot voordeel, dat door de kinetische energie van de draaiende rotor bij een kortsluiting een grote kortsluitstroom door de generator wordt afgegeven, waardoor een zeer snelle afschakeling van de kortsluitstroom tot stand komt. Hierdoor wordt de schade door de kortsluitstroom beperkt gehouden. Als nadeel geldt natuurlijk het onderhoud van de lagers en de eventuele vervanging van de koolborstels.
Er is nog een andere manier om bij netuitval de vitale of preferente groepen normaal te blijven voeden, namelijk met behulp van een vliegwiel. Hierbij wordt een generator aangedreven door een elektromotor voorzien van een groot vliegwiel. Bij netuitval wordt tot de tijd dat de dieselmotor is aangelopen en de functie overneemt, de generator door de kinetische energie van het vliegwiel aangedreven. Hier wordt dus de functie van de accubatterij overgenomen door de energie van het vliegwiel.
De no breakinstallaties die zijn aangesloten op accubatterijen, kunnen draaistroom leveren met vermogens van enkele kilovoltampére’s ( kVA's ) tot enkele honderden kVA's. Voor de wat kleinere vermogens worden meestal statische omvormers toegepast. Een en ander houdt dus in, dat de bijbehorende accubatterijen een overeenkomstige capaciteit moeten bezitten. Voor dit doel wordt meestal gebruik gemaakt van loodaccubatterijen of nikkel-cadmiumcellen, die beide hun specifieke eigenschappen bezitten.
Grote stationaire accubatterijen voor bijvoorbeeld bedrijfsvoeringscentra en grote computerruimten, bezitten soms een capaciteit van 800 Ah^[1] of meer bij een spanning van 400 volt.
Om een idee van de grootte hiervan te krijgen, kan worden gedacht aan een accubatterij van een auto. Deze hebben als regel een capaciteit van 45 Ah bij een afgegeven spanning van 12 volt.

Redundantie

Soms worden de no breakinstallaties dubbel uitgevoerd. Men noemt dit een redundante uitvoering, waarbij dan beide inverters op de verbruikersrails voeden. De reden dat men een redundante uitvoering kiest, kan zijn dat men zonder problemen onderhoud wenst uit te voeren, of dat men absoluut geen onderbreking wil, wat er ook binnen of buiten de installatie gebeurt.

Spanningsconstantheid en capaciteit

Een no breakinstallatie houdt de spanning en de frequentie tot op circa 1% constant. Ontstaat aan de voedingszijde bijvoorbeeld een spanningsdaling tengevolge van een belastingsverandering van bijvoorbeeld 50%, dan geeft dat aan de verbruikerszijde slechts een verandering van < 10% gedurende één periode, daarna is alles weer binnen een nauwkeurigheid van 1%. Het is dus duidelijk, dat een no breakinstallatie gevoelig en precies kan werken, los van invloeden van buitenaf.

Eisen

De grootte en de uitvoering van een installatie die men kiest, hangt af van de gestelde eisen. Dit betreft dan het vermogen, de toelaatbare toleranties in netfrequentie, de spanning en de tijdsduur die overbrugd moet kunnen worden, voordat de primaire voeding weer terugkeert. Dit kan variëren van enkele seconden tot een aantal uren. De bijbehorende accubatterij moet hierop natuurlijk ingericht zijn, maar ook andere factoren als koeling van de apparatuur en de luchtverversing van de bedrijfsruimten zijn hierbij van belang.

Principeschema

In het bijgaand principeschema van een noodstroomvoorziening is onder normale bedrijfsomstandigheden de schakelaar S1 gesloten en is ook de automatische schakelaar S2 gesloten. Schakelaar S3 is hierbij geopend. Door de gelijkrichter wordt de accubatterij onder lading gehouden, en wordt via de DC/AC convertor de no breakrail gevoed. Ook de short breakverbruikers worden via de hoofdrail gevoed. De accubatterij blijft hierbij steeds onder lading staan, zodat de volledige capaciteit aanwezig blijft.
Bij netonderbreking blijven de vitale gebruikers normaal gevoed via de accubatterij en de DC/AC convertor. Onder normale omstandigheden zal binnen 10 à 15 seconden na een netuitval het noodstroomaggregaat aangelopen zijn, zodat de generator na sluiten van de automatische schakelaar S3, de voeding zal overnemen, en ook de gelijkrichter de accubatterij weer zal opladen. Dit alles heeft geen consequenties voor de preferente verbruikers, die normaal gevoed blijven. Om bij terugkeer van het net te voorkomen, dat de short breakverbruikers weer ‘door het donker’ gaan, wordt via een synchroniseerapparaat het net weer aan de verbruikersrail gekoppeld. Dit koppelen vindt pas plaats, als aan een aantal voorwaarden wordt voldaan, namelijk:

• de netfrequentie van 50 Hz moet overeenkomen met de frequentie van de generator
• de netspanning van 400 V moet in fase zijn met de generatorspanning
• de fasen moeten gelijk zijn
• de fasevolgorde moet gelijk zijn

Op het moment dat deze vier karakteristieken van het net en de noodstroomgenerator volledig overeenstemmen, kan het openbare net worden ingeschakeld. In de afbeeldingen wordt weergegeven, dat beide voedingen aan deze voorwaarden voldoen. Op dat moment sluit automatisch schakelaar S2 en opent schakelaar S3. Schakelaar S1 blijft tijdens de gehele operatie gewoon gesloten.

Netuitval en continuïteit van de stroomvoorziening

Bij het ontwerpen van de - toch vrij kostbare - noodstroomvoorzieningen, blijft natuurlijk de vraag aanwezig of de investeringen hiervoor verantwoord zijn. Dat dit voor sommige installaties onontbeerlijk is, wordt wel duidelijk uit de volgende cijfers.
Wegens een betrekkelijk groot aantal storingen in Nederland – namelijk 20.424 stroomonderbrekingen in 2010 - blijkt de tijd dat de Nederlander in dat jaar gemiddeld geen elektriciteit had 34 minuten te bedragen. De afgelopen vijf jaar bedroeg de gemiddelde netuitval 27 minuten per jaar.
In 2010 vonden 6 zeer grote storingen plaats, terwijl normaal 1 à 2 van dergelijke grote storingen optreden. De 6 grootste stroomstoringen namen gezamenlijk 7 van de 34 storingsminuten voor hun rekening. De grootste stroomstoring vond plaats in de Bollenstreek, Zo’n 75 duizend huishoudens hadden op 9 januari vanaf half acht ’s avonds enkele uren geen stroom.
In 2014 bedroeg de gemiddelde netuitval 20 minuten. Dat is dus lager dan het gemiddelde van 27 minuten. Er was dat jaar ook maar één grote onderbreking te melden.
Het percentage van de storingen dat resulteerde in een onderbreking in 2014 was:

• 45% voor het hoogspanningsnet
• 43% voor het middenspanningsnet
• 49% voor het laagspanningsnet

In 2016 bedroeg de gemiddelde netuitval 21 minuten. Dat is dus lager dan het gemiddelde van 27 minuten.
Het percentage van de storingen dat resulteerde in een onderbreking in 2016 was:

• 50% voor het hoogspanningsnet
• 74% voor het middenspanningsnet
• 72% voor het laagspanningsnet

Verdeling van de storingsoorzaken

Externe factoren - zoals weersinvloeden en graafwerk - zijn belangrijke oorzaken van de storingen. De belangrijkste hiervan blijft nog steeds het graafwerk. In 2010 werd 30% van de storingen hierdoor veroorzaakt. Dit percentage ligt iets lager dan voorgaande jaren.
Alle - tot nu toe bekende - storingsoorzaken worden als volgt gerangschikt:

▪ Graafwerkzaamheden

▪ Weersinvloeden

▪ Veroudering/slijtage

▪ Werking van de bodem

▪ Vocht

▪ Fouten door fabrikanten

▪ Montagefouten

▪ Bedieningsfouten

▪ Netontwerp

▪ Overige

Verdeling van de storingen over diverse netcomponenten

▪ Netkabels

▪ Huisaansluitkabels

▪ Schakelaars

▪ Transformatoren

▪ Overige

Onderhoud

Om er zeker van te zijn, dat op het cruciale moment de installatie zonder problemen functioneert, is periodiek onderhoud noodzakelijk. In alle delen van de noodstroomvoorzieningen kan namelijk een fout optreden, waardoor tijdens een netuitval problemen kunnen ontstaan en de vereiste overname uitblijft of slecht functioneert.
Om dit te voorkomen, wordt periodiek - meestal volgens protocollen - gecontroleerd of de installatie optimaal in orde is.

Om zeker te zijn, dat een installatie zonder problemen functioneert, is periodiek onderhoud noodzakelijk

Zo worden als regel één maal per maand gedurende bijvoorbeeld een half uur de short breakverbruikers van het net afgeschakeld en via het het noodstroomaggregaat gevoed. Dit gaat via het synchroniseerapparaat, zodat de verbruikers daar geen hinder van ondervinden. Ook is in die testperiode het noodstoomaggregaat ontkoppeld van de rest van de installatie, zodat de andere verbruikers daar niets van merken.
Als zich tijdens zo'n testperiode iets bijzonders voordoet, dan wordt dat hersteld, zodat hierna de installatie weer 100% in orde is.
Om de totale noodstroomvoorziening te controleren wordt meestal één of twee keer per jaar de netspanning weggenomen, door de schakelaar S1 gedurende enige tijd te openen, waarna de gehele noodstroomvoorziening in werking moet komen. Doet zich tijdens zo'n testperiode iets bijzonders voor, dan zal ook dat moeten worden verholpen om de installatie weer optimaal in orde te krijgen.
Naast deze handelingen, wordt ook aan andere delen van de installatie onderhoud uitgevoerd. Zo worden de accu's geregeld gecontroleerd op celspanning en gecontroleerd of het elektrolyt van de accucellen nog in orde is. Ook de andere componenten van de installatie worden in de controle meegenomen.

---

^[1] De capaciteit van een accubatterij ( Ah ) geeft aan, hoeveel ampère ( A ) er gedurende een aantal uren ( h ) kan worden afgenomen, zonder dat er behoeft te worden bijgeladen.