Harmonische Stroom

Harmonische stroom leidt tot extra warmte-ontwikkeling in kabels, verdeelinstallaties en beveiligingstoestellen. Dit kan resulteren in een verminderde levensduur van de installatie, defecten, uitval en zelfs brand. Ook zorgt harmonische stroom ervoor dat er harmonische spanning ontstaat op het gehele netwerk.


In het Europese elektriciteitsnetwerk heeft de stroom en de spanning een frequentie van 50Hz. Harmonische stroom is een stroom die niet 50Hz is, maar een veelvoud hiervan. Zo is een golf van 150 Hz de derde harmonische (3*50) en 250 Hz de 5e harmonische (5*50) van 50 Hz.

Wat veroorzaakt harmonische stroom?

Harmonische stroom wordt veelal veroorzaakt door elektronica. Elektronica bevat componenten die de stroom schakelen, om deze van AC naar DC om te zetten. Voorbeelden van deze componenten zijn transistoren, IGBT’s, MOSFET’s, diodes en thyristors. Hierdoor is de opgenomen stroom niet meer sinusvormig (non-fundamenteel) en bestaat dus voor een deel uit harmonische stromen.

Harmonische stroom wordt veroorzaakt door het schakelen van componenten in apparaten

De wiskunde van de harmonische stroom

Een harmonische is een frequentie die een veelvoud is van de grondfrequentie. In het elektriciteitsnetwerk is de grondfrequentie 50Hz. De harmonische worden in ordes aangeduid: Een harmonische van de 3e orde is 150Hz (3*grondfrequentie), de 5e orde is 250Hz enzovoort. De Franse wiskundige Fourier (1768-1830) heeft ontdekt dat elk soort golf bestaat uit oneindig veel golven met een hogere frequentie zoals hieronder te zien is. In wiskundige notatie:
Groene golf = Grondgolf +3e harmonische + 5e harmonische enz…

harmonische stroom als functie geanalyseerd met Fourier

Een veel gebruikte term is ‘Totale harmonische vervorming in de stroom’, in het Engels ‘Total harmonic distortion’, THDi. Dit is een rekenmethode die de verhouding tussen fundamentele (50Hz) stroom en harmonische stroom weergeeft.

Waarom kan een kabel warmer worden van harmonische stroom?

Door de toevoeging van harmonischen zal de stroom toenemen. Dit zorgt voor een hogere belasting van de kabels en dus meer warmte.

Ook is er het zogenaamde ‘skin effect’. Dit betekent dat stroom met een hogere frequentie zich enkel via de buitenkant van de geleider wil verplaatsen, wat leidt tot meer warmte-ontwikkeling in de kabel.

Vaak wordt er tijdens de ontwerpfase geen rekening gehouden met harmonische stroom. Hierdoor ontstaat het risico op onderdimensionering. Dit is zeer risicovol en kan leiden tot brand als de beveiligingstoestellen ongevoelig zijn voor harmonischen.

Waarom kan de nul doorbranden bij harmonische vervuiling?

In een gebalanceerd drie-fasen systeem loopt er geen (of weinig) stroom door de nul. Harmonischen van onder andere de 3e, 9e en 15e orde zijn ‘homopolair’ en gedragen zich daardoor als enkelfasige belasting: Het pad van de stroom loopt door de nulgeleider. Daarnaast wordt homopolaire stroom per fase uitgedrukt. In de nulgeleider van een drie-fasen installatie stroomt dus 3x zoveel. Bij grote hoeveelheden 3e 9e of 15e harmonische kan het dus zijn dat de nul geleider te klein gedimensioneerd is en door kan branden.

homopolaire harmonische

Zero Sequence
(Homopolair/ Stilstaand in de nul)

3e harmonische
9e harmonische
15e harmonische
enz. tot de 50e

Veroorzaken verhoogde nulstromen die tot opwarming en ontbranding van kabels en componenten kunnen leiden.

Negative sequence harmonische

Negative Sequence
(Inverse Veld)

5e harmonische
11e harmonische
17e harmonische
enz. tot de 50e

Veroorzaken verliezen in o.a. motoren en transformatoren en warmteontwikkeling in de elektrische infrastructuur.

Positive sequence harmonics

Positive Sequence
(Positieve Veld)

7e harmonische
13e harmonische
19e harmonische
enz. tot de 50e

Veroorzaken verliezen in o.a. motoren en transformatoren en warmteontwikkeling in de elektrische infrastructuur.


Bestaan er ook even harmonische?

Even harmonische (2,4,6 etc.) bestaan ook maar komen in mindere mate voor. Desondanks dragen ze wel bij aan de totale vervorming. Even harmonische worden veelal veroorzaakt door enkelfasige belastingen die enkel de bovenkant- of onderkant van de sinus gebruiken. Wel kan het een indicatie zijn voor de aanwezigheid van een DC-stroom in het netwerk.

Wat zijn de normen omtrent harmonische stromen?

Afhankelijk van de bedrijfssituatie zijn verschillende normen van toepassing.

De netcode (EN50160) zegt bijvoorbeeld praktisch niets over de limieten van de harmonische stromen, maar wel over harmonische spanning. De NEN1010 richt zich enkel op de effecten van de homopolaire harmonischen, en stelt dat de dimensionering van de nulgeleider daarop aangepast moet worden. Er zijn diverse EN61000- normen omtrent harmonische stroom, afhankelijk van de aansluitwaarde van het toestel en de omgeving van het toestel (residentieel/commercieel en industrieel). Deze zeggen echter enkel iets over het individuele toestel en niet over meerdere toestellen in de installatie.

Wat is het verschil tussen harmonische stroom en harmonische spanning?

Harmonische stroom veroorzaakt harmonische spanning in de installatie. Harmonische spanning heeft effect op alle aangesloten apparaten in de installatie terwijl harmonische stroom enkel effect heeft op beveiligingstoestellen, transformatoren en kabels.

Harmonische stroom veroorzaakt harmonische spanning

Wat kunt u doen tegen harmonische stroom?

Kwalitatief hoogwaardige toestellen consumeren normaliter zo weinig mogelijk harmonische stroom. De problemen ontstaan ook meestal niet door één toestel maar door een combinatie van netimpedantie, interactie tussen toestellen en andere externe factoren. Meten is de beste manier om problemen in kaart te brengen en een effectieve oplossing te bieden.

Er zijn diverse oplossingen voor harmonische stroom zoals passief en actief filteren.

Power Quality Meting

Metingen

Actief harmonisch filter

Actief harmonisch filter

Passief harmonisch filter

Passief harmonisch filter

Harmonische Spanning

Harmonische Spanning

Scroll naar top