Van omvormer tot ontkoppelbord: kies de juiste netbeveiliging

Zonnepanelen, windturbines en batterijsystemen zijn energiebronnen die spanning kunnen blijven leveren wanneer het distributienet uitvalt. Een correcte netontkoppeling is daarom cruciaal. Maar voor een elektricien gaat het om meer dan een geschikt relais. In dit artikel gaan we dieper in op het belang van netontkoppeling, de soorten en aandachtspunten tijdens de installatie.

Veiligheid voorop

PV-panelen, windturbines, WKK, waterkracht, parallel schakelende noodgroepen en batterijsystemen. Het zijn stuk voor stuk productie-installaties die parallel werken met het distributienet. Wanneer de spanning of de frequentie buiten de toegelaten grenzen valt of het net wegvalt, zorgt de netontkoppeling ervoor dat de productie-installatie snel en automatisch van het net gescheiden wordt.

Het grootste risico is ongewilde eilandwerking, waarbij de decentrale productie-eenheid lokaal energie blijft leveren nadat de verbinding met het openbare net is weggevallen en is losgekoppeld. Een net dat de netbeheerder spanningsloos heeft gemaakt, mag niet via het verbruiksnet van de klant terug onder spanning komen. Dat vormt een ernstig gevaar voor wie aan het net werkt.

Verder zorgt netontkoppeling voor de bescherming van het net. Door ontkoppeling is er geen sprake van overspanning of asynchrone herinschakeling wanneer het net terugkomt. Bovendien beschermt ze de eigen installaties tegen abnormale condities.

Normen en regelgeving

In België zijn er verschillende regels van toepassing op netontkoppeling. Op Europees niveau is er de network code RfG (Verordening (EU) 2016/631) die elektriciteitsproducenten verdeelt in type A (0,8 kW < 1 MW), B, C en D. Een herziening van die netcode is in voorbereiding. Verder zijn er nog productnormen: EN 50549-1 voor laagspanningsinstallaties, EN 50549-2 voor middenspanningsinstallaties en EN 50549-10 voor het testen van de installaties. De standaard IEC 62116 evalueert eilanddetectie bij omvormers.

Op Belgisch niveau staan de belangrijkste technische voorschriften neergeschreven op de website van Synergrid:

• C10/11 voor decentrale productie die parallel werkt met het distributienet

• C10/21 voor netontkoppelrelais

• C10/24 voor synchrocheck

• C10/25 voor exportbegrenzing

• C10/26 voor typehomologatie van productie-eenheden, zoals omvormers

Deze voorschriften worden aangevuld met de specifieke voorschriften van de netbeheerder (Fluvius, Sibelga, ORES, RESA). Ook het AREI (Boek 1) is van toepassing op de installatie, terwijl men voor het bord naar EN IEC 61439-1/-2 kijkt.

Soorten netontkoppeling

Afhankelijk van het totale vermogen van de productie-installatie zijn er verschillende soorten netontkoppelingen.

Interne netontkoppeling in de omvormer

Voor kleinere productie-installaties tot en met 30 kVA kan een gehomologeerde netbeveiliging in de omvormer volstaan, mits het omvormertype op de Synergrid-lijst C10/26 staat. Zulke kleinere installaties zijn vooral terug te vinden in residentiële projecten of kleine KMO's met één of enkele omvormers achter één aansluitpunt.

Na overschrijding van de drempel moet het systeem binnen maximaal 0,2 seconde uitschakelen

De omvormer bewaakt spanningen per fase, de frequentie, ROCOF en actieve eilanddetectie. Daarnaast controleert hij interne grootheden zoals DC-injectie, isolatieweerstand en lekstroom.

Voor het automatische scheidingssysteem gelden onder meer deze C10/11-drempels: 1,10 Un als 10-minutengemiddelde, 1,15 Un voor overspanning, 0,80 Un voor onderspanning en frequentiegrenzen van 47,5 en 51,5 Hz. Na overschrijding van de betreffende drempel moet het systeem binnen maximaal 0,2 seconde uitschakelen. Herkoppeling op laagspanning vereist minstens 60 seconden stabiele netwaarden binnen 0,85–1,10 Un en 49,9–50,1 Hz, gevolgd door geleidelijke vermogensopbouw. Voor eilandwerking geldt bij de voorgeschreven beproeving maximaal 2 seconden om de voeding te beëindigen.

Externe netontkoppeling via relais

Van zodra het totale vermogen van de productie-installatie, inclusief opslag, 30 kVA overschrijdt, is een interne netontkoppeling niet langer voldoende. Dit geldt ook voor draaiende machines, zoals een WKK, noodgroep of synchrone generator, bij een mix van merken of technologieën achter één aansluitpunt. Er kan dan gekeken worden naar een extern, gehomologeerd netontkoppelrelais, terug te vinden op de Synergrid-lijst C10/21. Hiervoor kijkt men wel naar het totale relevante vermogen, inclusief opslag. Een PV-installatie met bijvoorbeeld 20 kVA en een batterij van 20 kVA komt samen op 40 kVA, waardoor een extern relais nodig is.

Zo'n elektronisch netontkoppelrelais beschikt over meetspanningsingangen, een eigen voeding, beveiligingslogica, uitgangscontacten en eventueel stroomingangen. Het relais vergelijkt continu de metingen met de ingestelde drempels en stuurt na de ingestelde vertraging de ontkoppelschakelaar uit. Dit gebeurt via een minimumspanningsspoel, bij voorkeur fail-safe. Een tweede uitgang stuurt de weigerschakelaar als de hoofdschakelaar niet opent.

Typische metingen zijn fase- en lijnspanningen, frequentie, ROCOF en homopolaire spanning. De instelwaardes en drempels zijn dezelfde als die van een interne netontkoppeling.

Een geschikt relais staat op de Synergrid-lijst C10/21, beschikt over betrouwbare zelfbewaking (watchdog) en is 'single fault tolerant'. Ook beveiliging is belangrijk, bijvoorbeeld via een wachtwoord. Het relais geeft duidelijke status- en foutmeldingen en registreert events met tijdstempel. Indien de weigersequentie door het relais wordt uitgevoerd, stuurt het relais een back-up-trip naar de weigerschakelaar. Een ruim voedingsbereik en eenvoudige parametrering maken het af.

Maar de weigersequentie hoeft niet noodzakelijk uitgevoerd te worden door het netontkoppelrelais. Dit wordt vaak ook via de hardware van de stuurkring opgevangen en dus niet via een geprogrammeerde uitgang van het netontkoppelrelais.

Moderne relais kunnen naast netontkoppeling aanvullende beveiligings-, communicatie- en registratiefuncties combineren. Denk onder meer aan export- of nulinjectiebegrenzing, synchrocheck en onevenwichtsbewaking.

Externe netontkoppeling via bord

Wanneer externe netontkoppeling vereist is (> 30 kVA), kunnen de beveiliging, schakelaars, voeding en meting worden samengebracht in een netontkoppelbord. Dat komt typisch voor bij grotere PV-installaties, batterijparken, WKK's en landbouwinstallaties.

Het netontkoppelrelais bewaakt de netparameters en opent bij een afwijking de ontkoppelschakelaar. Opent die niet? Dan schakelt de weigerschakelaar na een korte vertraging uit en krijgt het bord de status 'in weigering' tot een technicus het bord controleert. Een gebufferde voeding (UPS), opgelegd door de Synergrid C10/11-norm, zorgt ervoor dat de sturing ook bij netuitval correct kan uitschakelen en daarna automatisch terug inschakelen. Al zijn er fabrikanten die netontkoppelborden aanbieden die perfect in staat zijn om probleemloos te functioneren zonder toegevoegde UPS.

Naast het relais bevat het bord doorgaans een ontkoppelschakelaar, weigerschakelaar, hulprelais, beveiligde meet- en stuurkringen, een gebufferde voeding, testklemmen en signalisatie. Naargelang de uitvoering komen daar stroom- of spanningstransformatoren, een productiemeter en ventilatie bij. Op laagspanning mag tot een lijnstroom van 375 A een contactor de functie van ontkoppelschakelaar vervullen.

De dimensionering vertrekt van de nominale stroom, het kortsluitniveau, het netstelsel en de spanning. Maar ook omgevingsfactoren zoals de IP-graad en temperatuur spelen een rol. Vooral langdurige vollast en hoge omgevingstemperaturen bepalen de opwarming. Componenten moeten daarom voldoende ruim worden gekozen, rekening houdend met hun toegelaten belasting in het bord. De richtwaarde komt neer op 20%. De verificatie gebeurt volgens EN IEC 61439-1/-2.

Het netontkoppelbord evolueert van een veiligheidsschakeling naar een digitaal knooppunt

Een vooraf opgebouwd, ingesteld en getest bord vereenvoudigt de montage en keuring en maakt de verantwoordelijkheid voor het geheel duidelijk. Losse componenten in een bestaand verdeelbord blijven mogelijk bij kleine vermogens, mits er voldoende plaats en reserve is. De installateur moet kunnen aantonen dat het aangepaste bord voldoet aan EN IEC 61439. Een goed bord herken je aan duidelijke signalisatie, draadnummering, testklemmen en volledige documentatie: schema's, testrapport van het relais en rapporten van de stroomtransformatoren.

Extra functies als een MID-meter, monitoring en alarmen op afstand en koppeling met een EMS zijn mogelijk.

Aandachtspunten bij installatie

Omdat het relais de echte netspanning moet kunnen zien, meet het relais zo dicht mogelijk bij het aansluitpunt. Daarnaast is het belangrijk dat het bereikbaar en verzegelbaar is voor de netbeheerder. De installateur moet ook aandacht besteden aan een correcte fasevolgorde waarin een rechts draaiveld verplicht is, beveiligde meetkringen, een gebufferde voeding en fail-safe bekabeling naar de schakelaars.

Daarna worden de instelwaarden van de netbeheerder ingegeven en vergrendeld, waarna het relais getest wordt volgens het Synergrid-testverslag. Bij bepaalde uitzonderingen verplicht DNB om het netontkoppelrelais in de hoogspanningscabine te integreren. Dit geldt ook wanneer de afstand tussen de stroommeettransformatoren en het relais te groot wordt om voldoende nauwkeurig te meten.

Is er sprake van een ontkoppelingsbord? Dan plaats je dat tussen het aansluitpunt en de productie-eenheden, met de ontkoppelschakelaar zo dicht mogelijk bij de productie. Opteer voor een droge, geventileerde en toegankelijke ruimte waar er voldoende ruimte is voor bediening en onderhoud. Tijdens de installatie moet je letten op kabelsecties en aanhaalmomenten, het netstelsel en de aarding, de kortsluitvastheid ter plaatse, selectiviteit en een correcte labeling.

Wanneer de installatie voltooid is, moet ze volgens het AREI gekeurd worden en moeten de instelwaarden worden gecontroleerd. Daarnaast is een functietest van de normale en de back-upwerking nodig volgens het Synergrid-testverslag, net als een functionele test met een gesimuleerde netonderbreking onder toezicht van de netbeheerder.

C10/11 legt geen vaste termijn op voor periodieke controles. Weet wel dat de netbeheerder altijd controles kan uitvoeren. Daarom is het aangewezen om jaarlijks een functietest met een visuele controle of thermografie uit te voeren. Een secundaire injectietest van het relais kan dan om de paar jaar plaatsvinden.

Opkomende trends

Netontkoppeling evolueert mee met de groei van decentrale productie. De voorgestelde C10/11-update moet voorkomen dat grote aantallen installaties bij een korte netverstoring tegelijk afschakelen. Het voorstel verlengt verschillende vertragingen tot 3 seconden om onnodige afschakeling te vermijden. Het zou ook ROCOF als eilanddetectie verplicht maken en spanningsondersteuning (Q(U)) introduceren. Ook een herziening van de Europese netwerkcode RfG 2.0 komt eraan.

Batterijen, hybride systemen en dynamische energietarieven vragen om meer inzicht, communicatie en controle. Naast afgestemd vermogensbeheer, injectielimieten en veilige omschakeling tussen back-up- en eilandwerking wordt ook cybersecurity belangrijker.

Het netontkoppelbord evolueert daardoor van een veiligheidsschakeling naar een digitaal knooppunt tussen installatie, netbeheerder en energiemarkt. Het centraliseert meetgegevens, statussen en alarmen van productie, batterijopslag en netontkoppeling en wisselt die uit met de telecontrole van de netbeheerder en het energiemanagementsysteem (EMS). Zo kunnen installateur en exploitant energiestromen en storingen ook op afstand volgen, onderhoud gerichter plannen en de installatie afstemmen op injectielimieten en stroomprijzen. Deze innovatieve platformen voldoen dan ook aan de EU Cyber Resilience Act.

Met medewerking van ABB en EME