!!! calitatea en el

177
CALITATEA ENERGIEI ELECTRICE

Upload: roxana

Post on 03-Feb-2016

258 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

Calitatea en El

TRANSCRIPT

Page 1: !!! Calitatea en El

CALITATEA ENERGIEI ELECTRICE

Page 2: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

1 Perturbaţii în sisteme electroenergetice.

1.1 Aspecte generale

Mărimile de stare ale unui circuit electric, în sens larg, sunt tensiunea electrică şi curentul electric. Acestea definesc energia electrică şi îi caracterizează calitatea. Aceasta este evaluată printr-un set de indicatori specifici, ale căror valori şi limite de variaţie acceptabile sunt stabilite pin norme.

Normele actuale de calitate a energiei electrice sunt stabilite pe baza unor daune medii determinate în sistemele de producere, transport, distribuţie, furnizare şi consum al energiei electrice atunci când apar abateri de la indicatorii de calitate. Eficienţa activităţilor care utilizează energia electrică, din industrie, servicii şi sectorul casnic, depinde, în mare măsură, de calitatea acesteia.

Utilizatorii care doresc o calitate a energiei electrice superioară celei standard trebuie să adopte, cu costurile corespunzătoare, măsurile necesare creşterii nivelului de calitate.

În multe cazuri, în special în cazul tehnologiilor moderne, utilizatorii finali sunt cei care determină importante perturbaţii electromagnetice, care pot să afecteze calitatea energiei electrice furnizată celorlalţi consumatori. În acest caz, utilizatorii finali trebuie să adopte măsurile necesare pentru limitarea perturbaţiilor la un nivel la care nu este afectată calitatea standard a energiei electrice la ceilalţi consumatori.

Rezolvarea problemelor de calitate a energiei electrice este, în general, un proces complex în care apare necesară o colaborare strânsă între operatorii de energie electrică.

Producătorii de energie electrică, transportatorul, distribuitorii şi utilizatorii finali evaluează calitatea energiei electrice pe baza caracteristicilor tensiunilor în nodurile sistemului. Furnizorii de energie electrică monitorizează perturbaţiile determinate de utilizatorii finali pe baza curbelor curentului electric absorbit din reţeaua electrică de alimentare.

În concepţia actuală, diferitele aspecte privind calitatea energiei electrice se grupează în trei categorii:

calitatea tensiunii de alimentare; calitatea serviciului de alimentare; calitatea comercială.

2

Page 3: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Se apreciază că toate cele trei componente au importanţă în asigurarea unei activităţi normale a activităţilor în sectorul energetic.

Aspectele legate de calitatea comercială (satisfacţia utilizatorilor în relaţia cu operatorii de energei electrică) determină, în mare măsură, opţiunea utilizatorului de a realiza contracte cu un anumit operator de pe piaţa de energie electrică. Aceste aspecte contractuale nu sunt analizate în continuare, fiind o componentă a unei activităţi normale pe o piaţă liberalizată de energie electrică.

1.2 Perturbaţii electromagnetice

Perturbaţiile electromagnetice care pot afecta mediul electric sunt indicate în tabelul 1.1 [1]. Aspectele privind calitatea energiei electrice se referă numai la perturbaţiile de joasă frecvenţă conduse (până la cel mult 9 kHz). Fiecare dintre aceste perturbaţii afectează calitatea energiei electrice şi, pentru fiecare, sunt utilizaţi indicatori specifici care definesc nivelul perturbaţiei şi permit compararea cu nivelul admis al perturbaţiei.

Tabelul 1.1Perturbaţii electromagnetice în mediul ambiant

Tipul perturbaţiei Modul de transmisie Perturbaţia

De joasă frecvenţă

Conduse

variaţia frecvenţei tensiunii de alimentare; variaţii ale tensiunii de alimentare; goluri şi întreruperi de tensiune; fluctuaţii de tensiune (flicker); armonice; interarmonice; componenta continuă în curba tensiuniiaplicate; tensiuni de semnalizare; tensiuni induse de joasă frecvenţă.

Radiate câmp electric; câmp magnetic.

De înaltă frecvenţă

Conduse tensiuni sau curenţi induşi; tensiuni tranzitorii unidirecţionale; tensiuni tranzitorii oscilante.

Radiate câmp magnetic; câmp electromagnetic: - unde întreţinute; - unde tranzitorii.

Impuls electro-magnetic nuclear

Explozie nucleară în atmosferă.

Descărcări electrostatice

Încărcarea electrostatică a corpurilor izolate electric.

Perturbaţiile electromagnetice de joasă frecvenţă reduc nivelul calităţii energiei electrice, dar pot afecta integritatea unor echipamente (în special cele din domeniul informaticii şi al electronicii) sau calitatea informaţiilor privind mărimile din reţeaua electrică.

Perturbaţiile electromagnetice d din reţelele electrice au un caracter aleatoriu şi pot fi caracterizate prin curba de densitate de probabilitate p(d) (fig.1.1). În acelaşi timp,

3

Page 4: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

echipamentele conectate în reţeaua electrică prezintă o anumită susceptibilitate la perturbaţii care poate fi definită prin curba de probabilitate P(d).

Riscul apariţiei unor daune determinate de perturbaţiile electromagnetice asupra unui echipament este determinat cu relaţia

(1.1)

şi corespunde ariei suprafeţei haşurate din figura 1.1.

4

Page 5: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Pe baza datelor privind daunele pe care poate să le determine fiecare tip de perturbaţie, se stabileşte o valoarea limită dlim a acesteia, numită nivel de compatibilitate, care corespunde unui nivel acceptat al daunelor (fig. 1.2).

Nivelurile de compatibilitate sunt mărimi normate (pe plan internaţional) şi reprezintă mărimi de referinţă în analiza comportării echipamentelor electrice în prezenţa perturbaţiilor. În realitate, măsurile adoptate pentru limitarea nivelului de perturbaţie iau în considerare o valoare mai redusă nivel de planificare. Valorile de planificare sunt valori recomandate şi pot fi adaptate la condiţiile locale. În cazurile practice, nivelul de planificare se stabileşte astfel încât probabilitatea sa de depăşire să fie redusă (sub 5%). În general, echipamentele din instalaţiile electrice sunt dimensionate pentru a suporta perturbaţii mai mari decât nivelul de compatibilitate, fiind stabilit, de către producător, un nivel test de

imunitate. Existenţa în reţeaua electrică a unui mare număr de surse de perturbaţii face ca în nodurile

reţelei electrice să se înregistreze, în mod obişnuit, o perturbaţie totală, rezultată prin sumarea perturbaţiilor individuale. Pentru fiecare tip de perturbaţie există o lege specifică de sumare, indicată în normativele existente, care poate oferi însă, în cazurile practice, numai o informaţie estimativă, având în vedere complexitatea fenomenului.

Unele dintre perturbaţiile din reţelele electrice apar în regim normal de funcţionare (sarcini perturbatoare), iar altele apar în regimuri de avarii sau post avarii (fig. 1.3).

Principalele echipamente perturbate sunt indicate în tabelul 1.2 [2], iar principalele echipamente perturbatoare sunt indicate în tabelul 1.3 2].În tabelul 1.2 sunt indicate şi unele remedii posibile:

A modificarea structurii reţelei electrice (linii electrice dedicate, transformatoare individuale etc.);

B o a doua alimentare;C instalarea de invertoare, grupuri cu volant, grupuri autonome;D alimentare la tensiune continuă, temporizarea releelor;E instalare de protecţie ultrarapidă.În tabelul 16.3 sunt indicate şi unele soluţii pentru limitarea nivelului perturbaţiilor

determinate de funcţionarea echipamentelorA creşterea curentului de scurtcircuit în nodul de conectare; B modificarea structurii

reţelei electrice de alimentare (alimentare separată, transformator individual etc.);C1 instalarea de filtre de absorbţie;C2 instalarea de filtre de refulare;D compensarea statică a puterii reactive;E instalarea de baterii de condensatoare;F fracţionarea sarcinii;G circuite limitatoare de supratensiuni;H utilizarea de cabluri duble (de ducere şi de întoarcere);I ecranare;J pornire stea-triunghi sau cu soft starter;

5

Page 6: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

K alegerea adecvată a tipului de punte (hexafazat sau dodecafazat pentru convertorul de frecvenţă..

1.3 Indicatori de calitate a energiei electrice

Fiecare dintre tipurile de perturbaţii indicate în tabelul 1.1 determină abateri specifice ale mărimilor electrice faţă de parametrii ideali, care pot fi evaluate cu ajutorul unor indicatori specifici. Din punct de vedere practic, sunt analizaţi, separat, indicatorii care pot fi controlaţi în special de operatorii de energie electrică (abaterile de frecvenţă, întreruperile de lungă durată) de cei care pot fi controlaţi, în primul rând, de către utilizatorii de energie electrică (armonice, nesimetrie, interarmonice, flicker etc.).

În general, abaterile de la parametrii ideali nu pot fi definite printr-un singur indicator, astfel că pentru fiecare tip de perturbaţie este utilizat un set de indicatori, iar în activitatea practică este necesar să fie monitorizaţi toţi indicatorii sau numai cei mai relevanţi pentru sistemul analizat (reţeaua publică sau reţeaua industrială). Este necesar să se precizeze faptul că indicatorii de calitate şi limitele acestora sunt normalizaţi pentru sistemul electroenergetic.

6

Page 7: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice 7

Tabe

lul 1

.2Ec

hipa

men

te e

lect

rice

pertu

rbat

Ech

ipam

entu

l

Varia

ţii d

e te

nsiu

ne (1

)

Sup

ra-

Arm

onic

e N

esim

etrii

Pe

rturb

aţii

R

emed

ii

Obs

erva

ţii

a

b

c

tens

iuni

(2)

(

3)

(4)

rad

iate

(5)

po

sibi

le I

lum

inat

ul e

lect

ric

(1

) Lăm

pile

fluo

resc

ente

sunt

afe

ctat

e de

un

(pe

ntru

ilum

inat

ul

g

ol d

e te

nsiu

ne d

e 50

% ti

mp

de 1

00 m

s. i

ncan

desc

ent c

urba

de

*

*

*

*

*

(2) c

reşt

ere

de te

nsiu

ne c

u10%

redu

ce d

urat

a f

licke

r est

e in

dica

tă în

de

viaţ

ă 5

% .

SR

CEI

610

00-4

-15)

(3

) În

caz

ul lă

mpi

lor c

u de

scăr

care

ele

ctric

ă C

upto

r cu

indu

cţie

(2) S

ensi

bilit

ate

la su

prat

ensi

uni t

ranz

itorii

ele

ctro

mag

netic

ă

*

în re

ţeau

a el

ectri

că d

e al

imen

tare

. C

onta

ctoa

re, r

elee

*

D

Com

pres

oare

*

*

(1

) Sen

sibi

litat

e la

dem

arar

e cu

tens

iune

r

edus

ă (

15%

) şi l

a în

treru

peri

repe

tate

Cup

toar

e el

ectri

ce d

e

*

B

(1

) Sen

sibi

litat

e la

între

rupe

ri pe

ste

o or

ă. t

opire

Î

ncăl

zire

mat

eria

le

*

*

d

iele

ctric

e (I

F şi

UIF

) C

upto

are

cu p

lasm

ă,

(1) S

ensi

blita

te la

între

rupe

ri d

e la

cât

eva

fas

cicu

l de

elec

troni

,

*

*

B

m

inut

e la

cât

eva

ore

las

er.

.

Mot

oare

asi

ncro

ne şi

*

*

*

*

sin

cron

e R

edre

soar

e co

man

date

*

*

*

*

Inv

erto

are

*

*

*

E

Com

enzi

num

eric

e,

(

1) S

ensi

bilit

ate

la v

aria

ţii d

e te

nsiu

ne c

alcu

lato

are,

sist

eme

*

*

*

*

*

*

*

A

, C

inf

orm

atic

e

În

func

ţie d

e (1

) Sen

sibi

litat

e la

var

iaţii

de

tens

iune

şi l

a P

roce

se in

dust

riale

în

*

*

*

caz,

A,B

,C

în

treru

peri

de sc

urtă

dur

ată.

De

regu

lă s

ensi

- g

ener

al

etc.

b

ilita

tea

apar

e la

sist

emul

de

com

andă

.

*

*

*

*

*

A

, C

Page 8: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

8

Tabe

lul 1

.3Ec

hipa

men

te p

ertu

rbat

oare

V

aria

ţii d

e te

nsiu

ne

Sup

ra-

Arm

o-

Int

er-

En

ergi

e

R

adia

ţii

E

chip

amen

tul

Put

erea

(

1)

ten

siun

i n

ice

a

rmon

ice

rea

ctiv

ă

ele

ctro

-

Obs

erva

ţii

a

b

c

(2

)

(

3)

(4)

(5

)

m

agne

tice

(6)

(1

)În

mom

entu

l con

ectă

rii,

când

put

erea

con

ec-

Ech

ipam

ente

de

tată

est

e m

are

în ra

port

cu p

uter

ea d

e sc

urt -

de

încă

lzire

1

3

5 kW

A, F

A

, F

C

1

c

ircui

t a re

ţele

i. c

u re

zist

oare

(2) Î

n ca

zul u

nor c

omen

zi e

lect

roni

ce.

(tran

-

(1)

În m

omen

tul c

onec

tării

, cân

d pu

tere

a co

nec-

Inst

alaţ

ii de

încă

l-

A, F

A

,F

z

itorii

)

C1

H

tată

est

e m

are

în ra

port

cu p

uter

ea d

e sc

urt-

zire

de

JT

G

(2) Î

n ca

zul u

nor c

omen

zi e

lect

roni

ce

(6

) La

utili

zare

a ca

blur

ilor f

ără

ecra

n m

etal

ic.

Tra

nsfo

rmat

oare

(tra

n-

(

2) S

upra

tens

iuni

tran

zito

rii în

mon

etul

con

ec-

JT/

FJT

zito

rii)

tării

şi d

econ

ectă

rii tr

ansf

orm

ator

ului

. (p

entru

încă

lzire

)

G

I

lum

inat

ele

ctric

A,F

C

1

I

(1

) şi (

6) C

onec

tare

a lă

mpi

lor

elec

trice

.

(3) R

egul

atoa

re d

e lu

min

ă.C

upto

are

cu in

ducţ

ie

(1

) Dac

ă re

glar

ea e

ste

bipo

ziţio

nală

. e

lect

rom

agne

tică

A

C

1

I

(3

) Gen

erar

e de

arm

onic

e 2

5 kH

z<f <

35

kHz

(4) E

mis

ia în

reţe

a de

frec

venţ

e m

edii;

(6

) Ris

c de

radi

aţii

de m

edie

frec

venţ

ă. C

upto

are

casn

ice

1

2

kW

E

(6

) În

caz

de d

efec

t pot

apar

ă şi

alte

cu

mic

roun

de

p

ertu

rbaţ

ii C

ompr

esoa

re

2

00 W

A

(1)

Sup

racu

renţ

i la

porn

ire (p

ompe

de

căld

ură)

1

0 kW

Rad

iolo

gie

A

, B

Pot

să a

pară

şi a

lte p

erur

baţii

R

adio

scop

ie

Page 9: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice 9

Tabe

lul 1

.3 (c

ontin

uare

) În

călz

ire in

dust

rială

10

kW

A, B

A

, B

(1b

) Com

andă

ele

ctro

nică

indi

rect

ă cu

2 M

W

F

F

C1

(1c)

În m

omen

tul c

onec

tării

rezi

stoa

re

(3

) În

cazu

l une

i reg

lări

elec

troni

ce

C

upto

are

cu

100

kW

re

zist

e nţ

ă el

ectri

80

MW

A

, Bcu

încă

lzire

dire

ctă

Cup

toar

e cu

arc

3

100

A

, B

A,B

C

1

C

1, C

2

C

1

I

(4) E

mis

ie d

e ar

mon

ice

el

ectri

c

M

W

DÎn

călz

ire c

u in

ducţ

ie

10

C1

C1,

C2

C1

I

elec

trom

agne

tică

200

0 kW

Încă

lzire

die

lect

rică

10

60

0

I

cu IF

kW

În

călz

ire c

u

10

100

Im

icro

unde

k

WM

otoa

re a

sinc

rone

P

ână

la

A, B

,

(

1) S

upra

cure

nţi l

a po

rnire

cu p

orni

re d

irect

ă

1

0 M

W

J

Mot

oare

asi

ncro

ne

1

20

K, C

1

C1

(

4) E

mis

ie d

e in

tera

rmon

ice

cu v

iteză

var

iabi

MW

Con

verto

are

stat

ice

P

ână

la

(

perm

a-

(2

) Frâ

nare

cu

recu

pera

re d

e en

ergi

e

(la

mon

iare

,

10

MW

ne

nt)

K

, C1

C

1

(3

) Det

erm

inat

e de

feno

men

e de

com

utaţ

ieel

ectro

liză

etc.

)

A

Pân

ă la

(4

) Em

isie

de

inte

rarm

onic

e cu

frec

venţ

a

Cic

oloc

onve

rtoar

e

zec

i de

C

1

C1,

C2

C1

sub

50

Hz

M

WSu

dare

cu

arc

A, B

A

, B

A

el

ectri

cSu

dare

cu

rezi

sten

ţă 1

00 k

W

A

, B

Ael

ectri

M

W

Cup

tor c

u pl

asm

ă

Câţ

iva

Î

n st

udiu

MW

Page 10: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Pentru sistemele electroenergetice industriale, cu excepţia punctului comun de conectare la reţeaua publică, pot fi adoptaţi indicatori specifici de calitate, care să ofere cele mai relevante informaţii pentru utilizatorii respectiv.

Pentru a permite evaluarea nivelului de calitate a energiei electrice au fost definiţi şi sunt utilizaţi următorii indicatori principali:

indicatori privind frecvenţa tensiunii de alimentare [3]: abaterea de frecvenţă care permite estimarea variaţiilor lente de frecvenţă; abaterea relativă de frecvenţă sau abaterea procentuală;

integrala abaterilor de frecvenţă indicatori privind variaţiile de tensiune [3]:

abaterea relativă a tensiunii; nivel relativ de tensiune; valoarea medie a abaterii relative a tensiunii faţă de tensiunea contractată

(declarată) într-un interval de timp;

10

Page 11: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

gradul de iregularitate sau abaterea relativă medie pătratică indicatori privind golurile de tensiune [3]

durata golului; amplitudinea relativă a golului; frecvenţa de apariţie a golurilor:

indicatori privind întreruperile din reţeaua electrică [4, 5] frecvenţa medie de întrerupere în sistem (SAIFI – the system average interruption

frequency index); durata medie a întreruperilor din sistem (SAIDI – the system average interruption

duration index); frecvenţa medie de întrerupere a consumatorilor (CAIFI - the customer average

interruption frequency index); durata medie de întrerupere a consumatorilor (CAIDI – the customer average

interruption duration index); frecvenţa valorii medii a întreruperilor în sistem (ASIFI – the average system

interruption frequency index); valoarea medie a duratei întreruperilor din sistem (ASIDI – the average system

interruption duration index); frecvenţa medie a întreruperilor de scurtă durată (MAIFI – the momentary

average interruption frequency index); energie nelivrată (nefurnizată) – ENS (Energy not Supplied) – , din cauza

întreruperilor; timpul mediu de întrerupere” (min/an) AIT (Average Interruption Time);

indicatori privind flickerul [6, 7]: nivel flicker pe termen scurt Pst ; nivel flicker pe termen lung Plt ;

indicatori privind regimul nesinusoidal din reţeaua electrică [8 ]: valoarea efectivă Y a mărimii nesinusoidale; reziduul deformant al unei funcţii nesinusoidale ; factorul de formă ; factorul de vârf ; factorul de influenţă telefonică TIF; indicatorul IT ; factorul de distorsiune normal (THD);factorul de distorsiune ponderat, adaptat pentru elemente inductive; factorul de distorsiune ponderat, adaptat pentru condensatoare; nivelul armonicei ; faza armonicelor;impedanţa armonică;

indicatori privind interarmonicele: frecvenţa f a interarmonicelor ; amplitudinea relativă a interamonicelor;

indicatori privind nesimetria în reţelele electrice: factorul de nesimetrie negativă; factorul de nesimetrie zero; factorul de nesimetrie IEEE;

11

Page 12: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Indicatori privind supratensiunile în reţelele electrice amplitudinea relativă; durata.

1.4 Variaţii ale tensiunii de alimentare

Mărimea de referinţă în analiza variaţiilor de tensiune la barele de alimentare ale unui utilizator este tensiunea contractată Uc (declared supply voltage), egală in mod obişnuit cu tensiunea nominală Un (nominal voltage) a reţelei. Ea poate fi şi diferită de aceasta în cazul unei înţelegeri între furnizorul de energie electrică şi utilizator.

Tensiunea nominală Un este o mărime prin care este indicat sau identificat un sistem şi la care se referă unele caracteristici de funcţionare ale sistemului.

În alegerea tensiunii contractate este necesar a lua în consideraţie tensiunea normată Ur

(rated voltage) a echipamentelor, stabilită, în general, de producător, pentru condiţii specifice de funcţionare ale componentelor, aparatelor sau echipamentelor.

Variaţiile de tensiune, în condiţii normale de funcţionare, sunt determinate de variaţii ale sarcinii în sistemele de distribuţie a energiei electrice.

În mod obişnuit, valorile acceptate ale variaţiilor de tensiune (tabelul 1.4) diferă în funcţie de nivelul de tensiune al reţelei: joasă tensiune (tensiunea nominală sub 1 kV); medie tensiune (tensiunea nominală între 1 kV şi 35 kV); înaltă tensiune (tensiunea nominală mai mare sau egală cu 110 kV).

1.4.1 Măsurarea tensiunii

Valoarea efectivă Uw luată în considerare la măsurarea în regim normal de funcţionare corespunde unui interval de măsurare de N = 10 perioade, T, ale tensiunii analizate [5]

, (1.2)

în care M este numărul de eşantioane pe fereastra de măsurare, Tw = NT şi Ui amplitudinea eşantionului i.

Valorile obţinute pe fereastra de măsurare Tw sunt agregate pe un interval de 3 s.

, (1.3)

în care Uwi sunt cele 15 valori valide ale tensiunii măsurate pe fereastra Tw.Valorile obţinute pe intervalul de măsurare de 3 s sunt agregate pe un interval de 10

minute

, (1.4)

în care U3s i sunt cele 200 valori valide ale tensiunii măsurate pe intervalul de 10 minute.În analiza calităţii tensiunii în nodurile reţelei electrice sunt luate în considerare valorile U

ale tensiunii agregate pe 10 minute.

12

Page 13: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Înformaţiile obţinute prin măsurarea nivelului tensiunii permit evaluarea indicatorilor care definesc calitatea energiei electrice, în regim normal de funcţionare [13]:

abaterea relativă a tensiunii în raport cu tensiunea contractată Uc , într-un anumit nod al reţelei şi la un moment dat, caracterizează variaţiile lente de tensiune

,(1.5)

în care U este tensiunea (tensiune de linie) reţelei electrice, în nodul analizat, la un moment dat; valoarea medie a abaterii relative a tensiunii faţă de tensiunea contractată într-un

interval de timp T

. (1.6)

Indicatorul Umed este o măsură a nivelului mediu al tensiunii pe barele de alimentare şi oferă indicaţii privind alegerea corectă a plotului de reglaj al transformatorului.

gradul de iregularitate sau abaterea relativă medie pătratică

. (1.7)

Gradul de iregularitate poate fi utilizat pentru apreciere calităţii tensiunii pe barele de alimentare [13]

10% calitate foarte bună;

10% < 20% calitate bună;

20% < 50% calitate mediocră; calitate necorespunzătoare.

Evaluarea calităţii tensiunii de alimentare într-un nod al sistemului electroenergetic se face pe baza celor n = 1008 determinări realizate pe durata unei săptămâni pentru tensiunile agregate pe intervale de 10 minute (fig. 1.4) [5]:

se determină numărul N de intervale de 10 minute în care tensiunea este în intervalul de ±15% faţă de tensiunea nominală; se consideră că valorile în afara intervalului de ±15% faţă de

13

Page 14: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

tensiunea nominală sunt invalide din punctul de vedere al măsurătorilor privind nivelul de tensiune;

se determină numărul N1 de intervale în care tensiunea măsurată este în afara intervalului de ±10% faţă de tensiunea nominală şi este în intervalul de ±15% faţă de tensiunea nominală;

tensiunea corespunde din punctul de vedere al calităţii energiei electrice dacă este îndeplinită condiţia

. (1.8)

Ca exemplu, în figura 1.5 sunt indicate valori măsurate ale tensiunii de alimentare la bornele unui receptor de joasă tensiune. În figura 1.5 a) este indicată variaţia pe durata unei săptămâni (1008 valori), iar în figura 1.5 b) este indicată curba cumulată pentru aceleaşi valori Se observă că valoarea de probabilitate 95% este de 238,58 V, ceea ce pune în evidenţă faptul că la bornele receptorului calitatea energiei electrice este corespunzătoare.

1.4.2 Reglarea tensiunii în reţeaua electrică

Variaţiile de tensiune în nodurile reţelei electrice, în regim normal de funcţionare, sunt datorate în special variaţiei necontrolate a circulaţiei de putere reactivă. În acest fel, controlul puterii reactive este principalul mijloc de limitare a variaţiilor de tensiune.

Gestionarea neadaptivă a surselor de putere reactivă din reţelele de distribuţie, în special la consumatorii industriali, conduce la o circulaţie necontrolată a puterii reactive, dificultăţi în asigurarea nivelurilor de tensiune în nodurile reţelei şi pierderi de putere activă. Probleme

14

Page 15: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

deosebite apar în orele şi zilele de gol de sarcină, când sursele de putere reactivă rămân conectate, determinând un exces de putere reactivă.

Spre deosebire de producţia şi nivelul consumului de putere activă care sunt strict urmărite şi raportate pentru a asigura încadrarea frecvenţei în limitele normate, cu probabilitate de 95%, respectiv 99% , producţia şi consumul de putere reactivă, care se reflectă în nivelul tensiunii în fiecare nod în parte, nu pot fi caracterizate printr-un parametru unic pe sistem şi, deci, ar trebui urmărite în fiecare nod şi verificată încadrarea în limitele impuse cel puţin cu o probabilitate de 95%.

Menţinerea tensiunilor în banda admisibilă, la toate nivelurile, necesită controlul circulaţiei puterilor reactive, realizat, în prezent, în mică măsură.

În afara generatoarelor, care sunt controlabile ca regim de producere a puterii reactive, liniile aeriene de înaltă tensiune, funcţionând cu sarcini sub puterea naturală, capacităţile cablurilor, motoarele sincrone şi bateriile de condensatoare, montate pentru îmbunătăţirea factorului de putere, sunt surse de putere reactivă.

În practica curentă de conducere operativă, pentru reglajul tensiunii, se indică banda de tensiune la fiecare bară a centralelor electrice, acestea având, în mod normal, posibilitatea reglării tensiunii. Totuşi, în etapa actuală, cu reţele descărcate, generatoarele nu pot asigura integral reglarea necesară, iar mijloacele existente în reţea (compensatoare sincrone, bobine de compensare ş.a.) sunt insuficiente.

Dificultăţile provin din actualele reglementări privind plata energiei electrice achiziţionate din reţea de către consumatorii industriali, la care energia reactivă se ia în considerare numai la nerealizarea factorului de putere neutral 0,92, pe intervalul de facturare.

În multe noduri ale reţelei de distribuţie, în special cele apropiate de centrale electrice, atât din punct de vedere al nivelurilor de tensiune, cât şi al pierderilor în reţele, cu excepţia perioadei de vârf de sarcină, acest factor de putere este prea ridicat.

La consumatori, există de regulă, un singur contor de energie reactivă, care determină consumul lunar. În perioadele din afara vârfurilor şi în zilele de sărbătoare, factorul de putere este practic unitar sau este chiar capacitiv (fără a putea fi pus însă în evidenţă cu actualele dotări pentru măsurare). Aceasta se produce pentru că, adesea, bateriile de condensatoare nu sunt prevăzute cu mijloace de reglare adaptivă şi rămân conectate în permanenţă.

În mod normal, bateriile de condensatoare sunt compuse din mai multe secţii şi, teoretic, ar exista posibilitatea conectării şi deconectării acestora, astfel ca să se asigure compensarea adaptivă a puterii reactive pentru a se asigura încadrarea factorului de putere în limitele admise. Implementarea largă a sistemelor actuale de control în timp real al factorului de putere este limitată de problemele care apar la conectarea şi deconectarea secţiilor bateriilor de condensatoare. Operaţiile de comutare a secţiilor bateriilor de condensatoare sunt însoţite de fenomene tranzitorii, cu caracteristici diferite la conectarea primei secţii şi la conectarea următoarelor.

Compensarea puterii reactive consumate până la valoarea unitară a factorului de putere trebuie însă evitată, în special în nodurile din sistemul energetic apropiate de centralele electrice. În acest sens, s-ar putea lua în consideraţie tarifarea energiei reactive în funcţie de factorul de putere realizat în perioadele de vârf de sarcină. În afara acestui interval, factorul de putere ar putea fi cel solicitat de dispecerul de distribuţie. Dotarea cu mijloace de control al puterii reactive şi cu un grafic de funcţionare dat de dispecerul de distribuţie, ar putea evita situaţia depăşirii nivelurilor de tensiune admisibile.

15

Page 16: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Eficienţa măsurilor adoptate prin aceste mijloace poate fi afectată în nodurile în care sunt conectaţi consumatori care determină regim deformant. Mijloacele actuale de măsurare a energiei reactive utilizează algoritmi de calcul diferiţi şi nu asigură, în toate cazurile, informaţiile necesare adoptării de măsuri corespunzătoare pentru limitarea circulaţiei de putere reactivă.

În lipsa controlului producţiei de putere reactivă la consumatori, mai ales în zonele cu reţele de cabluri, distribuitorii ar trebui să prevadă bobine de compensare în noduri, rezultate ca optime dintr-o analiza a regimurilor de gol noapte şi zi de sărbătoare.

Trebuie remarcat faptul că, în staţiile electrice în care debitează CHE racordate la 20 kV, se constată tensiuni de 23 kV şi peste această valoare, care ar putea fi reduse prin reglajul de tensiune la CHE [14]. Deşi tensiunea la barele centralei electrice rămâne în limite admisibile,prin contribuţia cablurilor slab încărcate, tensiunea în staţia de racord creşte peste valorile admise.

Controlul circulaţiei puterii reactive în reţeaua electrică, până în posturile de MT/JT şi chiar la consumatorii de JT, pentru a asigura un nivel corespunzator al calităţii energiei electrice şi limitarea pierderilor de energie activă în reţea, necesită adoptarea următoarelor măsuri principale:

monitorizarea on-line a nivelul de tensiuni la barele RET şi RED, pentru verificarea încadrării, cu o probabilitate de 95%, în limitele admisibile; în RET, aceasta se poate realiza prin SCADA, cu un program corespunzător de prelucrare a datelor sau pe baza datelor obţinute prin estimarea de stare (pentru îmbunătăţirea exactităţii); în RED, pe măsura extinderii SCADA la 110 kV şi MT, monitorizarea se poate realiza ca şi în RET;

reducerea puterii reactive produse în reţeaua electrică având în vedere faptul că în multe dintre nodurile din reţea, în prezent, tensiunile sunt peste limita superioară admisibilă; în acest sens se impune evitarea generării de putere reactivă la consumatori industriali în afara orelor de vârf; producţia de putere reactivă, în acest interval de timp ar trebui să se realizeze la comanda DED; poate fi analizată, de exemplu, soluţia tarifării energiei reactive numai în raport cu factorul de putere la orele de vârf, iar bateriile de condensatoare să fie prevăzute cu mijloace de reglare, care să permită urmărirea curbei solicitate de DED;

realizarea, pentru fiecare reţea de distribuţie a unei filiale, a unor studii detaliate a circulaţiilor de putere reactivă şi, dacă prin măsurile de mai sus, nu se poate reduce excesul de putere reactivă, să se utilizeze sisteme de compensare;

anularea schimburilor de putere capacitivă de la RED spre RET, ceea ce permite şi optimizarea circulaţiilor de putere reactivă în RET, respectiv încadrarea tensiunilor în limitele admisibile în această reţea.

16

Page 17: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Apariţia şi dezvoltarea elementelor semiconductoare de putere a permis elaborarea şi

implementarea de soluţii noi pentru rezolvarea problemelor legate de controlul circulaţiei de putere reactivă şi menţinerea tensiunii în limitele impuse.

Sistemele FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems), construite pe bază de circuite electronice de putere, permit controlul eficient al tensiunii în nodurile din reţeaua electrică. Principalele circuite FACTS utilizate pentru controlul tensiunii în reţelele electrice sunt [15]:

SSCR (Switched Shunt-Capacitor and Reactor) figura 1.6 a); SVC (Static VAr Compensator) figura 1.6 b); STATCOM (Static Synchronous Compensator) Figura 1.6 c); UPFC (Unified Power Flow Controller) figura 1.6 d).Circuitele FACTS din figura 1.6 pot fi programate pentru a asigura controlul puterii

reactive în timp real, astfel încât să se asigure menţinerea tensiunii la valoarea de consemn.În prezent, există mijloacele tehnice necesare unui control eficient al puterii reactive, atât

la utilizatori, cât şi în reţeaua electrică, asigurând nivelul de tensiune impus.

1.4.3 Limite admise ale variaţiilor de tensiune

În tabelul 1.4 sunt indicate limitele admise ale variaţiilor de tensiune, în condiţii normale de funcţionare [11].

Tabelul 1.4Valori limită admise ale variaţiilor de tensiune

Nivelulde tensiune

Tensiunea dealimentare Limite de variaţie Observaţii

17

Page 18: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

standardizată

JTtri-fazat

Cu patru conduc-toare

Egală cu tensiunea nominalăUn =230 V (între fază şi nul)

În condiţii normale de funcţionare: pe durata unei săptămâni, în 95% din timp tensiunea măsurată ca medie pe 10 minute trebuie să se încadreze în limitele Un 10%; toate valorile măsurate ca medie pe 10 minute trebuie să se încadreze în limitele Un

+ 10% 15%

tensiunea contractată este egală cu tensiunea nominală; în zone îndepărtate, alimentate prin linii de lungime mare, tensiu-nea poate ieşi din do-meniul indicat; în acest caz consumatorul va fi anunţat

Cu treiconduc-toare

Egală cu tensiunea nominalăUn = 230 V (între faze)

MT Egală cu tensiunea contractată

În condiţii normale de funcţionare, pe durata unei săptămâni, în 95% din timp tensiunea măsurată ca medie pe 10 minute trebuie să se încadreze în limitele Uc 10%.

IT

110 kV;220 kV

Egală cu tensiunea nominală

În condiţii normale de funcţionare, pe durata unei săptămâni, în 95% din timp tensiunea măsurată ca medie pe 10 minute trebuie să se încadreze în limitele Un 10%.

400 kV

În condiţii normale de funcţionare, pe durata unei săptămâni, în 95% din timp tensiunea măsurată ca medie pe 10 minute trebuie să se încadreze în limitele Un 5%.

750 kV

În condiţii normale de funcţionare, pe durata unei săptămâni, în 95% din timp tensiunea măsurată ca medie pe 10 minute trebuie să se încadreze în limitele Un 2%.

1.4.4 Variaţia sarcinii cu tensiunea de alimentare

Funcţionarea receptoarelor de energie electrică, alimentate la o tensiune în afara benzii admise, determină daune, cu atât mai importante cu cât abaterile faţă de tensiunea normată sunt mai mari. În tabelul 1.5 [16] sunt indicate, pentru o serie de receptoare, legile de variaţie a sarcinii cu tensiunea aplicată.

În cele mai multe cazuri practice, daunele D, determinate de abaterea tensiunii de alimentare U, faţă de tensiunea normată Ur a receptoarelor poate fi exprimată sub forma unui polinom de gradul doi [17]

,(1.9)

în care coeficienţii a şi b sunt specifici fiecărui proces tehnologic.

18

Page 19: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Tabelul 1.5Variaţia puterilor absorbite în funcţie de tensiunea aplicată

Tipulreceptorului Relaţia de calcul

Puterile la o abatere de

10% a tensiunii [%]

Factorul de putere

U = 0 U = 0,1

Frigider

P*=1,0+1,3958U+9,991U 2 ++84,72U 3+293U 4 0,90491

0,6245 0,689Q*=1,2507+4,387U+23,801U 2 +154U 3+555U 4 0,95151

Maşină de spălat

P*=1,0+1,2786U+3,099U 2++ 5,939U 3 0,89719

0,521 0,58148Q*=1,6388+4,5733U+12,948U 2++ 55,677U 3 1,25527

Televizor P*=1,0+1,2471U+0,562U 2 0,88091 0,9717 0,98365Q*=0,2431+0,9830U + 1,647U 2 0,16127Lampă

fluorescentăP*=1,0+0,6534U1,65U 2 0,91816 0,9884 0,99127Q*= 0,15350,0403U + 2,734U 2 0,12213

Lampă cu sodiu

P*=1,0+0,3409U 2,389U 2 0,94202 0,998 0,996Q*=0,060+2,2173U + 7,620U 2 0,08553Lampă cu

incandescenţăP*=1,0+1,5209U + 0,223U 2 0,85014 1 1Q*=0 0

Cuptor cu microunde

P*=1,0+0,0974U + 2,071U 2 1,01097 0,978 0,988Q*=0,2039+1,313U + 8,738U 2 0,15998

Relaţia (1.9) poate fi aplicată numai pentru un domeniu relativ îngust al variaţiei tensiunii de alimentare. Reducerea tensiunii de alimentare sub o valoare critică Ucr1 precum şi creşterea peste o valoare Ucr2 poate conduce la daune deosebit de importante.

Abaterea tensiunii de alimentare în raport cu tensiunea normată a receptoarelor conduce, de cele mai multe ori, la reducerea puterii absorbite şi, în consecinţă, la reducerea productivităţii maşinilor de lucru şi la reducerea calităţii produselor realizate.

În tabelul 1.5 sunt calculate şi puterile absorbite, exprimate în unităţi relative (raportate la puterea nominală), la o reducere cu 10% a tensiunii de alimentare (U = 0,1), precum şi valorile factorului de putere realizat, la alimentarea cu tensiunea contractată şi la tensiunea redusă. Datele din tabelul 1.5 indică faptul că, la modificarea tensiunii, puterile absorbite nu variază liniar, modificând astfel caracteristicile consumatorului în ansamblu.

În cazul cel mai întâlnit al sistemelor de acţionare cu motoare asincrone, variaţia tensiunii de alimentare U determină variaţia vitezei de rotaţie a motorului (p numărul de perechi de poli ai maşini) şi deci reducerea productivităţii procesului în care sunt utilizate maşinile asincrone (fig. 1.7) [18]. La o reducere accentuată a tensiunii de alimentare este posibilă oprirea maşinii (reducerea cuplului maxim CM sub cuplul static rezistent Cs al maşinii de lucru).

19

Page 20: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Calculele efectuate privind daunele determinate de abaterea tensiunii faţă de valoarea normată pun în evidenţă următoarele [17]:

la cuptoarele cu arc electrice o reducere a tensiunii de alimentare cu 8% conduce la o reducere a productivităţii cu circa 6% şi o creştere a consumului specific cu circa 7%;

la cuptoarele cu inducţie electromagnetică, alimentate la frecvenţă industrială o reducere a tensiunii de alimentare cu 5% conduce la o reducere a productivităţii cu circa 10% şi o creştere a consumului specific cu circa 8%;

la cuptoarele cu inducţie electromagnetică, alimentate la frecvenţă ridicată o reducere a tensiunii de alimentare cu 10% determină o creştere a consumului specific cu circa 5% ;

în instalaţiile de sudare abateri ale tensiunii de alimentare în intervalul 10% conduc la creşterea duratei procesului, dar abateri peste 10% pot determina rebutarea operaţiei efectuate.

1.5 Goluri şi întreruperi de scurtă durată

Golurile şi întreruperile de scurtă durată sunt dintre cele mai întâlnite evenimente din reţeaua electrică. În mod obioşnuit, apar ca o consecinţă a unui scurtcircuit în reţeaua electrică, la pornirea motoarelor mari, precum şi la conectarea transformatoarelor.

Golurile de tensiune (fig.1.8) sunt perturbaţii bidimensionale, caracterizate de adâncimea golului şi de durata acestuia şi sunt determinate de defecte care apar în sistemul electroenergetic sau în reţeaua industrială a utilizatorului. Perturbaţia are un caracter aleatoriu, iar frecvenţa de apariţie, amplitudinea golului şi durata acestuia variază mult în fiecare nod al sistemului. De asemenea, ea variază neregulat pe durata unui an. Evaluarea efectelor golurilor asupra consumatorilor se face prin monitorizarea pe durate mari de timp a tensiunii reziduale Ures , a duratei tg şi a fazei pe care are loc evenimentul [19].

Datorită daunelor pe care le determină la consumatori, precum şi datorită caracteristicilor foarte diferite ale fiecărui eveniment, problemele de evaluare sunt dintre cele mai complexe, necesitând echipamente de înaltă performanţă, cu o capacitate importantă de stocare.

20

Page 21: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

În lipsa unor echipamente specializate de limitare, apariţia golurilor de tensiune este însoţită de întreruperi de scurtă sau lungă durată, ceea ce determină ca unele aspecte ale acestor perturbaţii să fie comune.

Prezenţa unui gol de tensiune se pune în evidenţă pe baza măsurării valorii efective pe o jumătate de perioadă (fig. 1.8). În acest fel, este evident că nu pot fi puse în evidenţă goluri cu o durată sub 10 ms, iar incertitudinea de măsurare a duratei golurilor de tensiune nu poate fi mai mică decât 20 ms.

Pentru caracterizarea unui eveniment singular sunt utilizaţi indicatorii: tensiune reziduală (remanentă) Ures şi durata golului tg. Este utilizat şi indicatorul adâncimea golului Ug ca diferenţă între tensiunea de referinţă şi tensiunea reziduală Ures .

Mărimea de bază în analiza golurilor şi întreruperilor de tensiune este valoarea efectivă pe o jumătate de perioadă U1/2 [5]

,(1.10)

în care N este numărul de eşantioane pe o perioadă a tensiunii alternative, Ui amplitudinea eşantionului de rang i.

Determinarea valorii efective începe la fiecare trecere prin zero a tensiunii de fază.Determinarea cu exactitatea corespunzătoare a valorii efective pe o jumătate de perioadă

depinde, atât de numărul de eşantioane achiziţionat pe fiecare semiperioadă, cât şi de acurateţea cu care se determină frecvenţa în sistem (durata semiperioadei).

Echipamentele actuale de monitorizare a golurilor de tensiune utilizează în mod obişnuit o frecvenţă de eşantionare de 6.400 Hz (128 eşantioane pe o perioadă a tensiunii alternative) sau 12.800 Hz (256 eşantioane pe o perioadă a tensiunii alternative). În analiza golurilor şi întreruperilor de scurtă durată într-o reţea electrică, monitorizarea se face pentru cele trei faze, având în vedere faptul că pot să apară evenimente cu caracteristici diferite pe cele trei faze şi, în consecinţă, cu efecte diferite asupra utilizatorilor finali.

Caracterizarea unei reţele electrice, din punctul de vedere al performaţelor privind golurile şi întreruperile de scurtă durată, necesită informaţii ample asupra tuturor nodurilor din reţea şi asupra tuturor consumatorilor racordaţi în reţea.

Deşi pe durata golurilor de tensiune are loc şi o modificare a fazei unghiulare a mărimilor electrice, indicatorii actuali nu cuprind încă informaţii privind acest tip de perturbaţie. Problema prezintă un interes deosebit în reţelele electrice trifazate unde pertubaţiile nesimetrice sunt modificate datorită transformatoarelor stea-triunghi. Determinarea abaterilor fazelor

21

Page 22: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

unghiulare ale tensiunilor, pe durata golurilor, întâmpină dificultăţi în cazul obişnuit în care tensiunile nu sunt perfect sinusoidale.

În acest sens, evaluarea golurilor în întreruperilor de scurtă durată cuprinde 5 etape [19]: achiziţia eşantioanelor tensiunii în punctul analizat; determinarea caracteristicilor de durată şi de amplitudine ale evenimentului pe baza

eşantioanelor existente; determinarea valorilor indicatorilor pentru evenimentul singular analizat; determinarea valorilor indicatorilor în punctul analizat pentru un interval prestabilit de

timp (agregarea valorilor în domeniul timp); determinarea valorii indicatorilor pentru ansamblul nodurilor din reţeaua electrică

analizată (agregarea valorilor în domeniul spaţiu).Din analiza algoritmului de evaluare, rezultă faptul că existenţa unui singur echipament de

monitorizare, într-un singur nod al sistemului, oferă informaţii parţiale, utile în special consumatorilor conectaţi la nodul analizat. Numai un sistem extins de monitorizare permite obţinerea unor informaţii relevante privind performanţa operatorului de reţea.

Ca exemplu, în figura 1.8 este indicat un gol de tensiune în reţeaua de medie tensiune, datorat unei lovituri de trăsnet pe o linie electrică aeriană.

1.5.1 Tensiunea de referinţă

Tensiunea de referinţă, folosită pentru stabilirea pragurilor de început (start) şi de sfârşit ale golului, poate fi tensiunea normată Ur , tensiunea contractată Uc , tensiunea medie de lungă durată în punctul de măsurare sau valoarea efectivă imediat anterioară evenimentului.

Valoarea efectivă imediat anterioară evenimentului, numită „tensiune alunecătoare de referinţă a ferestrei Urf ” [4], se determină pe baza ferestrei de 200 ms (10 perioade) utilizând un filtru de primul ordin cu o constantă de timp de 1 minut, pe baza relaţiei:

,(1.11)

în care tensiunea de referinţă pentru evenimentul de rang n se determină pe baza tensiunii de referinţă de la evenimentul precedent (n 1), iar U10 este cea mai recentă valoare efectivă a tensiunii determinată pe 200 ms.

Utilizarea tensiunii de referinţă imediat anterioară evenimentului este mai adecvată reţelelor de transport, iar utilizarea tensiunii contractate sau a tensiunii normate ca tensiune de referinţă este mai adecvată reţelelor de distribuţie.

Utilizarea tensiunii normate sau a tensiunii contractate ca tensiune de referinţă conduce la rezultate relevante dacă analiza efectuată este focalizată, în special, pe efectele asupra echipamentelor de utilizare, ceea ce corespunde, în primul rând, domeniului tensiunilor joase sau medii.

22

Page 23: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

În cazul analizei comparative a golurilor de tensiune dintr-o reţea electrică, eventual având tensiuni nominale diferite, determinate de exemplu, de un defect în reţea, alegerea aceleiaşi valori pentru tensiunea de referinţă poate conduce la date neclare. Acest lucru apare, în special, în reţeaua de înaltă tensiune, unde tensiunile, în regim normal de funcţionare, pot diferi relativ mult, în funcţie de condiţiile specifice din sistem. În aceste condiţii, este raţional să se utilizeze ca tensiune de referinţă valoarea imediat anterioară evenimentului, determinată pe un interval de timp mult mai mare ca durata golului. Astfel, pentru consumatori conectaţi la bare diferite, având, în regim normal de funcţionare, tensiuni diferite (evident că barele din apropierea staţiilor de sistem au o tensiune de funcţionare mai ridicată faţă de staţiile de racord adânc) o anumită valoare a tensiunii poate reprezenta pentru un consumator un gol de tensiune, iar pentru un alt consumator să fie cuprinsă în banda admisibilă.

În acest fel, tensiunea de referinţă se alege ca o valoare fixă egală cu tensiunea normată, cu tensiunea contractată sau cu tensiunea „alunecătoare” determinată imediat anterior evenimentului.

La utilizarea tensiunii alunecătoare ca tensiune de referinţă, este necesar să se ţină seama de faptul că aceasta poate fi mai mare sau mai mică decât tensiunea normată a echipamentului de utilizare, iar rezultatele obţinute să nu fie relevante din punctul de vedere al efectului asupra echipamentului.

23

Page 24: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

1.5.2 Pragurile pentru determinarea duratei golului

Alegerea adecvată a valorii tensiunii de referinţă şi a pragurilor are o importanţă deosebită în analiza golurilor de tensiune.

În mod normal, într-un anumit punct din reţeaua electrică, tensiunea variază în funcţie de sarcină, iar sistemele de reglare sunt dimensionate astfel încât să asigure încadrarea tensiunii în interiorul unei benzi admisibile. Pe durata variaţiei tensiunii în interiorul acestei benzi, la apariţia unui scurtcircuit sau la o creşterea importantă a curentului electric (de exemplu datorită pornirii unui motor asincron de mare putere) apare un gol de tensiune. Dacă tensiunea, în momentul golului, era aproape de partea superioară a benzii, o variaţie de 20% a tensiunii poate să nu determine ieşirea din bandă, iar acest gol de tensiune are acelaşi efect ca o variaţie normală a tensiunii datorată sarcinii. Acelaşi lucru poate să rezulte dacă, în reţea, apare un defect depărtat de locul de măsurare. Aceste evenimente nu se consideră goluri de tensiune.

În acest fel, determinările privind apariţia golurilor ar putea fi efectuate în funcţie de limita inferioară a benzii admise. Orice eveniment care determină reducerea tensiunii sub limita inferioară a benzii poate fi considerat un gol de tensiune. Durata golului poate fi determinată ca intervalul de timp în care tensiunea scade sub limita inferioară a benzii admise şi până când depăşeşte acestă limită.

În cazul în care, în punctul analizat, tensiunea normală de funcţionare este în apropierea limitei inferioare a benzii admise, variaţia sarcinii ar putea determina mici variaţii ale tensiunii în jurul limitei inferioare. Aceste variaţii ale tensiunii, determinate de variaţii ale sarcinii, care conduc la o creştere nerelevantă a numărului golurilor de tensiune, pot fi excluse printr-o alegere adecvată a pragurilor de înregistrare a golurilor. De asemenea, pot fi adoptate şi alte mijloace pentru eliminarea variaţiilor de tensiune induse de variaţii ale sarcinii (de exemplu, pot fi considerate goluri numai evenimentele care fac ca tensiunea de revenire să fie cel puţin cu 1% mai mare decât pragul de start apariţia unui „histerezis” între cele două praguri). În acest fel, pragul de sfârşit al golului este superior pragului de start cu o valoare numită „tensiune de histerezis”. Durata golului este astfel măsurată între momentul trecerii sub pragul de start şi momentului depăşirii valorii corespunzătoare pragului de start, la care se adaugă „tensiunea de histerezis”.

În cazurile practice, pragurile pentru determinarea duratei golului pot fi alese astfel [5]: pragul de start, ca valoarea limită inferioară a benzii de tensiune admisă sau ca o

valoarea sub acestă limită cu un interval specificat (în cazul funcţionării, în regim normal de funcţionare, în apropierea limitei inferioare a benzii admise);

pragul de sfârşit, ca valoare egală cu valoarea de start sau o valoare superioară cu „tensiunea de histerezis” dacă se urmăreşte separarea golurilor de tensiune de variaţiile datorate sarcinii, în apropierea limitei inferioare a benzii de tensiune admise.

În cazul în care, drept tensiune de referinţă, se alege tensiunea imediat anterioară evenimentului, acest mod de lucru are un puternic efect de atenuare care asigură eliminarea multor variaţii datorate sarcinii şi, deci, pragurile privind golurile pot fi egale şi alese cu valori apropiate de tensiunea de referinţă (de exemplu 99 %).

1.5.3 Deosebirea dintre goluri de tensiune şi întreruperi scurte

Cele mai multe dintre golurile de tensiune sunt determinate de apariţia unor scurtcircuite în reţeaua electrică, cu revenirea tensiunii după ce scurtcircuitul a fost eliminat. Astfel, în cazul

24

Page 25: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

unei scheme din figura 1.10 a), apariţia unui scurtcircuit pe feederul F2 şi eliminarea sa prin deconectarea întreruptorului I2 determină, pentru consumatorii alimentaţi prin feederul F2 , o întrerupere de tensiune (o separare electrică între sursă şi consumator), iar pentru consumatorii alimentaţi prin feederul F1 un gol de tensiune (fără separare electrică între sursa de alimentare şi consumator). Este posibil ca, pe durata evenimentului, pentru scurtcircuite apropiate de bara de alimentare, în ambele cazuri, tensiunea să ajungă la aceeaşi valoare, practic nulă.

În cazul scurtcircuitelor simple, forma golului de tensiune poate fi aproximativ dreptunghiulară şi apariţia acestuia poate fi evaluată pe baza valorii reziduale şi a duratei, având în vedere pragurile setate. În cazul unor circuite complexe, golurile de tensiune pot să aibă forme mai complexe, pentru care cele două dimensiuni ale golului simplu nu oferă informaţii suficiente. În acest caz, pot fi definite mai multe praguri şi determinate duratele golului pentru diferite niveluri ale tensiunii reziduale.

În practică, este uneori dificil de stabilit dacă evenimentul este un gol de tensiune sau o întrerupere scurtă. Astfel, în figura 1.10 b), pentru un regim normal de funcţionare, cu

alimentare prin intermediul a două linii L1 şi L2 , la apariţia, de exemplu, a unui defect pe linia L2 , bara B2 rămâne fără tensiune şi consumatorii alimentaţi prin feederul F2 vor fi întrerupţi. Durata întreruperii este determinată de durata reconectării prin AAR de la bara B1. Întreruperea, ca rezultat al separării electrice între sursa de alimentare şi utilizatori, nu este întotdeaua însoţită de valoarea nulă a tensiunii pe partea utilizatorului, având în vedere că la acesta există motoare, care antrenate inerţial, menţin la borne o anumită valoare a tensiunii.

Pentru identificarea golului se stabileşte nivelul tensiunii reziduale. În mod obişnuit acest

25

Page 26: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

prag este de 1% din tensiunea de referinţă, dar poate fi ales şi 5 % sau 10 %, în funcţie de tipul consumatorului alimentat (normativul CEI 61000-4-30 recomandă valoarea de 10%).

Durata întreruperii scurte se evalueaază prin intervalul de timp între pragul de start şi pragul de sfârşit la care este setat echipamentul de evaluare.

Pentru adoptarea măsurilor necesare limitării efectelor, primul pas constă în stabilirea tipului de gol de tensiune. În mod obişnuit, pot să apară goluri datorate scurtcircuitelor sau goluri datorate pornirii motoarelor mari sau la conectarea transformatoarelor. Specific golurilor datorate pornirii motoarelor mari (fig. 1.11) sau produse la conectarea transformatoarelor este faptul că au valori egale pe cele trei faze, iar tensiunea remanentă nu scade sub 0,4Uc (în principiu, utilizatorii îşi dimensionează instalaţia astfel încât la pornirea celui mai mare motor din instalaţie, golul rezultat să nu afecteze celelalte motoare). Desigur că şi un scurtcircuit trifazat îndepărtat poate avea caracteristici asemănătoare, însă aceste evenimente sunt mult mai rare, iar forma golului este diferită.

Pornirea motoarelor mari sau conectarea transformatoarelor mari determină apariţia unui gol de tensiune datorită curentului de pornire (inrush current) important, a cărei durată prezintă o importanţa deosebită privind solicitarea circuitelor electrice (fig. 1.12). Durata sa se determină ca intervalul de timp între un prag de start (prag de trigerare) şi un prag de stop, determinat din pragul de start din care se scade tensiunea de histerezis Uh .

În analiza efectelor golurilor de tensiune asupra echipamentelor dintr-o instalaţie este necesar a avea, pe de o parte, informaţii privind amplitudinea, durata golurilor şi, eventual, forma golurilor şi, pe de altă parte, informaţii privind curba de susceptibilitate a echipamentului (curbe de tip ITIC Information Technology Industry Council) (fig. 1.13). În figura 1.13 sunt indicate evenimentele înregistrate pe durata unui an şi caracteristicile lor, în raport cu domeniul de susceptibilitate a consumatorului. Valorile din afara domeniului marcat pot determina daune consumatorului analizat.

Determinarea golurilor în reţelele trifazate poate fi făcută, pe fiecare fază, utilizând echipamente mono-canal sau, pe ansamblul celor trei faze, utilizând echipamente multicanal. În cazul echipamentelor multicanal, durata golului se măsoară din momentul în care, pe unul dintre canale, tensiunea a scăzut sub valoarea de prag, până în momentul în care toate tensiunile de fază au depăşit valoarea de prag plus valoarea de histerezis (în mod obişnuit valoarea de histerezis este de 2% din tensiunea de referinţă) [5]. În acest sens, este necesar a face diferenţă

26

Page 27: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

între echipamentele trifazate (trei echipamente monocanal) şi echipamentele multicanal (un echipament care analizează ansamblul celor trei faze).

1.5.4 Indicatori pentru evaluarea golurilor de tensiune

Datele obţinute prin măsurare permit caracterizarea golurilor prin următorii indicatori [19]: amplitudinea relativă sau procentuală

,(1.12)

în care Ures este valoarea reziduală a tensiunii de fază, iar Uc tensiunea contractată pe fază. durata golului de tensiune:

, (1.13)în care şi sunt momentele iniţial şi final ale golului de tensiune;

frecvenţa de apariţie a golurilor:

, (1.14)

în care Ng este numărul de goluri de tensiune care apar pe durata de referinţă Tr (în mod uzual, un an).

Caracterizarea globală a golurilor de tensiune necesită completarea, pe intervale mari de timp (de regulă, un an) a matricei amplitudine  durata golurilor (tabelul 1.6) [19]. Fiecare celulă a matricii conţine numărul de goluri de tensiune corespunzând intervalului tensiunii reziduale şi respectiv duratei.

27

Page 28: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Tabelul 1.6Matricea amplitudinedurată pentru goluri de tensiune

Adâncimea golului Ug

tg

0,01 s

0,02 s

0,02 s 0,1s

0,1 s 0,5s

0,5 s 1s

1 s 3s

3 s 20s

20 s 60s

60 s 180s

0,1 0,15

N11 N21 N31 N41 N51 N61 N71 N81

0,15 0,3 N12 N22 N32 N42 N52 N62 N72 N82

0,3 0,6 N13 N23 N33 N43 N53 N63 N73 N83

0,6 0,99

N14 N24 N34 N44 N54 N64 N74 N84

0,99 1,0

N15 N25 N35 N45 N55 N65 N75 N85

Nota 1: Valorile cuprinse în prima linie şi prima coloană sunt probabil în mare măsură determi-nate de fenomene tranzitorii şi variaţii ale sarcinii;Nota 2: Valorile de 0,01s şi 0,02 s corespund duratei unei semiperioade, respectiv a unei perioade a tensiunii de alimentare cu frecvenţa de 50 Hz.

Ultimul rând al matricei din tabelul 1.6 corespunde întreruperilor de scurtă durată. În unele cazuri poate fi utilizat pragul de 5% sau 10% pentru a distinge golurile de tensiune de întreruperile de scurtă durată.

Frecvenţa golurilor de tensiune cu o anumită caracteristică, corespunzătoare fiecărei celule Nik a matricii amplitudine-durată, determinată pentru un interval de timp (de regulă, un an), este evaluată din relaţia

. (1.15)

Practica de exploatare arată că, în condiţii normale de funcţionare, numărul total de goluri într-o reţea, pe durata unui an, poate fi de la câteva zeci până la circa o mie.

Pentru măsurătorile realizate simultan, într-un mare număr de puncte din reţeaua electrică (campanie de măsurători), este utilizată o matrice de aceeaşi formă cu cea din tabelul 1.6, completată cu valori suplimentare care corespund, în funcţie de tipul analizei:

valorilor maxime; valorilor medii; probabilităţii de 95 % de apariţie în punctele analizate; altor analize statistice.În cazul apariţiei unor forme diferite ale golurilor de tensiune sau la analiza unor instalaţii

cu caracteristici diferite (de exemplu, reţele în cablu sau reţele aeriene) este recomandabil să fie completate matrice diferite pentru fiecare caz specific.

Pentru evaluarea golurilor de tensiune într-o reţea electrică sunt necesare determinări în toate nodurile reţelei şi apoi prelucrarea acestora. Ca exemplu, în tabelul 1.7 [19] sunt indicate valori agregate pentru o reţea cu cabluri subterane, pe baza datelor din 85 puncte de măsurare. Ca tensiune de referinţă s-a considerat tensiunea contractată, iar pragurile au fost egale cu 0,9 din tensiunea contractată. S-au considerat întreruperi evenimentele la care tensiunea a ajuns la valoarea zero. Determinările s-au efectuat pe durata unui an.

28

Page 29: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Tabelul 1.7Matricea amplitudinea golurilor durată pentru o reţea de cabluri (valori de 95 %).

Adâncimea golului Ug

0,01 s tg < 0,1 s

0,1 s tg< 0,5

s

0,5 s tg< 1s

1 s tg< 3 s

3 s tg< 20 s

20 s tg< 60 s

0,1 < Ug < 0,3 23 19 3 1 0 00,3 Ug < 0,6 5 19 1 0 0 00,6 Ug < 1 1 8 1 0 0 0

Ul =0 (întrerupere) 0 0 1 0 1 1

Monitorizarea unei reţele electrice din punctul de vedere al golurilor de tensiune necesită informaţii, atât asupra numărului de goluri cu o anumită amplitudine cât şi asupra numărului de utilizatori afectaţi. În acest sens, au fost elaboraţi indicatori specifici[20, 21]]:

frecventa medie a variaţiilor de tensiune la nivel de sistem SARFIx% (system average rms (variation) frequency indexvoltage ) calculată ca raportul dintre numărul de consumatori care au suportat o variaţie a valorii efective a tensiune sub x % din tensiunea contractată, pe durata analizată, şi numărul total Nt de utilizatori deserviţi de sistemul analizat

, (1.16)

în care Ni este numărul utilizatorilor afectaţi de variaţia de tensiune, la fiecare dintre envenimentele i, n numărul total de evenimente cu variaţie de tensiune, pe durata analizată, în sistemul analizat.

Pragul x% este în mod uzual de 90, 80, 70, 50 şi 10. frecvenţa medie a variaţiilor instantanee de tensiune SIARFIx (system instantaneous

Average rms (variation) frequency indexvoltage) calculată ca raportul dintre numărul de utilizatori care au suportat o variaţie instantanee a valorii efective a tensiunii sub x% din tensiunea contractată, pe durata analizată, şi numărul total Nt deserviţi de sistemul analizat

, (1.17)

în care NIi este numărul utilizatorilor afectaţi de variaţia de tensiune, la fiecare dintre evenimentele i, n numărul total de evenimente cu variaţie de tensiune, pe durata analizată, în sistemul analizat.

Pragul x% este în mod obişnuit de 90, 80, 70, 50 şi 10. frecvenţa medie a variaţiilor momentane de tensiune SMARFIx (system instantaneous

Average rms (variation) frequency indexvoltage) calculată ca raportul dintre numărul de utilizatori, care au suportat o variaţie instantanee a valorii efective a tensiunii sub x % din tensiunea contractată, pe durata analizată, şi numărul total Nt de utilizatori, deserviţi de sistemul analizat

29

Page 30: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

, (1.18)

în care NMi este numărul utilizatorilor afectaţi de variaţia de tensiune, la fiecare dintre evenimentele i, n numărul total de evenimente cu variaţie de tensiune, pe durata analizată, în sistemul analizat.

Pragul x% este în mod obişnuit de 90, 80, 70, 50 şi 10. Durata variaţiilor valorii efective de tensiune, luate în consideraţie, este cuprinsă între 30 perioade ale tensiunii alternative şi 3 s.

frecvenţa medie a variaţiilor temporare de tensiune STARFIx (System temporary average rms (variation) frequency indexvoltage) calculată ca raportul dintre numărul de utilizatori care au suportat o variaţie temporară a valorii efective a tensiunii sub x % din tensiunea contractată, pe durata analizată, şi numărul total Nt deserviţi de sistemul analizat

, (1.19)

în care NTi este numărul utilizatorilor afectaţi de variaţia de tensiune, la fiecare dintre evenimentele i, n numărul total de evenimente cu variaţie de tensiune, pe durata analizată, în sistemul analizat.

Pragul x% este în mod obişnuit de 90, 80, 70, 50 şi 10. Durata variaţiilor valorii efective de tensiune, luate în consideraţie, este cuprinsă între 3 şi 60 s.

1.5.5 Mijloace de limitare a golurilor de tensiune şi a întreruperilor de scurtă durată

În mod obişnuit, golurile de tensiune determină cele mai importante daune atunci când, datorită reducerii tensiunii, are loc dezexcitarea contactoarelor sau releelor de minimă tensiune conducând astfel la întreruperi de scurtă durată. De asemenea, întreruperile de scurtă durată pot să rezulte în urma operaţiilor de AAR, în reţelele de medie sau joasă tensiune, şi de RAR, în reţelele de înaltă tensiune.

Supratensiunile de trăsnet şi defectele de izolaţie conduc la apariţia unui număr important de goluri şi întreruperi de scurtă durată într-o reţea electrică, astfel încât consumatorii sensibili la aceste perturbaţii pot să înregistreze daune inacceptabile. O atenţie specială trebuie acordată consumatorilor care nu admit întreruperea în alimentarea cu energie electrică. În acest sens, este necesară adoptarea de măsuri pentru a asigura continuitatea în alimentarea şi pe durata perturbaţiilor.

Soluţiile actuale se bazează pe alimentarea separată a receptoarelor critice (sensibile la goluri şi întreruperi de scurtă durată) şi a celor la care daunele pot fi acceptate. Desigur că împărţirea în cele două tipuri de receptoare trebuie făcută cu atenţie deoarece realizarea unor surse neîntreruptibile implică o serie de costuri.

Alimentarea receptoarelor critice se face de la reţeaua electrică prin intermediul unor echipamente specializate (UPS Uninterruptible Power Supply) care stochează energie şi o redau pe durata întreruperii. Sunt utilizate două tipuri de asemenea echipamente:

cu stocare chimică a energiei (acumulatoare electrice); cu stocare dinamică a energiei (volant mecanic).

30

Page 31: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Echipamentele UPS sunt, în general, în proprietatea consumatorului şi asigură continuitatea alimentării pentru receptoarele critice. Realizarea alimentării neîntreruptibile poate fi concepută însă şi ca serviciu pe care furnizorul de energie electrică îl poate asigura consumatorului; în acest caz instalaţiile UPS sunt în proprietatea furnizorului.

Pentru alimentarea neîntreruptibilă, pe durate relativ mari (până la 2 ore), a unor utilizatori de putere relativ redusă (10 kVA) pot fi utilizate scheme (fig. 1.14) în care sursa de energie pe perioada întreruperii este o baterie de acumulatoare B.

Schema din figura 1.14 [22] poate funcţiona în două variante: alimentare on-line, în care întreruptoarele IP, IE şi IS sunt permanent închise, iar alimentarea receptoarelor critice se face, în mod normal, prin intermediul invertorului Iv (sunt deconectate întreruptoarele IO şi IM). La întreruperea alimentării din reţeaua publică, este deconectat întreruptorul IP şi receptoarele critice sunt alimentate, în continuare, pe seama energiei stocată în acumulatorul B. La revenirea tensiunii este reconectat întreruptorul IP şi se asigură, astfel, reîncărcarea bateriei de acumulatoare şi alimentarea receptoarelor;

alimentarea off-line, în care întreruptoarele IP, IO; ISO şi IE sunt închise în regim normal de funcţionare, iar întreruptoarele IS şi IM sunt deschise. La întreruperea tensiunii de alimentare are loc, într-un interval de timp foarte scurt, deconectarea întreruptorului static ISO şi conectarea întreruptorului IS, astfel încât alimentarea receptoarelor critice, cu un interval foarte scurt de întrerupere (acceptabil pentru unii consumatori), se face, în continuare, pe seama energiei stocată în bateria de acumulatoare. La revenirea tensiunii, schema trece în starea iniţială.

Deoarece experienţa a arătat că peste 93% dintre perturbaţiile sub formă de goluri sau întreruperi de scurtă durată nu depăşesc trei secunde, au fost dezvoltate echipamente UPS dinamice (fig. 1.15) în care energia este stocată sub formă de energie cinetică a unui volant care are o viteză ridicată de rotaţie. În schema din figura 1.15 s-a considerat că, la proiectarea schemei de alimentare, receptoarele utilizatorului au fost împărţite în receptoare standard (care

31

Page 32: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

admit nivelul de calitate al energiei electrice oferit de reţeaua electrică de alimentare) şi receptoare critice (cu condiţii superioare de calitate a energiei electrice).

Schema din figura 1.15 poate funcţiona în cele două variante on-line sau off-line, asigurând alimentarea pe durate relativ reduse (circa 3 s) a receptoarelor critice pe seama energiei cinetice a generatorului cu moment mare de inerţie G/M. În regim normal de funcţionare, maşina electrică lucrează în regim de motor, asigurând menţinerea masei volantului la o viteză ridicată de rotaţie. Bobinele L1 şi L2 din schemă au rolul de a limita solicitările în cazul regimurilor tranzitorii care apar la trecerea de la un regim de funcţionare la altul.

Ca o variantă a schemei din figura 1.15, poate fi utilizată schema din figura 1.16 în care sunt folosite maşini electrice obişnuite, iar energia electrică este stocată în bateria de acumulatoare B ce asigură, la întreruperea tensiunii din reţeaua publică, alimentarea motorului M de tensiune continuă care antrenează generatorul sincron G. Acesta preia alimentarea

32

Page 33: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

receptoarelor critice după deconectarea întreruptorului IO (în regim normal de funcţionare întreruptorul IE este deconectat).

În schema din figura 1.16 s-a considerat că toate receptoarele utilizatorului necesită o calitate superioară a energiei electrice. Echipamentele UPS dinamic sunt caracterizate în principal printr-o fiabilitate ridicată şi o mentenanţă redusă.

Este evident faptul că la adoptarea deciziilor privind alegerea schemelor pentru reducerea (eliminarea) perturbaţiilor sub formă de goluri şi întreruperi de scurtă durată trebuie analizată şi soluţia unor măsuri pe partea tehnologică pentru creşterea imunităţii la acest tip de perturbaţii (utilizarea unor motoare electrice cu moment de inerţie crescut, motoare cu volant etc.).

Reducerea evenimentelor sub formă de goluri şi întreruperi de scurtă durată poate fi realizată şi prin măsuri adecvate adoptate de operatorii de reţea. Utilizarea liniilor în cablu pentru alimentarea consumatorilor, realizarea unei protecţii adecvate, utilizarea unor descărcătoare performante, creşterea curentului de scurtcircuit în nodul de alimentare, separarea circuitelor care alimentează utilizatori perturbatori, conduc la o reducere importantă a golurilor şi întreruperilor de scurtă durată.

Întreruperile de scurtă durată se consideră că nu durează mai mult de 3 minute. (în unele documente se consideră a durata maximă a unei întreruperi de scurtă durată este de 1 min.). În mod normal, circa 70% dintre întreruperi au o durată sub 1 s [23].

1.6 Întreruperi de lungă durată

1.6.1 Indicatori pentru evaluarea întreruperilor Întreruperile de lungă durată pot fi anunţate în prealabil, ceea ce permite utilizatorului să

adopte o serie de măsuri pentru limitarea daunelor şi neanunţate, ceea ce poate determina daune importante.

Evaluarea întreruperilor de scurtă şi lungă durată se face pe baza numărului de evenimente înscrise în tabelul 1.8.

Evaluarea calităţii energiei electrice din punctul de vedere al întreruperilor de scurtă şi lungă durată se poate face şi pe baza unor indicatori globali, care oferă informaţii, atât la nivel de sistem, cât şi la nivelul utilizatorilor [23].

Tabelul 1.8Evaluarea întreruperilor de scurtă şi lungă durată

Durata întreruperiit < 1 s 1 s t < 3 minute t 3 minute

Număr de întreruperi

În Europa, evaluarea se face pe baza energiei nelivrate ENS (energy not supplied) ca fiind energia care ar fi fost furnizată dacă nu interveneau întreruperile. Evaluarea se face pe durata unui an şi se indică energia (în MWh) nelivrată în acel an. Pe baza valorii ENS se determină indicatorii [6, 24]:

Durata medie de întrerupere (la nivel de sistem) AIT (average interruption time) defineşte durata totală a întreruperilor într-un an:

(1.20)

33

Page 34: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

,în care AD (annual demand) este consumul anual net pentru sistemul electroenergetic (fără consumul propriu tehnologic) [MWh/an].

Indicator de indisponibilitate medie a serviciului ASUI (Average service unavailability index) ca raport între energia nelivrată datorită întreruperilor ENS (energy not supplied) şi consumul anual net pentru sistemul electroenergetic (fără consumul propriu tehnologic) AD (annual demand)

; (1.21)

Indicator minute sistem SM (system minutes) ca parametru de performanţă al sistemului electroenergetic care estimează durata medie de întrerupere anuală prin raportare la vârful de consum anual

;(1.22)

în care PL (Peak Load) este vârful anual de consum, în MW, în perioada analizată, AL (average load) puterea medie a curbei de sarcină anuală, AIT durata medie de întrerupere (la nivel de sistem).

Indicator de disponibilitate medie a serviciului alimentarea utilizatorilor ASAI (average service availability index) ca raport între energia efectiv furnizată utilizatorilor şi consumul anual net pentru sistemul electroenergetic (fără consumul propriu tehnologic) AD (annual demand)

;(1.23)

Datele obţinute prin monitorizarea întreruperilor de scurtă şi lungă durată pot fi utilizate şi pentru determinarea indicatorilor recomandaţi de IEEE [21]. Aceştia cuprind, atât mărimi relative la performanţele sistemului de alimentare, cât şi mărimi relative la utilizatorii alimentaţi dintr-o reţea:

Indicator durata medie de întrerupere la nivel de sistem SAIDI (system average interruption duration index) ca raport între durata totală a întreruperilor la toţi utilizatorii întrerupţi şi numărul total al utilizatorilor conectaţi în sistemul analizat

, (1.24)

în care Ns este numărul utilizatorilor întrerupţi peste 3 minute în întreruperea s, n numărul total de întreruperi, Nt – numărul total al utilizatorilor deserviţi, Ds durata de întrerupere a utilizatorilor (minute) la întreruperea s;

Indicator frecvenţă medie de întrerupere la nivel de sistem SAIFI (system average interruption frequency index) ca raport între numărul total al utilizatorilor, întrerupţi la fiecare dintre întreruperile de lungă durată şi numărul total al utilizatorilor conectaţi în sistemul analizat

34

Page 35: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

, (1.25)

în care Ns este numărul utilizatorilor întrerupţi peste 3 minute în întreruperea s, n numărul total de întreruperi, Nt – numărul total al utilizatorilor deserviţi;

Indicator durata medie de întrerupere la nivelul utilizatorului întrerupt CAIDI (customer average interruption duration index) ca raport între durata totală a întreruperilor la toţi utilizatorii întrerupţi şi numărul total al utilizatorilor, întrerupţi la fiecare dintre întreruperile de lungă durată

,

(1.26)

în care Ns este numărul utilizatorilor întrerupţi peste 3 minute în întreruperea s, n numărul total de întreruperi, Ds durata de întrerupere a utilizatorilor (minute) la întreruperea s;

Indicator frecvenţa medie de întrerupere la nivel de sistem ASIFI (average system interruption frequency index) ca raport între puterea aparentă totală întreruptă şi puterea total St

în funcţiune (conectată, instalată) în sistemul analizat

,(1.27)

în care Ss este puterea întreruptă la întreruperea s, n numărul total de întreruperi; Indicator frecvenţa medie de întrerupere la nivelul utilizatorului întrerupt CAIFI

(customer average interruption frequency index) ca raport între numărul total al utilizatorilor, întrerupţi la fiecare dintre întreruperile de lungă durată şi numărul total Nca al utilizatorilor afectaţi de una sau mai multe întreruperi în perioada analizată

,(1.28)

în care Ns este numărul utilizatorilor întrerupţi peste 3 minute în întreruperea s, n numărul total de întreruperi. Un utilizator afectat de mai multe întreruperi se numără o singură dată în calculul acestui indicator.

Indicator durata medie de întrerupere la nivel de sistem ASIDI (average system interruption duration index) ca raport între energia nelivrată pe durata tuturor întreruperilor şi numărul total Nt al utilizatorilor deserviţi în sistemul analizat

,

(1.29)

35

Page 36: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

în care Ss este puterea întreruptă la întreruperea s, n numărul total de întreruperi, Ds durata de întrerupere a utilizatorilor (minute) la întreruperea s;

Indicator frecvenţa medie a întreruperilor momentane (de scurtă durată) MAIFI (momentary average interruption frequency index) ca raport între numărul total al utilizatorilor întrerupţi pe durate scurte şi numărul total Nt al utilizatorilor deserviţi în sistemul analizat

,(1.30)

în care M este numărul total al incidentelor de scurtă durată, Nm – numărul utilizatorilor întrerupţi pe durate scurte (sub 3 minute), la fiecare întrerupere m.

Indicatorii SAIFI şi SAIDI caracterizează numărul şi durata medie a unei întreruperi de durată la care se poate aştepta un utilizator.

Indicatorii CAIFI şi CAIDI sunt similari, dar sunt normalizaţi în raport cu utilizatorii care au suferit real o întrerupere.

SAIFI şi SAIDI, numeric diferite de CAIFI şi CAIDI, permit ridicarea problemelor la nivel de medie zonală la nivelul întregului sistem.

MAIFI este similar cu SAIFI dar sunt numărate numai întreruperile de scurtă durată. De regulă, MAIFI este aproximativ de acelaşi ordin de mărime sau mai mare decât SAIFI.

Între indicatorii de calitate, din punctul de vedere al întreruperilor de scurtă şi lungă durată, utilizaţi în Europa şi cei recomandaţi de IEEE există o serie de corelări. Astfel indicatorul de disponibilitate medie a serviciului ASAI poate fi corelat cu indicatorul SAIDI

.

(1.31)

Durata unei întreruperi corespunde intervalului de timp în care tensiunea rămâne sub 1% din tensiunea contractată. Determinarea apariţiei unei întreruperi se face pe baza măsurătorilor valorii efective pe jumătate de perioadă a tensiunii alternative.

1.6.2 Mijloace pentru limitarea daunelor datorate întreruperilor de lungă durată

Pentru alimentarea continuă a proceselor industriale, la puteri relativ mari şi în cazul întreruperilor de lungă durată, pot fi utilizate schemele din figura 1.17 [22], în care, pe durata întreruperii, receptoarele critice sunt alimentate de la un generator de rezervă antrenat de un motor cu combustibil.

Pe durata, relativ redusă, în care are loc pornirea motorului Diesel de intervenţie MDI, sursa de energie o reprezintă volantul V, conectat pe acelaşi ax cu maşinile electrice.

În regim normal de funcţionare, întreruptorul de cuplă IC este conectat astfel încât consumatorii sunt alimentaţi din reţeaua publică. De asemenea, este alimentat motorul care antrenează volantul şi generatorul funcţionând în gol (în schema din figura 1.17 b) este utilizată o maşină reversibilă). La întreruperea tensiunii de alimentare, generatorul, antrenat într-o primă etapă de energia cinetică a volantului şi apoi de motorul Diesel MDI, preia sarcina receptoarelor critice.

36

Page 37: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

.Ca o variantă a schemelor din figura 1.17 este utilizată schema din figura 1.18 în care, la o

întrerupere de lungă durată, pe durata scurtă până la pornirea motorului diesel, receptoarele critice sunt alimentate prin intermediul unui echipament UPS cu stocare în baterie de acumulatoare.

37

Page 38: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Având în vedere costurile relativ ridicate ale schemelor cu alimentare neîntreruptibilă pe durate mari, apare necesară, atât selectarea raţională a categoriei receptoarelor critice, cât şi analiza posibilităţilor de rezervare pe partea tehnologică, astfel încât să se limiteze daunele care apar la întreruperi de lungă durată ale alimentării cu energie electrică din reţeaua publică.

1.7 Creşteri de tensiune

1.7.1 Evaluarea creşterilor de tensiune

Creşterile de tensiune (fig. 1.19) sunt perturbaţii bidimensionale definite prin amplitudine şi durată şi sunt evaluate pe baza măsurătorilor privind valoarea efectivă pe o jumătate de perioadă.

Evaluarea supratensiunilor (creşteri de tensiune) se poate face în funcţie de un prag limită Up (fig. 1.20) şi având în vedere tensiunea de histerezis Uh .

Normele europene recomandă caracterizarea supratensiunilor temporare pe baza matricii tensiune timp (tabelul 1.9) [11] în care, în funcţie de durată, acestea se împart în trei clase, corespunzătoare coloanelor matricii: instantanee (cu durată sub 1 s), momentane (cu o durată cuprinsă între 1 s şi 1 minut) şi de lungă durată (peste 1 minut).

38

Page 39: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Tabelul 1.9Evaluarea creşterilor de tensiune

Creşterea de tensiune

Durata creşterii de tensiunetS < 1 s 1 s tS < 1 minut tS 1 minut

1,1 < U/Uc 1,21,2 < U/Uc 1,41,4 < U/Uc 1,61,6 < U/Uc 2

U/Uc > 2

Deşi intervalele de timp, corespunzătoare celor trei clase, nu se regăsesc în toate normativele naţionale, împărţirea în trei clase este generalizată.

Datele, pe durata unui an, cuprinse în fiecare celulă a matricii tensiune-timp, stau la baza evaluării performanţelor furnizorilor de energie electrică şi caracterizarea fiecărui nod al reţelei electrice din punctul de vedere al calităţii energiei electrice. De asemenea, datele cuprinse în matrice permit calculul unor indicatori de evaluare a calităţii energiei electrice din punctul de vedere al supratensiunilor [21]:

frecventa medie a variaţiilor de tensiune la nivel de sistem SARFIx% (system Average rms (variation) frequency indexvoltage) calculată ca raportul dintre numărul de utilizatori care au suportat o variaţie a valorii efective a tensiune peste x% din tensiunea contractată, pe durata analizată, şi numărul total Nt de utilizatori deserviţi de sistemul analizat

, (1.32)

în care Ni este numărul utilizatorilor afectaţi de variaţia de tensiune, la fiecare dintre envenimentele i, n numărul total de evenimente cu variaţie de tensiune, pe durata analizată, în sistemul analizat;

Pragul x% este în mod obişnuit de 140, 120 şi 110; frecvenţa medie a variaţiilor instantanee de tensiune SIARFIx% (system instantaneous

average rms (variation) frequency indexvoltage) calculată ca raportul dintre numărul de utilizatori care au suportat o variaţie instantanee a valorii efective a tensiunii peste x% din tensiunea contractată, pe durata analizată, şi numărul total Nt de utilizatori deserviţi de sistemul analizat

, (1.33)

în care NIi este numărul utilizatorilor afectaţi de variaţia de tensiune, la fiecare dintre evenimentele i, n numărul total de evenimente cu variaţie de tensiune, pe durata analizată, în sistemul analizat.

Pragul x% este în mod uzual de 140, 120 şi 110; frecvenţa medie a variaţiilor momentane de tensiune SMARFIx (system instantaneous

average rms (variation) frequency indexvoltage) calculată ca raportul dintre numărul de utilizatori

39

Page 40: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

care au suportat o variaţie instantanee a valorii efective a tensiunii peste x% din tensiunea contractată, pe durata analizată, şi numărul total Nt de utilizatori, deserviţi de sistemul analizat

, (1.34)

în care NMi este numărul utilizatorilor afectaţi de variaţia de tensiune, la fiecare dintre evenimentele i, n numărul total de evenimente cu variaţie de tensiune, pe durata analizată, în sistemul analizat.

Pragul x% este în mod uzual de 140, 120 şi 110. Durata variaţiilor valorii efective de tensiune luate în consideraţie sunt cuprinse între 30 perioade ale tensiunii alternative şi 3 s;

frecvenţa medie a variaţiilor temporare de tensiune STARFIx% (system temporary average rms (variation) frequency indexvoltage) calculată ca raportul dintre numărul de utilizatori care au suportat o variaţie temporară a valorii efective a tensiunii peste x% din tensiunea contractată, pe durata analizată, şi numărul total Nt de utilizatori, deserviţi de sistemul analizat

, (1.35)

în care NTi este numărul consumatorilor afectaţi de variaţia de tensiune, la fiecare dintre evenimentele i, n numărul total de evenimente cu variaţie de tensiune, pe durata analizată, în sistemul analizat.

Pragul x% este în mod obişnuit de 140, 120 şi 110. Durata variaţiilor valorii efective de tensiune, luate în consideraţie, este cuprinsă între 3 şi 60 s.

Determinarea indicatorilor SARFIx% , SIARFIx% , SMARFIx% şi STARFIx% necesită, în afara datelor măsurate privind amplitudinea şi durata golurilor în nodurile reţelei electrice, şi informaţii privind utilizatorii afectaţi de aceste perturbaţii.

1.7.2 Utilizarea curbelor CBEMA şi ITIC

În cazul receptoarelor electrice ale utilizatorilor, nivelul şi durata creşterilor de tensiune trebuie să fie comparate cu curba de susceptibilitate a echipamentului (de exemplu, ramura superioară a curbelor CBEMA sau ITIC) figura 1.21 şi figura 1.22.

40

Page 41: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Curbele de tipul CBEMA şi ITIC sunt indicate de către constructorii de echipamente şi trebuie să fie comparate cu valorile măsurate ale supratensiunilor, ca amplitudine şi durată, pentru a evalua posibilitatea funcţionării acestor echipamente în nodul reţelei electrice din care sunt alimentate. Informaţiile obţinute pot sta la baza adoptării de decizii privind adoptarea de soluţii pentru îmbunătăţirea calităţii energiei electrice.

Compararea datelor din tabelul 5.9, obţinute pe durata unui an, cu valorile admise permite evaluarea măsurilor adoptate pentru limitarea supratensiunilor în reţeaua electrică.

1.8 Fluctuaţii de tensiune (efect de flicker)

1.8.1 Indicatori de flicker

41

Page 42: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Variaţiile aleatorii ale sarcinii ca, de exemplu, în cazul cuptoarelor cu arc electric, determină la barele de alimentare variaţii aleatorii de tensiune (fig. 1.23) care pot afecta calitatea energiei electrice furnizată celorlalţi utilizatori, conectaţi la aceleaşi bare. Nivelul de flicker, sesizat de ochiul uman ca variaţii ale fluxului luminos emis de sursele de lumină, este determinat cu ajutorul flickermetrului, care ia în consideraţie senzaţia de iritabilitate a ochiului la depăşirea unui anumit nivel al variaţiei tensiunii de alimentare.

Studiile de inconfort fiziologic au arătat faptul că starea de iritabilitate intervine atunci când variaţiile de tensiune au o anumită valoare şi o anumită repetabilitate, indicate de curba de iritabilitate (fig. 1.24), construită pentru variaţii dreptunghiulare ale tensiunii de alimentare [7]. Această curbă de iritabilitate reprezintă elementul de bază în evaluarea nivelului de flicker.

42

Page 43: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Forma de variaţie a tensiunii de alimentare şi durata acesteia (fig. 1.25) au o influenţă importantă asupra senzaţiei de inconfort vizual, iar pentru evaluarea nivelului de flicker pe baza curbei de iritabilitate, diferitele tipuri de variaţie sunt reduse la o variaţie dreptunghiulară pe baza unor factori de influenţă. În figura 1.25 sunt indicate 7 variaţii ale tensiunii.

43

Page 44: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Determinarea nivelului de flicker se face pe baza valorilor efective ale tensiunii măsurate la fiecare 10 ms (fig. 1.26) [7]. În figura 1.26 sunt indicate eşantioanele achiziţionate în zona a două variaţii de tensiune (intervalele t1 t2 şi t2 t3). De asemenea este indicată valoarea maximă a variaţiei Umax , abaterea remanentă Uc şi modificarea în timp a variaţiei u(t).

Fiind cunoscută forma variaţiilor de tensiune, cu ajutorul factorilor de formă F este posibilă echivalarea acestora cu variaţii dreptunghiulare de amplitudine Fdmax , în care variaţia relativă dmax rezultă prin raportarea valorii valorii Umax la valoarea contractată a tensiunii (dmax = Umax/Uc (pentru variaţii dreptunghiulare, factorul de formă este unitar).

Valorile obţinute, pentru fiecare dintre variaţii, numite flicker instantaneu sunt plasate succesiv într-un sistem de axe dreptunghiulare (fig. 1.27) determinând o curbă de variaţie a acestuia. Pe baza curbei de variaţie a flickerului instantaneu se construieşte curba de probabilitate cumulată CPF (Cumulative Probability Function) (fig. 1.28) [7].

Indicatorul Pst de flicker pe termen scurt se determină, pe o fereastră de monitorizare de 10 minute din relaţia [7]

,(1.36)

44

Page 45: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

în care valorile procentuale P0,1 , P1, P3, P10 şi P50 reprezintă niveluri ale flickerului depăşite în 0,1; 1; 3; 10 şi 50% din timp, pe intervalul de observaţie.

Indicele s din relaţia (1.36) arată că trebuie utilizate valorile netezite. Aceste valori se obţin din relaţiile

Constanta de timp de 0,3 s a memoriei flickermetrului asigură ca P0,1 să nu se modifice într-un mod brusc şi, deci, nu este necesară netezirea pentru această valoare.

Intervalul de timp de 10 minute, pe care se bazează evaluarea nivelului flickerului de scurtă durată, este adecvat pentru aprecierea perturbaţiilor determinate de sursele cu un ciclu de funcţionare redus.

Dacă trebuie să se ţină seama de efectul combinat al mai multor sarcini perturbatoare cu funcţionare aleatorie (de exemplu, instalaţii de sudare sau motoare) sau când se studiază sursele de flicker cu ciclu lung şi variabil de funcţionare (de exemplu, cuptoare cu arc electric) este necesar să se dispună de un criteriu de evaluare a nivelului flickerului de lungă durată.

Pentru determinarea nivelului flickerului de lungă durată Plt , sunt utilizate valorile Pst ale flickerului de scurtă durată, determinate pe intervale succesive timp de două ore

, (1.37)

în care Psti (i = 1, 2, 3....) reprezintă citiri succesive ale valorilor Pst corespunzătoare flickerului de scurtă durată. În relaţia (1.37) s-a avut în vedere faptul că sumarea perturbaţiilor sub formă de flicker se face după o lege cubică.

45

Page 46: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice46

Page 47: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

1.8.2 Evaluarea nivelului de flicker

Schema de principiu a conectării unui flickermetru la barele monitorizate ale unui utilizator care determină perturbaţii sub formă de fluctuaţii de tensiune (de exemplu, cuptor cu arc electric) este indicată în figura 1.29.

În figura 1.30 este indicată curba probabilităţii cumulate la barele de 110 kV ale unui consumator industrial care generează flicker.

Evaluarea calităţii energiei electrice din punctul de vedere al flickerului se face conform următoarei proceduri [5]:

datele luate în considerare corespund unui interval de monitorizare de o săptămână; sunt analizate valorile succesive la fiecare 10 minute ale indicatorului Pst ; sunt invalidate valorile obţinute pe durata în care tensiunea la bare este în afara

intervalului Uc 15% sau în care apar goluri de tensiune cu adâncime mai mare sau egală cu 15% din tensiunea contractată;

se evaluează indicatorul Plt pe baza a 12 valori valide şi consecutive ale indicatorului Pst; se determină numărul N de valori valide ale mărimii Plt ; se determină numărul N1 în care indicatorul Plt depăşeşte valoarea unitară; se verifică dacă N1/N 0,05.

1.8.3 Soluţii pentru limitarea efectului de flicker

Variaţiile tensiunii la barele de alimentare ale unor utilizatori cu variaţii aleatorii ale sarcinii, în speciale ale puterii reactive, determină flicker observabil în special în sistemele de iluminat electric, dar şi la monitoarele echipamentelor de calcul, precum şi la ecranele TV.

Variaţiile de tensiune sunt determinate, în special, de circulaţia de putere reactivă din reţeaua electrică. Ca exemplu, în figura 1.29 se consideră un utilizator.

47

Page 48: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

alimentat prin intermediul unei linii electrice cu reactanţa X şi rezistenţa electrică R. Dacă se consideră că tensiunea U din sistem rămâne practic constantă, căderea de tensiune longitudinală U pe linie rezultă [15]

, (1.38)

sau

. (1.39)

Din relaţia (1.39) se observă faptul că limitarea variaţiilor de tensiune poate fi obţinută fie prin limitarea puterii reactive absorbită din reţeaua electrică de alimentare, fie prin creşterea curentului de scurtcircuit în nodul de alimentare.

Controlul în timp real al puterii reactive este cea mai eficientă soluţie pentru încadrarea flickerului în limitele admisibile.

Analiza curbelor din figura 1.32 pune în evidenţă reducerea variaţiilor de tensiune prin implementarea unui sistem de control al variaţiilor de putere reactivă.

48

Page 49: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Variaţia maximă a puterii reactive a consumatorului perturbator de 32 MVAr, antrenează, la barele de alimentare, o variaţie de 18% a tensiunii, ceea ce determină o calitate necorespunzătoare a energiei furnizată celorlalţi utilizatori din zonă. Realizarea instalaţiei de control în timp real a puterii reactive determină absorţia din reţea a unei puteri reactive cu o variaţie maximă de 8 MVAr, ceea ce conduce la o variaţie maximă de tensiune de 3%. În acest fel, tensiunea de la barele de alimentare prezintă o calitate corespunzătoare.

Pentru controlul în timp real al puterii reactive există mai multe soluţii (fig.1.33) în funcţie de rigiditatea nodului (curentul de scurtcircuit) în care este plasat consumatorul perturbator şi de acurateţea necesară de reglare. Ca exemplu, în figura 1.33 a) este indicată curba puterii reactive absorbită de consumatorul perturbator, iar în figurile 1.33 b), 1.33 c) şi 1.33 d) sunt prezentate cele trei soluţii principial posibile pentru reglare. Acoperirea necesarului de putere reactivă cu condensatoare prezintă dezavantajul reglării în trepte. Totuşi acest sisteme de reglare asigură, în cele mai multe cazuri, încadrarea tensiunii la bare în limitele admise şi este sistemul cel mai utilizat. Utilizarea bobinelor cu reglare continuă asigură menţinerea tensiunii la valoarea de consemn, dar are dezavantajul că determină apariţia de armonice, datorită prezenţei elementelor semiconductoare în schemă.

Variaţiile de tensiune, determinate de pornirile repetate ale motoarelor mari, conectate direct în reţeaua de alimentare, pot fi limitate prin controlul curentului de pornire. Soluţiile utilizând pornirea stea-trunghi sau controlul curentului de pornire cu ajutorul echipamentelor soft-starter

49

Page 50: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

permit limitarea căderilor de tensiune la valori care să nu afecteze calitatea energiei electrice furnizată altor consumatori.

Aspectele prezentate mai sus pun în evidenţă faptul că, în prezent, există soluţii, tehnic realizabile şi eficiente pentru limitarea variaţiilor de tensiune, în timp real, până la nivelul dorit. Este necesară o cunoaştere exactă a caracteristicilor perturbaţiei şi alegerea celei mai bune soluţii, atât din punct de vedere tehnic, cât şi economic.

Desigur că este necesar a analiza şi posibilitatea creşterii curentului de scurtcircuit în nodul în care este conectat consumatorul pentru a reduce nivelul variaţiilor de tensiune. Această soluţie impune investiţii în reţeaua electrică de alimentare (de exemplu prin realizarea unei noi linii de alimentare), care sunt acoperite evident de consumator. În mod obişnuit, soluţia cu controlul puterii reactive la consumator necesită un efort investiţional mai redus şi este adoptată de consumatorii perturbatori.

50

Page 51: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

1.9 Armonice şi interarmonice

Prezenţa armonicelor şi interarmonicelor în sistemul electroenergetic este datorată elementelor cu caracteristică neliniară. Prezenţa acestora, din ce în ce mai frecventă în sistemele electroenergetice moderne, determină ca analiza efectuată să aibă un caracter particular. În acest sens, problemele specifice armonicelor şi interarmonicelor sunt analizate într-un capitol special.

Deşi echipamentele pentru prelucrarea datelor achiziţionate în scopul analizei armonicelor şi interarmonicelor sunt din ce în ce mai perfecţionate, evaluarea exactităţii informaţiilor finale obţinute depinde, în mare măsură, de caracteristicile de transfer ale fiecărui element al lanţului de măsurare (fig. 1.34) [5].

În etapa actuală, în mod obişnuit, transformatoarele de măsurare de tensiune, TT, şi cele de curent electric, TC, prezintă caracteristici de transfer cel mai puţin performante dintre toate elementele lanţului de măsurare. Informaţiile imprecise de la bornele de ieşire ale transformatoarelor de măsurare de tensiune şi de curent electric sunt determinate, atât de caracteristicile de frecvenţă limitate ale acestora, cât şi de utilizarea lor în afara zonelor normate de lucru (transformatoare de măsurare de curent electric parcurse de curenţi primari prea mici sau cu o sarcină excesivă în secundar, transformatoare de tensiune cu o sarcină excesivă în secundar sau cu o tensiune prea mare în primar). Pentru măsurări privind calitatea energiei electrice, transformatoarelor de măsurare trebuie să aibă o clasă de exactitate mai bună de 0,5 şi să nu fie încărcate mai mult de 25 VA.

Informaţii generale privind caracteristicile de frecvenţă ale transformatoarelor actuale de măsurare de tensiune, pentru echipamente în domeniul de tensiuni de la 6 kV la 400 kV sunt prezentate în figura 1.35 [8]. Analiza efectuată relativ la limita de variaţie de 5% (sau cel mult 5) până la o frecvenţă dată pune în evidenţă următoarele aspecte:

în domeniul tensiunilor medii, transformatoarele de măsurare de tensiune, având în vedere exactitatea impusă în amplitudine (5%), sunt în general corespunzătoare până la 1 kHz; circa 60% din totalul TT acoperă tot domeniul de armonice de analizat (2500 Hz);

51

Page 52: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

dacă în domeniul MT se ţine seama şi de limita suplimentară de 5 , TT sunt corespunzătoare până la 700 Hz; circa 50% dintre acestea acoperă tot domeniul de armonice de analizat;

în domeniul tensiunilor înalte, TT sunt corespunzătoare, în general, până la 0,5 kHz; dacă se adoptă măsuri speciale pentru a asigura menţinerea raportului de transformare, TT pot să acopere tot domeniul armonic; această condiţie este de aşteptat să fie îndeplinită la TT de construcţie recentă;

în domeniul tensiunilor foarte înalte, TT sunt corespunzătoare numai pentru armonice până la rangul 5; dacă se adoptă măsuri speciale, erorile pot fi acceptabile până la 1 kHz.

Datele existente până în prezent privind caracteristicile de frecvenţă ale transformatoarelor de măsurare de curent electric arată următoarele:

în domeniul tensiunilor medii, se consideră că TC sunt corespunzătoare pentru măsurarea în tot domeniul armonic; la măsurarea defazajelor, acest domeniu se reduce la circa 1,5 kHz;

în domeniul tensiunilor înalte şi foarte înalte, erorile în funcţie de frecvenţă pot fi mari, însă sunt, în general, inferioare celor de la TT.

În multe instalaţii de înaltă tensiune, pentru măsurătorile de tensiune sunt uti lizate TEC (o combinaţie între un divizor capacitiv şi un transformator de izolare inductiv, lucrând pe un circuit ferorezonant); acestea nu sunt corespunzătoare pentru măsurarea armonicelor.

Informaţiile actuale indică faptul că în domeniul tensiunilor joase TT şi TC actuale sunt corespunzătoare pentru transferul informaţiilor în domeniul până la 2500 Hz.

Erorile datorate transformatoarelor actuale de tensiune şi de curent electric, exterioare, determină ca informaţiile privind mărimile reale din circuitele de medie, înaltă şi foarte înaltă tensiune, mai ales în cazul semnalelor puternic distorsionate, să fie imprecise, definind un semnal mai puţin deformat decât cel real (armonicele superioare sunt transmise cu o pondere mai redusă şi deci distorsiunea pare a fi mai mică).

Realizarea unor traductoare moderne de tensiune şi de curent electric, având caracteristică de frecvenţă corespunzătoare, pentru frecvenţe cel puţin de 2500 Hz, este una dintre

52

Page 53: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

preocupările importante ale specialiştilor în domeniu. Soluţiile actuale¸ în domeniul tensiunilor înalte şi foarte înalte, utilizând traductoare optice (DOVT Digital Optical Voltage Transducer şi DOCT Digital Optical Current Transducer) [25], iar în domeniul tensiunilor medii şi joase, utilizând traductoare cu efect Hall, permit transferul unor informaţii nedistorsionate privind semnalul de măsurat, până la frecvenţe de peste 2500 Hz.

Dacă sunt necesare măsurători foarte exacte, se impune utilizarea de divizoare rezistive (în domeniul tensiunilor joase, UN < l kV) sau divizoare capacitive (UN l kV).

Utilizarea cleştilor de curent electronici drept traductoare exterioare de curent electric permite măsurarea corectă în tot domeniul de frecvenţă necesar, însă nivelul lor redus de izolaţie limitează, în general, folosirea lor numai în circuitele de joasă tensiune, de exemplu, în secundarul unui TC. Curentul de offset al acestor convertoare poate deforma măsurarea privind componenta continuă.

Din punctul de vedere al exactităţii informaţiilor obţinute, echipamentele de măsurare sunt de trei tipuri [5]:

echipamentele de clasă A sunt utilizate dacă sunt necesare determinări exacte, de exemplu în cazul decontărilor de energie, verificarea compatibilităţii cu standardele de calitate a energiei electrice, analiza unor dispute între părţile contractante;

echipamentele de clasă B sunt utilizate pentru o urmărire de ansamblu, lucrări de reparaţii şi în alte cazuri în care incertitudinea de măsurare nu prezintă o importanţă deosebită;

echipamentele de clasă S care sunt utilizate pentru analiza statistică a mărimilor înrgistrate pe durata măsurătorilor; trebuie să aibă aceleaşi performante ca echipamentele din clasa A.

În general, în analiza problemelor de calitate a energiei electrice sunt utilizate echipamente de clasă A.

Analiza calităţii energiei electrice în nodurile reţelei electrice implică, în principiu, două etape diferite, în care sunt utilizate două tipuri diferite de echipamente. Într-o primă etapă, are loc o analiză de prezenţă a unor fenomene perturbatoare. Sunt utilizate echipamente cu o importantă funcţie de osciloscop, având posibilitate relativ redusă de memorare şi simplitate de conectare. După stabilirea nodurilor în care urmează a se aprofunda studiul calităţii energiei electrice, sunt conectate echipamente de monitorizare pe termen lung, caracterizate de posibilităţi importante de prelucrare şi stocare a datelor, fiabilitate ridicată, posibilitate de transfer a datelor pentru prelucrare exterioară.

1.10 Perturbaţii sub formă de nesimetrie

1.10.1 Indicatori privind nesimetria de tensiune şi de curent electric

Definirea factorilor de nesimetrie şi utilizarea acestora în analizele de regimuri în sistemele electroenergetice folosind relaţii bazate pe descompunerea în compo-nente simetrice permite, în cazul mărimilor sinusoidale, determinarea, prin calcul, a acestora, dacă se cunoaşte, în detaliu, configuraţia reţelei electrice analizate. În mod obişnuit, calculul se efectuează în cazul apariţiei unor defecte nesimetrice într-o reţea electrică cu parametri cunoscuţi. Adoptarea ipotezei mărimilor sinusoidale în calculul curenţilor de defect poate fi acceptată, din punct de vedere practic, oferind datele necesare dimensionării sistemelor de protecţie şi a circuitelor parcurse de curentul de defect. Analiza circulaţiei curenţilor electrici în reţeaua electrică pleacă

53

Page 54: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

de la premiza că parametrii reţelei electrice sunt egali pe cele trei faze, ceea ce de cele mai multe ori poate fi acceptat doar într-o primă aproximaţie.

În regim normal de funcţionare, adoptarea ipotezei mărimilor sinusoidale, poate conduce, de multe ori, la erori importante care să distorsioneze informaţia privind nesimetria. În aceste cazuri se preferă efectuarea de măsurători pentru evaluarea nivelului de nesimetrie.

Problema cea mai importantă, referitoare la calculul teoretic şi la determinările experimentale, constă în existenţa unor definiţii insuficient de precise pentru regimul nesinusoidal, în cazul real al sistemului electroenergetic. În acest sens, pot să rezulte informaţii insuficient de clare din punctul de vedere al deciziilor care trebuie adoptate pentru limitarea nesimetriilor.

Folosirea descompunerii în componente simetrice, metodă larg utilizată în Europa şi recomandată de normele CEI, este utilizabilă numai în cazul unor mărimi strict sinusoidale. Având în vedere faptul că, în prezent, practic, nu mai sunt întâlnite, în instalaţiile electrice, mărimi sinusoidale, descompunerea sistemelor trifazate în componente simetrice este aplicabilă numai armonicilor fundamentale, iar factorii de nesimetrie se referă doar la acestea. Prin extensie poate fi utilizată şi o descompunere în componente simetrice a armonicelor. În acest fel, analiza de nesimetrie a sistemelor trifazate impune, iniţial, o analiză a distorsiunii semnalelor şi determinarea armonicei fundamentale.

Analiza nesimetriei unui sistem trifazat sinusoidal se face pe baza teoremei Fortescue [3, 26] care permite descompunerea unui sistem trifazat sinusoidal nesimetric UA, UB , UC în trei sisteme monofazate independente U +, U şi U 0 de secvenţă pozitivă, negativă şi respectiv zero, luând astfel în consideraţie, atât nesimetria de modul, cât şi nesimetria de unghi

.(1.40)

în care operatorul a are expresia

.Valorile astfel determinate ale mărimilor de secvenţă pozitivă, negativă şi zero permit

calculul factorilor de nesimetrie: factorul de nesimetrie negativă ks

; (1.41)

factorul de nesimetrie zero ks0

; (1.42)

factorul total de nesimetrie kst

kst = ks+ + ks

0; (1.43)

factorul complex de nesimetrie negativă ks

; (1.44)

54

Page 55: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

în care este defazajul între fazorii componentelor de secvenţă pozitivă şi negativă;

factorul complex de nesimetrie zero ks0

, (1.45)

în care 0 este defazajul între fazorii componentelor de secvenţă pozitivă şi zero.Recomandările IEEE pentru evaluarea nesimetriei iau în consideraţie numai nesimetria de

modul pe baza relaţiei [5.26]:

,(1.46)

în care valoarea medie rezultă ca medie aritmetică a celor trei mărimi analizate.Pentru evaluarea nesimetriei sunt utilizate şi implementate, în unele dintre echipamentele

de analiză a nesimtriei, şi următorele definiţii ale indicatorilor de nesimetrie [20]: factor mediu de nesimetrie ks

m

, (1.47)

factor de nesimetrie al mărimilor între faze ksf

, (1.48)

în care

. (1.49)

Factorul de nesimetrie ksf poate fi scris şi sub forma

. (1.50)

în care

. (1.51)

factorul de nesimetrie al abaterilor de tensiune ksa

. (1.52)

în care

55

Page 56: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Indicatorii determinaţi cu diferite relaţii de definiţie, pot să difere relativ mult, unii faţă de alţii, astfel încât este necesară cunoaşterea în detaliu a algoritmului de calcul implementat în echipament.

Principala problemă a definiţiei sistemului european este faptul că este valabilă numai în cazul mărimilor sinusoidale, ceea corespunde unor cazuri rare în sistemul electroenergetic. În multe cazuri, curbele de tensiune pot fi asimilate unor curbe sinusoidale, însă curbele de curent electric, în mare majoritate a cazurilor, sunt puternic deformate şi nu pot fi, nici măcar aproximativ, asimilate unor curbe sinusoidale. De exemplu, tensiunile definite în relaţia de mai jos, au aceeaşi componentă fundamentală, au forme diferite şi amplitudini diferite, dar pot fi considerate ca fiind simetrice conform definiţiei CEI:

(1.53)

De asemenea, sistemul de tensiuni

(1.54)

deşi componentele fundamentale au amplitudini diferite şi forme diferite, sunt considerate simetrice conform definiţiei IEEE, având module egale.

În analiza ariei de vulnerabilitate a perturbaţiei sub formă de nesimetrie, definită cu ajutorul componentelor simetrice, se adoptă ipoteza că impedanţele sistemului sunt egale pe cele trei faze. Dacă această condiţie nu este îndeplinită metoda componentelor simetrice oferă numai informaţii aproximative.

1.10.2 Determinarea experimentală a parametrilor corespunzători

56

Page 57: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

secvenţelor simetrice pentru o reţea electrică

Dacă se consideră că sistemul analizat prezintă parametri egali pe cele trei faze, mărimile corespunzătoare componentelor simetrice pot fi determinate experimental (fig. 1.36).

Determinarea prin calcul sau experimental a mărimilor corespunzătoare componentelor simetrice permite reprezentarea reţelei trifazate prin trei reţele monofazate independente (fig. 1.37).

Determinarea valorilor punctuale ale factorilor de nesimetrie pe baza definiţiei CEI poate fi realizată utilizând echipamente specializate, dar şi pe baza unor circuite specializate care oferă rezultate în timp real (filtre de componente de secvenţă).

Determinarea factorilor de nesimetrie pe baza definiţiei IEEE

, (1.55)

cu

,

se face numai prin măsurarea directă a tensiunilor pe cele trei faze.

57

Page 58: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice58

Page 59: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

1.10.3 Măsurarea cu ajutorul echipamentelor specializate

Necesitatea de a menţine, în reţeaua electrică, un factor de nesimetrie de 1% sau 2% impune o monitorizare a nivelului de nesimetrie, compararea cu nivelurile admise şi, în unele cazuri, alarmarea la depăşirea acestora.

Măsurarea directă cu ajutorul voltmetrelor sau ampermetrelor este practic posibilă numai pentru o evaluare grosieră a existenţei nesimetriei în reţea.

Având in vedere modificarea în timp a factorului de nesimetrie apare necesitatea urmăririi continue şi prelucrarea, conform unui algoritm impus, a datelor obţinute.

Plecând de la ipoteza unor mărimi practic sinusoidale, determinarea factorilor de nesimetrie poate fi realizată pe baza valorilor a 32 eşantioane pe o perioadă (de fapt echipamentele de măsurare actuale sunt utilizate, în general, şi pentru măsurarea altor mărimi, astfel încât sunt disponibile cel puţin 126 eşantioane pe o perioadă).

În cazul determinărilor in sisteme cu curbe distorsionate, este obligatorie utilizarea unui filtru trece jos pentru a elimina componentele cu frecvenţe peste 50 Hz.

Pentru efectuarea măsurătorilor privind factorul de nesimetrie, este necesar să se verifice exactitatea de măsurare a transformatoarelor de măsurare de tensiune şi de curent electric. Utilizarea de grupuri de măsurare cu o clasă de exactitate peste 0,5 nu este admisă deoarece conduce la erori de măsurare peste cele acceptabile. De asemenea, trebuie evitate sistemele de măsurare cu două transformatoare.

În general, valorile instantanee (determinate pentru o perioadă a mărimii electrice) nu prezintă importanţă. Conform recomandărilor CEI determinările, se fac pe intervale de observare succesive de 3 secunde conform relaţiei [5]:

,(1.56)

în care m este numărul de determinări pe durata fiecărui interval de 3 s. Conform normelor actuale, se consideră că determinarea pe 3 s se realizează pe baza

valorilor obţinute pe o fereastră de măsurare de circa 200 ms (10 perioade ale mărimii alternative analizate).

Valorile determinate pe intervale de observare de 3 s stau la baza determinării valorii de 10 min, utilizată ca mărime de referinţă pentru evaluarea nivelului de nesimetrie pe termen lung

59

Page 60: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

. (1.57)

Valorile de 10 minute sunt utilizate în evaluarea fenomenelor de supraîncălzite în circuitele convertoare trifazate. De asemenea, acestea stau la baza realizării curbei de probabilitate cumulată CPF pe durata unei săptămâni (maxim 1008 valori). Valoarea de 95% a curbei de probabilitate cumulată este utilizată pentru compararea cu valoarea normalizată şi pentru evaluarea nivelului de perturbaţie sub formă de nesimetrie. În acelaşi timp, se verifică faptul că niciuna dintre valorile de 3 s nu depăşeşte 1,5 ori valoarea admisă.

Măsurarea în cazul curbelor de curent electric urmează aceeaşi procedură ca şi în cazul tensiunilor. Determinările privind nesimetria curenţilor electrici pot fi utilizate pentru diagnosticul sau pentru coordonarea sistemelor de protecţie. Determinările pentru curbele de curent electric trebuie să ia în considerare faptul că acestea sunt, în mod obişnuit, mai deformate decât curbele de tensiune, astfel încât este recomandabil ca informaţiile privind durata unei semiperioade să fie obţinute din curbele de tensiune corespunzătoare.

În figura 1.38 sunt prezentate valori măsurate, pe durata unei zile, în două staţii de MT, la una dintre acestea fiind conectaţi consumatori cu un puternic dezechilibru de consum pe parcursul unei săptămâni [26].

1.10.4 Efecte ale regimurilor nesimetrice în reţelele electrice

În analiza regimurilor energetice din reţelele electrice se adoptă ipoteza iniţială că sursele din sistem determină la borne un sistem simetric al tensiunilor, iar nesimetria, în diferitele noduri din reţeaua electrică, este determinată, fie de sarcinile inegale pe fazele sistemului datorate consumatorilor dezechilibraţi, fie de impedanţele diferite pe fazele reţelei de transport şi distribuţie a energiei electrice. În acest fel, chiar în cazul unui consumator echilibrat, transferul de energie pe liniile din sistemul energetic conduce la apariţia regimurilor nesimetrice. Specific liniilor de transport al energiei electrice este şi faptul că acestea prezintă impedanţe mutuale, astfel că procesele de pe una dintre faze sunt determinate şi de fenomenele care au loc pe celelalte faze ale sistemului. De asemenea, prezenţa conductoarelor de protecţie conduce, în funcţie de configuraţia geometrică a liniei, la influenţe diferite asupra fazelor active ale liniei.

Analiza problemelor legate de nesimetrie cuprinde două aspecte distincte:

60

Page 61: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

influenţa asupra caracteristicilor de funcţionare ale echipamentelor alimentate cu tensiuni nesimetrice;

influenţa asupra indicatorilor economici şi tehnici ai reţelelor de transport şi de distribuţie, precum şi asupra generatoarelor din sistem.

În primul caz, furnizorul de energie electrică trebuie să asigure utilizatorului final încadrarea indicatorilor de nesimetrie de tensiune de pe barele de alimentare în limitele de calitate admise. Utilizatorul este interesat să monitorizeze tensiunile de alimentare pentru a avea informaţiile necesare privind nivelul de nesimetrie şi încadrarea sa în limitele admise.

În al doilea caz, utilizatorul trebuie să asigure încadrarea perturbaţiilor emise sub formă de nesimetrie în limitele alocate, stabilite de furnizorul de energie electrică din condiţia de calitate a energiei electrică furnizată celorlalţi utilizatori din reţeaua electrică. Furnizorul de energie electrică este interesat de monitorizarea curenţilor electrici absorbiţi de utilizator şi de verificarea încadrării nesimetriei acestora în limitele alocate a perturbaţiei.

Studiile privind alocarea nivelului de perturbaţii la utilizatorii finali, astfel ca, în ansamblu, să fie respectate condiţiile privind calitatea energiei electrice, precum şi studiile privind indicatorii economici ai transportului de energie electrică, necesită informaţii privind impedanţele reţelei electrice în regimuri nesimetrice. Aceste impedanţe sunt determinate prin calcule, care însă, în unele cazuri, necesită a fi validate prin măsurători.

Regimul nesimetric poate fi: temporar, dacă perturbaţia este determinată de defecte sau de regimuri de funcţionare

cu durată limitată în timp (scurtcircuite nesimetrice, întrerupere a unei faze, defecte la consumatori etc.);

permanent, dacă reţeaua electrică prezintă parametri de circuit diferiţi pe cele trei faze în regim normal de funcţionare.

Regimul nesimetric permanent poate fi determinat de: sarcinile inegale pe cele trei faze ale reţelei de alimentare de tensiune alternativă

trifazată; receptoarele monofazate repartizate inegal pe cele trei faze (iluminat stradal, consumatori

casnici etc.); receptoare bifazate (aparate de sudare electrică, cuptoare electrice de inducţie la frecvenţă

industrială, tracţiunea electrică etc.); receptoare trifazate dezechilibrate (cuptoare cu arc electric); impedanţe diferite ale liniilor electrice pe cele trei faze (în special la liniile electrice

aeriene).Datorită regimului nesimetric apar perturbaţii, atât la echipamentele electrice (maşini

electrice rotative, transformatoare, baterii de condensatoare, convertoare statice de putere), precum şi în reţelele electrice.

Cele mai importante efecte ale nesimetriei tensiunilor de alimentare constau în încălzirile, datorate pierderilor suplimentare, maşinilor electrice rotative de tensiune alternativă trifazată. Încălzirea suplimentară este determinată de curenţii de secvenţă negativă şi zero care parcurg înfăşurările maşinilor. De asemenea, nesimetria tensiunilor produce, în maşinile electrice rotative, cupluri pulsatorii de frecvenţă ridicată şi, în consecinţă, vibraţii, care se accentuează în cazul nesimetriilor fluctuante. În acelaşi timp, rezultă o reducere a randamentului motoarelor.

Nesimetria tensiunilor determină reducerea puterii reactive furnizată de bateriile de condensatoare.

61

Page 62: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Nesimetria curenţilor are ca principal efect producerea de pierderi suplimentare în reţelele electrice de transport şi distribuţie, precum şi în reţelele industriale, cu consecinţe negative asupra randamentului de transfer a energiei.

Regimul nesimetric are ca efect diminuarea randamentului instalaţiilor de redresare şi poate conduce la deteriorarea condensatoarelor filtrelor de netezire (apare o armonică de curent de rangul 2, proporţională cu factorul de netezire, care supraîncarcă condensatoarele din filtru).

Efectele regimurilor nesimetrice prezintă aspecte specifice în funcţie de unele caracte-ristici ale receptoarelor din reţeaua electrică.

În analiza efectelor regimurilor nesimetrice asupra receptoarelor trifazate de energie electrică este necesar a lua în consideraţie:

influenţa inegalităţii, în modul, a amplitudinilor tensiunilor trifazate; influenţa defazajelor, diferite de 2/3, între tensiunile de fază.

a) Efecte ale inegalităţii în modul a amplitudinilor tensiunilor trifazatePrezenţa, la bornele maşinilor rotative, a unor tensiuni nesimetrice conduce, chiar pentru o

componentă de secvenţă negativă de valoare scăzută, la o creştere considerabilă a pierderilor de putere activă, ceea ce are ca efect încălzirea suplimentară a înfăşurărilor şi a diferitelor părţi ale statorului şi ale rotorului.

Creşterea temperaturii afectează izolaţia înfăşurărilor. Astfel, de exemplu, prin creşterea temperaturii cu 8C, durata de viaţă a izolaţiei de clasă A a înfăşurărilor scade la jumătate.

Prin construcţie, motoarele asincrone prezintă o impedanţă de secvenţă negativă de circa 5 ori mai mare decât impedanţa de secvenţă pozitivă. Motorul asincron, alimentat cu tensiuni nesimetrice, absoarbe un curent de secvenţă negativă important, care determină:

încălzirea suplimentară a statorului şi a rotorului; diminuarea puterii disponibile, a cuplului util şi a duratei de viaţă.În tabelul 1.10 sunt prezintate date experimentale care caracterizează funcţionarea

motoarelor asincrone, în condiţiile alimentării cu tensiuni nesimetrice (nesimetria de tensiune se determină ca abaterea maximă a tensiunilor de fază faţă de valoarea medie pentru cele trei faze, raportată la valoarea medie) [3].

Experienţă arată că durata de viaţă a motoarelor asincrone scade la jumătate, la o nesimetrie a tensiunilor de 4%.

Tabelul 1.10Date experimentale referitoare la funcţionarea motoarelor asincrone,

alimentate cu tensiuni nesimetrice

ParametruNesimetria tensiunilor,

(%)0 2 3,5 5

Curentul de secvenţă negativă (%)Curentul din stator (%)CREŞTEREA PIERDERILOR (%)

- medie în stator- maximă

- în stator- în rotor

- în general, în motorCREŞTEREA TEMPERATURII, (oC)

- Clasă A- Clasă B

0100

0

000

6080

15101

2

33128

6586

27104

8

633925

75100

38107,5

15

937650

90120

62

Page 63: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

O deosebită importanţă o are influenţa nesimetriei tensiunilor asupra regimurilor de fun-cţionare ale maşinilor sincrone de puteri mari, frecvent întâlnite ca generatoare în centralele electrice. Studiile efectuate, în acest sens, au permis elaborarea de normative care reglementează funcţionarea maşinilor sincrone în regimuri nesimetrice. Astfel, conform STAS 1893/1-87 şi CEI 34 (1) – 1983, maşinile sincrone trifazate trebuie să poată funcţiona, în permanenţă, într-o reţea dezechilibrată, astfel încât nici unul din curenţii de fază să nu depăşească curentul nominal, iar raportul dintre valoarea efectivă a componentei negative a sistemului de curenţi I şi curentul nominal IN să nu depăşească valorile din tabelul 1.11; în caz de defect, se impune să nu fie depăşit un indicator obţinut ca produs dintre I /IN şi durata t (secunde) a defectului.

Tabelul 1.11Valori limită privind nesimetra tensiunilor la funcţionarea maşinilor sincrone

de puteri mari

Tipul maşiniiValori maxime

pentru funcţionare permanentă I /IN

Valori maxime pentrufuncţionare în condiţii de defect

t I /IN

MAŞINI CU POLI APARENŢI cu răcire indirectă: - motoare - generatoare - compensatoare sincrone cu răcire directă (răcire internă) a statorului şi a excitaţiei: - motoare - generatoare - compensatoare sincrone

0,10,080,1

0,080,050,08

202020

151515

MAŞINI CU POLI ÎNECAŢI cu răcire indirectă: - cu aer - cu hidrogen cu răcire directă (răcire internă) a rotorului: - 350 MVA - (350 900) MVA - (900 1250) MVA - (1250 1600) MVA

0,10,1

0,08**

0,05

1510

8**55

*) Pentru aceste maşini, I /IN se calculează cu relaţia:

.

**) Pentru aceste maşini:

,

în care SN este puterea aparentă a motorului în MVA.

În tabelul 1.12 sunt indicate cele mai ridicate supratemperaturi locale în rotoarele generatoarelor, în condiţiile unei sarcini nesimetrice de durată.

Importante efecte negative apar şi în cazul alimentării cu tensiuni nesimetrice a bateriilor de condensatoare. Deoarece puterea reactivă de pe fiecare fază depinde de pătratul tensiunii aplicate:

63

Page 64: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

. (1.58)

bateria de condensatoare, racordată la o reţea cu tensiune nesimetrică, contribuie ea însăşi la agravarea nesimetriei, având în vedere faptul că pe faza cea mai încărcată (cu tensiunea pe fază cea mai mică) va fi debitată cea mai redusă putere reactivă şi deci se va obţine cea mai redusă îmbunătăţire a factorului de putere.

În figura 1.39 [3] este indicat modul în care inegalitatea modulelor tensiunilor pe fazele de alimentare influenţează tensiunea de ieşire a unui redresor semicomandat (fig. 1.39, a)).

În figura 1.39 b) şi figura 1.39 d) sunt indicate modul de conducţie şi tensiunea la ieşirea redresorului, pentru cazul unei tensiuni simetrice de alimentare, iar în figura 1.39 c) şi figura 1.39 e) sunt indicate, modul de conducţie şi forma tensiunii de ieşire, în cazul în care tensiunea uC , de pe faza C, prezintă o amplitudine diferită de celelalte două tensiuni de fază.

Tabelul 1.12Influenţa regimului nesimetric de lungă durată asupra supratemperaturilor locale [C],

în rotoarele turbogeneratoarelor

Curentul de secvenţă inversă,

(%)

Puterea turbogeneratorului, (MVA)

140 173 220 26510152025

2150--

122235-

-71016

91322-

Analiza comparativă a curbelor din figura 1.39 c şi figura 1.39 e) pune în evidenţă faptul că tensiunea de ieşire este influenţată, atât prin amplitudinea impulsurilor, cât şi prin durata de conducţie a elementelor semiconductoare.

64

Page 65: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

b) Efecte ale defazajelor diferite între tensiunile de fazăNesimetria tensiunilor trifazate poate fi determinată şi de defazaje diferite de 2/3 între tensiunile de fază. Acest lucru poate avea ca efect perturbarea funcţionării convertoarelor statice de putere (tiristoare cu comandă pe fază). Rezultă o funcţionare nesincronizată a tiristoarelor din schema redresorului comandat. Ca exemplu, în figura 1.40 este prezentat cazul unei alimentări cu tensiune trifazată, cele trei tensiuni de fază având amplitudine egală dar defazaje diferite.

În figura 1.40 a) este indicat sistemul trifazat de tensiuni, în care numai între tensiunile uA şi uB este un defazaj normal de 2/3, iar tensiunea uC este defazată cu un unghi mai mare de 2/3 faţă de tensiunea uB . Analiza tensiunii de ieşire ud (fig. 1.40 b)) pune în evidenţă neuniformitatea duratelor de conducţie a elementelor semiconductoare din schemă, dar şi diferenţa între amplitudinile tensiunilor de ieşire.

În figura 1.40 s-a luat în considerare faptul că impulsurile de comandă sunt sincronizate, pe fiecare fază, cu trecerea prin valoarea zero a tensiunii respective. În cazul sincronizării cu prima fază, pot să apară desincronizări importante în funcţionarea redresorului.

c) Pierderi suplimentare determinate de regimuri nesimetrice simultane cu regimuri nesinusoidale În practică, mai ales în reţelele de joasă tensiune, pot apărea cazuri în care sunt prezente,

simultan, regimuri nesinusoidale şi nesimetrice.

65

Page 66: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Pe baza rezultatelor experimentale şi a studiilor teoretice, se pot face estimări ale pierderilor suplimentare, produse de acţiunea simultană, asupra echipamentelor electrice, a regimurilor nesinusoidal şi nesimetric. Relaţiile de calcul pentru estimarea acestor pierderi sunt indicate în tabelul 1.13.

Tabelul 1.13Determinarea pierderilor suplimentare [kW], produse de acţiunea simultană a regimurilor

nesinusoidal şi nesimetric

Echipamentul electric Relaţia de calcul al pierderilor suplimentareMaşini electrice rotativeTransformatoareBaterii de condensatoare

Linii electrice

În tabelul 1.14 sunt indicate valorile de calcul ale factorilor k’, k”, determinate pentru parametri medii ai echipamentelor electrice standard.

În tabelul 1.13, P sunt pierderile suplimentare de putere activă, produse de acţiunea simultană a regimurilor nesinusoidale şi nesimetrice; PN , QN , SN – puterea activă, reactivă, aparentă nominală corespunzătoare echipamentului respectiv [kW, kVAr, respectiv kVA]; I +, I – valoarea efectivă a curentului de secvenţă pozitivă, respectiv de secvenţă negativă [A]; uh - valoarea relativă, raportată la fundamentală, a armonicii de tensiune de rang h; r – rezistenţa electrică a liniei electrice de transport, la frecvenţa fundamentală [k]; P0 – pierderi de putere activă în linia electrică de transport, în regim sinusoidal şi simetric [kW]; ks

– factor de nesimetrie negativă de tensiune, definit ca raportul dintre valoarea efectivă a componentei de secvenţă negativă şi valoarea efectivă a componentei de secvenţă pozitivă a tensiunii.

Tabelul 1.14

Valorile de calcul ale coeficienţilor k’, k”

Grupa echipamentelor de acelaşi tip k’ k”

66

Page 67: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

TurbogeneratoareHidrogeneratoare şi motoare sincrone:

cu înfăşurare de amortizare fără înfăşurare de amortizare

Compensatoare sincroneTransformatoare:

(35 220) kV (6 10) kV

Baterii de condensatoare

1,86

0,680,271,31

0,502,670,003

1,27

1,120,401,95

0,301,620,003

Deoarece valorile factorilor k’, k”, pentru motoarele asincrone, variază într-un interval larg, în funcţie de puterea nominală, aceştia se determină pentru fiecare caz concret. În tabelul 1.15 [3] sunt indicate valorile factorilor k’ şi k” pentru motoarele asincrone folosite în diferite ramuri industriale.

Tabelul 1.15Valorile coeficienţilor k' şi k", pentru motoare asincrone

Ramura industrială k' k"Metalurgie 4,10 3,40Chimie 4,05 3,36Construcţii de maşini 5,52 4,58Industrie uşoară 7,01 5,82Materiale de construcţii 5,06 4,02Industria, în general 4,46 3,70

1.10.5 Mijloace pentru limitarea emisiei perturbatoare sub formă de nesimetrie

Adoptarea soluţiei pentru simetrizarea sarcinii, la depăşirea valorilor limită admise, în sistemele electroenergetice industriale, intră în responsabilitatea utilizatorului perturbator.

În mod obişnuit, schemele de simetrizare conduc şi la rezolvarea problemelor de compensare a puterii reactive. Conectarea instalaţiilor de simetrizare se face numai după rezolvarea problemelor determinate de eventuala existenţă a regimului nesinusoidal.

Pentru limitarea nesimetriilor determinate de utilizatorii dezechilibraţi sunt posibile, în principiu, două soluţii:

reconfigurarea schemei de alimentare a receptoarelor utilizatorului pentru a asigura o simetrizare a sarcinii;

utilizarea unor scheme speciale de simetrizare.Reconfigurarea schemei de alimentare astfel încât să se asigure o încărcare practic egală a

fazelor (simetrizare naturală) este, de cele mai multe ori, cea mai eficientă soluţie, antrenând costuri relativ reduse.

Schemele de simetrizare pot fi realizate în două moduri: cu transformatoare monofazate;

cu compensare (schemă Steinmetz).Pentru a asigura simetrizarea sarcinii, transformatoarele monofazate pot fi conectate în

schema Scott (fig. 1.41) sau în V (fig. 1.42) [27].

67

Page 68: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

În schema cu transformatoare Scott (fig. 1.41), dacă bateria de condensatoare Cq este dimensionată astfel încât să asigure compensarea completă a puterii reactive necesară receptorului bifazat şi dacă numărul de spire al transformatoarelor (în primar şi în secundar) corespunde valorilor indicate în figura 1.41, curenţii de fază, în raport cu curentul absorbit de receptorul bifazat, au valorile

(1.59)Se observă faptul că, deşi nu conduce la o simetrizare completă, utilizarea

transformatoarelor Scott asigură încărcarea celor trei faze ale reţelei electrice de alimentare, reducând, în cele mai multe cazuri, nesimetria determinată de receptorul bifazat până la un nivel admis. În schema din figura 5.47 este indicată şi diagrama fazorială a tensiunilor din circuit.

Conectarea în V a două transformatoare monofazate identice (fig.1.42) şi alimentarea receptorului bifazat cu tensiunea rezultată prin înserierea înfăşurărilor secundare, asigură încărcarea celor trei faze ale reţelei electrice de alimentare, iar valorile curenţilor (în cazul unei compensări integrale a puterii reactive necesară receptorului bifazat, prin alegerea adecvată a bateriei Cq) rezultă:

IA = I ; IB = 2I ; IC = I . (1.60)Deşi nu asigură încărcarea egală a celor trei faze, utilizarea schemelor cu transformatoare

în V determină, în cele mai multe dintre cazuri, limitarea nesimetriilor până la valori impuse.

68

Page 69: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

În schema din figura 1.42 este indicată şi diagrama fazorială a curenţilor şi tensiunilor din schema de compensare.

Schema de simetrizare cu compensare (schema Steinmetz) – figura 1.43 – cuprinde bateria de condensatoare C şi bobina L, dimensionate astfel încât curenţii de fază IA , IB şi IC să fie egali ca modul şi defazaţi între ei cu 2/3 (se consideră că bateria de condensatoare Cq asigură compensarea integrală a puterii reactive necesară receptorului bifazat).

Pentru a se asigura simetrizarea sarcinii este necesară compensarea completă a puterii reactive necesară receptorului bifazat, iar valorile bateriei de condensatoare C şi a bobinei L trebuie să fie determinate din relaţiile:

, (1.61)

în care UN este tensiunea nominală a reţelei (tensiune între faze), iar P este puterea activă absorbită de receptorul bifazat.

În schema din figura 1.43 este indicată şi diagrama fazorială a tensiunilor şi curenţilor din circuit.

Capacitatea bateriei de condensatoare Cq , necesară compensării puterii reactive a receptorului bifazat, se determină în funcţie de puterea P şi factorul de putere = cos

Deoarece puterea activă P a consumatorului este, în general, variabilă, schema din figura 1.43 trebuie să cuprindă elemente reglabile Cq , C şi L cu control automat, pentru a asigura simetrizarea. Reglarea în trepte a elementelor variabile poate conduce la variaţii ale tensiunii în reţea la fiecare comutaţie.

În cazul în care este necesar un control permanent al nivelului de nesimetrie, sunt disponibile şi scheme de reglare cu susceptanţe variabile în mod continuu utilizând, de exemplu, tehnologie TCS (Thyristor Controlled Susceptances). Aceste scheme pot fi integrate într-o instalaţie inteligentă de filtrare, compensare şi simetrizare.

(1.62)

69

Page 70: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

1.11 Concluzii

Calitatea alimentării cu energie electrică, în special aspectele legate de continuitatea în alimentare (calitatea serviciului de alimentare), a constituit întotdeauna o preocupare deosebită, întreruperile fiind generatoare de daune în industrie sau neplăceri în alimentarea consumatorilor rezidenţiali.

În ultimul timp, procesele tehnologice specifice industriei moderne foarte sensibile la abateri faţă de calitatea normată a energiei electrice, au adus în actualitate şi calitatea curbei de tensiune. În cele mai multe cazuri abaterile de la regimul sinusoidal şi simetric sunt însoţite de daune la producător, operatorul de reţea, diferenţiate în funcţie de caracteristicile utilizatorilor RET sau RED, la consumator prin nerealizarea producţiei, reducerea calităţii produselor realizate, reducerea productivităţii, rebuturi în producţie, defecte în echipamente, perturbarea procesului tehnologic pe durate mult superioare duratei întreruperii, accidente, cheltuieli suplimentare pentru salarii, materii prime, energie etc.

Stabilirea indicatorilor la care un utilizator este sensibil, analiza domeniului lor de variaţie într-un nod dat al sistemului electroenergetic, precum şi deciziile privind creşterea nivelului calităţii energiei electrice furnizate, prezintă un interes deosebit pentru utilizatorii finali, dar şi pentru operatorii de producere, transport, distribuţie şi furnizarte.

Analizele realizate trebuie să pună în evidenţă caracteristicile calitative ale energiei electrice posibil a fi furnizată în mod normal utilizatorilor, iar aceştia vor putea decide dacă acestea corespund exigenţelor lor sau este necesară efectuarea de investiţii, la furnizor pentru creşterea nivelului de calitate sau în cadrul sistemului propriu pentru creşterea imunităţii.

Bibliografie

[1] *** Electromagnetic compatibility (EMC). Part 2: Environment. Section 1: Description on the environment –

70

Page 71: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Electromagnetic environment for low – frequency conducted disturbances and signalling in power suply systems. CEI 1000 – 2 – 1. [2] *** Guide de l'ingénierie électrique de réseaux internes d'usines, Technique & Documentation, Electra Paris, 1986.[3] Golovanov Carmen, Albu Mihaela, Probleme moderne de măsurare în electroenergetică, Editura Tehnică, Bucureşti, 2001.[4] Dugan R.C. ş.a., Electrical Power Systems Quality, Second Edition, McGraw-Hill, 2002.[5] *** Electromagnetic compatibility (EMC), Part 4-30: Testing and measurement techniques Power quaity

measurement methods, IEC 61000-4-30/2007[6] *** Codul tehnic al reţelei electrice de transport, Bucureşti, 2004[7] *** Electromagnetic Compatibility (EMC) – Part 4: Testing and measurement techniques – Secţion 15: Flickermeter – Functional and design specifications, IEC 61000 – 4 – 15/1997.[8] *** Compatibilité électromagnétique: Part 4:Techniques d’essai et de mesure. Section 7: Guide général relatif aux mesures d’harmoniques et d’interharmoniques, ainsi qu’à l’appareillage de mesure, applicable aux réseaux d’alimentation et aux appareils qui y sont raccordés, CEI 1000 – 4 – 7.[9] Bagginni A. ş.a., Handbook of Power Quality, John Wiuley & Sons, lth, Chichester, UK, 2007[10] *** UCTE Operation Handbook, 2004.[11] *** Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, SR EN 50160/2007.[12] Bulac C., Eremia M., Dinamica sistemelor electroenergetice, Editura PRINTECH, Bucureşti, 2006.[13] Iordache Mihaela, Conecini I., Calitatea energiei electrice, Editura tehnică, Bucureşti, 1997.[14] Albert Hermina, Florea I., Alimentarea cu energie electrică a întreprinderilro industriale, Editura tehnică, Bucureşti, 1987. [15] Eremia M., Electric power systems. Electric networks, Editura Academiei Române, Bucureşti, 2006.[16] Grigsby L.L., Electric power engineering Handbook, CRC press IEEE 1998, New York.[17] Borisov B.P. ş.a., Povâşenie efectivnosti ispolzovania elektroenergii, Kiev, Naukova Dumka, 1990.[18] Fransua Al. ş.a., Maşini şi sisteme de acţionări electrice.Probleme fundamentale, Editura tehnică, Bucureşti,

1978.[19] *** Electromagneticcompatibility (EMC) Part 2: Environment Section 8 Voltage dips and

short interruptions on public electric power supply systems with statistical measurement results , IEC 6100028/2000.

[20] Beaulieu G. ş.a., Recommending Power Quality Indices and Oqjectives in the Context of an Open Electricity Market, Rap. CIGRE 2003.[21] *** IEEE Recommended Practice on Monitoring Power Quality, IEEE 1159–1995.[22] *** Schaltanlagen, 10.Auflage, ABB Calor Emag Taschenbuch, 1999.[23] *** Voltage Sag Indices – Working document for IEEE P1564, November 2001.[24] Mihăileanu C., Potlog D.M., Goluri de tensiune în sisteme electroenergetice. Efecte asupra consumatorilor, Editura Tehnică, Bucureşti 1979.[25] Rahmatian F., Gurney J.H., Vandermaar J.A., Portable 500 kV optical voltage transducer for on-site calibration of HV voltage transformers without de-energization, Rap. CIGRE A3-103, 2006.[26] *** Guide to quality of electrical supply for industrial installations, Part 4: Voltage unbalance, UIE Edition, 1998, Prepared by "Power Quality" Working group WG2.[27] Golovanov N., Şora I., Electrotermie şi electrotehnologii, Editura Tehnică, Bucureşti, 1997.

71

Page 72: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

22.1 Aspecte generale

Elementele componente ale unui sistem energetic sunt concepute să funcţioneze în regim sinusoidal, în care curbele tensiunilor şi curenţilor electrici din circuit au formă sinusoidală, cu frecvenţa egală cu cea nominală. În realitate, în prezent, în cele mai multe dintre nodurile sistemului electroenergetic, formele curbelor de curent electric şi a tensiunilor prezintă distorsiuni faţă de o curbă sinusoidală.

Abaterea periodică a curbei de variaţie a curentului electric sau curbei de variaţie ai tensiunii de la forma sinusoidală se numeşte distorsiune sau deformare [2.1, 2.2].

Distorsiunea este determinată de neliniarităţi ale elementelor componente ale sistemului electroenergetic. Caracteristicile neliniare ale receptoarelor utilizatorului sunt cauza cea mai frecventă a aparitiei distorsiunilor curbei de curent electric, ceea ce antrenează distorsiuni ale curbei tensiunii de alimentare [2.3]. În analiza regimurilor distorsionate (nesinusoidale) se consideră că la realizarea generatoarelor din centralele electrice au fost adoptate măsuri adecvate, astfel încât, la bornele acestora, tensiunile prezintă o variaţie sinusoidală [2.4].

Odată cu dezvoltarea sistemelor de comandă şi control cu ajutorul semiconductoarelor de putere, sursele de curenţi distorsionaţi au cunoscut o largă răspândire, astfel că prezenţa în sistemul energetic a acestor curenţi impune necesitatea adoptării de măsuri pentru depistarea surselor, evaluarea nivelului distorsiunilor, analiza efectelor şi adoptarea de măsuri pentru limitarea daunelor, atât în reţeaua electrică, cât şi la consumatorii conectaţi în reţeaua poluată armonic.

În vederea evaluării efectelor distorsiunii curenţilor electrici şi a tensiunilor, o atenţie specială trebuie acordată stabilirii unor indicatori adecvaţi care să definească nivelul de distorsiune, precum şi a nivelului admisibil al acestor indicatori.

În cazul regimurilor periodice (caracterizate de mărimi care se repetă cu o perioadă determinată de frecvenţa de lucru a sistemului), curbele distorsionate pot fi considerate ca o suprapunere de oscilaţii sinusoidale, cu frecvenţe multiplu întreg al frecvenţei fundamentale, conform teoriei elaborate de Fourier. În aceste condiţii, analiza curbelor distorsionate se poate face în domeniul frecvenţă, prin evaluarea mărimilor caracteristice oscilaţiilor componente (armonice). Acest mod de evaluare este în prezent larg utilizat şi stă la baza metodelor actuale de măsurare, analiză şi evaluare a măsurilor de limitare a nivelului de distorsiune.

72

Regim deformant

Page 73: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Sistemele moderne de achiziţie de date, de calcul şi de execuţie au permis elaborarea de metode de control în timp real al formei curbelor de tensiune şi de curent electric, astfel încât apare necesară evaluarea nivelului de distorsiune în domeniul timp.

Sistemele receptoare finale de energie electrică, la o altă frecvenţă decât cea nominală (sisteme de utilizare alimentate prin intermediul convertoarelor de frecvenţă), au determinat apariţia în sistemelor electroenergeice a unor curbe distorsionate, care pot conţine componente sinusoidale cu frecvenţa diferită de multiplu întreg al frecvenţei fundamentale, numite interarmonice [2.5].

2.2 Indicatori ai regimului nesinusoidal

2.2.1 Indicatori în domeniul timp

Indicatorii în domeniul timp [2.6, 2.7] sunt larg utilizaţi pentru o primă evaluare a formei curbei distorsionate. Aceşti indicatori nu pot fi utilizaţi exclusiv, având în vedere faptul că nu pot caracteriza univoc forma curbei analizate.

a) Valoarea efectivăAtât pentru o curbă de formă sinusoidală, cât şi în cazul curbelor nesinusoidale

(fig. 2.1), valoarea efectivă U a unei curbe de tensiune, aplicată la bornele unui rezistor liniar, este o măsură a efectului termic rezultat în rezistor:

,(2.1)

în care u defineşte variaţia în timp a tensiunii (valoare instantanee), T intervalul de integrare (de regulă, o perioadă).

În mod identic, valoarea efectivă I a curentului electric este o măsură a efectului termic într-un rezistor liniar, parcurs de curentul electric i

,(2.2)

Fiind o mărime medie, valoarea efectivă nu caracterizează, în mod univoc, o curbă distorsionată; curbe de forme diferite pot avea aceeaşi valoare efectivă. Ca exemplu, în figura 7.1 sunt reprezentate două curbe distorsionate, de formă diferită, dar având aceeaşi valoare efectivă.

b) Valoarea medie pe o semiperioadă Este o măsură a nivelului tensiunii continue ce poate fi obţinută în urma redresării

unui semnal alternativ

, (2.3)

în care T este perioada semnalului alternativ. Dacă valorile medii pe o semiperioadă ale semiperioadelor succesive ale semnalului

nu sunt egale, rezultă că semnalul prezintă o componentă continuă de amplitudine egală cu diferenţa celor două valori. Este important de menţionat faptul că, în sistemul

73

Page 74: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

electroenergetic, cu sistemele actuale de măsurare a tensiunilor şi a curenţilor electrici, prin intermediul transformatoarelor de măsurare de tip electromagnetic, nu poate fi pusă în evidenţă componenta continuă a semnalului.

În cazul semnalelor fără componentă continuă, valoarea medie pe o semiperioadă poate fi determinată şi ca valoare medie pe o perioadă a modulului semnalului.

c) Factorul de vârfSe defineşte ca raportul dintre valoarea maximă (amplitudinea uM a curbei nesinusoidale

periodice) şi valoarea efectivă U a acesteia:

, (2.4)

În cazul curbelor întâlnite în sistemele electroenergetice, factorul de vârf poate avea valorile:

pentru o curbă sinusoidală, ; pentru o curbă ascuţită (fig. 2.1 a)), > . pentru o curbă aplatisată (fig. 2.1.b)), < .Curbele de tensiune caracterizate de un factor de vârf > pot determina solicitări

periculoase ale izolaţiei echipamentelor electrice.

74

Page 75: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

d) Factorul de formăSe defineşte ca raportul dintre valoarea efectivă a curbei şi valoarea medie pe jumătate de

perioadă Umed1/2

, (2.5)

Pentru curbe întâlnite în sistemele electroenergetice factorul de formă poate avea valorile: pentru o curbă sinusoidală, kf = 1,11; pentru o curbă periodică mai ascuţită decât o sinusoidă (fig. 2.1 a)), kf > 1,11; pentru o curbă periodică mai aplatisată decât o sinusoidă (fig. 2.1 b), kf < 1,11.

2.2.2 Indicatori în domeniul frecvenţă

Descompunerea în componente armonice a unei curbe distorsionate periodice permite definirea acesteia prin mărimi caracteristice ale componentelor armonice. După cum se ştie, utilizând descompunerea în serie Fourier, orice curbă distorsionată periodică poate fi descompusă sub forma [2.1]

, (2.6)

în care U0 este componenta continuă a curbei, Uh valoarea efectivă a armonicei de rang h, h defazajul armonicei de rang h faţă de o origine de referinţă.

Având în vedere faptul că, în reţeaua electrică, condiţia de periodicitate a fenomenului nu este îndeplinită (cubele de tensiune şi de curent electric prezintă variaţii datorită variaţiei sarcinii electrice), utilizarea relatiei (2.6) este valabilă numai pe intervalele în care mărimile electrice pot fi considerate periodice.

Pe baza descompunerii (2.6) sunt utilizaţi o serie de indicatori care definesc componenţa spectrală a curbei distorsionate. Fiecare dintre indicatorii din domeniul frecvenţă nu pot caracteriza univoc o curbă distorsionată, ceea ce impune utilizarea mai multor indicatori.

a) Reziduul deformantSe calculează ca valoare efectivă a armonicelor semnalului analizat:

. (2.7)

Reziduul deformant este o măsură a efectului termic determinat de componentele armonice ale semnalului distorsionat.

b) Nivelul armoniceiSe defineşte ca raportul dintre valoarea efectivă a armonicei de rang h şi valoarea

efectivă a armonicei fundamentale (de rang 1):

75

Page 76: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

. (2.8)

Nivelul armonicei este un indicator important pentru evaluarea nivelului de distorsiune, fiind normate valorile sale maxim admise în curba tensiunii, în nodurile sistemului electroenergetic.

c) Factorul de distorsiuneSe defineşte ca raport între reziduul deformant al semnalului şi valoarea efectivă a

armonicei fundamentale:

. (2.9)

Factorul de distorsiune THD (Total Harmonic Distortion) este unul dintre indicatorii utilizaţi pentru evaluarea nivelul de distorsiune, fiind normate valorile maxim admise în nodurile reţelei electrice.

d) Spectrul armonic Spectrul este reprezentarea grafică a nivelului armonicelor unui semnal distorsionat în funcţie de rangul lor. Acest grafic nu caracterizează complet dezvoltarea în serie Fourier, deoarece nu dă informaţii asupra fazei iniţiale a armonicelor, fiind necesar, în general, şi un grafic care să indice spectrul fazelor unghiurilor iniţiale.

2.3 Surse de perturbaţii sub formă de curenţi distorsionaţi

Principalele surse de curenţi distorsionaţi din reţelele electrice sunt elementele semiconductoare, utilizate pentru controlul şi comanda proceselor tehnologice. Ca exemplu, în tabelul 2.1 [2.4, ] sunt indicate formele curenţilor electrici absorbiţi de diferite circuite cu elemente semiconductoare.

Specific sistemelor de redresare este faptul că rangul h al armonicelor care apar în reţeaua electrică de alimentare depinde de numărul p de pulsuri ale redresorului conform relaţiei:

. (2.10)în care m = 1, 2, …..

Tabelul 7.1 Factori de distorsiune pentru diferite tipuri de receptoare cu elemente semiconductoar

Tipul de sarcină Forma curentului Factor de distorsiune

76

Page 77: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Alimentare monofazată(redresor şi condensator

de filtrare)

80%(rangul 3

predominant)

Convertor semicomandat

valori ridicate ale armonicelor de rang

2, 3, şi 4, pentru sarcini reduse

77

Page 78: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Convertor cu 6 pulsuri, filtru pur capacitiv

80%

Convertor cu 6 pulsuri, filtru capacitiv şi inductivitate serie

( > 3%) sau motor de tensiune continuă

40%

Convertor cu 6 pulsuri şi inductivitate mare

pentru netezirea curentului

28%

Convertor cu 12 pulsuri15%

Variator de tensiune alternativă

Variază în funcţie de unghiul de intrare în

conducţie

Astfel, pentru redresorul trifazat dublă alternanţă (fig. 2.2), des întâlnit în practică,

armonicele care apar sunt de rang 5, 7, 11, 13, 17, 19 ….. Dacă se are în vedere şi faptul că amplitudinea armonicilor scade odată cu rangul acestora, rezultă că una dintre cele mai eficiente metode de reducere a nivelului de poluare armonică este utilizarea unor sisteme de redresare cu multe pulsuri. Totuşi, utilizarea sistemelor de redresare cu mai mult de 12 pulsuri poate conduce la apariţia în reţeaua electrică de alimentare a unor armonice, numite necaractersistice, care nu corespund regulii indicată în relaţia (7.10), fiind datorate imperfecţiunilor din procesul de redresare, determinate de mici diferenţe ale caracteristicilor redresoarelor.

78

Page 79: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Caracteristicile principale ale receptoarelor neliniare cu semiconductoare de putere

sunt indicate în tabelul 2.2 [7.2].O sursă importantă de armonice în reţeaua electrică o reprezintă circutele

magnetice funcţionând în zona de saturaţie. Ca exemplu, în figura 2.3 [2.1] este indicată forma curentului electric absorbit de o bobină cu carateristică neliniară, alimentată cu o tensiune sinusoidală. Curba i(t) a curentului electric prezintă o importantă componentă de rang 3, în opoziţie de fază faţă de curba curentului electric fundamental (a se vedea figura 2.1 a))

79

Page 80: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Tabelul 2.2 Caracteristici ale surselor poluante cu semiconductoare de putere

Sursa poluantă Rangul armonicelor şi amplitudinile acestora

Redresoare monofazate comandate sau semicomandate, dublă alternanţă cu sarcină rezistivă sau curent filtrat, practic continuu la ieşirea din redresor; Montaje cu tiristoare în antiparalel, cu sarcină rezistivă;

armonice de rang impar; amplitudinea armonicelor descreşte odată cu creşterea rangului lor; dispariţia unor frecvenţe pentru diferite valori ale unghiului de intrare în conducţie a mutatoarelor, în cazul redresării semicomandate sau comandate.

Redresoare monofazate, simplă alternanţă, cu sarcină rezistivă sau curent filtrat, practic continuu la ieşire.

armonice de rang par şi impar; amplitudinea armonicelor scade odată cu creşterea rangului lor.

Redresoare hexafazate, dodeca-fazate, cu p faze.

armonice de rang h = m p 1 (m = 1, 2, 3...); amplitudinea armonicelor scade odată cu rangul armonicei, aproximativ după relaţia:

în care I1 este valoarea efectivă a fundamentalei, iar h este rangul armonicei; dispariţia unor frecvenţe pentru diferite valori ale unghiului de intrare în conducţie a mutatoarelor în cazul convertoarelor semicomandate.

Instalaţii cu redresoare comandate, monoalternanţă; punţi de redresare echipate cu diode şi tiristoare.

armonice pare şi impare; amplitudinea armonicelor scade odată cu creşterea rangului acestora.

80

Page 81: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Compensatoare statice ale cuptoarelor cu arc electric

armonice de rang 5, 7, 11, 13, ...; amplitudinea armonicei 5 de curent electric sub 20% din amplitudinea fundamentalei curentului electric; amplitudinea armonicelor scade cu creşterea rangului acestora.

Locomotive electrice cu redre-soare monofazate

armonice impare; amplitudinea armonicei 3 de curent sub 20% din amplitudinea fundamentalei curentului electric;

amplitudinea armonicelor scade cu creşterea rangului acestora.

Descărcarea corona pe liniile de transport de înaltă tensiune este, de asemenea, una dintre sursele de poluare armonică în sistemul electroenergetic.

Alte surse de armonice, cu caracteristicile lor, sunt indicate în tabelul 2.3 [2.6].

Tabelul 2.3 Surse de armonice în sistemul electroenergetic

Sursa poluantă Rangul armonicelor şi amplitudinile acestora Motoare electrice universale saturate; Tuburi fluorescente.

armonice de rang impar; amplitudinea armonicei 3 sub 15 % din amplitudinea fundamentalei; descreşterea rapidă a amplitudinii armonicelor la creşterea rangului acestora; apariţia armonicelor pare în cazul tuburilor cu descărcări în vapori metalici, pe durata încălzirii.

Televizoare în culori a) sisteme utilizând redresarea ambelor alternanţe:- armonice impare;

- amplitudinea armonicei 3 de curent poate atinge 80% din amplitudinea fundamentalei curentului electric;- amplitudinea armonicelor scade cu creşterea rangului acestora.

b) sisteme utilizând redresarea unei singure alternanţe:

- armonice de rang par şi impar;- amplitudinea armonicei doi de curent sub 45 % din amplitudinea fundamentalei curentului electric;- amplitudinea armonicelor scade cu creşterea rangului acestora.

81

Page 82: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Cuptoare cu arc electric armonice de rang par şi impar; amplitudinea armonicei 2 de curent, circa 5 % din fundamentala curentului electric; amplitudinea armonicelor scade cu creşterea rangului acestora.

De menţionat faptul că elementele reactive liniare determină amplificări ale dis-torsiunii unora dintre mărimile electrice. De exemplu, condensatorul liniar la bornele căruia se aplică tensiune sinusoidală determină un curent sinusoidal, însă alimentat cu o tensiune nesinusoidală, curentul rezultă nesinusoidal, dar cu un nivel de deformare superior tensiunii de la borne. De asemenea, bobina liniară, parcursă de curent sinusoidal, conduce la apariţia la borne a unei tensiuni sinusoidale, însă parcursă de curent nesinusoidal determină o tensiune nesinusoidală, cu un nivel de deformare superior curentului care o parcurge.

2.4 Efecte ale regimurilor nesinusoidale în reţeaua electrică

Creşterea ponderii elementelor neliniare în sistemele electroenergetice, atât ca puteri instalate, cât şi ca tipuri de echipamente, conduce la creşterea nivelului de poluare armonică a acestora, cu amplificarea efectelor negative determinate de prezenţa armonicelor în reţeaua electrică.

Din punct de vedere practic, pot fi puse în evidenţă două tipuri de daune datorate prezenţei regimurilor nesinusoidale în reţeaua electrică:

efecte datorate circulaţiei curenţilor armonici; efecte datorate tensiunilor armonice.

2.4.1 Efecte datorate circulaţiei curenţilor armonici

a) Circulaţia curenţilor armonici în reţeaua electrică Circulaţia curenţilor armonici este însoţită de pierderi active în elementele parcurse de

curentul electric. Nivelul acestor pierderi, depinde atât de amplitudinea componentelor spectrale, cât şi de frecvenţa acestora. Acest tip de pierderi apar, în special, în reţelele de transport şi de distribuţie.

În ipoteza neglijării componentei continue, pierderile active în circuitele parcurse de curent electric pot fi calculate din relaţia [2.6, 2.8]:

, (2.11)

în care Imax h este amplitudinea armonicii de rang h; Rh – rezistenţa electrică a elementului, calculată pentru frecvenţa armonicii de rang h.

Un element parcurs de curent alternativ prezintă rezistenţa electrică Rc.a. calculată din relaţia , (2.12)

în care Rc.c. este rezistenţa electrică în curent continuu; rs – factor care ia în consideraţie efectul pelicular (skin effect); rp –factor care ţine seama de efectul de proximitate.

82

Page 83: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Dacă se neglijează variaţia cu frecvenţa a rezistenţei electrice, adică se consideră faptul că, indiferent de rangul armonicii, R1 = Rh, R1 fiind rezistenţa conductorului pentru armonica fundamentală, relaţia (2.11) poate fi scrisă sub forma:

, (2.13)

în care THDI este factorul de distorsiune al curbei curentului electric.Relaţia (2.13) pune în evidenţă faptul că pierderile active în elementele conductoare pot

creşte mult în cazul funcţionării sistemului în regim periodic nesinusoidal, comparativ cu regimul sinusoidal normal.

b) Funcţionarea transformatoarelor trifazate în reţele electrice poluate armonic Datorită creşterii rezistenţei electrice a înfăşurărilor odată cu rangul armonicelor de curent

electric poate să rezulte creşterea pierderilor de putere activă în materialul conductor .Principalul efect al funcţionării unui transformator electric în regim nesinusoidal îl

reprezintă ridicarea temperaturii datorită pierderilor suplimentare în înfăşurări şi în miez. Pentru a evita depăşirea temperaturii maxim admise de fabricant, este necesară reducerea încărcării, (denominarea transformatorului) respectiv aplicarea unui “factor de depreciere kt a puterii nominale”

S = ktSN , (2.14)în care S este puterea aparentă în regim nesinusoidal; SN puterea nominală a transformatorului.

Nivelul de denominare al transformatorului se ia în consideraţie prin factorul k, ce permite o evaluare a încălzirii suplimentare a transformatoarelor parcurse de curenţi deformaţi [2.6]

,(2.15)

în care Ih este valoarea efectivă a armonicii de rang h a curentului electric ce parcurge înfăşurările transformatorului, iar M numărul maxim de armonice luate în considerare.

c) Încărcarea conductorului neutruÎn instalaţiile de joasă tensiune, cu conductor neutru şi încărcare echilibrată pe faze,

existenţa surselor de curenţi armonici determină circulaţia prin conductorul neutru a unui curent armonic i0 obţinut prin însumarea armonicelor de rang 3m:

. (2.16)

Valoarea efectivă a curentului care parcurge conductorul neutru, în acest caz, rezultă:

, (2.17)

în care Imax3m este amplitudinea armonicei de rang k=3m.Curentul de armonică 3m se suprapune peste cel determinat de o eventuală nesimetrie a

curenţilor sistemului şi, în consecinţă, poate apărea o supraîncălzire a conductorului, mai ales din cauza faptului că aria secţiunii transversale a acestuia, în construcţiile uzuale, este inferioară celei corespunzătoare conductoarelor de pe fazele active.

83

Page 84: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Problema supraîncălzirii conductorului neutru apare în special în reţelele de distribuţie de joasă tensiune, în care o pondere însemnată a consumatorilor o reprezintă sistemele de calcul şi instalaţiile de iluminat cu descărcări în gaze şi vapori metalici; acestea se caracterizează printr-o valoare ridicată a armonicei de rang 3 (i3 poate atinge 80%), astfel că prin conductorul neutru vor circula curenţi de intensitate ridicată. Având în vedere că acest conductor nu este prevăzut cu sisteme de protecţie, riscul de supraîncălzire şi generare de incendii poate fi important.

d) Efecte asupra funcţionării întreruptoarelor şi siguranţelor fuzibile Distorsiunea curentului electric afectează funcţionarea siguranţelor fuzibile şi a

întreruptoarelor în mai multe moduri: Creşterea pierderilor de putere activă care determină ridicarea temperaturii

elementelor sensibile ale declanşatoarelor termice şi ale altor elemente componente; Valorile ridicate ale parametrului di/dt (viteza de variaţie a curentului electric) afectează

eficienţa dispozitivelor de stingere a arcului electric; Valorile ridicate ale factorului de vârf determină funcţionarea incorectă a

întreruptoarelor cu declanşatoare electronice, care se bazează pe detectarea maximului curbei curentului electric.

Distorsiunea curentului electric afectează siguranţele fuzibile, care sunt sensibile la încălzirile suplimentare determinate de armonice; apare, deci, o translatare a caracteristicii de funcţionare, iar în cazurile foarte severe, o acţionare intempestivă.

2.4.2 Efecte datorate tensiunilor distorsionate în nodurile reţelei electrice

Prezenţa tensiunilor deformate la barele de alimentare determină daune echipamentelor alimentate cu această tensiune. Acest tip de daune apar, în special, în echipamentele de utilizare a energiei electrice, dar sunt întâlnite şi în sistemele de transport şi distribuţie.

Acestea sunt datorate, mai ales, următoarelor efecte: Solicitări suplimentare ale izolaţiilor determinate de nivelul tensiunilor armonice din

reţea (valorile tensiunilor depind de amplitudinea şi faza curenţilor armonici injectaţi de diverse surse, precum şi de existenţa fenomenelor de rezonanţă);

Pierderi în materialele magnetice, PFe; Pierderi în dielectric, Pd; Incorecta funcţionare a unor echipamente datorată prezenţei armonicelor de tensiune

(sisteme de comandă şi control, echipamente sincronizate cu tensiunea reţelei etc.);

a) Pierderile suplimentare în materialele magneticeAceste pierderi apar din următoarele cauze:

fenomenul de histerezis; existenţa curenţilor turbionari.

Pentru echipamentele monofazate cu caracteristici magnetice liniare (lucrând pe porţiunea liniară a caracteristicii de magnetizare), prin însumarea pierderilor pe fiecare armonică rezultă [2.6]:

, (2.18)

în care fh = hf1 este frecvenţa armonicei de rang h; aH şi aT constante care depind de natura materialului; p = 1,5 2,5 constanta lui Steinmetz, exponent a cărui valoare depinde de natura materialului; Bmax h valoarea maximă a inducţiei pentru armonica de rang h.

84

Page 85: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Inducţia magnetică Bmax h se poate scrie sub forma:

, (2.19)

în care Umax h este amplitudinea armonicii de rang h de tensiune; c – coeficient care are valoarea:

. (2.20)

În relaţia (2.20), S este aria secţiunii transversale a circuitului magnetic; N – numărul de spire; f1 – frecvenţa armonicei fundamentale.

Dacă se iau în consideraţie relaţiile (2.19) şi (2.20), relaţia (2.18) se poate scrie şi sub forma:

. (2.21)

cu

(2.22)şi

. (2.23)

b) Pierderile în materialele dielectriceAceste pierderi sunt localizate în principal în:

dielectricul condensatoarelor; izolaţia liniilor electrice.

Pierderile sunt determinate de componenta activă a curentului electric prin izolaţie şi de conductivitatea materialului dielectric. Valoarea componentei active a curentului electric este influenţată de temperatura şi umiditatea mediului înconjurător. Mărimea definitorie pentru pierderile active în dielectric este tangenta unghiului de pierderi, care pentru armonica de rang h are valoarea

, (2.24)

în care Ph sunt pierderile de putere activă corespunzătoare armonicei de rang h, iar Qh puterea reactivă corespunzătoare aceleaşi armonice.

În cazul condensatorului electric, considerat ca element liniar, plasat într-o reţea în care apar tensiuni nesinusoidale, pierderile dielectrice pe fază pot fi deduse din relaţia:

, (2.25)

în care C este capacitatea electrică a condensatorului; Umax h amplitudinea armonicei de rang h de tensiune.

În cazul liniilor electrice, în condiţii de temperatură şi umiditate normale şi în lipsa descărcării corona, pierderile dielectrice pot fi calculate cu relaţia:

, (2.26)

85

Page 86: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

în care Ch este capacitatea lineică pe fază corespunzătoare armonicei de rang h (pozitivă, negativă sau zero, după cum h = 3m 1 sau h = 3m, cu m = 1, 2, 3,...); l – lungimea liniei.

c) Creşterea potenţialului punctului neutru pentru conexiuni în stea ale transformatoarelor sau ale altor receptoare

Un receptor echilibrat sau un transformator coborâtor, trifazat, conectat într-o reţea electrică trifazată, echilibrată, cu tensiuni sinusoidale, la frecvenţă fundamentală, are potenţialul punctului neutru egal cu zero în raport cu pământul, dacă prezintă o conexiune stea. În cazul în care reţeaua electrică este afectată de un regim periodic nesinusoidal, la bornele echipamentului se aplică tensiunile armonice:

;

.

(2.27)

Pentru armonicele de rang h= 3m (m=1,2,3...), în punctul neutru apare un potenţial faţă de pământ a cărui valoare depinde de raportul dintre impedanţele armonice ale laturii conexiunii în stea (fazei active) şi impedanţa conductorului neutru.

Potenţialul faţă de pământ al punctului neutru are valoarea [2.6]:

, (2.28)

în care este impedanţa armonică a fazei active; impedanţa armonică a conductorului neutru.

Pentru armonicele de rang h =3m , potenţialul faţă de pământ al punctului neutru rămâne nul.1.

2. d) Supratensiuni în nodurile reţelei sau la bornele echipamentelorCreşterea tensiunii în nodurile reţelei electrice sau la bornele echipamentelor poate fi

determinată de: rezonanţă pe o armonică de tensiune; creşterea potenţialului punctului neutru în cazul conexiunilor în stea a transformatoarelor

din reţeaua electrică sau a receptoarelor trifazate.

e) Efecte asupra funcţionării maşinilor rotativeEfectele armonicelor asupra maşinilor electrice rotative sunt funcţie de: tipul maşinii rotative (sincronă trifazată, asincronă mono şi trifazată); sursele de armonice din reţeaua electrică la care este racordată maşina.Principalele efecte negative care apar la maşinile electrice rotative, determinate de

poluarea armonică a reţelei în care sunt conectate sunt: Creşterea temperaturii înfăşurărilor şi a miezului magnetic datorate pierderilor

suplimentare în materialul conductor şi în materialele magnetice;

86

Page 87: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Modificări ale cuplului maşinii electrice, care conduce la reducerea randamen-tului acesteia;

Apariţia de oscilaţii ale cuplului de torsiune pe arborele maşinii electrice, care contribuie la îmbătrânirea materialului şi la vibraţii suplimentare;

Modificări ale inducţiei magnetice în întrefierul maşinii datorită armonicelor; Interacţiuni între fluxul magnetic determinat de armonica fundamentală şi fluxul

magnetic determinat de armonice.Au fost puse în evidenţă următoarele aspecte:

Armonicele de rang h = 3m nu determină inducţie în întrefier;

Armonicele de rang h = 3m 1 conduc la apariţia în întrefier a unui fazor inducţie magnetică care se roteşte cu viteza h1 în sensul de rotaţie al rotorului, respectiv în sens contrar şi are amplitudinea proporţională cu amplitudinea curentului armonic de rang h;

Armonicele determină, în general, creşterea pierderilor de putere activă şi deci creşterea temperaturii maşinii;

Armonicele de rang h = 3m 1 determină apariţia unui cuplu în sensul de rotaţie, respectiv în sens contrar, având în vedere că viteza relativă de rotaţie a fazorului inducţie magnetică în raport cu rotorul este:

, la maşinile sincrone;, la maşinile asincrone (cu s s-a notat

alunecarea maşinii asincrone); Apar cupluri pulsatorii cu frecvenţa (3m s)f1 la maşinile asincrone şi 3mf1

la maşinile sincrone; aceste cupluri acţionează asupra arborelui maşinii şi pot conduce la rezonanţe mecanice în cazul unor frecvenţe egale cu frecvenţa proprie de vibraţie a arborelui, amplificând astfel zgomotele şi solicitând suplimentar materialul.

Cu o exactitate suficientă din punct de vedere practic, se poate considera că funcţionarea motorului asincron în regim periodic nesinusoidal este echivalentă cu funcţionarea mai multor motoare (numărul acestora este egal cu numărul armonicelor existente în tensiunea de alimentare nesinusoidală), cuplate pe acelaşi ax, dar care sunt alimentate cu tensiuni de valoare efectivă şi frecvenţe diferite U1 , U2 , ... Uh , respectiv f1 , f2 , ... fh cu fh = hf1 (h este rangul ar-monicei).

Alunecarea corespunzătoare armonicei de rang h a curentului absorbit din reţea se poate calcula cu relaţia simplificată [2.6]:

, (2.29)

în care semnul „” se referă la armonicele care formează un sistem de succesiune pozitivă (h = 3m + 1), iar semnul „+” la armonicele corespunzătoare sistemelor de succesiune negativă (h = 3m 1).

Fiecare armonică determină cupluri motoare sau rezistente, care se adaugă sau se scad (în funcţie de acţiunea lor) la cuplul principal generat de armonica fundamentală.

Dacă se consideră, mai întâi, acţiunea unei armonice de succesiune pozitivă, acesteia îi corespunde alunecarea s = 1 1/h .

Pentru toate alunecările cuprinse între limitele s = 1şi s = 1 1/h rotorul se roteşte cu o viteză inferioară celei a armonicei şi atunci armonica tensiunii electromotoare de rang h va determina un cuplu motor. Pentru alunecările cuprinse între limitele s = 1 1/h şi s = 0,

87

Page 88: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

rotorul se învârteşte cu o viteză superioară armonicei de rang h şi va apărea un cuplu rezistent. Cuplul motor al armonicei se va adăuga la cuplul principal, iar cuplul rezistent se va scădea.

Dacă reţeaua electrică de alimentare este caracterizată de o distorsiune mai mare, poate apărea necesitatea reducerii încărcării maşinii (o denominare a puterii motorului cu 5 10% poate fi impusă în cazuri foarte defavorabile).

O problemă specifică apare în cazul acţionărilor cu viteză variabilă (AVV), unde motoarele sunt alimentate prin intermediul convertoarelor statice de frecvenţă. Acestea (mai puţin cele care conţin invertoare cu comandă PWM) realizează o tensiune puternic distorsionată care poate conduce la puternice solicitări termice şi mecanice ale motorului de acţionare. În aceste situaţii, este necesar să se analizeze posibilităţile practice de reducere a perturbaţiilor şi limitele de solicitare ale motorului.

f) Efecte ale regimului periodic nesinusoidal asupra echipamentelor electroniceEchipamentele electronice utilizate în sistemele de reglare sunt, în general, alimentate cu

tensiune sinusoidală, dar ele însele pot constitui surse poluante pentru reţeaua la care sunt conectate, datorită modului specific de modificare a mărimilor controlate (reglare de fază, reglare de durată etc.).

La aplicarea, la bornele acestor echipamente, a unei tensiuni nesinusoidale, caracteristicile tehnice ale instalaţiei sunt modificate, putând determina efecte negative asupra comenzilor şi o funcţionare necorespunzătoare a echipamentului [2.2].

Poluarea armonică afectează echipamentele electronice prin mai multe mecanisme, dintre care cele mai importante sunt următoarele:

Posibilitatea trecerilor multiple prin zero ale curbei de tensiune ca urmare a distorsiunii armonice prezintă o problemă gravă deoarece un mare număr de circuite electronice îşi bazează funcţionarea pe sincronizarea cu trecerile prin zero ale tensiunii reţelei; este evident că dacă apar mai multe astfel de puncte (decât cele considerate pentru armonica fundamentală), funcţionarea echipamentului este afectată şi acesta nu îşi poate îndeplini în mod corect funcţiunile. În multe circuite electronice, comutarea dispozitivelor semicoductoare se face la tensiune zero, pentru a reduce interferenţele electromagnetice şi şocurile de curent; trecerile multiple prin zero ale curbei de tensiune pot afecta, şi în acest caz, funcţionarea corectă a echipamentelor;

Amplitudinea curbei de tensiune, respectiv valoarea factorului de vârf trebuie avute în vedere deoarece unele surse electronice utilizează această informaţie pentru a asigura încărcarea condensatorului de filtrare. Prezenţa armonicelor poate determina însă creşterea sau reducerea amplitudinii (efectul de ascuţire sau de aplatisare a curbei) tensiunii reţelei; ca urmare, tensiunea furnizată de sursă se modifică, chiar dacă valoarea efectivă a tensiunii de intrare este egală cu valoarea nominală. Funcţionarea echipamentelor alimentate de sursă este afectată, începând cu creşterea sensibilităţii la goluri de tensiune şi ajungând la grave disfuncţionalităţi. Pentru a se evita aceste efecte, unii fabricanţi de calculatoare limitează valorile factorului de vârf la , iar alţii impun ca factorul de distorsiune să nu depă-şească 5% .

Interarmonicile pot afecta funcţionarea monitoarelor şi televizoarelor prin modularea în amplitudine a frecvenţei fundamentale. Pentru niveluri de peste 0,5% ale acestor componente, pot să apară modificări periodice ale imaginii pe tuburile catodice.

88

Page 89: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

2.4.3 Alte efecte ale regimului periodic nesinusoidal

a) Perturbaţii electromagnetice în schemele de distribuţie TNCÎn schema de distribuţie TNC (fig. 2.4) , cu conductorul neutru şi conductorul de protecţie

comune în întreaga reţea, curenţii armonici de rang h = 3m care se însumează în conductorul PEN al sistemelor de distribuţie cu 4 conductoare, vor parcurge aceste circuite (inclusiv toate legăturile la masă şi structurile metalice ale clădirilor), determinând căderi de tensiune impor-tante; acest fenomen poate conduce la unele efecte negative, ca de exemplu:

Corodarea pieselor metalice; Încărcarea anormală a unei legături de telecomunicaţii care conectează masele a

două receptoare (cum ar fi imprimanta şi calculatorul); Radiaţii electromagnetice care perturbă funcţionarea corectă a sistemelor de calcul.Având în vedere aceste aspecte, se recomandă evitarea utilizării schemei TNC în sisteme

care conţin surse importante de armonice 3m.

b) Influenţa asupra releelor de protecţieÎn general, este foarte dificil de evaluat comportarea diferitelor tipuri de relee de

protecţie în regim nesinusoidal. Răspunsul depinde de amplitudinea şi faza armonicelor.

c) Influenţe asupra aparatelor de măsurareInfluenţele sunt diferite la aparatele analogice şi la aparatele numerice, acestea având o

comportare diferită, în funcţie de tipul lor. Funcţionarea aparatelor analogice de măsurare în reţele poluate armonic este însoţită de

erori relativ mari, atât în sens pozitiv, cât şi în sens negativ şi dependente de tipul aparatului.Cel mai utilizat aparat pentru măsurarea energiei, contorul de inducţie, este

puternic afectat de distorsiunea curbelor de curent şi de tensiune. Testele efectuate au evidenţiat următoarele [2.6]: erori de până la – 20% în cazul unor deformări semnificative ale curbelor de

tensiune şi de curent electric; erori de până la +5% pentru tensiune sinusoidală şi curent deformat;

posibile rezonanţe mecanice în domeniul (400 1000) Hz. Ampermetrele şi voltmetrele numerice sunt imune la distorsiunea curbei numai în cazul

în care sunt prevăzute cu convertor tensiune continuă – valoare efectivă a tensiunii alternative. Pentru wattmetrele şi contoarele de energie activă electronice, erorile constatate în cazul

conectării la sisteme poluate armonic au fost sub 0,1%; ele sunt determinate de caracteristicile

89

Page 90: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

de frecvenţă ale canalelor de intrare (curent sau tensiune) şi de anumite neliniarităţi. Problema funcţionării contoarelor electronice în regim periodic nesinusoidal necesită un studiu aprofundat.

d) Daune economicePrezenţa armonicelor în reţeaua electrică determină daune, în principal, datorită:

Creşterii cheltuielilor de fabricaţie pentru limitarea neliniarităţilor specifice diferitelor echipamente sau pentru creşterea nivelului de imunitate la perturbaţii (încadrarea echipamentelor în clasele de imunitate impuse de normativele în vigoare);

Creşterea cheltuielilor de exploatare pentru operaţii de mentenanţă preventivă sau corectivă;

Creşterea cheltuielilor de producere a energiei electrice şi, în general, majorarea investiţiilor în sistemele energetice datorită necesităţii supradimensionării elementelor reţelei.

Tabelul 2.4Costuri pentru limitarea armonicelor în reţeaua electrică

Ţara PIB,Miliarde €

Consum de energie

electrică,TWh

Populaţie,Milioane

Costuri pentru limitarea armonicelor

Măsuri adoptate Costuri, Miliarde €

Franţa 1500 450 60

Incorporarea de filtre active în staţiile

IT/MT şi întărirea conductorului neutru

în reţelele de JT

22

Germania 2300 500 85Întărirea instalaţiilor

în întreg sistemul electroenergetic

20

Spania 500 180 40 Măsurile indicate mai sus

6

Ca exemplu, în tabelul 2.4 sunt indicate rezultatele unor analize privind costuri necesare pentru controlul armonicelor în sistemele electroenergetice ale diferitelor ţări, în lipsa unor mijloace eficiente pentru limitarea nivelului de distorsiune la nivelul consumatorilor [2.3, 2.4].

Datele din tabelul 2.4 pun în evidenţă faptul că operatorul de reţea ar trebui să acopere costuri de circa 1% din PIB pentru controlul armonicelor din reţeaua electrică, dacă acestea nu ar fi limitate la nivelul consumatorilor perturbatori. Se consideră că această valoare corespunde, cu mici variaţii, tuturor sistemelor moderne de alimentare cu energie electrică.Datele din tabel pun în evidenţă necesitatea existenţei unor mijloace eficiente pentru controlul încadrării consumatorilor perturbatori în limitele alocate de perturbaţie.

Utilizarea, din ce în ce mai largă, a sistemelor electronice de calcul în clădirile pentru birouri a determinat ca acestea să devină surse importante de perturbaţii armonice, dar şi să prezinte evidente efecte datorate reducerii calităţii energiei electrice. În tabelul 2.5 sunt indicate principalele probleme datorate perturbaţiilor armonice în clădirile de birouri, precum şi cauzele care determină aceste probleme.

90

Page 91: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Tabelul 2.5Perturbaţii armonice în clădirile de birouri

Probleme datorate armonicelor Cauze care determină disfuncţionalităţi Funcţionarea defectoasă şi chiar defectarea sistemelor de calcul; Supraîncălzirea conductorului neutru; Eficienţa redusă şi supraîncălzirea UPS, a transformatoarelor şi a cablurilor din instalaţie; Funcţionarea protecţiilor fără o cauză aparentă; Interferenţe cu reţeaua de comunicaţii; Creşterea puterii active consumate.

Calitate redusă a energiei electrice. Factor de distorsiune ridicat în curba tensiunii de alimentare; Diferenţă importantă de tensiune între conductorul neutru şi cel de protecţie; Factor de distorsiune ridicat în curba curentului electric; Nivel excesiv al armonicelor de rang 3 şi 9 în curba curentului electric din conductorul neutru; Creşterea valorii efective a curentului electric pe fază; Factor de putere redus, datorită armonicelor; Creşterea pierderilor de putere activă în instalaţia electrică.

Creşterea numărului de echipamente electronice de control şi reglare în industrie şi, în special, utilizarea largă a convertoarelor de frecvenţă a determinat ca industria modernă să reprezinte o sursă importantă de armonice, dar să fie confruntată cu probleme legate de funcţionarea eficientă a instalaţiilor electrice din sistemul electroenergetic industrial. În tabelul 2.6 sunt indicate principalele probleme datorate armonicelor în instalaţiile industriale şi cauzele acestora.

Tabelul 2.6Perturbaţii armonice în instalaţii industriale

Probleme datorate armonicelor Cauze ale disfuncţionalitătilor Funcţionare defectoasă şi chiar defectarea echipamentelor electronice; Supraîncălzirea şi chiar defectarea transformatoarelor şi a cablurilor; Supraîncărcarea şi defectarea bateriilor de condensatoare; Eficienţa redusă a transformatoarelor şi a cablurilor; Funcţionarea protecţiilor fără o cauză aparentă; Supraîncărcarea şi defectarea

Calitatea redusă a energiei electrice. Factor de distorsiune ridicat pe curba de tensiune; Supratensiuni tranzitorii determinate de convertoarele electronice de putere; Factor de distorsiune ridicat pe curba curentului electric; Rezonanţe cu bateriile de condensatoare; Creşterea valorii efective a curentului electric pe fază;

91

Page 92: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

motoarelor; Interferenţe cu reţeaua de comunicaţii.

Factor de putere redus datorită prezenţei armonicelor

2.5 Sisteme de măsurare a nivelului perturbaţiilor armonice

2.5.1 Echipamente de măsurare

Evaluarea nivelului de distorsiune a unei curbe de tensiune sau de curent electric din sistemul electroenergetic necesită utilizarea unei proceduri normalizate, având în vedere faptul că, în reţeaua electrică, metoda larg utilizată de analiză în domeniul frecvenţă a curbelor distorsionate pe baza transformării Fouriei, nu poate fi teoretic folosită, având în vedere că nu sunt îndeplinite condiţiile Drichlet de utilizare a acestei transformări.

Poate fi dezvoltată în serie Fourier o funcţie y(t), de variabilă reală t care în intervalul finit T îndeplineşte următoarele condiţii [2.1]:

este mărginită

;

(2.30)

în intervalul T are un număr finit de discontinuităţi de prima speţă; intervalul T se poate descompune într-un număr finit de subintervale în care funcţia este

monotonă; funcţia este periodică

y(t) = y(t+nT); n = 1; 2, … , (2.31)

în care T = 2/ este perioada, = 2f pulsaţia, iar f frecvenţa.Determinarea spectrului de armonice pentru o curbă distorsionată, conform normelor

actuale [2.7], se face pe o fereastră Tw cuprinzând N =10 perioade ale fundamentalei mărimii analizate Tw = NT, în care T este perioada componentei fundamentale (T = 1/f , f fiind frecvenţa componentei fundamentale, egală cu frecvenţa din sistemul electric). Astfel, o curbă distorsionată definită de funcţia f(t), pe fereastra Tw , poate fi descompusă sub forma:

, (2.32)

în care c0 este componenta continuă, cm = Cm amplitudinea componentei spectrale de rang m, = 2f pulsaţia fundamentalei, m defazajul componentei spectrale de rang m.

Descompunerea curbei distorsionate în componente spectrale, sub forma indicată în relaţia (2.32) indică faptul că armonica fundamentală corespunde componentei spectrale de rang m = N (pentru N = 10, armonica fundamentală rezultă a fi componenta spectrală de rang 10; componenta cu rang m = 1 are frecvenţa 5 Hz şi T10 = T ).

Determinarea amplitudinii şi fazei componentelor spectrale se face pe baza relaţiilor cunoscute ale transformării Fourier, utilizând eşantioanele curbei analizate

(2.33)

92

Page 93: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

În relaţiile (2.33) s-a considerat că în fereastra Tw au fost obţinute un număr de M eşantioane. Deoarece algoritmul de bază pentru obţinerea componentelor spectrale este FFT (Fast Fourier Transform) devine necesar ca numărul M de eşantioane să corespundă unei puteri întregi a numărului doi (în mod obişnuit puterea 10 sau 11).

Înainte de utilizarea algoritmului de prelucrare DTF, eşantioanele semnalului din fereastra de eşantionare Tw sunt ponderate prin multiplicare cu o funcţie simetrică specială. În mod obişnuit, pentru semnale periodice şi eşantionare sincronizată cu trecerea prin zero a semnalului, este preferabilă utilizarea unei ferestre dreptunghiulare de ponderare, prin multiplicarea fiecărui eşantion cu unitatea.

Descompunerea conform relaţiilor (2.33) conduce la un spectru de frecvenţă (fig.2.5) în care fundamentala corespunde componentei spectrale de rang m = N.

Pe baza datelor obţinute prin utilizarea transformării DTF (valorile liniilor spectrale din fig. 2.5) pot fi calculate valorile următoarelor mărimi:

Valoarea efectivă Gh a armonicei de rang h egală cu valoarea efectivă Cm = cm/ a liniei spectrale de rang m = hN;

Valoarea efectivă Ggh a grupului armonic de rang h ca valoare efectivă a grupului compus din armonica de rang h şi a componentelor spectrale adiacente acestei armonice:

; (2.34)

Valoarea efectivă Gsgh a subgrupului armonic de rang h ca valoare efectivă a grupului compus din armonica de rang h şi a celor două componente spectrale imediat adiacente armonicei de rang h:

; (2.35)

Nivelul armonicei de rang h determinat ca raportul dintre valoarea efectivă a armonicei de rang h şi valoarea efectivă a fundamentalei;

Factorul total de distorsiune THD (Total Harmonic Distorsion) ca raportul dintre valoarea efectivă a semnalului din care este eliminată fundamentala (reziduul deformant) şi valoarea efectivă a fundamentalei

,(2.36)

în care H este rangul maxim al armonicei până la care se face analiza armonică (în mod obişnuit H = 40), Gh valoarea efectivă a armonicei de rang h; G1 valoarea efectivă a fundamentalei;

Factorul total de distorsiune al grupurilor armonice THDG (Group Total Harmonic Distorsion)

93

Page 94: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

,(2.37)

în care Ggh este valoarea efectivă a grupului armonic de rang h, iar Gg1 valoarea efectivă a grupului armonic al fundamentalei;

Factorul total de distorsiune al subgrupurilor armonice THDS (Subgroup Total Harmonic Distorsion)

,(2.38)

în care Gsgh este valoarea efectivă a subgrupului armonic de rang h, iar Gsg1 valoarea efectivă a grupului armonic al fundamentalei;

Factor parţial de distorsiune ponderat PWHD (Partial Weighted Harmonic Distortion)

, (2.39)

în care valorile limită Hmin şi Hmax sunt definite în normativele specifice (în mod obişnuit Hmin = 14 şi Hmax = 40).

Mărimile determinate pe fereastra de 10 perioade ale fundamentalei (Tw = 0,2 s), considerate ca mărimi „instantanee”, sunt prelucrate conform unei proceduri standard pentru a obţine datele de bază necesare analizei calităţii energiei electrice.

Primul nivel de prelucrare se face pe intervalul Tvs = 3 s (very short term). În funcţie de efectul analizat al armonicelor (efecte instantanee sau efecte de lungă durată) se determină, pe intervalul analizat, valoarea cea mai mare dintre valorile din ferestrele de 0,2 s sau se calculează valoarea efectivă a valorilor din ferestrele de 0,2 s. Ca exemplu, valoarea efectivă pe intervalul de 3 secunde Ghvs rezultă din relaţia

, (2.40)

în care M corespunde numărului de valori valide determinate pe 0,2 s cuprins în fereastra de 3 s (în mod obişnuit M = 15).

Al doilea nivel de prelucrare a datelor se face pe intervalul Ts = 10 minute (short term) şi oferă datele de bază pentru analiza semnalelor pe termen lung

, (2.41)

în care K este numărul de valori evaluate pe 3 s, care este cuprins în intervalul de 10 minute. În mod opţional, poate fi utilizat şi un nivel de prelucrare pe un interval de o oră. Din

punct de vedere practic, prezintă interes, în special, monitorizarea pentru un interval de o zi şi pentru un interval de o săptămână.

94

Page 95: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Determinările pentru curba curentului electric urmează aceeaşi procedură cu specificaţia faptului că trebuie invalidate valori ale curentului electric sub un anumit prag. Se consideră că acest prag ar putea avea valoarea de 20 % din curentul nominal. Analiza unor curenţi de valoare redusă în raport cu curentul nominal, pentru care consumatorul este dimensionat, nu prezintă interes practic, deşi ar fi posibil ca nivelul de distorsiune să fie important. Astfel, de exemplu, curentul de mers în gol al unui transformator este, în mod obişnuit, foarte distorsionat, însă efectul lui asupra tensiunii de la bare este nesemnificativ având în vedere faptul că, la barele de alimentare, curentul electric de scurtcircuit practic nu depinde de curentul electric de sarcină al consumatorului, conectat la această bară.

Înainte de efectuarea unor măsurători de detaliu, este necesar a fi realizată o evaluare subiectivă a existenţei mărimilor distorsonate. În acest sens, este suficient a utiliza un osciloscop sau un aparat numeric cu funcţie de osciloscop pentru a observa forma mărimii analizate şi a evalua abaterea faţă de o sinusoidă. De asemenea, pot fi utilizate aparate numerice simple pentru măsurarea factorului de distorsiune, a valorii de vârf sau a factorului de formă. Numai dacă se apreciază existenţa distorsiunii mărimilor electrice, urmează a fi efectuată o monitorizare pentru determinarea cantitativă a indicatorilor care definesc regimul.

Scopul analizei mărimilor distorsionate poate fi: Stabilirea nivelului de distorsiune în punctul analizat şi compararea cu valorile admise,

conform normelor sau clauzelor contractuale; Depistarea surselor de perturbaţii sub formă de armonice sau interarmonice; Stabilirea soluţiilor pentru limitarea nivelului de distorsiune în punctul analizat

(modificări în regimul de lucru sau eventual investiţii în filtre de armonice); Validarea soluţiilor adoptate pentru limitarea distorsiunii în punctul analizat.La efectuarea determinărilor este necesar să se cunoască configuraţia reţelei în aval şi în

amonte faţă de punctul de măsurare, existenţa circuitelor în funcţiune şi a celor deconectate, starea şi modul de funcţionare al echipamentelor pentru îmbunătăţirea factorului de putere, regimurile de funcţionare ale consumatorilor din zonă.

O importantă cantitate de informaţii privind nivelul de distorsiune poate fi obţinută din analiza informaţiilor stocate în echipamentele moderne de comandă şi protecţie, dotate si cu funcţii privind calitatea energiei electrice.

Determinările, realizate utilizând echipamente mobile analizoare de semnal de tip expert sunt necesare pentru analize de detaliu în noduri ale reţelei electrice, cu niveluri ridicate de distorsiune armonică, stabilite anterior prin metode mai simple.

Schema de principiu a unui echipament care face analiza distorsiunii armonice a curbelor de tensiune şi de curent electric, cu determinarea puterilor armonice este indicată în figura 2.6. Echipamentul de măsurare cuprinde în principal următoarele blocuri [2.7, 2.9]:

circuitul de intrare cu filtru antirepliere (antialiasing); convertor A/N incluzând circuite de eşantionare memorare; sincronizare şi eventual fereastră de preprocesare; procesor DTF pentru obţinerea coeficienţilor am şi bm ai transformării Fourier.În circuitul de intrare, semnalul analizat este pretratat astfel încât să fie eliminate

frecvenţele superioare rangului maxim pe care îl poate opera instrumentul.În general, pentru analiza semnalului este utilizată o fereastră dreptunghiulară

sincronizată, cu o lăţime de 10 perioade, cu o eroare de cel mult 0,03 % . Echipamentul trebuie să asigure posibilitatea de sincronizare la trecerea prin zero a curbei (sau altă metodă de

95

Page 96: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

sincronizare), cu o acurateţe determinată, la o eventuală variaţie a frecvenţei semnalului cu cel puţin 5 % în raport cu frecvenţa nominală a reţelei electrice [2.9].

Circuitul de intrare de curent electric poate fi prevăzut cu intrare directă (circuit de impedanţă redusă) sau cu intrare pentru traductoare de curent (în general transformatoare de curent electric cu un şunt adiţional). Tensiunea de intrare în circuitele de preprocesare este în mod obişnuit de 0,1 V.

Pe durata măsurătorilor este necesar să se evalueze nivelul componentei continue a semnalului. Această componentă, deşi nu este sesizată, în mod obişnuit, de echipamentul de măsurare (datorită prezentei transformatorului de măsurare) poate conduce la erori importante determinate de magnetizarea transformatorului de măsurare de curent din circuitul de intrare.

Circuitul de intrare de tensiune este dimensionat pentru o creştere a tensiunii de intrare cu 20 % faţă de valoarea de referinţă. În mod obişnuit, aceste echipamente acceptă un factor de vârf cel mult egal cu 2.

În cazurile practice, măsurarea curentului electric, chiar în circuitele de joasă tensiune, se face prin intermediul unor transformatoare de măsurare („cleşti de măsurare”). Aceste traductoare trebuie să corespundă condiţiilor de măsurare în instalaţii temporare (IEC 61010-2-032).

2.5.2 Determinări în circuite trifazate

96

Page 97: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Monitorizarea mărimilor electrice distorsionate, în circuitele trifazate de înaltă tensiune, în instalaţiile nemodernizate din România (în prezent, în mare majoritate, în reţelele de distribuţie şi de transport) necesită o atenţie deosebită la conectarea echipamentului de măsurare în circuitele secundare ale transformatoarelor de măsurare. Aspectul principal care trebuie luat în consideraţie este faptul că, în aceste instalaţii, faza B din circuitele de măsurare este conectată la pământ (fig.2.7), iar punctul neutru al circuitului de măsurare are un potenţial ridicat. Echipamentul de măsurare trebuie să fie prevăzut cu posibilitatea izolării electrice a bornei de intrare pentru potenţialul de referinţă, în acest caz borna de nul (nu este admisă legare bornei de nul la borna pământ).

În instalaţiile moderne, legare la pământ este realizată în punctul neutru al schemei.În mod obişnuit, în cazul măsurătorilor în reţelele de joasă tensiune, echipamentele de

măsurare trifazate permit şi măsurarea curentului electric în conductorul neutru şi diferenţa de potenţial între conductorul neutru şi pământ (conductorul de protecţie PE). Aceste echipamente trebuie să fie prevăzute, deci, cu 4 canale de curent electric şi 4 canale de tensiune.

Dacă se urmăreşte şi analiza puterilor în cazul curbelor distorsionate, o atenţie deosebită trebuie acordată verificării diagramei fazoriale a tensiunilor şi curenţilor, precum şi corelarea acestora. Cele mai multe erori pot fi determinate de conectarea inadecvată a transformatoarelor de măsurare de curent electric (aşa numita „inversare a cleştilor de curent”).

2.5.3 Proceduri de evaluare a calităţii tensiunii distorsionate

Evaluarea calităţii energiei electrice, din punctul de vedere al distorsiunii armonice, se face prin compararea valorilor determinate cu valorile admise. Procedura de verificare este următoarea [2.9]:

97

Page 98: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Se consideră intervalul de monitorizare pe o săptămână şi sunt disponibile valorile agregate pe 10 minute;

Se determină numărul de intervale N de 10 minute în care tensiunea în nodul analizat nu a avut o abatere mai mare de 15 % faţă de tensiunea contractată;

Se determină numărul N1 de intervale în care valorile agregate pe 10 minute ale nivelului armonicelor, pe durata în care tensiunea în nodul analizat nu a avut o abatere mai mare de 15 % faţă de tensiunea contractată, au depăşit limitele indicate în normative;

Se determină numărul N2 de intervale în care valorile agregate pe 10 minute ale factorului total de distorsiune, pe durata în care tensiunea în nodul analizat nu a avut o abatere mai mare de 15 % faţă de tensiunea contractată, au depăşit limitele indicate în normative;

Se verifică faptul că N1/N 0,05 şi N2/N 0,05.

2.5.4 Aspecte practice la efectuarea măsurătorilor privind distorsiunea armonică

Evaluarea experimentală a nivelului de distorsiune în instalaţiile electrice necesită o serie de precaţii atât tehnice cât şi de securitate a muncii.

Principalele aspecte legate de securitatea muncii sunt cuprinse în recomandările CEI 61010, care impun respectarea normelor de lucru în zonele cu pericol de electrocutare [2.10]:

Nu este admisă utilizarea de improvizaţii în schema de măsurare; În cazul efectuării de determinări pe intervale mari de timp, o atenţie deosebită trebuie

acordată asigurării locului de plasare a echipamentelor, astfel încât să nu perturbe eventualele intervenţii ale personalului de lucru în cazul unor incidente;

Echipamentele de măsurare cu carcasă metalică trebuie legate la pământ; în acest sens, se va acorda o atenţie deosebită măsurătorilor în circuitele secundare în care una dintre faze poate fi legată la pământ, iar punctul neutru este sub tensiune;

Bornele aflate la tensiune trebuie să fie protejate pentru a evita atingeri directe; Conectarea circuitelor de curent ale echipamentelor de măsurare, în serie cu secundarul

transformatoarelor de măsurare de curent din staţiile electrice, nu este recomandată, necesitând întreruperea, chiar pentru scurt timp, a circuitelor de măsurare de curent electric; este recomandată utilizarea „cleştilor de curent” , în măsura în care corespund recomandărilor CEI 610102032.

Principalele precauţii care trebuie urmărite, din punct de vedere tehnic, sunt următoarele: Utilizarea traductoarelor de măsurare (divizoare de tensiune, cleşti de curent) adecvate

intrărilor echipamentului de măsurare; Traductoarele de măsurare trebuie să aibă o caracteristică de frecvenţă adecvată

domeniului de frecvenţă analizat (în cazul particular al monitorizării armonicelor, o bandă de frecvenţă cel puţin până la 2000 Hz);

Traductoarele de măsurare trebuie să reziste unor evenimente din reţeaua electrică (supratensiuni, scurtcircuite) fără a fi afectată integritatea lor fizică şi exactitatea de măsurare;

În cazul determinărilor în circuitele secundare ale instalaţiilor de înaltă tensiune, trebuie evaluată incertitudinea de măsurare determinată de prezenţa transformatoarelor de măsurare de tensiune şi a celor de curent electric; în acest sens, transformatoarele de măsurare de tensiune trebuie să corespundă prescripţiilor din CEI 60044-2, iar transformatoarele de măsurare de curent electric, prescripţiilor din CEI 60044-1;

98

Page 99: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

La evaluarea nivelului de distorsiune, pentru armonice sau interarmonice, este necesar a avea în vedere următoarele aspecte privind caracteristica de frecvenţă:

transformatoarele de măsurare de tip electromagnetic au o bandă de frecvenţă ce nu depăşeşte 1 kHz;

divizoarele capacitive de tensiune au o bandă de frecvenţă până la sute de kHz; divizoarele rezistive au o bandă de frecvenţă ce poate depăşi sute de kHz; transformatoarele de măsurare de curent electric, de tip electromagnetic, au o bandă

de frecvenţă ce nu depăşeşte 1 kHz; transformatoarele de măsurare de curent electric de tip Hall au o bandă de frecvenţă

care ajunge până la 10 kHz. Existenţa transformatoarelor de măsurare bazate pe alte principii (elemente Hall, circuite

optice) trebuie analizată din punctul de vedere al incertitudinii de măsurare; Transformatoarele de măsurare clasice, de tip electromagnetic sau capacitiv, nu pot fi

utilizate pentru analiza unor fenomene cu variaţie rapidă; La utilizarea şunturilor de măsurare, pentru analiza cu exactitate ridicată a formei

curentului electric în circuit, este necesar a acorda o atenţie deosebită conectării în circuit a echipamentului de măsurare, din punctul de vedere al izolaţiei electrice;

Echipamentul de măsurare utilizat pentru monitorizarea armonicelor sau interamonicelor trebuie să evalueze nivelul de distorsiune pe baza algoritmului indicat în CEI 61000-4-7/2002 [2.7].

2.6 Mijloace de limitare a armonicelor

2.6.1 Filtre pasive

Modernizarea receptoarelor de energie electrică, în primul rând prin posibilitatea reglării consumului de energie electrică în funcţie de proces, a determinat utilizarea largă a semiconductoarelor de putere şi creşterea, astfel, a surselor de regim nesinusoidal. Atât marii consumatori, industria de aluminiu, industria metalurgică (cu un aport deosebit datorită dezvoltării în viitor a cuptoarelor cu arc electric alimentate la tensiune continuă), industria prelucrătoare, dar şi micii consumatori, consumatorii casnici, consumatorii din sectorul terţiar, reprezintă, în prezent, surse importante de armonice şi interamonice. Limitarea acestora, într-o zonă cât mai apropiată de sursa perturbatoare, este una dintre condiţiile reducerii pierderilor de energie activă în circuitele parcurse de curenţii nesinusoidali, dar şi a altor efecte datorate propagării acestor curenţi.

Una dintre soluţiile eficiente pentru limitarea curenţilor armonici, plecând de la analiza în domeniul frecvenţă a formei curbelor distosionate de curent electric, este utilizarea filtrelor pasive.

În principiu, un filtru pasiv cuprinde mai multe circuite rezonante LC care realizează, pentru armonicele semnificative, căi de impedanţă practic nulă. În acest fel, circulaţia curenţilor armonici se limitează numai pe circuitul sursă perturbatoare filtru. Locul de plasare a filtrului şi, deci, nivelul daunelor pe circuitul parcurs de curentul electric distorsionat, este stabilit, în special, pe criterii economice. În mod obişnuit, filtrul pasiv este conectat la barele de alimentare ale consumatorului, astfel încât curentul electric absorbit de consumator să se afle în limitele de distorsiune acceptată de furnizorul de energie electrică.

Conectarea unui filtru electric absorbant la barele de alimentare ale consumatorului perturbator, cu regim staţionar cunoscut, este unul dintre mijloacele cele mai eficiente de

99

Page 100: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

limitare a transferului de armonice în reţeaua electrică şi de limitare a solicitării condensatoarelor din bateria pentru compensarea puterii reactive, conectată la barele de alimentare.

Filtrul electric absorbant (fig. 2.8) cuprinde un ansamblu de circuite rezonante serie, fiecare dintre aceste circuite prezentând o impedanţă practic nulă pentru una dintre armonicele generate de consumatorul perturbator.

Filtrul absorbant este conectat la barele de alimentare ale consumatorului perturbator, la care sunt racordate receptoarele cu caracteristică neliniară RN, receptoarele liniare RL, precum şi, dacă este necesară, bateria de condensatoare C pentru compensarea puterii reactive.

Deoarece fiecare dintre circuitele rezonante ale filtrului de armonice prezintă caracter capacitiv la frecvenţe inferioare frecvenţei de rezonanţă, definită de armonica hi (fig. 2.9) şi ca-racter inductiv pentru frecvenţe superioare acestei valori, rezultă că, la frecvenţa fundamentală, fiecare dintre circuite generează putere reactivă şi trebuie luate în consideraţie la analiza prob-lemelor legate de compensarea puterii reactive. În mod obişnuit, la barele de alimentare ale consumatorului este conectată bateria de condensatoare C care, împreună cu capacitatea echi-valentă a circuitelor rezonante, asigură compensarea puterii reactive pentru a obţine valoarea impusă a factorului de putere.

Dimensionarea filtrului absorbant se face pe baza informaţiilor privind sursa de armonice (considerată ca sursă de curent), a caracteristicilor reţelei electrice de alimentare, precum şi de valoarea admisă a factorului de distorsiune [2.11, 2.12]. În calcule, se iau în considerare valorile probabile, cele mai mari, ale curenţilor armonici. În mod obişnuit,

100

Page 101: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

filtrul absorbant cuprinde circuite rezonante pe armonicele de rang 5, 7, 11 şi 13, cele mai importante în sistemul electroenergetic. De regulă, nu sunt luate în consideraţie armonicele pare şi cele multiplu de 3, având în vedere limitarea acestora de către transformatoarele stea-triunghi. Problema armonicelor de rang multiplu de 3 devine importantă dacă se are în vedere tendinţa de utilizare a transformatoarelor stea-stea în locul celor stea- triunghi (mai scumpe faţă de cele stea-stea, de aceeaşi putere normată, cu peste 15%).

Fiecare dintre circuitele rezonante ale filtrului poate fi definit de mărimile: putere reactivă la frecvenţa fundamentală; frecvenţa de rezonanţă fhi corespunzătoare armonicei hi ; factorul de calitate (atenuarea determinată de rezistenţa electrică a circuitului, în special a

bobinei din componenţa filtrului).Elementele fiecărui circuit rezonant se dimensionează astfel încât să nu fie depăşite

solicitările termice şi electrice admisibile [2.13]. Conform normelor actuale [2.6], este admisă o supraîncărcare de durată a condensatoarelor utilizate în circuitul filtrelor de armonice până la 1,3ICN , unde ICN este curentul normat al condensatorului, şi o supratensiune de durată până la 1,1UCN , unde UCN este tensiunea normată a condensatoarelor.

Prezenţa filtrului absorbant la barele de alimentare ale consumatorului face ca în reţeaua electrică, să se propage numai armonicele reziduale, care pot fi limitate prin conectarea unei bobine în serie sau de către inductivitatea transformatorului de alimentare a barei. Tensiunea la barele de alimentare, în prezenţa filtrului de armonice, poate să fie considerată ca fiind apropiată de sinusoidă. La dimensionarea circuitelor rezonante ale filtrului absorbant, se consideră că tensiunea de alimentare este sinusoidală (cuprinde numai armonica fundamentală).

Fiecare dintre circuitele rezonante ale filtrului absorbant este parcurs de un curent electric determinat de armonica pentru care este dimensionat (pentru care prezintă o impedanţă practic nulă), de armonica fundamentală (determinată de tensiunea sinusoidală de la barele de alimentare), precum şi de armonice pentru care nu sunt prevăzute circuite rezonante. Astfel, dacă la barele de alimentare sunt conectate circuite rezonante pentru armonicele 5, 7, 11 şi 13, toate circuitele rezonante vor fi parcurse şi de armonice de rang mai mare sau egal cu 17. Amplitudinea acestor curenţi, prin circuitele rezonante dimensionate pentru armonice de rang inferior, este neglijabilă. Acest lucru este determinat de faptul că fiecare circuit rezonant prezintă, pentru armonice de frecvenţă superioară frecvenţei de rezonanţă, un caracter inductiv.

Condiţiile de dimensionare a circuitelor rezonante ale filtrelor pasive pot fi scrise sub forma [2.13]:

;;

,(2.42)

în care Ih este intensitatea curentului electric ce parcurge circuitul rezonant de rang h (determină solicitarea termică a condensatorului corespunzător Ch), kI = 1,3 factor admis de supraîncărcare a condensatoarelor utilizate în circuitele filtrelor de armonice, ICN curentul nominal al condensatorului utilizat în circuitul rezonant de rang h; UCh tensiunea la bornele condensatorului din circuitul rezonant de rang h; kU =1,2 factor admis de creştere a tensiunii la bornele condensatoarelor utilizate în circuitele filtrelor de armonice; UCN tensiunea nominală a condensatorului utilizat în circuitul rezonant de rang h; Lh inductivitatea bobinei din circuitul rezonant de rang h .

101

Page 102: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

La dimensionarea schemei se consideră faptul că circuitul rezonant de rang h este parcurs numai de curentul Ihh de rang h determinat de receptorul neliniar şi de curentul Ih1

determinat de tensiunea sinusoidală, de armonică fundamentală, la barele de alimentare

(2.43)Tensiunea la bornele condensatorului Ch este determinată numai de curentul electric

Ihh de rang h şi de curentul electric Ih1 de frecvenţă fundamentală , (2.44)

în care UChh este tensiunea la bornele condensatorului din circuitul de rang h atunci când este parcurs de curentul electric Ihh ; UCh1 tensiunea la bornele condensatorului din circuitul rezonant de rang h atunci când este parcurs de curentul electric Ih1 .

Deconectarea, pentru revizii sau reparaţii, a unor circuite rezonante din componenţa filtrului absorbant, pe durata funcţionării sursei de perturbaţii, conduce, atât la creşterea valorii factorului de distorsiune a curentului electric ce se propagă în reţeaua de alimentare, cât şi la suprasolicitarea circuitelor rezonante rămase în funcţiune şi având frecvenţa de rezonanţă superioară celei a circuitului deconectat. Pentru a evita această situaţie, sistemele de control automat al regimului deformant şi al compensării puterii reactive asigură conectarea circuitelor începând de la circuitul cu frecvenţa de rezonanţă cea mai mică şi deconectarea începând de la circuitul cu frecvenţa de rezonanţă cea mai mare. Bateria de condensatoare C, pentru compensarea puterii reactive, poate fi conectată numai dacă toate circuitele rezonante ale circuitului sunt conectate.

Prezenţa filtrului absorbant la barele de alimentare ale consumatorului perturbator determină, însă, modificarea caracteristicii de frecvenţă a reţelei electrice în acest punct. În acest fel, este posibilă apariţia unor circuite rezonante, care să conducă la suprasolicitarea componentelor schemei, în cazul în care frecvenţa de rezonanţă a circuitelor oscilante este egală cu frecvenţa unor armonice generate de alţi consumatori din reţea [2.14].

Analiza propagării perturbaţiilor sub formă de armonice în reţeaua electrică, rezolvarea problemelor de alocare a perturbaţiilor, precum şi dimensionarea filtrelor de armonice, conectate la barele de alimentare ale consumatorilor industriali, surse de perturbaţii armonice, impun cunoaşterea de către furnizorul de energie electrică a caracteristicilor de frecvenţă ale reţelei electrice de alimentare. Rezolvarea problemelor legate de implementarea unui filtru pasiv necesită o bună colaborare între utilizatorul de energie electrică şi furnizor.

2.6.2 Aspecte practice la utilizarea filtrelor pasive absorbante

La funcţionarea filtrelor pasive absorbante în reţeaua electrică este necesar a lua în consideraţie şi următoarele aspecte:

Pentru a evita deteriorarea filtrului absorbant în cazul apariţiei unor surse de armonice în reţeaua de alimentare (altele decât cele generate de consumatorul perturbator analizat), circuitele rezonante ale filtrului trebuie dimensionate pentru un curent armonic cu cel puţin 15 % mai mare decât cel al consumatorului studiat;

Dacă frecvenţa f1 a fundamentalei nu se menţine constantă la valoarea de calcul (f1 = 50 Hz) din cauza furnizorului de energie electrică, introducerea filtrelor electrice în instalaţii are eficienţă redusă, deoarece, odată cu modificarea frecvenţei armonicei

102

Page 103: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

fundamentale, se schimbă, în mod corespunzător, şi frecvenţele armonicelor, care nu vor mai corespunde frecvenţelor pe baza cărora s-a efectuat calculul de dimensionare a circuitelor filtrului;

Utilizarea condensatoarelor în reţeaua electrică, în prezenţa regimului nesinusoidal, este admisă numai în schema filtrelor de armonice, asigurându-se limitarea puterii fictive (com-plementare) sau circuite cu condensatoare dezacordate.

Utilizarea eficientă a instalaţiei de filtrare a armonicelor, împreună cu instalaţia de compensare a puterii reactive, impune existenţa unor informaţii corecte privind mărimile electrice corespunzătoare consumatorului perturbator; în acest sens, o importanţă deosebită o au sistemele de măsurare, care trebuie să asigure date corecte în prezenţa unor perturbaţii electromagnetice importante;

Condensatoarele Ch din circuit prezintă, la borne, o tensiune mai ridicată decât tensiunea de la bare; acest aspect trebuie avut în vedere, atât la alegerea condensatoarelor, cât şi pe durata exploatării;

Plasarea filtrelor de armonice la barele generale de alimentare ale consumatorului determină ca, pe circuitul dintre sursa perturbatoare şi barele de alimentare, curentul electric să aibă o valoare mai ridicată (în mod corespunzător pierderile de energie activă) faţă de lipsa filtrului, având în vedere că, în prezenţa filtrului, fiecare dintre circuitele rezonante prezintă o cale de impedanţă foarte coborâtă pentru armonicele corespunzătoare;

Utilizarea filtrelor de armonice în apropierea fiecărui receptor perturbator este, în general, o soluţie mai scumpă faţă de soluţia centralizată, dar asigură reducerea pierderilor active în reţeaua industrială; adoptarea acestei soluţii impune o atenţie deosebită la dimensionarea circuitelor rezonante, având în vedere faptul că unele mici abateri ale frecvenţei de rezonanţă, la circuitele rezonante ale filtrelor plasate în diferite puncte ale instalaţiei, dar dimensionate pentru acelaşi rang armonic, pot determina solicitări inadmisibile ale unora dintre circuitele rezonante; în aceste condiţii este necesar să se acorde o atenţie deosebită analizei reactanţei dintre filtre;

Având în vedere posibilitatea utilizării, în viitor, a semnalelor de frecvenţă ridicată pentru comenzi, utilizând conductoarele electrice ca suport fizic, este necesar să se realizeze filtrul astfel încât aceste frecvenţe să nu fie excesiv limitate;

Utilizarea filtrelor pasive este posibilă numai la consumatorii care funcţionează în mod normal în regim inductiv; rezolvarea problemelor legate de prezenţa armonicelor trebuie făcută în corelare cu analiza compensării puterii reactive pe frecvenţa fundamentală; deconectarea circuitelor filtrului, din motive legate de depăşirea necesarului de putere reactivă, trebuie făcută cu multă atenţie;

Costul filtrelor pasive este, în prezent, între 0,3 şi 0,5 din costul unui filtru activ echivalent;

Filtrele pasive cuprind un număr fix de circuite rezonante realizând limitarea numai a acestor armonice şi, în mod normal, nu pot fi exploatate parţial;

Dimensionarea unui filtru se face pentru o anumită configuraţie a sursei de alimentare şi o anumită sarcină şi, deci, nu poate fi realizat ca module standard;

Factorul de calitate al circuitului filtrului, definit ca raportul dintre reactanţa şi rezistenţa electrică ale circuitului determină, în mare măsură, eficienţa filtrului pentru o anumită frecvenţă.

103

Page 104: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

2.6.3 Circuite de filtrare în scheme cu convertoare

Utilizarea largă a convertoarelor în instalaţiile consumatorului şi modul specific de funcţionare a acestor convertoare fac necesară utilizarea filtrelor pentru limitarea perturbaţiilor determinate de funcţionarea convertoarelor. Ca exemplu, în figura 2.10 este indicat efectul filtrelor inductive din circuitul unui convertor de frecvenţă care alimentează un motor asincron.

104

Page 105: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Prezenţa filtrelor inductive determină o importantă limitare a perturbaţiilor care apar, atât în reţeaua electrică de alimentare şi care ar putea perturba funcţionarea celorlalţi consumatori conectaţi la aceleaşi bare, cât şi în curba curentului electric absorbit de motorul de acţionare.

Probleme asemănătoare apar la utilizarea motoarelor de tensiune continuă pentru acţionare (fig. 2.11). Filtrul F asigură, în special, limitarea perturbaţiilor de înaltă frecvenţă determinate de funcţionarea variatorului de tensiune continuă, iar filtrul inductiv Lr determină limitarea armonicelor în curba curentului electric ir absorbit din reţeaua electrică de alimentare.

Bobina Lm are rol de filtru care limitează armonicele ce apar în curba curentului electric la ieşirea variatorului de tensiune continuă precum şi armonicele din curba curentului electric absorbit din reţeaua electrică de alimentare.

2.6.4 Filtre active

Reducerea perturbaţiilor determinate distorsiunile produse de receptoarele cu caracteristică neliniară, larg întâlnite în electronica de putere, a fost posibilă cu ajutorul filtrelor active care urmăresc corecţia, în domeniul timp, a formei curbelor distorsionate. Acest lucru a devenit posibil odată cu dezvoltarea sistemelor informatice, cu mare viteză de calcul.

Deşi, în prezent, costurile acestor filtre sunt încă relativ ridicate (de 2 până la 3 ori costul unui filtru pasiv echivalent), eficienţa şi versatilitatea lor, le fac din ce în ce mai prezente în aplicaţiile industriale.

Filtrele active, numite şi condiţionere de reţea (active harmonic conditioners, AHC), sunt convertoare statice de putere care pot îndeplini diverse funcţiuni, acestea depinzând fie de modul lor de comandă (comandate în curent sau în tensiune) fie de modul lor de conectare (serie sau paralel) [2.15]

a) Filtrul activ conectat în paralel cu receptorul neliniarUn filtru activ paralel, comandat de obicei în curent (filtru activ de curent – FAC) are rolul

de a asigura o formă practic sinusoidală a curentului electric absorbit din reţeaua electrică de alimentare, independentă de forma curentului electric preluat de consumatorul neliniar. De asemenea, acest montaj poate asigura şi realizarea unui defazaj practic nul între tensiunea de alimentare şi curentul absorbit din reţeaua electrică, independent de defajazul de la bornele consumatorului, asigurând, în acest fel, şi corecţia factorului de putere.

105

Page 106: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

În figura 2.12 este prezentat modul de funcţionare al unui filtru activ de curent elec-tric pentru cazul simplu al unui receptor de tip redresor cu bobină de valoare relativ ridicată pe partea de curent continuu, astfel încât, în circuitul de alimentare, rezultă un curent de formă drepunghiulară. Informaţiile privind forma curentului irA în circuitul receptorului neliniar sunt preluate prin intermediul transformatoarelor de măsurare TC. Blocul de calcul asigură analiza semnalelor achiziţionate şi comandă blocul de putere al filtrului pentru a sintetiza un semnal ifA

care se suprapune curentului distorsionat, realizând un curent practic sinusoidal, iA , absorbit din reţeaua electrică de alimentare.

Curentul electric irA , de pe faza A, absorbit de redresorul trifazat, are o formă nesinusoida-lă, cuprinzând armonica fundamentală irA1 şi reziduul deformant irAd :

. (2.45)

Armonica fundamentală irA1 este defazată faţă de tensiunea de fază, având o componentă activă irA1a (în fază cu tensiunea de alimentare) şi o componentă reactivă irA1r (defazată cu /2 faţă de tensiunea de fază)

irA1 = irA1a + irA1r. (2.46)Filtrul activ trebuie să determine un curent electric ifA (fig. 2.12 b)) care să permită

preluarea din reţeaua electrică a unui curent electric sinusoidal iA cuprinzând numai componenta activă (irA1a) a armonicei fundamentale (irA1) a curentului electric (irA) determinat de receptorul neliniar:

.(2.47)

Având în vedere posibilitatea corectării formei curbei de curent electric şi realizarea formei corectate, în fază cu tensiunea aplicată, acest tip de filtru este denumit şi de corector de factor de putere PFC (Power factor corrector) sau condiţioner de reţea, având funcţia de limitare a regimului nesinusoidal, dar şi de compensare a puterii reactive.

Ca filtru activ paralel se poate folosi, pentru sintetizarea curenţilor if , un invertor de curent cu modulaţia în lăţime a pulsurilor (PWM) comandat în curent (fig. 2.13 a)) sau un

106

Page 107: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

invertor de tensiune cu modulaţia în lăţime a pulsurilor, comandat în tensiune (fig. 2.13 b)) [2.16].

În structura filtrului activ, bobina L (fig. 2.13 a)) şi condensatorul C (fig. 2.13 b)) sunt elemente de stocare a energiei. Având în vedere faptul că aceste elemente nu sunt ideale, iar dispozitivele semiconductoare prezintă pierderi active, curentul determinat de filtrul activ cuprinde componenta reactivă a armonicii fundamentale a curentului electric absorbit de receptorul neliniar, componenta corespunzătoare reziduului deformant al aceluiaşi curent, dar şi o componentă activă corespunzătoare pierderilor în circuitul filtrului.

Filtrul activ de curent electric are efect numai asupra perturbaţiilor din aval şi nu are nici un efect asupra perturbaţiilor din restul reţelei, astfel încât la întreruperea receptorului controlat, filtrul nu are nici un rol.

b) Filtrul activ conectat în serie cu receptorul neliniar

107

Page 108: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Filtrele active conectate în serie cu receptorul neliniar (filtre active de tensiune, FAT) determină controlul tensiunii în punctul de alimentare al receptorului neliniar (fig. 2.14).

Filtrul activ de tensiune este utilizat, în special, în cazul în care receptorul deformant este conectat la un sistem de bare de alimentare caracterizate de un curent de scurtcircuit relativ redus. În acest caz, prezenţa receptorului deformant poate conduce la o puternică distorsiune a tensiunii la barele de alimentare, de la care pot fi alimentaţi şi alţi consumatori, care vor fi afectaţi de distorsiunea curbei de tensiune. De asemenea, filtrul activ de tensiune poate fi utilizat în cazurile în care la barele de alimentare tensiunea este puternic distorsionată, iar receptorul alimentat impune utilizarea unei tensiuni sinusoidale.

Filtrul activ determină o tensiune uf , astfel încât la bornele receptorului rezultă ten-siunea ur :

ur = u + uf , (2.48)în care u este tensiunea la barele de alimentare.

În tabelul 2.7 sunt prezentate unele caracteristici ale filtrelor active de curent comparativ cu cele ale filtrelor pasive.

Tabelul 2.7Comparaţie între caracteristicile filtrelor pasive şi ale celor active

Caracteristici Filtru activ Filtru pasiv

Controlul formei curbei distorsionate Control în domeniul timp

Control în domeniul frecvenţă(circuite specializate pentru

fiecare armonică)Influenţa variaţiilor de

frecvenţă Fără efect Reducerea eficienţei filtrului

Influenţa variaţiilor înimpedanţele schemei

reţelei electriceFără efect Riscul apariţiei rezonanţei

Influenţa creşterii distorsiunii curbei

Fără risc de supraîncărcare, dar cu scăderea eficienţei filtrului

Risc de supraîncărcare a circuitelor filtrului

Influenţa conectării unor echipamente suplimentare

Fără risc de supraîncărcare, dar cu scăderea eficienţei filtrului

Poate fi necesară înlocuirea unor circuite ale filtrului

Modificarea frecvenţei fundamentale

Este posibilă prin modificarea setărilor

Nu este posibilă decât prin înlocuirea elementelor circuitelor

Controlul distorsiunii armonice

Numai pentru perturbaţii din aval de filtru

Pentru toate perturbaţiilearmonice din reţea.

Dimensiuni Reduse Relativ mariGreutate Mare RedusăCosturi Relativ mari De 2 3 ori mai reduse decat

108

Page 109: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

cele ale unui filtru activ echivalent

2.6.5 Filtre hibride

Costurile încă ridicate ale filtrelor active şi prezenţa, în curba curentului electric absorbit de consumatori, a unor armonice de valoarea semnificativă, face ca, în unele situaţii, să fie avantajoasă utilizarea unei soluţii hibride, în care pentru principalele armonice (de exemplu 5, 7, 11 şi 13) să fie montat un filtru pasiv, cu circuitele rezonante corespunzătoare, iar, în continuare, forma curentului electric să fie corectată cu ajutorul unui filtru activ [2.17].

2.6.6 Conectarea filtrelor active în reţeaua electrică a consumatorului

Filtrele active pot fi amplasate în diferite puncte din reţeaua utilizatorului care cuprinde surse de emisii perturbatoare:

centralizat, în punctul comun de cuplare (PCC), pentru o compensare globală a armonicelor de curent electric;

la o bară intermediară, cu compensare parţială a armonicelor de curent electric; în apropierea sarcinii poluante, asigurând o compensare locală a armonicelor de curent

electric.Stabilirea locului în care este amplasat filtrul se face în funcţie de configuraţia reţelei

industriale şi de nivelul distorsiunii curbelor de curent electric [2.18]. În cazul unor distanţe mari între receptoarele perturbatoare de mare putere este preferată compensarea locală pentru a evita circulaţia curenţilor distorsionaţi între receptoare, pe distanţe mari, ceea ce ar conduce la creşterea pierderilor active. În cazul unui mare număr de receptoare neliniare, aflate la distanţe relativ reduse, este raţională conectarea filtrului la barele de alimentare a grupurilor de receptoare.

2.7 Circuite cu absorbţie de curent sinusoidal

Creşterea ponderii echipamentelor electronice cu caracteristici neliniare poate determina un nivel inacceptabil al perturbaţiilor armonice în reţeaua electrică de alimentare [2.19]. Progresele realizate în construcţia semiconductoarelor de putere, precum şi a circuitelor specializate de comandă a acestora, permit elaborarea de circuite de intrare ale echipamentelor care să asigure absorbţia unui curent sinusoidal din circuit, având astfel rolul unor filtre interne de armonice.

Deoarece, în prezent, majoritatea echipamentelor cu caracteristică neliniară cuprinde circuite cu redresoare, schemele actuale cu absorbţie de curent sinusoidal se referă, în special, la acest tip de echipamente. Unele dintre aceste echipamente sunt prevăzute şi cu posibilitatea de a realiza un factor de putere unitar al receptorului.

Există, în principu, două tipuri de astfel de echipamente [2.16]: convertoare cu corecţia factorului de putere PFC (power factor corrector) utilizat, în

special, la puteri relativ mici (sub 1 kW); redresoare cu modulaţie în lăţime a pulsurilor PWM (pulse width modulation) utilizat, în

special, în domeniul puterilor relativ mari.

109

Page 110: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

a) Convertoare cu corecţia factorului de putere Schema de principiu a acestui convertor este prezentată în figura 2.15. Convertorul conţine

un redresor necomandat cu diode, urmat de un etaj variator chopper paralel. Variatorul este comandat astfel încât curentul absorbit din reţea să fie cât mai apropiat de un curent sinusoidal.

Condensatorul montat în paralel cu sarcina permite reducerea ondulaţiilor tensiunii deieşire. Structura prezentată în figura 2.15 este ridicătoare de tensiune (step-up), deci Uc > Umax , unde Umax este valoarea de vârf a tensiunii sinusoidale de la bornele schemei (u = Umaxsint).

În analiza funcţionării convertorului, într-o primă aproximaţie, se consideră că tensiunea Uc la ieşire este perfect continuă. Curentul electric i absorbit de circuit trebuie să fie sinusoidal şi să prezinte un defazaj impus faţă de tensiunea aplicată u. În aceste condiţii, curentul iL care parcurge bobina de inductivitate L trebuie să aibă forma unei curbe sinusoidale redresate (fig. 2.16).

Dacă iL* este referinţa de curent electric (forma dorită a curentului electric curentul electric impus), atât timp cât curentul electric real iL este inferior valorii iL* , tranzistorul T este comandat în conducţie şi curentul electric iL creşte. Când curentul electric iL este superior valorii iL* + , tranzistorul T este blocat, dioda D începe să conducă (datorită potenţialului de autoinducţie suprapus celui redresat de puntea cu diode) şi curentul electric iL scade.

Comanda adecvată a tranzistorului T determină o formă aproximativ sinusoidală a curentului electric absorbit din reţeaua electrică de alimentare, dar conţine armonici de înaltă frecvenţă datorate procesului de modulare. În general, frecvenţa de comandă este de zeci de kHz sau chiar mii de kHz.

În cazurile practice sunt întâlnite şi alte scheme pentru realizarea absorbţiei de curent sinusoidal.

110

Page 111: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

b) Convertoare cu modulaţia în lăţime a pulsurilor Convertoarele de acest tip (fig. 2.17) sunt reversibile, în sensul că permit transferul puterii

active, atât dinspre reţea spre redresor, cât şi dinspre redresor către reţeaua de alimentare.

Redresorul cu comandă PWM, în variantă monofazată, este format dintr-o structură de invertor cu comandă PWM, alimentat de la reţeaua electrică pe partea de tensiune alternativă, sarcina fiind conectată pe partea de tensiune continuă. Redresorul poate avea caracterul de sursă de tensiune (fig. 2.17 a)) sau de sursă de curent electric (fig. 2.17 b)).

Pentru structura de tensiune, Uc >Umax , unde Umax este valoarea de vârf a tensiunii de alimentare, iar pentru structura de curent electric IL > Imax , unde Imax este valoarea de vârf a curentului electric absorbit din reţea.

În cazul redresorului monofazat cu comandă PWM, în structură sursă de tensiune, tensiunea ul la bornele redresorului are forma indicată în figura 2.18 (o formă asemănătoare o au semnalele de comandă pe bazele tranzistoarelor T1 şi T3 , în semiperioada pozitivă a curentului electric I şi pe bazele tranzistoarelor T2 şi T4 , în semiperioada negativă a curentului electric).

Principiul indicat, în cazul redresoarelor monofazate (fig. 2.17), poate fi extins pentru realizarea redresoarelor trifazate cu curent sinusoidal.

111

Page 112: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

2.8 Mijloace tehnico-organizatorice pentru limitarea nivelului de distorsiune armonică

Înainte de a elabora soluţii bazate pe filtre de armonice pentru limitarea distorsiunii curbelor de tensiune şi de curent electric este necesar să se analizeze posibilitatea reducerii perturbaţiei la nivelul surselor care o generează.

Principalele soluţii care pot fi adoptate pentru reducerea distorsiunii armonice şi care ar putea asigura încadrarea în limitele admise de distorsiune, fără a fi necesară utilizarea filtrelor constau în următoarele:

Conectarea, imediat după redresor, în serie cu condensatorul de filtrare de valoare mare, a unei bobine care determină creşterea duratei de conducţie a redresorului şi limitarea distorsiunii curentului electric absorbit; reducerea impedanţei sistemului de alimentare prin alegerea unei scheme cu un curent mai mare de scurtcircuit;

Agregarea sarcinilor generatoare de armonice, astfel încât unele armonice să se compenseze reciproc;

Alegerea corespunzătoare a grupei de conexiuni a transformatoarelor pentru a asigura limitarea circulaţiei armonicelor multiplu de trei;

Alegerea corespunzătoare a schemei de redresare astfel încât să se realizeze un mare număr de pulsuri;

Achiziţia echipamentelor cu absorbţie de curent sinusoidal.

Ca exemplu, în figura 2.19 este indicat cazul unui utilizator de energie electrică (clădire de birouri) incluzând un mare număr de receptoare de tip echipamente calcul.

Curba curentului electric de fază absorbit are forma specifică unei redresări monoalternanţă cu circuit capacitiv de filtrare (fig. 2.19 b), care prezintă un spectru larg de

112

Page 113: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

frecvenţe, inclusiv armonice de rang multiplu de trei. Dacă cele trei faze ale circuitului de alimentare sunt încărcate practic egal, în circuitul conductorului neutru vor fi prezente numai armonicele de rang multiplu de trei (fig. 2.19 c), în special armonica de rang 3.

O soluţie deosebit de eficientă constă în împărţirea sarcinii în două grupuri, fiecare dintre acestea fiind alimentat prin circuite trifazate separate. Fiecare dintre circuite este alimentat prin intermediul unui echipament de blocare a armonicelor multiplu de trei. Unul dintre echipamentele de blocare asigură şi inversarea sensului armonicelor în circuitul de alimentare (fig. 2.20). În acest fel, armonicele de rang multiplu de trei nu se transmit către reţeaua electrică de alimentare, iar celelalte armonice practic se compensează reciproc.

În figura 2.20 b) este indicată forma şi spectrul armonic al curentului electric pe fazele active, iar în figura 2.20 c) este indicată forma şi spectrul curentului electric în conductorul neutru.

Rezultatul implementării soluţiei din figura 2.20 este indicat în tabelul 2.8.

113

Page 114: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

În cazul unui utilizator industrial, în care convertoarele de frecvenţă au ponderea cea mai importantă în generarea de armonice, dar şi a impulsurilor tranzitorii (fig. 2.21), conectarea în serie cu convertoarele de frecvenţă a unor filtre inductive simple (bobine) permite limitarea armonicelor de curent electric de rang 5, 7, 11 şi 13 (cele mai importante din spectrul curentului electric absorbit de convertoare). În figura 2.21 sunt indicate curbele înregistrate ale tensiunii de fază (fig. 2.21 b)) şi ale curentului de fază (fig. 2.21 c)), în lipsa filtrului inductiv, iar în figura 2.22 sunt indicate curbele tensiunii de fază (fig. 2.22 a)) şi ale curentului electric de fază (fig. 2.22 b)) după instalarea filtrelor inductive. Rezultatul obţinut în urma instalării filtrelor inductive este prezentat în tabelul 2.9.

Tabelul 2.8

114

Page 115: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Rezultatul compensării reciproce a armonicelor

Reducerea valorii curentului electric în conductorul neutru şi a tensiunii între conductorul neutru şi conductorul de protecţie cu până la

90%

Reducerea valorii curentului electric de faza cu până la

45%

Reducerea distorsiunii curbei de tensiune şi a curbei curentului electric cu până la 85%

Obţinerea unui factor de putere până la 0,96

115

Page 116: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Tabelul 2.9Rezultatul instalării filtrelor inductive

Reducerea valorii curentului electric de fază cu până la

30%

Reducerea distorsiunii curbei de tensiune şi a curbei curentului electric cu până la 60%

Obţinerea unui factor de putere până la 0,93

2.9 Alocarea nivelului de perturbaţii

Distorsiunea armonică, în nodurile reţelei electrice, rezultă prin sumarea perturbaţiilor armonice determinate de diferitele surse de emisie, atât din reţeaua din aval, cât şi din cea din amonte. În acest sens, apare necesar controlul tuturor surselor perturbatoare care sunt conectate în fiecare nod al reţelei şi stabilirea, pentru fiecare sursă de perturbaţii, a unui nivel admis care să permită ca, prin sumare, să nu se depăşească valorile limită acceptate prin normative.

Alocarea nivelului de perturbaţie, pentru fiecare dintre sursele de perturbaţie conectate la barele de alimentare, trebuie să fie una dintre preocupările importante ale furnizorului de energie electrică în vederea asigurării tuturor consumatorilor, conectaţi la aceste bare, nivelul de calitate impus prin standardele de performanţă.

Rezolvarea problemei de alocarea a perturbaţiilor se face în trei etape (stadii), parcurse în ordine [2.11].

În prima etapă (stadiul 1), racordarea micilor consumatori sau utilizatori, caracterizaţi de o pondere redusă a sarcinii perturbatoare, poate fi aprobată, fără o evaluare detaliată a caracteristicilor emisiei şi a răspunsului reţelei de alimentare, având în vedere că unii producători de echipamente de JT au adoptat măsurile necesare pentru limitarea perturbaţiilor

116

Page 117: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

(conform CEI 6100032 pentru echipamente cu curenţi 16 A/fază, respectiv CEI 6100034 pentru echipamente cu curenţi > 16 A/fază).

Dacă este îndeplinită condiţia:Sj / Ssc 0,2% , (2.49)

în care Sj este puterea contractată de utilizatorul j, iar Ssc puterea de scurtcircuit în punctul comun de conectare, se poate racorda orice sarcină perturbatoare în interiorul instalaţiilor utilizatorului, fără altă analiză.

În stadiul 2, evaluarea consumatorului perturbator se face în corelare cu caracteristicile efective ale reţelei electrice de alimentare. În acest stadiu, nivelul de planificare a perturbaţiei de tensiune, corespunzător reţelei respective, este împărţit între utilizatori, în funcţie de puterea totală disponibilă a reţelei de alimentare şi proporţional cu puterea contractată a fiecărui consumator, racordat la această reţea. Această regulă asigură încadrarea nivelului de perturbaţie, datorat emisiilor tuturor instalaţiilor utilizatorilor care sunt racordaţi la reţea, în nivelul de planificare.

În stadiul 3 de analiză, se studiază posibilitatea acceptării unor niveluri de emisie mai ridicate, cu titlu de excepţional şi temporar. Trebuie notat că numeroşi utilizatori, care nu au sarcini deformante mari, nu emit armonice într-un mod semnificativ. În afară de aceasta, o parte a puterii disponibile a reţelei poate să nu fie utilizată un timp îndelungat.

Stadiul 3 este important pentru amânarea unor investiţii la utilizatorii care nu reuşesc să se încadreze în valorile alocate în stadiul 2. Acest lucru semnifică faptul că trebuie studiate atent condiţiile de racordare, ţinând seama de nivelul perturbator preexistent şi de contribuţia aşteptată de la instalaţia considerată, fără a uita că vor fi probabil necesare dispoziţii, prin care să fie lăsată posibilitatea unei eventuale extinderi a instalaţiei de filtrare.

2.10 Concluzii

Creşterea ponderii receptoarelor cu caracteristică neliniară în reţelele electrice impune adoptarea unor măsuri eficiente pentru limitarea distorsiunii curbelor de tensiune şi de curent electric.

Modernizarea receptoarelor de energie electrică, în primul rând prin posibilitatea reglării consumului de energie electrică în funcţie de proces, a determinat utilizarea largă a semiconductoarelor de putere şi creşterea astfel, a surselor de regim nesinusoidal. Atât marii consumatori, industria de aluminiu, industria metalurgică (cu un aport deosebit datorită dezvoltării în viitor a cuptoarelor cu arc electric alimentate la tensiune continuă), industria prelucrătoare, dar şi micii consumatori, consumatorii casnici, consumatorii din sectorul terţiar, reprezintă, în prezent, surse importante de armonice şi interamonice. Limitarea acestora, într-o zonă cât mai apropiată de sursa perturbatoare, este una dintre condiţiile reducerii pierderilor de energie activă în circuitele parcurse de curenţii nesinusoidali dar şi a altor efecte datorate propagării curenţilor armonici.

În prezent, există soluţii tehnice eficiente pentru limitarea nivelului de distorsiune la o valoare acceptată prin utilizarea de echipamente specializate de filtrare.

Înainte de a lua decizia montării de filtre, pentru limitarea nivelului de distorsiune, este necesar a face o analiză atentă a soluţiilor privind reducerea distorsiunii chiar la nivelul echipamentului perturbator. Numai dacă aceste măsuri nu sunt eficiente sau costurile sunt prea ridicate, se adoptă soluţia utilizării de filtre.

117

Page 118: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

Utilizarea unui anumit filtru necesită o analiză atentă a eficienţei tuturor tipurilor de filtre, pentru problema concretă care trebuie rezolvată şi pentru configuraţia reală a reţelei electrice industriale.

Filtrele utilizate în reţeaua electrică pot să asigure limitarea unora dintre perturbaţiile introduse în reţeaua electrică de către consumatori. Principalele aspecte care pot fi rezolvate cu ajutorul filtrelor sunt:

rezonanţe în reţeaua electrică; limitarea pierderilor în reţeaua furnizorului dar şi în reţeaua industrială prin limitarea

circulaţiei curenţilor armonici; îmbunătătirea factorului de putere al consumatorilor perturbatori. Condiţiile impuse, în prezent, privind limitarea pierderilor în reţeaua electrică, asigurarea

calităţii energiei electrice şi monitorizarea nivelului de emisii perturbatoare determină ca problemele legate de limitarea perturbaţiilor să devină una dintre preocupările importante ale specialiştilor electroenergeticieni.

Bibliografie

[2.1] Mocanu C.I., Teoria circuitelor electrice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979.[2.2] Golovanov Carmen, Albu Mihaela, Probleme moderne de măsurare în electroenergetică,

Editura tehnică, Bucureşti, 2000.[2.3] *** Guide to quality of electrical supply for industrial installations, part 3: Harmonics,

WG 2, Power Quality, UIE, 1995.[2.4] *** Electromagnetic compatibility in European electricity supply networks, EMC & Harmonics, August 2001, Ref: 2001-2780-0020, EURELECTRIC.[2.5] Testa A., Issues Related to Interharmonics, PESGM 2004 000694.[2.6] Arie A. ş.a., Pluarea cu armonici a sistemelor electroenergetice funcţionând în regim

permanent simetric, Editura Academiei Române, Bucureşti, 1994.[2.7] *** Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-7: Testing and measurement

techniques – Guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto, IEC 61000-4-7/2002

[2.8] Papathanassiou S. ş.a., A practical evaluation of distribution betwork losses due to harmonics, CIRED 2007, Rap. 0442.[2.9] *** Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-30: Testing and measurement

techniques – Power quality measurement methods, IEC 61000-4-30.[2.10] *** Safety requirements for electrical equipment for measurement, control, and

laboratory use Part 1: General requirements, IEC 61010-1/2001 [2.11] *** Electromagnetic compatibility (EMC) Part 3: Limits Section 6: Assessment of

emission limits for distorting loads in MV and HV power systems Basic EMC publication IEC 6100036/2005.

[2.12] *** Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, SR EN 50160/2007.

[2.13] Golovanov N., Şora I., Electrotermie şi electrotehnologii, Editura Tehnică, Bucureşti, 1997.

118

Page 119: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

[2.14] Eremia M., Electric power systems. Electric networks, Editura Academiei Române, Bucureşti, 2006.[2.15] Bonhomme H. ş.a., A shunt active filter for low voltage applications, CIRED Nice'99,

Rap.2.24.[2.16] Fodor D. ş.a., Convertoare statice de putere speciale, Editura Printech, Bucureşti, 1997.[2.17] El-Sadek M.,Z. ş.a. Suggested hybrid active power filter for damping harmonic resonance in power distribution systems,, CIRED 2007, Rap. 0277.[2.18] Gawlik W., Optimal placement and mutual influence of active filters, CIRED Barcelona 2003, R2_33.[2.19] Koch R.G, Britten A.C, Harmonic emission estimation techniques for large industrial plants, CIGRE 1998, Rap. 36_103.

CUPRINS

119

Page 120: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

1. Perturbaţii în sisteme electroenergetice...................................................................................21.1 Aspecte generale.....................................................................................................21.2 Perturbaţii electromagnetice...................................................................................31.3 Indicatori de calitate a energiei electrice................................................................61.4 Variaţii ale tensiunii de alimentare......................................................................... 11

1.4.1 Măsurarea tensiunii........................................................................................ 11 1.4.2 Reglarea tensiunii în reţeaua electrică............................................................14 1.4.3 Limite admise ale variaţiilor de tensiune....................................................... 16 1.4.4 Variaţia sarcinii cu tensiunea de alimentare...................................................17

1.5 Goluri şi întreruperi de scurtă durată.......................................................................19 1.5.1 Tensiunea de referinţă.................................................................................... 21 1.5.2 Pragurile pentru determinarea duratei golului............................................... 23 1.5.3 Deosebirea dintre goluri de tensiune şi întreruperi scurte............................. 23 1.5.4 Indicatori pentru evaluarea golurilor de tensiune........................................... 26 1.5.5 Mijloace de limitare a golurilor de tensiune şi a întreruperilor de scurtă durată..............................................................................................................29

1.6 Întreruperi de lungă durată..................................................................................... .32 1.6.1 Indicatori pentru evaluarea întreruperilor........................................................32 1.6.2 Mijloace pentru limitarea daunelor datorate întreruperilor de lungă

durată ...351.7 Creşteri de tensiune..................................................................................................37 1.7.1 Evaluarea creşterilor de tensiune.....................................................................37

1.7.2 Utilizarea curbelor CBEMA şi ITIC................................................................391.8 Fluctuaţii de tensiune (efect de flicker)....................................................................40 1.8.1 Indicatori de flicker..........................................................................................40 1.8.2 Evaluarea nivelului de flicker..........................................................................45 1.8.3 Soluţii pentru limitarea efectului de flicker......................................................451.9 Armonice şi interarmonice.......................................................................................491.10 Perturbaţii sub formă de nesimetrie........................................................................51 1.10.1 Indicatori privind nesimetria de tensiune şi de curent electric.......................51 1.10.2 Determinarea experimentală a parametrilor corespunzători secvenţelor simetrice pentru o reţea electrică....................................................................55 1.10.3 Măsurarea cu ajutorul echipamentelor specializate.......................................57 1.10.4 Efecte ale regimurilor nesimetrice în reţelele electrice..................................58 1.10.5 Mijloace pentru limitarea emisiei perturbatoare sub formă de nesimetrie.....651.11 Concluzii.............................................................................................................. 68.

2 Regim deformant.................................................................................................................... 702.1 Aspecte generale..................................................................................................... 70

2.2 Indicatori ai regimului nesinusoidal.........................................................................71 2.2.1 Indicatori în domeniul timp.......................................................................71 2.2.2 Indicatori în domeniul frecvenţă................................................................73

2.3 Surse de perturbaţii sub formă de curenţi distorsionaţi...........................................74 2.4 Efecte ale regimurilor nesinusoidale în reţeaua electrică......................................79. 2.4.1 Efecte datorate circulaţiei curenţilor

armonici................................................79

120

Page 121: !!! Calitatea en El

Calitatea energiei electrice

2.4.2 Efecte datorate tensiunilor distorsionate în nodurile reţelei electrice............81 2.4.3 Alte efecte ale regimului periodic nesinusoidal.......................................86

2.5 Sisteme de măsurare a nivelului perturbaţiilor armonice.........................................89 2.5.1 Echipamente de măsurare................................................................................89 2.5.2 Determinări în circuite trifazate......................................................................94

2.5.3 Proceduri de evaluare a calităţii tensiunii distorsionate..................................95 2.5.4 Aspecte practice la efectuarea măsurătorilor privind distorsiunea armonică..96

2.6 Mijloace de limitare a armonicelor..........................................................................96 2.6.1 Filtre pasive......................................................................................................97

2.6.2 Aspecte practice la utilizarea filtrelor pasive absorbant.................................100 2.6.3 Circuite de filtrare în scheme cu convertoare.................................................102

2.6.4 Filtre active.....................................................................................................103 2.6.5 Filtre hibride...................................................................................................107 2.6.6 Conectarea filtrelor active în reţeaua electrică a consumatorului..................107 2.7 Circuite cu absorbţie de curent sinusoidal..............................................................107

2.8 Mijloace tehnico-organizatorice pentru limitarea nivelului de distorsiune armonică..................................................................................................................110

2.9 Alocarea nivelului de perturbaţii.............................................................................114 2.10 Concluzii…………………………………………………………………………115

121