CALITATEA ENERGIEI ELECTRICE SI ALCATUIREA LANTULUI DE MASURARE

1. PREZENTATI conceptual de calitate al energiei si structura lantului de masurare conform EN 61000-4.

2. Cerinte pentru traductoarele folosite la masurarea tensiunii si a frecventei conform EN 61000-4.

3. DESCRIETI modul de evaluare a incertitudinii la masurarea tensiunii si a frecventei conform EN 61000-4.

4. PREZENTATI caracteristicile tehnice ale traductoarelor de la un aparat destinat determinarii calitatii energiei electrice.

5. EXPERIMENTARI privind masurarea valorii effective a tensiunii, aprecierea exactitatii de masurare si evaluare a incertitudinii de masurare.

1. CONCEPTUL DE CALITATE AL ENERGIEI:

1.1. Calitatea Energiei:

Calitatea, conform definiţiei formulate de Organizaţia Internaţională de Standardizare– ISO (Internaţional Standard Organisation), reprezintă totalitatea caracteristicilor şi a particularităţilor unui produs sau serviciu, care concretizeazăaptitudinea de a răspunde la necesităţi potenţiale sau exprimate aleutilizatorului.

Calitatea oricărui produs sau serviciu este o noţiune complexă pentru conturarea căreia se impune luarea în consideraţie a unui număr mare şi variat de factori. În acelaşi timp, noţiunea de calitate trebuie să sintetizeze acele caracteristici care, în raport cu specificul produsului sau serviciului, au ponderişi semnificaţii distincte.

`Energia electrică este considerată în prezent un produs, livrat de furnizor consumatorilor.

Calitatea energiei electrice a preocupat specialiştii din sectorul electroenergetic încă din primii ani ai utilizării, pe scară largă, a curentului alternativ. În ultimul deceniu, se constată însă o revigorare a interesului pentru

acest domeniu, datorită dezvoltării explozive a echipamentelor şi a tehnologiilor bazate pe electronic de putere.

În prezent, calitatea energiei electrice constituie o preocupare majoră atât pentru furnizori, cât şi pentru consumatorii de energie electrică.

Termenul de "calitate a energiei electrice" (power quality) a devenit deosebit de frecvent după anul 1980 şi reprezintă un generic acoperitor pentru luarea în considerare a influenţei unui mare număr de perturbaţii electromagnetice care pot să apară în sistemul electroenergetic (în special la medie şi joasă tensiune). De menţionat faptul că sintagma de "calitate a energiei electrice" nu este unanim acceptată şi utilizată pe plan mondial, existând în prezent mai mulţi termeni folosiţi în relaţia furnizor de energie electrică – consumator..

De obicei, o calitate inferioară a energiei electrice furnizate, conduce la resetări repetate ale calculatorului, blocări ale dispozitivelor electrice sensibile, funcţionări defectuoase ale comenzilor electronice sau a driverelor dispozitivelor electronice. Pe de altă parte, companiile furnizoare de energie electricăcaracterizează calitatea energiei electrice prin parametrii tensiunii care influenţează echipamentele sensibile. Cauza multor problem a fost găsită în perturbaţiile tensiunii de alimentare.

O altă definiţie a calităţii energie electrice se bazează peprincipiul compatibilităţii electromagnetice: Termenul de calitatea energiei electrice se referă la o varietate largă de fenomene electromagnetice care caracterizează tensiunea şi curentul la un anumit timp şi un anumit loc în sistemul energetic.

Comisia Internaţională de Electrotehnică (IEC) defineşte calitatea energiei electrice: Caracteristicile electricităţii, la un punct dat în sistemul energetic, comparate cu un set de parametrii tehnici de referinţă.

Se întâlnesc frecvent următorii termeni tehnici:

• Calitatea energiei electrice (Power Quality): termenul a fost propus în S.U.A. de IEEE şi preluat de majoritatea publicaţiilor de limbă engleză. Calitatea energiei electrice, conform IEEE reprezintă "conceptul alimentării şi legării la pământ a echipamentelor sensibile, într-un mod care să permit funcţionarea corectă a acestora". De fapt, în pofida acestei definiţii, termenul este utilizat într-un sens mult mai larg, referindu-se atât la problema poluării armonice generate desarcinile neliniare, cât şi la alte tipuri de perturbaţii electromagnetice apărute în sistemele electroenergetice.

• Compatibilitate electromagnetică (Electromagnetic Compatibility - EMC): termenul este utilizat de CEI (Comission Electrotechnique Intemationale) şi

reprezintă "aptitudinea unui echipament sau sistem de a funcţiona satisfăcător în mediul său electromagnetic, fără a induce perturbaţii inacceptabile în orice al echipament sau sistem existent în acel mediu".

• Calitatea tensiunii (qualité de la tension): termenul este utilizat în Franţa şi în diferite publicaţii europene şi se referă la “abaterile formei curbei de variaţie în timp a tensiunii de la sinusoida ideală''; poate fi interpretat ca referindu-se la calitatea "produsului" livrat de furnizor consumatorilor.

• Calitatea curentului (current quality): este o definiţie complementară celei anterioare şi se referă la abaterile curentului faţă de forma ideală (o curbă sinusoidală de frecvenţă şi amplitudine constantă şi în fază cu tensiunea de alimentare); noţiunea se foloseşte pentru a descrie performanţele convertoarelor electronice.

• Calitatea alimentării cu energie electrică (quality of supply/quality of power supply): reflectă relaţia furnizor – consumator; are o componentă tehnică, calitatea tensiunii, descrisă anterior, şi o altă componentă, frecvent denumită "calitatea serviciilor" (quality of service), care reflectă relaţiile cu consumatorul (viteza de răspuns la solicitările acestuia, transparenţa tarifelor etc.).

• Calitatea consumului (quality of consumption): reflect relaţia consumator - furnizor; se referă la calitatea curentului, corectitudinea în plata facturii electrice etc. În analiza problemelor legate de compatibilitate electromagnetică, standardele CEI operează cu următorii termini importanţi: - emisia (emission): se referă la nivelul poluării electromagnetice produsă de un echipament;- imunitatea (immunity): reflectă capacitatea unui echipament de nu fi afectat de poluarea electromagnetică.

1.2. Structura lantului de masurare:

Structura lantului de masurare se realizeaza in functie de clasa masuratorii, clasele fiind: clasa A ( Advanced), clasa S (Statistical) si clasa B (Basic).

Clasa A de masurare este folosita in situatiile in care masuratorile precise sunt necesare, ca exemplu, elucidarea unei dispute in aplicatii contractuale, verificarea calitatii conform standardului, etc. Orice tip de masuratoare a unui parametru masurat cu doua aparate diferite ce corespund clasei A de masurare si masoara acelasi semnal, vor obtine acelasi rezultat cu o anumita incertitudine a parametrului masurat.

Clasa S este folosita in aplicatiile statistice, cum ar fi supravegherea sau studiul calitatii energiei cu un set restrans de parametrii masurati. De asemenea foloseste intervale echivalente de masurare ca si clasa A, iar cerintele de procesare ale masuratorilor sunt mult mai scazute.

Clasa B poate fi folosita pentru supravegherea calitativa a unui echipament, sistem, supraveghere vizuala a aplicatiilor si aplicatii unde incertitudinea nu are cerinte ridicate.

Pentru a efectua masurarea unui parametru electric, se poate face direct, cum este cazul sistemelor de joasa tensiune sau prin intermediul traductoarelor, in cazul medie si inalta tensiune.

Un instrument de masurare poate avea in componenta sa, tot lantul de masurare, prezentat in Fig. 1. In standardul 61000-4 normativele nu considera traductoarele de masura,ca fiind externe si considera incertitudinea apropiata cu cea a aparatului, dar exista si exceptii.

2. TRADUCTORE:

Pentru masurarea calitatii, instrumentele de masura portabile, in general sunt dotate cu intrari specifice aplicatiilor de joasa tensiune. Unele aparate de masura a calitatii energiei sunt montate la distanta fata de puntul in care se masoara parametrii electrici. In ambele situatii va fi nevoie de un traductor, pentru a cobora tensiunea, pentru a izola intrarile circuitului de masurare fata de sistemul masurat sau sa transmita semnalul la distanta. Pentru a indeplini una din aceste functii folosim un traductor, cu conditia de a indeplini incertitudinea admisa pentru parametrul de masurat.

In sistemele de joasa tensiune, aparatele de masura a calitatii energiei, in general sunt conectate direct la punctul de masurare ce ne intereseaza, dar traductoarele sunt folosite des in cazul masurararii curentilor.

In sistemele de medie si inalta tensiune, traductoarele sunt folosite in cazul masurarii unei tensiuni dar si in cazul masurari unui curent.

De asemenea sunt si doua preocupari, folosind traductoarele:

- Nivelul semnalului: nivelul semnalului trebuie sa foloseasca intreaga scala a instrumentului de masurare, fara a distorsiona sau intrerupe semnalul dorit

- Frecventa si Raspunsul fazei: aceste caracteristici sunt foarte importante pentru regimul tranzitoriu dar si masurarea armonicilor.

Pentru a evita masuratorile incorecte, ar trebui sa acordam o mare atentie, afisarii pe intreaga scala, linearitatii, frecventei si raspunsului fazei.

2.1. Traductoare de tensiune:

Cele mai folosite traductoare de tensiune sunt transformatoarele de tensiune. Acestea sunt de doua tipuri: transformatoare cu circuit de protectie cu relee si transformatoare pentru circuite de contorizare. Primul tip de transformator este proiectat in asa fel, incat sa poata da o valoare corecta, chiar si in cazul unei supratensiuni sau scurtcircuit. Cel deal doilea tip de transformator, este proiectat pentru a proteja circuitul de masurare in cazul unor supratensiuni.

Atunci cand sistemul de monitorizare este conectat la un transformator de tensiune ce este folosit si pentru contorizare, trebuie sa ne asiguram ca nu v-a influenta calibrarea aparatului de masura sau alte functii ale acestuia.

De asemenea trebuie sa fim atenti cand facem conexiuni la circuitul secundarul transformatorului echipat cu relee de protectie. Conectare gresita poate declansa releele de protectie.

2.2. Traductoare de frecventa:

Frecventa si raspunsul fazei a unui traductor de tensiune:In general, la transformatorul de tip electromagnetic, traductorul de tensiune

are frecventa si raspunsul regimului tranzitoriu de 1 kHz, dar uneori, valoarea frecventei poate scade sub 1 kHz sau poate ajunge si la cativa kHz.

Divizorii capacitivi simpli pot avea frecvente si raspuns de faza asemanatoare valorilor de sute de kHz sau mai mult. In multe aplicatii este introdus un circuit rezonant, facand frecventa de raspuns a divizorului capacitiv diferita pentru masurarea a oricarei alte frecvente in afara de cea fundamentala.

Divizorul de tensiune rezistiv poate avea frecventa si raspunsul fazei apropiat de ordinul sutelor de kHz, dar pot aduce probleme in circuit, luand ca

exemplu, valoarea capacitiva a alimentarii aparatului de masura, ce poate influenta frecventa si raspunsul fazei a divizorului de tensiune rezistiv.

3. INCERTITUDINEA DE MASURARE A TENSIUNII SI FRECVENTEI:

Standardul EN 61000-4 defineşte metodele de măsurare ale parametrilor reţelei de alimentare cu energie electrică, astfel incat să se obţină rezultate repetabile şi comparabile, indiferent de instrumentele folosite. Acest standard se referă strict la instrumente şi metode de măsurare la faţa locului.

Producătorii de instrumente de măsurare trebuie să precizeze care dintreparametrii definiţi de acest standard sunt măsuraţi de către instrumentele lor şi înce clasă de exactitate se încadrează instrumentul respectiv.Standardul defineşte noţiunea de tensiune nominală Un ca tensiunea cu care un sistem este denumit sau identificat. Condiţiile de referinţă în raport cu tensiunea măsurată sunt prezentate în tabelul 3.1.

Aceste condiţii de referinţă sunt valabile atât pentru echipamente ce funcţionează în clasă A, cât şi pentru cele ce funcţionează în clasă B. Ca şi tensiune de intrare, tensiunea nominală Un poate lua valori între 60 V şi 600 V. În tabelul 3.2. este prezentată plaja de funcţionare a instrumentelor de măsurare de clasă A.

Acolo unde sunt necesare măsurări cu o acurateţe ridicată, de exemplu,pentru aplicaţii contractuale care pot cere să se soluţioneze dispute, să se verificeconformitatea cu standardele existente etc., trebuie sa fie utilizate instrumente demăsurare realizate să măsoare în conformitate în clasa A de performanţă. În acestmod, este asigurată cerinţa ca orice măsurare a unui parametru efectuată cu două

instrumente diferite, care sunt conforme cu cerinţele clasei A, atunci când măsoarăaceleaşi semnale, va produce rezultate care corespund, în interiorul intervalului de

incertitudine specificat.

În funcţie de durata pe care se face măsurarea, sunt definite trei intervale de timp:

· timp foarte scurt: 3 secunde;· timp scurt: 10 minute;

· timp lung: 2 ore.3.1. Măsurarea frecvenţei reţelei

Pentru instrumentele de clasă A, măsurarea frecvenţei se face pe un intervalde timp de până la 10 secunde şi care trebuie să cuprindă un număr întreg deperioade. Frecvenţa poate fi determinată prin numărarea trecerilor printr-o valoareconstantă apropiată de zero într-un interval de 10 secunde. Standardul admite şialte tehnici de măsurare care dau rezultate echivalente. Instrumentul de măsurattrebuie să afişeze o nouă valoare a frecvenţei la fiecare 10 secunde. Intervalele demăsurare trebuie să fie continue şi să nu se suprapună.

Pentru instrumentele de clasă B, se permit pauze între intervalele de măsurare.Producătorii trebuie să precizeze pauza maximă dintre două intervale de măsurare.Instrumentele clasei A trebuie să fie capabile să măsoare frecvenţa cu oincertitudine Δf = ±10 mHz, iar cele de clasă B cu o incertitudine Δf = ±100 mHz. Dacă în timpul măsurării frecvenţei apare un eveniment de tipul cădere detensiune, întrerupere de tensiune, supratensiune, frecvenţa măsurată pe acestinterval de timp va fi marcată ca fiind neconformă, iar următoarea valoare conformă ce va fi înregistrată va fi prima valoare a frecvenţei obţinută în primul interval de 10 secunde de după încetarea perturbaţiei. Prima semiperioadă pozitivă a semnalului de după momentul încetării perturbaţiei va marca începutul unei noi măsurări a frecvenţei.

3.2. Măsurarea tensiunii reţelei

Instrumentele folosite trebuie să poată măsura valoarea efectivă (rms) atensiunii reţelei.

Pentru instrumentele din clasa A, incertitudinea de măsurare trebuie să fiemai bună de ±0,1%, iar pentru cele de clasă B incertitudinea de măsurare trebuiesă fie mai bună de ±1%.

Intervalele de măsurare pentru tensiune, prevăzute de standard, sunt: 200milisecunde, 3 secunde, 10 minute şi 2 ore. Pentru sistemele trifazate, se vorefectua trei măsurări ale valorii efective pentru fiecare interval de măsurare şi pefiecare fază în parte.

Intervalul de timp de 200 milisecunde a fost ales astfel încât să cuprindă unnumăr întreg de perioade ale semnalului atât în cazul reţelelor cu frecvenţa de 50Hz, cât şi în cazul celor cu frecvenţa de 60 Hz. Se obţine astfel o fereastră demăsurare ce cuprinde 10 perioade pentru sistemele pe 50 Hz şi 12 perioade pentrucele pe 60 Hz. Pe parcursul celor 200 ms, sunt obţinute N eşantioane de laconvertorul analog-numeric.

Fiecare interval de 200 ms pe care se face măsurarea trebuie să fie continuuşi intervalele succesive nu trebuie să se suprapună.

4. CARACTERISTICILE TEHNICE ALE TRADUCTOARELOR:

In tabelul de mai sus sunt prezentate specificatiile tehnice ale aparatului HIOKI 3196, reprezentand caracteristica tehnica de masurare a acestuia si

traductoarele incorporate in acesta. Iar in Fig. 4.1. este prezentata caracteristica tehnica de fuctionare a conductoarelor de tip E4S-070 ce realizeaza conexiunea dintre aparat si reteaua de tensiune masurata.

a.

b.Fig. 4.1. Caracteristica tehnica de functionare a cablurilor E4S-070

5. EXPERIMENTARI:

Experimentarile s-au realizat cu ajutorul aparatului HIOKI 3196, constand intr-o masurare directa, a valorii efective a tensiunii si a frecventei din reteaua de alimentare. Pentru realizarea circuitului de masurare a fost nevoie de aparatul de masura HIOKI 3196, doua cablurile de tip E4S-070 si reteaua de alimentare, iar rezultatul masuratorii este prezentat si in Fig. 5.1.

Fig. 5.1.

Rezultatele masuratorii sunt:U = 218,01V ÷ 0,2 %F = 49,975 Hz ÷ 10 mHz

- Astfel obtinand valorile minime si maxime ale tensiunii si frecventei:

Umin = 218,446 VUmax = 217.573 V

Fmin = 49,985 Hz Fmax = 49,65 Hz

Aparatul de masura HIOKI 3196 si cablurile E4S-070 indeplinesc conditiile de masurare, corespunzatoare clasei A , adica exactitatea de masurare si incertitudinea de masurare se incadreaza in limitele impuse de standardul EN 61000-3.

6. Concluzii:

Calitatea energiei electrice a devenit în ultimul timp o preocupare majoră, mai ales în cazul particular al consumatorilor casnici, deoarece buna funcţionare a echipamentelor electrice şi electronice conectate la reţeaua electrică depinde în mare măsură de calitatea energiei electrice furnizate acestora. Din punctul de vedere al consumatorilor, calitatea energiei electrice serezumă la livrarea energiei electrice fără variaţii ale tensiunii şi frecvenţei acesteia.Din diverse motive, energia electrică livrată consumatorilor nu esteîntotdeauna conformă cu cerinţele acestora, existând o serie întreagă de evenimentecare pot să apară în sistem: scurt-circuite, cuplarea/decuplarea unor generatoareîn/din sistem, conectarea/deconectarea unor motoare sincrone, trăsnete etc.,evenimente ce pot conduce la apariţia unor perturbaţii: întreruperi de tensiune,căderi de tensiune, supratensiuni, armonici, impulsuri tranzitorii, zgomot etc. Odată cu dezvoltarea explozivă a tehnicii de calcul şi a utilizării pe scarălargă a calculatoarelor personale, reţeaua electrică a devenit din ce în ce maipoluată. Sursele de alimentare în comutaţie ale calculatoarelor personale introduc în reţeaua electrică perturbaţii, în special impulsuri singulare de scurtă durată. Prezenţa acestor perturbaţii în reţea poate împiedica buna funcţionare a anumitor echipamente, în special a celor medicale şi a receptoarelor radio.În trecut, datorită lipsei standardizării instrumentelor şi a metodologiei demăsurare, era imposibilă compararea datelor obţinute în urma monitorizării calităţiienergiei electrice de către diferite institute de cercetare. Astfel, nu puteau ficoroborate datele obţinute în site-uri de măsurare diferite, cu instrumente diferite. Odată cu apariţia standardelor în domeniu, lucrurile s-au schimbat, fiindposibile comparaţii între măsurările efectuate în locaţii diferite şi analiza coerentă adatelor, indiferent de instrumentele folosite pentru măsurarea şi înregistrareaparametrilor energiei electrice.