Calitatea energiei electrice în sistemele electroenergetice

Calitatea energiei electrice în sistemele electroenergetice

Generalitati

Calitatea reprezintă totalitatea caracteristicilor şi a particularităţilor unui produs sau

serviciu, care concretizează aptitudinea de a răspunde la necesităţi potenţiale sau exprimate

ale utilizatorului.

Calitatea oricărui produs sau serviciu este o noţiune complexă pentru conturarea

căreia se impune luarea în considerare a unui număr mare şi variat de factori. In acelaşi timp,

noţiunea de calitate trebuie să sintetizeze acele caracteristici care, în raport cu specificul

produsului sau serviciului, au ponderi şi semnificaţii distincte.

Calitatea energiei electrice a preocupat specialiştii din sectorul electroenergetic încă

din primii ani ai utilizării, pe scară largă, a curentului alternativ; in ultimul deceniu, se

constată însă o revigorare a interesului pentru acest domeniu, datorită dezvoltării explozive a

echipamentelor şi a tehnologiilor bazate pe electronica de putere. In 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 insă faptul că sintagma

de “calitate a energiei electrice” nu este unanim acceptată şi utilizată pe plan mondial,

existând în prezent mai mulţi termeni fo1osiţi în relaţia furnizor de energie electrică —

consumator:

Calitatea energiei electrice (Power Quality): conform IEEE reprezintă “conceptul

alimentării şi legării la pământ a echipamentelor sensibile, într-un mod care să permită

funcţionarea corectă a acestora“. De fapt, în pofida acestei definiţii termenul este utilizat

într-un sens mult mai larg, referindu-se atât în problema poluării armonice generată de

sarcinile 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 Internationale) şi reprezintă

9

“aptitudinea uni echipament sau sistem de a funcţiona satisfăcător în mediul său

electromagnetic, fără a induce perturbaţii inacceptabile în orice alt echipament sau sistem

existent in acel mediu”;

În fig.2.1. sunt reprezentate nivelele de compatibilitate electromagnetică care permit să

coordooneze emisia şi imunitatea echipamentelor făcând parte din, sau fiind alimentate din

aceeaşi reţea.

Fig.2.1. Reprezentarea grafică a principiilor compatibilităţi electromagnetice

Calitatea tensiunii (qualite 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 frecventă şi

amplitudine constantă şi in fază cu tensiunea de alimentare); noţiunea se foloseşte pentru a

descrie performanţele convertoarelor electronice;

Calitatea alimentării cu energie electrică (quality of supply sau 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

10

service), care reflectă relaţiile cu consumatorul (viteza de răspuns la solicitările acestuia,

transparenţa tarifelor etc.).

Calitatea consumului (quality of consumption): reflectă relaţia consumator -

furnizor; se referă la calitatea curentului, corectitudinea în plata facturii electrice etc.

În analiza problemelor legate de compatibilitate electromagnetică, standardele CEI

operează în primul rând cu următorii termeni importanţi:

emisia (emission): se referă la nivelul poluării electromagnetice produsă de un

echipament;

imunitatea (immunity): reflectă capacitatea unui echipament de a nu fi afectat de

poluarea electromagnetică.

Specialiştii sunt tot mai interesaţi de problemele legate de calitatea energiei electrice,

iar acest interes se justifică prin următoarele argumente:

echipamentele moderne sunt mai sensibile la reducerea calităţii energiei electrice,

datorită faptului că au în componenţa lor dispozitive electronice şi sisteme de control,

bazate pe microprocesoare, ale căror caracteristici de funcţionare sunt afectate de

perturbaţii în reţeaua electrică de alimentare;

preocupările pentru creşterea randamentelor în procesele de producere, transport şi

utilizare a energiei electrice au determinat introducerea, pe scară largă, a electronicii

de putere în controlul proceselor de conversie a energiei şi a echipamentelor adaptive

pentru controlul factorului de putere;

consumatorii au devenit mai conştienţi şi mai bine informaţi asupra impactului pe

care diferite perturbaţii electromagnetice (aleatoare, semipermanente sau permanente)

îl au asupra echipamentelor electrice şi a proceselor tehnologice (inclusiv asupra

calităţii produsului finit) şi, ca urmare, cer furnizorilor să le ofere energie electrică la

parametrii de calitate contractaţi;

creşterea complexităţii sistemelor energetice şi a influenţelor reciproce între acestea şi

utilizatori, precum şi între consumatorii racordaţi la acelaşi sistem de alimentare.

În prezent, utilizatorii implementează echipamente şi tehnologii tot mai complexe,

care reprezintă, din punct de vedere electric, o largă clasă de sarcini neliniare; furnizorii de

energie electrică încurajează această tendinţă, deoarece ea determină limitarea investiţiilor în

sistemele de generare, transport şi distribuţie a energiei electrice (în principal, centrale şi staţii

de transformare şi/sau de distribuţie), prin reducerea consumurilor în sectoarele de utilizare

11

(strategiile DSM - Demande Side Management - aplicate în ţările dezvoltate reprezintă un

elocvent exemplu în acest sens). Pe de altă parte însă, echipamentele noi, corespunzătoare

tehnologiilor modeme, sunt, de cele mai multe ori, puternic afectate de calitatea redusă a

energiei electrice; în acelaşi timp, aceste echipamente reprezintă, în multe cazuri, surse

suplimentare de perturbaţii electromagnetice.

Evaluarea calităţii energiei electrice furnizată consumatorilor poate fi abordată în

două moduri:

- o abordare "subiectivă” care constă în anchete asupra gradului de satisfacere a

cerinţelor consumatorilor; anchetele sunt efectuate pentru a se cunoaşte aprecierile clienţilor

asupra produsului energie electrică şi asupra serviciului de furnizare; această abordare

permite să se pună în evidenţă calitatea percepută de utilizator;

- o abordare "obiectivă”, care constă în efectuarea de măsurări privind indicatorii de

calitate.

Deoarece perturbaţiile electromagnetice afectează atât parametrii economici şi

funcţionali ai furnizorului de energie electrică, cât şi ai consumatorilor, din ce in ce mai

sensibili la perturbaţii apare necesară, în etapa actuală, o preocupare permanentă pentru

calitatea energiei electrice, planificarea şi monitorizarea acesteia, standardizarea emisiilor

perturbatoare, stabilirea de niveluri de compatibilitate. In acest sens:

industria de produse electrice şi electronice trebuie să realizeze echipamente cu nivel

al emisiilor poluante sub valorile admise;

furnizorul de energie electrică trebuie să urmărească nivelul de poluare

electromagnetică a reţelei (o planificare a acesteia), să stabilească niveluri admisibile

pentru diferitele tipuri de emisii perturbatoare ale consumatorilor, astfel încât toate

echipamentele conectate în reţeaua electrică să aibă condiţii normale de funcţionare.

O caracteristică importantă din punctul de vedere al calităţii energiei electrice este

forma sinusoidală a curbei de tensiune. In realitate, nici o sursă nu poate asigura o tensiune

perfect sinusoidală.

Consumatorii conectaţi la reţea, la o tensiune dată, solicită un curent a cărui

amplitudine şi formă reprezintă o caracteristică a consumatorului şi a modului de funcţionare.

In consecinţă, curentul, care parcurge impedanţa din amonte a reţelei electrice de alimentare,

determină variaţia tensiunii pe barele de alimentare.

Pentru ca perturbaţiile pe curba de tensiune să se menţină în limite admisibile, este

deci necesar să se impună limite ale emisiilor perturbatoare, determinate pe curba curentului

12

electric absorbit de consumator. Este evidentă necesitatea corelării dintre abaterile admise

privind tensiunea în punctul comun de cuplare şi cele ale curentului absorbit de consumator.

Aspectele legate de corelarea nivelului perturbaţiilor cu susceptibilitatea

echipamentelor fac obiectul compatibilităţii electromagnetice care, pe de o parte, deţine

standarde de emisie şi, pe de altă parte, standarde de imunitate pentru un echipament. In

funcţie de riscul admis de incompatibilitate.

Intr-un sistem electroenergetic pot fi identificate următoarele procese principale:

distribuţia;

utilizarea.

Fiecare dintre aceste procese are o influenţă specifică asupra calităţii energiei electrice.

Distribuţia

In general, reţeaua de distribuţie este conectată la reţeaua de transport în staţii de

transformare coborâtoare, în care transformatoarele pot realiza şi funcţia de reglare a

amplitudinii tensiunii. Deşi cele mai multe dintre reţelele de distribuţie au o structură buclată,

în funcţionare se operează cu bucla deschisă, ceea ce determină caracterul radial al acestor

reţele. La apariţia unui defect pe unul dintre fiderii reţelei, toate instalaţiile, care sunt

alimentate de la aceleaşi bare la care este conectat şi fiderul afectat de defect, vor suporta un

gol de tensiune. Protecţia reţelei va comanda deconectarea fiderului, pe care a apărut defectul,

iar consumatorii alimentaţi de acest fider vor suporta o întrerupere de tensiune până la

realimentarea prin AAR (anclanşarea automată a rezervei) sau până la reconfigurarea reţelei.

Odată cu deconectarea fiderului defect are loc şi revenirea tensiunii (după golul de

tensiune), la ceilalţi consumatori.

Durata întreruperii va fi de scurtă durată sau lungă durată, în funcţie de tipul

defectului, de caracteristicile automaticii de sistem şi de configuraţia reţelei de distribuţie.

In general, se poate considera faptul că întreruperile de scurtă durată sunt sub 3 s, valoare

egală cu durata maxima de acţionare a protecţiei prin relee. Inlreruperile de lungă durată

(peste 3 s) sunt imputabile în special configuraţiei specifice a reţelei de distribuţie.

13

Utilizare

În numeroase cazuri practice, consumatorii sunt ei înşişi surse de emisii perturbatoare.

Cele mai importante tipuri de consumatori, care determină perturbaţii sunt:

consumatori care includ elemente neliniare (tracţiunea electrică urbana, instalaţii de

inducţie electromagnetică, instalaţii de electroliză, SVC etc.) şi absorb un curent

nesinusoidal, ale cărui armonici, parcurgând impedanţele armonice ale reţelei de

alimentare, conduc la tensiuni armonice pe bare;

consumatori dezechilibraţi (tracţiunea electrică interurbană, echipamente de sudare,

iluminatul public etc.), care absorb curenţi de amplitudine diferită pe cele trei faze şi

parcurgând impedanţele amonte ale reţelei electrice determină nesimetrie de tensiune

pe barele de alimentare;

consumatori cu sarcini variabile, care produc fluctuaţii de tensiune pe barele de

alimentare; acestea sunt de două tipuri:

- fluctuaţii puţin frecvente, ca de exemplu, pornirea unor motoare mari;

- fluctuaţii frecvente, modificări rapide, regulate sau aleatorii, care determină efect

de flicker (ca de exemplu, in cazul cuptoarelor cu arc electric, aparatele de sudare prin puncte

etc.).

Analiza problemelor privind alimentarea cu energie electrică a consumatorilor pune în

evidenţă două aspecte distincte privind calitatea, aspecte care trebuie urmărite la furnizarea

energiei electrice:

calitatea energiei electrice, cu referire la parametrii tehnici ai produsului (amplitudinea

tensiunii, frecvenţa, conţinut armonic, simetria sistemelor tnifazate);

calitatea serviciului, cu referire la continuitatea in alimentare (întrerupere de scurtă şi

de lungă durată, siguranţa în alimentare).

Pot fi puse în evidenţă următoarele concluzii:

Energia electrica este considerată în prezent un produs, livrat de furnizor

consumatorilor, în condiţii de calitate şi eficienţă economică, cu limitarea impactului

instalaţiilor energetice asupra mediului ambiant.

Produsul energie electrică este utilizat de consumatori de o mare diversitate, de la

cei industriali (mai puţini dar de putere mare), până la cei casnici, caracterizaţi de receptoare

de putere mica, dar foarte numeroase atât în mediul urban, cat şi în mediul rural. Tehnologiile

moderne, într-o continuă evoluţie, bazate pe electronica de putere şi microinformatică,

14

prezente astăzi in toate sectoarele de consum, antrenează procese complexe, dintre care unele

sunt:

sensibile la perturbaţii electromagnetice, provenind atât din mediul lor, cât şi din

reţeaua electrică de alimentare;

generatoare de perturbaţii electromagnetice;

perturbatoare şi, în acelaşi timp, şi perturbate electromagnetic.

Menţinerea în permanenţă a unui anumit nivel al calităţii energiei electrice într-un nod

energetic necesită o colaborare continuă a furnizorului de energie electrică (cu responsabilităţi

privind calitatea tensiunii la barele de alimentare) cu consumatorii de energie electrică

(potenţiale surse de perturbaţii) pentru a obţine în punctul comun de cuplare (fig. 2.2.)

indicatorii de calitate înscrişi în contractul de furnizare.

Nivelul mediu de calitate al produsului energie electrică livrat de furnizor

consumatorilor trebuie adaptat dinamic pe toată durata de viata a reţelei electrice. În acest

scop, este necesară o conlucrare permanentă între:

furnizorii de energie electrică;

fabricanţii şi instalatorii de receptoare electrice;

utilizatorii de energie electrică.

Cei trei participanţi în rezolvarea problemelor de compatibilitate electromagnetică

trebuie să posede cunoştinţe complexe referitoare la:

mediul electromagnetic în care funcţionează receptoarele electrice;

nivelul de emisie al perturbaţiilor în punctul comun de cuplare al consumatorului;

nivelul de imunitate al fiecărui tip de receptor electric la diferite tipuri de perturbaţii

ce pot să apară în punctul comun de cuplare;

măsurile de asigurare a calităţii necesare în punctul respectiv, la o anumită etapă de

dezvoltare a reţelei de alimentare.

Calitatea energiei electrice, spre deosebire de alte sectoare de activitate, depinde nu

numai de furnizor, ci şi de toţi consumatorii racordaţi în aceea reţea de alimentare; unii dintre

aceştia pot determina influenţe perturbatorii în reţeaua furnizorului, care să afecteze

funcţionarea altor consumatori, racordaţi la aceeaşi reţea; în consecinţă, consumatorii, care

contribuie la alterarea calităţii energiei electrice peste valorile admise, trebuie să adopte

măsuri pentru încadrarea perturbaţiilor produse în limitele alocate sau să accepte posibilitatea

deconectării sale.

15

Fig.2.2. Corelaţia furnizor – consumator.

Promovarea riguroasă a unei politici a calităţii la nivel de stat, a unor programe

concrete la nivelul companiilor de electricitate, presupune definirea şi promovarea unei

legislaţii adecvate şi armonizate cu reglementările adoptate la nivel internaţional care vizează

atât responsabilitatea furnizorilor pentru daune provocate utilizatorilor prin livrarea unei

energii electrice de calitate necorespunzătoare (cu abateri faţă de indicatorii înscrişi în

contractul de furnizare), cat şi responsabilitatea consumatorilor pentru perturbaţiile

determinate în reţeaua electrică a furnizorului; astfel de reglementări trebuie să constituie

baza legală a relaţiei furnizor - consumator si să stabilească obligaţii şi răspunderi precise

pentru toţi partenerii implicaţi pe întregul traseu producţie - consum.

In acest scop, se impun următoarele masuri principale:

crearea unui set simplu, clar şi uşor perfectibil, de indicatori de calitate, care să

surprindă rapid şi pe cat posibil, cat mai complet multiplele aspecte care definesc, la

un anumit stadiu, calitatea;

normarea unor valori şi/sau abateri admisibile pentru indicatorii de calitate, acceptate

de toţi factorii implicaţi: furnizor — utilizator — fabricant de receptoare electrice;

elaborarea bazelor metodologice ale controlului de calitate şi asigurarea unei

monitorizări în timp real a tuturor indicatorilor de calitate;

crearea, exploatarea şi întreţinerea unui sistem informaţional adecvat, capabil de

prelucrări statistice asupra valorilor măsurate, care să permită obţinerea,

procesarea şi prelucrarea rapidă a unor informaţii sigure cu privire la nivelul de

calitate a tranzitului de energie către toate categoriile de consumatori;

elaborarea unor acte tehnico - normative care să constituie baza legală a contractelor

economice între furnizor şi consumator şi care să cuprindă obligaţiile celor două parţi

privind calitatea energiei electrice.

16

StudiiIe actuale, vizând problema calităţii energiei, dezbătute in cadrul unor

prestigioase conferinţe internaţionale PQ (POWER QUALITY): Paris (1992), Atlanta-SUA

(1993), Ainsteixlam (1994), New York (1996), Stockholm (1997), New-Dehil (1998), Boston

(2000) se desfăşoară în principal, pe trei direcţii:

analiza indicatorilor actuali de calitate şi dezvoltare a unor programe eficiente de

monitorizare, care să stea la baza unor relaţii corecte furnizor — consumator;

evaluarea efectelor abaterilor faţă de limitele recomandate de reglementările

internaţionale;

stabilirea unor măsuri eficiente tehnice, organizatorice, contractuale , juridice, care să

asigure încadrarea indicatorilor de calitate în limitele impuse de standarde.

17

Indicatori de calitatea energiei

Introducere

Energia electrică este considerată ca un produs, care trebuie livrat de către furnizor la

consumator, respectând un anumit nivel de calitate.

Asigurarea calităţii energiei electrice a devenit o sarcină tot mai complexă, deoarece a

crescut numărul utilizatorilor având receptoare controlate electronic şi alte receptoare

neliniare. In prezent, în România, peste 65% dintre consumatori determină emisii

perturbatoare în reţeaua electrică de alimentare. Este firească necesitatea definirii unor

indicatori de calitate pentru energia electrică şi niveluri de compatibilitate, pe baza cărora să

se poată elabora recomandări internaţionale şi naţionale.

Prin indicatori de calitate, în sens general, se înţelege o caracteristică de apreciere

cantitativă a proprietăţilor unui produs analizat sub aspectul îndeplinirii cerinţelor privind

elaborarea sa, exploatarea sau consumul.

Indicatorii de calitate a energiei electrice trebuie să îndeplinească următoarele

condiţii:

să fie universali pentru a fi posibilă folosirea lor practică în proiectare şi/sau

exploatare, precum şi realizarea unui control metrologic, pe scară largă, cu precizia

necesară, utilizând mijloace de măsurare relativ simple şi ieftine, atât în reţelele

furnizorilor, cât şi la abonaţi;

să permită o departajare, fără echivoc, a răspunderilor pentru nerespectarea

condiţiilor de calitate a energiei electrice, ce revin furnizorului, respectiv

consumatorului

să fie perfectibili, pentru a putea surprinde, rapid şi cât mai complet, multiplele

aspecte, care definesc, la o anumită etapă, calitatea energiei electrice;

să fie puţin numeroşi clari şi precişi delimitaţi, pentru a caracteriza cât mai exact, din

punct de vedere cantitativ toate proprietăţile distinctive ale energiei electrice într-un

regim stabilizat de funcţionarea a SEN.

18

Există propuneri chiar pentru adoptarea unui indicator generalizat pentru

caracterizarea calităţii tensiunii, care să fie bazat pe teoria spectrală a proceselor aleatoare; în

acest context, cu un singur indicator de calitate a energiei electrice, definit pe diferite domenii

ale spectrului de frecvenţă al funcţionării aleatoare u(t) pe fiecare fază a reţelei, pot fi

caracterizate variaţiile lente/rapide ale valorii efective a tensiunii, nesimetria şi regimul

periodic nesinusoidal.

Scopul ideal al fiecărui furnizor este de a pune in permanenţă, la dispoziţia

consumatorilor o tensiune alternativă sinusoidală, de frecvenţă şi valoare efectivă menţinute

între anumite limite, fixate contractual, egale pe cele trei faze ale reţelei.

In realitate, furnizorii nu-şi pot alimenta consumatorii cu energie electrică de calitate

ideală, pe de o parte, din cauza unor caracteristici constructive de care dispun, dar, pe de altă

parte, din cauza unor perturbaţii care apar, în mod inerent, în funcţionarea sistemelor

energetice; acestea pot afecta toate caracteristicile curbei de tensiune:

frecvenţa, amplitudinea, forma şi simetria (in sistemele trifazate).

Practic, sistemul de indicatori ai calităţii energiei electrice trebuie să permită:

măsurarea/estimarea nivelului de calitate într-un anumit punct al reţelei şi la un

moment dat;

compararea informaţiei obţinute cu nivelul stabilit prin normative si acceptabil pentru

majoritatea consumatorilor conectaţi la reţeaua respectivă.

Urmărirea indicatorilor de calitate a energiei electrice şi adoptarea de măsuri pentru

menţinerea acestora în limite admise, ca obligaţie a furnizorului de energie electrică, nu poate

fi făcută decât în corelaţie cu urmărirea perturbaţiilor introduse în reţeaua electică de

alimentare de anumiţi consumatori.

In acest sens, indicatorii de calitate pot fi clasificaţi în două grupe:

indicatori primari, care depind în primul rând, de furnizor;

indicatori secundari, care sunt influenţaţi de funcţionarea consumatorilor, ce pot fi

consideraţi perturbatori.

Indicatorii primari de calitate a energiei electrice se referă la:

calitatea produsului:

frecvenţă (controlată în sistemul energetic prin reglajul P−f );

amplitudinea tensiunii de alimentare (controlată de reglajul Q−U , al ploturilor

transformatoarelor şi al autotransformatoarelor din reţea);

supratensiunile temporare şi tranzitorii (limitate şi controlate prin sistemele de

protecţie contra supratensiunilor);

19

goluri de tensiune (limitate prin sistemele de protecţie prin relee);

calitatea serviciului (alimentare cu energie electrică):

întreruperile de scurtă şi lungă durată ( ca număr şi durată prin convenţie între

furnizor şi consumator, în funcţie de exigenţa acestuia).

Furnizorul trebuie să prevadă o rezervă suficientă şi un reglaj frecvenţă - putere

corespunzător, pentru a menţine frecvenţa într-o bandă îngustă (reglementările internaţionale

prevăd, de regulă ± 0,5 Hz), în jurul frecvenţei nominale, cel puţin pe o durată de 99% dintr-

un an.

De asemenea, trebuie să asigure un reglaj corespunzător putere reactivă - tensiune,

astfel încât să se încadreze în banda de variaţie nominală a tensiunii pe bare.

Supratensiunile temporare, la frecvenţa reţelei, sunt, în principal, o consecinţă a

defectelor cu punere la pământ şi de obicei, sunt în principal înlăturate după eliminarea

defectului (0,1 s...0,3 s).

Golurile de tensiune sunt determinate de scurtcircuite în reţeaua electrică şi sunt

înlăturate odată cu separarea defectului de către protecţia prin relee (de obicei cel mult 0,3s).

Întreruperile de scurtă şi lungă durată depind ca frecvenţă şi durată de configuraţia

reţelelor (buclată, radială), de nivelul de protecţie şi automatizare, de tehnicile de mentenanţă

adoptate şi sunt consecinţa unor incidente. Normele de proiectare proprii furnizorului (uneori

în nivel naţional) şi caracteristicile echipamentelor utilizate în reţeaua electrică permit

evaluări ale acestui indicator.

Indicatorii primari sunt rezultatul planificării, poiectării şi organizării funcţionării

instalaţiilor.

Indicatorii secundari se referă în special la perturbaţiile determinate de funcţionarea

consumatorilor:

armonici şi interarmonici (regimuri nesinusoidale);

fluctuaţii rapide de tensiune;

fluctuaţii lente de tensiune (efect de flicker);

nesimetrii;

Indicatorii secundari de calitate a energiei electrice sunt determinaţi în principal, de

tipul de sarcină al consumatorului.

Perturbaţiile armonice şi interarmonice, fluctuaţiile rapide şi lente de tensiune, precum

şi nesimetriile deteriorează calitatea energiei livrate consumatorilor, buna funcţionare a

echipamentelor acestora find afectată.

20

Pentru menţinerea unei calităţi suficiente a energiei electrice, este necesară, în afară de

monitorizarea perturbaţiilor, şi stabilirea unor limite clare şi măsurabile ale abaterilor admise.

Frecvenţa. Abaterea de frecvenţă

In general, încadrarea frecvenţei sistemului energetic într-un domeniu admisibil din

punct de vedere calitativ este condiţionată de menţinerea unei stări de echilibru între sursele

de energie şi consumul de energie electrică al sistemului.

La un moment dat, la nivelul ansamblului instalaţiilor sistemului energetic, pot exista

situaţii în care echilibrul dintre cererea şi oferta de putere nu poate fi menţinut din cauze, cum

ar fi: inerţia mare a instalaţiilor de producere, lipsa de agent primar sau lipsa de capacitate în

grupurile energetice etc. Funcţionarea interconectată a sistemelor energetice ne permite

restabilirea rapidă a frecvenţei. In cazul unor sisteme insulare, la realizarea dezechilibrului

între cererea de energie şi ofertă se stabileşte un nou regim de lucru la o frecvenţă inferioară.

Durata de funcţionare în acest regim depinde de viteza de intervenţie a “rezervei calde” a

grupurilor din centralele electrice sau până la intrarea în funcţiune a grupurilor aflate în

“rezervă rece”.

Frecvenţa nominală este f N=50 Hz în sistemele electroenergetice europene şi în

majoritatea sistemelor din Asia şi f N=60 Hz în majoritatea ţărilor de pe continentul american

şi în Japonia.

În regim normal de funcţionare, frecvenţa poate varia în jurul valorii nominale, ca

urmare a modificării practic continue a sarcinii electrice a sistemului şi a reglajelor efectuate

pentru a acoperi curba de sarcină. Controlul frecvenţei se face practic la nivelul sistemului

energetic interconectat (sistemul european) şi nu poate fi influenţată prin acţiuni locale.

21

Fig.2.3 .Variaţia frecvenţei pe durata a 500 s.

Atenţia deosebită acordată controlului frecvenţei pentru menţinerea în limite restrânse

este determinată de consecinţele importante negative ale abaterilor mari de frecvenţă pe întreg

fluxul de producere, transport, distributie şi utilizare a energiei electrice, de la centrala

electrică şi până la receptoarele consumatorului :

creşterea solicitărilor mecanice ale turbinelor cu abur ca urmare a modificării

frecvenţelor proprii dinamice de vibraţii la palete

reducerea performanţelor tehnico-economice ale grupurilor termoenergetice, cu

reducerea puterii blocurilor (turbină cu abur şi generator electric) centralei şi a

creşterii consumului specific de combustibil;

creşterea pierderilor în transformatoarele din reţeaua electrică;

creşterea consumului propriu tehnologic în reţelele electrice de transport şi

distribuţie ale sistemului energetic national (SEN), reducerea puterii reactive

maxmie şi reducerea factorului de putere la consumatori, afectarea funcţionării

majoritaţii receptoarelor electrice: motoare asincrone, convertoare cu

semiconductoare;

creşterea riscului de apariţie a unor avarii datorită modificării limitelor de

funcţionare stabilă a sistemului (stabilitate statică şi stabilitate dinamică);

reducerea siguranţei în funcţionare a unor instalaţii: pierderea performanţelor

garantate, uneori până la imposibilitatea continuării funcţionării, accentuarea

fenomenelor de uzură, deconectări datorită DASF (Deconectare Automata la

Scăderea Frecvenţei) etc.;

reducerea randamentului instalaţiilor consumatoare, cu creşterea consumului

specific de energie electrică;

22

reducerea producţiei la consumatorii de energie electrică odată cu scăderea

frecvenţei tensiunii de alimentare;

Un indicator care poate fi folosit pentru estimarea variaţiilor lente de frecvenţă este

abaterea de frecvenţă (∆ f ),

Δ f =f N−f

(2.1)

în care: f Neste frecvenţa nominală, iar f— frecvenţa reală.

Abaterea relativă de frecvenţă sau abaterea procentuală se determină cu relaţia:

ε f [ % ]=f −f N

f N

∗100[% ]

(2.2)

Integrala abaterilor de frecvenţă pe durata unei zile este un important indicator şi în

cazul utilizării frecvenţei tensiunii din reţeaua electrică la sincronizarea ceasurilor

electrice; pentru a asigura funcţionarea corectă a ceasurilor electrice este necesar ca

această integrală să aibă o valoare nulă:

I f =∫0

24

∆ f −dt=0 (2.3)

Urmărirea încadrării frecvenţei în limitele impuse este în sarcina dispecerului

energetic de sistem, în colaborare cu dispecerii energetici ai sistemelor interconectate.

Limitele de imunitate la variaţii de frecvenţă ale diferitelor categorii de receptoare

electrice sunt precizate în standardele de produs. Majoritatea receptoarelor electrice acceptă

abateri de frecvenţă de aproximativ ± 1 Hz (± 2%).

Convertoarele cu semiconductoare sunt, în general, mai sensibile la variaţii de

frecvenţă şi se realizează, conform normelor CEI 146, în trei clase de imunitate A şi B admit

un domeniu de variaţie a frecvenţei reţelei de alimentare de cel mult ± 2%, iar cele de clasă C

23

de cel mult ±1%, în condiţiile în care o scădere a frecvenţei nu se suprapune peste o creştere a

tensiunii, şi invers.

Normativele din România sunt aliniate la normativele internaţionale privind frecvenţa

de funcţionare şi limitele admise având în vedere faptul că sistemul energetic din ţară

funcţionează sincron cu sistemul energetic european, fiind interconectat cu acesta prin linii

electrice în sudul şi vestul ţării.

Amplitudinea tensiunii de alimentare. Variaţii lente de tensiune

Amplitudinea tensiunii de alimentare poate avea variaţii lente, datorate în special

căderilor de tensiune pe linii şi în transformatoare, determinate de variaţia sarcinii electrice a

consumatorilor. Variaţiile de tensiune pot fi determinate şi de modificări ale configuraţiei

schemei electrice de funcţionare a reţelei, precum şi de modificări ale regimului surselor de

putere reactivă.

Variaţiile lente de tensiune pot fi caracterizate prin abaterea relativă a tensiunii intr-

un anumit punct al reţelei şi la un moment dat, faţă de tensiunea nominală:

ε U [ % ]= ΔUU N

−100 [ % ]=U s−U N

UN

∗100 [%] (2.4)

în care: US este tensiunea de linie a reţelei electrice, într-un anumit punct şi la un moment dat

(tensiune de serviciu), iar UN - tensiunea nominală.

Raportul U S

UN este denumit nivel de tensiune.

Limitele admisibile de variaţie sunt dependente de nivelul de tensiune la care este

alimentat un consumator. Conform normelor actuale abaterile relative ale tensiunilor în PCC,

pentru reţelele având tensiunile nominale sub 220 kV nu trebuie să depăşească ±10%; pentru

tensiuni nominale peste 220 kV, abaterile relative de tensiune nu se standardizeazä. Condiţiile

tehnice de dimensionare a echipamentelor conectate la nivelul de tensiune de 400 kV

24

precizează însă un interval de (380...420) kV, în care trebuie să se încadreze tensiunea reală,

ceea ce corespunde la o abatere admisă de maxim ± 5%.

Constructorii de echipamente indică, pentru fiecare categorie de receptoare limitele de

imunitate la variaţiile de tensiune, acestea fiind cuprinse în general în intervalul (± 5 ... ±10)

%. De exemplu, abaterea relativă admisibilă este de:

± 5% pentru motoare electrice;

± 10% pentru convertizoare cu semiconductoare din clasele de imunitate A şi B;

(- 5 ... +10)% pentru convertizoarele cu clasa de imunitate C;

± 10% pentru aparate de sudare;

± 5% pentru lămpi electrice.

In cazul unor receptoare cu dependenţă accentuată de regimul de tensiune, este

necesară definirea unor indicatori suplimentari:

Valoarea medie a abaterii relative a tensiunii faţă de tensiunea nominală într-un

interval de timp T:

ε Umed=1T∫

0

T

εU∗dt (2.5)

Indicatorul ε 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 (parametru introdus de

P. Ailleret)

ε q2= 1

T∫

0

T

εU2 ∗dt

(2.6)

Abaterile tensiunii faţă de valoarea nominală pot avea efecte asupra:

producţiei materiale, atât sub aspect cantitativ, cât şi sub aspect calitativ;

caracteristicilor echipamentului electric (pierderea performanţelor garantate,

modificări ale randamentului, ale gradului de uzură etc.), ajungându-se în unele

cazuri chiar la întreruperea funcţionării (influenţa asupra siguranţei în funcţionare

25

a instalaţiei). Astfel, spre exemplu, nivelul tensiunii de alimentare influenţează

volumul producţiei realizate şi consumul specific de energie electrică al

cuptoarelor electrice cu rezistoare. De asemenea, variaţia tensiunii de alimentare

are o influenţă importantă asupra performanţelor lămpilor electrice. Modificarea

caracteristicii mecanice a motoarelor asincrone cu tensiunea aplicată poate

determina reducerea performanţelor acţionărilor electrice.

Gradul de iregularitate poate fi utilizat pentru:

aprecierea calitaţii tensiunii pe barele de alimentare

ε q2≤10% - calitate foarte bună;

10%≤ εq2 ≤20% - calitate bună;

20% ≤ εq2 ≤50% - calitate mediocră;

ε q2≥100% — calitate necorespunzătoare.

capacităţii de tranzit a reţelei şi contribuie la apariţia unor pierderi suplimentare în

aceasta.

Spre deosebire de frecvenţa, care este aceeaşi pentru toate punctele sistemului

energetic interconectat, indicatorii care caracterizează tensiunea la bornele receptoarelor

depind de o serie de factori, cum ar fi: tensiunea nominală a reţelei, capacitatea sa de

transport, lungimea liniilor de alimentare. In consecinţă, în cadrul unei metodologii de control

al calităţii tensiunii furnizate trebuie precizat locul (nodul) unde urmează să se facă

măsurările. De asemenea, prezintă importanţă stabilirea duratei măsurărilor.

Prin prelucrare statistică a rezultatelor, este posibilă obţinerea unor indicatori

statistici a variaţiei de tensiune pe perioade reprezentative de tmip (oră, schimb de lucru, zi

etc.). Cunoaşterea parametrilor statistici ai tensiunii pe barele de alimentare permite

caracterizarea completă a calităţii tensiunii, in acest nod şi, în consecinţă, alegerea corectă a

parametrilor instalaţiilor de reglaj a tensiunii (ploturi transformatoare, controlul puterii

reactive).

Supratensiuni

Supratensiunile sunt, de regulă, abordate mai ales în legătură cu probleme de alegere

şi coordonare a izolaţiei, având drept scop reducerea deteriorărilor determinate de solicitările

izolaţiei echipamentelor electrice şi deci creşterea siguranţei în funcţionare a instalaţiilor. Se

consideră ca supratensiuni toate cazurile în care tensiunea pe bare depăşeşte cu mai mult de

10% tensiunea nominală.

26

In funcţie de durată supratensiunile care apar în reţelele electrice pot fi clasificate în

următoarele categorii:

supratensiuni permanente (de frecvenţă industrială);

suprastensiuni temporare;

supratensiuni tranzitorii:

cu front lent (în special supratensiunile de comutaţie);

cu front rapid (în special supratensiunile de trăsnet);

cu front foarte rapid (specifice în special comutaţiilor în staţiile izolate cu

SF6);

supratensiuni combinate.

Indicatorii de calitate care pot fi utilizaţi în caracterizarea supratensiunilor sunt:

factorul de supratensiune (în cazul supratensiunilor sub formă de impuls):

k per=U max

U f max(2.7)

în care Umax este valoarea de vârf a supratensiunii, iar Uf max - valoarea de vârf a tensiunii

alternative pe fază.

factorul de supratensiune (în cazul supratensiunilor de durată):

k per=U per

U f(2.8)

în care Uper este valoarea efectivă a supratensiunii de durată iar Uf - valoarea efectivă a

tensiunii pe fază;

factorul de impuls:

k impuls=U per

U f(2.9)

Rezolvarea problemelor de coordonare a izolaţiei se rezolvă pe baza recomandărilor

CEI 71 - 1/1993. Din punctul de vedere al calităţii energiei electrice furnizată consumatorilor

prezintă interes numărul şi amplitudinea supratensiunilor admise, pe o durată de calcul (în

27

mod uzual un an). Aceste valori urmează a fi stabilite de către furnizorul de energie şi înscrise

în contractul încheiat cu consumatorii racordaţi la reţeaua electrică.

Goluri de tensiune

Goluri de tensiune (fig.2.4) este definit ca fiind o reducere, pe o durată ∆ t s

determinată (în mod obişnuit sub 3 s), a amplitudinii sau a valorii efective a tensiunii unei

reţele electrice, intr-un anumit punct al acesteia. Amplitudinea ∆ U g a golului de tensiune

poate avea valori de (0,1...0,9)*UC în care Uc este tensiunea contractată. Se consideră că

variaţiile de tensiune sub 0,1*UC sunt cuprinse în banda admisă de lucru, iar variaţiile ∆ U g

mai mari de 0,9*UCcorespund unei întreruperi de tensiune.

Un gol de tensiune poate să apară la conectarea unor motoare electrice cu curenţi de

pornire mari (caz din ce în ce mai puţin întâlnit datorită obligativităţii controlului cu circuite

cu semiconductoare a curentului de pornire la motoarele mari) sau apare ca urmare a unor

defecte în reţeaua electrică şi a eliminării acestora prin funcţionarea protecţiilor prin relee şi a

automatizărilor.

Principalii indicatori de calitate care caracterizează golurile de tensiune sunt:

amplitudinea relativă sau procentuală:

ε g [ % ]=ΔU g

U c

∗100 [ % ]=U sc−U

U Nc

∗100[% ] (2.10)

în care U este valoarea reziduală a tensiunii de fază, iar Uc - tensiunea contractată pe fază.

28

Fig.2.4. Gol de tensiune

durata golului de tensiune:

Δt g=t f−ti (2.11)

în care ti şi tf sunt momentele iniţial şi final ale golului de tensiune;

frecvenţa de apariţie a golurilor:

f a=Ng

Tr(2.12)

în care Ng este numărul de goluri de tensiune care apar pe durata de refeninţă Tr (în mod uzual

un an).

Unul dintre cei mai importanţi indicatori de calitate ai energiei electrice, relativ la

golurile, întreruperile de tensiune şi supratensiuni este factorul de performanţă definit ca fiind

intervalul relativ de timp (treal/Tr), în care tensiunea se găseşte în banda admisă.

Diferitele receptoare de energie electrică, în funcţie de specificul lor constructiv,

prezintă un anumit grad de sensibilitate faţă de golurile de tensiune. Goluri cu anumite

caracteristici pot determina chiar deconectarea receptoarelor sensibile, în special a celor cu

comenzi numerice.

Un gol de tensiune conduce la apariţia unor regimuri de funcţionare tranzitorii în

reţeaua electrică a consumatorului. Variaţia mărimilor de stare pe durata regimurilor

tranzitorii determinate de goluri de tensiune poate conduce la:

pierderea stabilităţii dinamice în funcţionare atunci când duratele golurilor de

tensiune au valori comparabile cu diferite constante de timp electrice şi

mecanice, care intervin în procesele tranzitorii; un exemplu de astfel de

receptoare pot fi motoarele asincrone, folosite la acţionările electrice;

creşterea solicitărilor termice în diferitele componente ale receptorului, ca

urmare a supracurenţilor care apar pe intervalul proceselor tranzitorii;

posibilitatea ca un receptor să fie expus deteriorării, din cauza depăşirii

solicitărilor termice admisibile, indică şi prezenţa unei sensibilităţi termice a

receptoarelor la goluri de tensiune; un exemplu de receptoare cu sensibilitate

29

termică ridicată la goluri de tensiune îl reprezintă redresoarele cu tiristoare, la

care dereglarea comenzii produsă de golurile de tensiune poate conduce la

apariţia unor curenţi mari, uneori, la trecerea practic în regim de scurtcircuit;

creşterea solicitărilor produse de forţele electrodinamice, apărute în diferite

elemente ale receptorului, ca urmare a şocurilor de curent; posibilitatea ca

receptorul să se defecteze în urma acestor solicitări arată existenţa unei anumite

sensibilităţi electrodinamice la goluri de tensiune;

la unele receptoare, pot apărea în diverse elemente şi altfel de suprasolicitări

mecanice, cum ar fi, de exemplu, în cazul acţionărilor electrice, solicitările

produse de şocurile de cuplu sau de acceleraţiile mari; în aceste situaţii se poate

vorbi şi de o sensibilitate mecanică la goluri de tensiune.

In funcţie de durată şi amplitudine, efectele golurilor de tensiune pot fi diferite în

funcţie de sensibilitatea receptoarelor:

pentru tensiuni U < 0,9*UC

chiar la durate foarte scurte ale golurilor de tensiune,

de ordinul∆ f g= (0,2.. .0,3)s, rezultă perturbarea funcţionării unor aparate de

comandă şi reglaj (erori de comandă, pierderi de informaţii);

pentru o tensiune U = (0,7.. .0,8)*UC

şi durate ∆ f g= (0,2. ..0,3)s, poate să apară

deconectarea contactoarelor de 0,4 kV în circuitele secundare;

pentru o tensiune U = (0,5...0,6)*UC

şi durate ∆ f g = (1,5...3)s, poate apărea

instabilitatea motoarelor şi a compensatoarelor sincrone;

pentru tensiuni U < 0,5*UC şi durata golului peste 0,05s, lămpile cu descărcări se

sting şi se reaprind la câteva minute de la revenirea tensiunii la valoarea normală;

pentru o tensiune U = (0,15...0,3)*UC apar perturbaţii în funcţionarea

convertoarelor statice utilizate la acţionarea cu viteză variabilă.

Limitele de imunitate ale receptoarelor electrice la goluri de tensiune sunt, în general,

precizate de către fabricanţi (în funcţie de clasa de imunitate a receptorului respectiv). Astfel,

de exemplu, redresoarele cu semiconductoare, având clasa de imunitate A, admit variaţii de

tensiune de scurtă durata: (0,5.. .30) perioade ale fundamentalei în domeniul ±15%*UC spre

deosebire de cele de clasă B şi C, care admit variaţii de scurtă durată în intervalul

(-10...+15)%*UC.

Întreruperi de scurtă şi lungă durată

30

Întreruperile de scurtă durata (sub 3s) sunt determinate de defecte în reţea şi

realimentarea consumatorilor prin reconfigurarea automată a reţelei utilizând automatica de

sistem. Pentru a pune în evidenţă diferenţa între condiţiile de apariţie a golurilor de tensiune şi

a întreruperilor de scurtă şi lungă durată se consideră exemplul indicat in fig.2.5,

corespunzător reţelei interne, cu tensiunea nominală de 20 kV, a unei intreprinderi.

Fig.2.5. Reţea de 20kV pentru alimentarea unor consumatori.

La apariţia unui defect (scurtcircuit) pe circuitul care alimentează bara B2 toate

receptoarele alimentate de la bara B vor sesiza o reducere de tensiune la borne (gol de

tensiune). Curentul de defect va parcurge întreruptoarele I21 şi I, dar numai întreruptorul I21 va

fi deconectat (selectiv) pentru a izola defectul. Pentru toate receptoarele conectate pe barele B

golul de tensiune a fost eliminat şi tensiunea revine la valoarea permanentă Up (fig.2.5).

Receptoarele conectate la bara B2 nu vor mai fi alimentate (gol de tensiune urmat de

întrerupere de tensiune). Automatica de sistem (anclanşarea automată a rezervei) sesizează

lipsa tensiunii pe bara B2 , comandă deconectarea întreruptorului I22 conectarea intreruptorului

IAAR (aflat în mod normal în poziţie deschis). Receptoarele conectate la bara B2 vor fi

realimentate, după un interval de timp determinat de funcţionarea AAR (intrerupere de scurtă

durată). In cazul în care nu este posibilă conectarea întreruptorului IAAR receptoarele conectate

la bara B2 rămân nealimentate (întrerupere de lungă durată) până când personalul de

exploatare asigură înlăturarea defectului.

Durata întreruperilor de scurtă durată depinde de performanţele echipamentului de

automatizare.

Întreruperile de lungă durată sunt determinate în special de o configuraţie neadecvată

a reţelei de alimentare, de performanţele reduse ale echipamentelor, precum şi de lipsa unor

31

proceduri specifice de mentenanţă a instalaţiilor. In unele cazuri, consumatorii pot accepta

întreruperi de lungă durată şi schema de alimentare se proiectează acceptându-se acest risc.

Armonici şi interarmonici

Armonicile sunt semnale a căror frecvenţa este multiplu întreg am frecvenţei

fundamentale. În general, armonicile sunt de sarcini neliniare din reţea .

În figura 2.6.este figurată prezentarea unei armonici în domeniul timp fig. 2.6.a) şi în

domeniul frecvenţă fig. 2.6.b).

a) b)Fig.2.6. Prezentarea unei armonici.

Interarmonicile sunt semnale a caror frecvenţă nu este multiplu al frecventei

fundamentale. Unele dintre acestea sunt generate de sarcinile neliniare, iar altele sunt

intentionat injectate de distribuitor, pentru telecomanda releelor sau pentru a comuta tarifele

consumatorilor casnici sau industriali.

a) Semnale de telecomandă

Copaniile de distribuţie a energiei electrice injecteaza semnale de telecomanda avand

frecvenţe interarmonice (de exemplu, in Franta, aceste frecventa este de 50 Hz), pentru

comenzi in reţeaua electrică, utilizand chiar de alimentare ca suport fizic. Avand în vedere

dezvoltarea continuă a acestui sistem de comandă, se acordă o atentie deosebită limitării

interarmonicilor, determinate de alte surse, pentru a nu perturba semnalele utile.

b) Sarcini neliniare care provoaca interarmonici

32

Marea majoritate a interarmonicilor de curent şi tensiune din retea sunt generate de

convertoarele statice de frecvenţă, utilizate din ce în ce mai mult pentru alimentarea

motoarelor sincrone sau asincrone în scheme de acţionare viteza variabilă (AVV).

Ca exemplu, in fig 2.7.a). este prezentată schema de principiu a unei acţionări pentru

tracţiunea electrică interurbană; schema cuprinde un redresor, un circuit intermediar de

tensiune continuă şi un invertor trifazat.

Pentru a asigura un conţinut cît mai redus de armonici in curba curentului electric din

motorul asincron, comanda invertorului se face in mod PWM (Pulse Width Modulation); se

alege laţimea implsulurilor , astfel încat să se realizeze o curbă medie cu un spectrul redus

armonici.

Fig.2.7.a). Diagrama schematică a convertorului de frecvenţă cu circuit intermediar de tensiune continuă

Fig.2.7.b).Schema de comandă a convertizorului de frecvenţă.

Schema de comandă cu calculatorul de proces , μP, (fig 2.7, b) determina modificarea

frecvenţei tensiunii de alimentare, astfel încat, fiind măsurata viteza reală ,𝜴, să se obtină

33

viteza impusă 𝜴i . În acest sens , μP stabileşte strategia de comandă PWM a

semiconductoarelor din circuitul invertorului, pentru a se obţine viteza dorită de mers.

De asemenea, calculatorul de preces controlează si alte marimi din schemă:

intensitatea curentului electric in circuit (pentru a asigura limitarea la valorile admise),

valoarea tensiunii la bornele maşinii (corelat cu frecvenţa, pentru a evita fenomenul de

saturare a circuitului magnetic al maşinii), ca si alte marimi din schema vehiculului motor.

În fig 2.8 sunt prezentate inregistrări ale curbelor de tensiune şi curent electric la

bornele motorului pentru o frecvenţă de 32 Hz ( curba de tensiune este realizată cu 6 pulsuri).

În funcţie de viteza de mers şi deci de frecvenţa tensiunii de ieşire a invertorului, curba

tensiunii este realizată cu un număr diferit de pulsuri.

Curentul electric din circuitul motorului, cu frecvenţa corespunzatoare vitezei de mers,

determină interarmonici în reţeaua electrică de alimentare.

Alimentarea schemei de acţionare prin intermediul unui bloc de redresare în perioada

folosirii maşinii electrice în regim de motor, ca si transferul de energie spre firul de cale (FC

pe fig. 2.7, a ), prin intermediul unei scheme cu invertoare, determină apariţia în reţeaua de

alimentare a unui curent nesinusoidal, cu un spectru larg de armonici.

Existenţa privind calitate energiei electrice livrate consumatorilor, conectati în aceeasi

reţea electrică cu tracţiunea feroviară, impunea analiza propagării perturbaţiilor determinate

de tracţiunea electrică în reţeaua electrică de alimentare; in primul rând trebuie studiate

armonicile şi interarmonicile de curent electric, precum şi nesimetria (având în vedere faptul

că tracţiunea electrică este un receptor nesimetric).

Studiile privind propagarea acestor perturbaţii trebuie să stabilească în ce măsură

consumatorul de nergie electrica (calea ferată electrificată) se incadrează în normele ecceptate

de nivel de perturbaţii.

Chiar maşinile rotative pot genera curenţi interarmonici de joasa frecventă, în prezenţa

unor sarcini fluctuante, dar amplitudinea lor este mica în raport cu perturbaţiile generate de

convertoarelor statice.

Analiza fenomenelor în reţeua de alimenatre necesită cunoasterea formei reale a curbei

curentului electric absorbit de instalatia consumatoare. În acest sens, studiile teoretice trebuie

validate de deteminări experimetale.

Regimul periodic nesinusoidal, generator de armonici şi interarmonici, va fi studiat,

intr-un capitol special, iar in continuare se vor defini numai parametrii caracteristici, fară a se

detalia cauzele acestuia şi fară a se analiza efectele, deosebit de importante pentru sistemul

electroenergetic.

34

Fig.2.8.Forma curbelor de tensiune şi curent electric pentru frecvenţa de 32 Hz la alimentarea motorului asincron de la un convertizor de frecvenţă.

Indicatorii de calitate ai regimului periodic nesinusoidal ( deformant) sunt :

⇨ Factorul de distorsiune δ1 ( distorsiunea armonica totală, notate în literatura straină

cu THD – Total Harmonic Distorsion ) : raportul dintre valoarea efectiva a armonicilor ( în

acest context, curentii armonici Ik de rangul k ) si valoarea efectiva a fundamentalei ( CEI

1000 – 3 – 4 )

δ 1=√∑2

40

( I k

I 1)

2

(2.13 )

Notă: Deoarece aparatele de masurare (distorsiometre) indica valoare factorului de

distorsiune cu raportare la valoarea efectiva şi nu la valoarea efectivă a armonicii

fundamentale, trebuie luată în consideraţie şi aceasta definitie.[1]

35

⇨ Factorul de distorsiune armonică parţial ponderată (DEI 1000 – 3 – 4 ) :

este definite de relatia:

δ IP=√∑2

40

k ( I k

I 1)

2

(2.14)

Notă:

Distorsiunea armonică partial ponderată (notată în literatura străină cu PWDH –

Partial Weighted Harmonic Distorsion ) a fost introdusă pentru a lua în considerare faptul că

odata cu cresterea rangului, amplitudinea armonicilor descreste.⇨ Nivelul armonicii: raportul dintre valoarea efectiva a armonicii considerate şi

valoarea efectiva a fundamentalei:

γ KI [ % ]=I k

I 1

100 [ % ] (2.15)

Ca exemplu, în continuare sunt prezentate rezultatele a doua studii de caz :⊳ poluarea armonica a sistemului de 110 KV datorita tracţiunii electrice interurbane ;⊳ poluarea armonica a reţelelor urbane de joasa tensiune.

Fluctuaţii de tensiune (effect de fliker

Fluctuaţiile de tensiune sunt considerate variaţiile de tensiune cu caracter repetitiv,

ciclice sau aleatorii, care nu au loc pe barele de alimentare ale unui consummator.

a)

36

b)

Fig. 2.9. Variaţia nivelului armonicilor de tensiune si de curent γ3U , γ5U , γ3I , γ5I si a factorului de distorsiune (δU) si de curent (δ1) pentru un post de transformare urban

20/0,4 KV, în intervalele orare (17:13......17:45) – (a) si (11:02....11:20) – (b).

Astfel de variaţii sunt cauzate de funcţionarea cu şocuri de putere reactiva a unor

receptoare, cum ar fi:

în reţele de joasa tensiune: frigidere, ascensoare, aparate de sudare;

în reţele de medie tensiune: pompe, locomotive electrice, laminoare;

în reţele de înalta tensiune: cuptoare cu arc electric, laminoare.

Variaţia mărimilor electrice la un robot de sudare prin puncte este indicată în fig. 2.9.

37

a) b)Fig.2.10.Variaţia mărimilor electrice – curent a) şi tensiune b) la un aparat de sudat

prin puncte

Funcţionarea unui robot de sudare datermină variaţii de tensiune pe barele de

alimentare. Durata unui ciclu de sudare tc cuprinde un interval activ, ta si un interval de pauză,

tp (fig. 2.10. a), care determină pe barele de alimentare o variaţie dreptunghiulară de tensiune

(fig2.10. b).

Aceste variaţii (fluctuaţii) de tensiune pe barele de alimentare determină efect de

flicker, evaluat prin jenă fiziologică asupra ochiului uman, la variaţia fluxului luminous al

lampilor electrice.

S-a constatat experimental că jena maximă, în condiţii de amplitudine constantă, este

resimtită practic pentru o frecvenţă de repetiţie a fluctuaţiilor de aproximativ 10 Hz ( valori de

0,3 % din tensiunea nominală determinată, la aceasta frecvenţă de repetitie, jena fiziologică

observatorului uman).

Pentru caracterizarea efectului de flicker, se definesc urmatorii indicatori de calitate: ⇨ Indicator de flicker instantaneu P este evaluat pe baza variaţiilor de tensiune pe

barele de alimentare.

Valoarea P = 1 corespunde pragului convenţional de iritabilitate (CEI 1000 – 3 – 3 ) şi

se determină din curba de iritabilitate indicată in fig. 2.10.pentru variaţii dreptunghiulare de

tensiune.

În general o variaţie ∆U a tensiunii pe barele de alimentare are forma indicată în fig.

2.10. Dacă tensiunea pe bare, iniţial avea valoarea Uc (de exemplu, egala cu tensiunea

contractata ), nivelul d al perturbaţiei este :

d ( t )=∆ UU c

(2.16)

Nivelul maxim dma x rezultă:

38

dmax=∆ Umax

U c (2.17)

Iar nivelul perturbaţiilor stationare (permanente ) este:

dc=∆ U p

U c (2.18)

Curba din fig. 2.14 indică doua variaţii de tensiune, una spre valori inferioare si alta

spre valori superioare.

Pentru a lua în considerare mecanismul real de jenă fiziologică, valorile variaţiilor de

tensiune se ponderează cu factorul de corecţie, dependent de forma variaţiei. Valorile astfel

obţinute, se compară cu curba de iritabilitate (indicate in fig 2.11 pentru variaţii

dreptunghulare ale tensiunii) şi se stabileşte probabilitatea de depaşire a acestei curbe.

Fig.2.11. Caracteristica P=1 (curba de iritabilitate) pentru variaţii dreptunghiulare şi echilibrate de tensiune

Estimarea efectului de jenă fiziologică impune o valoare pe un interval semnificativ de

timp ( de obicei 10 min).

39

Curba de iritabilitate indicată in fig 2.11 este denumită şi curba limită a nivelului de

flicker în cazul şocurilor de tensiune . Zona de sub curba este zona cu flicket.⇨ Indicatorul de timp scurt Pst (short –term)

rezultă pe baza unei prelucrari statice a

nivelurilor instantanee P, pe un interval

determinat de timp ( în mod obijnuit 10 minute ).

Nivelurile instantanee, stabilite, de exemplu, la

fiecare 15s , sunt pentru construcţia unei curbe

de probabilitate cumulată ( CPF – Cumulative

probability Function) care permite determinarea probabilitaţii de depăşire a unei anumite

valori (fig. 2.11).

Informaţiile obţinute din curba CPF, pe intervalul de observare (de obicei 10 minute ),

permit calculul indicatorul Pst din relaţia :

Pst=√0,0314 P0,1+0,0525 P1 s+0,0657 P3 s+0,28 P10 s+0,08 P50 s (2.19)

Valorile P0,1 ; P1 s ;P3 s; P10 s ; P50 s reprezinta niveluri ale fickerului depăşite în timp , pe

intervalul de observaţie.

Indicele s din relaţia [2.19] arată că trebuie utilizate valorile netezite (smoothed value).

P50 s=( P30+P50+P80 )

3

P10 s=( P6+P8+P10+P13+P17 )

5

P3 s=( P2,2+P3+P4 )

3

P1 s=( P0,7+P1+P1,5 )

3

40

Fig.2.12. Variaţia tipică a tensiuniipe barele de alimentare.

Fig. 2.13. Curba de probabilitate cumulatăpentru vibraţiile sub formă de fliker pe barela alimentare ale unui cuptor cu arc electric.

Constanta de timp de 0,3 s a memoriei flickermetrului asigură că P0,1să nu se modifice

intr-un mod brusc şi deci nu este necesară netezirea pentru această valoare.

⇨ Indicatori de flicker pe timp lung Plt (long – term) (de regula 2 ore) este definite de

relaţia (CEI- 1000- 3-3 ) :

P¿=3√ 1

12∑j=1

12

P stj3 (2.20)

în care Pstj sunt cele 12 valori succesive ale indicatorului de timp scurt, determinate pe

intervalul de urmărire de 2 ore.

În relaţia (2.20) se ia în considerare faptul că efectul de flicker, pe termen lung, se

insumeaza după legea cubică.

Pentru limitarea efectului de flicker, se preconizează soluţii, cum ar fi :

- Mărirea curentului de scurtcircuit al reţelei în punctul comun de cuplare;

- Prevederea unor surse de compensare în timp real a puterii reactive.

2.2.9. Nesimetrii

Principalii indicatori de calitate care definesc regimul nesimetric sunt:⇨Factorul de nesimetrie negative [%]: raportul dintre component de secvenţă

negativă (inversa) şi component de secvenţă pozitivă (directă) a curentului electric (tensiune):

k I

−¿ [% ]= I−¿

I+¿100 [% ](2.21)¿¿¿

⇨ Factor de nesimetrie zero [%] : raportul dintre componenta de secvenţă

nulă(homopolară) şi component de secventă pozitivă (direct) a curentului electric (tensiunii):

334

41