Regimul dezechilibrat n reelele electrice i influenele acestuia

Regimul dezechilibrat în reţelele electrice şi influenţele acestuia asupra consumatorilor prof. dr. ing. Mircea CHINDRIŞ

CUPRINS • 1. Introducere • 2. Regimuri nesimetrice în reţelele electrice • 3. Indicatori de calitate şi niveluri de compatibilitate • 4. Efecte ale regimului nesimetric • 5. Mijloace pentru limitarea emisiei perturbatoare sub formă de nesimetrie

1. Introducere Analiza problemelor legate de nesimetrie cuprinde două aspecte distincte: • influenţa asupra caracteristicilor de funcţionare ale echipamentelor alimentate cu tensiuni nesimetrice; • influenţa asupra indicatorilor economici şi tehnici ai reţelelor de transport şi distribuţie, precum şi asupra generatoarelor din sistem.

influenţa asupra caracteristicilor de funcţionare ale echipamentelor alimentate cu tensiuni nesimetrice În acest caz: furnizorul de energie electrică trebuie să asigure consumatorului încadrarea indicatorilor de nesimetrie de tensiune de pe barele de alimentare în limitele de calitate admise. Consumatorul este interesat să monitorizeze tensiunile de alimentare pentru a avea informaţiile necesare privind nivelul de nesimetrie şi încadrarea sa în limitele admise.

influenţa asupra indicatorilor economici şi tehnici ai reţelelor de transport şi distribuţie, precum şi asupra generatoarelor din sistem În acest caz: consumatorul 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 electrice furnizată celorlalţi consumatori din reţeaua electrică. Furnizorul de energie electrică este interesat de monitorizarea curenţilor electrici absorbiţi de consumator şi verificarea încadrării nesimetriei acestora în limitele alocate perturbaţiei produse.

2. Regimuri nesimetrice în reţelele electrice Un sistem trifazat simetric de mărimi sinusoidale (tensiune sau curent electric) se caracterizează prin cei trei fazori reprezentativi care sunt: egali în modul; defazaţi succesiv, unul faţă de altul, cu un unghi egal cu 2 /3.

Reţeaua se numeşte echilibrată dacă impedanţele pe cele trei faze sunt identice, adică: au acelaşi modul; au acelaşi argument. În cazul în care cel puţin una din impedanţele complexe diferă de celelalte, reţeaua se numeşte dezechilibrată. Regimul nesimetric poate fi: • temporar, dacă perturbaţia este determinată de defecte sau 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, tracţiune electrică etc. ); • receptoare trifazate dezechilibrate (cuptoare cu arc electric); • impedanţe diferite ale liniilor electrice pe cele trei faze (în special liniile electrice aeriene).

3. Indicatori de calitate şi niveluri de compatibilitate • factorul de nesimetrie negativă de tensiune (de disimetrie) • factorul de nesimetrie de tensiune

• Factorul complex de nesimetrie negativă de tensiune • Factorul de nesimetrie zero de tensiune • Factorul complex de nesimetrie zero de tensiune

• abaterea maximă a tensiunii de fază

Nivelul de nesimetrie se determină cu expresia: Adică: nesimetria negativă de tensiune este maximul abaterii faţă de valoarea medie a tensiunilor celor trei faze, raportată la media tensiunilor celor trei faze.

Sunt admise următoarele valori ale abaterilor de tensiune: • la bornele surselor de iluminat şi instalaţiilor exterioare de iluminat: ( 2, 5. . . +5)%; • la bornele motoarelor electrice: ( 5. . . +10)%; • la bornele altor receptoare de energie electrică: ( 5. . . +5)%.

• În cazul regimurilor deformant şi nesimetric se defineşte factorul de nesimetrie negativă de tensiune corespunzător armonicii fundamentale

• Pentru un sistem nesimetric de tensiuni de linie, valoarea efectivă a componentei de secvenţă pozitivă a tensiunii, de frecvenţă fundamentală, se poate determina din relaţia

Se admite ca valoarea efectivă a componentei de secvenţă pozitivă a tensiunii, de frecvenţă fundamentală să fie calculată cu relaţia aproximativă eroarea de aproximare a valorii efective a componentei de secvenţă pozitivă a tensiunii, de frecvenţă fundamentală prin folosirea relaţiei aproximative, în loc de expresia exactă, nu depăşeşte 0, 1%, dacă factorul de nesimetrie negativă de tensiune nu este mai mare de 6%.

Valoarea efectivă a componentei de secvenţă negativă de tensiune, de frecvenţă fundamentală poate fi determinată cu ajutorul relaţiei

Se admite calculul aproximativ în care Umax 1, Umin 1 reprezintă cea mai mare valoare, respectiv cea mai mică valoare efectivă dintre cele trei tensiuni de linie de frecvenţă fundamentală; în acest caz, eroarea de determinare a componentei de secvenţă negativă de tensiune nu depăşeşte 8%.

• valoarea efectivă a componentei de secvenţă zero de tensiune, de frecvenţă fundamentală,

unde Ufmax 1 şi Ufmin 1 sunt cea mai mare, respectiv cea mai mică valoare efectivă dintre tensiunile de fază de frecvenţă fundamentală

factorul total de nesimetrie Normativul românesc PE 143/2001 aliniat la normativele internaţionale, stabileşte necesitatea analizei statistice a nesimetriei de tensiune şi încadrarea în limita de 2% a factorului total de nesimetrie în 95% din perioada de observare (în general o săptămână).

4. Efecte ale regimului nesimetric • 4. 1. Influente asupra consumatorilor In cazul consumatorilor, influenţa regimurilor nesimetrice prezintă aspecte specifice în funcţie de unele caracteristici ale receptoarelor alimentate. Astfel, prezenţa 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; de exemplu, prin creşterea temperaturii cu 8 C, durata de viaţă a izolaţiei de clasă A a înfăşurărilor scade la jumătate.

Prin construcţie, motoarele asincrone prezintă o impedanţă de secvenţă negativă comparabilă cu impedanţa în regim de pornire, ea fiind de circa 5 ori mare decât impedanţa de secvenţă pozitivă. Ca urmare, un motor asincron alimentat cu tensiuni nesimetrice absoarbe un curent de secvenţă negativă important, care va determina: • încălzirea suplimentară a statorului şi a rotorului; • diminuarea puterii disponibile, a cuplului util şi a duratei de viaţă.

Nesimetria tensiunilor (%) Parametru Curentul de secvenţă negativă, (%) Curentul din stator, (%) Creşterea pierderilor, (%) - medie în stator - maximă - în stator - în rotor - în general, în motor Creşterea temperaturii, (o. C) - Clasă A - Clasă B 0 2 3, 5 5 0 100 15 101 27 104 38 107, 5 0 2 8 15 0 0 0 33 12 8 63 39 25 93 76 50 60 80 65 86 75 100 90 120

Având în vedere aspectele menţionate anterior, producătorii de maşini electrice recomandă reducerea corespunzătoare a gradului de încărcare al maşinii ( = P/Pn pentru maşini rotative, respectiv = S/Sn pentru transformatoare) odată cu creşterea gradului de nesimetrie.

• Importante efecte negative apar şi în cazul alimentării cu tensiuni nesimetrice a bateriilor de condensatoare. Deoarece puterea reactivă pe fiecare fază depinde de pătratul tensiunii aplicate 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 cea mai redusă îmbunătăţire a factorului de putere

Nesimetria tensiunilor trifazate poate fi determinată şi de defazaje diferite de 2 /3 între tensiunile de fază. In acest caz, se constată o perturbare a funcţionării convertoarelor statice de putere (tiristoare cu comandă pe fază) rezultând o funcţionare nesincronizată a tiristoarelor din schema redresorului comandat. Analiza armonică a curenţilor absorbiţi din reţeaua de alimentare pune în evidenţă următoarele: • în afara armonicilor caracteristice (de rang , m = 1, 2…. ) apar şi armonici necaracteristice (de exemplu, în cazul unui redresor cu 6 pulsuri, curentul de intrare conţine armonici de rang , m= 0, 1, 2. . );

• valorile efective ale componentelor armonice diferă atât faţă de cazul alimentării cu tensiuni simetrice cât şi între cele trei faze; • rezultă nesimetria curenţilor absorbiţi, aceasta fiind mai importantă pentru armonicile necaracteristice (de exemplu, coeficientul de nesimetrie variază între 50% 100% pentru armonica de rang 3 faţă de 10 – 20% pentru armonicile caracteristice de rang 5 şi 7).

Nesimetria curenţilor de linie determină pierderi suplimentare de putere Dacă se presupune că defazajele între curenţi sunt egale şi că R = Rn, relaţia anterioară poate fi pusă sub forma

4. 2. Influente asupra sistemului energetic Pentru furnizorii de energie electrică, existenta regimului dezechilibrat provoacă efecte asupra maşinilor sincrone, a transformatoarelor şi bateriilor de condensatoare, determină creşterea consumului propriu tehnologic şi influenţează negativ funcţionarea sistemului de protecţie. O deosebită importanţă o are influenţa nesimetriei tensiunilor asupra regimurilor de funcţionare 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 [13, 14].

Pentru retelele de distributie de joasa tensiune, pierderile suplimentare determinate de nesimetria sistemului curentilor de linie de calculeaza tot cu relatia (17); pentru liniile de transport de medie şi înaltă tensiune, calcularea pierderilor suplimentare este ceva mai complicată, necesitând luarea în considerare a factorului complex de nesimetrie al sistemului de curenţi. Detalii pentru aplicarea acestei metodologii sunt indicate în [9]. In afara pierderilor de putere în conductorul neutru evidenţiate anterior, curenţii de secvenţă zero cauzează şi probleme de interferenţă cu sistemele de telecomunicaţii, respectiv sistemele de protecţie. Pentru acestea din urmă, este greu de deosebit componenta produsă de defectele monofazate, de cea determinată de sarcinile puternic dezechilibrate existente în sistem. Pe de altă parte, curenţii de secvenţă zero pot induce tensiuni în sistemele de comunicaţii învecinate, conducte de gaz sau conducte de apă (prin cuplaje magnetice sau rezistive).

5. MIJLOACE PENTRU LIMITAREA EMISIEI PERTURBATOARE SUB FORMĂ DE NESIMETRIE Pentru limitarea nesimetriilor determinate de consumatorii dezechilibraţi sunt posibile, în principiu, două soluţii: • reconfigurarea schemei de alimentare a receptoarelor consumatorului pentru a asigura o simetrizare a sarcinii; • utilizarea unor scheme speciale de simetrizare.

Schemele de simetrizare pot fi realizate în două moduri: • cu transformatoare monofazate; • cu elemente reactive suplimentare

5. 1. SCHEME DE SIMETRIZARE CU TRANSFORMATOARE MONOFAZATE

Fig. 3. Schema de compensare cu transformatoare conectate în V IA = I ; IB = 2 I ; IC = I.

5. 2. Scheme de simetrizare cu elemente reactive suplimentare

UA UB UC YL YS 1 YL YS 2 YL YS 3 YN B 12 B 23 BY 2 B 31 BY 1 Fig. 5. Repartizarea elementelor de simetrizare în cazul alimentării unui consumator trifazat dezechilibrat cu neutrul accesibil

Sarcină Redresor trifazat PWM Filtru activ serie

Analiza regimului dezechilibrat pentru reţeaua de distribuţie de JT din figură 1 2 U 10 U 20 3 Post de transformare U 30 N Zl Zl Zl Reţea de joasă tensiune Zn 1 U 12 2 U 31 3 U 23 U 1 Tablou de distribuţie U 2 U 3 N 1 2 3 N N N Instalaţie interioară Receptoare P 1, 1 P 2, 2 P 3, 3

parametri consumator [W] [W] parametri linie [Ω]

U 10 U 20 Zl I 1 Zl I 2 Zl U 30 Post de transformare Zn Reţea de joasă tensiune [Ω] I 3 In Z 1 U 12 U 31 U 23 U 1 Z 2 U 2 Z 3 U 3 Receptoare [Ω] [Ω]

reactanţa consumatorului [Ω] [Ω] curenţii de linie [Ω]

căderile de tensiune pe consumator [V] [V] [V]

tensiunile de linie la consumator [V] [V] [V]

componentele simetrice ale sistemului tensiunilor de alimentare [V] [V]

factorul de nesimetrie negativă [%] factorul de nesimetrie zero [%] factorul total de nesimetrie [%]

alte relaţii pentru determinarea factorului de nesimetrie negativă [%]

factorul de nesimetrie de tensiune relaţia directă [%] altă relaţie pentru determinarea componentei de secvenţă negativă este [V] o relaţie aproximativă [%] [V] [%]

Pentru aceeaşi reţea, se va determina modul în care se modifică pierderile de putere faţă de cazul în care reţeaua ar absorbi aceeaşi putere dar în regim echilibrat [W] [W] [W] [k. VA]

Pierderile de putere în reţeaua de joasă tensiune [W] [W] [W] [%] [W]

Instalaţii de legare la pământ

Capitolul 6 al Ghidului aplicativ elaborat în cadrul LPQI abordează problematica legării la pământ în instalaţiile electrice şi a compatibilităţii electromagnetice, cu referire specială la instalaţiile de distribuţie ale clădirilor. In acest sens, Fascicola 6. 1. tratează aspectele de bază privind principiile care stau la baza conceperii unei instalaţii de legare la pământ într-o reţea de distribuţie a energiei electrice iar Fascicola 6. 3. 1. prezintă bazele teoretice pentru calculul şi proiectarea acesteia. Se constată de la bun început că în prezent, legarea la pământ a instalaţiilor şi echipamentelor reprezintă o problemă interdisciplinară ce depăşeşte graniţele mai multor domenii tehnice implicate în construcţia şi echiparea clădirilor moderne, civile sau industriale.

In general, o instalaţie de legare la pământ trebuie să satisfacă trei cerinţe legate de: • Lovituri de trăsnet şi scurtcircuit: instalaţia de legare la pământ trebuie să protejeze ocupanţii, să prevină evenimente precum incendii, conturnări sau explozii provocate de loviturile directe de trăsnet şi supraîncălziri provocate de curenţii de scurtcircuit; • Securitate: instalaţia de legare la pământ trebuie să conducă trăsnetul şi curenţii de scurtcircuit fără a determina apariţia unor valori inadmisibile ale tensiunilor de pas şi de atingere; • Protecţia echipamentului şi disponibilitate: instalaţia de legare la pământ trebuie să protejeze echipamentele electronice prin asigurarea unei căi de impedanţă redusă care să le interconecteze. Alegerea corectă a traseelor şi zonării amplasamentelor şi ecranarea corespunzătoare sunt aspecte importante în scopul evitării interferenţelor dintre sursele de perturbaţii şi echipamentele electrice în funcţiune.

Scopul iniţial al legării la pământ de protecţie a fost de a asigura securitatea persoanelor şi bunurilor în zona deservită de instalaţia de legare la pământ. Aceasta necesită existenţa unei căi de curent cu o capacitate mare de transport şi cu o impedanţă relativ scăzută la frecvenţa fundamentală astfel încât tensiunile apărute în regimuri de scurtcircuit sau alte tipuri de defecte să nu fie periculoase. Problemele apar în momentul în care la această instalaţie se racordează diferite echipamente. In această situaţie, trebuie să se asigure o legare funcţională la pământ a echipamentelor care operează în sistem; ca urmare, instalaţia de legare la pământ reprezintă o cale de trecere pentru curenţii de dispersie (la frecvenţa fundamentală) şi curenţii de perturbatori de înaltă frecvenţă provenind, spre exemplu, de la sursele în comutaţie prin intermediul filtrelor de interferenţă de radio-frecvenţă (RFI); pe de altă parte, ea trebuie să reprezinte şi potenţialul de referinţă pentru interfeţele de semnal.

Curenţii de înaltă frecvenţă pot deveni o problemă importantă dacă interesează funcţionalitatea sistemului. Multe dintre echipamentele care produc perturbaţii în instalaţia de legare la pământ sunt sensibile la aceste perturbaţii; există însă o diferenţă: echipamentele produc perturbaţii sub formă de curent dar sunt influenţate de tensiuni parazite. Acolo unde curenţii de zgomot pot fi conduşi la pământ fără a cauza căderi de tensiune importante, totul este în regulă. Aceasta impune o legare la pământ care o impedanţă scăzută la toate frecvenţele. Pentru reducerea perturbaţiei radiate, calea de legare la pământ pentru curentul perturbator trebuie să fie amplasată foarte aproape de conductoarele active. Merită subliniat că în acest context suntem mai preocupaţi de impedanţa conexiunii la instalaţia de legare la pământ, care reprezintă suprafaţa echipotenţială numită colocvial „masă”, decât de pământul fizic în sine. Această abordare este diferită faţă de contextul protecţiei de securitate şi contra trăsnetelor unde impedanţa de punere la pământ are o importanţă crucială.

In cazul sistemelor de calcul, pe măsura dezvoltării dispozitivelor microelectronice şi a reducerii tensiunii de lucru, energia necesară comutării stărilor logice şi imunitatea la tensiuni parazite au scăzut, făcând aceste dispozitive mult mai sensibile la perturbaţii. Efectele acestei tendinţe au fost contrabalansate prin îmbunătăţiri în proiectarea sistemului, cu scopul creşterii imunităţii la zgomote. Aceste măsuri includ utilizarea interfeţelor diferenţiale şi o proiectare îngrijită a părţii software, de exemplu utilizarea în reţele a protocoalelor de detectare şi corectare a erorilor. Aceste tehnici sunt foarte eficiente dar reduc traficul în reţea prin transmiterea unor date redundante (controlul erorii) şi necesitatea retransmiterii pachetelor de date conţinând erori. Pe măsură ce perturbaţiile electrice cresc, rata erorilor creşte şi ea, şi traficul descreşte până când comunicarea utilă încetează cu totul. Pentru utilizator, aceasta echivalează cu o cădere bruscă a sistemului; în realitate, acesta a fost doar afectat într-o măsură atât de mare încât mecanismele de regenerare prevăzute în acest scop nu mai fac faţă. Dacă perturbaţia electrică poate fi redusă la un nivel suficient de mic, rata erorilor se va reduce şi ea şi transmisia datelor va fi din nou posibilă. Niveluri ridicate ale zgomotelor reduc traficul prin necesitatea transmiterii repetate a datelor şi reduc randamentul.

Sarcina de a funcţiona ca tensiune de referinţă astfel încât echipamentele interconectate să poată funcţiona corespunzător impune pentru conductorul de protecţie o impedanţă scăzută pentru un spectru larg de frecvenţe. In acest caz, preocuparea este ca întreaga instalaţie de legare la pământ, reprezentată prin conductorul de protecţie, să funcţioneze ca o suprafaţă echipotenţială; cu alte cuvinte, pentru întregul spectru de frecvenţe şi pe întreaga suprafaţă a clădirii, diferenţa de potenţial dintre oricare două puncte trebuie să fie zero. In termeni practici, aceasta nu înseamnă ca diferenţa de potenţial să fie neapărat zero; ea trebuie însă să fie suficient de mică pentru a nu cauza nici o funcţionare necorespunzătoare a echipamentelor instalate. Multe interfeţe de semnal utilizează niveluri de tensiune diferenţială (interfeţele de reţea RS 485) şi sunt insensibile la diferenţe relativ mari (câţiva volţi) ale tensiunii de referinţă. O serie de interfeţe mai vechi, precum variantele RS 232 utilizate în modemuri şi IEEE 1284 folosite la imprimante, funcţionează cu referinţă la masă şi sunt mai sensibile.

In ceea ce priveşte protecţia împotriva trăsnetului, în scopul limitării daunelor cauzate de o lovitură directă asupra unei structuri, trebuie asigurată o cale de impedanţă scăzută între vârful structurii şi pământ. La nivelul solului, instalaţia de paratrăsnet este racordată direct la priza de pământ şi la restul instalaţiei de legare la pământ; la fiecare nivel, dar la intervale de cel mult 20 metri, conductoarele de coborâre vor fi conectate la instalaţia de legare la pământ a clădirii. Scopul este de a asigura existenţa unei cuşti Faraday în jurul clădirii constând din reţeaua externă a conductoarelor verticale şi a conexiunilor orizontale la fiecare etaj, stabilind astfel o zonă locală „echipotenţială” la fiecare nivel. In ingineria electrotehnică clasică se utilizau instalaţii de legare la pământ separate, de exemplu pentru transmisia semnalelor, sistemele de calcul, instalaţiile de forţă, instalaţiile de paratrăsnet etc. In prezent, au fost acceptate noi puncte de vedere în privinţa legării la pământ şi la masă şi a corelării acestora cu protecţia echipamentelor. Conceptul existenţei unor instalaţii separate de legare la pământ a fost abandonat iar acum standardele internaţionale prescriu o instalaţie generală de legare la pămînt.

Conceptul legării unice la pământ înseamnă, în practică, realizarea interconectării conductoarelor de legare la pămât de protecţie (PE), a conductoarelor paralele pentru legarea la pământ, a panourilor metalice, a armăturilor şi a ecranelor pentru cabluri de forţă sau date. De asemenea, elementele metalice ale construcţiilor şi conductele de apă sau gaz sunt părţi ale acestui sistem. In mod ideal, toate cablurile care pătrund într-o zonă trebuie să intre printr-un singur punct la care sunt conectate toate ecranele şi alte conductoare de pământare. In concluzie, satisfacerea tuturor condiţiilor impuse unei instalaţii de legare la pământ presupune abordarea atentă a diferitelor aspecte legate de securitatea personalului şi funcţionalitatea echipamentelor existente; din punct de vedere constructiv, trebuie realizată o priză de pământ complexă iar conductoarele de legătură şi ramificaţie să satisfacă condiţiile de material şi amplasare specificate. Este important de subliniat că, de obicei, este mai bine şi mai ieftin ca instalaţia să fie proiectată corect de la început, luând în considerare durata de viaţă a clădirii şi, pe cât posibil, potenţialele utilizări viitoare; refacerea acesteia după ce clădirea a fost ocupată reprezintă întotdeauna un exerciţiu costisitor.

In Fascicola 6. 3. 1. se definesc principalele mărimi care intervin în studiul şi proiectarea unei instalaţii de legare la pământ, insistânduse asupra proprietăţilor electrice ale solului, a distribuţiei potenţialelor la suprafaţa solului şi a tensiunilor de atingere şi de pas. Analiza este realizată din perspectiva securităţii persoanelor în zona prizei de pământ, prezentându-se o analiză comparativă a comportării prizelor verticale, respectiv orizontale; se subliniază că prizele verticale au o distribuţie mai nefavorabilă a potenţialului la suprafaţa solului în timp ce prizele orizontale multiple asigură o distribuţie mult mai plată.