9

Cap. 1. PROBLEMATICA CALITII ENERGIEI ELECTRICE LA CONSUMATORI

Utilizarea pe scar larg a energiei electrice a adus dup sine preocupri legate de calitatea la care aceasta este furnizat consumatorilor. n prezent se constat o revigorare a interesului pentru acest domeniu datorit schimbrii profilului consumatorilor3 cauzat de introducerea pe scar mare a echipamentelor i tehnologiilor bazate pe electronica de putere, dar i datorit creterii sensibilitii receptoarelor la perturbaiile din sistemul de alimentare a acestora.

1.1 Calitatea energiei electrice din perspectiva relaiei furnizor-consumator n economia de pia

n prezent, n contextul liberalizrii pieei de energie, este unanim acceptat faptul c energia electric este un produs ca oricare altul, utilizat de diveri consumatori, de la cei industriali (mai puini, dar cu o pondere a consumurilor foarte mare) pn la cei casnici, caracterizai prin receptoare de putere relativ mic, dar foarte numeroi. Acest produs este furnizat consumatorilor la anumii parametri, a cror valori se pot considera c determin calitatea4 acesteia.

Termenul de calitate a energiei electrice (Power Quality) a fost propus de IEEE (SUA) i preluat n literatura de specialitate de limb englez. Calitatea energiei electrice, conform IEEE reprezint conceptul alimentrii i legrii la pmnt a echipamentelor sensibile, ntr-un mod care s permit funcionarea corect a acestora [Bol99]. ns n prezent, termenul este utilizat ntr-un sens mult mai larg, referindu-se att la abaterile parametrilor energiei electrice de la valorile nominale, la problema polurii armonice, generate de sarcinile neliniare, ct i la alte tipuri de perturbaii electromagnetice.

Totui este necesar a se meniona c sintagma de calitate a energiei electrice nu este unanim acceptat i utilizat pe plan mondial, existnd n prezent mai muli termeni folosii pentru a descrie relaia furnizor de energie electric - utilizator, inclusiv influenele reciproce. Dintre acetia, Comisia Internaional de Electrotehnic (CEI), l promoveaz pe acela de compatibilitate electromagnetic (CEM), termenul fiind preluat de toate rile afiliate la acest organism. [Chi03].

3 n conformitate cu datele fumizate de Electric Power Research Institute (EPRI - S.U.A.), echipamentele electronice consumau, n anul 1996, (35 - 40)% din energia total total, ponderea crescnd la 60-70%, n ultimul deceniu. 4 Conform International Standard Organisation (ISO) calitatea reprezint totalitatea caracteristicilor i a particularitilor unui produs sau serviciu, care concretizeaz aptitudinea de a rspunde la necesiti poteniale sau exprimate ale utilizatorului;

10

1.1.1 Compatibilitatea electromagnetic

Conform CEI, pentru compatibilitatea electromagnetic s-a adoptat urmtoarea definiie: abilitatea unui element al unui echipament sau a unui sistem de a funciona satisfctor n mediul su electromagnetic fr a produce perturbaii electromagnetice

intolerabile pentru orice se gsete n acest mediu [Ion298], [Bol99], [Ase05]. Compatibilitatea electromagnetic poate fi privit din dou perspective: din cea a

consumatorului, respectiv cea a reelei de alimentare. Privind aspectul CEM din punctul de vedere al consumatorului, putem observa c

echipamentele consumatorilor funcionnd n reea produc perturbaii n reea, iar perturbaiile rezultate afecteaz buna funcionare a altor echipamente din reea. Pentru a asigura compatibilitatea este necesar s se controleze nivelul maxim de perturbaii care poate exista n orice punct al reelei i s se stabileasc un nivel de perturbaie la care orice element al echipamentului va fi imun.

Din cea de a doua perspectiv se observ c reeaua este foarte mare i departe de a fi omogen; de exemplu impedana n punctul comun de conectare (PCC) depinde de structura i rigiditatea reelei locale, iar densitatea de echipamente variaz foarte mult. Fiecare element al unui echipament produce unele perturbaii care se sumeaz ntr-un anumit fel cu cele provenind de la alte echipamente. Standardele de echipamente sunt concepute pentru a asigura c: - nivelurile de emisie ale fiecrei clase de echipamente sunt de aa natur nct

conectarea echipamentelor la reea s nu creasc excesiv nivelul general de perturbaie;

- echipamentele nu vor fi susceptibile la nivelul de perturbaii care sunt probabile n reea.

n literatura de specialitate [Chi03], [Ase05], sunt precizai i definii o serie de parametrii care trebuie specificai i controlai: - nivelul de emisie (EL- emission level) nivelul unei perturbaii electromagnetice

(PEM) de form dat, emis de un anumit dispozitiv, echipament sau sistem i msurat ntr-un mod specificat. Valoarea acestuia depinde n principal de doi factori: caracteristicile echipamentelor, inclusiv variantele inerente n echipamentele produse n serie i caracteristicile reelei de alimentare n punctul de racordare. Cu toate c echipamentul este proiectat i fabricat n conformitate cu un standard (care are incluse nivelul perturbaiilor permise), componentele individuale ale echipamentelor produse n serie vor avea inevitabil mici diferene n ceea ce privete emisia lor de perturbaii. Echipamentul este testat ca tip pentru a asigura c el satisface cerinele din standarde, dar variaiile n componente i n detaliile unei exacte asamblri vor conduce la mici variaii n nivelul de emisie. Aceasta implic faptul c nivelul de perturbaie produs de diferitele exemplare ale unui acelai tip de echipament ntr-o aceeai reea va fi diferit. Deoarece multe perturbaii se manifest ca variaii sau distorsiuni ale curentului produs de echipament, perturbaia rezultat, msurat ca perturbaie pe curba de tensiune, va depinde de impedana reelei de alimentare, exprimat uneori prin puterea de scurtcircuit.

- nivelul de imunitate (IL - immunity level) nivelul maxim al unei PEM de form dat, aplicat unui anumit dispozitiv, echipament sau sistem, pentru care acesta rmne capabil s funcioneze la un grad prescris de performan. Orice element al

11

unui echipament este proiectat i realizat dup un standard care cere s fie imun la perturbaii sub un anumit nivel. n practic, imunitatea echipamentului la perturbaii este afectat de muli ali factori. De exemplu, toleranele componentelor i detaliile unei asamblri exacte vor afecta nivelul de imunitate relativ la probele test i condiiile de instalare, de asemenea, lungimea cablurilor i modul de legare la pmnt, pot s introduc variaii. Ca rezultat, nivelul de imunitate al echipamentului poate fi distribuit statistic.

- nivelul de compatibilitate (CL - compatibility level) nivel maxim specificat al PEM la care este de ateptat s fie supus un dispozitiv, echipament sau sistem ce funcioneaz n anumite condiii. n practic, nivelul de compatibilitate nu este un nivel absolut, el putnd fi depit cu o mic probabilitate (normativele actuale indic valori care ar putea fi depite n cel mut 5% din cazuri; acestea se refer la o reea complet i se stabilesc pe baza repartiiilor statistice reprezentnd variaiile parametrilor att n timp ct i n spaiu. Rezerva de maximum 5% ine cont de faptul c un furnizor nu poate garanta nivelurile adoptate n toate punctele reelei i n orice moment). n timp ce specificarea valorii nivelului de compatibilitate este simpl, definirea standardelor de proiectare a echipamentului i a regulilor de planificare a reelelor care i vor permite acestuia s le respecte este o sarcin cu mult mai complex bazndu-se puternic (n principal) pe experiena de funcionare. Limita de emisie este o component a acesteia.

- limita de emisie (EL - emission limit) valoarea maxim specificat a nivelului de emisie a unei surse de PEM. De reinut c limita de emisie se aplic unei singure componente a unui echipament, n timp ce nivelul de compatibilitate se aplic ntregii reele. Limitele de emisie pot fi confirmate prin teste i echipamentul care nu corespunde trebuie eliminat. n practic, controlul acestui proces este lsat pieei, rmnnd fabricanilor s testeze atent proiectele lor i utilizatorilor s raporteze echipamentele care nu corespund. Limita de emisie este un nivel de perturbaie puin mai redus fa de nivelul de compatibilitate. Logica acestui fapt este c perturbaiile generate de toate sarcinile n sistem se sumeaz ntr-un mod complex pentru a rezulta nivelul global de perturbaie. Unele perturbaii, ca de exemplu curenii de armonica trei, se adun simplu aritmetic local dar apoi se atenueaz, de exemplu, trecnd prin nfurrile triunghi ale transformatoarelor. Alte armonice de curent tind s se compun ca sume de valori efective, dar i ele se atenueaz prin sumare cu cele care provin de la alte surse, datorit schimbrilor de faz care se produc cnd armonicele trec prin transformatoare i datorit efectelor inductivitilor i capacitilor reelei. Totui, local, pot fi creteri neateptate datorit efectelor de rezonan. Nivelurile de emisie sunt definite n valori absolute, de exemplu limita absolut a unui curent de o anumit armonic, diferit de nivelul de perturbaie al reelei, care este descris n termeni statistici. Corespondena dintre cele dou depinde de caracteristicile reelei i deriv din muli ani de experien de funcionare. Reglementatori i elaboratori de standarde au specificat limitele probabile de emisie ale echipamentului care ar aprea i care ar putea conduce la niveluri de perturbaie care nu vor depi nivelurile de compatibilitate impuse;

- limita de imunitate (I - immunity limit) valoare minim specificat a nivelului de imunitate. Limita de imunitate este determinat prin proiectare i este asigurat prin probele de tip, astfel nct vor fi mici variaii ntre elementele individuale realizate pe

12

baza aceluiai proiect. ntruct condiiile de instalare variaz, va exista o dispersie mult mai larg a performanelor ntre elementele similare din diferite instalaii. Va exista o distribuie a nivelurilor de imunitate ale echipamentelor n reea. Dac trebuie realizat o adevrat compatibilitate electromagnetic (CEM), 95% din distribuia nivelurilor de imunitate a echipamentelor instalate trebuie s fie sub nivelul de compatibilitate. Soluia ideal poate fi obinut, dnd o posibilitate de alegere raional pentru nivelul de compatibilitate, prin stabilirea unor standarde corecte pentru limitele de imunitate ale echipamentului i prin folosirea unei bune experiene de instalare.

- nivelul de planificare (PL - planning level) nivel al PEM, utilizat n scop de planificare, pentru a evalua impactul asupra reelei al sarcinii utilizatorilor. Nivelurile de planificare sunt inferioare nivelurilor de compatibilitate. pe de o parte deoarece sunt multe sarcini necunoscute n sistem (de exemplu consumuri casnice) care nu pot fi dect estimate i pe de alt parte deoarece problema este una statistic i reglementatorii sunt excesivi de prudeni.

ntre limitele acestor parametri se poate stabili o interdependen (Fig. 1.1). Nivelul de compatibilitate este fixat la un nivel de perturbaii care este mai mare

dect 95% din valorile msurate n ntregul sistem vreodat. Ca un rezultat, numai n 5% din cazuri nivelul de perturbaii in mediul analizat va depi nivelul de compatibilitate. Distribuia nivelului de perturbaii este astfel controlat nct numai 5% dintre valori sunt sub nivelul de compatibilitate. Nivelul de compatibilitate poate fi considerat ca un nivel de perturbaii care este depit numai n 5% dintre msurtorile din reea i la care numai 5% dintre echipamente vor fi sensibile. Numai cnd problema echipamentului este legat de problema amplasrii poate s apar probleme cu alte cuvinte cerinele de compatibilitate electromagnetic (CEM) vor fi ndeplinite n marea majoritatea cazurilor.

Fig. 1.1. Relaia dintre limita de emisie, limita de imunitate, nivelul de compatibilitate i nivelul de

planificare

n realitate, situaia este c, limitele de compatibilitate au fost stabilite prin standardele de proiectare utilizate de companiile de distribuie a energiei electrice i de faptul c echipamentul fabricanilor va fi acceptat pe pia dac este suficient de imun i se va comporta bine funcionnd mpreun cu alte echipamente. n prezent toate acestea sunt reglemantate.

13

1.1.2 Calitatea energiei electrice din perspectiva furnizorului i consumatorului

Energia electric este un produs cu un caracter deosebit deoarece trebuie s constituie un flux continuu ns nu poate fi stocat n cantiti mari i nu poate face subiectul unui control al calitii nainte de a fi utilizat. Aceasta trebuie livrat n punctul i la momentul n care se utilizeaz, de ctre un furnizor verificat i aprobat, fr cerine de verificare a calitii. Pentru succesul acestui lucru este necesar s existe un control bun al specificaiei componentelor, o ncredere absolut c furnizorul poate produce i furniza acest produs la timp, cunoaterea comportrii generale a produsului i a limitelor sale.

Un aspect important al calitii energiei electrice se refer la sigurana n alimentare i capacitatea de revenire la perturbaii. Desigur, n realitate, electricitatea este diferit de orice alt produs ea este generat departe de punctul de consum, reeaua este alimentat de un ansamblu de multe generatoare i ajunge la punctul de consum prin mai multe transformatoare i muli kilometri de linie aerian i posibil prin reea de cabluri subterane. n contextul economiei de pia, aceste reele devenind proprietate privat, managementul i mentenana cade n sarcina unui numr oarecare de organizaii. Asigurarea calitii energiei livrate n punctul de consum nu este o sarcin uoar, i n acelai timp nu exist nici o cale ca energia electric ce nu respect standardele s fie retras din lanul de alimentare sau refuzat de ctre consumator.

Din punctul de vedere al consumatorului problema este i mai dificil. Exist unele limite statistic admisibile pentru calitatea energiei electrice livrat, dar nivelul de calitate acceptabil perceput de furnizor (i de reglementatorul industrial) poate fi diferit de cel necesar, sau poate dorit de consumator. Defectele de calitate cele mai evidente sunt ntreruperile complete (care pot fi de la cteva secunde la cteva ore) i golurile de tensiune n care tensiunea atinge o valoare redus pentru scurt durat. Evident, ntreruperile de lung durat constituie o problem pentru toi consumatorii, dar multe operaii sunt foarte sensibile chiar i la ntreruperi foarte scurte.

O alimentare perfect cu energie electric este aceea care este ntotdeauna disponibil, ntotdeauna cu tensiunea i frecvena n limitele admisibile i cu o curb de tensiune perfect sinusoidal, fr zgomote. Nivelul exact al abaterilor de la alimentarea perfect, care pot fi admise, depinde de aplicaia utilizatorului, de tipul de echipament instalat i de percepia sa asupra condiiilor necesare.

Defectele alimentrii cu energie electric se ncadreaz n cinci categorii: - distorsiune armonic - ntreruperi (totale) - tensiune sub sau peste valorile admisibile - goluri i variaii - fenomene tranzitorii.

Fiecare dintre aceste probleme ale calitii energiei electrice are o alt cauz. Unele probleme sunt rezultatul partiionrii infrastructurii. De exemplu, un incident n reea poate conduce la un gol care s aib un efect asupra unor consumatori, iar un incident la un nivel mai ridicat poate afecta un numr mare de consumatori. Un incident n instalaiile unui consumator poate s conduc la un fenomen tranzitoriu care afecteaz toi ceilali consumatori conectai n acelai subsistem. Alte probleme, ca armonicile, apar din instalaiile proprii ale consumatorului i se pot propaga sau nu n reea i astfel s afecteze

14

i ali consumatori. Problemele legate de armonici pot fi eliminate printr-o combinaie a unei bune concepii a instalaiei i prevederea unor echipamente de limitare adecvate.

Furnizorii de energie electric argumenteaz c, consumatorii sensibili trebuie s suporte ei nsi costurile pentru asigurarea calitii energiei electrice n loc s atepte ca furnizorii s asigure o alimentare foarte sigur pentru fiecare consumator din orice punct al reelei. Garantarea unei astfel de caliti a alimentrii ar cere investiii deosebit de mari n reea n beneficiul unui numr relativ redus de consumatori (ca numr, nu din punct de vedere al consumului) i ar fi ne-economic. Este deci responsabilitatea consumatorului s ia msuri s se asigure c energia livrat pentru procesul su are o calitate suficient de bun, fiind contient ns de faptul c alimentarea ar putea avea o calitate mult mai ridicat dect cea livrat instalaiei de ctre furnizor. Exist o varietate de soluii inginereti - una fiind abordat n lucrarea de fa - capabile s elimine sau s reduc efectele problemelor de calitate.

Dac majoritatea golurilor de tensiune i a ntreruperilor i au originea n sistemul de transport i distribuie i sunt n responsabilitatea furnizorului, problemele precum cea a armonicilor sunt n principal n responsabilitatea consumatorului. Curenii armonici creeaz probleme n instalaii i cnd aceti cureni circul napoi prin impedana cii de alimentare, n punctul comun de cuplare (PCC) apare o tensiune armonic. Aceast distorsiune a tensiunii, sau cel puin unele din componentele ei, sunt transmise n ntreg sistemul i se sumeaz cu fondul de armonici de tensiune, prezent n orice sistem de transport.

Limitnd curenii armonici pe care consumatorii i pot emite, se poate menine nivelul de distorsiune a tensiunii la alimentare n limite acceptabile.

Determinarea sursei de armonici poate fi dificil i acest lucru determin adesea consumatorul s acuze furnizorul pentru aceast problem. n fapt, este neuzual ca problemele datorate armonicilor s apar ntr-o instalaie din cauze externe cauza este cel mai adesea datorit echipamentelor locale i a modului lor de utilizare.

Perturbaiile tranzitorii sunt evenimente cu o frecven ridicat cu o durat mult mai mic dect o perioad a tensiunii de alimentare. Cauzele includ comutaii sau cderi de trsnete n reea precum i comutaii ale sarcinii reactive la consumator sau la ali consumatori conectai pe acelai circuit. Perturbaiile tranzitorii pot avea amplitudini de cteva mii de voli i pot cauza deteriorri serioase att instalaiei ct i echipamentelor conectate la aceasta. Limitarea perturbaiilor tranzitorii periculoase cad n sarcina furnizorului de energie electric

Aspectele privind calitatea energiei electrice pun proiectanilor multe probleme, probabil cea mai important fiind Ct de bun este destul de bun?. La aceast ntrebare este imposibil de rspuns. Dac este relativ simplu s se cuantifice comportarea unui anumit element al unui echipament la golurile de tensiune, determinarea incidenei unui probabil gol de tensiune ntr-o anumit locaie, n sistemul de alimentare, este cu mult mai dificil; situaia se va modifica n timp, pe msur ce se vor aduga noi consumatori i unii existeni vor fi nlocuii. Este extrem de greu s se colecteze date mediate privind sensibilitatea echipamentului la distorsiunea armonic de tensiune i chiar la distorsiunea armonic de curent cauzate de echipament. Problema real este de compatibilitate ntre echipament i alimentare.

Exist n prezent standarde internaionale care fixeaz limitele pentru variaiile de tensiune i distorsiune armonic sub care echipamentele ar trebui s funcioneze fr

15

eroare. Similar exist limite standardizate pentru variaiile de tensiune i distorsiunea armonic pentru tensiunea de alimentare. Ideal, ar trebui s existe o band de rezerv o limit de siguran ntre cele dou limite dar, deoarece este greu de msurat continuu calitatea alimentrii, limitele pentru alimentare sunt date n termeni statistici i nu ca limite fixe.

Asigurarea unei caliti bune a energiei electrice necesit o proiectare iniial bun, echipamente de corectare eficiente, cooperarea cu furnizorul, monitorizarea frecvent i o mentenan bun. Cu alte cuvinte necesit o abordare complet i o bun nelegere a principiilor i a practicilor de mbuntire a calitii energiei electrice.

1.2 Indicatori de calitate ai energiei electrice

Calitatea energiei electrice n punctul de racordare a unui consumator este determinat att de calitatea energiei electrice asigurat de furnizorul de energie electric ct i deopotriv de caracteristicile de funcionare a consumatorului.

Pentru caracterizarea calitii energiei electrice la consumator n literatura de specialitate [Ari94], [Ion298], [Ign03], [Chi03] se definesc o serie de indicatori de calitate. Aceti indicatori pot fi grupai n [Alb05]: - calitatea curbei de tensiune (n comparaie cu una simetric, sinusoidal); - calitatea serviciului sau continuitatea n alimentare (n comparaie cu o alimentare fr

ntrerupere, de scurt sau lung durat) Indicatorii care reflect calitatea curbei de tensiune putem s-i grupm n:

- indicatori de calitate privind abaterile parametrilor energiei electrice de la valorile nominale;

- indicatori ai nivelului fenomenelor deformante; Abaterile acestor indicatori de la valorile admisibile conduc la pagube att

consumatorului ct i sistemului electroenergetic. n cele ce urmeaz vor fi prezentai cei mai semnificativi indicatori.

1.2.1 Indicatori de calitate privind abaterile parametrilor energiei electrice de la valorile nominale

Energia electric furnizat unui consumator alimentat de la o reea electric trifazat este caracterizat prin urmtorii parametrii de calitate: - variaiile de tensiune - variaiile de frecven - nesimetria sistemelor trifazate de tensiune i curent.

n prezent, practic se constat existena unor abateri mai mari sau mai mici de la valorile ideale ale parametrilor definii ai energiei electrice. Problema care se pune, este de a determina valoarea acestor abateri, care abateri sunt admisibile i care sunt msurile (economic justificate) pentru meninerea abaterilor n limite admisibile. a) Variaiile de tensiune

Dup modul de producere variaiile de tensiune se mpart n: variaii lente, fluctuaii de tensiune i goluri de tensiune [Cio04].

Variaiile lente de tensiune pot fi periodice, datorate modificrii sarcinii n orele de vrf i de gol sau n zilele de srbtoare i de repaus, fie aleatoare, datorate unor sarcini importante. Ele se determin cu relaia:

16

[%]100n

n

U

UUU

= (1.1)

unde: U este valoarea eficace a tensiunii msurate n punctul considerat, iar Un este tensiunea nominal a reelei. Depirea abaterilor maxime admisibile ale tensiunii determin efecte negative n funcionarea receptoarelor de iluminat respectiv for.

Fluctuaiile de tensiune reprezint diferena dintre valorile eficace ale tensiunilor maxime i minime ntr-un interval de timp, conform relaiei:

[%]100minmaxn

FU

UUV

= (1.2)

Aceste fluctuaii cu caracter ciclic, de gradient U/t>1 [%/sec], se datoresc funcionrii intermitente sau cu ocuri de putere reactiv a unor receptoare precum: aparate de sudur, ascensoare, pompe, laminatoare, cuptoare cu arc electric, etc.

Fluctuaiile de tensiune perturb funcionarea receptoarelor audio-video i a altor receptoare electronice, precum i variaia n domeniul vizibil a fluxului luminos emis de corpurile de iluminat (efect de flicker).

Golurile de tensiune reprezint scderea sensibil a valorii eficace a tensiunii reelei (pn la cca. 0,2U) i o durat (cel mult 3 secunde), depinznd de performanele instalaiilor de automatizare RAR i AAR.

Cauzele golurilor de tensiune pot fi: naturale (descrcri atmosferice, furtun, viscol) sau de natur subiectiv (uzura materialelor, greeli de manevr, conectarea unor motoare cu cureni mari de pornire).

Golurile de tensiune provoac urmtoarele efecte: - pierderea stabilitii funcionrii motoarelor electrice ; - creterea solicitrii termice la redresoarele cu tiristoare; - creterea solicitrilor electrodinamice datorate ocurilor de curent; - ieirea din funciune a calculatoarelor i instalaiilor de automatizare; - stingerea lmpilor cu vapori de mercur sau de sodiu de nalt presiune i reintrarea n

funciune dup cca. 8-10 minute. - etc. b) Variaiile de frecven

n regim normal de funcionare variaia frecvenei este determinat de inegalitaea temporar ntre puterea activ produs i cea consumat. Variaiile admise de frecven trebuiesc meninute la limitele de 49,5 50,5 Hz pe seama aciunii continue a regulatoarelor automate de frecven (RAF) cu care sunt echipate unele generatoare (reglante) dintr-un sistem electromagnetic [Zr03]. n prezent, reglementrile actuale5 precizeaz c frecvena n 95% din sptmn trebuie s se ncadreze n banda 50Hz1% i n 100% din sptmn, n banda 50Hz4% pn la 50Hz6% [Ign03].

Abaterile de frecven care depesc limitele admise au efecte negative asupra sistemelor de calcul, acionrilor electrice i condensatoarelor astfel: - creterea cuplului critic i a alunecrii critice la scderea frecvenei tebsiunii de

alimentare a motorului asincron; - creterea pierderilor n fierul statoric la creterea frecvenei; - reducerea puterii reactive a bateriei de condensatoare la scderea frecvenei;

5 conform SR EN 50160

17

- suprasolicitarea la frecven mai redus prin creterea impedanei filtrului. c) Nesimetria sistemelor trifazate de tensiune i curent

Nesimetria n instalaiile electrice se datoreaz impedanelor dezechilibrate ale unor receptori cum ar fi: cuptoarele cu arc electric, traciunea electric, transformatoare de sudur, receptoare de iluminat.

Regimul nesimetric se caracterizeaz prin urmtorii indicatori [Iec04], [Cio04]: - coeficientul de disimetrie I, definit ca raportul dintre componenta invers i

componenta direct a tensiunii sau curentului:

d

i

iV

V= (1.3)

- coeficientul de nesimetrie a tensiunii h, reprezentnd raportul dintre componenta invers a tensiunii i tensiunea nominal de faz a reelei:

fnf

i

hU

UaUaU

U

U

3

322

1 ++== (1.4)

- coeficientul de dezechilibru 0 definit ca raportul dintre componenta homopolar a tensiunii i tensiunea nominal pe faz a reelei:

fnf

i

hU

UUU

U

U

3

321 ++== (1.5)

Efectele regimurilor nesimetria se concretizeaz n: - creterea pierderilor n cuprul motoarelor; - scderea factorului de putere echivalent; - nclzirea suplimentar, diminuarea cuplului util, randamentului i a vibraiilor la

motorul asincron; - creterea nesimetriei bateriilor de condensatoare racordate la reeaua nesimetric,

puterea reactiv fiind impus de sarcina fazei mai ncrcate.

1.2.2 Indicatori ai nivelului fenomenelor deformante

Pentru analiza regimului deformant trebuie determinai un numr relativ mare de indicatori. n prezent nu exist un sistem unitar de utilizare a acestor indicatori, in acest sens diferite ri utilizeaz seturi diferite de indicatori evideniate n actele normative valabile n fiecare ar. n concordan cu recomandrile CEI, se specific numai ordinul armonicii, ponderea acesteia i factorul de distorsiune pentru tensiuni i/sau curent electric [Chi03].

Indicatorii pentru evidenierea nivelului fenomenelor deformante pot fi grupai n dou categorii: - indicatori pentru evidenierea fenomenelor negative asociate efectelor cvasiinstantanee

ale regimului deformant; - indicatori care corespund punerii n eviden a efectelor negative cauzate de durata de

persisten a regimului deformant.

18

1.2.2.1 Ponderea (nivelul) armonicii (n)

Pentru o armonic de rang n, nivelul armonicii este raportul exprimat n procente, dintre valoarea efectiv a armonicii considerate (Yn) i valoarea efectiv a armonicii fundamentale a undei (Y1):

[%]1001Y

Ynny = (1.6)

adic

[%]1001U

U nnu = (1.7)

pentru curba de tensiune i

[%]1001I

I nni = (1.8)

pentru curba de curent Indicatorul ponderea armonicii este util n analiza funcionrii filtrelor, a bateriilor

de condensatoare, etc.

1.2.2.2 Factorul de distorsiune ()

Factorul de distorsiune al unei curbe nesinusoidale n conformitate cu standardele romne i internaionale [Ren93], [Sre98], i [Iec02] se definete ca raportul, exprimat n procente, dintre reziduul deformant Yd al valorii efective corespunztoare armonicilor superioare i valoarea efectiv a curbei fundamentale Y1. Rezult deci:

[%]1001001

2

2

1 U

U

U

U

N

n

n

du

=== (1.9)

pentru curba de tensiune respectiv:

[%]1001001

2

2

1 I

I

I

I

N

n

n

di

=== (1.10)

pentru curba de curent, normativele indicnd N=40 (sau n cazul altor standarde N=2050). Normele CEI i literatura internaional de limba englez denumete factorul de distorsiune al tensiunii drept Total distorsion factor i l noteaz cu D n timp ce n S.U.A. el se numete Total harmonic distorsion (factor total de distorsiune armonic) i se noteaz cu THD.

n practic se folosesc i alte expresii pentru factorul de distorsiune, cea mai uzual fiind:

[%]100Y

Yk dd = (1.11)

n care Yd este reziduul deformant iar Y este valoarea efectiv a curbei analizate (fr componenta continu). Relaiile de definiie evideniaz c poate avea valori cuprinse ntre 0 i pe cnd kd[0;1]. Se poate observa c utilizarea celor dou relaii la niveluri ridicate de poluare armonic conduc la rezultate mult diferite, ceea ce recomand aplicarea acestora cu atenie.

19

Factorul de distorsiune este util n analiza unor echipamente precum regulatoarele sau dispozitivele de control (sensibile la nivelul global de deformare) deoarece crete monoton n raport cu oricare dintre valorile efective ale armonicilor.

Studiile teoretice i determinrile experimentale au evideniat faptul c amplitudinea armonicilor descrete odat cu creterea rangului acestora. Pentru a ine cont de acest fenomen, se introduce factorul ponderat de distorsiune al curbei de tensiune [Chi03]:

[%]10012

2

=

= U

Unk n

n

d (1.12)

util n studiul funcionrii bateriilor de condensatoare alimentate cu tensiune nesinusoidal. O variant a acestei abordri, valabil pentru sursele de cureni armonici este factorul de distorsiune armonic parial ponderat, dat prin relaia:

[%]1001

40

14

=

= I

In n

n

IP (1.13)

Avnd n vedere c amplitudinea armonicilor poate varia n timp, trebuie s se in cont de durata de existen i de modificarea valorii acestora. Ca urmare n literatura de specialitate este propus urmtorul indicator:

[%]1001

0

40

14 1

=

=

n

nnIP dt

Y

Yk (1.14)

n care este durata de via a fenomenului iar kn un factor de ponderare care poate lua urmtoarele valori: - kn=1 n cazul nivelului global de deformare evaluat prin factorul de distorsiune al

tensiunii sau curentului; - kn=1/n n cazul mainilor rotative (cu neglijarea efectului pelicular); - kn=n n cazul condensatoarelor.

1.2.2.3 Factorul armonic

Factorul armonic FA al unei unde nesinusoidale se determin cu relaia:

nY

YFA

n

n 1

2

2

1

=

= (1.15)

semnificaia mrimilor fiind aceeai ca i n relaiile din anterioare.

1.2.2.4 Factorul de form

Factorul de form kf este raportul dintre valoarea efectiv Yef a mrimii i valoarea medie Ymed pe o perioad a modulului acesteia:

med

ef

fY

Yk = (1.16)

n cazul mrimilor periodice alternative simetrice (cazul sistemelor electrice), Ymed este valoarea medie a alternanei pozitive. Dac se utilizeaz forma dezvoltat a seriei Fourier, expresia factorului de form devine.

20

=

=

+

+

=

10

1

220

4

2

n

n

n

n

f

n

b

na

ba

k (1.17)

Datorit faptului c pentru curbe nesinusoidale cu spectre armonice diferite se poate obine aceeai valoare a lui kf, coeficientul de form nu ntrunete condiiile a fi utilizat ca indicator unic al regimului deformant.

1.2.2.5 Factorul de vrf

Factorul de vrf (de creast) eset raportul dintre valoare maxim (amplitudinea ymax a curbei nesinusoidale periodice) i valoarea efectiv Yef a acesteia:

ef

vY

yk max= (1.18)

Deoarece de interes este abaterea de la forma sinusoidal ideal, uneori se folosete noiunea de factor de vrf relativ; acesta reprezint raportul dintre coeficientul de vrf al curbei analizate i cel al undei sinusoidale. innd seama de faptul c pentru o curb sinusoidal 2=vk rezult:

2v

vr

kk = (1.19)

1.2.2.6 Factorul de deviaie

Factorul de deviaie kdev al unei curbe nesinusoidale se determin cu relaia:

=

=2 1k

kdev

Y

Yk (1.20)

1.2.3 Continuitatea n alimentare

ntreruperile n furnizarea energiei constituie o important component a calitii energiei electrice furnizate, deoarece acestea n funcie de caracteristicile receptorilor consumatorului se materializeaz n daune.

n prezent, stabilirea obiectiv a calitii serviciului de alimentare cu energie electric a consumatorilor se poate realiza prin monitorizare on-line cu echipamente performante. Pe baza msurtorilor multe companiile de transport i distribuie a anergiei electrice au adoptat o serie de indicatori de calitate ca de exemplu [Alb04]: CAIF - Indicatorul frecven medie de ntrerupere a consumatorului - i CAIDI - Indicatorul durat medie de ntrerupere a consumatorului.

Continuitatea n alimentare cu energie a consumatorilor, n punctul de delimitare se evalueaz prin relaia:

[%]100e

ne

T

TTC

= (1.21)

unde Te reprezint durata dintr-un an calendaristic, n care consumatorul solicit continuitatea deplin n alimentare; iar Tn reprezint durata probabil de nealimentare n perioada Te.

21

n [Anr299], n legtur cu continuitatea n alimentare a consumatorilor casnici se precizeaz ca furnizorul are obligaia s furnizeze energie electric n mod continuu, cu excepia perioadei pentru revizia i repararea instalaiilor energetice de distribuie, care se anun cu minimum 24 de ore nainte i a duratei de remediere a avariilor i deranjamentelor, n conformitate cu standardul de performan [Anr199] n care se precizeaz durata limit pentru sosirea echipei de intervenie n cazul mediului urban i rural.

n cazul consumatorilor care au receptori din categoria special (la care ntreruperea cu energie electric poate provoca explozii, incendii, distrugeri de utilaje pierderi de viei omeneti) literatura de specialitate menioneaz necesitatea prevederii acestora cu sisteme de alimentare constituite din ci de alimentare suplimentar sau cu subsisteme interne de alimentare realizate exclusiv de consumator [Ign03].

1.3 Concluzii

n prezent energia electric reprezint un produs utilizat de diveri consumatori, de la cei casnici, caracterizai prin puteri individuale relativ mici dar foarte numeroi, pn la cei industriali, mai puini, dar caracterizai prin consumuri mari. Spre deosebire de alte produse, energia electric are un caracter deosebit datorit faptului c trebuie livrat n flux continuu, ns nu poate fi stocat n cantiti mari i nu poate face subiectul unui control al calitii nainte de a fi utilizat. n acelai timp ns calitatea acestui produs nu depinde numai de furnizor ci poate fi influenat i de consumator. Dezvoltarea unor noi echipamente i tehnologii bazate pe electronic, n special cea de tip analog-digital, a adus dup sine beneficii prin funciunile i serviciile care le ofer, dar n acelai timp au un impact negativ asupra sistemului de distribuie prin creterea nivelului distorsiunii armonice.

Materialul prezentat n acest capitol constituie o punere n tem n ce privete calitatea energiei electrice prin definirea acestui concept, prezentarea modului cum aceasta este vzut i acceptat n standardele n vigoare, prin prezentarea principalilor indicatori de calitate utilizai.

Conceptul de calitate a energiei electrice este un termen utilizat pentru a descrie abaterile parametrilor energiei electrice de la valorile nominale, problema polurii armonice generate de sarcinile neliniare, sau alte tipuri de perturbaii electromagnetice. CEI i organismele afiliate, pentru descrierea relaiei furnizor de energie electric - consumator, inclusiv influenele reciproce promoveaz sintagma de compatibilitate electromagnetic (CEM) n loc de cel de calitate a energiei electrice.

Pentru asigurarea CEM, standardele actuale specific metodologiile de determinare i limitele nivelurilor de compatibilitate, niveluri ce pot fi atinse prin controlul unor parametri precum: nivelul de emisie, nivelul de imunitate, nivelul de compatibilitate, limita de emisie, limita de imunitate, nivelul de planificare.

n condiiile unei mari varieti a receptoarelor, a dimensiunilor i neomogenitii reelelor, asigurarea CEM se poate realiza prin controlul nivelului maxim de perturbaii care poate exista n orice punct al unei reele i stabilirea unui nivel de perturbaie la care orice echipament sau element al acestuia va fi imun. n aceast idee, s-au conceput standarde pentru echipamente care impun nivelurile de emisie ale fiecrei clase de receptoare astfel nct conectarea acestora s nu creasc excesiv nivelul general de

22

perturbaie, dar nici s nu devin susceptibile la nivelul de perturbaii care sunt probabile n reea.

n practic, limitele de compatibilitate au fost stabilite prin standardele de proiectare utilizate de companiile de distribuie a energiei electrice i prin acceptarea de ctre pia a echipamentelor fabricanilor care sunt suficient de imune i care se comporta bine funcionnd mpreun cu alte echipamente.

Dac unele limite statistic sunt percepute la un nivel acceptabil de ctre furnizorul de energie electric, poate fi diferit de cel necesar, sau dorit de consumator. n acest sens, pentru cuantificarea ntr-o form mai general a parametrilor de alimentare cu energie electric se poate apela la conceptul de calitate a energiei electrice din perspectiva consumatorului. Aceasta este pe deplin justificat avnd n vedere c, consumatorul poate participa att la degradarea parametrilor energiei electrice ct i la mbuntirea lor.

Avnd n vedere problematica calitii energiei electrice att din perspectiva furnizorului ct i a consumatorului, n acest capitol au fost analizate i sintetizate principalele probleme care o afecteaz. Defectele care pot afecta calitatea alimentrii cu energie electric au fost ncadrate n cinci categorii: distorsiunile armonice, ntreruperile totale ale alimentrii cu energie electric, depirea limitelor tensiunii electrice de alimentare, golurile i variaiile de tensiune i fenomenele tranzitorii, descriindu-se totodat cauzele acestora i msurile ce se impun a fi adoptate pentru prevenirea acestora.

Pentru caracterizarea calitii energiei electrice s-a apelat la o serie de indicatori de calitate care au fost grupai n dou categorii: - calitatea curbei tensiunii i curentului; - calitatea serviciului.

n aceast lucrare indicatorii care reflect calitatea curbei de tensiune i curent au fost grupai i prezentai n dou subcategorii: - indicatori de calitate care privesc abaterile parametrilor energiei electrice de la valorile nominale - indicatori ai nivelului fenomenelor deformante.

Aceast grupare este pe deplin justificat avnd n vedere sfera de utilizare a acestor indicatori n caracterizarea calitii alimentrii cu energie a consumatorilor i a msurilor ce se impun a fi luate pentru ameliorarea acesteia.