Universitatea Maritim Constana

1 Calitatea energiei electrice

Cursul 5

5.4. Indicatori i norme pentru impulsuri de tensiune (supratensiuni)

Prin impuls de tensiune se nelege o cretere brusc a tensiunii, pe un interval de timp de la cteva microsecunde la zeci de milisecunde, dup care urmeaz restabilirea tensiunii la nivelul iniial. Problema considerrii unor indicatori privind impulsurile de tensiune printre indicatorii calitii energiei electrice este deocamdat mai puin studiat. Supratensiunile sunt abordate n legtur cu probleme de alegere i coordonare a izolaiei, avnd drept scop reducerea deteriorrilor provocate de solicitrile dielectrice aplicate echipamentelor electrice i deci creterea siguranei n funcionare a instalaiilor. Un echipament electric este proiectat, din punct de vedere al izolaiei, s funcioneze la o tensiune maxim admisibil, care este cea mai mare valoare efectiv a tensiunii ntre faze pentru care este proiectat s funcioneze echipamentul din punct de vedere al izolaiei acestuia i al altor caracteristici care pot fi legate de aceast tensiune. Aceast tensiune trebuie ns s fie cel puin egal cu valoarea maxim a tensiunii de serviciu a reelei n care va fi utilizat echipamentul, n condiii normale de exploatare. Supratensiunile care apar ntr-un punct al reelei pot fi:

de trsnet: care apar datorit unei descrcri atmosferice sau a unei alte cauze fiind de obicei de o singur polaritate i de durat foarte scurt (au amplitudinea de ordinul miilor de kV i durata de ordinul microsecundelor,

de comutaie: care apar datorit unei operaii de comutare, a unui defect sau a altor cauze fiind d obicei puternic amortizate (de 1,5-3 ori valoarea de vrf a tensiunii de linie sau de faz) i de scurt durat (jumtate de und la frecvena reelei),

temporare: care sunt provocate de comutaii (deconectarea brusc a unei sarcini importante), de apariia unor defecte (de exemplu monofazate) sau de unele fenomene neliniare (ferorezonan, armonici) fiind oscilai neamortizate sau slab amortizate faz-pmnt sau ntre faze, cu durat relativ mare.

Supratensiunile fiind ntotdeauna fenomene tranzitorii, ele se pot mprii n dou categorii: puternic amortizate i de durat relativ scurt, neamortizate sau slab amortizate i de durat relativ lung.

Supratensiunile se pot datora unor fenomene atmosferice sau unor manevre de comutaie pe partea furnizorului a cror valoare depind de caracteristicile tehnice ale descrctoarelor i de distana dintre echipamentul studiat i descrctoare sau au sediul n instalaiile utilizatorului fiind provocate de condiii meteorologice locale, de comutaia unor sarcini sau de eliminarea unui defect putnd avea valori destul de nsemnate. Printre indicatorii de apreciere a supratensiunilor, n scopul studierii coordonrii izolaiei, se numr:

valoarea n uniti relative a supratensiunii faz pmnt: care reprezint raportul dintre valoarea de vrf a unei supratensiuni ntre faz i pmnt i valoarea tensiunii faz pmnt, corespunztoare tensiunii celei mai ridicate a reelei,

valoarea n uniti relative a supratensiunii ntre faze : care reprezint raportul dintre valoarea de vrf a unei supratensiuni ntre faze i valoarea tensiunii faz pmnt, corespunztoare tensiunii celei mai ridicate a reelei.

Universitatea Maritim Constana

2 Calitatea energiei electrice

Unii autori consider c normarea unor indicatori pentru impulsurile de tensiune i mai ales garantarea lor n punctele de livrare nu este posibil fiindc:

nu exist suficiente date cu privire la impulsurile de tensiune (mai ales pentru reele aeriene de 0,4 kV), iar datele existente nu sunt suficient de reprezentative pentru a constitui o baz de normare,

impulsurile de tensiune garantate la punctul de livrare a energiei electrice nu pot fi mai mici ca tensiunea de strpungere a descrctorului, iar normele determinate de rigiditatea dielectric a izolaiei nu pot fi eficient utilizate pentru aprecierea calitii energiei electrice.

Exemplu: impulsurile de trsnet n reelele aeriene de 220/380 V sunt limitate de descrctoare la 10 12 kV, iar cele de comutaie la 4,5 kV n timp ce compatibilitatea electromagnetic a unor echipamente electronice se asigur pentru impulsuri de cel mult 500 1000 V, valori care nu pot fi garantate de furnizor, deci nu pot fi nscrise ntr-un standard al calitii energiei electrice, dar nici frecvena impulsurilor de trsnet nu poate fi normat.

5.5. Indicatori i valori normate pentru aprecierea nesimetriei unui sistem trifazat de tensiuni

Regimul nesimetric poate fi: temporar, produs de defecte ca de exemplu scurtcircuite nesimetrice, funcionarea n

dou faze a liniilor electrice aeriene, permanent, produs de

sarcinile dezechilibrate pe cele trei faze ale reelei de alimentare de curent alternativ trifazat,

receptoarele monofazate, receptoare trifazate (cuptoare electrice cu arc), nesimetria impedanelor reelelor electrice pe cele trei faze.

Cele mai rspndite metode pentru calculul regimurilor trifazate nesimetrice ale unor circuite liniare sunt cele care utilizeaz ca mrimi de calcul auxiliare componentele simetrice. Controlul calitii energiei electrice ntr-un anumit nod al sistemului electroenergetic presupune estimarea unor indicatori ai regimului nesimetric n nodul respectiv i compararea acestora cu valori normate.

5.5.1. Indicatori pentru aprecierea regimurilor nesimetrice n majoritatea rilor, nesimetria unui sistem trifazat de tensiune se apreciaz prin coeficieni care exprim procentual raportul dintre componenta de succesiune (secven) invers i/sau homopolar a tensiunii, pe de o parte i tensiunea nominal sau componenta de succesiune direct, pe de alt parte. 5.5.1.1. Coeficieni de disimetrie i asimetrie Conform normelor CEI, de care s-a inut seama i la elaborarea normelor romneti, caracterizarea mrimilor nesimetrice ntr-un nod al sistemului electroenergetic se face cu urmtorii indicatori:

coeficientul de disimetrie

d

id A

Ak = , (5.19)

Universitatea Maritim Constana

3 Calitatea energiei electrice

unde Ai reprezint componenta de succesiune invers (denumit n unele norme de secven negativ) a tensiunii sau a curentului, iar Ad este componenta de succesiune direct (denumit n unele norme de secven pozitiv) a tensiunii/a curentului. Estimarea coeficientului de disimetrie se poate face prin msurtori sau se pot folosi relaii aproximative. Pentru nodurile n care se racordeaz consumatori monofazai i care sunt relativ deprtate de generatoare electrice de mare putere (deci pentru reelede medie tensiune) se poate folosi relaia aproximativ:

[ ]%100100sc

Nmf

d

id S

SUU

k = , (5.20)

unde SNmf reprezint puterea nominal a sarcinii monofazate, iar Ssc - puterea de scurtcircuit trifazat a reelei n nodul de racordare a sarcinii monofazate. Dezechilibrul tensiunilor poate fi msurat cu trei voltmetre, care transmit informaii la un calculator numeric. Conform recomandrilor internaionale, msurtorile de evaluare a indicatorilor de calitate a energiei electrice pot fi efectuate la urmtoarele intervale de timp:

interval foarte scurt (very short interval), TVS=3 secunde, interval scurt (short interval), TSH=10 minute, interval lung (long interval) , TL=1 or, zilnic (one day interval), TD=24 ore, sptmnal (one week interval), TWk=7 zile.

Pentru aprecierea regimului nesimetric, pe fiecare interval de timp considerat, se msoar N valori ale coeficientului de disimetrie iar pe baza acestor date se determin valoarea medie ptratic a coeficientului de disimetrie, corespunztoare intervalului de timp considerat. n cazul cnd se apreciaz nesimetria unui sistem trifazat de tensiuni, coeficientul de disimetrie poate fi calculat pentru fiecare prelevare de date cu relaia :

631631

+

=dk , (5.21)

unde:

( )2222444

TRSTRS

TRSTRS

UUUUUU

++

++= , (5.22)

n care URS,UST,UTR sunt tensiunile ntre faze. Relaia (5.21) poate fi utilizat i pentru calculul nesimetriei unui sistem trifazat de cureni, nlocuind n relaia (5.22) tensiunile U prin curenii I corespunztori. Valoarea medie ptratic a coeficientului de disimetrie pentru intervalul de timp foarte scurt (3 secunde) se determin cu relaia:

( )N

kvsk

N

jdj

d

=

=1

2

. (5.23) Valoarea medie ptratic pe interval scurt ( )shkd , (10 minute), se calculeaz cu o relaie de forma celei (5.23), lund n considerare toate valorile ( )shkd , j, care au fost nregistrate pe durata de 10 minute.

Universitatea Maritim Constana

4 Calitatea energiei electrice

Cei mai importani indicatori care trebuie reinui la sfritul fiecrei zile sunt urmtorii: kd(vs) max, kd(sh) max valoarea cea mai mare dintre toate valorile medii

ptratice determinate pe intervale foarte scurte (3 sec), respectiv scurte (10 min), kd(vs)(95%) valoarea medie ptratic n intervalul de o zi, corespunztoare

probabilitii cumulate de 95% (adic valoarea care este depit numai n 5% din intervalele de 3 sec.),

kd(vs)(99%) - valoarea medie ptratic n intervalul de o zi, corespunztoare probabilitii cumulate de 99% (adic valoarea care este depit numai n 1% din intervalele de 3 sec.).

Estimarea nesimetriei tensiunii prin valoarea medie ptratic a indicatorilor de regim nesimetric este util doar pentru estimarea pierderilor medii de putere i energie datorate nesimetriilor i rspunde doar parial necesitii de evideniere a implicaiilor tehnico-economice ale nesimetriilor n instalaiile electriice.

Coeficientul de asimetrie

d

ha A

Ak = , (5.24)

unde Ad este componenta de succesiune direct (de secven pozitiv) a tensiunii sau a curentului, Ah este componenta de succesiune homopolar (de secven zero) a tensiunii sau a curentului. 5.5.1.2. Coeficienii de succesiune invers, respectiv homopolar n unele norme utilizate pentru aprecierea nesimetriei se definesc coeficienii de succesiune invers, respectiv homopolar, care se determin cu relaii asemntoare cu cele prezentate n paragraful anterior, dar difer modul de calcul.

a) Coeficientul de succesiune invers [ ]%100

N

ii U

Uk = , (5.25)

unde Ui reprezint valoarea efectiv [kV] a tensiunii de succesiune invers pentru frecvena fundamental a sistemului trifazat de tensiuni, UN valoarea nominal a tensiunii de linie a reelei, n kV. Calculul valorii efective a tensiunii de succesiune invers se face cu relaia:

+

+

=

2222

222243

121

RS

TRSTRS

RS

TRSTSTRSi U

UUUU

UUUUU , (5.26.a)

sau, acceptnd o eroare de maxim 8%, cu relaia: minmax62,0 UUU i = , (5.26.b) n care URS,UST,UTR reprezint valorile efective ale tensiunii de linie de frecvena fundamentalei, n kV, Umax cea mai mare valoare efectiv a tensiunii de linie, dintre cele trei tensiuni de frecven fundamental, n kV, Umin cea mai mic valoare efectiv a tensiunii de linie, dintre cele trei tensiuni de frecven fundamental, n kV.

b) Coeficientul de succesiune homopolar n reele trifazate cu conductor neutru, acest coeficient se calculeaz cu relaia:

[ ]%100Nf

hh U

Uk = , (5.27)

Universitatea Maritim Constana

5 Calitatea energiei electrice

unde Uh reprezint valoarea efectiv a tensiunii de succesiune homopolar pentru frecvena fundamental, n kV, iar UNf valoarea nominal a tensiunii de faz a reelei, n kV. Pentru calculul valorii efective a tensiunii de succesiune homopolar se poate utiliza relaia:

22

61

hBhAh UUU += , (5.28.a) n care:

RS

RS

RS

TRSThA U

UUU

UUU2222

3 = ,

2222

2222 434

+

+

= RSRS

RSSRS

RS

TRSTSThB UU

UUUUU

UUUU ,

sau, acceptnd o eroare de maxim 10%, cu relaia: min,max,62,0 ffh UUU = , (5.28.b) unde: URS,UST i UTR reprezint valorile efective ale tensiunii de linie de frecven fundamental, n kV, UR, US i UT reprezint valorile efective ale tensiunii de faz de frecven fundamental, n kV, Uf,max cea mai mare valoare efectiv dintre cele trei tensiuni de faz de frecven fundamental, n kV, Uf,min cea mai mic valoare efectiv dintre cele trei tensiuni de faz de frecven fundamental, n kV.

5.5.2. Valori normate pentru nesimetrie Pentru limitarea efectelor negative ale nesimetriei sistemelor trifazate, n standarde i/sau prescripii, se indic valori maxime admisibile pentru unii dintre indicatori de apreciere a nesimetriei. Att n cazul normelor pentru regim nesimetric, ca i n cazul altor indicatori de calitate a tensiunii, trebuie precizat n mod obligatoriu punctul de valabilitate al normelor:

la bornele receptoarelor de un anumit tip, la punctul de delimitare a reelei furnizorului de cea a consumatorului de energie electric, n punctul comun de racord cu reeaua public i/sau cu ali consumatori.

5.5.2.1. Normarea tensiunii de succesiune invers Curenii de succesiune invers pot influena negativ productivitatea i randamentul receptoarelor electrice i datorit faptului c se repartizeaz, pe sursele din reeaua de alimentare, n raport invers cu impedana acestora, n reeaua respectiv de alimentare pot aprea:

pierderi suplimentare importante n rotoarele generatoarelor i motoarelor sincrone prin cureni Foucault,

pierderi n motoare electrice, nclziri locale, cupluri pulsatorii suplimentare de frecven ridicat, ce pot provoca vibraii puternice ale mainilor i diminuarea randamentului motoarelor,

influene asupra liniilor de telecomunicaii. Conform normelor stabilite de CEI, pentru punctele de racord din mediu industrial, se recomand urmtoarele niveluri de compatibilitate referitoare la nesimetria tensiunii:

instalaii de clas 1 i 2: Ui/Ud

Universitatea Maritim Constana

6 Calitatea energiei electrice

n Romnia: valoarea coeficientului de disimetrie kd(vs) 95%, estimat prin msurtori, s fie cel mult

2% pentru reele de joas tensiune i de medie tensiune, i de cel mult 1% pentru reele de nalt tensiune,

ntr-un nod de reea n care se racordeaz o substaie electric de cale ferat, coeficientul de disimetrie trebuie s fie cel mult 2%,

tensiunea de alimentare a transformatoarelor (STAS 1703) se consider practic simetric atunci cnd componentele invers i homopolar ale sistemului de tensiuni nu depesc 2% din componenta direct a tensiunii,

tensiunea de alimentare a mainilor electrice (STAS 1893) se consider practic simetric atunci cnd componenta invers a sistemului de tensiuni nu depete 1% din componenta direct a tensiunii pe o perioad de timp ndelungat, sau 1,5% pe o perioad de timp de cteva minute, iar componenta homopolar a sistemului de tensiuni nu depete 1% din componenta direct a tensiunii. n locul componentei inverse a sistemului de tensiuni poate fi msurat componenta invers a sistemului de cureni, care trebuie s fie sub 2,5% din componenta direct a sistemului de cureni. n prezena unor cureni de succesiune invers n nfurrile statorice, motoarele asincrone sunt supuse unui cmp magnetic nvrtitor de sens invers, care se suprapune peste cel normal i ale crui efecte sunt:

reducerea cuplului dezvoltat de motor, creterea curentului statoric, inducerea n rotor a unor cureni avnd frecvena dubl fa de frecvena

nominal, care provoac nclziri suplimentare. Tabelul 5.1.

Condiii de funcionare dezechilibrat pentru maini sincrone Fucionare permanent Defect Tipul mainii sincrone Ii/IN (Ii/IN)2t

Cu poli apareni rcire indirect:

- motoare +compensatoare, - generatoare

rcire direct a statorului i/sau a excitaiei - motoare +compensatoare, - generatoare

0,1 0,08

0,08 0,05

20 20

15 15

Cu poli necai rcire indirect

- cu aer, - cu hidrogen.

Rcire direct (intern) a rotorului: - 350 MVA900 MVA1250 MVA

Universitatea Maritim Constana

7 Calitatea energiei electrice

mainile sincrone (CEI i STAS 1893/1-87) pot funciona n permanen pe o reea nesimetric dac nici unul din curenii de faz nu depesc curentul nominal, iar raportul dintre componenta invers a sistemului de cureni i curentul nominal s nu depeasc valorile din tabelul 5.1. n caz de defect, produsul dintre raportul ( )2/ Ni II i timpul t , n secunde, s nu depeasc valorile din tabelul 5.1.

5.5.2.2. Normarea tensiunii de succesiune homopolar Normarea tensiunii de succesiune homopolar este dificil, fiindc nu exist suficiente informaii cu privire la efectele pe care le exercit acest indicator asupra echipamentelor. Generatoarele mai mici sunt legate de regul direct la sistem, fr intermediul unor transformatoare de bloc, astfel nct defectele de punere la pmnt aprute n generator sau n sistem vor produce n generator, pe lng curenii de succesiune direct i invers, i cureni de succesiune homopolar. n acest caz, fluxurile produse de curenii homopolari nu vor urma traseele normale i datorit faptului c aceti cureni sunt sinfazici, nefiind defazai ntre ei cu 120 grade, fluxurile produse de nfurri vor fi i ele tot sinfazice i vor induce fluxuri, n bucl nchis, trecnd ns din exteriorul spre interiorul rotorului i apoi longitudinal, prin lagre, etanrile de hidrogen i carcas. n unele cazuri, se poate produce o magnetizare longitudinal destul de mare i pot aprea cureni turbionari, care pot provoca deteriorri n lagre i n etanrile de hidrogen. Conform standardelor romneti, sistemul tensiunilor de alimentare a transformatoarelor electrice este considerat practic simetric dac componenta homopolar este sub 2% din cea de succesiune direct, iar n cazul mainilor electrice sub 1%.