Capitol Ul 8

8. CALITATEA ENERGIEI ELECTRICE

Energia electrică furnizată consumatorilor, ca orice produs sau prestaţie, este caracterizată printr-o serie de parametri cantitativi şi calitativi.

Parametri calitativi ai energiei electrice cum sunt: tensiunea de serviciu pe barele consumatorilor sau la bornele receptoarelor, frecvenţa curentului alternativ, simetria sistemelor de tensiuni şi curenţi, forma undelor de tensiune şi curent etc. au, în general, valori diferite faţă de cele nominale, datorită numeroaselor perturbaţii ce pot apare în procesul de furnizare - utilizare a energiei electrice.

Buna funcţionare a receptoarelor are loc atunci când abaterile valorilor parametrilor calitativi ai energiei electrice, faţă de valorile nominale, se încadrează între anumite limite stabilite de prescripţiile în vigoare.

Perturbaţiile ce pot avea loc în sistemul electroenergetic, temporare sau permanente, constă în variaţii ale tensiunii, variaţii ale frecvenţei, dezechilibrul sistemelor trifazate de tensiuni şi curenţi, deformarea undelor de tensiune şi curent etc.

8.1. VARIAŢII DE TENSIUNE

În instalaţiile electrice apar variaţii de tensiune ca urmare a variaţiei sarcinii receptoarelor, a scurcircuitelor, a supratensiunilor de natură atmosferică sau de comutaţie

Variaţiile de tensiune se pot clasifica în:— variaţii lente de tensiune;— variaţii rapide de tensiune numite şi fluctuaţii de tensiune;— goluri de tensiune .Variaţiile lente şi rapide de tensiune sunt de mică amplitudine, în schimb golurile de tensiune

sunt de amplitudine mai mare, dar de durată mai scurtă.

8.1.1. VARIAŢII LENTE DE TENSIUNE

Abaterea relativă, respectiv procentuală, a tensiunii faţă de valoarea nominală, ca urmare a variaţiilor lente, se exprimă prin relaţiile:

; (8.1)

unde U este valoarea efectivă a tensiunii în punctul considerat; Un — tensiunea nominală a reţelei;

— tensiunea relativă.

În conformitate cu standardul SR CEI 38/97 abaterile maxime admisibile ale tensiunii de alimentare, în punctul de livrare, în reţele de diferite tensiuni, sunt de 10%.

Abaterea tensiuni de serviciu faţă de tensiunea nominală, definită cu ajutorul relaţiilor (8.1) nu este întotdeauna suficientă pentru caracterizarea funcţionării receptoarelor sensibile la variaţiile de tensiune. Fiind o valoare momentană, ea nu precizează durata abaterii tensiunii, într-un anumit interval de timp.

Pentru caracterizarea funcţionării unor receptoare, a căror productivitate are o dependenţă accentuată de regimul de tensiune, este necesară utilizarea unor indicatori suplimentari cum ar fi:

Alimentarea cu energie electrică a întreprinderilor

a) Valoarea medie a abaterii tensiunii faţă de valoarea nominală, pe durata unui interval de timp T dat:

(8.2)

Având în vedere relaţia (8.1) valoarea medie a abaterii tensiunii devine:

(8.3)

Acest indicator, egal cu diferenţa dintre tensiunea relativă medie şi unitate, dă indicaţii asupra corectitudinii alegerii treptei de reglaj a transformatorului de putere.

a) Abaterea medie pătratică sau gradul de iregularitate:

(8.4)

Menţinerea tensiunii pe barele de alimentare a consumatorilor, în limitele prezentate mai sus, se face prin reglarea în trepte, sub sarcină sau în lipsa sarcinii, a tensiunii transformatoarelor sau autotransformatoarelor, cu ajutorul comutatorului de reglare a tensiunii şi prin modificarea circulaţiei puterii reactive produsă de generatoare, compensatoare sincrone sau condensatoare.

8.1.1.1. Efectele variaţiilor lente de tensiune

Funcţionarea unui receptor la o tensiune diferită de tensiunea nominală conduce la cheltuieli suplimentare cauzate fie de îmbătrânirea prematură a izolaţiei, datorită supratensionării sau supraîncălzirii, fie la scăderea randamentului instalaţiei.

Abaterile de tensiune faţă de valoarea nominală pot avea o serie de efecte negative în funcţionarea diverselor categorii de receptoare, evidenţiate în cele ce urmează.

Receptoare pentru iluminat

Receptoarele pentru iluminat au o pondere mică, în ceea ce priveşte consumul de energie electrică, în schimb, joacă un rol important în desfăşurarea activităţii umane. Buna funcţionare a acestor instalaţii contribuie la creşterea productivităţii muncii, reducerea numărului de accidente şi nu în ultimul rând la realizarea confortului vizual.

Variaţiile de tensiune au o mare influenţă asupra caracteristicilor lămpilor electrice. Astfel, pentru lămpile cu incandescenţă umplute cu un gaz inert, pentru o variaţie a tensiunii de alimentare, în limitele 10% faţă de tensiunea nominală, variaţiile diverşilor parametrii (putere absorbită, flux luminos, eficacitate luminoasă şi durată de funcţionare) sunt exponenţiale fiind date de relaţia:

(8.5)

în care valorile exponentului x sunt date în tabelul 8.1.

Tabelul 8.1.y P e D

46

Calitatea energiei electrice

x 1,54 3,38 1,84 -13,1

Variaţia principalilor parametrii ai lămpii cu incandescenţă datorită variaţiei tensiunilor de alimentare, determinată experimental, se prezintă în figura 8.1. Se constată o scădere importantă a duratei de utilizare a lămpii, chiar la o creştere neînsemnată a tensiunii de alimentare. În cazul lămpilor cu descărcări electrice în gaze şi vapori metalici, dependenţa caracteristicilor lămpii de tensiunea de alimentare este asemănătoare cu a lămpilor cu incandescenţă, dar este mai puţin pronunţată.

Fig. 8.1. Dependenţa parametrilor lămpii cu incandescenţă de tensiunea de alimentare.

Motoare electrice asincrone

Modul de variaţie a parametrilor principali ai motoarelor electrice asincrone, în funcţie de tensiunea de alimentare, este prezentat în tabelul 8.2.

Tabelul 8.2. Comportarea motorului asincron la variaţia tensiunii de alimentare.

ParametrulEfectul

U>Un U<Un

Curentul statoric şi curentul rotoric

Variază aproximativ direct proporţional cu tensiunea

Curentul de magnetizare şi pierderile în fier

Cresc Scad

Curentul de pornireVariază aproximativ direct proporţional cu tensiunea

Cuplul de pornire şi cuplul maxim

Variază aproximativ direct proporţional cu pătratul tensiunii

Factorul de putere Scade Creşte

Pierderile în înfăşurări şi temperatura înfăşurărilor

Scad Cresc

AlunecareaÎn domeniul 10% variază

aproximativ direct proporţional cu tensiunea

Randamentul

Prezintă o uşoară variaţie în funcţie de modificarea pierderilor în cupru,

respectiv în fier

Puterea activă absorbită de motorul asincron rămâne practic constantă, la variaţia tensiunii de alimentare, întrucât puterea la arborele motorului depinde de maşina de lucru, în schimb ceilalţi

47


parametri iau valori ce depind atât de variaţia tensiunii cât şi de coeficientul de încărcare a motorului.

Motoare electrice sincrone

Modificarea tensiunii de alimentare a motorului sincron influenţează, în special, următorii parametri de funcţionare:

— puterea reactivă disponibilă (în regim supraexcitat) care este o funcţie de tensiunea de alimentare, dar şi de coeficientul de încărcare cu putere activă;

— pierderile de putere activă care depind, în plus şi de coeficienţii de încărcare cu putere activă şi putere reactivă.

La creşterea tensiunii de alimentare se obţine o scădere importantă a puterii reactive disponibile şi o creştere a pierderilor de putere activă.

Receptoare electrotermice

Cele mai importante receptoare electrotermice sunt cuptoarele electrice cu rezistenţă, cu inducţie sau cu arc, ale căror puteri pot ajunge până la zeci de MVA.

Scăderea tensiunii de alimentare are drept consecinţe scăderea productivităţii cuptoarelor, creşterea consumului specific de energie electrică şi uneori chiar perturbarea procesului tehnologic. În tabelul 8.3 se prezintă efectele scăderii tensiunii de alimentare pentru unele tipuri de cuptoare electrice [42].

Tabelul 8.3.Efectele scăderii tensiunii de alimentare la unele tipuri de cuptoare electrice.

DenumireaPuter

ea

Abaterea de

tensiuneConsecinţe

Cuptoare cu rezistoare pentru topirea metalelor neferoase

5-1000 kW

-7%Prelungirea perioadei de topire cu 50-70%

-10%Încetarea procesului de topire

Cuptoare cu arc pentru feroaliaje şi carbid

10-40 MVA

-7%

Scăderea productivităţii cu 12% şi a factorului de putere

Cuptoare cu arc pentru elaborarea oţelurilor

0,5-60 MVA

-5%

Prelungirea duratei de topire cu 12%. Creşterea consumului specific de energie cu 2-5%

Instalaţii de redresare

Unele procese tehnologice industriale cum ar fi: electroliza, tracţiunea electrică, laminarea profilelor grele, etc. necesită surse de curent continuu de puteri apreciabile.

Pentru obţinerea curentului continuu se utilizează instalaţii de redresare a curentului alternativ, valoarea tensiunii de alimentare influenţând într-o mare măsură asupra funcţionării acestor instalaţii. Spre exemplu, în cazul instalaţiei de electroliză a clorurii de sodiu, în anumite faze a procesului tehnologic este necesară menţinerea strictă a unei valori constante pentru curentul continuu în vederea obţinerii unui randament maxim al procesului de electroliză. Reducerea

48


tensiunii de alimentare are drept consecinţă micşorarea curentului şi deplasarea de la punctul optim de funcţionare, având ca rezultat scăderea productivităţii instalaţiei de electroliză şi creşterea consumului specific de energie electrică. Abaterile pozitive, de durată, ale tensiunii de alimentare duc la micşorarea duratei de serviciu a instalaţiilor de redresare.

8.1.1.2. Metode de menţinere a tensiunii în limitele admisibile

Legătura dintre tensiunea pe barele consumatorului, U2 (fig. 8.2) şi tensiunea nodului sistemului electroenergetic din care se alimentează, U1, se poate exprima cu ajutorul relaţiei (3.31):

(8.6)

unde R,X este rezistenţa, respectiv reactanţa echivalentă a porţiunii de reţea;P,Q — sarcina activă, respectiv reactivă a consumatorului;Qp — puterea reactivă produsă de mijloacele de compensare.

Fig. 8.2. Explicativă privindPierderile de tensiune.

Menţinerea tensiuni U2 în limitele admisibile se poate realiza pe următoarele căi:

10 Variaţia în trepte a tensiunii de alimentare U1, prin modificarea raportului de transformare a transformatoarelor de putere cu ajutorul comutatorului de reglare a tensiunii;

20 Modificarea circulaţiei de putere reactivă în reţea prin producerea locală a puterii reactive Qp cu ajutorul instalaţiilor de compensare;

30 Modificarea parametrilor reţelei R şi X, în cazul existenţei mai multor linii prin conectarea lor în paralel.

40 Modificarea circulaţiei de putere activă şi reactivă prin utilizarea centralei electrice proprii.

8.1.2. FLUCTUAŢII DE TENSIUNE

Sunt considerate fluctuaţii de tensiune (fig.8.3), variaţiile rapide de tensiune cu caracter repetitiv, periodice sau aleatorii, ce se produc cu o viteză de variaţie mai mare de un procent pe secundă,

(8.7)

49


Fig. 8.3. Explicativă privind pierderile de tensiune.

Acest gen de variaţii sunt cauzate de apelurile de putere care rezultă din funcţionarea intermitentă sau cu şocuri de putere reactivă a unor receptoare ca de exemplu:

— în reţelele de joasă tensiune: frigidere, ascensoare, aparate de sudare;— în reţelele de medie tensiune: pompe, locomotive electrice, laminoare;— în reţelele de înaltă tensiune: cuptoare electrice cu arc.Mărimea fluctuaţiei de tensiune (amplitudinea fluctuaţiei) se defineşte ca diferenţa dintre

tensiunea eficace relativă maximă şi minimă, valorile extreme ale tensiunii fiind consecutive:

(8.8)

8.1.2.1. Efectele fluctuaţiilor de tensiune

Fluctuaţiile de tensiune pot avea următoarele consecinţe:— variaţia vizibilă a fluxului luminos emis de sursele de lumină,

fenomen care produce o senzaţie de jenă fiziologică a ochiului uman numit efect de flicker, având ca rezultat oboseala, scăderea productivităţii muncii, creşterea numărului rebuturilor;

— deformarea imaginii televizoarelor;— deranjamente în funcţionarea aparatelor de radio şi a altor

echipamente electronice.Cercetările efectuate în Franţa privind influenţa fluctuaţiilor de tensiune asupra omului au

stabilit că limitele pentru zona de perceptibilitate a flickerului şi pentru cea de iritabilitate a nervului optic sunt cele prezentate în figura 8.4 [43].

Fig. 8.4. Curbele limită ale amplitudinii fluctuaţiilor de tensiune în funcţie de frecvenţa de apariţie.

50


Senzaţia de jenă resimţită de un observator este funcţie de pătratul amplitudinii fluctuaţiei şi de durata acesteia.

La o amplitudine constantă a fluctuaţiilor maximul de jenă este resimţit în cazul fluctuaţiilor cu o frecvenţă de apariţie de 5-10 Hz, pentru care pragul de perceptibilitate este de 0,3%.

În cazul unor fluctuaţii de amplitudini şi frecvenţe diferite se poate determina amplitudinea echivalentă a fluctuaţiei cu frecvenţa de 10 Hz, ce produce o aceeaşi senzaţie de jenă, cu ajutorul relaţiei:

(8.9)

unde ai* este amplitudinea fluctuaţiei cu frecvenţa i;

gi — coeficient de echivalenţă, ce depinde de frecvenţa de apariţie, determinat experimental.Din punct de vedere cantitativ, senzaţia de jenă acumulată de ochiul uman, într-un interval

de timp T, este caracterizată prin doza de flicker definită de expresia:

(8.10)

Doza de flicker se poate măsura şi direct cu ajutorul unui aparat numit flickermetru.

8.1.2.2. Combaterea fluctuaţiilor de tensiune

O consecinţă deosebit de gravă a fluctuaţiilor de tensiune fiind efectul de flicker, combaterea fluctuaţiilor de tensiune are drept scop principal combaterea acestui efect.

Determinarea teoretică a nivelului de flicker se poate face doar în cazul receptoarelor care au un ciclu de funcţionare mai mult sau mai puţin previzibil, cum ar fi laminoarele, pentru care să se cunoască numărul, amplitudinea şi frecvenţa de apariţie a şocurilor de putere reactivă, pe baza cărora să se poată trasa curba amplitudinii fluctuaţiilor în funcţie de frecvenţa acestora. Curba obţinută trebuie să se situeze sub curba limită de perceptibilitate a fluctuaţiilor de tensiune din figura 8.4.

În schimb, în cazul cuptoarelor cu arc fluctuaţiile de tensiune sunt aleatorii, mărimea şi frecvenţa lor depinzând de mai mulţi factori, cum ar fi: puterea de scurcircuit a reţelei de alimentare pe barele de racord ale receptorului, tipul cuptorului, felul încărcăturii etc. Evaluarea efectului de flicker se poate face în această situaţie doar empiric.

Mijloacele de combatere a efectului de flicker constă în:10 Mărirea puterii de scurtcircuit a reţelei de alimentare prin

realizarea unor legături suplimentare cu sistemul electroenergetic;20 Separarea consumatorilor cu şocuri de putere activă şi reactivă de ceilalţi consumatori

prin secţionarea sistemului de bare colectoare (fig.8.5);30 Alimentarea receptoarelor care produc flicker la o treaptă de tensiune mai ridicată

(fig.8.5);40 Echiparea generatoarelor centralei electrice proprii, în caz că există, cu sisteme de reglaj

rapid a excitaţiei în vederea preluării şocurilor de putere activă şi reactivă;50 Instalarea de surse locale de putere reactivă care să preia, practic instantaneu, şocurile de

putere reactivă, cum ar fi compensatoarele sincrone cu reglaj rapid a excitaţiei.

51


Fig. 8.5. Alimentarea receptoarelor cu şocuri de putere reactivă: a) de la barele de MT ale centralei electrice; b) de la barele de ÎT ale sistemului electroenergetic.

8.1.3. GOLURI DE TENSIUNE

Golul de tensiune este definit ca fiind variaţia negativă a valorii eficace a tensiunii de serviciu, având o amplitudine minimă de 20% şi o durată de cel mult 3 secunde. Amplitudinea relativă a golului de tensiune este definită cu ajutorul relaţiei:

(8.11)

Golurile de tensiune sunt datorate unor defecte din reţea, cum ar fi, în primul rând, scurcircuitele, eliminate de instalaţiile de automatizare ale sistemului electroenergetic AAR (anclanşarea automată a rezervei) sau RAR (reanclanşarea automată rapidă), ele având amplitudini şi durate variabile. Statisticile efectuate în diferite ţări evidenţiază apariţia, în reţelele de medie tensiune, a 200 – 300 goluri de tensiune pe an, din care circa 20% au o amplitudine mai mare de 30%.

Amplitudinea golurilor de tensiune depinde de:— natura defectului (monofazat sau trifazat);— impedanţa de trecere la locul de defect;— puterea de scurtcircuit în punctul considerat.

Durata golurilor de tensiune este determinată de timpul de acţionare a instalaţiilor de protecţie prin relee şi de timpul propriu de acţionare a întreruptoarelor automate.

Efectele golurilor de tensiune asupra funcţionării receptoarelor depind de durata şi amplitudinea acestora şi constă în:

10 Perturbarea funcţionării unor aparate cum ar fi: redresoare, calculatoare, echipamente electronice diverse etc. ;

20 Deconectarea contactoarelor electromagnetice;30 Instabilitatea funcţionării motoarelor sincrone;40 Desprinderea motoarelor asincrone.

Mijloacele tehnice de combatere a efectelor negative ale golurilor de tensiune diferă după natura şi puterea receptoarelor sensibile, distingându-se următoarele soluţii de bază:

a) Reducerea sensibilităţii receptoarelor;b) Alimentarea din surse speciale cu acumulare de energie;c) Temporizarea contactelor electromagnetice.

52


8.1.3.1. Reducerea sensibilităţii receptoarelor

Comportarea motoarelor sincrone şi asincrone, în cazul unor goluri de tensiune de amplitudine “a” şi durată ∆t, depinde de curba de aptitudine a acestora (fig. 8.6) .

Fig. 8.6. Curba de aptitudine a unui receptor supus acţiunii golurilor de tensiune.

Curba de aptitudine a unui receptor reprezintă linia de separaţie dintre domeniile de funcţionare stabilă (zona 1) şi instabilă (zona 2).

În cazul unui gol de tensiune, de parametri a1* şi ∆t1 (punctul M), funcţionarea este stabilă şi

instabilă în cazul unui gol de tensiune cu parametrii a2* şi ∆t2 (punctul N).

Se distinge curba de aptitudine intrinsecă sau fundamentală a unui motor, care se referă la motorul propriu-zis şi curba de aptitudine reală care include şi influenţa unor elemente auxiliare (contactor electromagnetic, releu de tensiune minimă, etc.).

Între cele două curbe există o zonă de sensibilitate artificială, nedorită (zona haşurată) care trebuie redusă la minimum (fig. 8.7).

Fig. 8.7. Curbele de aptitudine fundamentală (a) şi reală (b) ale unui motor sincron prevăzut cu releu de minimă

tensiune, reglat la 0,85 Un.

Creşterea aptitudinii intrinseci a motoarelor electrice se realizează prin:— mărirea momentului de inerţie a ansamblului motor–utilaj tehnologic;— adaptarea unui sistem special pentru excitaţia motoarelor sincrone.

Reducerea zonei de sensibilitate artificială poate fi făcută prin temporizarea protecţiei de minimă tensiune.

8.1.3.2. Alimentarea din surse speciale cu acumulare de energie

Se aplică în cazul alimentării unor grupuri de receptoare sensibile, cu puteri reduse, cum ar fi calculatoare, echipamente electronice etc. Acumularea energiei se face fie sub formă de energie cinetică într-un volant de inerţie, fie sub formă de energie electrică în baterii de acumulatoare electrice şi restituirea sa pe durata golului de tensiune.

O variantă simplă de grup cu sistem inerţial se compune dintr-un motor electric asincron, un alternator şi un volant, cuplate între ele, care permite eliminarea golurilor de tensiune cu durate ce nu depăşesc 0,5 s şi care reprezintă, de regulă, 80 - 90% din totalul perturbaţiilor (fig.8.8).

53


Fig. 8.8. Schema de principiu a unui grup de alimentare cu sistem inerţial.

Avantajele grupurilor inerţiale constă în eliminarea bateriilor de acumulatoare, care necesită încăperi speciale atunci când puterea receptoarelor sensibile la golurile de tensiune are valori importante. Ca dezavantaje se menţionează zgomotul produs şi extinderi dificile.

Sistemele cu acumulare de energie electrică (redresor – baterie –invertor) utilizează o baterie de acumulatoare ca sursă tampon de energie electrică care nu este influenţată de perturbaţiile din reţeaua de alimentare (fig. 8.9).

Fig. 8.9. Schema de alimentare printr-un grup redresor – baterie – invertor.

În regim normal de funcţionare sarcina este alimentată prin intermediul redresorului şi invertorului, bateria fiind menţinută încărcată.

În cazul apariţiei golului de tensiune, energia este asigurată de bateria de acumulatoare prin intermediul invertorului.Avantajele schemelor redresor – baterie - invertor constă în:

— eliminarea totală a perturbaţiilor din reţea;— autonomie până la 1 h, în funcţie de capacitatea bateriei;— lipsa pieselor în mişcare.

8.1.3.2. Temporizarea contactoarelor electromagnetice

Contactoarele electromagnetice care au bobina alimentată în curent alternativ, de la reţeaua de alimentare, deconectează practic instantaneu la scăderea tensiunii sub 0,7 Un .

În cazul multor goluri de tensiune care pot fi suportate de receptoarele comandate, aceste

54


contactoare deconectează în mod inutil, perturbând procesul de producţie. Din aceste motive, în multe scheme de comandă, se preferă asigurarea curentului operativ din surse independente, de regulă, baterii de acumulatoare.

În acest mod contactoarele rămân conectate pe durata golului de tensiune, asigurând autopornirea motoarelor şi deci, continuitatea procesului de producţie.

Dezavantajul acestei soluţii constă în extinderea importantă a sursei şi a reţelei de curent continuu. O altă soluţie, des utilizată, constă în automenţinerea contactoarelor electromagnetice, alimentate în curent alternativ, cu ajutorul unor condensatoare.

8.2. VARIAŢII DE FRECVENŢĂ

Variaţiile rapide de frecvenţă se datorează unor defecte majore cum ar fi ieşirea din funcţiune a unei mari centrale electrice, caz în care frecvenţa scade, sau a unui consumator important, când frecvenţa creşte.

În condiţii de deficit de putere şi energie în sistemul electroenergetic pot exista situaţii când se funcţionează perioade mari de timp cu frecvenţă scăzută. Frecvenţele trebuie menţinute între limitele 49,5 – 50,1 Hz, abaterea limită faţă de frecvenţa nominală de 50 Hz fiind de (-0,5÷0,1) Hz.

Variaţiile de frecvenţă în afara limitelor admise au, de regulă, efecte negative asupra proceselor de producţie.

Cele mai sensibile echipamente sunt cele prevăzute cu acţionări electrice de precizie cu motoare sincrone , cum ar fi utilajele specifice filaturilor, industriei firelor sintetice, casetofoanele etc. De asemenea, sunt influenţate negativ şi anumite instalaţii de automatizare, măsurare şi protecţie prin relee, cum sunt cele specifice sistemului electroenergetic, dar şi din alte ramuri industriale.

8.3. DEFORMAREA UNDELOR DE CURENT ŞI TENSIUNE. REGIMUL DEFORMANT

Anumite receptoare cum ar fi: variatoarele de viteză, redresoarele comandate sau semicomandate, cuptoarele cu arc, aparatele de sudare cu arc alimentate cu tensiuni sinusoidale absorb curenţi care nu mai sunt sinusoidali; au aceeaşi frecvenţă ca şi tensiunea de alimentare, însă unda curentului este deformată. Existenţa curenţilor nesinusoidali în reţea determină pierderi de tensiune nesinusoidale, încât în final şi unda tensiunii reţelei se deformează.

De asemenea, armonici superioare de tensiune mai pot fi produse de maşinile electrice, transformatoarele de putere şi unele elemente neliniare ale reţelei electrice.

Prezenţa receptoarelor generatoare de armonici superioare poate antrena disfuncţionalităţi altor receptoare situate în apropiere.

Metoda uzuală de studiu a regimurilor deformante este analiza armonică, bazată pe descompunerea undei periodice reale în componente sinusoidale, una cu frecvenţa de 50Hz (armonica fundamentală) şi altele cu frecvenţe multipli ai frecvenţei de bază (armonici superioare).

Determinarea spectrului armonicilor superioare se mai poate face şi cu ajutorul analizoarelor de armonici, aparate care funcţionând pe principiul realizării rezonanţei pe frecvenţa fiecărei armonici, o pune în evidenţă, rezultatele obţinute fiind astfel mai exacte.

Armonicile de ordin superior pot fi împărţite, conform teoriei componentelor simetrice, în: armonici de secvenţă directă, cele de ordinul 3n+1, armonici de secvenţă inversă, având ordinul 3n-1 şi cele de secvenţă homopolară, de ordinul 3n.

Astfel se constată că armonicile de curent de ordinul 4, 7, 10, 13 etc. au aceeaşi comportare, în instalaţiile electrice prin care circulă, ca şi fundamentala; armonicile de ordinul 2, 5, 8, 11 etc. se comportă în instalaţii ca şi componenta inversă, iar armonicile de ordinul 3 şi multiplu de 3 au aceleaşi caracteristici ca şi componenta homopolară.

Efectul deformant al receptoarelor asupra undelor de curent şi tensiune poate fi pus în

55


evidenţă cu ajutorul următorilor indicatori, definiţi atât pentru unda de tensiune cât şi pentru cea de curent:

a) Coeficientul de distorsiune armonică (THD) are expresia:

, (8.12)

în care

, (8,13)

este reziduul deformant;Y — valoarea efectivă a undei periodice deformante;Y0— componenta continuă;Y1— valoarea efectivă a fundamentalei;Yk— valoarea efectivă a armonicii de ordinul k.Din considerente practice ordinul armonicilor se opreşte la n=40.În cazul unei unde alternative componenta continuă este nulă încât coeficientul de

distorsiune devine:

. (8.14)

Normele CEI prevăd şi următoarea definiţie pentru coeficientul de distorsiune armonică:

, (8.15)

adică numitorul funcţiei (8.14) poate fi luat egal cu valoarea efectivă a armonicii fundamentale, diferenţa valorică dintre cele două expresii fiind nesemnificativă.

b) Nivelul armonicilor sau conţinutul de armonică de ordinul k este dat de raportul dintre valoarea efectivă a armonicii considerate şi valoarea efectivă a armonicii de ordinul 1:

. (8.16)

c) Coeficientul de formă este dat de expresia:

, (8.17)

în care valorile efectivă şi medie sunt determinate pe o jumătate de perioadă.d) Coeficientul de vârf sau de creastă se defineşte ca raportul

dintre valoarea maximă a undei periodice şi valoarea sa efectivă:

, (8.18)

Pentru o undă sinusoidală . O undă pentru care < se spune că este o undă

56


turtită; iar pentru > este o undă ascuţită.Impactul regimului deformant asupra receptoarelor, caracterizat prin coeficientul de

distorsiune a undei de tensiune determinat în nodul sistemului electroenergetic este prezentat în tabelul 8.4.

Tabelul 8.4.Impactul regimului deformant asupra receptoarelor

Coeficientul de distorsiune a

undei de tensiune

Consecinţele unei expuneri pe termen lung

kdu 5% În majoritatea cazurilor nu apar probleme5% kdu 7% Pot apărea probleme în cazul elementelor

foarte sensibile7% kdu 10% Pot apărea probleme şi în cazul elementelor

robustekdu 10% Apar în mod sigur probleme

8.3.1. EFECTELE REGIMULUI DEFORMANT

Regimurile deformante sunt însoţite de următoarele efecte negative:— cupluri parazite în maşinile electrice;— erori ale aparatelor de măsurare;— fenomene de rezonanţă armonică, având drept consecinţe

supracurenţi, supratensiuni şi perturbaţii în reţelele de telecomunicaţii.Supracurenţii pot provoca supraîncălzirea căilor de curent şi mărirea pierderilor de putere în

reţele şi condensatoare, iar supratensiunile prelungite pot produce deteriorarea cablurilor şi dielectricului condensatoarelor.

8.3.2. MĂSURI PENTRU DIMINUAREA ARMONICILOR DE ORDIN SUPERIOR PRODUSE DE INSTALAŢIILE DE REDRESARE

Soluţiile utilizate pentru diminuarea conţinutului de armonici şi a nivelurilor lor se referă, în primul rând, la alegerea adecvată a schemei instalaţiei de redresare.

8.3.2.1. Instalaţii de redresare alimentate prin transformatoare cu domeniu extins de reglaj a tensiunii

Reglajul tensiunii aplicate redresorului se asigură prin comutarea unor prize în primarul transformatorului de alimentare, la funcţionarea cu sarcină redusă a acestuia. Se poate realiza în acest mod, o variaţie a tensiunii secundare în limitele (0,31)Un , evitându-se modificarea unghiului de aprindere, care ar conduce la majorarea consumului de energie reactivă şi a conţinutului de armonici.

8.3.2.2. Instalaţii de redresare cu transformator cu trei înfăşurări şi două punţi redresoare serie, comandate succesiv

Mărirea numărului de alternanţe redresate ameliorează forma undei curentului absorbit de o instalaţie de redresare, apropiind-o mult de o sinusoidă.

57


O astfel de instalaţie cuprinde două punţi redresoare hexafazate, conectate în serie şi alimentate de la înfăşurări secundare separate ale transformatorului de alimentare (fig. 8.10).

Fig. 8.10. Schema de principiu a unei instalaţii de redresare cu 12 alternanţe, conţinând un transformator cu trei înfăşurări şi două punţi trifazate în serie, comandate succesiv.

Cele două înfăşurări secundare au conexiuni diferite; una în triunghi şi cealaltă în stea. La comanda sincronizată, cu acelaşi unghi de aprindere, a celor două punţi redresoare, armonicele de ordinul 5 şi 7 vor fi defazate cu 180o în primarul transformatorului şi se vor anula, în reţea fiind injectate numai armonici de curent de ordinul 11.

Multiplicarea numărului de alternanţe redresate peste 12, la redresoarele comandate, nu se justifică din punct de vedere economic.

8.3.2.3. Filtre de absorbţie

În cazul în care factorul de distorsiune pentru o sursă de armonici dată: instalaţie de redresare, cuptor electric cu arc, etc., nu poate fi redus la nivelul admisibil este necesar a se prevedea o instalaţie specială de filtrare a armonicilor superioare de curent.

Aceste instalaţii denumite curent filtre de absorbţie se compun dintr-o baterie de condensatoare legată în serie cu o bobină de reactanţă, ale căror caracteristici sunt astfel alese încât să realizeze rezonanţa pe o frecvenţă corespunzătoare unei anumite armonici, adică:

(8.19)

în care k este ordinul armonicii;L –inductanţa bobinei;C –capacitatea bateriei de condensatoare.

Conectate în paralel cu sursa de armonici filtrele de absorbţie asigură scurtcircuitarea armonicilor superioare de curent, astfel încât acestea nu se mai propagă în reţea (fig. 8.11), reactanţa rezultantă a filtrului pentru frecvenţa de rezonanţă fiind egală cu zero.

Fig. 8.11. Schema de principiu a unei instalaţii de filtrare cu circuite de rezonanţă serie

58


Comportarea filtrelor de absorbţie pentru diferite frecvenţe

Reactanţa rezultantă a filtrului de absorbţie, pentru frecvenţa de rezonanţă, are valoarea zero:

(8.20)

Din relaţia (8.19) se obţine:

(8.21)

Reactanţa rezultantă a filtrului de absorbţie pentru o frecvenţă, corespunzătoare armonicii superioare de ordinul l, va fi diferită de zero:

(8.22)

Având în vedere relaţia (8.21) se obţine pentru reactanţa rezultantă expresia:

(8.23)

Pentru l<k, paranteza are valoare negativă, adică reactanţa filtrului are un caracter capacitiv, iar pentru l>k un caracter inductiv.

Rezultă că pentru armonici de ordin inferior celei de rezonanţă, deci şi pentru armonica fundamentală, filtrul având un caracter capacitiv va produce putere reactivă, iar pentru armonici de ordin superior celei de rezonanţă va absorbi putere reactivă. Deci, orice filtru de absorbţie va putea fi folosit şi pentru producerea de energie reactivă în vederea îmbunătăţirii factorului de putere a receptoarelor conectate la acelaşi sistem de bare.

Să admitem că pentru îmbunătăţirea factorului de putere este necesară o baterie de condensatoare având o putere reactivă pe fază:

(8.24)

unde I1 este mărimea armonicii fundamentale de curent absorbită de bateria de condensatoare.Aceeaşi baterie de condensatoare poate fi folosită şi pentru realizarea unui filtru de

absorbţie rezonant pe armonica de ordinul k, dacă în serie se leagă o bobină de reactanţă a cărei inductanţă să satisfacă relaţia (8.19). Puterea reactivă absorbită pe fază de bobina de reactanţă, corespunzător armonicii fundamentale, are expresia:

(8.25)

Ţinând seama şi de relaţiile (8.19) şi (8.24) se obţine:

(8.26)

59


Întrucât pierderile de putere reactivă pe bobină sunt mici, 0,04 Qc pentru armonica de ordinul 5 şi 0,02 Qc pentru armonica de ordinul 7, se poate considera că puterea reactivă a instalaţiei de îmbunătăţire a factorului de putere este afectată în mică măsură de bobina prevăzută pentru realizarea filtrului. În plus, bobina de reactanţă serveşte şi la limitarea şocului de curent din momentul conectării bateriei de condensatoare la reţeaua de alimentare.

8.4. NESIMETRIA SISTEMELOR TRIFAZATE DE TENSIUNI ŞI CURENŢI

Un sistem trifazat simetric de mărimi sinusoidale (tensiuni sau curenţi) are cei trei fazori reprezentativi egali în modul şi defazaţi în spaţiu, unul faţă de celălalt cu un unghi de 2/3 radiani. Aceste sisteme pot fi de succesiune directă sau inversă.

O reţea electrică trifazată este echilibrată, dacă impedanţele pe cele trei faze ale reţelei sunt egale în modul şi au acelaşi argument.

În cazul unei reţele electrice trifazate dezechilibrate alimentate cu un sistem simetric de tensiuni, curenţii nu vor mai forma un sistem simetric. Aceştia vor produce, la rândul lor, pierderi neegale de tensiune în reţea, încât şi tensiunile de la bornele receptoarelor nu vor mai fi nici ele simetrice. Astfel de situaţii, frecvent întâlnite în practică, sunt determinate de existenţa unor receptoare monofazate conectate la reţeaua trifazată (aparate de sudare, iluminat public, transport feroviar electrificat) sau chiar de funcţionarea unor receptoare trifazate cum sunt cuptoarele electrice cu arc, la care în timpul funcţionării, încărcările simultane ale celor trei faze sunt diferite, îndeosebi în perioada de topire a metalului.

Caracterizarea regimurilor nesimetrice poate fi făcută cu ajutorul următorilor indicatori:a) Coeficientul de disimetrie a tensiunii sau curentului, definit ca

raportul dintre mărimea componentei de secvenţă inversă şi mărimea componentei de secvenţă directă:

(8.27)

în care Ui este componenta inversă a tensiunii de fază; Ud — componenta directă a tensiunii de fază; , , — fazorii tensiunilor de fază.Normativele din ţara noastră limitează valorile coeficientului de disimetrie a tensiunii, la

bornele motoarelor electrice, la maximum 2%.b) Coeficientul de asimetrie definit ca raportul dintre mărimea componentei de secvenţă

homopolară şi mărimea componentei de secvenţă directă a tensiunii sau curentului:

(8.28)

Efectele produse într-o reţea electrică de regimurile nesimetrice sunt, practic, aceleaşi cu efectele produse de regimurile deformante, adică de creştere a pierderilor de putere şi energie. Efectele negative cele mai importante se produc în cazul motoarelor electrice asincrone şi condensatoarelor.

8.4.1. MIJLOACE DE COMBATERE A NESIMETRIEI ÎN REŢELELE ELECTRICE

Reducerea nesimetriei în reţelele electrice se poate realiza prin următoarele mijloace:

60


— simetrizarea liniilor şi circuitelor electrice;— echilibrarea sarcinii electrice.

8.4.1.1. Simetrizarea liniilor şi circuitelor electrice

Unele elemente de transfer a energiei electrice prezintă impedanţe diferite pe cele trei faze, ca urmare a tipului constructiv. În această categorie intră liniile electrice aeriene sau în cablu realizate cu cabluri monofazate, reţelele în bare capsulate şi reţelele scurte ale cuptoarelor electrice etc., la care conductoarele celor trei faze, nu au poziţii identice în spaţiu unele faţă de altele sau faţă de pământ. Pentru corectarea nesimetriei reţelelor respective se aplică următoarele procedee:

Transpunerea conductoarelor liniilor electrice aeriene lungi, cum sunt cele de transport, adică permutarea conductoarelor executată la anumite intervale spaţiale (fig. 8.12).

Numărul de cicluri de transpunere depinde de lungimea liniei şi de gradul de nesimetrie dorit a fi obţinut.

Fig. 8.12. Transpunerea conductoarelor liniilor electrice aeriene.

Efectul transpunerii conductoarelor unei linii electrice aeriene de 110kV este ilustrat în tabelul 8.5

Tabelul 8.5.Influenţa transpunerii conductoarelor liniilor electrice asupra coeficienţilor de disimetrie şi

asimetrie.

Coeficienţii de disimetrie şi

asimetrie

Fără transpuner

e

Cu un ciclu de

transpunere

Cu două cicluri de

transpunere

i % 2,50 0,39 0,02h % 0,95 0,07 0,003

* Aşezarea cablurilor monofazate ale unei linii electrice trifazate în “treflă”, adică în vârfurile unui triunghi echilateral (fig. 8.13).

* Aşezarea izolatoarelor suport ale barelor conductoare de joasă sau medie tensiune, de mare capacitate, în stea (fig. 8.14)

Fig. 8.13. Aşezarea simetrică a cablurilor monofazate.

61


Fig. 8.14. Dispunerea barelor conductoare în stea

La cuptoarele electrice cu arc reducerea nesimetriei reţelei electrice scurte conduce la reducerea uzurii căptuşelii şi îmbunătăţirea randamentului cuptorului. Cablurile flexibile şi dispozitivele portelectrod se dispun cât mai simetric cu putinţă.

8.4.1.2. Echilibrarea sarcinii electrice

Pentru simetrizarea curenţilor de linie ai unei reţele electrice trifazate la care sunt conectate sarcini monofazate importante, variabile în timp, cum ar fi locomotivele electrice, se utilizează scheme speciale de alimentare. O astfel de schemă este prezentată în figura 8.15.

Substaţiile de tracţiune de 110/27,5kV sunt echipate cu două transformatoare monofazate conectate în V/V.

Fig. 8.15. Schema de alimentare a reţelei de tracţiune feroviară cu transformatoare monofazate conectate în V/V.

Primul transformator legat între fazele 1 şi 2 ale reţelei de 110 kV absoarbe curentul Ia, iar cel de al doilea transformator conectat între fazele 2 şi 3 absoarbe curentul Ib, defazat în urma curentului Ia cu 120o.

Admiţând că raportul mărimilor celor doi curenţi este m rezultă:

(8.29)

a fiind operatorul de rotaţie a lui Steinmetz.Utilizând teorema I a lui Kirchhoff şi relaţia (8.29) rezultă curenţii de linie:

(8.30)

62


(8.31)

(8.32)

Componentele simetrice ale sistemului de curenţi (8.30), (8.31) şi (8.32) vor avea expresiile:

(8.33)

(8.34)

Coeficientul de disimetrie al curenţilor rezultă din relaţia (8.27):

(8.35)

Se constată că pentru m=0, adică numai primul transformator este în sarcină, coeficientul de disimetrie i=100%, iar pentru m=1, adică sarcini egale pentru cele două transformatoare, i=50%.

Coeficientul de disimetrie se reduce foarte mult în cazul mai multor substaţii de tracţiune, trei sau multiplu de trei, racordate la aceeaşi linie trifazată, deoarece transformatoarele monofazate se conectează succesiv la fazele reţelei de alimentare.

Simetrizarea sistemului trifazat de curenţi, în cazul alimentării din reţeaua trifazată a unui receptor monofazat de putere importantă, dar constantă în timp, cum ar fi, spre exemplu, cuptorul de inducţie, se poate face prin montarea de elemente reactive, inductanţe şi capacităţi, montate ca în figura 8.16.

Fig. 8.16. Schema de simetrizare Steinmetz a unui receptor monofazat cu ajutorul elementelor reactive.

Obişnuit sarcina receptoarelor are un caracter inductiv, încât impedanţa complexă a receptorului monofazat poate fi scrisă sub forma:

(8.36)

unde Rs şi Ls sunt rezistenţa şi inductanţa receptorului, respectiv admitanţa complexă:

(8.37)

în care Gs şi Ls sunt conductanţa şi susceptanţa.

63


În vederea compensării puterii reactive absorbite de receptor în paralel cu acesta se leagă un condensator de capacitate Cs (admitanţa Y31 din figura 8.16). Capacitatea Cs se determină din condiţia ca admitanţa rezultantă să aibă numai parte reală:

(8.38)

Din relaţiile (8.36) şi (8.37) rezultă:

. (8.39)

Admitanţa de sarcină Gs poate fi determinată şi direct, dacă se măsoară puterea activă P absorbită de receptorul monofazat:

(8.40)

Admitanţele Y12 şi Y23 se realizează cu ajutorul unui condensator şi a unei bobine, încât schema de simetrizare Steinmetz particularizată va fi cea prezentată în figura 8.17.

Fig. 8.17. Schema de simetrizare particularizată a unui receptor inductiv monofazat.

Curenţii de fază au expresiile:

(8.41)

(8.42)

(8.43)

respectiv curenţii de linie:

(8.44)

(8.45)

64


(8.46)

Capacitatea C şi inductanţa L se determină din condiţia ca sistemul de curenţi de linie I1, I2

şi I3 să fie simetric.Admitanţele complexe din relaţiile (8.44), (8.45) şi (8.46) trebuind să fie egale. Rezultă

condiţiile:

. (8.47)

Dacă în practică, după montarea bobinei şi bateriei de condensatoare, curenţii de linie nu se simetrizează se vor schimba între ele două faze ale reţelei de alimentare.

Dezavantajele mijloacelor statice de combatere a nesimetriei curenţilor constă în faptul că introduce pierderi suplimentare şi nu permit reglarea continuă a simetrizării în cazul variaţiei sarcinii electrice.

65

Capitol Ul 8

Documents

Transcript of Capitol Ul 8