Ghid de autoevaluare a calitii energiei electrice

Ghid de autoevaluare a calitii energiei electrice

Acest ghid permite o autoevaluare rapid privind necesitatea deciziei pe care o societatea ar trebui s o adopte privind realizarea unui program de cretere a calitii energiei electrice (CEE). Lista problemelor CEE este surprinztor de lung. Problemele privind CEE sunt complexe i, de multe ori, este necesar o echip de specialiti pentru a le identifica, a stabili cauzele i a oferi soluii. Simptome similare, ca de exemplu nclzirea echipamentelor, pot avea diferite cauze (armonici, nesimetrii, suprasarcini) i fiecare necesit o soluie diferit.

Dac un consummator este sau nu afectat de problemele de calitate a energiei electrice depinde de:

calitatea tensiunii la barele de alimentare ale furnizorului;

tipul sarcinii electrice n instalaiile acestuia;

susceptibilitatea/sensibilitatea echipamentului acestuia la diferitele tipuri de perturbaii.

Nu exist o singur soluie, general aplicabil. O soluie optim tehnic i economic poate fi necesar pentru fiecare locaie, lund n considerare intercondiionarea celor trei factori de mai sus. Acest ghid nu se adreseaz furnizorului de energie electric, aspecte amplu analizate n alt parte, ci se focalizeaz asupra acelor aspecte de calitate a energiei electrice care sunt sub controlul operatorului local.

Probleme tipice

Urmtoarea list ofer o vedere de ansamblu a celor mai frecvente probleme de calitate a energiei electrice care pot s apar. Conform studiilor realizate de European Copper Institute n anul 2001, n 1400 locaii din 8 ri, fiecare locaie din Europa are o probabilitate de 5 20% de a fi afectat de una sau mai multe dintre problemele listate. n mod tipic, jumtate dintre locaiile din industria energo-intensiv sau cldirile cu sarcini critice sunt afectate de dou sau mai multe probleme. Desigur c o calitate redus a energiei electrice nu este cauza apariiei oricrei probleme din list. De exemplu, blocarea calculatoarelor poate fi legat de software. n plus, atribuirea originii unei probleme unor cauze aprute nainte de contor (ceea ce nseamn de partea furnizorului fa de punctul comun de cuplare (PCC)) sau dup contor (ceea ce nseamn de partea consumatorului fa de PCC) este de multe ori dificil de fcut fr msurtori i analize detaliate.

Blocarea calculatoarelor

Curenii n circuitul de pmnt, care rezult n echipament, conduc la apariia unei diferene de potenial ntre echipament i pmntul adevrat. Dei redus, aceast tensiune perturbatoare poate fi semnificativ n raport cu nivelul semnalelor (avnd civa voli) cu care lucreaz echipamentele informatice (IT). Partea de hardware a calculatoarelor este proiectat s minimizeze susceptibilitatea la aceste tipuri de perturbaii care ns nu pot fi complet eliminate, n special datorit faptului c acestea sunt din ce n ce mai frecvente. Protocoalele moderne de comunicaie cuprind algoritme de detecie i corectare a erorilor, necesitnd o retransmisie a datelor eronate i, n consecin, reducnd viteza de transfer a datelor. Ca rezultat, calculatorul devine mai lent sau se blocheaz, un fenomen frecvent n birourile actuale.

n reelele TNC, conductorul comun de nul de lucru i de nul de protecie este parcurs n mod permanent de curent electric, determinnd o cdere de tensiune. Pmntul de referin al diferitelor calculatoare de la diferitele etaje nu mai are acelai potenial. De exemplu, curenii circul prin ecranele cablurilor de date, conectate la pamnt la ambele capete din considerente de EMC.

Plpirea ecranelor

Curenii de armonic trei se nsumeaz n conductorul de nul. n configuraiile TN-C conductorul de nul de lucru i de nul de protecie sunt combinate i conectate n multe puncte la structura cldirii. Ca rezultat, curentul de nul de ntoarcere poate circula oriunde prin structura metalic a cldirii determinnd cmpuri magnetice necontrolate i necontrolabile. n cazuri extreme, aceste cmpuri determin plpirea monitoarelor calculatoarelor. Curentul de nul trebuie s ajung ntotdeauna n punctul comun de cuplare utiliznd un conductor separat ca n sistemele TN-S i TN-C-S. De fapt, practica de a avea o singur legtur ntre conductorul de nul i pmnt, ntr-un singur punct al instalaiei mbuntete condiiile de siguran i compatibilitate electromagnetic.

Plpirea iluminatului

Variaiile de scurt durat ale tensiunii, determinate de comutaii, scurtcircuite i comutri de sarcin pot conduce la plpirea iluminatului electric. Amplitudinea admis a flickerului este reglementat de Standardele Internaionale, bazate pe criteriul percepiei. Un nivel excesiv de flicker poate determina migrene i este responsabil, n unele cazuri, de aa numitul sindrom ru de cas sick building syndrome .

Supranclzirea transformatoarelor la sarcini moderate

Armonicile determin pierderi suplimentare n transformatoare. Atunci cnd un transformator este aproape de sarcina maxim, aceste pierderi pot conduce la defecte timpurii determinate de supranclzire i la apariia de puncte calde n nfurare. Avnd n vedere tendina actual de a lucra cu echipamentul aproape de limita de funcionare, prin creterea polurii armonice n reelele de joas tensiune, aceast problem apare din ce n ce mai frecvent.

Pierderile n transformator sunt date de pierderile datorate fluxurilor magnetice de dispersie n circuitul magnetic, de pierderile prin cureni turbionari i de pierderile rezistive n nfurri. Dintre acestea, pierderile prin cureni turbionari ridic cele mai mari probleme n prezena armonicilor, deoarece cresc aproximativ cu ptratul frecvenei. Pentru o sarcin tipic complex a unei cldiri, pierderile prin cureni turbionari pot s ajung de 9 ori mai mari fa de cele de proiect, dublnd aproximativ pierderile determinate de sarcina total. Pentru a determina pierderile suplimentare este necesar a cunoate spectrul armonic al curentului de sarcin.

Motoarele de inducie

Tensiunile armonice pot determina pierderi n motoarele cu inducie (asincrone) conectate direct la reea.

Armonica de rang 5 genereaz un cmp nvrtitor invers, pe cnd armonica de rang 7 genereaz un camp nvrtitor suprapus peste viteza de rotaie sincron a motorului. Pulsaiile cuplului rezultant determin uzura i fisurarea elementelor de cuplare i a rulmenilor. Deoarece viteza de rotaie este fix, energia corespunztoare acestor armonici se disip sub form de cldur suplimentar, rezultnd o mbtrnire prematur. De asemenea, armonicile de curent induse n rotor determin o nclzire suplimentar. nclzirea suplimentar reduce spaiul de aer dintre rotor i stator, reducndu-se i mai mult eficiena.

Echipamentele pentru vitez variabil determin problemele lor proprii. Tendina lor de susceptibilitate la goluri de tensiune, poate conduce la dereglarea sincronizrii proceselor la liniile de fabricaie. Acestea sunt, de multe ori, plasate la o oarecare distan de motor i determin vrfuri de tensiune la bornele motorului datorit pantelor abrupte ale tensiunii de ieire.

Un caz special poate s apar la repornirea dup un gol de tensiune atunci cnd motorul este ncrcat n mod normal aproape de sarcina maxim. Cldura suplimentar determinat de curentul de pornire poate conduce la avarierea motorului. Dimensionarea optim a motorului trebuie s ia n considerare:

ca motorul s fie astfel utilizat nct s funcioneze la eficien maxim la circa 70% din sarcina nominal;

frecvena golurilor de tensiune i intervalul de timp pn la repunerea n funciune a motorului.

Supranclzirea conductoarelor datorat efectului pelicular

Toate armonicile determin pierderi suplimentare n conductoarele de faz. Efectul pelicular, care este neglijabil la 50 Hz, ncepe s aib importan de la 350 Hz (armonica de rang 7) i mai sus. De exemplu, un conductor cu diametrul de 20 mm are o rezisten electric aparent cu 60 % mai mare fa de rezistena sa la tensiune continu. Creterea rezistenei, dar i mai mult creterea reactanei (odat cu creterea frecvenei), conduc la creterea cderilor de tensiune i la creterea distorsiunii curbei de tensiune.

Funcionarea corect a echipamentelor pentru controlul proceselor

Distorsiunile armonice importante pot determina treceri adiionale prin zero pe durata unei perioade a curbei, afectnd astfel echipamentele de msurare sensibile. Sincronizarea echipamentelor de control a proceselor n cazul proceselor continui poate fi perturbat, iar sistemele de prelucrare a datelor pot s se blocheze.

Congestia reelelor de transfer de date

Curenii de punere la pmnt determin cderi reduse de tensiune n conductoarele de legare la pmnt. ntr-un sistem TNC, conductorul comun pentru nul de lucru i nul de protecie este parcurs n mod permanent de un curent semnificativ, n special de armonici de rang multiplu de trei. Avnd n vedere utilizarea n cretere a semnalelor de tensiune redus n echipamentele informatice, crete eroarea de bit, pn la punctul n care ntregul sistem se blocheaz. Cte dintre reelele proprii de date ale unui utilizator privat, mari sau mai mici, nu au cunoscut acest fenomen aproape fiecare sptmn ? Dintr-un motiv inexplicabil, reeaua se blocheaz, nu mai funcioneaz serviciul e-mail i mult timp nu mai este posibil de a tipri ceva

Probleme cu echipamentele pentru corecia factorului de putere

Frecvenele armonice pot s coincid cu frecvenele de rezonan ale circuitului comun ce cuprinde inductivitile de scpri i echipamentul pentru corectarea factorului de putere (PFC power factor correction), determinnd tensiuni i cureni excesivi i conducnd la avarii premature. n plus, ca o problem general, instrumentele de msurare nu pot s msoare corect ncrcarea PFC, deoarece acestea nu msoar corect componena armonic a curentului .

Probleme cu linii specifice (lungi) sau la comutarea sarcinilor mari

Circuitele lungi nseamn impedane mari, ceea ce conduce la importante distorsiuni armonice la curenii de pornire, de exemplu atunci cnd un motor mare este pornit sau cnd este conectat un calculator. Armonicile de curent generate de echipamentele pentru vitez variabil sau sursele n comutaie, plasate la sfritul liniilor de lungime mare, determin o ridicat distorsiune armonic a tensiunii. Din aceast motiv, pentru a reduce cderile de tensiune, se utilizeaz seciuni de arie mare la liniile electrice de lungime mare. Ca beneficiu colateral, creterea ariei seciunii conductoarelor conduce la pierderi mai reduse. Atunci cnd ncrcarea este peste 3000 ore pe an, recuperarea economic poate fi foarte scurt.

Suprancrcarea conductorului de nul

Circuitele trifazate cuprind trei conductoare active i conductor de ntoarcere, prin care circul curentul de nesimetrie ntre cele trei faze. Deoarece armonicile de rang multiplu de trei se sumeaz, conductorul de nul este parcurs de un curent semnificativ. Deoarece n trecut cele mai multe dintre conductoarele de nul aveau o seciune cu arie njumtit, situaia poate deveni critic, atunci cnd conductorul de faz nu lucreaz suficient de departe de sarcina maxim.

Funcionarea nedorit a aparatelor de protecie

Curentul de pornire poate conduce la deconectarea ntreruptoarelor. ntreruptorul ar putea s nu nsumeze corect curentul fundamental i curenii de diferite armonici i poate s conduc la o deconectare eronat i chiar s nu deconecteze atunci cnd este necesar. Curenii de scurgere pot atinge un prag la care echipamentele de protecie la curent rezidual (DDR) s deconecteze.

Remediile pentru evitarea deconectrilor eronate nu trebuie s compromit msurile de protecie ale personalului din zon. Soluia general const n reducerea curentului de pornire i a curenilor de scurgere, prin divizarea echipamentului n mai multe circuite, fiecare circuit alimentnd o sarcin mai redus. Trebuie s fie utilizate ntreruptoare special dimensionate, care pot face fa armonicilor. Creterea seciunii conductoarelor nu este niciodat o soluie corect.

Cerinele furnizorului privind armonicile care afecteaz alimentarea

Nu sunt muli furnizori (pn acum) care iau n considerare costurile pentru poluarea armonic, aa cum se face n mod curent pentru puterea reactiv. Totui, n viitor pot s nceap s fac acest lucru, deoarece armonicile conduc la o exploatare suboptimal a sistemului de distribuie a energiei electrice.

Soluii

Lista soluiilor posibile pentru rezolvarea problemelor de calitate a energiei electrice este lung i incomplet.

Pentru orice tip de problem, exist o gam de posibile mijloace de limitare, dintre care unele pot fi aplicate cu succes. n realitate, exist probabilitatea ca unele probleme s coexiste, iar soluiile adoptate trebuie s fie compatibile cu fiecare dintre ele i cu sarcinile incluse n instalaie. Este necesar a se feri de aa numitele soluii minune de tipul cutie neagr, care uneori au o reclam puternic dar rezolv ns, n toate cazurile, numai o problem particular n realitate asemenea soluii nu exist ! Proiectanii trebuie totdeauna s caute un complex optim de soluii pentru problemele care apar n exploatare sau care ar putea s apar n viitor cu privire la instalaia respectiv. Aceste soluii trebuie s fie robuste.

Este de asemenea important de reinut faptul c sarcinile electrice nu sunt statice. Modificrile pe durata de serviciu a echipamentului i variaiile n comenzile de producie conduc la o modificare permanent a structurii sarcinii. O cldire mare cu birouri, de exemplu, poate avea sute de mutri pe an, astfel nct mediul armonic spectrul agregat al armonicilor de curent n instalaie se modific permanent. Profilul armonic al echipamentelor informatice nu se mediaz ci se adun, n special pentru armonicile importante de rang trei i cinci. Funcionarea echipamentelor cu ciclu scurt de lucru, ca de exemplu, lifturile sau echipamentele de prelucrare a metalului (a se vedea locaia proprie sau locaia vecin) determin variaii locale de tensiune care se adun la cele care rezult n sistemul de distribuie. n consecin, problemele de calitate a energiei electrice au deseori caracter statistic i impun o monitorizare atent pentru a le defini complet.

Costul problemelor de calitate a energiei electrice, determinat de pierderi datorate ntreruperilor variaz n limite largi n funcie de tipul de industrie. Totui, costul mijloacelor de limitare, de multe ori corespund criteriilor de recuperare a investiiilor n industrie i societi comerciale, durata de recuperare fiind de 2 3 ani. Desigur, costul mijloacelor de prevenire de evitare a problemelor nc din stadiul iniial de proiectare este de 10 20% din costul implementrii mijloacelor de limitare ntr-o instalaie n funciune (a se vedea seciunea 2 din acest ghid). Din pcate, pentru cldirile n stadiul de proiect, natura i locul sarcinilor finale sunt n general necunoscute, astfel nct problemele poteniale de calitate a energiei electrice i costurile asociate sunt dificil de cuantificat. Investiiile n soluii privind calitatea energiei electrice n cazul cldirilor de afaceri pot reprezenta o adevrat provocare. n viitor, inginerii vor fi n stare s prevad n mod veridic dimensiunea problemelor i vor avea experiena practic de a le rezolva. n acelai timp, probabil c proprietarii cldirilor vor realiza faptul c prevenirea este totdeauna mai ieftin dect remedierea.

Protecia la supratensiuni

Este prima msur care trebuie adoptat n practic. Legarea la pmnt i compatibilitatea electromagnetic (EMC).

UPS (surse nentreruptibile)

Sunt foarte puine locaii care cuprind o mare cantitate de echipamente IT sau de control al proceselor i care nu au unele tipuri de UPS. Acestea se pot ntinde de la una sau mai multe uniti de putere mic, ce asigur protecia calculatoarelor individuale pn la uniti centrale mari cu putere normat pn la 1 MVA. Strategia privind utilizarea UPS trebuie s fie bine gndit deoarece energia din UPS este o energie stocat i la realizarea acesteia rezult substaniale pierderi suplimentare. Aceasta este scump i trebuie s fie utilizat n mod selectiv. Cea mai economic soluie const n utilizarea UPS numai pentru alimentarea serverelor, echipamentelor de control al proceselor i a echipamentelor de siguran, pe o durat suficient pentru a permite o oprire controlat i/sau evacuarea astfel rmnnd nealimentate calculatoarele din reea i echipamentele auxiliare. La cellalt capt al spectrului, UPS poate fi dimensionat pentru a asigura practic ntreaga funcionalitate pentru durata necesar

pentru punerea n funciune a sursei de intervenie. n cele mai multe situaii, soluia optim este undeva ntre aceste dou extreme.

Generator de intervenie

Din cauza ntrzierii la pornire, generatorul de intervenie este n a doua linie de protecie la o ntrerupere n alimentare. Acest echipament poate s asigure alimentarea unei mari pri a sarcinii, pe un interval mare de timp.

Msurarea valorii efective adevrate

Msurarea nsemn cunoatere. Valoarea efectiv adevrat poate fi semnificativ mai mare dect valoarea incorect msurat cu ajutorul unui aparat de valoare medie. Din fericire, cele mai multe dintre locaiile analizate au n dotare aparate de valoare efectiv adevrat. Totui, pentru a fi siguri este necesar ca toate instrumentele de msurare s fie de valoarea efectiv adevrat.

Subncrcarea transformatoarelor

Practica subncrcrii transformatoarelor n cazul sarcinilor cu armonici este bine documentat, n standardul CEI 61378-1 Transformatoare pentru aplicaii industriale, dar este nc puin neleas. Trebuie reinut faptul c energia termic suplimentar determinat de poluarea armonic poate conduce la o spectaculoas reducere a duratei de via. Utilizarea unui transformator dimensionat pentru factorul K, special pentru a rezista la sarcini cu armonici, este de preferat fa de subncrcarea transformatorului, deoarece transformatorul dimensionat pentru factorul K este proiectat s aib pierderi prin cureni turbionari reduse. Transformatorul subncrcat are pierderi mari el este pur i simplu supradimensionat, astfel nct pierderile care rezult s poat fi disipate. La nivel practic este dificil de a menine subncrcarea transformatorului pe durata sa de via dac sarcina crete problema subncrcrii va fi uitat i transformatorul poate ajunge s fie puternic suprancrcat.

Subncrcarea motoarelor

Nesimetria de tensiune i armonicile de tensiune determin pierderi suplimentare n motoarele electrice, astfel c un motor nu poate fi ncrcat complet pn la sarcina normat. NEMA (National Electrical Manufacturers Association) ofer unele indicaii ct trebuie s fie subncrcat motorul n prezena armonicilor de tensiune.

Motoarele de eficien ridicat (clasa A de eficien) economisesc nu numai energie i n acest fel i bani, dar sunt i mult mai robuste la problemele menionate mai nainte. Prin utilizarea de material mai mult i mai bun, sunt mai reci n funcionare i sunt astfel mai adecvate s transfere cldura suplimentar generat de armonici sau de curentul de pornire dup un gol de tensiune.

Circuite dedicate

Sarcinile care sunt sensibile la poluarea armonic trebuie s fie alimentate prin circuite dedicate. Sarcinile mari trebuie s aib de asemenea circuitul lor propriu, pentru a nu afecta alte sarcini pe durata punerii n funciune. Conform analizei efectuate, 25 % dintre locaii utilizeaz soluia circuitelor separate.

Cabluri multiple pentru sarcinile nelineare

n afara cldurii suplimentare generat de curentul electric prin conductorul de nul, aria seciunii transversale a cablului se reduce datorit efectului pelicular, avnd efect ncepnd cu armonica de rang 7. Utilizarea diametrelor mai mari ale cablurilor nu este o soluie, deoarece curentul va continua s fie refulat spre periferia conductorului. Prin urmare este necesar a utiliza mai multe cabluri plasate n paralel, astfel nct s se asigure alimentarea.

Recablarea complet a instalaiei

Este o msur destul de drastic (cu excepia cazului n care este parte a unei modernizri importante), dar frecvent adoptat, atunci cnd instalaiile vechi nu au fost proiectate pentru a face fa sarcinilor moderne. Conform analizei a 1400 cldiri, aceast soluie a fost adoptat n 24 % dintre cazuri.

Zonarea sarcinilor electrice

Diferitele tipuri de sarcini prezint diferite cerine relativ la EMC, continuitate i siguran n alimentare. De aceea este necesar clasificarea sarcinilor electrice n diferite categorii, fiecare cu propriul traseu, legtur la pmnt sau alimentare de siguran .Priz de pmnt sub form de reea

Cerina de a obine o impedan redus a circuitului de pmnt pentru un larg spectru de necesit realizarea unei prize de pmnt sub form de reea, pentru fiecare etaj, cu multiple legturi verticale.

Filtre pasive

Este o soluie larg ntlnit, care poate fi aplicat pentru sarcini individuale sau centralizate. Atunci cnd filtrul este plasat ct mai aproape posibil de punctul de generare a armonicilor, se poate asigura c filtrarea va rmne eficient pe durata multor schimbri care intervin n mod obinuit ntr-o cldire cu birouri. Dezavantajul const n aceea c este prevzut o capacitate de filtrare mai mare dect cea necesar n prezent (ceea ce nseamn c nu a fost luat n considerare diversitatea sarcinilor), iar filtrele individuale de capacitate redus sunt mai scumpe dect o unitate centralizat.

Pe de alt parte, unitatea centralizat ofer posibilitatea realizrii unei combinaii de filtru pasiv cu un echipament de corectare a factorului de putere. La proiectarea acestor funciuni n comun este necesar a adopta msuri pentru evitarea rezonanelor pe frecvenele armonice. n mod uzual, echipamentele combinate pentru corectarea factorului de putere i filtrare sunt plasate centralizat, asigurnd economii prin limitarea diversitii, reducerea volumului necesar de semnale de comand, posibilitatea de a asigura o reglare de calitate ridicat a factorului de putere, fr riscul unei autoexcitri a motoarelor. Deoarece mediul armonic al sarcinii se modific treptat, este necesar a se asigura c filtrele rmn funcionale.

Filtre active

Este cea mai bun soluie practic, dar are preul ei. Totui, este extrem de flexibil i adaptabil i este utilizat n special atunci cnd au loc modificri ale mediului armonic.

Recablarea pentru sistem TNS

Sistemele TNC, cu aa numitul conductor PEN, sunt n prezent o excepie, dei n unele ri sunt nc n funciune. n normativele europene, conductorul PEN este n prezent considerat ca un caz special. Pentru cldirile cu sisteme informatice puternice, sistemul TNC nu mai este permis de mult. Din punctul de vedere al EMC, sistemul TNS este superior.

Supradimensionarea conductorului de nul

n cele mai multe normative actuale se impune utilizarea conductorului de nul cu seciune 100 % (n raport cu conductorul de faz), cu excepia cazului n care se poate arta faptul c o seciune mai mic este suficient.

Acolo unde intervin armonicile, conductorul de nul dimensionat pentru 100 % capabil s transfere actualul curent de nul trebuie, n unele normative de instalaii, s fie protejat eficient contra supracurenilor .Concluzii

Calitatea energiei electrice este un domeniu complex, acoperind o arie de mai mult de o duzin de probleme, pentru fiecare existnd un mare numr de soluii. n prezent, multe locaii energointensive sunt afectate ntr-o oarecare msur de o calitate redus a energiei electrice, dar multe locaii au adoptat deja unele soluii. Acestea constau n mod obinuit n procurarea de UPS, de generatoare de intervenie, adoptarea de msurtori ale valorii efective adevrate i suplimentate cu o serie de alte msuri, de exemplu priz de pmnt sub form de reea, recablarea n sistem TNS, utilizarea filtrelor active etc.

Este improbabil ca o singur soluie s fie eficient. Este necesar o proiectare atent a unui complet de soluii, adaptate la problemele de calitate a energiei electrice care apar n exploatare i bazate pe nelegerea n detaliu a cauzelor problemelor de calitate a energiei electrice. Urmtoarele capitole ale acestui ghid urmresc s ofere astfel de cunotine pentru antreprenori, ingineri de proiectare i specialitii de ntreinere.