Regimul dezechilibrat în reţelele electrice şi influenţele acestuia asupra consumatorilor

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

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

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

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

5. influenţa asupra indicatorilor economici şi tehnici ai reţelelor de transport şi distribuţie, precum şi asupra generatoarelor din sistem În acest caz: consumatorul trebuie să asigure încadrarea perturbaţiilor emise sub formă de nesimetrie în limitele alocate, stabilite de furnizorul de energie electrică din condiţia de calitate a energiei electrice furnizată celorlalţi consumatori din reţeaua electrică. Furnizorul de energie electrică este interesat de monitorizarea curenţilor electrici absorbiţi de consumator şi verificarea încadrării nesimetriei acestora în limitele alocate perturbaţiei produse.

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

7. Reţeaua se numeşte echilibrată dacă impedanţele pe cele trei faze sunt identice, adică: • au acelaşi modul; • au acelaşi argument. În cazul în care cel puţin una din impedanţele complexe diferă de celelalte, reţeaua se numeşte dezechilibrată. Regimul nesimetric poate fi: • temporar, dacă perturbaţia este determinată de defecte sau regimuri de funcţionare cu durată limitată în timp (scurtcircuite nesimetrice, întrerupere a unei faze, defecte la consumatori etc.); • permanent, dacă reţeaua electrică prezintă parametri de circuit diferiţi pe cele trei faze în regim normal de funcţionare.

8. Regimul nesimetric permanent poate fi determinat de: • sarcinile inegale pe cele trei faze ale reţelei de alimentare de tensiune alternativă trifazată; • receptoarele monofazate repartizate inegal pe cele trei faze (iluminat stradal, consumatori casnici etc.) • receptoare bifazate (aparate de sudare electrică, cuptoare electrice de inducţie la frecvenţă industrială, tracţiune electrică etc.); • receptoare trifazate dezechilibrate (cuptoare cu arc electric); • impedanţe diferite ale liniilor electrice pe cele trei faze (în special liniile electrice aeriene).

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

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

11. abaterea maximă a tensiunii de fază

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

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

14. În cazul regimurilor deformant şi nesimetricse defineşte factorul de nesimetrie negativă de tensiunecorespunzător armonicii fundamentale

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

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

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

18. Se admite calculul aproximativ în care Umax1,Umin1 reprezintă cea mai mare valoare, respectiv cea mai mică valoare efectivă dintre cele trei tensiuni de linie de frecvenţă fundamentală; în acest caz, eroarea de determinare a componentei de secvenţănegativă de tensiune nu depăşeşte  8%.

19. valoarea efectivă a componentei de secvenţă zero de tensiune, de frecvenţă fundamentală,

20. unde Ufmax1 şi Ufmin1 sunt cea mai mare, respectiv cea mai mică valoare efectivă dintre tensiunile de fază de frecvenţă fundamentală

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

22. 4. Efecte ale regimului nesimetric • 4.1. Influente asupra consumatorilor In cazul consumatorilor, influenţa regimurilor nesimetrice prezintă aspecte specifice în funcţie de unele caracteristici ale receptoarelor alimentate. Astfel, prezenţa la bornele maşinilor rotative a unor tensiuni nesimetrice conduce, chiar pentru o componentă de secvenţă negativă de valoare scăzută, la o creştereconsiderabilă a pierderilor de putere activă, ceea ce are ca efect încălzirea suplimentară a înfăşurărilor şi a diferitelor părţi ale statorului şi ale rotorului. Creşterea temperaturii afectează izolaţia înfăşurărilor; de exemplu, prin creşterea temperaturii cu 8C, durata de viaţă a izolaţiei de clasă A a înfăşurărilor scade la jumătate.

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

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

26. Importante efecte negative apar şi în cazul alimentării cu tensiuni nesimetrice a bateriilor de condensatoare. Deoarece puterea reactivă pe fiecare fază depinde de pătratul tensiunii aplicate bateria de condensatoare, racordată la o reţea cu tensiune nesimetrică, contribuie ea însăşi la agravarea nesimetriei având în vedere faptul că pe faza cea mai încărcată (cu tensiunea pe fază cea mai mică) va fi debitată cea mai redusă putere reactivă şi deci cea mai redusă îmbunătăţire a factorului de putere

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

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

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

30. 4.2. Influente asupra sistemului energetic Pentru furnizorii de energie electrică, existenta regimului dezechilibrat provoacă efecte asupra maşinilor sincrone, a transformatoarelor şi bateriilor de condensatoare, determină creşterea consumului propriu tehnologic şi influenţează negativ funcţionarea sistemului de protecţie. O deosebită importanţă o are influenţa nesimetriei tensiunilor asupra regimurilor de funcţionare ale maşinilor sincrone de puteri mari, frecvent întâlnite ca generatoare în centralele electrice. Studiile efectuate în acest sens au permis elaborarea de normative care reglementează funcţionarea maşinilor sincrone în regimuri nesimetrice [13, 14].

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

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

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

34. 5.1. SCHEME DE SIMETRIZARE CU TRANSFORMATOARE MONOFAZATE

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

36. 5.2. Scheme de simetrizare cu elemente reactive suplimentare

37. YL YS1 UA YL YS2 UB YL YS3 UC YN BY3 B12 B23 BY2 B31 BY1 Fig. 5. Repartizarea elementelor de simetrizare în cazul alimentării unui consumator trifazat dezechilibrat cu neutrul accesibil

38. Sarcină Redresor trifazat PWM Filtru activ serie

39. 1 Post de transformare 2 U10 U20 3 U30 N Reţea de joasă tensiune Zl Zl Zn Zl 1 U12 2 U23 Tablou de distribuţie U31 3 U1 U2 U3 N Instalaţie interioară Receptoare P1, 1 P2, 2 P3, 3 3 2 1 N N N Analiza regimului dezechilibrat pentru reţeaua de distribuţie de JT din figură

40. parametri consumator [W] [W] [W] parametri linie [Ω] [Ω]

41. Z1 Zl I1 U1 U10 U12 Z2 Zl I2 U31 U23 U2 U20 Z3 Zl I3 U3 U30 Zn In Post de transformare Reţea de joasă tensiune Receptoare [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]

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

43. [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A]

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

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

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

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

48. alte relaţii pentru determinarea factorului de nesimetrie negativă [%]

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

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