BACIU Laurentiu-Costin

2405 ISE

N=4; X=5; Y=3;

Tema UEE

METODE DE EVALUARE A LIMITELOR DE EMISIEEXEMPLU DE APLICARE

1. Introducere

Evaluarea limitelor de emisie a perturbaţiilor sub forma de armonici, determinate de consumatori cuprinzând receptoare nelineare, se face în trei stadii, dependente în special de caracteristicile sursei perturbatoare [1, 2]. În stadiul 1 (fig. 1) are loc o evaluare simplificată a emisiei perturbatoare, fiind caracteristic consumatorilor cu o putere instalată relativ mică. Se apreciază că în cazul acestor consumatori, constructorii de echipamente au adoptat măsurile necesare pentru limitarea perturbaţiilor armonice sub nivelurile admise pentru tipul respectiv de echipament.

Dacă o sarcină nu satisface criteriile stadiului 1, urmează ca în stadiul 2 să se facă evaluarea caracteristicilor specifice ale echipamentelor producătoare de armonici în acelaşi timp cu capacitatea de absorţie (autocompensare) a reţelei. Nivelul perturbator alocabil se deduce din nivelurile de planificare şi este împărţit între utilizatori în funcţie de puterea lor (individuală) raportată la puterea totală disponibilă a reţelei. La atribuirea nivelurilor de planificare utilizatorilor industriali individuali în MT este necesar să se ţină seama şi de nivelul de perturbaţie rezultat de la reţelele de tensiune mai ridicată.

În principiu, într-o astfel de abordare, dacă reţeaua este la plină sarcină şi dacă toţi utilizatorii injectează la limita lor individuală, nivelul total al perturbaţiilor este egal cu nivelul de planificare.

Dacă o sarcină nu satisface nici criteriile stadiului 2, urmează ca în stadiul 3 să se accepte niveluri de emisie mai ridicate cu titlu excepţional şi temporar.

În cele ce urmează sunt analizate problemele care apar în stadiul 2 la evaluarea consumatorilor conectaţi în reţeaua de MT şi alocarea cotei de perturbaţii.

2. Reţeaua de referinţă şi ipoteze de calcul

Pentru a pune în evidenţă metodele propuse în această notă tehnică de evaluare a limitelor de emisie armonică, alocate în stadiul 2, se consideră un exemplu pentru o reţea de MT cu tensiunea nominală de 20 kV (fig. 2).

Aplicarea – pe baza unui calcul manual – a metodelor propuse este evident posibilă într-o reţea de referinţă simplă şi acceptând ipoteze simplificatoare.

Exemplul prezentat are la bază anexele D şi E din CEI 1000-3-6/1996 (informative) [1].

Reţeaua cuprinde şase linii aeriene cu tensiunea nominală de 20 kV, alimentate printr-un transformator 110/20kV cu puterea nominală de 32 MVA, fiecare dintre linii având lungimea de 5 km şi 3 sarcini repatizate în lungul liniilor (fig. 2).

Sarcina maximă pe care o poate asigura postul, dacă se ţine seama de capacitatea de supraîncărcare permanentă (de ex. 10%) este 32 1,1 = 35,2 MVA.

Se consideră o repartiţie normală a sarcinii între MT (de exemplu 40%) şi JT (60%).Puterea furnizată la MT rezultă

SMT = 32 0,4 = 12,8 13 MVA;Puterea furnizată la JT

SJT = 32 0,6 = 19,2 19 MVA.

Se presupune că sarcinile de pe fiecare linie au aceeaşi valoare. În acest fel puterea fiecărei sarcini este

Si = 13 : 19 = 0,684 MVA = 684 kVA,considerată a fi egală cu sarcina contractată de fiecare utilizator.

Ceilalţii parametri sunt consideraţi ca având valori caracteristice reţelelor de distribuţie: factorul de coincidenţă între sarcina perturbatoare de la MT şi JT, FMJ = 0,5 ; factorul de simultaneitate FMT al sarcinii de MT (dependent de tipul sarcinii şi caracte-

risticile sistemului),; factorul de transfer ThIM al armonicelor de rang h de la înaltă la medie tensiune

(dependent de caracteristicile sistemului, sarcina perturbatoare şi de rangul armonicei).Pentru simplificarea calculului manual se adoptă următoarele ipoteze simplificatoare: este analizată numai armonica de rang 5; se neglijează impedanţele transversale ale liniei; impedanţele armonice sunt luate în calcul numai prin componenta reactivă; impedanţa

armonică se determină din impedanţa de scurtcircuit şi se consideră că este direct proporţională cu frecvenţa (se apreciază că nu apar fenomene de rezonanţă); valorile calculate pentru armonica de rang 5, în cazul schemei indicată în fig.2 sunt prezentate în tabelul 1.

Impedanţele armonice de rang 5 ale reţelei de distribuţie analizatePCC Distanţa de la bara de

MTkm

Impedanţa armonică de rang 5

1 0 8,552 5 17,33 10 26,04 15 34,85 20 43,56 25 52,3

În calculul impedanţelor schemei din fig.2 s-au avut în vedere următoarele: impedanţa (reactanţa) echivalentă a sistemului (pentru armonica fundamentală) la

puterea minimă de scurtcircuit pe barele de 110 kV rezultăX1S = 202/ 1900 0,21 ;

impedanţa (reactanţa) longitudinală a transformatorului IT/MT (pentru armonica fundamentală)

X1T = (15/100)(202/32) 1,875 ; impedanţa (reactanţa) longitudinală a liniei (pentru armonica fundamentală);

X1C 0,35 /km; impedanţa (reactanţa) longitudinală a liniei pentru armonica de rang 5 şi pe 2,5 km

X5C 2,5 (5 0,35) = 4,375 .Pentru PCC1 impedanţa armonică rezultă ca suma dintre impedanţa de sistem şi cea a

transformatorului.X1 PCC1 = X1s + X1T = 0,21+ 1,875 = 2,085 ;

X5 PCC1 = 2,5 X1 PCC1 = 5,2125 .Pentru fiecare dintre impedanţele armonice corespunzătoare diferitelor puncte de

conectare PCC se adaugă valorile corespunzătoare lungimilor respective ale liniei. Impedanţele armonice astfel calculate, ataşate fiecărui PCC sunt indicate în tabelul 1.

3. Determinarea limitelor de emisie

Determinarea limitelor de emisie se poate face în trei moduri diferite de abordare: primul mod de abordare ia în considerare în mod direct, nivelul general acceptat al

perturbaţiei sub formă de armonici în reţeaua de MT [2]; procedeul poate fi aplicat în special în cazul staţiilor de 20 kV la care sunt conectaţi radial consumatori individuali (nu sunt racordaţi consumatori de joasă tensiune prin intermediul unui transformator 20/0,4 kV şi nu sunt conectate linii care alimentează mai mulţi consumatori);

al doilea mod de abordare ia în consideraţie, în mod explicit prezenţa sarcinilor de JT [2]; procedeul poate fi aplicat în special în cazul în care la barele de 20 kV sunt conectaţi numai consumatori individuali şi o alimentare pentru consumatorii de joasă tensiune prin intermediul unui transformator de 20/0,4 kV);

al treilea mod de abordare este propus a fi luat în considerare în cazul reţelelor de MT lungi (cabluri lungi peste10 km şi / sau cu linii aeriene peste 5 km [2] pentru a lua în considerare limitarea excesivă a utilizatorilor conectaţi la sfârşitul liniei; procedeul poate fi aplicat în cazul general în care liniile de racord de 20 kV alimentează mai mulţi consumatori.

3.1 Primul mod de abordare

În acest mod de abordare limitele de emisie individuală se determină pe baza valorii globale Gh MT+JT acceptate a contribuţiilor determinate de sursele perturbatoare din reţeaua de MT şi JT, având în vedere puterea contractată Si a consumatorului individual, puterea totală St

conectată în reţeaua de MT şi impedanţa armonică Zh de rang h în punctul de conectare al consumatorului perturbator.

Nivelul global acceptat Gh MT+JT pentru armonica 5 se stabileşte direct pe baza valorilor indicate în norme (tabelul 2)[2]:

G5 MT+JT = 4%.În mod obişnuit se consideră faptul că suprapunerea contribuţiilor armonice ale diferitelor

surse are loc conform relaţiei [1]

Uh=α√∑

i

U hiα

, (1)în care Uh este nivelul rezultat, Uhi – contribuţia sursei perturbatoare i, iar – exponent care se alege pe baza datelor din tabelul 3, având pentru 5 h 10, valoarea 1,4 [1].

Dacă se acceptă sumarea armonicelor conform relaţiei (1), limitele individuale (ca tensiune) de emisie ale sarcinilor conectate în diferitele PCC (Si = 500 kVA) pot fi determinate din relaţia

EUhi=Gh MT +JT⋅1,4√ S i

St , (2)sau, pentru cazul concret analizat

Tabelul 2 Contribuţia totală admisibilă GhMT +JT a sarcinilor MT şi JT la tensiunea armonică MT în

cazul

în care factorii de transfer, a perturbaţiilor din reţeaua MT sunt unitari

Rang impar

nemultiplu de 3

Rang impar

multiplu de 3

Rang par

Rang

h

Tensiune armonică

%

Rang

h

Tensiune armonică

%

Rang

h

Tensiune armonică

%

5 4 3 2 2 0,1

7 2,8 9 0,4 4 0

11 2,6 15 0 6 0

13 2 21 0 8 0

17 1,2 10 0

19 0,7 12 0

23 1

25 1

Tabelul 3Exponenţi pentru sumarea armonicelor

Rang armonică

1 h < 5

1,4 5 h 10

2 h > 10

Notă: Dacă este cunoscut faptul că armonicile sunt practic în fază (diferenţa de fază este sub /2) se adoptă = 1 pentru

toate arminicile cu h 5

EU 5 i=4

100⋅1,4√684

44000=0 ,217 %

.Monitorizarea consumatorilor, surse de perturbaţii armonice se face pe curba de curent

electric. Limita acceptată de emisie armonică de tensiune poate fi transformată în limită de emisie armonică de curent prin împărţirea cu impedanţa armonica în PCC al fiecărui utilizator

E Ihi=EUhi

Zh . (3)În mod uzual, limita de emisie EIhi este indicată ca procent din curentul de sarcină

corespunzător puterii contractate a utilizatorului i

E Ihi=EUhi [% ]⋅1000⋅U N

2

Zh⋅Si , (4)în care UN este tensiunea nominală a reţelei, în kV, iar puterea contractată Si se introduce în kVA.

Pentru exemplul indicat în fig. 2 , în cazul PCC1 (Z5 = 8,55 ), rezultă

E Ihi=0 , 217⋅1000⋅202

100⋅8 , 55⋅684=14 , 84 %

.Limita de emisie pentru armonica de rang 5 la utilizatorul conectat în PCC6 (Z5

= 52,3 ) rezultă

E Ihi=0 ,217⋅1000⋅202

100⋅52 ,3⋅684=2 , 42 %

Rezultatele calculelor efectuate pentru toate PCC sunt indicate în tabelul 4.

Tabelul 4Limitele de emisie individuală, pentru curenţii armonici de rang 5,

în primul mod de abordare (se consideră implicit FMJ = 1)

PCC Distanţa de la bara de MTkm

EI 5i

% *EI 5i

A

1 0 15,2 2,22 5 7,55 1,093 10 5 0,724 15 3,75 0,545 20 3 0,436 25 2,5 0,36

* % din curentul de sarcină Ii al utilizatorului cu puterea contractată Si

= 500 kVA,

I i=500

√3⋅20=14 , 45 A

Concluzii

Stabilirea pentru fiecare consumator conectat în reţeaua de MT a limitelor admise ale emisiei perturbatoare sub formă de armonici impune o analiză care cuprinde trei stadii, conform algoritmului indicat în fig. 1.

Pentru utilizatorii care nu îndeplinesc condiţiile corespunzătoare stadiului 1, alocarea nivelului emisie perturbatoare necesită efectuarea unui calcul complex, iar rezultatele obţinute sunt corecte în măsura în care ipotezele de calcul sunt corect evaluate. Deosebit de importantă este cunoaşterea în amănunt a caracteristicilor reţelei şi ale utilizatorului, precum şi strategia furnizorului privind asigurarea calităţii energiei electrice oferită consumatorilor racordaţi la reţeaua analizată.

Adoptarea unei legi de însumare a perturbaţiilor armonice, indicată în relaţia (1) ar necesita, pentru fiecare reţea, o validare pe baza unor măsurători pe intervale mari de timp.

Analiza efectuată şi alocarea nivelelor emisie perturbatoare pentru utilizatorii individuali trebuie însoţită de monitorizarea în timp real a consumatorilor perturbatori pentru a urmări încadrarea în limitele admise (înscrise în contractul de furnizare a energiei electrice), în cel puţin 95% din intervalul de referinţă (de obicei o săptămână).

Pentru unele cazuri simple, calculul nivelelor de emisie individuală poate fi efectuat manual. În cazul general, apare necesară utilizarea de programe de calcul specializate.

Bibliografie

[1] *** IEC 1000-3-6/ 1996 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3: Limits - Section 6: Assessment of emission limits for distorting loads in MV and HV power systems. Basic EMC publication.

[2] *** lucrare ISPE, Cod document: I-120.26.001-D2-002.[3] Arie A. ş.a. Poluarea cu armonici a sistemelor electroenergetice funcţionând în regim

permanent simetric. Editura Academiei Române, Bucuresţi, 1994.