Perturbațiile armonice – surse invizibile de probleme la consumatori
Identificarea timpurie a evenimentelor care generează riscuri crescute de defectare a echipamentelor instalației electrice, permite menținerea sistemului în siguranță și eliminarea unor costuri neprevăzute și greu de gestionat în timp scurt. Orice prevenire se bazează însă pe cu-noaștere. Pentru a preveni trebuie să știm ce se întâmplă, iar în sistemul de alimentare cu energie electrică, cu-noașterea este vitală pentru că dependența noastră de buna lui funcționare este din ce în ce mai profundă. Prin monitorizarea continuă a parametrilor energetici ai rețelei electrice pe o perioadă de timp suficient de lungă le vom surprinde evoluția în diverse situații – în plină sarcină, în gol de sarcină, zi, noapte, zile lucrătoare, zile libere, schimb de ture etc. – și pot fi reconstituite tipare de comportament ale sarcinii legate de ciclul normal de activitate. Cunoscând comportamentul normal al sarcinii pot fi relevate și situațiile atipice, iar prin analiza comparativă a parametrilor se poate găsi echipamentul care produce probleme. Orice echipament poate la un moment dat să înceapă să funcționeze necorespunzător din diverse cauze – uzură fizică, îmbătrânirea izolațiilor, erori de întreținere sau chiar erori de software la echipamente complexe. Un comportament deviant al unui echipament influențează parametrii de calitate ai rețelei electrice și în funcție de puterea lui perturbatoare afectează pe o arie din jurul său toți ceilalți consumatori.
Foarte mulți utilizatori au în dotare instalații pentru compensarea factorului de putere. O compensare eficientă trebuie să asigure în orice situație că factorul de putere se menține dinamic în intervalul 0,9 inductiv-0,9 capacitiv. Treptele de reglaj și în special treapta minimă trebuie alese în funcție de acest criteriu. În marea majoritate a cazurilor vorbim de o compensare a energiei reactive inductivă realizată cu baterii de condensatori. O funcționare deficitară a instalației de compensare poate conduce la situații foarte periculoase prin apariția armonicilor de curent în rețeaua electrică de joasă tensiune. Iar dacă sursa defor-mantă este suficient de puternică în raport cu puterea rețelei în punctul de conectare atunci sunt deformate și undele de tensiune și în acest fel o perturbație locală se propagă și afectează și ceilalți utilizatori. În primul rând sunt afectați însă consumatorii din imediata apropiere, deci din curtea proprie a consumatorului deformant.
Analiza rezultatelor unei monitorizări a parametrilor energiei electrice la un utilizator a pus în evidență o situ-ație neobișnuită – creșterea simultană atât a tensiunilor, cât și a curenților de fază.
Monitorizarea s-a efectuat cu un echipament Electrical Energy Supervisor tip EES-RC cu traductoare de cu-rent tip bobină Rogowski, pe o perioadă de 7 zile, iar analiza rezultatelor cu programul SisMonApp-v0.24.1rc.
Prin analiza următoare determinăm ce echipament a produs această situație anormală, precum și ce efecte nocive ar fi putut avea asupra celorlalți consumatori dacă nu era depistată la timp.
Figura 1 – Diagrame Tensiuni de fază, Curenți de fază
Figura 2 – Diagrame Tensiune faza A, Curent faza A
Din diagramele prezentate în Figura 1 și Figura 2 se observă că la ora 11.34 apare pe înregistrări o creștere bruscă atât a tensiunilor (de la circa 230 V la circa 240 V), cât și a curenților de fază. Procesul de producție era în curs de oprire controlată, se observă tendința de scă-dere a curenților de fază de la o valoare de circa 114 A pe faza A la ora 11.14 la o valoare de circa 78 A la ora 11.33. La ora 11.52 fenomenul dispare, toți curenții de fază scad la zero. Pentru claritatea graficelor întrucât fe-nomenul afectează toate cele trei faze în mod similar, păstrăm pe grafic doar tensiunea și curentul pe faza A (Figura 2)și apoi introducem pe rând alți parametri rele-vanți pentru situația de față.
Figura 3 – Diagrame Tensiune faza A, Curent faza A, Putere activă totală
Figura 4 – Diagrame Tensiune faza A, Curent faza A, Putere reactivă totală
În Figura 3 și Figura 4 am introdus pe rând și diagra-mele reprezentând evoluția în timp a puterii active totale și a puterii reactive totale. Se constată că puterea activă totală urmărește forma curenților de sarcină, cu o scădere controlată de la circa 78 kW până la circa 51 kW, după care scade la zero la ora 11.34, chiar în momentul în care tensiunea și curen-tul încep să crească.Se intuiește că unul din echipamentele de reglaj să fie cauza. Într-adevăr, din Figura 4 se constată că puterea reactivă totală are o valoare de circa 25 kVAR la ora 11.33, după care trece brusc la o valoare de circa -66 kVAR.
Figura 5 – Diagrame Tensiune de fază A, Curent de fază A, Defazaj tensiune-curent faza A
Figura 6 – Diagrame Tensiune fază A, Curent fază A, Factor de putere total
Pentru un diagnostic corect, analizăm încă doi parametri. Valorile parametrului Defazaj tensiune-curent faza A din Figura 5 și a parametrului Factor de putere total din Figura 6 confirmă că este vorba de o funcționa-re anormală, defectuoasă, a instalației de compensare a energiei reactive. Astfel, defazajul tensiune-curent pe faza A trece brusc de la o valoare de circa 26 grade la ora 11.34 la o valoare de circa -89 grade, se trece deci rapid dintr-un regim cu caracter inductiv într-un regim cu caracter aproape pur capacitiv. Din Figura 6 se observă că în sarcină plină, corespunzătoare ciclului de produc-ție, între orele 07.51 și 11.34 factorul de putere se men-ține la valori între 0,91-0,95 ceea ce arată o compensare foarte bună pe acest interval. Odată cu scăderea puterii active totale absorbită de sarcină în timpul procesului de oprire controlată începe să scadă ușor și factorul de pu-tere (simultan cu creșterea defazajului tensiune-curent), după care scade brusc la zero.
Cu toate aceste probe, diagnosticul este clarinstalația de compensare a energiei reactive nu a reacționat la scăderea sarcinii active și a rămas în funcțiune încă 18 minute.
Efecte – tendința de creștere a tensiunii de fază și menținerea unor curenți destul de mari în instalație, cu un puternic caracter capacitiv.
Există însă și alte efecte secundare ale acestei situații de defect temporar care au potențialul de a conduce la scurtarea drastică a duratei de viață a utilajelor atât din rețeaua utilizatorului, cât și, prin propagare în rețeaua de distribuție, a altor utilizatori din apropiere. Pentru a pune în evidență aceste efecte secundare verificăm înregistră-rile analizei armonice, înregistrări efectuate simultan cu toți parametrii energetici, făcând zoom pe același interval de timp.
Figura 7 – Diagrame armonica fundamentală tensiune faza A (AV_HR_1), armonica fundamentală curent faza A (AI_HR_1), coeficient total de distorsiune armonică curent faza A (THDIA), coeficient total de distorsiune armonică tensiune faza A (THDUA)
În Figura 7 sunt prezentate diagramele armonicii fun-damentale de tensiune faza A (AV_HR_1), armonicii fun-damentale de curent faza A (AI_HR_1), coeficientul total de distorsiune armonică curent faza A (THDIA), coeficientul total de distorsiune armonică tensiune faza A (THDUA). Pentru că fazele B și C se comportă similar fazei A, am păstrat pe grafic doar parametrii armonici ai fazei A.
Se observă evoluția coeficientului total de distorsiune armonică curent pe faza A (THDIA) de la o valoare de circa 6% în sarcină plină (până la ora 11.14), crește la circa 10% atunci când curentul de sarcină începe să scadă controlat (până la ora 11.34) și apoi crește brusc la o valoare de circa 20% până la oprirea completă. Distorsiunile armonice pe curenții de fază sunt însă periculoase atunci când provoacă distorsiuni armonice în undele de tensiune. Analizând coeficientul total de distorsiune armonică tensiune faza A (THDUA) se observă că are o valoare de circa 1% în plină sarcină, crește spre 2% când începe oprirea sarcinii (ora 11.14) și apoi crește spre 3% după ora 11.34. Acest nivel este mult sub nivelul maxim permis de norme însă trebuie reținut că a fost provocat de o putere reactivă totală uitată în circuit de doar -66 kVAR. La instalații mult mai mari ca putere efectele cu siguranță sunt cu totul altele.
Figura 8 – Diagrame armonica fundamentală tensiune faza A (AV_HR_1), armonica fundamentală curent faza A (AI_HR_1), armonica curent faza A ordin 5 (AI_HR_5) și armonica curent faza A ordin 7 (AI_HR_7)
Figura 9 – Diagrame armonica fundamentală tensiune faza A (AV_HR_1), armonica fundamentală curent faza A (AI_HR_1), armonici impare curent faza A ordin 9-31
Din Figura 8 și Figura 9 se constată că armonicile de curent pe faza A care contează în intervalul analizat sunt armonica 5 cu o valoare de circa 4% din fundamentală și armonica 7 cu o valoare de circa 19% din fundamentală. În restul timpului se mai observă valori care ies în evidența pe grafic pentru armonica 11, circa 5% la ora 08.53 și armonica 13. Restul armonicilor impare până la ordinul 31 sunt neglijabile.
Figura 10 – Diagrame armonica fundamentală tensiune faza A, armonica fundamentală curent faza A, armonica 5 si 7 tensiune faza A
Figura 11 – Diagrame armonica fundamentală tensiune faza A (AV_HR_1), armonica fundamentală curent faza A (AI_HR_1), armonici impare tensiune faza A ordin 9-31
Din Figura 10 și Figura 11 se observă că armonicile de tensiune pe faza A de ordin 5 și 7 cu o valoare de 1% respectiv 2% sunt singurele care deformează unda de tensiune sinusoidală. Toate celelalte armonici impare de tensiune faza A până la ordinul 31 sunt zero.
Concluzii
Dar, totuși, de ce ar trebui să ne preocupe atât de mult nivelul armonicilor din rețea?
Să ne referim doar la motoarele electrice asincrone, extrem de răspândite la utilizatorii rețelelor electrice de distribuție de joasă tensiune. Întrucât armonicile de tensiune determină cupluri parazite care se suprapun peste cuplul motor produs de armonica fundamentală și de asemenea produc și pierderi suplimentare în motor, printre motivele de îngrijorare putem enumera creșterea temperaturilor în înfășurările și în miezul magnetic, creșterea nivelului de vibrații și în final reducerea drastică a duratei de viața, iată doar câteva consecințe care ne pot afecta serios financiar.
Supravegherea preventivă a rețelelor electrice poate reduce consistent cheltuielile pentru că orice instalație, utilaj, echipament conectat la rețeaua de alimentare cu energie electrică se poate defecta la un moment dat însă dă semnale în acest sens cu mult timp înainte.
Ing. Ion Munteanu, SC SISMON SRL Craiova,
Atestat ANRE 19073 tip A1 – Încercări de echipamente și instalații electrice de joasă tensiune
