Fluctuatii rapide

Fluctuatii rapide

Fluctuatiile rapide constau in modificarea valorii maxime a tensiunii sinusoidale pentru o durata de 20 ms pana la ordinul unei secunde (fig. 3.8.). Fluctuatiile rapide de tensiune antreneaza o degradare a calitatii tensiunii in retelele de distributie, cu consecinte nefavorabile asupra functionarii normale a unor categorii de receptoare.

Fig. 3.8. Definitii legate de variatiile de tensiune (conform CEI 555-3)

Efectele negative cele mai pronuntate ale fluctuatiilor rapide de tensiune sunt urmatoarele:

• variatii bruste si repetate ale fluxului luminos emis de lampile de iluminat care produc o oboseala fiziologica a ochiului omenesc (efect flicker);
• deformarea imaginii televizoarelor;
• deranjamente in functionarea aparatelor de radio;
• deranjamente in functionarea aparaturii electrice si a microprocesoarelor.

1. Efectul de flicker

Prin "flicker" se intelege senzatia de jena fiziologica a ochiului omenesc datorita variatiei fluxului luminos emis de sursele de lumina. Consecintele acestui fenomen au ca efect scaderea productivitatii muncii, marirea probabilitatii de eroare a personalului si consecintele negative asupra sistemului vizual.

Flickerul este datorat variatiilor rapide ale amplitudinii tensiunii de alimentare provocate de:

• fluctuatiile puterii cerute de diverse receptoare: cuptoare cu arc, instalatii de sudura, masini electrice etc.;
• cuplarea sau decuplarea unor sarcini importante: pornirea motoarelor, cuplarea si decuplarea bateriilor de condensatoare etc.. Studiile efectuate pentru lampile cu incandescenta au demonstrat ca flickerul poate avea si alte cauze decat variatiile tensiunii de alimentare.

De exemplu, variatia fluxului luminos poate fi datorata si unei functionari defectuoase a

sistemului de iluminat. Lampile fluorescente - care au in compunere un balast feromagnetic - la finalul ciclului de viata, pot genera flicker, daca functioneaza ca un variator continuu de flux luminos. Intr-adevar, ionizarea gazului devine incerta in conditiile in care comanda in faza taie o parte a sinusoidei tensiunii de alimentare. Lampile cu balast electronic sunt, in general, insensibile la variatiile tensiunii lor de alimentare.

Flickerul poate fi provocat, de asemenea, de prezenta - in curba tensiunii de alimentare - a interarmonicilor. Cercetarile au demonstrat ca lampile cu incandescenta sunt sensibile intr-o banda de frecventa cuprinsa intre 20 Hz si 80 Hz, in timp ce lampile fluorescente au sensibilitati sporite la frecvente superioare valorii de 100 Hz. Lampile cu balast inductiv au o comportare asemanatoare cu lampile cu balast capacitiv.

Principalele surse perturbatoare - generatoare de flicker - sunt:

o      cuptoarele cu arc - la care fluctuatiile de tensiune reclamate de functionarea lor

normala sunt cu atat mai puternic resimtite in retea cu cat puterea cuptoarelor este mai mare (se apropie de puterea de scurtcircuit a retelei locale in care sunt conectate);

o      masinile electrice cu sarcini variabile - la care fluctuatiile de tensiune apar atat la

varierea efectiva a sarcinii (motoarele de la laminoare) cat si la pornirea si oprirea lor (in cazul unor comutari frecvente);

o      regulatoare de putere realizate cu tiristoare - la care pentru a se evita

inconvenientele "comandei in faza" (armonici si paraziti de inalta frecventa) - se apeleaza la o "comanda sincopata", ori de cate ori sarcina o permite. Tiristoarele comandate astfel sunt "aprinse" dupa un multiplu de perioade ale undei tensiunii, dar timpii de conductie sunt mari, repetati cu frecvente de ordinul Hz-lor. De exemplu, pentru a evita aparitia fenomenului de flicker in cazul incalzirii electrice, normele impun constructorilor sisteme de reglare (regulatoare) care sa nu permita comutarea treptei de putere mai rapid de 20 de secunde.

o      instalatiile de sudura cu arc - la care ciclurile repetitive cu frecvente cuprinse

intre sunt la originea perturbatiilor sub forma unor mici caderi de tensiune.

In tabelul 3.2 este sintetizata comportarea diferitelor surse luminoase (lampi) la variatiile rapide ale tensiunii in reteaua de alimentare (sistemele de iluminat fiind cele care sufera cel mai mult de pe urma fenomenului de flicker in retea).

Tabelul 3.2

Senzatia de jena fiziologica produsa de flicker asupra ochiului este resimtita in cazul fluctuatiilor de frecventa cuprinse in domeniul , devenind maxima in cazul fluctuatiei de cand pragul de perceptibilitate corespunde unei amplitudini de 0,3 %. Senzatia de jena acumulata intr-un interval de timp se evalueaza cu ajutorul unei marimi, numita doza de flicker, proportionala cu patratul amplitudinii fluctuatiei si cu durata acesteia (se masoara in [%² min].

Doza de flicker ofera o imagine cantitativa a senzatiei de jena fiziologica, pe o durata data. Numai ca acest parametru este deosebit de fluctuant pentru o perturbatie cu un ciclu de functionare mult mai lung decat perioada de integrare. Din acest motiv, acest parametru exprima destul de rau senzatia de jena fiziologica. Iata, de ce, pentru o analiza riguroasa a acestui fenomen (flicker), o metoda de analiza statistica este mult mai buna.

Curba probabilitatii cumulate

Aceasta curba a fost stabilita plecand de la valorile flickerului instantaneu care pot fi privite ca valoarea "diferentialei instantanee a dozei de flicker". Flickerul instantaneu, fiind o functie de timp este esantionat. Masuratorile pe aceste esantioane sunt, apoi, grupate pe clase, dupa valoarea lor (fig. 3.9).

Fig. 3.9. Reprezentarea schematica a modului de esantionare a flickerului instantaneu ce pune in evidenta nivelul flickerului in functie de timp, pentru un numar de clase limitate la 10 (CEI 868)

Aceasta reprezentare permite trasarea functiei de densitate de probabilitate si a "Functiei de Probabilitate Cumulata - FPC), fig. 3.10.

Fig. 3.10. Curba Functiei Probabilitatii Cumulate (FPC) a semnalului dintr-o clasa, numarul claselor fiind limitat la 10 (CEI 868)

Pe aceasta curba, in vederea analizei, se considera, doar, 5 valori: , , , si . Ele exprima nivelul flickerului instantaneu pentru %, %, %, % si % din perioada de observare, perioada care este, in mod normal, de 10 min.

Variatiile fluxului luminos se datoresc fluctuatiei valorii eficace a tensiunii, care pot fi:

periodice, cu frecventa de ;

salturi bruste de foarte joasa frecventa.

Fig. 3.11. Variatia sensibilitatii ochiului operatorului uman la fluctuatii ale fluxului luminos (generate de fluctuatiile rapide ale tensiunii de alimentare)

Experientele efectuate asupra ansamblului constituit dintr-o lampa cu incandescenta (pe

baza carora s-a definit doza de flicker) si sistemul vizual al unui observator cand tensiunea are fluctuatii sinusoidale au scos in evidenta urmatoarele:

o      senzatia de jena resimtita de observator este functie de patratul amplitudinii

fluctuatiei si de intervalul de timp cat persista aceasta perturbatie;

o      la amplitudine constanta, jena maxima este resimtita cand frecventa fluctuatiei

este de care are un prag de perceptibilitate de ;

o      este posibil sa se obtina aceiasi senzatie de jena la o fluctuatie de frecventa ""

si amplitudine "" ca in cazul fluctuatiei de cu amplitudine "". In acest caz avem:

, (3.3)

in care este o functie de frecventa (fig.3.12.)

Fig. 3.12. Amplitudinea semnalelor in banda

o      daca fluctuatiile de tensiune rezulta din suprapunerea mai multor fluctuatii

sinusoidale de amplitudini si frecvente diferite, flickerul provocat este echivalent celui corespunzator unei fluctuatii de .

Amplitudinea, in acest caz, se determina cu relatia:

(3.4)

o      fluctuatiile de tensiune provoaca aceiasi senzatie de jena in timp la egalitatea

integralelor de tipul:

(3.5)

in care:

- amplitudinea fluctuatiei de echivalenta fluctuatiei reale [%];

- durata perturbatiei [minute];

- doza flickerului.

o      daca se dispune de variatia dozei flickerului in timp, pentru ca flickerul sa fie

suportabil este necesar ca aceasta sa fie situata sub o curba limita biologica admisa.

Curba limita este formata din segmente de dreapta paralele cu dreptele si . Dreapta reprezinta dozele de flicker cumulate pentru o fluctuatie de si amplitudine . Dreapta reprezinta dozele de flicker cumulate pentru o fluctuatie de si amplitudine de . Durata corespunzatoare segmentelor paralele cu dreapta este de 15 minute, iar a segmentelor paralele cu dreapta este de 10 minute.

Deoarece diferitele sisteme perturbatoare existente au o functionare ciclica, este indicat sa se traseze curba cumulata a flickerului mediu pentru, aproximativ, durata unui schimb, 6 sau 8 ore.

2. Perturbatii radiofonice

Perturbatiile aparatelor de radio si televiziune se produc fie prin intermediul tensiunii retelei de alimentare fie prin circuitele de antena ale acestora. Perturbatiile radiofonice se evalueaza, de obicei, cu ajutorul unor receptoare, cu care se masoara intr-o gama larga de frecventa intensitatea campului electric in .

Perturbatiile radiofonice iau nastere, de obicei, concomitent cu aparitia luminiscentii si a zgomotului in cazul descarcarilor. Din cercetarile efectuate - in imediata apropiere a liniilor de 220, 400 si 750 kV - a rezultat ca aceste perturbatii cresc odata cu sporirea puterii pierdute.

Raportul dintre perturbatiile radiofonice si puterea determinata imediat sub conductor, se micsoreaza mult la marirea distantei.

Observatiile au scos in evidenta ca daca intensitatea campului creat de instalatia emitatoare depaseste de 40 ori intensitatea perturbatiilor, efectul perturbator este neglijabil, iar in cazul unei depasiri de numai 10 ori, este insuportabil.

3. Masuri pentru combaterea fluctuatiilor rapide

Masurile necesare se pot imparti in doua categorii:

a)     la consumator;

b)     in reteaua de alimentare (la sursa).

a) La consumator

Reducerea efectelor produse de fluctuatiile rapide de tensiune consta in utilizarea stabilizatoarelor. Protectia cu stabilizatoare reduce efectul de flicker de la 15 % la valori admisibile de (3-7) %.

Limitele admise ale perturbatiilor din retelele de alimentare sunt stabilite prin normele europene A.S.E. - E.N. 50006.

b) In reteaua de alimentare

Metodele si mijloacele mai importante pentru combaterea fluctuatiilor de tensiune care se iau in retelele de alimentare pot fi grupate in doua categorii:

1. Imbunatatirea schemei retelei de alimentare a consumatorilor cu socuri de putere reactiva.

In acest scop se pot folosi urmatoarele solutii:

marirea puterii de scurtcircuit a retelei prin realizarea unor linii suplimentare de legare cu sistemul energetic;

alimentarea receptoarelor ce produc flicker la o treapta de tensiune superioara in scopul cresterii puterii de scurtcircuit pe bara de consum;

alimentarea consumatorilor care dau socuri prin linii cu compensare longitudinala.

2. Utilizarea surselor de compensare a puterii reactive cu reglare rapida.

In cadrul acestei metode se folosesc urmatoarele mijloace:

compensatoare sincrone de constructie speciala, capabile sa urmareasca fidel variatia cererii de putere reactiva;

surse statice de compensare cu reactoare rapid reglabile.

Studiu de caz

A.   Consideratii teoretice

Analiza flickerului cu ajutorul parametrilor si

Evaluarea finala a severitatii flickerului (conflorm CEI 868) se poate face cu ajutorul a doi parametri: (pentru scurta durata), respectiv, (pentru lunga durata). Cei doi parametri utilizati, sunt marimi adimensionale. Parametrul este determinat utilizand un algoritm multipunct (se utilizeaza 5 puncte , , , si , valori care sunt citite pe curba Functiei Probabilitatii cumulate - FPC). Parametrul este, apoi, calculat plecand de la valorile lui .

Daca, este calculat pe o perioada de 10 minute, plecand de la cele 12 valori rezultate se poate determina pentru o durata de 2 ore. Aceasta metoda de cuantificare a flickerului (spre deosebire de cea care utilizeaza doza de flicker) are avantajul de a fi universala (independenta de tipul fluctuatiei si, deci, independenta de tipul perturbatorului). Acesti parametri sunt calculati si stocati pe durata procesului de masurare. De exemplu, pentru calculul lui - pe o perioada de 10 minute - si a lui - pentru o durata de 2 ore - sunt necesare 144 valori; deci, stocarea datelor este mai mult decat necesara.

este definita prin ecuatia: , in care:

- este nivelul de pe curba FPC care are probabilitatea de % de a fi depasita;

- este coeficientul de ponderare dat de standarde care permit trasarea curbei limita reglementata de CEI (fig. 3.13), curba ce a fost determinata experimental.

Fig. 3.13. Curba limita a flickerului ce permite determinarea amplitudinii fluctuatiilor de tensiune in functie de frecventa de repetitie - pentru o severitate a flickerului (conform CEI 868).

Severitatea flickerului de scurta durata - definita de normele CEI 868-0 poate fi, de asemenea exprimata cu ajutorul ecuatiei:

, unde:

- nivelul depasit numai pe 0,1 % din perioada de observare;

- nivelul depasit numai pe 1 % din perioada de observare etc.

este definit pe baza lui , cu relatia:

, unde

sunt valorile consecutive ale severitatii flickerului de scurta durata. trebuie gasit din valorile lui pentru o durata apropiata de ciclul de functionare al sarcinii, sau pentru un interval de timp pentru care onservatorul este sensibil la flicker (in mod normal 2 ore). Ordinul de marime a limitei admisibile este: . Parametrul - dat de diversele surse de poluare racordate la retea - este evaluat, intr-un punct, cu regula urmatoare:

, unde, in mod normal, .

Flickermetre

Fluctuatiile de tensiune sunt analizate cu ajutorul unui aparat de masura numit flickermetru. Un astfel de aparat reclama urmatoarele blocuri functionale (fig. 3.14):

Fig. 3.14. Schema functionala a flickermetrului (CEI 868)

Schema contine urmatoarele aparate:

un transformator de intrare;

un adaptor al tensiunii de intrare (blocul 1);

un simulator al raspunsului lampa-ochi-creier (cu posibilitatea determinarii flickerului instantaneu - iesirea blocului 4);

calculul dozei de flicker (iesirea blocului 4);

evaluarea statistica a nivelului de flicker; calculul FPC si a parametrilor si (blocul 5).

Primul flickermetru a fost realizat in anul 1971 de catre P. Duveau de la Societatea de

Electricitate din Franta (EDF). Flickermetrele actuale ofera, desigur, mult mai multe posibilitati de analiza: valoarea efectiva a semnalului, senzatia flickerului instantaneu, doza de flickere, curba FPC, analiza statistica, valorile parametrilor si etc..

Observatii

In afara marimilor precizate exista, in lume, si alti parametri pentru evaluarea severitatii fenomenului de flicker. Astfel, in Extremul Orient, in special in Japonia, se utilizeaza parametrul bazat pe utilizarea lampilor cu incandescenta la tensiuni de 110 V. Acest reprezinta amplitudinea fluctuatiei echivalente de 10 Hz care produce aceiasi senzatie de jena fiziologica ca fluctuatia reala din retea. Trebuie mentionat ca flickerul produs de lampile alimentate la 110 V este sensibil inferior celui produs de lampile alimentate la 220 V (raportul ).

Nivelurile de compatibilitate pentru parametrii si

Valorile limita ale acestor factori exprima nivelurile ce nu trebuie depasite pentru a evita un flicker jenant (tabelul 3.3).

Tabelul 3.3

Valorile limita ale parametrilor si nivelurile de compatibilitate teoretica

Observatii

Daca la joasa tensiune (JT) limita acceptabila are semnificatie fizica - coresponzand senzatiei reale de jena fiziologica, la inalta tensiune (pentru cele doua variante specificate mai sus) aceasta semnificatie fizica se pierde. Normele europene EN 50160 indica, de exemplu limitele pentru . Conditiile sunt mai putin severe decat cele prezentate in tabelul 3.3: functionarea unei retele - conform EN 50160 - este normala (pentru retele cu ) daca pe 95 % din durata unei saptamani.

In afara nivelurilor globale - indicate mai sus - deosebit de importante sunt si nivelurile individuale (pentru fiecare din cei doi parametri) la nivelul emitatoarelor de flicker. Acestea sunt mult inferioare celor aratate in tabelul 3.3 - atat pentru joasa tensiune cat si pentru inalta tensiune (tabelul 3.4).

Tabelul 3.4

Valorile limita individuale ale emisiilor de flicker acceptate

Desigur, aceste limite sunt impuse de norme dar este necesar controlul sistematic al valorilor existente in retea.

CIGRE si CIRED au propus urmatoarea metoda de vizualizare sistematica a valorilor celor doi parametri definitorii:

durata procesului de masurare: 1 saptamana;

valoarea lui : calculata la fiecare 10 minute;

valoarea lui determinata la fiecare 2 ore;

valoarea-criteriu a lui : cea mai mare valoare din cele 7 valori zilnice ale (unde - trei cele mai mari valori ale lui );

valoarea-criteriu a lui : cea mai mare valoare din cele 7 valori zilnice ale lui

(unde - este cea mai mare valoare masurata pentru ).

Determinarea flickerului intr-o instalatie electrica

Pentru determinarea flickerului se pot utiliza atat metode calitative cat si metode calitative.

Determinarea pe cale analitica a flickerului - intr-o instalatie - este metoda cea mai des utilizata in practica. Pentru fiecare tip de instalatie perturbatoare (generatoare de flicker), metoda capata nuante specifice.

In cele ce urmeaza se va exemplifica utilizarea metodei analitice - pentru determinarea parametrilor ce caracterizeaza flickerul - pentru cazul unei instalatii de sudura (fig. 3.15).

Fig. 3.15. Schema de principiu pentru alimentarea unei instalatii de sudura

Algoritm de lucru:

a)     - determinarea impedantelor ce pot afecta nivelul tensiunii;

b)     - determinarea caderilor de tensiune si a numarului de suduri pe minut (proces ce genereaza flickerul). Pentru aceasta trebuie cunoscute: modul de alimentare al instalatiei de sudura (monofazat, bifazat sau trifazat), modul in care se pot realiza de exemplu un anumit numar de suduri pe minut (in exemplul considerat, dorinta este de a realiza un numar de 3 suduri/minut) etc..

Trei configuratii ale instalatiei au fost, de asemenea, analizate:

- cea originala;

- aceeasi configuratie dar cu o putere - a instalatiei de sudura - redusa la 100 kVA;

pentru configuratia initiala dar cu un transformator de 1000 kVA, cu o tensiune relativa de scurtcircuit   () de 6 % si pierderi in infasurari () de 1,3 % din puterea nominala.

a)     Calculul impedantelor

Marimile de interes se determina cu relatiile urmatoare:

rezistenta echivalenta la scurcircuit a retelei de alimentare: , unde

este reactanta de scurcircuit a retelei in amonte de punctul comun de cuplare;

rezistenta echivalenta si reactanta echivalenta de scurtcircuit pentru

transformatorul de alimentare: ; ;

rezistenta specifica si reactanta specifica a cablului de alimentare:

; ;

Rezultatele obtinute pentru cele trei variante analizate sunt reunite in tabelul 3.5.

Tabelul 3.5

Ipotezele de lucru si calculul impedantelor

b)    Calculul caderilor de tensiune

Aceste caderi de tensiune au fost determinate pentru cele doua moduri de alimentare:

trifazate si, propriu-zis, bifazate:

• pentru cazul alimentarii trifazate:

;

• pentru cazul alimentarii bifazate:

;

;

.

Rezultatele obtinute sunt prezentate in tabelul 3.6.

Concluzii

In urma analizei efectuate se pot formula urmatoarele concluzii:

In bifazat

Instalatia de sudura cu puterea de 150 kVA poate fi utilizata pentru un ritm de o sudura pe minut; in acest mod nu se polueaza utilizatorii racordati in punctul A;

Fluctuatiile de tensiune ce apar in punctul B nu recomanda alimentarea din acest punct a instalatiilor de iluminat;

Ritmul poate fi crescut pana la 3,5 suduri/minut. Din acest punct de vedre configuratia 2 este mai avantajoasa dar cu pretul reducerii puterii instalatiei de sudura;

Din contra, configuratia 3 arata ca montarea unui transformator cu o putere mai ridicata nu reduce variatiile de tensiune in aval.

Tabelul 3.6

Caderile de tensiune si ritmul de realizare al sudurilor in puncte

In trifazat

Instalatia de sudura poate lucra cu o cadenta sporita (de 1,5 - 3 ori mai mare) fara a se creste nivelul perturbatiilor din retea.

Asadar, pentru a efectua pana la 3 suduri/minut:

in bifazat, numai configuratia 2 este acceptabila;

in trifazat, configuratia 1 (cea existenta) este satisfacatoare numai daca punctul comun de racordare este in B.

Cu ajutorul metodei analitice - pe baza unor calcule, relativ simple - se poate lua decizia de punere in functiune, pentru orice instalatie generatoare de flicker, intalnita in practica.