Qualité de la tension Qualité de l’électricité

1Copyright 2008 Vronique Beauvois, ULg

Qualit de la tensionQualit de llectricit

ATT 00254Novembre 2008

powersystem

price

reliability quality


Plan

1. Introduction / Qualit de llectricit2. Introduction / Quest-ce que la CEM ?3. Phnomnes perturbateurs4. PQ Normalisation5. PQ Mesures6. PQ Etude de cas


Acteurs concerns par la problmatique ?

tous les acteurs en prsence : gestionnaires de rseaux (ELIA, B) ; utilisateurs (producteurs / consommateurs) ; intervenants divers (fournisseurs dlectricit ou de services, organismes de rgulation CREG / VREG / CWAPE, B).

Position centrale du gestionnaire de rseau : importance de la qualit aux interfaces entre rseau et monde extrieur (utilisateurs locaux et rseaux voisins).

Remarque : croissance des units de production dcentralise !

1. Introduction / Qualit de llectricit


Electricit ?

domaine dutilit publique ; forme dnergie souple et adaptable ; convertie en dautres nergies (thermique, mcanique, chimique) ; pas de stockage possible (production vs demande) volatilit(la quantit dnergie accumule dans le rseau lectrique stricto sensu reprsente quelques secondes de consommation) ; influences :

conditions climatiques, phnomnes transitoires inhrents (dfauts, manuvres), phnomnes atmosphriques (foudre), configuration du rseau.



Electricit ? Contexte de lUnion Europenne

Electricit = produit (Directive Europenne de 1985) march libralis ; cela signifie que tour producteur peut vouloir vendre son produit nimporte quel consommateur ; ncessit dune vrification qualitative plus rigoureuse (avant simples rgles de lart ).

Electricit = produit + services associs notamment laptitude alimenter des charges perturbatrices et des charges sensibles aux perturbations.



Perturbation ?


Phnomne lectromagntique susceptible de dgrader les performances dun dispositif, quipement ou systme lectrique.

Ces perturbations peuvent pntrer dans les quipements sensibles par divers accs.


Accs dun appareil ?

AppareilAccs/bornes dalim ac

Accs/bornes dalim dc

Accs/bornes de terre

Accs/bornes de signaux

Accs/bornes de mesure& commande

Accs/enveloppe (1)

(1) Frontire physique de lappareil travers laquelle les champs lectromagntiques peuvent rayonner ou laquelle ils peuvent se heurter.

(2) Accs par les cbles : le point auquel un conducteur ou un cble estconnect lappareil.




Alimentation lectrique = systme triphas de tensions(cf Thorie des circuits)

Paramtres ? frquence(50 Hz) amplitude (V) forme donde (sinusodale) symtrie (dphasage de 120)



On parle souvent de Power Quality ?

Traductions franaises ? (peu satisfaisantes)- qualit de lalimentation- qualit de la fourniture- qualit de lnergie lectrique- qualit de llectricit- qualit de la tension- ???

Selon lI.E.E.E.* (U.S.A.) : on appelle Power Quality Problem toute variation dans lalimentation en puissance lectrique, ayant pour consquence le dysfonctionnement ou lavarie dquipements des utilisateurs (creux de tension, surtension, transitoire, harmoniques, dsquilibre, ).

* Institute of Electrical and Electronics Engineers



Tous ces phnomnes affectent essentiellement la tension qui est fournie lutilisateur.- (1) soit pas de charge perturbatrice : le courant est peut-tre dform mais uniquement en fonction des caractristiques de la tension.- (2) soit charge perturbatrice : elle perturbe dabord le courant qui perturbe la tension (car limpdance du rseau nest pas nulle), ce qui se traduit par une dgradation de lalimentation des autres utilisateurs.

(1) > Cest pourquoi on dit parfois que le qualit de llectricitse rduit la qualit de la tension (Power Quality = VoltageQuality).



Exemple (2)mcanisme de gnration des harmoniques

Soit un rseau sans tension harmonique auquel on raccorde une charge dformante (non linaire, comme un variateur de vitesse, un dimmer, ).

- la charge absorbe un courant dform (fondamentale + harmoniques) courants harmoniques dans le rseau selon Ohm : tensions harmoniques aux bornes de Z

Uh = Zh. Ih

Zh UhIh



LES CHARGES LINEAIRESLES CHARGES LINEAIRES

Hier, la majorit des charges utilises sur le rseau lectrique taient des charges dites LINAIRES : charges appelant un courant de forme identique la tension, cest--dire quasi-sinusodal comme les convecteurs lectriques ou encore les lampes incandescence.

HIER



LES CHARGES DEFORMANTESLES CHARGES DEFORMANTESAUJOURDHUI

Les rcepteurs prsents dforment les signaux lectriques du courant et de la tension.

Les rcepteurs prsents dforment les signaux lectriques du courant et de la tension.

Les signaux analyss sloignent de lallure sinusodale de dpart.

Les signaux analyss sloignent de lallure sinusodale de dpart.


1. Introduction / Qualit de llectricitLE SPECTRE HARMONIQUELE SPECTRE HARMONIQUE

Un signal dform est la somme des signaux sinusodaux, de frquences multiples de la frquence du signal fondamental.

Un signal dform est la somme des signaux sinusodaux, de frquences multiples de la frquence du signal fondamental.

Dcomposition harmonique dun signal dform.


1. Introduction / Qualit de llectricitLE SPECTRE HARMONIQUE (suite)LE SPECTRE HARMONIQUE (suite)

Types de charge Appareils concerns Courant absorb Spectre harmoniquecorrespondant

Rcepteur rsistif

- Fours industriels rsistances rgules par commande trains dondes- Lampe incandescence, convecteurs, chauffe-eau.

Eclairage

- Tubes fluorescents,

- Lampes vapeur HP.

Redresseur monophas diodes avec filtrage

Alimentation dcoupage

- Micro-informatique,

- Tlvisions,- Lampes ballast lectronique.

Rcepteurs consommentde l'nergie ractive


1. Introduction / Qualit de llectricitLE SPECTRE HARMONIQUE (suite)LE SPECTRE HARMONIQUE (suite)

Redresseur triphas diodes avec filtrage

- Variation de vitesse des moteurs asynchrones.

Gradateur monophas (commande par angle de phase)

- Rgulation de puissance de fours rsistances,

- Modulation de puissance des lampes halognes.

Redresseur triphas thyristors

- Variation de vitesse des moteurs courant continu et des moteurs synchrones,- Electrolyseurs.

Moteur asynchrone - Machines outils,

- Appareils lectromnagers,

- Ascenseurs.

Types de charge Appareils concerns Courant absorb Spectre harmoniquecorrespondant


1. Introduction / Qualit de llectricitLA PROBLEMATIQUE ?LA PROBLEMATIQUE ?

Conclusion :

Cette tension dforme est commune tous les autresrcepteurs du rseau.Elle est prjudiciable au bon fonctionnement del'ensemble des rcepteurs raccords sur ce rseau.

Conclusion :

Cette tension dforme est commune tous les autresrcepteurs du rseau.Elle est prjudiciable au bon fonctionnement del'ensemble des rcepteurs raccords sur ce rseau.

Prsence de chargesdformantes Courant dform

Courantdform x

Impdance internedes gnrateurs

Tensionsharmoniques=

Tensionsharmoniques = Tension non sinusodale

=



Qualit de llectricit = Qualit de la tension > rducteur

Qualit de llectricit = Qualit de la tension + Continuit(pour tenir compte du concept de fiabilit de lalimentation, de continuitde la tension, en fonction du nombre dinterruptions et de leur dure).Lalimentation est dautant plus fiable que le nombre annuel dinterruptions est petit et que leur dure moyenne est faible.

Qualit = aptitude alimenter de faon continue et satisfaisante les appareils qui utilisent llectricit.Cela dpend : des performances du rseau, de lusage qui en est fait par un utilisateur donn, de lusage qui en est fait par les autres utilisateurs raccords sur le mme circuit.



ContinuitCela dpend : de la conception des rseaux publics et industriels, de la qualit du matriel, des bonnes pratiques de maintenance et dexploitation.Compromis technico-conomique (explicite ou implicite).

Elle se mesure par le nombre de coupures dalimentationen un point donn : coupure/unit de temps.

Coupures longues : dure 3 minutesCoupures brves : dure < 3 minutes.


Plan



O se situe la CEM vis--vis de la Power Quality ?

Dfinition (Directive 2004/108/CE) :La CEM (Compatibilit Electromagntique) est laptitude dun dispositif, dun appareil ou dun systme fonctionner dans son environnementlectromagntique de faon satisfaisante et sans produire lui-mme des perturbations lectromagntiques intolrables pour dautres quipements qui se trouvent dans cet environnement.

La CEM est donc un concept plus large perturbations entrantes/sortantes, entres/sorties et alimentation, conduction/rayonnement, HF/BF.

2. Introduction / Quest-ce que la CEM ?

environnementappareil


2. Introduction / Quest-ce que la CEM ?

problme dABS ou de commande lectrique sur des vhicules lors de lutilisation dun GSM ou proximit dun metteur de forte puissance ;

interdiction dutiliser des GSM, lecteurs de CD, ordinateurs portables dans les avions civils, soit pendant les phases de dcollage et datterrissage, soit pendant toute la dure du vol ;

interdiction dutiliser des tlphones sans fil lintrieur des hpitaux en raison de la sensibilit des appareils lectroniques mdicaux (dtecteurs dapne, moniteurs de gaz anesthsique, etc.) ;

sensibilit des prothses auditives, des pacemakers ;

etc.


Plan



3. Phnomnes perturbateurs

Les perturbations dgradant la qualit de la tension peuvent rsulter de :

dfauts dans le rseau lectrique ou dans les installations des clients (court-circuit dans un poste, une ligne arienne, un cble souterrain, ); ces dfauts pouvant rsulter de causes atmosphriques (foudre, givre, tempte), matrielles (vieillissement disolants, ) ou humaines (fausses manuvres, travaux de tiers, ) ;

installations perturbatrices : fours arc, soudeuses, variateurs de vitesse et toutes les applications de llectronique de puissance, tlviseurs, claragefluorescent, dmarrage ou commutation dappareils, etc.

Nous allons poursuivre avec une description des principaux phnomnes qui peuvent affecter la qualit de la tension.



1. Frquence Dviations

Les variations de frquence sont trs faibles (moins de 1 %) au sein du rseau synchrone europen en rgime normal de fonctionnement et ne causent gnralement pas de prjudice aux quipements lectriques ou lectroniques.

La situation peut tre diffrente dans un petit rseau isol. Certains processus industriels ncessitent un rglage trs prcis de la vitesse des moteurs et peuvent subir des dysfonctionnements en cas dalimentation par un groupe de secours mal conu.



2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brvesLes creux de tension sont dus aux courts-circuits survenant dans le rseau gnral ou dans les

installations clients (vnements alatoires, dus des phnomnes atmosphriques -foudre, givre, tempte -, des dfaillances dappareils, daccidents).

Seules les chutes de tension suprieures 10 % sont considres (sinon ce sont des fluctuations de tension ).

Dfinition creux de tension [EN 50160] : diminution brutale de la tension dalimentation une valeur situe entre 90 et 1 % de la tension dclare, suivie du rtablissement aprs un court laps de temps. Leur dure peut aller de 10 ms (1/2 priode du 50 Hz) 1 minute, par convention (fonction de la localisation du ct-ct et du fonctionnement des protections un dfaut est limin en 0.1-0.2 s en HT et de 0.2 s qq s en MT.

Consquences : ils peuvent provoquer le dclenchement dquipements, si leur profondeur et leur dure excdent certaines limites (voir sensibilit de la charge).



2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brves

Uref

U

t

Voltage dip Short interruption

Uref-10%

U(t)

Urms



2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brves (suite)

Interruption dalimentation [EN 50160] : condition dans laquelle la tension aux points de fourniture est infrieure 1 % de la tension dclare. Elle peut tre classe comme :

- prvue : les clients sont informs par avance pour permettre lexcution de travaux programms sur le rseau de distribution, ou

- accidentelle : lorsquelle est provoque par des dfauts permanents ou fugitifs, la plupart du temps lis des vnements extrieurs, des avaries ou causes externes. Elle peut tre classe comme :coupure longue (dpassant 3 minutes) provoque par un dfaut permanent ou,coupure brve (jusqu 3 minutes) provoque par un dfaut fugitif.



2. Amplitude

2.2 Fluctuations de tension Flicker/ papillotementDans les installations o il y a des variations rapides de puissance absorbe ou

produite ou des dmarrages frquents (soudeuses, oliennes, fours arc pendant la priode de fusion, compresseurs, gnrateurs dair conditionn, ), on observe des variations rapides de tension, rptitives ou alatoires.

Dfinition du flicker [EN 50160] : impression dinstabilit de la sensation visuelle due un stimulus lumineux dont la luminosit ou la rpartition spectrale fluctuent dans le temps.

Consquences : papillotement des clairage incandescence (flicker), gnant pour les consommateurs.


Flicker



Flicker


Pour prendre en considration les mcanismes de la vision et tablir une mthode reprsentative de la gne, le Flicker doit tre valu sur une priode de temps suffisamment reprsentative. De plus, en raison de la nature alatoire du Flicker provoqu par certaines charges, il faut admettre que pendant cette priode le niveau instantane de Flicker peut varier considrablement et de faon imprvisible.Un intervalle de 10 min a t jug comme tant un bon compromis. Il est assez long pour viter daccorder trop dimportance des variations isoles de tensions. Il est aussi assez long pour permettre une personne non avertie de remarquer la perturbation et sa persistance, mais il est en mme temps assez court pour permettre de caractriser de faon fine un matriel perturbateur avec un long cycle de fonctionnement.Les gnes sont dtectes partir dun Pst (perturbation pendant un temps court short time) gal 1.

La priode 10 min sur laquelle a t base lvaluation de la svrit du Flicker de courte dure est valable pour lestimation des perturbations causes par des sources individuelles telles que les laminoirs, pompes chaleurs ou appareils lectrodomestiques. Dans les cas ou leffet combin de plusieurs charges perturbantes fonctionnant de manire alatoires (par exemple postes de soudure, moteurs) doit tre pris en compte, ou quand il sagit de sources de Flicker cycle de fonctionnement long ou variable (four lectrique arc), il est ncessaire dutiliser un critre pour valuer la perturbation ainsi cre sur une longue dure.La svrit du Flicker pendant un temps long (long time), Plt, sera dduite des valeurs de la svrit du Flicker pendant des temps courts, Pst, sur une dure approprie lie au cycle de fonctionnement de la charge ou sur une priode pendant laquelle un observateur peut tre sensible au Flicker, par exemple quelques heures. Classiquement, le temps est fix 120 min.


3. Forme donde

3.1 Harmoniques et interharmoniquesHarmoniques : composantes de frquence multiple de la fondamentale (50 Hz), qui provoquent une distorsion de londe sinusodale.

Causes : charges non linaires.Consquences : chauffements excessifs principalement immeubles tertiaires avec beaucoup dordinateurs et dclairage fluorescent, risque de surcharge du neutre (courants harmoniques homopolaires dordre 3) o le courant efficace est suprieur celui des phases alors que la section de cuivre est plus faible (RGIE).

Interharmoniques : composantes dont la frquence nest pas un multiple entier de la fondamentale rares fours arc, cycloconvertisseurs. Consquences : valeurs crtes de la sinusode modifies et dplacement du passage par zro.


Harmonique h = 5 Interharmonique h = 3.5


Harmoniques

Un physicien nomm Fourier a dmontr quun signal priodique qcqpouvait se dcomposer en une somme de signaux sinusodaux ayant diffrentes amplitudes et phases et dont la frquence est un multiple entier du fondamental de frquence f.Ceci nous amne tout naturellement parler des harmoniques.



Harmoniques


Conversion mathmatique temporel < > frquentielSignaux priodiques - Srie de Fourier

Composante continue

f(t) de priode T : f(t) = f(t+kT) k entier


Origine ?Toutes les charges non linaires consomment un courant

non sinusodal et gnrent des courants harmoniques

La source transforme ces courants harmoniques en tensionsharmoniques par le biais de son impdance Z interne selon

U = Z.I

Harmoniques



Sources ?

Toutes les charges non linaires consomment un courantnon sinusodal et gnrent des courants harmoniques :

onduleurs, hacheurs ponts redresseurs : machine souder, lectrolyse, etc.

variateurs de vitesse convertisseurs de frquence

appareils domestiques, clairages fours induction, fours arc circuits magntiques saturs

etc.

Harmoniques



machines synchrones chauffements transformateurs pertes & chauffements suppl.

risque de saturation machines asynchrones chauffements, couples pulsatoires cbles augm. pertes ohmiques et dil. ordinateurs problmes fonctionnels lectronique de puissance problmes lis la forme donde condensateurs chauff., vieillissement, rsonance, etc. rgulateurs, relais, compteurs fonct. intempestif, erreurs, mesure fausse

Consquences pour rcepteurs ?

Harmoniques




EFFETS DES HARMONIQUESEFFETS DES HARMONIQUES

Effets immdiats Pertes par effet Joule

Dgradation du facteur de puissance Rduction de la puissance des moteurs Surcharges des cbles , transformateurs et moteurs Disjonctions intempestives Augmentation du bruit dans les moteurs Surdimensionnement de certains composants :

conducteur du neutre, d'alimentation, batteries de condensateurs

Rduction de la dure de vie des moteurs Rduction de la dure de vie des transformateurs Vieillissement acclr des isolants et des dilectriques

Effets moyen et long terme



COSCOS ET FACTEUR DE PUISSANCEET FACTEUR DE PUISSANCE

Le cosinus est le dphasage entre la fondamentale "Tension" etla fondamentale "Courant" dans le cas de signaux non dforms.Le cosinus est le dphasage entre la fondamentale "Tension" etla fondamentale "Courant" dans le cas de signaux non dforms.

Puissance active :

P = U x I x cos

QPS +=Puissance apparente :

= U x I

SPFp= = cos



SPFp=

DQPP

SPFp ++==

La charge non linaire, lorsquelle est soumise une tension sinusodale, absorbe un courant dit "dform" : il ny a plus proportionnalitentre courant et tension.

On intgre dans cette formule la puissance dite DFORMANTE qui traduit les effets de la distorsionharmonique.

COSCOS ET FACTEUR DE PUISSANCE (suite)ET FACTEUR DE PUISSANCE (suite)

Le cosinus nest plus applicable, on parle alors de : FACTEUR DE PUISSANCE



ENERGIE REACTIVEENERGIE REACTIVE



ENERGIE REACTIVE (suite)ENERGIE REACTIVE (suite)

Intrt du relvement du F.P.

Une rduction de la chute de tension de ligne

La compensation dnergie ractive apporte :

Un allgement de la facturation pour labonn

Une augmentation de la puissance disponible sur linstallation

Une diminution des pertes


3. Phnomnes perturbateursSolutions ?

-- Compenser l'installation grce l'adjonction debatteries de condensateurs

Formule : Qc = P ( tan - tan ')

' S

S'

Pactive

Q'

Qc

Q

-- Rduire le taux dharmoniques


3. Phnomnes perturbateursConsquences ?

Les phnomnes de rsonance proviennent de la prsence dlments capacitifs et inductifs sur le rseau dalimentation lectrique (ligne, transformateur, capacit de relvement du F.P.)

Les risques : destruction des condensateurs de compensation dnergie ractive

Les risques : destruction des condensateurs de compensation dnergie ractive

Les phnomnes de rsonance

Ils gnrent des amplitudes leves sur certains rangs harmoniques (rangs 5 et 7 par exemple).



Les chauffements dans les conducteurs et quipements lectriques

Les conducteurs lectriques vhiculent les courants harmoniques qui produisent, par effet Joule, un chauffement des conducteurs au mme titre que le courant fondamental. Malheureusement, les harmoniques ne contribuant pas au transfert de la puissance active, ils crent uniquement des pertes lectriques et participent la dgradation du facteur de puissance de linstallation.

Les condensateurs sont particulirement sensibles la circulation des courants harmoniques du fait que leur impdance dcrot proportionnellement au rang des harmoniques en prsence dans le signal dform.

Les condensateurs sont particulirement sensibles la circulation des courants harmoniques du fait que leur impdance dcrot proportionnellement au rang des harmoniques en prsence dans le signal dform.

G C Z

Source

Compensation del'nergie ractive

charge nonlinaire

B B'

A A'Is

Ic

Iz

Exemple



Des dclenchements intempestifs des dispositifs magntiques des disjoncteurs peuvent se produire, notamment dans le domaine des installations tertiaires comprenant un parc de matriel informatique important. Ils sont bien souvent dus aux problmes de pollution harmonique.

Les facteurs de crte levs

Les disjoncteurs assurant la protection des installations lectriques comprenant des matriels informatiques voient leur seuil de sensibilit atteint lors des pointes de courant engendrs par des signaux dforms ayant des facteurs de crte importants.



Les courants harmoniques de rang 3, le fondamental x 3, soit 150 Hz, partir des 3 phases vont sadditionner, ceux-ci tant en phase.Ils donnent naissance dans le conducteur du neutre la circulation dun courant.

I Neutre = 3 fois I Harmoniques 3I Neutre = 3 fois I Harmoniques 3

Les effets dans le conducteur du Neutre

Remarque : De nombreux incendies de btiments industriels sont dus l'chauffement excessif du conducteur du Neutre.

Remarque : De nombreux incendies de btiments industriels sont dus l'chauffement excessif du conducteur du Neutre.

Voir aussi : 6. Etude de cas


3. Phnomnes perturbateursRemdes ?

Utilisation de transformateurs propre chaque quipement- Une solution contre l'harmonique 3 et ses multiples de rangs impairs

(9, 15, 21, 27,) :

PrimaireCbl en triangle

SecondaireCbl en toile

Cette solution est intressante car elle permet l'limination des rangs harmoniques les plus perturbateurs.Cette solution est intressante car elle permet l'limination des rangs harmoniques les plus perturbateurs.


3. Phnomnes perturbateursRemdes ?

zz Filtres passifs Filtre rsonnant, extrmement efficace

pour liminer une harmonique de rang particulier "filtre passe-haut"

Filtre amorti, filtrage de toutes les frquences infrieures au rang considr

"filtre passe-bas"

Mise en place de filtre(s) :

zz Filtres actifsInjecte des courants harmoniquesquivalents mais en opposition de phase de ceux mis par les appareils.


3. Phnomnes perturbateursATTENTION AUX PIATTENTION AUX PIGES EN MAINTENANCE "CURATIVE"GES EN MAINTENANCE "CURATIVE"

Attention au risque de surcompensationAttention au risque de surcompensation

R

Z

Secteur230 V AC

Ballastmagntique

Charge(tube fluo)

C'Capacit de

Compensation

Charge(tube fluo)Capacit de

dcoupage

C RSecteur230 V AC

Redressement

B

a

l

l

a

s

t

l

e

c

t

r

o

n

i

q

u

e

Montage CapacitifMontage inductif

- Un exemple avec l'clairage "conomique" :

CulotE27


3. Forme donde

3.2 TransitoiresLes plus fortes mais les moins frquentes : celles dues la foudre.Surtensions dues au dclenchement dappareils BT, de charges inductives.

Surtensions transitoires amorties (enclenchement de batteries de condensateurs).

Protections : parasurtenseurs.



3. Forme donde

3.2 TransitoiresEncoches de commutation dues un redresseur triphas.

Remarque : Les encoches de commutation dues aux convertisseurs lectroniques ne sont pas des transitoires au sens classique du terme. La forme donde de la figure ci-dessus est de type rptitif et pourrait tre dcrite ( laide de la transforme de Fourier) comme une srie dharmoniques. Cependant, cest la raideur des encoches de la sinusode qui risque de provoquer des troubles ; ces encoches peuvent donc tre considres comme des transitoires rptitifs.



4. Symtrie - Dsquilibre

Les dissymtries du rseau ne provoquent que de faibles niveaux de dsquilibre de la tension (qq diximes de %).Par contre, certaines charges monophases sont la cause de courants dsquilibrs importants et ds lors dun dsquilibre significatif de la tension.

Consquence majeure : chauffement supplmentaire des machines tournantes triphases.



Vue densemble


DEFINITION OF POWER QUALITY (PQ)Power Quality = Voltage Continuity + Voltage Quality

Voltage Quality frequency - deviations magnitude - deviations

- dips & short interruptions- flicker

waveform - (inter)harmonics symmetry - unbalance

Voltage Continuity(Reliability of Supply)- long interruptions


Vue densemble

On peut donc distinguer deux grandes catgories de phnomnes perturbateurs :

- ceux qui sont dus aux incidents : creux de tension, coupures longues et brves (problme de limmunit des installations sensibles) ;

- ceux qui sont dus aux installations perturbatrices : flicker, (inter)harmoniques, dsquilibre (problme de lmission des installations perturbatrices).



Sparation galvanique, parasurtenseurs, enclenchement "synchronis", rsistance de pr-insertion

Dclenchements, danger pour les personnes et pour les matriels

Court-circuit, commutations, foudre

Surtension transitoire

Dispositif d'quilibrage, conditionneur de rseauEchauffement de machines tournantes, vibrations, dysfonctionnement de protections

Installations dsquilibres

(traction ferroviaire)

Dsquilibre

Filtrage actif ou passif, amortissement de filtres anti-harmoniques, conception de l'quipement sensible

Papillotement de l'clairage fluorescent, dysfonctionnement d'automatismes, dgts mcaniques

sur machines tournantes

Installations non linaires et

fluctuantes (four arc, soudeuse,

olienne), changeurs de frquence, tlcommande

centralise

Interharmonique

Filtrage actif ou passif, self anti-harmonique, dclassement d'appareil

Effets thermiques (moteurs, condensateurs, conducteurs de neutre), dilectriques (vieillissement

d'isolant) ou quasi instantans (automatismes)

Installations non linaires

(lectronique de puissance, arcs lectriques)

Harmonique

Compensateur synchrone, compensateur statique de puissance ractive, conditionneur actif, condensateur srie

Papillotement de l'clairageInstallations fluctuantes (four

arc, soudeuse, moteur dmarrage frquent,

olienne)

Fluctuation rapide

(flicker)

Conditionneur de rseau, conception de l'quipement sensible, alimentation sans interruption

Arrts d'quipements, pertes de production, dgtsCourt-circuit, (enclenchement de

gros moteur)

Creux de tension et coupure

brve

Alimentation de secours (rseau), alimentation sans interruption (ASI)

Arrts d'quipements, pertes de production, dgtsCourt-circuit, surcharge,

dclenchement intempestif,

(maintenance)

Coupure longue

Solutionspossibles

ConsquencesOrigineType deperturbation



Plan



Concept de niveau de compatibilit

But : assurer la compatibilit entre toutes les installations perturbatrices et toutes les installations sensibles du rseau.Solution : imposer des limites dmission aux premires et des niveaux dimmunit suffisants aux secondes.

En tout point dalimentation des installations raccordes aux rseaux, les niveaux effectifs de perturbations peuvent tre :- suprieurs aux limites individuelles dmission, mais- infrieurs aux niveaux individuels dimmunit,cest le concept de niveau de compatibilit .

4. Power Quality - Normalisation


Comme dj mentionn, depuis la directive europenne de 1985, llectricit est considre comme un produit.

A partir de ce moment, les instances internationales de normalisation ont dvelopps les documents concernant la mesure et lvaluation de la Power Quality.On peut citer :- CIGRE CIRED CC02 document 1992 ;- CEI 61000-4-7 (harmoniques) et CEI 61000-4-15 (Flicker) ;- EN 50160 ;- CEI 61000-4-30 ;-



En 1981, le groupe de travail CIGRE(1)/CIRED(2) CC02 (CIGRE 36.05 / CIRED 2), a publi le premier rapport international qui stipulait, pour les harmoniques, des valeurs existantes en rseau : pour les diffrents niveaux de tension, on y donnait, pour chaque rang dharmonique, une valeur basse (valeur assez souvent rencontre au voisinage des installations perturbatrices importantes et associe une faible probabilit dinterfrences) et une valeur haute (valeur rarement dpasse dans les rseaux, correspondant une probabilit non ngligeable de produire des interfrences). Neuf ans plus tard, la CEI(3) stipulait pour la premire fois des niveaux de compatibilit pour la basse tension qui reprenaient, presque intgralement, les valeurs hautes du rapport.

(1) Conseil International des Grands Rseaux Electriques(2) Congrs international des Rseaux Electriques de Distribution(3) Commission Electrotechnique Internationale



Dans lintervalle, il tait devenu clair que le concept de niveau de compatibilit ne pouvait avoir la mme signification, en moyenne ou haute tension, quen basse tension. En BT, un dpassement des valeurs stipules engendre un risque vident d'interfrence pour les installations sensibles qui y sont raccordes. Pour la moyenne et la haute tension, on introduisit le concept de niveau cible de compatibilit, traduisant le fait quun dpassement de ces niveaux n'impliquait pas directement un risque d'interfrence, le but tant une coordination entre les divers niveaux de tension en vue de respecter, in fine, les niveaux de compatibilit en basse tension. Ces "niveaux cibles" ont t appels "niveaux de planification" par la CEI.

De son ct, le CENELEC a publi la norme EN 50160 qui stipule les caractristiques de la tension, dans loptique de dfinir les caractristiques du produit lectricit.



Niveaux de compatibilit. Ce sont des valeurs de rfrence (Publications CEI 61000-2-1 et 61000-2-2) pour la coordination de l'mission et de l'immunitdes quipements faisant partie ou tant aliments par un rseau, afin d'assurer la compatibilit lectromagntique dans tout le systme. Ils sont considrs comme correspondant une probabilit de non-dpassement de 95 % pour un systme entier, compte tenu dune distribution dans le temps et dans l'espace. Il y a l une tolrance pour le fait qu'un gestionnaire de rseau ne peut pas assurer le contrle de tous les points du rseau tout moment. Une valuation des niveaux rels de perturbation, pour comparaison avec les niveaux de compatibilit, devrait donc tre faite sur l'ensemble d'un rseau, ce qui nest gure raliste ; il n'y a de ce fait aucune mthode d'valuation qui soit dfinie en relation avec les niveaux de compatibilit. Ce sont, rptons-le, des valeurs de rfrence plutt que des limites oprationnelles.



Caractristiques de la tension. La norme europenne EN 50160 donne les principales caractristiques de la tension aux points dalimentation de la clientle dans les rseaux publics basse et moyenne tension, dans les conditions normales dexploitation. Ce sont des limites quasi garanties (du moins pour certains paramtres), couvrant tous les points dun rseau. Ces limites sont gales - ou lgrement suprieures - aux niveaux de compatibilit. La mthode dvaluation de la caractristique relle en un point du rseau (comparer la caractristique spcifie) est base sur une statistique uniquement temporelle : par exemple, pour une tension harmonique, la priode de mesure est dune semaine et 95 % des valeurs moyennes quadratiques (RMS) sur les priodes successives de 10 min ne doivent pas dpasser la limite spcifie.



Niveaux de planification. Ces niveaux sont utiliss lors de lvaluation de l'impact sur le rseau d'une installation perturbatrice de la clientle (voir les publications CEI 61000-3-6, 61000-3-7, 61000-3-13). Les niveaux de planification sont spcifis par le gestionnaire de rseau pour tous les tages de tension et peuvent tre considrs comme des objectifs internes de qualit. Ils sont normalement gaux ou infrieurs aux niveaux de compatibilit. Seules des valeurs indicatives peuvent tre donnes dans les recommandations internationales car les niveaux cibles sont diffrents d'un cas l'autre, selon la structure du rseau et les circonstances. La mthode destimation dun niveau de perturbation rel ( comparer au niveau de planification) se base sur une statistique uniquement temporelle, comme pour les caractristiques de la tension, mais vise caractriser de plus prs le pouvoir perturbateur du phnomne et fournit donc gnralement des rsultats plus levs. Ces rsultats plus levs devant tre compars des limites plus basses, on comprend que les exigences soient nettement plus svres pour le rseau.



EN 50160 Caractristiques de la tension fournie par les rseaux publics de distribution

Norme europenne du CENELEC.Domaine dapplication : cette norme dcrit, au point de livraison du client, les caractristiques principales de la tension fournie par un rseau public de distribution basse tension et moyenne tension dans des conditions normales dexploitation. Elle donne les limites ou les valeurs des caractristiques de la tension que tout client est en droit dattendre.Elle ne sapplique pas dans des conditions dexploitation anormales.

Objet : dfinir et dcrire les valeurs caractrisant la tension dalimentation fournie telles que : frquence, amplitude, forme donde et symtrie.En exploitation normale, ces caractristiques sont sujettes des variations dues des modifications de charge du rseau, des perturbations mises par certains quipements et par lapparition de dfauts principalement dus des causes externes.BT : tension valeur efficace nominale de 1 kV au maximum.MT : entre 1 et 35 kV.



EN 50160 Caractristiques de la tension fournie par les rseaux publics de distributionCaractristiques de lalimentation BTFrquenceFrquence nominale : 50 Hz.Variations de la frquence du rseau en raison des mises en service et hors service de sites de production.Valeur moyenne sur 10 secondes :- Rseaux relis par des connexions synchrones un systme interconnect :

- 50 Hz 1 % (49.5 50.5) pendant 99.5 % dune anne- 50 Hz + 4 % / - 6 %(47 52) pendant 100 % du temps

- Rseaux sans connexion synchrone un systme interconnect (les) :- 50 Hz 2 % (49 51) pendant 95 % dune semaine- 50 Hz 15 % (42.5 57.5) pendant 100 % du temps



EN 50160 Caractristiques de la tension fournie par les rseaux publics de distributionCaractristiques de lalimentation BTAmplitudeTension nominale normalise :pour systme triphas 4 conducteurs : 230 V entre phase et neutrepour systme triphas 3 conducteurs : 230 V entre phasesVariations (lentes) de tensionOrigine : lvation ou baisse de la valeur efficace de la tension (V) en raison dune variation de charge sur le rseau.Conditions normales dexploitationpour chaque priode dune semaine, 95 % des valeurs efficaces de la tension fournie moyenne sur 10 minutes doivent se situer dans la plage 10 %.- toutes les valeurs efficaces moyennes sur 10 minutes doivent se situer dans la plage + 10 % et 15 %.




Caractristiques de lalimentation BTVariations rapides de tension Flicker AmplitudeLes variations rapides proviennent essentiellement des variations de la charge des clients ou de manuvres sur le rseau.Conditions normales dexploitationVariation rapide de tension ne dpasse gnralement pas 5 % de Un mais on peut observer 10 % Un pendant des courts instants.




Caractristiques de lalimentation BTVariations rapides de tension Flicker SvritEN 60868 Evaluation de la svrit du flickerConditions normales dexploitation, pour chaque priode dune semaine, niveau de svrit longue dure du papillotement Plt doit tre 1 pendant 95 % du temps.




Caractristiques de lalimentation BTCreux de tensionOrigineAppel de courant important sur le rseau, dmarrage de rcepteur forte puissance, dfaut sur le rseau : court-circuit, dfaut de terre, commutation de charge.Les creux de tension sont gnralement dus des dfauts largement alatoires et imprvisibles. Leur frquence annuelle dpend du type de rseau de distribution et du point dobservation. Rpartition sur lanne trs irrgulire.Valeurs indicativesConditions normales dexploitationNombre attendu de creux de tension sur une anne : qq dizaines un millier.La plupart ont une dure de moins dune seconde et une profondeur infrieure 60 %.On observe frquemment en certains endroits, avec des commutations de charges importantes chez le client, des creux de tension frquents de profondeur comprises entre 10 et 15 %.




Caractristiques de lalimentation BTCoupures brvesOrigineEffets imprvisibles des intempries et causes externes.Valeurs indicativesConditions normales dexploitationNombre attendu de creux de tension sur une anne : qq dizaines plusieurs centaines.La plupart (70 %) ont une dure de moins dune seconde.Coupures longuesValeurs indicativesConditions normales dexploitationNombre attendu de coupures de plus de 3 minutes sur une anne : de moins de 10 jusqu 50, suivant les rgions.




EN 50160 Caractristiques de la tension fournie par les rseaux publics de distributionCaractristiques de lalimentation BTCreux de tension / Coupures



Caractristiques de lalimentation BTSurtensionsOrigineFoudre, fusion de fusible, enclenchement de condensateur, coupure de contacteur, Surtensions temporaires entre phases et terreUne surtension temporaire la frquence du rseau apparat gnralement lors dun dfaut sur le rseau de distribution publique ou dans une installation client et disparat lors de llimination de ce dfaut. Gnralement, la surtension peut atteindre la valeur de la tension entre phases, cause du dplacement du point neutre du rseau triphas.Valeurs indicativesDans certaines conditions, un dfaut se produisant en amont dun transformateur peut temporairement produire des surtensions du ct basse tension pendant la dure du courant de dfaut. De telles surtensions ne dpassent pas gnralement une valeur efficace de 1,5 kV.




Caractristiques de lalimentation BTSurtensions transitoires entre phases et terreLes surtensions transitoires ne dpassent gnralement pas 6 kV crte, mais des valeurs plus leves peuvent parfois survenir. Temps de monte : moins de qq s plusieurs ms.NOTE : Contenu en nergie dune surtension transitoire ?Celle-ci varie de faon considrable selon son origine.Surtension induite due la foudre : amplitude plus leve mais contenu en nergie plus faible quune surtension provoques par des manuvres (car elles durent gnralement plus longtemps). Les dispositifs de protection contre les surtensions doivent tre choisis en tenant compte des niveaux dnergie les plus levs.





Caractristiques de lalimentation BTSurtensions



Caractristiques de lalimentation BTDsquilibreLe dsquilibre est dfini par lcart de symtrie du systme triphas, caractris par lgalit des modules de tension en valeur efficace et leurs dphasages relatifs.Conditions normales dexploitationPour chaque priode dune semaine, 95 % des valeurs efficaces moyennes sur 10 minutes de la composante inverse de la tension dalimentation doit se situer entre 0 et 2 % de la composante directe.




Caractristiques de lalimentation BTDsquilibreComposantes directe et inverse ?Soit un systme triphas quelconque, quilibr ou dsquilibr, dont les lments sont des grandeurs sinusodales de mme frquence, reprsents par les nombres complexes (X1, X2, X3). PosonsXd = 1/3 (X1+aX2+aX3)Xi = 1/3 (X1+aX2+aX3)X0 = 1/3 (X1+X2+X3)Ces quations sont appeles transformation de Fortescue.On quantifie le dsquilibre d'un systme triphas par le degr de dsquilibre (ou degr de dissymtrie), en courant ou en tension, dfini comme le rapport des valeurs efficaces, ou des amplitudes, de la composante inverse sur la composante directe: = Xi/Xd




Caractristiques de lalimentation BTTensions harmoniquesConditions normales dexploitationPour chaque priode dune semaine, 95 % des valeurs efficaces de chaque tension harmonique moyennes sur 10 minutes ne doivent pas dpasser les valeurs du tableau 1 de la norme. De plus, le taux global de distorsion harmonique de la tension fournie (y compris jusquau rang 40) ne doit pas dpasser 8 %.




Caractristiques de lalimentation BTTensions harmoniques


Rang de l'harmonique Taux en %357911131517

19 (1)21 (2)

565

1,53,53

0,32

1,50,2



Caractristiques de lalimentation MTFrquenceFrquence nominale 50 HzValeur moyenne sur 10 secondes :- Rseaux relis par des connexions synchrones un systme interconnect :

- 50 Hz 1 % (49.5 50.5) pendant 99.5 % dune anne- 50 Hz + 4 % / - 6 %(47 52) pendant 100 % du temps

- Rseaux sans connexion synchrone un systme interconnect (les) :- 50 Hz 2 % (49 51) pendant 95 % dune semaine- 50 Hz 15 % (42.5 57.5) pendant 100 % du temps



Plan



5. Power Quality - Mesures

QUELS PARAMETRES ALLONS NOUS MESURER

POUR QUANTIFIERET QUALIFIER

CES GRANDEURS ?

QUELS PARAMETRES ALLONS NOUS MESURER

POUR QUANTIFIERET QUALIFIER

CES GRANDEURS ?



Les appareils numriques dits R.M.Sralisent la mesure efficace dun signalALTERNATIF quelque soit sa forme, sinusodal ou dform.

... 272

52

3... ++++= IhIhIhlfondamentaII SMR

FORMULES

Valeur RMS

Appareil RMSMme mesure :I = 16 AAppareil NON RMS

Mesure :I = 12 A

Courant mesur


5. Power Quality - MesuresFacteur de Crte

414,12IIFCefficace

Max ===

Charge linaire : soit 1,414 Absence d'harmoniqueMatriel informatique : 2 3 Prsence d'harmoniques Variateur de vitesse : environ 2 Prsence d'harmoniques

2

Dans le cas dune charge linaire



Le taux distorsion harmonique global

Rapport de la valeur efficace de lensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du mme signal la frquence fondamentale

Le facteur de distorsion global

Rapport de la valeur efficace de lensemble des courants harmoniquesdu signal sur la valeur efficace du signal

2

222

1...432

AAAATHD ++= A ou V%

2

222 ...320Aeff

AAADF ++= % A ou V



1AAn

n =

%75129

1

3 ===AA

nExemple pour lharmonique 3 :

Dtermination de la valeur efficace du rang dharmonique considr ainsi que de son pourcentage par rapport la fondamentale.

Le taux distorsion harmonique rang par rang

100 %

n1 3 5 7 9


5. Power Quality - MesuresAppareils de mesure

Pince de puissance

Wattmtre Pince wattmtrique



Lanalyseur de puissance et dharmoniques

Power QualityAnalyser

Demo



Harmoniques

Les tensions harmoniques peuvent tre values :- individuellement, daprs leur amplitude relative (uh) par rapport la tension fondamentale U1, o h reprsente le rang de lharmonique,- globalement, cest--dire daprs la valeur du taux global de distorsion harmonique THD.



FlickermtreMesures selon la norme CEI 61000-4-15 (prcdemment CEI 868)

Lappareil de mesure de rfrence est dfini dans la norme,ainsi que la mthode de calibration.



L1

L3

L2

N

PE

Pince de terre C.A 6415pour mesurer chaque mise la terre

C.A 6541 / 43 / 45 / 47

Isolement entre conducteurs actifs(installation hors tensionet rcepteurs dbranchs)

(installation hors tension)

QualiStar - C.A 8334-MNMesure de la qualit du rseau"harmoniques, puissance T4FNE, nergies, transitoires, FFT, Fresnel, variations de tension,..."

F27 : Pince de puissances (T3FE) et harmoniques

Fournisseurd'nergie

Moteur

+-

L A M E S U R E I N D U S T R I E L L E

C.A 6525

MX 2040 : Pince de puissancesTriphas quilibr

T

e

r

r

e

d

u

N

e

u

t

r

e

C 37Pince courant de fuite

F05 : Pince Multimtreet de puissance / Facteurde puissance

Terre des Masses (d'utilisation)

P

E

Le QualiStaret ses accessoires

- Pince MN 93 - 240 A- Pince C 193 - 1000 A- Pince PAC 93 - 1400 A- Ampflex A 193 - 3000 A

MN 93 : 3 x Pincesjusqu' 240 A

Qualistar - Exemples d'crans


Plan



6. Power Quality Etude de casA. Harmoniques Neutre- Section des conducteurs

Harmoniques 3 en phase Somme non nulle Somme dans neutre : 3 x Iphase Echauffement Destruction Adapter la section du neutre

(idem pour les multiples de 3)

Un des effets les plus importants dans la prsence de courants harmoniques est laccroissement de la valeur des courants efficaces qui vont circuler sur lalimentation triphase.


Exemple numriqueTaux de distorsion

I1 225AI3 183A 81.3 %I5 152A 67.6 %I7 118A 52.4 %

Iphase = 348A (1,55 x I1) (somme quadratique des harmoniques)Ineutre = 3 x 183A = 549A (soit 2,44 x I1)

Phases : 225A > 70mm avec Harmoniques Phases : 150mm (385A)Neutre > 35mm avec Harmoniques Neutre : 300mm (615A)

6. Power Quality Etude de casA. Harmoniques Neutre- Section des conducteurs

Qualité de la tension Qualité de l’électricité

Documents

Transcript of Qualité de la tension Qualité de l’électricité