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QUALITE DE L'ELECTRICITE

Emmanuel DE JAEGER (UCL)

Alain ROBERT (UCL)

Université de Liège - 12/12/2012

Séminaire organisé par le Professeur Jean-Louis LILIEN

1

Sommaire

• Qualité et CEM

• Phénomènes perturbateurs

• Concepts de la normalisation

• Evaluation de la qualité

• Indices et objectifs de qualité

• Raccordement des installations perturbatrices

• Maîtrise de la qualité

• La qualité dans le marché libéralisé

2

Electromagnetic Compatibility (EMC)

Compatibilité Electromagnétique (CEM)

3

(Source: UIE)

EMC

All disturbing phenomena (BF or HF)

Reaching sensitive equipment through

• Electricity supply

• Inductive/conductive coupling, radiation

• Input / output signals

• Earth connection

4

EMC

All disturbing phenomena (BF or HF)

Reaching sensitive equipment through

• Electricity supply

• Inductive/conductive coupling, radiation

• Input / output signals

• Earth connection

Power Quality =

Voltage Continuity + Voltage Quality

• frequency• magnitude• waveform• symmetry

(Reliability of supply)

5

Sommaire

• Qualité et CEM

• Phénomènes perturbateurs

• Concepts de la normalisation

• Evaluation de la qualité

• Indices et objectifs de qualité

• Raccordement des installations perturbatrices

• Maîtrise de la qualité

• La qualité dans le marché libéralisé

6

7

Interruption

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5200

100

0

100

200

Dips

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5200

100

0

100

200

Transients< 10 ms

0 0.005 0.01 0.015 0.02200

0

200

Overvoltages

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025200

0

200

400

Flicker

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45200

100

0

100

200

Unbalance

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1200

100

0

100

200

Frequency variation

0 0.05 0.1 0.15 0.2

100

0

100

Harmonics

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03200

0

200

FondamentalHarmonique 5Tension déformée résultante

t

Voltage Quality:

Major disturbances overview

Continuité – Coupures longues

Type Coupures longues

Origine Court-circuit, surcharge, décl.

Intempestif, maintenance…

Conséquences Arrêt équipement, pertes produc-

tion, dégâts

Solutions Alimentation de secours (réseau),

alimentation sans interruption

8

Fréquence - Déviations

9

Amplitude - Déviations

10

Amplitude – Creux de tension

11

Creux de tension: définition

• IEC 61000-2-x

Les creux de tension sont des réductions

soudaines de la tension excédant normalement 10 % en un point d’un système électrique, suivies d’un retour de la tension après une courte période de temps, d’un demi-cycle à quelques secondes

• EN 50160Une soudaine réduction de la tension fournie à une valeur comprise entre 90 % et 1% de la tension déclarée, suivie d’un retour de la tension après une courte période de temps

12

Défauts dans les réseaux publics et chez les

utilisateurs

• Courts-circuits

– Défauts de câbles dus à des causes externes

– Effet du vent sur les lignes ou les arbres

– Foudre

– Oiseaux dans les réseaux aériens et éclateurs

– Animaux (chats, rats,… ) en sous-stations MT

• Temps d’élimination des défauts

– entre 0.1 et 0.2 s en HT,

– entre 0.2 et 2 s en MT

– en BT ...

13

Phénomène imprévisible et … inévitable

• Creux

– Nombre: 10 … 10.000 / an

– Durée: 10 ms à 60 s

– < 1 s, amplitude < 60 % (∆ U)

• Interruptions

– ± 70 % des interruptions < 1 s

14

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Nombre de défauts par 100 km et par an

Plan deTension(kV)

Statistiques de défauts par plan de tension

15

Elimination d’un défaut

feeder 1 feeder 2

0

0

t0

t

U1

U1

U2

U2

t

t

t

t0

t0 : appearance of the fault

transientfault

(semi-)permanentfault

: clearance of the fault

: reclosing

: clearance of the fault when reclosed on the faulty feeder

: manual reclosing (after repair)

t1

t1

t1

t2

t2

t2

t3

t3

t4

t4

200ms

200ms

500ms to 10 sec

500ms to 10 sec

16

• Elimination d’un défaut: exemple

17

Creux de tension: typesDéfaut monophasé

Charge connectée en étoileCharge connectée en triangle

18

Creux de tension: types

Défaut phase - phase

Charge connectée en étoile

Charge connectée en triangle

19

1

2

3

4

1. extruder

2. spinpomp

3. koeling

4. positioneringsmotoren

• Problème des équipements synchronisés

• Perte de matières premières coûteuses

• Pertes de production

• Dégâts

• Délais non tenus (journaux)

• …

Effets des creux sur les processus industriels

20

Exemples de caractéristiques d’aptitude

(immunité): matériel IT

21

22

Exemples de caractéristiques d’aptitude

(immunité): contacteurs

Comportement des moteurs asynchrones

23

2950

2960

2970

2980

2990

3000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Time (s)

Spe

ed (

rpm

)

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Time (s)

Cur

rent

(A

)

L

Redresseur à diodes

Réseau

C Vdc

OnduleurMachine àinduction

Charge

Variateurs de vitesse pour moteur asynchrone

(Adjustable Speed Drives)

24

Creux de tension déséquilibré

25

Creux de tension triphasé déséquilibré

Effets sur les courants de lignes

26

Principes d’une étude d’immunisation

a. Modification de l’équipement b. Réglage des protectionsc..

Immunisation globale d. Adaptation du réseau

Protection

Moteurs

Autres

a

bc d

Processus sensible

Alimentationdu consommateur

Réseau

27

� Arrêt contrôlé (“propre”) d’un processus

� Redémarrage automatique (attention à la sécurité !!!)

� Possibilités de “passer au travers de la perturbation” (ride

through), sous certaines conditions

� Immunisation complète de l’installation ou d’une partie de

l’installation

Détermination des niveaux

d’immunisation nécessaires

28

� Pilotage des convertisseurs pendant défaut, reprise « au vol »

� Adaptation du réglage des protections

� Immunisation complète de l’installation ou d’une partie de

l’installation:

� Uninterruptible Power Supply (UPS): on-line, off-line, statique,

dynamique…

� Flywheels

� Dynamic Voltage Restorer

� …

� Modification de l’architecture réseau

Exemples de solutions techniques

29

Classement de toutes les solutions

€ 0

€ 50.000

€ 100.000

€ 150.000

€ 200.000

€ 250.000

€ 300.000

€ 350.000

€ 400.000

now a b c d e

Immunization COSTNon Quaity COST

PB-method

€ 0

€ 20.000

€ 40.000

€ 60.000

€ 80.000

€ 100.000

€ 120.000

€ 140.000

€ 160.000

1 2 3 4

Year

NQ-cost

investment

30

70 kV

DEUXA4

NINOV4

NINOVC

HERFE4

Fabelta Ninove

GERDB4

NINOV3

150 kV

15 kV

EIZE+3R

BRUEG3.2

EIZER3R

Kapittelstr.

de katBokkendriesch

Albertlaan

slachthuis

EDN

Burchtdamkerk

industriepark

De Roose Stwg

400 V

WELL+4R

AALST4

AALSTC

AALST3

BAASR4

MERCH4

DENDL ESSNE4

kam disp

Denderhoutem

stadhuis

Bosstraat

Bogaert

BRUEG3.1

TERL3

SCHEL3MERCATOR

MERCH3

BRUEGEL

RONSE

RUIEN4AVELGEM

I II III

Structure d’origine du réseau Structure Future

Voltage to Fabelta >75 % 50-75% 25-50% <25%

70 kV

DEUXA4

NINOV4

NINOVC

HERFE4

NINOV3

150 kV

15 kV

EIZE+3R

BRUEG3.2

EIZER3R

Kapittelstr.

de katBokkendriesch

Albertlaan

slachthuis

EDN

Burchtdamkerk

industriepark

De Roose Stwg

WELL+4R

AALST4

AALSTC

AALST3

BAASR4

MERCH4

DENDL ESSNE4

kam disp

Denderhoutem

stadhuis

Bosstraat

Bogaert

BRUEG3.1

TERL3

SCHEL3MERCATOR

MERCH3

BRUEGEL

RONSE

RUIEN4AVELGEM

FABELTA

GERDB4

Solutions « réseau »

31

Voltage

Amplitude – Creux de tension

Coupures brèves

Type Creux de tension, coupures brèves

Origine Court-circuit,

enclenchement de gros moteur

Conséquences Arrêts d'équipements,

pertes de production, dégâts

Solutions Conditionneur de réseau,

conception équipement sensible,

alimentation sans interruption

32

Amplitude –

Fluctuations de tension / Flicker

33

Flicker =�The disturbance produced on the lighting by

voltage variations�The subjective sensation which is experienced

by human beings when subjected to a fluctuating luminance

What is Flicker ?

34

� Voltage fluctuations between 0,1 et 30 Hz

� Max. amplitude < 10 %

� Perception level : 0,2% rectangular

0,3% sinusoidal

� Maximum sensibility of the eye at 8.8 Hz

Flicker: major physical characteristics

35

Amplitude –

Fluctuations de tension / Flicker

Type Fluctuation rapide (flicker)

Origine Installations fluctuantes, charges

cycliques

(four à arc, soudeuse, moteur à

démarrage fréquent, éolienne…)

Conséquences Papillotement de l'éclairage

Solutions Compensateur synchrone,

compensateur statique,

conditionneur actif,

condensateur série36

Forme d’onde –

(Inter)Harmoniques

37

-1.50

1.5

-1

0

1

-1

0

1

-1

0

1

50 100 150 200 250 300 350frequency (Hz)0

1amplitude (V)

amplitude (V)

frequency (Hz)0

1

50 100 150 200 250 300 350

frequency (Hz)0

1

50 100 150 200 250 300 350

amplitude (V)

frequency (Hz)0

1

50 100 150 200 250 300 350

amplitude (V)

time

time

time

time

amplitude (V)

amplitude (V)

amplitude (V)

amplitude (V)

Distorted voltage

Fundamental

3rd harmonic

5th harmonic

Distorted spectrum

38

Effect of the phase :

39

Interharmonic disturbances

40

Sources of harmonic currents :Non linear loads (having a current – voltage characteristic which is not linear)

Voltage

Current

Time (s)

41

� Saturated magnetic coil � Electrical Arcs� Power electronics

Single phase rectifier bridgewith capacitive filter

T V C F L

H 3 8 0 à 9 0 % 8 5 à 9 0 %

H 5 6 0 à 7 0 % 6 0 à 6 5 %

H 7 5 0 à 6 0 % 3 5 à 4 0 %

42

THD WATERLOO (3 years) Wed

0,00%

0,20%

0,40%

0,60%

0,80%

1,00%

1,20%

1,40%

1,60%

1,80%

2,00%

0:00:00 6:00:00 12:00:00 18:00:00 0:00:00

Time

THD_env.max 1996

THD_env.max 1997

THD_env.max 1998

43

Variable speed drive for induction motor

44

Current absorbed by variable speed drive for induction motor

45

Drives for asynchronous motors

�Harmonics of rank h = pk - 1 et pk + 1p = pulse index for the rectifierk = 1, 2, 3, ...

�Determining elements :� Operating point� The way to charge the filtering capacitor conditioned by

the AC inductance and the filtering circuit

46

47

Active Front End Variable Speed Drive

48

Propagation of harmonics

Production of a perfect sin wave at the electric power station

Transport grid

Sum of harmonic currents

Harmonic emission

Auto disturbance

Disturbance due to other grid user

Harmonic emission

Appearance of harmonic

Probably disturbing the neighboursvoltage due to the current Ih.

49

Propagation of harmonics

Upstream grid

50

Distorting Load

51

Propagation of harmonics

Without important capacitors in the network

�Propagation to a higher voltage level� Good propagation of harmonic currents� Important attenuation of harmonic voltages by the effect

of voltage divider

�Propagation to a lower voltage level� Important attenuation of current harmonics� Smooth attenuation of voltage harmonics (attenuation

effect of non disturbing loads)52

Good harmonicvoltage

propagation

Good harmoniccurrentpropagation

Transformer (HV/MV)

Transformer (MV/LV)

53

Propagation of harmonics

With important capacitors in the network

�Parallel resonance � Amplification of harmonic currents injected to higher

voltage levels� Generation of important harmonic voltages

�Series resonance� Amplification of harmonic voltages coming from a higher

voltage level

54

Parallel resonance

55

HV

MV

( )h

n

cc L

Zh U

S h Q h P

=− +

2

22 2 2

Parallel resonance

56

Impe

danc

e (O

hm)

Frequency (Hz)

Series resonance

57

Uh2

Uh2

HV

MV

Series resonance

( )hHM

n tfo

n tfo cc cc L

TS

S h u Q h u P

=− +

22 2 2 2

58

Tra

nsfe

rt c

oeffi

cien

t T

hHM

Frequency (Hz)

• Anti-harmonic self

– To protect the capacitors

– Change the resonance frequency to a less

dangerous frequencyEnkel C5

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Harmonische

Am

plitu

de

Amplitude (Ohm)

59

Mitigation techniques (1)

• Passive filtering

Elektrolyse

Klassieke belastingC1H5

C2H7

C3H5

C4H7 C5

C6H11

C7H13

15 kV

150 kV

S = 36 MVAUcc = 17.5 %

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Harmonische

Am

plitu

de

Amplitude (Ohm)

60

Mitigation techniques (2)

• Active filtering

ActiveFilter

-1 ,3

1 ,3

0 3 6 0

-1 , 3

1 , 3

0 3 6 0

-1 ,3

1 ,3

0 3 6 0

FEEDER

FUNDAMENTAL ONLY

ONLYHARMONICS

61

Mitigation techniques (3)

Forme d’onde –

(Inter)Harmoniques

Type Harmonique

Origine Installations non linéaires

(électronique de puissance, arcs)

Conséquences Effets thermiques ou diélectriques,

dysfonctionnements

Solutions Filtrage passif ou actif,

self anti-harmonique,

déclassement d'appareil

62

Forme d’onde –

(Inter)Harmoniques

Type Interharmonique

Origine Installations non linéaires et

fluctuantes,

télécommande centralisée…

Conséquences Papillotement de l'éclairage

fluorescent, dysfonctionnements…

Solutions Filtrage passif ou actif,

amortissement de filtres,

conception équipement sensible

63

Forme d’onde - Transitoires

64

Commutation notches

65

Forme d’onde - Transitoires

Type Surtension transitoire

Origine Court-circuit, commutations, foudre

Conséquences Déclenchements, danger pour les

personnes et pour les matériels

Solutions Séparation galvanique,

parasurtenseur, enclenchement

"synchronisé", résistance de pré-

insertion

66

Symétrie - Déséquilibre

67

Symétrie - Déséquilibre

Type Déséquilibre

Origine Installations déséquilibrées

(traction ferroviaire…)

Conséquences Echauffement de machines

tournantes, vibrations,

dysfonctionnement de protections

Solutions Dispositif d'équilibrage,

conditionneur de réseau

68

Sommaire

• Qualité et CEM

• Phénomènes perturbateurs

• Concepts de la normalisation

• Evaluation de la qualité

• Indices et objectifs de qualité

• Raccordement des installations perturbatrices

• Maîtrise de la qualité

• La qualité dans le marché libéralisé

69

Concepts de la normalisation

70

( Source: Norme CEI 61000-2-2)

Sommaire

• Qualité et CEM

• Phénomènes perturbateurs

• Concepts de la normalisation

• Evaluation de la qualité

• Indices et objectifs de qualité

• Raccordement des installations perturbatrices

• Maîtrise de la qualité

• La qualité dans le marché libéralisé

71

Evaluation de la qualité

• Coupures: opérateurs du réseau

• Fréquence: un seul enregistreur

• Amplitude I• Forme d’onde > qualimètres (CEI 61000-4-30)• Symétrie I

72

Evaluation Q – AmplitudeFlickermètre :

� Pst (“Pegel short time”) sur 10 min

� Plt (“Pegel long time”) sur 2 h

73

Seuil de perceptibilité du flicker

pour différents types de lampe

74

Evaluation Q – Forme

(Inter)Harmoniques: analyseur de Fourier

� Vh/V1 (ou Vih/V1)

75

Evaluation Q – Symétrie

Déséquilibre: mesure 3 tensions et Fortescue

� Vi/Vd (ou V0/Vd)

76

Sommaire

• Qualité et CEM

• Phénomènes perturbateurs

• Concepts de la normalisation

• Evaluation de la qualité

• Indices et objectifs de qualité

• Raccordement des installations perturbatrices

• Maîtrise de la qualité

• La qualité dans le marché libéralisé

77

Indice de Q – Coupures longues

Σ ENS 8760 ⋅ 60 ⋅ Σ ENS

AIT = (h/client/an) = (min/client/an)

YAP YEC ⋅ 106

Σ (T ⋅ PNS) Σ ENS

AID = = (min/interruption)

Σ PNS Σ PNS

AIT

AIF = (interruptions/client/an)

AID

78

Indice de Q – Creux de tension

79

Indice de Q – Creux de tension

Pour un utilisateur donné, se baser sur la courbe

d’aptitude : tension résiduelle vs. durée

des process critiques.

Exemple:

moteur

asynchrone

(Ur = tension

Directe)

80

Indices et objectifs de qualité

pour Pst, Plt, Vh/V1, Vi/Vd

• Analyse statistique � choix de percentiles

• Exemple, Flicker : mesures 1 semaine, puis

– Caractéristiques de la tension

• BT : Plt95 <= 1

• MT : Plt95 <= 1

– Niveaux de planification

• MT : Pst95 <= 0,9 / Plt95 <= 0,7 / Pst99 <= 0,9-1,35

• HT : Pst95 <= 0,8 / Plt95 <= 0,6 / Pst99 <= 0,8-1,2

81

Sommaire

• Qualité et CEM

• Phénomènes perturbateurs

• Concepts de la normalisation

• Evaluation de la qualité

• Indices et objectifs de qualité

• Raccordement des installations perturbatrices

• Maîtrise de la qualité

• La qualité dans le marché libéralisé

82

Réseau: Puissance de court-circuit

• Scc standard:

• Scc effective:

car

• Scc apparente:

tient compte de

• Scc contractuelle

83

Limites d’émission

• Stade 1: évaluation simplifiée

par ex. Limitation du rapport Si/Scc

• Stade 2: partage du gâteau (des lim. de planif.)

par ex.

ou

(E = lim émiss, L = lim planif, α = exp loi add)

• Stade 3: acceptation à titre précaire

84

Vérification a posteriori

• Harmoniques

– Mesures avant (1) et après (2),

rang h et percentile p :

– Mesure des courants harmoniques

• Flicker

– Enregistrement (U, I) et simulation

• Déséquilibre

– Moins compliqué

85

Sommaire

• Qualité et CEM

• Phénomènes perturbateurs

• Concepts de la normalisation

• Evaluation de la qualité

• Indices et objectifs de qualité

• Raccordement des installations perturbatrices

• Maîtrise de la qualité

• La qualité dans le marché libéralisé

86

• Continuité de la tension

• Coupures longues

• Qualité de la tension

– Fréquence Qualité du réseau

• Déviations (Concept., entret., exploit.)

– Amplitude

• Déviations

• Creux et coupures brèves

• Fluctuations (flicker)

– Forme d’onde

• (Inter)harmoniques Limites d’émission

– Symétrie

• Déséquilibre87

Sommaire

• Qualité et CEM

• Phénomènes perturbateurs

• Concepts de la normalisation

• Evaluation de la qualité

• Indices et objectifs de qualité

• Raccordement des installations perturbatrices

• Maîtrise de la qualité

• La qualité dans le marché libéralisé

88

Aim of regulation :socio-economic optimum

89

FIN

merci pour votre attention

90