qualite de l'electricite©minaire ulg 2012_edj.pdf · unbalance 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 200...
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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