Noi metode, tehnologii ecologice si concepte de solutii aplicabile conform standardelor europene, de crestere a calitatii energiei electrice, Acronim: CompCalSys

Proiect CEEx

Cercetarea urmareste dezvoltarea unor modele matemetice, scheme numerice si implementarea lor intr-o platforma software de demonstratie, dedicata problemelor privind calitatea energiei electrice:

• stabilirea modului de mentinere in banda a mediei tensiuni in perioade de gol de sarcina prin compensarea puterii reactive vehiculate in retea de marii consumatori;
• tehnologii de dezasamblare si neutralizare, conform normativelor de mediu si standardelor europene si de compatibilitate electromagnetica;
• repartitia optima a marilor consumatori in reteua de distributie de medie tensiune;
• cresterea calitatii energiei electrice in statiile de transformare a regionalelor de transport feroviar;

Calitatea energiei electrice constituie o problemă complexă şi controversată. Complexitatea ei rezidă din multitudinea de factori ce o condiţionează, din interdependenţa acestora, din lipsa unor metode şi mijloace de obţinere expeditivă şi mai ales precisă a informaţiilor referitoare la unele mărimi ce o caracterizează. Datorită faptului că energia electrică reprezintă o marfă, calitatea ei poate fi încadrată într-un concept mai general legat de activitatea de producere a ei, şi ca urmare noţiunii de calitate i se pot atribui peste o sută de definiţii fără a identifica printre ele una unanim acceptată.

Concepte şi definiţii

Calitatea energiei electrice este o problemă de sine stătătoare, motiv pentru care este bine să fie trasate coordonate pe care să le urmărească strict, în mod egal atât producătorii cât şi utilizatorii acesteia. La momentul actual, cea mai importantă metodă de producere a energiei electrice se bazează pe funcţionarea generatoarelor electrice sincrone. Acestea produc tensiune electrică alternativă, sinusoidală, având frecvenţa bine stabilită (50 sau 60 Hz) funcţie de zona geografică şi amplitudini diferite.

            Utilizarea cu randament ridicat a energiei a impus crearea  unor reţele extinse de linii de transport, de staţii de transformare şi de distribuţie, indiferent de puterea cerută, energia electrică fiind la dispoziţie. Este firesc să apară norme care să stabilească responsabilităţi atât pentru producători, pentru marii consumatori cât şi pentru cel mai mic consumator. Crearea UE a impus ca reţelele de transport şi distribuţie să fie extinse, depaşind aria geografică a uneia sau alteia din ţări, determinind impunerea de sarcini comune, stabilite prin norme moderne, cu privire la utilizarea ecologică, păstrarea calităţii energiei electrice .

Efectele unui factor de putere redus

            In funcţionarea normală a consumatorilor electrici în general şi a maşinilor electrice în mod special, consumul de energie electrică activă şi reactivă coexistă şi este inseparabil. Problemele apar la analiza transportului energiei electrice la distanţă deoarece circulaţia simultană pe liniile electrice atât a energiei active cât şi a celei reactive micşorează capacitatea de transport a liniilor ce poate influenţa negativ calitatea energiei electrice puse la dispoziţie de către producător, influenţă pe care o vor resimţii toţi consumatorii de energie. Neajunsuri create de circulaţia energiei electrice reactive pe liniile de transport:

• Încălziri ale liniilor ce provoacă pierderi de putere prin efect Joule si micşorarea tensiunii la capetele liniilor.
• Într-o reţea trifazată pierderile de putere prin efect Joule se exprimă cu formula :  P= 3RxI² = 3RxI²a + 3Rx I²r   unde : P=puterea activă pierdută pe linie, R=rezistenţa electrică a liniei, I = curentul de linie, Ia = Componenta activă, Ir = Componenta reactivă
• Pierderile de putere generate de componenta reactivă sunt independente de puterea activă transportată. Pierderile de putere sunt proporţionale cu patratul curentului, se observă că prin alimentarea unui consumator ce lucrează cu factor de putere PF=0,5 pierderile provocate de curentul reactiv sunt de 3 ori mai mari ca cele provocate de cel activ.

          Un factor de putere redus conduce la consecinte negative asupra functionării sistemului energetic:

• Creşterea pierderilor de putere activă - căderi aditionale de tensiune - investiţii suplimentare prin supradimensionarea transformatoarelor de alimentare - reducerea capacităţii instalaţiilor energetice.
• Se va reţine că la o putere activă  dată , pentru un consumator, pierderile totale de putere activă sunt invers proporţionale cu pătratul factorului de putere. De exemplu, o instalaţie care lucrează cu PF = 0,7 are pierderi de putere activă duble faţă de aceeaşi instalaţie care ar lucra cu PF = 1.

Compensarea energiei reactive

Cele prezentate mai sus constituie un motiv foarte întemeiat pentru a impune generarea de energie reactivă de compensare cât mai aproape posibil de locul în care aceasta este consumată eliminând astfel circulaţia acesteia pe liniile de transport.  Operaţia poartă denumirea generică de compensarea energiei electrice reactive sau corectarea factorului de putere. Stabilirea soluţiilor optime de compensare şi elaborarea arhitecturii sistemelor trebuie să ţină cont în primul rând de cerinţele de calitate a energiei electrice impuse de parametrii electrici ai reţelei de transport, transformare şi distribuţie, precum şi de performanţele impuse maşinilor electrice .

Din punctul de vedere al nivelului tensiunii pe care se face compensarea deosebim :

• compensarea pe înaltă tensiune
• compensarea pe medie tensiune - se foloseşte când necesarul de putere reactivă Qc > 800 kVAr
• compensarea pe joasă tensiune - este indicat să se înceapă totdeauna cu compensarea pe joasa tensiune având în vedere costurile mai scăzute pentru aceste echipamente şi limitarea circulaţiei curenţilor reactivi prin transformatoarele de reţea

Stabilirea locului compensării pe acest criteriu se face plecând de la nivelul puterilor reactive de compensare .

Funcţie de poziţia faţă de consumatori deosebim deasemenea :

• Compensarea globală - când compensatoarele de energie reactivă sunt montate in faţa consumatorilor
• Compensarea sectorială - în cazul instalaţiilor de distribuţie extinse , ce cuprind mai multe ateliere
• Compensarea individuală - compensatoarele de energie reactivă se conectează lângă consumator

Din punctul de vedere al construcţiei instalaţiilor de compensare deosebim :

• Compensarea fixă - atunci când puterea reactivă de compensare nu se modifică , compensatorul fiind în permanenţă legat cu sarcina
• Compensarea automată -când instalaţia are baterii multiple de condensatoare cu puteri reactive diferite, conectarea la reţea fiind subordonată unui regulator automat al factorului de putere

Alegerea unui caz, în situaţia unei compensări globale se face pornind de la compararea puterii reactive necesare - Qc [kVAr] cu puterea transformatorului de reţea - SN [kVA]. Oricare din metode se bazează pe folosirea condensatoarelor electrice de construcţie specială având capacităţi/ tensiuni nominale mari/ foarte mari.

Pericolul pentru viaţă şi contaminare a mediului

Cu referire strictă la situaţia de la noi din ţară, pe marginea acestui ultim aspect, facem următoarele precizări :

• Bateriile de condensatoare - cele mai multe fixe sau în trepte acţionate în regim manual, care au fost instalate pe măsura dezvoltării activităţilor industriale, sunt depăşite din punct de vedere constructiv .
• Construcţia lor se bazează pe utilizarea unor uleiuri de impregnare foarte toxici - din categoria PCB - interzişi a mai fi utilizaţi pe plan mondial .
• Cum duratele de servici a condensatoarelor existente sunt demult depaşite există riscul contaminării personalului de exploatare dar şi a mediului în situaţia defectării unora dintre acestea.
• Înlocuirea acestor baterii de condensatoare se poate face numai cu respectarea unor reguli stricte de demontare , depozitare , dezasamblare şi neutralizare , aşa fel ca să se evite apariţia de accidente ecologice grave -de reţinut că fără tehnologii speciale de neutralizare , din uleiurile de impregnare PCB se eliberează dioxină .
• Este necesar a se elabora şi impune norme de înlocuire a acestor tipuri de baterii de condensatoare concomitent cu tehnologii sigure pentru recuperarea/neutralizarea uleiurilor de impregnare .
• Aceste norme trebuiesc aliniate la standardele europene cu privire la protecţia mediului şi a vieţii .

Condensatoare ecologice pentru compensarea energiei reactive

            Odata cu dezafectarea bateriilor vechi de condensatoare se va trece la înlocuirea cu instalaţii moderne de compensare a energiei reactive bazate pe condensatoare ecologice non PCB în tehnologie MKP. Dielectricul utilizat la construcţia acestora este polipropilena metalizată.             Armăturile sunt fie încapsulate uscat în gaz inert ( N² ), fie impregnate într-un ulei special pe bază vegetală, biodegradabil, nepoluant şi netoxic. Impregnara asigură o bună capacitate de disipare a căldurii şi o capacitate electrică constantă pe toată durata de viaţă. Tehnologia MKP permite regenerarea dielectricului. După apariţia unei străpungeri accidentale acesta se autocicatrizează, influenţele asupra capacităţii electrice fiind mai mici de 100pF.

Calitatea energiei electrice

Calitatea energiei electrice trebuie urmărită în fiecare fază pe care o parcurge energia electrică: producere; transport; distribuţie; consum. In cadrul fiecărei etape apare un element definitoriu principal şi alături de el elemente secundare care facilitează asigurarea primului. Cercetarea va arata efectul pe care îl prezintă valorile indicatorilor de calitate asupra întregului proces. Concluziile se regăsesc în domeniile de compatibilitate pentru fiecare etapă a lanţului energetic. În cadrul fiecărei etape există fenomene poluante care trebuie eliminate. Acestea rezultă în urma unor procese tehnologice care trebuie identificate, limitate şi eliminate prin tehnologii noi, curate, nepoluante.

Poluarea reţelelor electrice

Dezvoltarea aplicaţiilor bazate pe electronica de putere a impus o analiză mai profundă a calităţii energiei electrice, folosind un  suport matematic adecvat dar şi ajutorul unei aparaturi de măsurare şi înregistrare din cele mai sofisticate. Acţionările cu turaţie variabilă bazate pe motoare electrice asincrone, asociate cu convertizoare statice de frecvenţă, convertizoarele electronice de sudură, cuptoarele electrice cu arc, tuburile fluorescente, etc. poluează tot mai evident reţelele electrice.

            Comutaţiile de înaltă frecvenţă ale semiconductorilor de putere din cadrul invertoarelor generează interferenţe electromagnetice (EMI) care dăunează celorlalţi consumatori conectaţi la reţea. Aceste zgomote a căror frecvenţa este cuprinsă în spectrul 150kHz - 30MHz se propagă atât ca radiaţie electromagnetică cât şi direct prin conductori putând provoca distrugeri majore.

Eliminarea EMI  începe de la concepţia algoritmilor de reglare ai invertoarelor, alegerea judicioasă a punctelor de înpământare şi ecranare a conductorilor şi se termină cu utilizarea filtrelor EMC atât către reţea cât şi spre sarcină în conformitate cu standardul UE EN 55022 şi a directivelor UE EMC.

Analiza regimului deformant este deosebit de importanta in modalitatea de luare a deciziilor. Normele franceze privesc calitatea energiei electrice ca fiind de fapt calitatea serviciului de alimentare cu energie electrică care este condiţionată de următorii trei factori: siguranţa în funcţionare a instalaţiilor de alimentare / calitate a energiei electrice în punctul de delimitare dintre consumator şi furnizor / compatibilitatea electromagnetică a instalaţiilor cu mediul în care funcţionează în punctul comun de racord.

Calitatea energiei electrice este privită în contextul relaţiei furnizor - consumator de energie electrică sub influenţa perturbaţiilor. Aceste perturbaţii se pot datora furnizorului, consumatorului, dar pot proveni şi din cauze exterioare, iar existenţa lor presupune analiza, urmărirea şi luarea de măsuri în vederea asigurării calităţii energiei electrice. Cât de mult este afectată calitatea energiei electrice de aceste perturbaţii se poate aprecia pe baza unor indicatori care răspund prompt la acţiunea perturbaţiilor. Datele măsurate şi înregistrate vor fi prelucrate cu un pachet de programe ce permite:

• înregistrarea cu perioade de eşantionare programabile pentru mărimile măsurate
• analiza armonică a mărimilor măsurate (tensiuni şi curenţi);
• calcularea indicilor de calitate a energiei electrice în baza unei teorii unitare, aliniată la standardele europene; afişarea, la cerere, a unor parametri electrici: energie electrică (activă/reactivă), putere (activă/ reactivă/ deformantă), factor de putere, curenţi, tensiuni, frecvenţa; ponderii armonicilor superioare;
• sesizarea variaţiilor rapide normale, accidentale, nesimetriilor sistemului trifazat de tensiuni si curenţi;
• stocarea, afişarea pe perioade mari a evenimentelor privind abaterile de la calitate a energiei electrice;
• detecţia şi analiza cauzelor defectelor şi evenimentelor, inclusiv urmărirea funcţionării releelor de protecţie; calculul distanţei până la locul de defect;
• afişarea puterii medii înregistrată 15 minute consecutive în timpul orelor de vârf de sarcină, pe linia de 20 kV (atât separat pe fiecare fază, cât şi cumulat) care alimentează mai multe staţii de trasformare 20/6kV;
• afişarea puterii medii inregistrată 15 minute consecutive în afara orelor de vârf de sarcină, pe linia de 20 kV (atât separat pe fiecare fază, cât şi cumulat) care alimentează mai multe staţii de trasformare 20/6kV; compararea valorilor măsurate cu valori prescrise şi semnalizarea depăşirii acestora;
• atât pentru mărimile măsurate în sistem, cât şi pentru mărimile calculate, se prescriu valori limită; la atingerea acestora se declanşează semnale de avertizare sonoră şi optică;
• obţinerea de rapoarte zilnice, periodice sau pe alte intervale de timp solicitate;
• obţinerea situaţiei principalilor indicatori energetici.

Sistemul de indicatori ai calităţii energiei electrice trebuie să permită estimarea nivelului de calitate într-un nod al reţelei şi la un anumit moment şi compararea informaţiilor obţinute cu nivelul considerat ca fiind cel optim sau cel puţin tolerabil (admisibil) de majoritatea consumatorilor racordaţi la reţeaua respectivă.

Concluzii

Creşterea calităţii energiei electrice se poate obţine acţionând simultan pe cele două direcţii amintite mai sus :

• lucrând cu un factor de putere cât mai apropiat de unitate - fapt ce implică utilizarea pe scară largă a compensării automate a energiei reactive atât pe joasă cât şi pe medie tensiune - scopul final fiind acela al menţinerii în bandă a tensiunii reţelelor de energie electrică
• diminuând armonicele, interferenţele electromagnetice prin utilizarea filtrelor de armonice - în vederea reducerii riscului de defectare a consumatorilor electrici şi electronici datorită deformării tensiunii reţelelor electrice