Transcript 3. Studiu de caz – efectele surselor de iluminat asupra

Facultatea de Instalaţii
DISTORSIUNEA ARMONICĂ A TENSIUNII DE ALIMENTARE
DATORATĂ ECHIPAMENTELOR DE ILUMINAT
Conducător Ştiinţific,
Dr. Ing. Florin POP, Profesor Consultant
Doctorand,
Ing. Horaţiu-Călin ALBU
1
1. Introducere
Conform [1], consumul de energie electrică la nivel global al instalaţiilor de iluminat din
clădirile comerciale a fost estimat în 2005 la 1133 TWh. Aproximativ 30% din totalul
energiei electrice consumate la nivelul clădirilor comerciale şi rezidenţiale este datorat
iluminatului.
Lumina artificială livrată în clădirile comerciale se datorează lămpilor fluorescente
lineare (76,5%), lămpilor incandescente (7,2%), lămpilor cu halogen (2,2%), lămpilor
fluorescente compacte (7%) şi lămpilor cu vapori la înaltă presiune (7,2%). Din totalul
luminii livrate, doar 7,7% se datorează unor surse eficiente de iluminat.
Ponderea estimată a luminii livrate de diferite tipuri
de sursă de lumină în sectorul comercial în ţările
OECD, în 2005 [1]
2
2. Distorsiunea armonică a tensiunii reţelei de alimentare cu energie electrică
Nivelul de distorsiune al tensiunii într-un anumit punct al reţelei de distribuţie depinde de
interacţiunea dintre impedanţa sistemului şi frecvenţa caracteristică a surselor neliniare de
curenţi armonici.
Pentru analiza propagării armonicilor se utilizează mai multe metode:
- metode iterative (circulaţie puterilor în regim deformant): folosesc o reprezentare
fazorială a acestor mărimi (impedanţa reţelei şi sursele de curenţi armonici);
- metode în timp: folosesc o reprezentare în timp a elementelor reţelei şi a surselor de
armonici. Acestea dau rezultate mai exacte decât metodele iterative.
Problemele aferente regimului deformant sunt legate de apariţia în sistemul energetic a
armonicilor de tensiune şi curent. Elementele neliniare din sistem (alimentate de la reţea)
sunt cele care determină deformarea undei curentului. Armonicile de curent sunt convertite
apoi în armonici de tensiune, datorită circulaţiei lor în sistem.
3
2. Distorsiunea armonică a tensiunii reţelei de alimentare cu energie electrică
Propagarea curenţilor armonici în reţeaua de distribuţie, se realizează:
- de-a lungul cablurilor electrice se propagă integral, fără să apară modificări în rangul,
amplitudinea sau defazajul acestora;
- la parcurgerea transformatoarelor de la utilizator (secundar) spre sursă (primar),
acestea se regăsesc sau nu în primarul transformatorului, în funcţie de grupa de conexiuni
a transformatoarelor şi de rangul armonicilor, astfel:
transmit integral toate
triunghi sau stea
echilibrat);
elimină
sau stea-stea
sunt
eliminate armonicile
- transformatoarele cu grupa de conexiuni stea-stea
armonicile;
- transformatoarele care conţin în primar conexiune in
armonicile multiplu de trei (în ipoteza existenţei unui regim
- transformatoarele care prezintă conexiune triunghi-triunghi
componente ale reţelelor fără nul accesibil, deci implicit sunt
multiplu de trei.
4
2. Distorsiunea armonică a tensiunii reţelei de alimentare cu energie electrică
Pentru modelarea elementelor reţelelor electrice în regim de funcţionare sinusoidal şi
echilibrat se utilizează în general mai multe ipoteze:
- sistemul trifazat de tensiune este simetric, de succesiune directă;
- curenţii la utilizatori formează un sistem echilibrat;
- parametrii elementelor reţelei sunt omogeni, constanţi în timp şi independenţi de
tensiunea aplicată la borne şi de curentul care îi parcurge;
- regimul de funcţionare este permanent şi de lungă durată.
Modelarea reţelelor electrice în regim deformant de funcţionare se face respectând
ipotezele iniţiale, prin intermediul impedanţelor armonice.
Determinarea impedanţelor armonice ale transformatorului (directa si homopolara), a
liniilor aeriene şi cablurilor se fac conform NPE 006/06/00 [9]
Articolul [5] propune reprezentarea receptoarelor neliniare ca o combinaţie paralelă de
elemente rezistiv, inductiv şi capacitiv. În paralel cu acestea sunt incluse sursele de
curenţi armonici, pentru fiecare frecvenţă. Valorile elementelor sunt calculate pe baza
caracteristicilor experimentale ale receptoarelor.
5
3. Studiu de caz – efectele surselor de iluminat asupra distorsiunii
armonice a tensiunii de alimentare
Caracteristicile incaperii de birou:
- suprafaţă de 60 m2 şi înălţime de 3 m;
- patru ferestre egale care acoperă peretele din
partea de nord (fiecare dintre ele având
dimensiunile de 2 m x 1,8 m (1,8 m înălţime));
- factor de reflexie de 20/50/70;
- zona de lucru a fost stabilită la înălţimea de
0,85 m;
- valoarea nivelului de iluminare menţinut pe
planul de lucru a fost ales egal cu 500 lx.
Încaperea de birou pentru care s-a aflat
numarul necesar de aparate de iluminat
Tabel 1 Caracteristicile aparatului de iluminat utilizat în simulări
Lampa
T8 2x36 W HF
P
W
75
Flux luminos
lm
6700
Eficacitate luminoasă
lm/W
89,33
Tabel 2 Rezultate simulare DIALux
T8 2x36 W EB
Nr.
aparate iluminat
12
P
W
900
Flux luminos
lm
80400
Puterea specifică instalată
W/m2
W/m2/100 lx
15
2,38
6
3. Studiu de caz – efectele surselor de iluminat asupra distorsiunii armonice a
tensiunii de alimentare
Fig. 1 Caracteristicile electrice corespunzătoare aparatului de iluminat echipat cu lămpi
fluorescente T8 2x36 W şi balast electronic
7
3. Studiu de caz – efectele surselor de iluminat asupra distorsiunii armonice a
tensiunii de alimentare
Instalaţia de iluminat aferentă clădirii de
birouri necesită un număr de 1728 de
corpuri de iluminat, fiecare corp fiind
format din două lămpi fluorescente 36 W,
echipate cu balast electronic. În fiecare
încăpere sunt instalate un număr de 12
aparate de iluminat. Circuitul echivalent
echipamentului de iluminat are surse de
curenţi armonici pentru armonicile de
rang impar cu valori superioare
armonicilor de rang par.
Impactul armonicilor de curent a fost
analizat în cinci puncte, respectiv PPC 1
÷ PPC 5.
Fig. 3 Schema de distribuţie a energiei electrice
la clădirea de birouri
8
3. Studiu de caz – efectele surselor de iluminat asupra distorsiunii armonice a
tensiunii de alimentare
S-a simulat, cu ajutorul programului Orcad Pspice, reţeaua prezentată în Fig. 1, pentru
distribuţia energiei electrice la instalaţia de iluminat, cu putere aparentă necesară de
131,155 kVA, reprezentând 13,11% din încărcarea transformatorului de joasă tensiune.
Dimensionarea conductoarelor s-a realizat conform NP I7-02 [12].
Tabel 3 Impactul armonicilor de curent asupra tensiunii de alimentare pentru
instalaţia de iluminat
rang
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
THDU (%)
U (PCC1)
V
223,8
%*U (PCC 1)
0,394
0,120
0,047
0,017
0,148
0,110
0,027
0,103
0,111
0,043
0,129
0,145
0,519
U (PCC2)
V
225,4
%*U (PCC 2)
0,355
0,120
0,045
0,017
0,145
0,108
0,027
0,101
0,109
0,042
0,127
0,143
0,487
U (PCC 3)
V
227,9
%*U (PCC 3)
0,282
0,102
0,039
0,015
0,126
0,094
0,024
0,088
0,095
0,037
0,111
0,125
0,404
U (PCC 4)
V
227,9
%*U (PCC 4)
0,207
0,074
0,028
0,011
0,090
0,067
0,017
0,063
0,068
0,026
0,079
0,089
0,292
U (PCC 5)
V
230,0
%*U (PCC 5)
0,001
0,003
0,001
0,001
0,001
0,000
0,001
0,000
0,001
0,000
0,000
0,001
0,004
9
3. Studiu de caz – efectele surselor de iluminat asupra distorsiunii armonice a
tensiunii de alimentare
(a)
(b)
Fig. 2 (a) Forma undelor de curent şi de tensiune şi (b) răspunsul în frecvenţă al curentului reţelei
analizate
10
4. Impactul armonicilor asupra conductorului neutru
Impactul armonicilor asupra conductorului neutru
S-a analizat încărcarea conductorului neutru în punctul PCC 4, sub distorsiunea armonică
datorată receptoarelor neliniare. În cazul în care conductorul neutru al reţelei electrice de
distribuţie interioară este dimensionat conform cerinţelor NP 07/2002 [12], secţiunea
acestuia va fi jumătate din secţiunea conductorului de fază. Intensitatea maximă admisibilă
a curentului pentru un conductor de 50 mm2 este egală cu 135 A. Dacă secţiunea
conductorului se alege similară cu cea a conductorului de fază (95 mm2), intensitatea
maximă admisibilă a curentului este egală cu 218 A.
Tabel 4 Amplitudinea curentului electric pe diferite frecvenţe, pentru conductorul neutru
I (neutru) [A]
rang
I (rang) [A]
1
3
0,32 46,64
5
0,0
3
7
0,0
1
9
0,8
8
11
0,0
4
13
0,0
3
15
0,7
9
17
0,0
3
19
0,0
3
21
0,8
4
23
0,0
3
25 I total
0,04
46,6
ö
50
ö
95
135
218
11
5. Concluzii
Distorsiunea armonică a tensiunii datorate surselor de iluminat a fost estimată prin
utilizarea diferitelor programe. S-a analizat cazul corespunzător utilizării aparatelor de
iluminat echipate cu lămpi fluorescente 2x36 W şi balast electronic, pentru o clădire de
birouri. Pentru toate punctele analizate, distorsiunea armonică a tensiunii se află în limitele
impuse de SR EN 61000-2-2.
Este discutat şi impactul armonicilor de curent al sursei de iluminat analizată asupra
amplitudinii curentului conductorului neutru. S-a arătat că secţiunea conductorului neutru
impusă de NP I7-02 este suficientă şi în cazul existenţei armonicilor de rang trei sau
multiplu de trei datorate echipamentului de iluminat analizat.
12
Bibliografie
[1] International Energy Agency, Light’s Labour’s Lost – Policies for Energy-efficient Lighting,
OECD/IEA 2006;
[5] F.H. Costa, I.N. Santos, S.F.P. Silva, J.C. de Oliveira, A Case Study of Sharing the Harmonic
Voltage Distortion Responsibility between the Utility and the Consumer, International Conference
on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’09) Valencia (Spain), 15th to 17th April, 2009;
[9] NPE 006/06/00 Normativ privind metodologia de calcul a curenţilor de scurtcircuit în reţele
electrice cu tensiunea sub 1 kV;
[10] SREN 61000-2-2:2003 Niveluri de compatibilitate pentru perturbaţii de joasă frecvenţă conduse,
în reţelele publice de joasă tensiune;
[11] SREN 61000-2-12:2003 Niveluri de compatibilitate pentru perturbaţii de joasă frecvenţă conduse,
în reţelele publice de medie tensiune;
[12] NP 07/2002 Normativ pentru proiectarea şi executarea instalaţiilor electrice cu tensiuni până la
100 V C.A. şi 1500 V C.C.
13
VĂ MULŢUMESC PENTRU ATENŢIE!
Horaţiu-Călin ALBU
[email protected]
Florin POP
[email protected]
14