Qualité de la tension Qualité de l’électricité · Copyright © 2008 Véronique Beauvois, ULg 26 3. Phénomènes perturbateurs 2. Amplitude 2.1 Creux de tension et coupures brèves

1Copyright © 2008 Véronique Beauvois, ULg

Qualité de la tensionQualité de l’électricité

ATT 00254Novembre 2008

powersystem

price

reliability quality


Plan

1. Introduction / Qualité de l’électricité2. Introduction / Qu’est-ce que la CEM ?3. Phénomènes perturbateurs4. PQ – Normalisation5. PQ – Mesures6. PQ – Etude de cas


Acteurs concernés par la problématique ?

• tous les acteurs en présence :• gestionnaires de réseaux (ELIA, B) ;• utilisateurs (producteurs / consommateurs) ;• intervenants divers (fournisseurs d’électricité ou de services, organismes de régulation – CREG / VREG / CWAPE, B).

• Position centrale du gestionnaire de réseau : importance de la qualité aux interfaces entre réseau et monde extérieur (utilisateurs locaux et réseaux voisins).

• Remarque : croissance des unités de production décentralisée !

1. Introduction / Qualité de l’électricité


Electricité ?

• domaine d’utilité publique ;• forme d’énergie souple et adaptable ;• convertie en d’autres énergies (thermique, mécanique, chimique) ;• pas de stockage possible (production vs demande) – volatilité(la quantité d’énergie accumulée dans le réseau électrique stricto sensu représente quelques secondes de consommation) ;• influences :

• conditions climatiques,• phénomènes transitoires inhérents (défauts, manœuvres),• phénomènes atmosphériques (foudre),• configuration du réseau.



Electricité ? Contexte de l’Union Européenne

Electricité = produit (Directive Européenne de 1985)marché libéralisé ;cela signifie que tour producteur peut vouloir vendre son

produit à n’importe quel consommateur ;nécessité d’une vérification qualitative plus rigoureuse (avant

simples « règles de l’art »).

Electricité = produit + « services associés »notamment l’aptitude à alimenter des charges perturbatrices et des charges sensibles aux perturbations.



Perturbation ?


Phénomène électromagnétique susceptible de dégrader les performances d’un dispositif, équipement ou système électrique.

Ces perturbations peuvent pénétrer dans les équipements sensibles par divers accès.


Accès d’un appareil ?

AppareilAccès/bornes d’alim ac

Accès/bornes d’alim dc

Accès/bornes de terre

Accès/bornes de signaux

Accès/bornes de mesure& commande

Accès/enveloppe (1)

(1) Frontière physique de l’appareil à travers laquelle les champs électromagnétiques peuvent rayonner ou à laquelle ils peuvent se heurter.

(2) Accès par les câbles : le point auquel un conducteur ou un câble estconnecté à l’appareil.




Alimentation électrique = système triphasé de tensions(cf Théorie des circuits)

Paramètres ?• fréquence(50 Hz)• amplitude (V)• forme d’onde (sinusoïdale)• symétrie (déphasage de 120°)



On parle souvent de Power Quality ?

Traductions françaises ? (peu satisfaisantes)- qualité de l’alimentation- qualité de la fourniture- qualité de l’énergie électrique- qualité de l’électricité- qualité de la tension- … ???

Selon l’I.E.E.E.* (U.S.A.) : on appelle « Power Quality Problem » toute variation dans l’alimentation en puissance électrique, ayant pour conséquence le dysfonctionnement ou l’avarie d’équipements des utilisateurs (creux de tension, surtension, transitoire, harmoniques, déséquilibre, …).

* Institute of Electrical and Electronics Engineers



Tous ces phénomènes affectent essentiellement la tension qui est fournie à l’utilisateur.- (1) soit pas de charge perturbatrice : le courant est peut-être déformé mais uniquement en fonction des caractéristiques de la tension.- (2) soit charge perturbatrice : elle perturbe d’abord le courant qui perturbe la tension (car l’impédance du réseau n’est pas nulle), ce qui se traduit par une dégradation de l’alimentation des autres utilisateurs.

(1) > C’est pourquoi on dit parfois que le qualité de l’électricitése réduit à la qualité de la tension (Power Quality = VoltageQuality).



Exemple (2)mécanisme de génération des harmoniques

Soit un réseau sans tension harmonique auquel on raccorde une charge déformante (non linéaire, comme un variateur de vitesse, un dimmer, …).

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

Uh = Zh. Ih

Zh Uh

Ih



LES CHARGES LINEAIRESLES CHARGES LINEAIRES

Hier, la majorité des charges utilisées sur le réseau électrique étaient des charges dites LINÉAIRES : charges appelant un courant de forme identique à la tension, c’est-à-dire quasi-sinusoïdal comme les convecteurs électriques ou encore les lampes à incandescence.

HIER



LES CHARGES DEFORMANTESLES CHARGES DEFORMANTESAUJOURD’HUI

Les récepteurs présents déforment les signaux électriques du courant et de la tension.

Les récepteurs présents déforment les signaux électriques du courant et de la tension.

Les signaux analysés s’éloignent de l’allure sinusoïdale de départ.

Les signaux analysés s’éloignent de l’allure sinusoïdale de départ.


1. Introduction / Qualité de l’électricitéLE SPECTRE HARMONIQUELE SPECTRE HARMONIQUE

Un signal déformé est la somme des signaux sinusoïdaux, de fréquences multiples de la fréquence du signal fondamental.

Un signal déformé est la somme des signaux sinusoïdaux, de fréquences multiples de la fréquence du signal fondamental.

Décomposition harmonique d’un signal déformé.


1. Introduction / Qualité de l’électricitéLE SPECTRE HARMONIQUE (suite)LE SPECTRE HARMONIQUE (suite)

Types de charge Appareils concernés Courant absorbé Spectre harmoniquecorrespondant

Récepteur résistif

- Fours industriels à résistances régulées par commande à trains d’ondes- Lampe à incandescence, convecteurs, chauffe-eau.

Eclairage

- Tubes fluorescents,

- Lampes à vapeur HP.

Redresseur monophasé à diodes avec filtrage

Alimentation à découpage

- Micro-informatique,

- Télévisions,- Lampes à ballast électronique.

Récepteurs consommentde l'énergie réactive


1. Introduction / Qualité de l’électricitéLE SPECTRE HARMONIQUE (suite)LE SPECTRE HARMONIQUE (suite)

Redresseur triphasé à diodes avec filtrage

- Variation de vitesse des moteurs asynchrones.

Gradateur monophasé (commande par angle de phase)

- Régulation de puissance de fours à résistances,

- Modulation de puissance des lampes halogènes.

Redresseur triphasé à thyristors

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

Moteur asynchrone - Machines outils,

- Appareils électroménagers,

- Ascenseurs.

Types de charge Appareils concernés Courant absorbé Spectre harmoniquecorrespondant


1. Introduction / Qualité de l’électricitéLA PROBLEMATIQUE ?LA PROBLEMATIQUE ?

Conclusion :

Cette tension déformée est commune à tous les autresrécepteurs du réseau.Elle est préjudiciable au bon fonctionnement del'ensemble des récepteurs raccordés sur ce réseau.

Conclusion :

Cette tension déformée est commune à tous les autresrécepteurs du réseau.Elle est préjudiciable au bon fonctionnement del'ensemble des récepteurs raccordés sur ce réseau.

Présence de chargesdéformantes Courant déformé

Courantdéformé x Impédance interne

des générateursTensions

harmoniques=

Tensionsharmoniques = Tension non sinusoïdale

=



Qualité de l’électricité = Qualité de la tension > réducteur

Qualité de l’électricité = Qualité de la tension + Continuité(pour tenir compte du concept de fiabilité de l’alimentation, de continuitéde la tension, en fonction du nombre d’interruptions et de leur durée).L’alimentation est d’autant plus fiable que le nombre annuel d’interruptions est petit et que leur durée moyenne est faible.

Qualité = aptitude à alimenter de façon continue et satisfaisante les appareils qui utilisent l’électricité.Cela dépend :• des performances du réseau,• de l’usage qui en est fait par un utilisateur donné,• de l’usage qui en est fait par les autres utilisateurs raccordés sur le même circuit.



ContinuitéCela dépend :• de la conception des réseaux publics et industriels,• de la qualité du matériel,• des bonnes pratiques de maintenance et d’exploitation.Compromis technico-économique (explicite ou implicite).

Elle se mesure par le nombre de coupures d’alimentationen un point donné : coupure/unité de temps.

Coupures longues : durée ≥ 3 minutesCoupures brèves : durée < 3 minutes.


Plan



Où se situe la CEM vis-à-vis de la Power Quality ?

Définition (Directive 2004/108/CE) :La CEM (Compatibilité Electromagnétique) est l’aptitude d’un dispositif, d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnementélectromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour d’autres équipements qui se trouvent dans cet environnement.

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

2. Introduction / Qu’est-ce que la CEM ?

environnementappareil


2. Introduction / Qu’est-ce que la CEM ?

• problème d’ABS ou de commande électrique sur des véhicules lors de l’utilisation d’un GSM ou à proximité d’un émetteur de forte puissance ;

• interdiction d’utiliser des GSM, lecteurs de CD, ordinateurs portables dans les avions civils, soit pendant les phases de décollage et d’atterrissage, soit pendant toute la durée du vol ;

• interdiction d’utiliser des téléphones sans fil à l’intérieur des hôpitaux en raison de la sensibilité des appareils électroniques médicaux (détecteurs d’apnée, moniteurs de gaz anesthésique, etc.) ;

• sensibilité des prothèses auditives, des pacemakers ;

• etc.


Plan



3. Phénomènes perturbateurs

Les perturbations dégradant la qualité de la tension peuvent résulter de :

• défauts dans le réseau électrique ou dans les installations des clients (court-circuit dans un poste, une ligne aérienne, un câble souterrain, …); ces défauts pouvant résulter de causes atmosphériques (foudre, givre, tempête), matérielles (vieillissement d’isolants, …) ou humaines (fausses manœuvres, travaux de tiers, …) ;

• installations perturbatrices : fours à arc, soudeuses, variateurs de vitesse et toutes les applications de l’électronique de puissance, téléviseurs, éclaragefluorescent, démarrage ou commutation d’appareils, etc.

Nous allons poursuivre avec une description des principaux phénomènes qui peuvent affecter la qualité de la tension.



1. Fréquence – Déviations

Les variations de fréquence sont très faibles (moins de 1 %) au sein du réseau synchrone européen en régime normal de fonctionnement et ne causent généralement pas de préjudice aux équipements électriques ou électroniques.

La situation peut être différente dans un petit réseau isolé. Certains processus industriels nécessitent un réglage très précis de la vitesse des moteurs et peuvent subir des dysfonctionnements en cas d’alimentation par un groupe de secours mal conçu.



2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brèvesLes creux de tension sont dus aux courts-circuits survenant dans le réseau général ou dans les

installations clients (évènements aléatoires, dus à des phénomènes atmosphériques -foudre, givre, tempête -, des défaillances d’appareils, d’accidents).

Seules les chutes de tension supérieures à 10 % sont considérées (sinon ce sont des « fluctuations de tension »).

Définition creux de tension [EN 50160] : diminution brutale de la tension d’alimentation à une valeur située entre 90 et 1 % de la tension déclarée, suivie du rétablissement après un court laps de temps. Leur durée peut aller de 10 ms (1/2 période du 50 Hz) à 1 minute, par convention (fonction de la localisation du ct-ct et du fonctionnement des protections – un défaut est éliminé en 0.1-0.2 s en HT et de 0.2 s à qq s en MT.

Conséquences : ils peuvent provoquer le déclenchement d’équipements, si leur profondeur et leur durée excèdent certaines limites (voir sensibilité de la charge).



2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brèves

Uref

∆U

∆t

Voltage dip Short interruption

Uref-10%

U(t)

Urms



2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brèves (suite)

Interruption d’alimentation [EN 50160] : condition dans laquelle la tension aux points de fourniture est inférieure à 1 % de la tension déclarée. Elle peut être classée comme :

- prévue : les clients sont informés par avance pour permettre l’exécution de travaux programmés sur le réseau de distribution, ou

- accidentelle : lorsqu’elle est provoquée par des défauts permanents ou fugitifs, la plupart du temps liés à des évènements extérieurs, à des avaries ou causes externes. Elle peut être classée comme :coupure longue (dépassant 3 minutes) provoquée par un défaut permanent ou,coupure brève (jusqu’à 3 minutes) provoquée par un défaut fugitif.



2. Amplitude

2.2 Fluctuations de tension – Flicker/ papillotementDans les installations où il y a des variations rapides de puissance absorbée ou

produite ou des démarrages fréquents (soudeuses, éoliennes, fours à arc pendant la période de fusion, compresseurs, générateurs d’air conditionné, …), on observe des variations rapides de tension, répétitives ou aléatoires.

Définition du flicker [EN 50160] : impression d’instabilité de la sensation visuelle due à un stimulus lumineux dont la luminosité ou la répartition spectrale fluctuent dans le temps.

Conséquences : papillotement des éclairage à incandescence (flicker), gênant pour les consommateurs.


Flicker



Flicker



Flicker


Pour prendre en considération les mécanismes de la vision et établir une méthode représentative de la gêne, le Flicker doit être évalué sur une période de temps suffisamment représentative. De plus, en raison de la nature aléatoire du Flicker provoqué par certaines charges, il faut admettre que pendant cette période le niveau instantanée de Flicker peut varier considérablement et de façon imprévisible.Un intervalle de 10 min a été jugé comme étant un bon compromis. Il est assez long pour éviter d’accorder trop d’importance à des variations isolées de tensions. Il est aussi assez long pour permettre à une personne non avertie de remarquer la perturbation et sa persistance, mais il est en même temps assez court pour permettre de caractériser de façon fine un matériel perturbateur avec un long cycle de fonctionnement.Les gênes sont détectées à partir d’un Pst (perturbation pendant un temps court – short time) égal à 1.

La période 10 min sur laquelle a été basée l’évaluation de la sévérité du Flicker de courte durée est valable pour l’estimation des perturbations causées par des sources individuelles telles que les laminoirs, pompes à chaleurs ou appareils électrodomestiques. Dans les cas ou l’effet combiné de plusieurs charges perturbantes fonctionnant de manière aléatoires (par exemple postes de soudure, moteurs) doit être pris en compte, ou quand il s’agit de sources de Flicker à cycle de fonctionnement long ou variable (four électrique à arc), il est nécessaire d’utiliser un critère pour évaluer la perturbation ainsi créée sur une longue durée.La sévérité du Flicker pendant un temps long (long time), Plt, sera déduite des valeurs de la sévérité du Flicker pendant des temps courts, Pst, sur une durée appropriée liée au cycle de fonctionnement de la charge ou sur une période pendant laquelle un observateur peut être sensible au Flicker, par exemple quelques heures. Classiquement, le temps est fixé à 120 min.


3. Forme d’onde

3.1 Harmoniques et interharmoniquesHarmoniques : composantes de fréquence multiple de la fondamentale (50 Hz), qui provoquent une distorsion de l’onde sinusoïdale.

Causes : charges non linéaires.Conséquences : échauffements excessifs principalement – immeubles tertiaires avec beaucoup d’ordinateurs et d’éclairage fluorescent, risque de surcharge du neutre (courants harmoniques homopolaires d’ordre 3) où le courant efficace est supérieur à celui des phases alors que la section de cuivre est plus faible (RGIE).

Interharmoniques : composantes dont la fréquence n’est pas un multiple entier de la fondamentale – rares – fours à arc, cycloconvertisseurs. Conséquences : valeurs crêtes de la sinusoïde modifiées et déplacement du passage par zéro.


Harmonique h = 5 Interharmonique h = 3.5


Harmoniques

Un physicien nommé Fourier a démontré qu’un signal périodique qcqpouvait se décomposer en une somme de signaux sinusoïdaux ayant différentes amplitudes et phases et dont la fréquence est un multiple entier du fondamental de fréquence f.Ceci nous amène tout naturellement à parler des harmoniques.



Harmoniques


Conversion mathématique temporel < > fréquentielSignaux périodiques - Série de Fourier

Composante continue

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


Origine ?Toutes les charges non linéaires consomment un courant

non sinusoïdal et génèrent des courants harmoniques

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

U = Z.I

Harmoniques



Sources ?

Toutes les charges non linéaires consomment un courantnon sinusoïdal et génèrent des courants harmoniques :

• onduleurs, hacheurs• ponts redresseurs : machine à souder, électrolyse, etc.

• variateurs de vitesse• convertisseurs de fréquence

• appareils domestiques, éclairages• fours à induction, fours à arc• circuits magnétiques saturés

• etc.

Harmoniques



• machines synchrones échauffements• transformateurs pertes & échauffements suppl.

risque de saturation• machines asynchrones échauffements, couples pulsatoires• câbles augm. pertes ohmiques et diél.• ordinateurs problèmes fonctionnels• électronique de puissance problèmes liés à la forme d’onde• condensateurs échauff., vieillissement, résonance, etc.• régulateurs, relais, compteurs fonct. intempestif, erreurs, mesure faussée

Conséquences pour récepteurs ?

Harmoniques




EFFETS DES HARMONIQUESEFFETS DES HARMONIQUES

Effets immédiats Pertes par effet Joule

Dégradation du facteur de puissanceRéduction de la puissance des moteurs Surcharges des câbles , transformateurs et moteursDisjonctions intempestivesAugmentation du bruit dans les moteursSurdimensionnement de certains composants : conducteur du neutre, d'alimentation, batteries de condensateurs

Réduction de la durée de vie des moteursRéduction de la durée de vie des transformateursVieillissement accéléré des isolants et des diélectriques

Effets à moyen et long terme



COSCOS φφ ET FACTEUR DE PUISSANCEET FACTEUR DE PUISSANCE

Le cosinus φ est le déphasage entre la fondamentale "Tension" etla fondamentale "Courant" dans le cas de signaux non déformés.Le cosinus φ est le déphasage entre la fondamentale "Tension" etla fondamentale "Courant" dans le cas de signaux non déformés.

Puissance active :

P = U x I x cos φ

²² QPS +=

Puissance apparente :

= U x I

SPFp= = cos φ



SPFp=

²²² DQPP

SPFp

++==

La charge non linéaire, lorsqu’elle est soumise à une tension sinusoïdale, absorbe un courant dit "déformé" : il n’y a plus proportionnalitéentre courant et tension.

On intègre dans cette formule la puissance dite DÉFORMANTE qui traduit les effets de la distorsionharmonique.

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

Le cosinus φ n’est plus applicable, on parle alors de : FACTEUR DE PUISSANCE



ENERGIE REACTIVEENERGIE REACTIVE



ENERGIE REACTIVE (suite)ENERGIE REACTIVE (suite)

Intérêt du relèvement du F.P.

Une réduction de la chute de tension de ligne

La compensation d’énergie réactive apporte :

Un allègement de la facturation pour l’abonné

Une augmentation de la puissance disponible sur l’installation

Une diminution des pertes


3. Phénomènes perturbateursSolutions ?

-- Compenser l'installation grâce à l'adjonction debatteries de condensateurs

Formule : Qc = P ( tan ϕ - tan ϕ ')

ϕϕ' S

S'

Pactive

Q'

Qc

Q

-- Réduire le taux d’harmoniques


3. Phénomènes perturbateursConséquences ?

Les phénomènes de résonance proviennent de la présence d’éléments capacitifs et inductifs sur le réseau d’alimentation électrique (ligne, transformateur, capacité de relèvement du F.P.)

Les risques : destruction des condensateurs de compensation d’énergie réactive

Les risques : destruction des condensateurs de compensation d’énergie réactive

Les phénomènes de résonance

Ils génèrent des amplitudes élevées sur certains rangs harmoniques (rangs 5 et 7 par exemple).



Les échauffements dans les conducteurs et équipements électriques

Les conducteurs électriques véhiculent les courants harmoniques qui produisent, par effet Joule, un échauffement des conducteurs au même titre que le courant fondamental. Malheureusement, les harmoniques ne contribuant pas au transfert de la puissance active, ils créent uniquement des pertes électriques et participent à la dégradation du facteur de puissance de l’installation.

Les condensateurs sont particulièrement sensibles à la circulation des courants harmoniques du fait que leur impédance décroît proportionnellement au rang des harmoniques en présence dans le signal déformé.

Les condensateurs sont particulièrement sensibles à la circulation des courants harmoniques du fait que leur impédance décroît proportionnellement au rang des harmoniques en présence dans le signal déformé.

G C Z

Source

Compensation del'énergie réactive

charge nonlinéaire

B B'

A A'Is

Ic

Iz

Exemple



Des déclenchements intempestifs des dispositifs magnétiques des disjoncteurs peuvent se produire, notamment dans le domaine des installations tertiaires comprenant un parc de matériel informatique important. Ils sont bien souvent dus aux problèmes de pollution harmonique.

Les facteurs de crête élevés

Les disjoncteurs assurant la protection des installations électriques comprenant des matériels informatiques voient leur seuil de sensibilité atteint lors des pointes de courant engendrés par des signaux déformés ayant des facteurs de crête importants.



Les courants harmoniques de rang 3, le fondamental x 3, soit 150 Hz, à partir des 3 phases vont s’additionner, ceux-ci étant en phase.Ils donnent naissance dans le conducteur du neutre à la circulation d’un 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 bâtiments industriels sont dus à l'échauffement excessif du conducteur du Neutre.

Remarque : De nombreux incendies de bâtiments industriels sont dus à l'échauffement excessif du conducteur du Neutre.

Voir aussi : 6. Etude de cas


3. Phénomènes perturbateursRemèdes ?

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

(9, 15, 21, 27,…) :

PrimaireCâblé en triangle

SecondaireCâblé en étoile

Cette solution est intéressante car elle permet l'élimination des rangs harmoniques les plus perturbateurs.Cette solution est intéressante car elle permet l'élimination des rangs harmoniques les plus perturbateurs.


3. Phénomènes perturbateursRemèdes ?

Filtres passifsFiltre résonnant, extrêmement efficacepour éliminer une harmonique de rang particulier "filtre passe-haut"

Filtre amorti, filtrage de toutes les fréquences inférieures au rang considéré

"filtre passe-bas"

Mise en place de filtre(s) :

Filtres actifsInjecte des courants harmoniqueséquivalents mais en opposition de phase de ceux émis par les appareils.


3. Phénomènes perturbateursATTENTION AUX PIATTENTION AUX PIÈÈGES EN MAINTENANCE "CURATIVE"GES EN MAINTENANCE "CURATIVE"……

Attention au risque de surcompensationAttention au risque de surcompensation

R

Z

Secteur230 V AC

Ballastmagnétique

Charge(tube fluo)

C'Capacité de

Compensation

Charge(tube fluo)Capacité de

découpage

C RSecteur230 V AC

Redressement

Bal

last

élec

tron

ique

Montage CapacitifMontage inductif

- Un exemple avec l'éclairage "Économique" :

CulotE27


3. Forme d’onde

3.2 TransitoiresLes plus fortes mais les moins fréquentes : celles dues à la foudre.Surtensions dues au déclenchement d’appareils BT, de charges inductives.

Surtensions transitoires amorties (enclenchement de batteries de condensateurs).

Protections : parasurtenseurs.



3. Forme d’onde

3.2 TransitoiresEncoches de commutation dues à un redresseur triphasé.

Remarque : Les encoches de commutation dues aux convertisseurs électroniques ne sont pas des transitoires au sens classique du terme. La forme d’onde de la figure ci-dessus est de type répétitif et pourrait être décrite (à l’aide de la transformée de Fourier) comme une série d’harmoniques. Cependant, c’est la raideur des encoches de la sinusoïde qui risque de provoquer des troubles ; ces encoches peuvent donc être considérées comme des transitoires répétitifs.



4. Symétrie - Déséquilibre

Les dissymétries du réseau ne provoquent que de faibles niveaux de déséquilibre de la tension (qq dixièmes de %).Par contre, certaines charges monophasées sont la cause de courants déséquilibrés importants et dès lors d’un déséquilibre significatif de la tension.

Conséquence majeure : échauffement supplémentaire des machines tournantes triphasées.



Vue d’ensemble


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 d’ensemble

On peut donc distinguer deux grandes catégories de phénomènes perturbateurs :

- ceux qui sont dus aux incidents : creux de tension, coupures longues et brèves (problème de l’immunité des installations sensibles) ;

- ceux qui sont dus aux installations perturbatrices : flicker, (inter)harmoniques, déséquilibre (problème de l’émission des installations perturbatrices).



Séparation galvanique, parasurtenseurs, enclenchement "synchronisé", résistance de pré-insertion

Déclenchements, danger pour les personnes et pour les matériels

Court-circuit, commutations, foudre

Surtension transitoire

Dispositif d'équilibrage, conditionneur de réseauEchauffement de machines tournantes, vibrations, dysfonctionnement de protections

Installations déséquilibrées

(traction ferroviaire…)

Déséquilibre

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

Papillotement de l'éclairage fluorescent, dysfonctionnement d'automatismes, dégâts mécaniques

sur machines tournantes

Installations non linéaires et

fluctuantes (four àarc, soudeuse,

éolienne), changeurs de fréquence, télécommande

centralisée

Interharmonique

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

Effets thermiques (moteurs, condensateurs, conducteurs de neutre…), diélectriques (vieillissement

d'isolant) ou quasi instantanés (automatismes)

Installations non linéaires

(électronique de puissance, arcs électriques…)

Harmonique

Compensateur synchrone, compensateur statique de puissance réactive, conditionneur actif, condensateur série

Papillotement de l'éclairageInstallations fluctuantes (four à

arc, soudeuse, moteur à démarrage fréquent,

éolienne…)

Fluctuation rapide

(flicker)

Conditionneur de réseau, conception de l'équipement sensible, alimentation sans interruption

Arrêts d'équipements, pertes de production, dégâtsCourt-circuit, (enclenchement de

gros moteur)

Creux de tension et coupure

brève

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

Arrêts d'équipements, pertes de production, dégâtsCourt-circuit, surcharge,

déclenchement intempestif,

(maintenance)

Coupure longue

Solutionspossibles

ConséquencesOrigineType deperturbation



Plan



Concept de niveau de compatibilité

But : assurer la compatibilité entre toutes les installations perturbatrices et toutes les installations sensibles du réseau.Solution : imposer des limites d’émission aux premières et des niveaux d’immunité suffisants aux secondes.

En tout point d’alimentation des installations raccordées aux réseaux, les niveaux effectifs de perturbations peuvent être :- supérieurs aux limites individuelles d’émission, mais- inférieurs aux niveaux individuels d’immunité,c’est le concept de « niveau de compatibilité ».

4. Power Quality - Normalisation


Comme déjà mentionné, depuis la directive européenne de 1985, l’électricité est considérée comme un produit.

A partir de ce moment, les instances internationales de normalisation ont développés les documents concernant la mesure et l’évaluation 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 publié le premier rapport international qui stipulait, pour les harmoniques, des “valeurs existantes en réseau” : pour les différents niveaux de tension, on y donnait, pour chaque rang d’harmonique, une “valeur basse” (valeur assez souvent rencontrée au voisinage des installations perturbatrices importantes et associée àune faible probabilité d’interférences) et une “valeur haute” (valeur rarement dépassée dans les réseaux, correspondant à une probabilité non négligeable de produire des interférences). Neuf ans plus tard, la CEI(3) stipulait pour la première fois des niveaux de compatibilité pour la basse tension qui reprenaient, presque intégralement, les “valeurs hautes” du rapport.

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



Dans l’intervalle, il était devenu clair que le concept de “niveau de compatibilité” ne pouvait avoir la même signification, en moyenne ou haute tension, qu’en basse tension. En BT, un dépassement des valeurs stipulées engendre un risque évident d'interférence pour les installations sensibles qui y sont raccordées. Pour la moyenne et la haute tension, on introduisit le concept de “niveau cible de compatibilité”, traduisant le fait qu’un dépassement de ces niveaux n'impliquait pas directement un risque d'interférence, le but étant une coordination entre les divers niveaux de tension en vue de respecter, in fine, les niveaux de compatibilité en basse tension. Ces "niveaux cibles" ont été appelés "niveaux de planification" par la CEI.

De son côté, le CENELEC a publié la norme EN 50160 qui stipule les “caractéristiques de la tension”, dans l’optique de définir les caractéristiques du “produit électricité”.



Niveaux de compatibilité. Ce sont des valeurs de référence (Publications CEI 61000-2-1 et 61000-2-2) pour la coordination de l'émission et de l'immunitédes équipements faisant partie ou étant alimentés par un réseau, afin d'assurer la compatibilité électromagnétique dans tout le système. Ils sont considérés comme correspondant à une probabilité de non-dépassement de 95 % pour un système entier, compte tenu d’une distribution dans le temps et dans l'espace. Il y a là une tolérance pour le fait qu'un gestionnaire de réseau ne peut pas assurer le contrôle de tous les points du réseau à tout moment. Une évaluation des niveaux réels de perturbation, pour comparaison avec les niveaux de compatibilité, devrait donc être faite sur l'ensemble d'un réseau, ce qui n’est guère réaliste ; il n'y a de ce fait aucune méthode d'évaluation qui soit définie en relation avec les niveaux de compatibilité. Ce sont, répétons-le, des valeurs de référence plutôt que des limites opérationnelles.



Caractéristiques de la tension. La norme européenne EN 50160 donne les principales caractéristiques de la tension aux points d’alimentation de la clientèle dans les réseaux publics à basse et moyenne tension, dans les conditions normales d’exploitation. Ce sont des limites quasi garanties (du moins pour certains paramètres), couvrant tous les points d’un réseau. Ces limites sont égales - ou légèrement supérieures - aux niveaux de compatibilité. La méthode d’évaluation de la caractéristique réelle en un point du réseau (àcomparer à la caractéristique spécifiée) est basée sur une statistique uniquement temporelle : par exemple, pour une tension harmonique, la période de mesure est d’une semaine et 95 % des valeurs moyennes quadratiques (RMS) sur les périodes successives de 10 min ne doivent pas dépasser la limite spécifiée.



Niveaux de planification. Ces niveaux sont utilisés lors de l’évaluation de l'impact sur le réseau d'une installation perturbatrice de la clientèle (voir les publications CEI 61000-3-6, 61000-3-7, 61000-3-13). Les niveaux de planification sont spécifiés par le gestionnaire de réseau pour tous les étages de tension et peuvent être considérés comme des objectifs internes de qualité. Ils sont normalement égaux ou inférieurs aux niveaux de compatibilité. Seules des valeurs indicatives peuvent être données dans les recommandations internationales car les niveaux cibles sont différents d'un cas à l'autre, selon la structure du réseau et les circonstances. La méthode d’estimation d’un niveau de perturbation réel (à comparer au niveau de planification) se base sur une statistique uniquement temporelle, comme pour les caractéristiques de la tension, mais vise à caractériser de plus près le pouvoir perturbateur du phénomène et fournit donc généralement des résultats plus élevés. Ces résultats plus élevés devant être comparés à des limites plus basses, on comprend que les exigences soient nettement plus sévères pour le réseau.





EN 50160 – Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution

Norme européenne du CENELEC.Domaine d’application : cette norme décrit, au point de livraison du client, les caractéristiques principales de la tension fournie par un réseau public de distribution basse tension et moyenne tension dans des conditions normales d’exploitation. Elle donne les limites ou les valeurs des caractéristiques de la tension que tout client est en droit d’attendre.Elle ne s’applique pas dans des conditions d’exploitation anormales.

Objet : définir et décrire les valeurs caractérisant la tension d’alimentation fournie telles que : fréquence, amplitude, forme d’onde et symétrie.En exploitation normale, ces caractéristiques sont sujettes à des variations dues àdes modifications de charge du réseau, des perturbations émises par certains équipements et par l’apparition de défauts principalement dus à des causes externes.BT : tension valeur efficace nominale de 1 kV au maximum.MT : entre 1 et 35 kV.



EN 50160 – Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distributionCaractéristiques de l’alimentation BTFréquenceFréquence nominale : 50 Hz.Variations de la fréquence du réseau en raison des mises en service et hors service de sites de production.Valeur moyenne sur 10 secondes :- Réseaux reliés par des connexions synchrones à un système interconnecté :

- 50 Hz ± 1 % (49.5 – 50.5) pendant 99.5 % d’une année- 50 Hz + 4 % / - 6 %(47 – 52) pendant 100 % du temps

- Réseaux sans connexion synchrone à un système interconnecté (îles) :- 50 Hz ± 2 % (49 – 51) pendant 95 % d’une semaine- 50 Hz ± 15 % (42.5 – 57.5) pendant 100 % du temps



EN 50160 – Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distributionCaractéristiques de l’alimentation BTAmplitudeTension nominale normalisée :pour système triphasé 4 conducteurs : 230 V entre phase et neutrepour système triphasé 3 conducteurs : 230 V entre phasesVariations (lentes) de tensionOrigine : élévation ou baisse de la valeur efficace de la tension (∆V) en raison d’une variation de charge sur le réseau.Conditions normales d’exploitationpour chaque période d’une semaine, 95 % des valeurs efficaces de la tension fournie moyennée sur 10 minutes doivent se situer dans la plage ± 10 %.- toutes les valeurs efficaces moyennées sur 10 minutes doivent se situer dans la plage + 10 % et – 15 %.




Caractéristiques de l’alimentation BTVariations rapides de tension – « Flicker »AmplitudeLes variations rapides proviennent essentiellement des variations de la charge des clients ou de manœuvres sur le réseau.Conditions normales d’exploitationVariation rapide de tension ne dépasse généralement pas 5 % de Un mais on peut observer 10 % Un pendant des courts instants.




Caractéristiques de l’alimentation BTVariations rapides de tension – « Flicker »SévéritéEN 60868 – Evaluation de la sévérité du flickerConditions normales d’exploitation, pour chaque période d’une semaine, niveau de sévérité longue durée du papillotement Plt doit être ≤ 1 pendant 95 % du temps.




Caractéristiques de l’alimentation BTCreux de tensionOrigineAppel de courant important sur le réseau, démarrage de récepteur forte puissance, défaut sur le réseau : court-circuit, défaut de terre, commutation de charge.Les creux de tension sont généralement dus à des défauts largement aléatoires et imprévisibles. Leur fréquence annuelle dépend du type de réseau de distribution et du point d’observation. Répartition sur l’année très irrégulière.Valeurs indicativesConditions normales d’exploitationNombre attendu de creux de tension sur une année : qq dizaines à un millier.La plupart ont une durée de moins d’une seconde et une profondeur inférieure à 60 %.On observe fréquemment en certains endroits, avec des commutations de charges importantes chez le client, des creux de tension fréquents de profondeur comprises entre 10 et 15 %.




Caractéristiques de l’alimentation BTCoupures brèvesOrigineEffets imprévisibles des intempéries et causes externes.Valeurs indicativesConditions normales d’exploitationNombre attendu de creux de tension sur une année : qq dizaines à plusieurs centaines.La plupart (70 %) ont une durée de moins d’une seconde.Coupures longuesValeurs indicativesConditions normales d’exploitationNombre attendu de coupures de plus de 3 minutes sur une année : de moins de 10 jusqu’à 50, suivant les régions.




EN 50160 – Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distributionCaractéristiques de l’alimentation BTCreux de tension / Coupures



Caractéristiques de l’alimentation BTSurtensionsOrigineFoudre, fusion de fusible, enclenchement de condensateur, coupure de contacteur, …Surtensions temporaires entre phases et terreUne surtension temporaire à la fréquence du réseau apparaît généralement lors d’un défaut sur le réseau de distribution publique ou dans une installation client et disparaît lors de l’élimination de ce défaut. Généralement, la surtension peut atteindre la valeur de la tension entre phases, à cause du déplacement du point neutre du réseau triphasé.Valeurs indicativesDans certaines conditions, un défaut se produisant en amont d’un transformateur peut temporairement produire des surtensions du côté basse tension pendant la durée du courant de défaut. De telles surtensions ne dépassent pas généralement une valeur efficace de 1,5 kV.




Caractéristiques de l’alimentation BTSurtensions transitoires entre phases et terreLes surtensions transitoires ne dépassent généralement pas 6 kV crête, mais des valeurs plus élevées peuvent parfois survenir. Temps de montée : moins de qq µs à plusieurs ms.NOTE : Contenu en énergie d’une surtension transitoire ?Celle-ci varie de façon considérable selon son origine.Surtension induite due à la foudre : amplitude plus élevée mais contenu en énergie plus faible qu’une surtension provoquées par des manœuvres (car elles durent généralement plus longtemps). Les dispositifs de protection contre les surtensions doivent être choisis en tenant compte des niveaux d’énergie les plus élevés.





Caractéristiques de l’alimentation BTSurtensions



Caractéristiques de l’alimentation BTDéséquilibreLe déséquilibre est défini par l’écart de symétrie du système triphasé, caractérisé par l’égalité des modules de tension en valeur efficace et leurs déphasages relatifs.Conditions normales d’exploitationPour chaque période d’une semaine, 95 % des valeurs efficaces moyennées sur 10 minutes de la composante inverse de la tension d’alimentation doit se situer entre 0 et 2 % de la composante directe.




Caractéristiques de l’alimentation BTDéséquilibreComposantes directe et inverse ?Soit un système triphasé quelconque, équilibré ou déséquilibré, dont les éléments sont des grandeurs sinusoïdales de même fréquence, représentés par les nombres complexes (X1, X2, X3). PosonsXd = 1/3 (X1+aX2+a²X3)Xi = 1/3 (X1+a²X2+aX3)X0 = 1/3 (X1+X2+X3)Ces équations sont appelées transformation de Fortescue.On quantifie le déséquilibre d'un système triphasé par le degré de déséquilibre (ou degré de dissymétrie), en courant ou en tension, défini comme le rapport des valeurs efficaces, ou des amplitudes, de la composante inverse sur la composante directe:δ = Xi/Xd




Caractéristiques de l’alimentation BTTensions harmoniquesConditions normales d’exploitationPour chaque période d’une semaine, 95 % des valeurs efficaces de chaque tension harmonique moyennées sur 10 minutes ne doivent pas dépasser les valeurs du tableau 1 de la norme. De plus, le taux global de distorsion harmonique de la tension fournie (y compris jusqu’au rang 40) ne doit pas dépasser 8 %.




Caractéristiques de l’alimentation BTTensions harmoniques


Rang de l'harmonique Taux en %357911131517

19 (1)21 (2)

565

1,53,53

0,32

1,50,2



Caractéristiques de l’alimentation MTFréquenceFréquence nominale 50 HzValeur moyenne sur 10 secondes :- Réseaux reliés par des connexions synchrones à un système interconnecté :

- 50 Hz ± 1 % (49.5 – 50.5) pendant 99.5 % d’une année- 50 Hz + 4 % / - 6 %(47 – 52) pendant 100 % du temps

- Réseaux sans connexion synchrone à un système interconnecté (îles) :- 50 Hz ± 2 % (49 – 51) pendant 95 % d’une 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 numériques dits R.M.Sréalisent la mesure efficace d’un signalALTERNATIF quelque soit sa forme, sinusoïdal ou déformé.

...² 27

25

23... ++++= IhIhIhlfondamentaII SMR

FORMULES

Valeur RMS

Appareil RMSMême mesure :I = 16 AAppareil NON RMS

Mesure :I = 12 A

Courant mesuré



Facteur de Crête

414,12IIFCefficace

Max ===

Charge linéaire : soit 1,414 Absence d'harmoniqueMatériel informatique : 2 à 3 Présence d'harmoniquesVariateur de vitesse : environ 2 Présence d'harmoniques

2

Dans le cas d’une charge linéaire



Le taux distorsion harmonique global

Rapport de la valeur efficace de l’ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du même signal à la fréquence fondamentale

Le facteur de distorsion global

Rapport de la valeur efficace de l’ensemble 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 =τ

%75129

1

3 ===AA

nτ

Exemple pour l’harmonique 3 :

Détermination de la valeur efficace du rang d’harmonique considéré ainsi que de son pourcentage par rapport àla fondamentale.

Le taux distorsion harmonique rang par rang

100 %

n1 3 5 7 9



Appareils de mesure

Pince de puissance

Wattmètre Pince wattmétrique



Appareils de mesure

L’analyseur de puissance et d’harmoniques

Power QualityAnalyser

Demo



Harmoniques

Les tensions harmoniques peuvent être évaluées :- individuellement, d’après leur amplitude relative (uh) par rapport à la tension fondamentale U1, où h représente le rang de l’harmonique,- globalement, c’est-à-dire d’après la valeur du taux global de distorsion harmonique THD.



Appareils de mesure

FlickermètreMesures selon la norme CEI 61000-4-15 (précédemment CEI 868)

L’appareil de mesure de référence est défini dans la norme,ainsi que la méthode de calibration.



L1

L3

L2

N

PE

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

C.A 6541 / 43 / 45 / 47

Isolement entre conducteurs actifs(installation hors tensionet récepteurs débranchés)

(installation hors tension)

QualiStar - C.A 8334-MNMesure de la qualité du réseau"harmoniques, puissance T4FNE, énergies, transitoires, FFT, Fresnel, variations de tension,..."

F27 : Pince de puissances (T3FE) et harmoniques

Fournisseurd'énergie

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 puissancesTriphasé équilibré

Terr

e du

Neu

tre

C 37Pince courant de fuite

F05 : Pince Multimètreet de puissance / Facteurde puissance

Terre des Masses (d'utilisation)

PE

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'à 240 A

Qualistar - Exemples d'écrans


Plan



6. Power Quality – Etude de cas

A. Harmoniques – Neutre- Section des conducteurs

Harmoniques 3 en phaseSomme non nulleSomme dans neutre : 3 x IphaseEchauffementDestructionAdapter la section du neutre

(idem pour les multiples de 3)

Un des effets les plus importants dans la présence de courants harmoniques est l’accroissement de la valeur des courants efficaces qui vont circuler sur l’alimentation triphasée.


Exemple numériqueTaux 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 > 70mm² avec Harmoniques Phases : 150mm² (385A)Neutre > 35mm² avec Harmoniques Neutre : 300mm² (615A)

6. Power Quality – Etude de cas

A. Harmoniques – Neutre- Section des conducteurs

Documents

Qualité de la tension Qualité de l’électricité · Copyright © 2008 Véronique Beauvois, ULg 26 3. Phénomènes perturbateurs 2. Amplitude 2.1 Creux de tension et coupures brèves