Qualité de la tension Qualité de l’électricité

(1)

Qualité de la tension Qualité de l’électricité

ATT 00254 Novembre 2008

power system

price

reliability quality

(2)

Plan

1. Introduction / Qualité de l’électricité 2. Introduction / Qu’est-ce que la CEM ? 3. Phénomènes perturbateurs

4. PQ – Normalisation 5. PQ – Mesures

6. PQ – Etude de cas

(3)

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

(4)

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.

1. Introduction / Qualité de l’électricité

(5)

Electricité ? Contexte de l’Union Européenne

Electricité = produit (Directive Européenne de 1985)

¾ marché libéralisé ;

¾ cela signifie que tour producteur peut vouloir vendre son produit à n’importe quel consommateur ;

¾ 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.

1. Introduction / Qualité de l’électricité

(6)

Perturbation ?

1. Introduction / Qualité de l’électricité

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.

(7)

Accès d’un appareil ?

Appareil

Accès/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 est connecté à l’appareil.

1. Introduction / Qualité de l’électricité

(8)

1. Introduction / Qualité de l’électricité

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

Paramètres ?

• fréquence(50 Hz)

• amplitude (V)

• forme d’onde (sinusoïdale)

• symétrie (déphasage de 120°)

(9)

1. Introduction / Qualité de l’électricité

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

(10)

1. Introduction / Qualité de l’électricité

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’électricité

se réduit à la qualité de la tension (Power Quality = Voltage

Quality).

(11)

1. Introduction / Qualité de l’électricité 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)

¾ courants harmoniques dans le réseau

¾ selon Ohm : tensions harmoniques aux bornes de Z U_h = Z_h. I_h

Z

_h

U

_h

I

_h

(12)

1. Introduction / Qualité de l’électricité LES CHARGES LINEAIRES

LES 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

(13)

1. Introduction / Qualité de l’électricité LES CHARGES DEFORMANTES LES CHARGES DEFORMANTES

AUJOURD’HUI

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

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

(14)

1. Introduction / Qualité de l’électricité LE SPECTRE HARMONIQUE LE SPECTRE HARMONIQUE

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

Décomposition harmonique d’un signal

(15)

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

Types de charge Appareils concernés Courant absorbé Spectre harmonique correspondant

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 consomment de l'énergie réactive

(16)

1. Introduction / Qualité de l’électricité LE 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 harmonique correspondant

(17)

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

LA PROBLEMATIQUE ?

Conclusion :

Cette tension déformée est commune à tous les autres récepteurs du réseau.

Elle est préjudiciable au bon fonctionnement de l'ensemble des récepteurs raccordés sur ce réseau.

Conclusion :

Cette tension déformée est commune à tous les autres récepteurs du réseau.

Elle est préjudiciable au bon fonctionnement de l'ensemble des récepteurs raccordés sur ce réseau.

Présence de charges

déformantes Courant déformé

Courant

déformé x Impédance interne des générateurs

Tensions harmoniques

=

Tensions

harmoniques = Tension non sinusoïdale

=

(18)

1. Introduction / Qualité de l’électricité

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 continuité

de 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.

(19)

1. Introduction / Qualité de l’électricité

Continuité Cela 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’alimentation en un point donné : coupure/unité de temps.

Coupures longues : durée ≥ 3 minutes

Coupures brèves : durée < 3 minutes.

(20)

Plan

1. Introduction / Qualité de l’électricité 2. Introduction / Qu’est-ce que la CEM ? 3. Phénomènes perturbateurs

4. PQ – Normalisation 5. PQ – Mesures

6. PQ – Etude de cas

(21)

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 environnement électromagnétique 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 ?

environnement appareil

(22)

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.

(23)

Plan

1. Introduction / Qualité de l’électricité 2. Introduction / Qu’est-ce que la CEM ? 3. Phénomènes perturbateurs

4. PQ – Normalisation 5. PQ – Mesures

6. PQ – Etude de cas

(24)

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, éclarage fluorescent, démarrage ou commutation d’appareils, etc.

Nous allons poursuivre avec une description des principaux phénomènes qui

peuvent affecter la qualité de la tension.

(25)

3. Phénomènes perturbateurs

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.

(26)

3. Phénomènes perturbateurs

2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brèves

Les 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).

(27)

3. Phénomènes perturbateurs

2. Amplitude

2.1 Creux de tension et coupures brèves

Uref

∆U

∆t

Voltage dip Short interruption

Uref-10%

U(t)

Urms

(28)

3. Phénomènes perturbateurs

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.

(29)

3. Phénomènes perturbateurs

2. Amplitude

2.2 Fluctuations de tension – Flicker/ papillotement

Dans 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.

(30)

Flicker

3. Phénomènes perturbateurs

(31)

Flicker

3. Phénomènes perturbateurs

(32)

Flicker

3. Phénomènes perturbateurs

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 à1.

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 à120 min.

(33)

3. Forme d’onde

3.1 Harmoniques et interharmoniques

Harmoniques : 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

3. Phénomènes perturbateurs

Harmonique h = 5 Interharmonique h = 3.5

(34)

Harmoniques

Un physicien nommé

Fourier

a démontré qu’un signal périodique qcq

pouvait 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.

3. Phénomènes perturbateurs

(35)

Harmoniques

3. Phénomènes perturbateurs

Conversion mathématique temporel < > fréquentiel Signaux périodiques -

Série

de Fourier

Composante continue

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

(36)

Origine ?

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

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

U = Z.I Harmoniques

3. Phénomènes perturbateurs

(37)

Sources ?

Toutes les charges non linéaires consomment un courant non 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

3. Phénomènes perturbateurs

(38)

• 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

3. Phénomènes perturbateurs

(39)

3. Phénomènes perturbateurs

EFFETS DES HARMONIQUES EFFETS DES HARMONIQUES

Effets immédiats Pertes par effet Joule

Î Dégradation du facteur de puissance Î Réduction de la puissance des moteurs

Î Surcharges des câbles , transformateurs et moteurs Î Disjonctions intempestives

Î Augmentation du bruit dans les moteurs

Î Surdimensionnement de certains composants :

conducteur du neutre, d'alimentation, batteries de condensateurs

Î Réduction de la durée de vie des moteurs

Î Réduction de la durée de vie des transformateurs

Î Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques

Effets à moyen et long terme

(40)

3. Phénomènes perturbateurs

COS COS φ φ ET FACTEUR DE PUISSANCE ET FACTEUR DE PUISSANCE

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

Puissance active : P = U x I x cos φ

²

² Q P

S = +

Puissance apparente :

= U x I

S

Fp= P = cos φ

(41)

3. Phénomènes perturbateurs

S Fp= P

²

² Q D

P

P S

Fp P

+

= +

=

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

On intègre dans cette formule la puissance dite

DÉFORMANTEqui traduit les effets de la distorsion harmonique.

COS COS φ φ ET FACTEUR DE PUISSANCE (suite) ET FACTEUR DE PUISSANCE (suite)

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

(42)

3. Phénomènes perturbateurs

ENERGIE REACTIVE

(43)

3. Phénomènes perturbateurs ENERGIE REACTIVE (suite) ENERGIE REACTIVE (suite) Intérêt du relèvement du F.P.

Î

Une réduction de la chute de tension de ligne La compensation d’énergie réactive apporte :

Î

Un allègement de la facturation pour l’abonné

Î

Une augmentation de la puissance disponible sur l’installation

Î

Une diminution des pertes

(44)

3. Phénomènes perturbateurs Solutions ?

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

Formule : Qc = P ( tan ϕ - tan ϕ ')

ϕ' ϕ

S

S'

P

_active

Q'

Qc Q

- - Réduire le taux d’harmoniques

(45)

3. Phénomènes perturbateurs Conséquences ?

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.)

ÎLes risques : destruction des condensateurs de compensation d’énergie réactive ÎLes 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)

.

(46)

3. Phénomènes perturbateurs Conséquences ?

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.

Î 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 Î 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

G C Z

Source

Compensation de l'énergie réactive

charge non linéaire

B B'

A A'

Is

Ic Iz

Exemple

(47)

3. Phénomènes perturbateurs Conséquences ?

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.

(48)

3. Phénomènes perturbateurs Conséquences ?

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 3

I

_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.

(49)

3. Phénomènes perturbateurs Remèdes ?

Î Utilisation de transformateurs propre à chaque équipement

- Une solution contre l'harmonique 3 et ses multiples de rangs impairs (9, 15, 21, 27,…) :

Primaire Câblé en triangle

Secondaire Câblé en étoile

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

(50)

3. Phénomènes perturbateurs Remèdes ?

zz Filtres passifs

Filtre résonnant,

extrêmement efficace pour éliminer une harmonique de rang particulier "filtre passe-haut"

Filtre amorti, filtrage de toutes les

fréquences inférieures au rang considéré

"filtre passe-bas"

Î Mise en place de filtre(s) :

zz Filtres actifs

Injecte des courants harmoniques

équivalents mais en opposition de phase

de ceux émis par les appareils.

(51)

3. Phénomènes perturbateurs

ATTENTION AUX PI

ATTENTION AUX PIÈÈGES EN MAINTENANCE "CURATIVE"GES EN MAINTENANCE "CURATIVE"……

Attention au risque de surcompensation Attention au risque de surcompensation

R Z

Secteur 230 V AC

Ballast magnétique

Charge (tube fluo)

C' Capacité de Compensation

Charge (tube fluo) Capacité de

découpage

C R

Secteur 230 V AC

Redressement

Ballast électronique

Montage Capacitif Montage inductif

- Un exemple avec l'éclairage "Économique" :

Culot E27

(52)

3. Forme d’onde 3.2 Transitoires

Les 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. Phénomènes perturbateurs

(53)

3. Forme d’onde 3.2 Transitoires

Encoches 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

3. Phénomènes perturbateurs

(54)

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.

3. Phénomènes perturbateurs

(55)

Vue d’ensemble

3. Phénomènes perturbateurs

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

(56)

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).

3. Phénomènes perturbateurs

(57)

Dispositif d'équilibrage, conditionneur de réseau Echauffement 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 à

arc, soudeuse, éolienne), changeurs

de fréquence, télécommande

centralisée Interharmoni

que

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'éclairage

Installations 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, dégâts Court-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, dégâts Court-circuit,

surcharge, déclenchement

intempestif, (maintenance) Coupure

longue

Solutions possibles Conséquences

Origine Type de

perturbation

3. Phénomènes perturbateurs

(58)

Plan

1. Introduction / Qualité de l’électricité 2. Introduction / Qu’est-ce que la CEM ? 3. Phénomènes perturbateurs

4. PQ – Normalisation 5. PQ – Mesures

6. PQ – Etude de cas

(59)

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

(60)

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 ; - …

4. Power Quality - Normalisation

(61)

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 à une 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

4. Power Quality - Normalisation

(62)

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”.

4. Power Quality - Normalisation

(63)

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'immunité des 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.

4. Power Quality - Normalisation

(64)

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 (à comparer 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.

4. Power Quality - Normalisation

(65)

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.

4. Power Quality - Normalisation

(66)

4. Power Quality - Normalisation

(67)

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 à des 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.

4. Power Quality - Normalisation

(68)

Caractéristiques de l’alimentation BT Fréquence

Fréquence 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

4. Power Quality - Normalisation

(69)

Caractéristiques de l’alimentation BT Amplitude

Tension nominale normalisée :

pour système triphasé 4 conducteurs : 230 V entre phase et neutre pour système triphasé 3 conducteurs : 230 V entre phases

Variations (lentes) de tension

Origine : élévation ou baisse de la valeur efficace de la tension (∆V) en raison d’une variation de charge sur le réseau.

Conditions normales d’exploitation

- pour 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 %.

4. Power Quality - Normalisation

(70)

Caractéristiques de l’alimentation BT

Variations rapides de tension – « Flicker » Amplitude

Les variations rapides proviennent essentiellement des variations de la charge des clients ou de manœuvres sur le réseau.

Variation rapide de tension ne dépasse généralement pas 5 % de Un mais on peut observer 10 % Un pendant des courts instants.

4. Power Quality - Normalisation

(71)

Variations rapides de tension – « Flicker » Sévérité

EN 60868 – Evaluation de la sévérité du flicker

Conditions normales d’exploitation, pour chaque période d’une semaine, niveau de sévérité longue durée du papillotement Plt doit être ≤ 1 pendant 95 % du temps.

4. Power Quality - Normalisation

(72)

Caractéristiques de l’alimentation BT Creux de tension

Origine

Appel 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 indicatives

Nombre 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 %.

4. Power Quality - Normalisation

(73)

Caractéristiques de l’alimentation BT Coupures brèves

Origine

Effets imprévisibles des intempéries et causes externes.

Valeurs indicatives

Nombre 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 longues Valeurs indicatives

Nombre attendu de coupures de plus de 3 minutes sur une année : de moins de 10 jusqu’à 50, suivant les régions.

4. Power Quality - Normalisation

(74)

4. Power Quality - Normalisation

Caractéristiques de l’alimentation BT Creux de tension / Coupures

(75)

Caractéristiques de l’alimentation BT Surtensions

Origine

Foudre, fusion de fusible, enclenchement de condensateur, coupure de contacteur, … Surtensions temporaires entre phases et terre

Une 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 indicatives

Dans 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.

4. Power Quality - Normalisation

(76)

Surtensions transitoires entre phases et terre

Les 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.

4. Power Quality - Normalisation

(77)

4. Power Quality - Normalisation

Caractéristiques de l’alimentation BT Surtensions

(78)

Caractéristiques de l’alimentation BT Déséquilibre

Le 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.

Pour 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.

4. Power Quality - Normalisation

(79)

Caractéristiques de l’alimentation BT Déséquilibre

Composantes 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). Posons

Xd = 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

4. Power Quality - Normalisation

(80)

Caractéristiques de l’alimentation BT Tensions harmoniques

Pour 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 %.

4. Power Quality - Normalisation

(81)

Caractéristiques de l’alimentation BT Tensions harmoniques

4. Power Quality - Normalisation

Rang de l'harmonique Taux en % 3

5 7 9 11 13 15 17 19 (1) 21 (2)

5 6 5 1,5 3,5 3 0,3

2 1,5 0,2

(82)

Caractéristiques de l’alimentation MT Fréquence

Fréquence nominale 50 Hz

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

…

4. Power Quality - Normalisation

(83)

Plan

1. Introduction / Qualité de l’électricité 2. Introduction / Qu’est-ce que la CEM ? 3. Phénomènes perturbateurs

4. PQ – Normalisation 5. PQ – Mesures

6. PQ – Etude de cas

(84)

5. Power Quality - Mesures

QUELS PARAMETRES

ALLONS NOUS MESURER POUR QUANTIFIER

ET QUALIFIER

CES « GRANDEURS » ? QUELS PARAMETRES

ALLONS NOUS MESURER POUR QUANTIFIER

ET QUALIFIER

CES « GRANDEURS » ?

(85)

5. Power Quality - Mesures

Les appareils numériques dits R.M.S réalisent la mesure efficace d’un signal ALTERNATIF quelque soit sa forme, sinusoïdal ou déformé.

..

.

²

₃² ₅² ₇²

. .

.

= I fondamenta l + Ih + Ih + Ih + I

_R _M _S

FORMULES Valeur RMS

Appareil RMS Même mesure : I = 16 A Appareil NON RMS

Mesure : I = 12 A

Courant mesuré

(86)

5. Power Quality - Mesures Facteur de Crête

414 ,

1 I 2

FC I

efficace

Max

= =

=

Charge linéaire : soit 1,414

Î

Absence d'harmonique

Matériel informatique : 2 à 3

Î

Présence d'harmoniques

Variateur de vitesse : environ 2

Î

Présence d'harmoniques

2 Dans le cas d’une charge linéaire

(87)

5. Power Quality - Mesures 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 harmoniques 2

2 2

2

1 ...

4 3

2 A

A A

THD A + +

= ^% ^{A ou V}

2

2 2

2

2 3 ...

0 Aeff

A A

DF A + +

= % A ou V

(88)

5. Power Quality - Mesures

A 1

A _n

n =

τ

% 12 75

9

1

3

= =

= A A τ

n

Exemple pour l’harmonique 3 :

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

Le taux distorsion harmonique rang par rang

100 %

1 3 5 7 9

n

(89)

5. Power Quality - Mesures Appareils de mesure

Pince de puissance

Wattmètre Pince wattmétrique

(90)

5. Power Quality - Mesures Appareils de mesure

L’analyseur de puissance et d’harmoniques

Power Quality Analyser

Demo

(91)

5. Power Quality - Mesures

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.

(92)

5. Power Quality - Mesures Appareils de mesure

Flickermètre

Mesures 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.

(93)

5. Power Quality - Mesures

L1 L3 L2

N PE

Pince de terre C.A 6415 pour mesurer chaquemise à la terre

C.A 6541 / 43 / 45 / 47 Isolement

entre conducteurs actifs (installation hors tension et récepteurs débranchés)

(installation hors tension) QualiStar - C.A 8334-MN

Mesure de la qualité du réseau

"harmoniques, puissance T4FNE, énergies, transitoires, FFT, Fresnel, variations de tension,..."

F27:Pince de puissances(T3FE)

et harmoniques

Fournisseur d'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 puissances Triphasé équilibré

Terre du Neutre

C 37 Pince courant de fuite

F05: Pince Multimètre

et de puissance / Facteur de puissance

Terre des Masses (d'utilisation)

PE

Le QualiStar et 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 Pinces

jusqu'à 240 A

Qualistar -Exemples d'écrans

(94)