Qualité de la tension Qualité de l électricité ATT Novembre 2008

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1 Qualité de la tension Qualité de l électricité ATT Novembre 2008 price reliability power system quality 1

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 2

3 1. Introduction / Qualité de l électricité 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! 3

4 Electricité? 1. Introduction / Qualité de l électricité 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. 4

5 1. Introduction / Qualité de l électricité 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. 5

6 1. Introduction / Qualité de l électricité 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. 6

7 1. Introduction / Qualité de l électricité Accès d un appareil? Accès/bornes d alim ac Accès/bornes d alim dc Accès/enveloppe (1) Appareil Accès/bornes de terre Accès/bornes de signaux Accès/bornes de mesure & commande (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. 7

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 ) 8

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 9

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). 10

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, ). Z h U h I h - la charge absorbe un courant déformé (fondamentale + harmoniques) courants harmoniques dans le réseau selon Ohm : tensions harmoniques aux bornes de Z U h = Z h. I h 11

12 1. Introduction / Qualité de l électricité HIER 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. 12

13 1. Introduction / Qualité de l électricité AUJOURD HUI LES CHARGES DEFORMANTES Les récepteurs présents déforment les signaux électriques du courant et de la tension. Les signaux analysés s éloignent de l allure sinusoïdale de départ. 13

14 1. Introduction / Qualité de l électricité LE SPECTRE HARMONIQUE Décomposition harmonique d un signal déformé. Un signal déformé est la somme des signaux sinusoïdaux, de fréquences multiples de la fréquence du signal fondamental. 14

15 1. Introduction / Qualité de l électricité 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. - Tubes fluorescents, Eclairage - 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 15

16 1. Introduction / Qualité de l électricité LE SPECTRE HARMONIQUE (suite) Types de charge Appareils concernés Courant absorbé Spectre harmonique correspondant 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. 16

17 1. Introduction / Qualité de l électricité LA PROBLEMATIQUE? Présence de charges déformantes = Courant déformé Courant déformé x Impédance interne des générateurs = Tensions harmoniques Tensions harmoniques = Tension non sinusoïdale 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. 17

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. 18

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. 19

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 20

21 2. Introduction / Qu est-ce que la CEM? 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. appareil environnement La CEM est donc un concept plus large perturbations entrantes/sortantes, entrées/sorties et alimentation, conduction/rayonnement, HF/BF. 21

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. 22

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 23

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 (courtcircuit 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. 24

25 1. Fréquence Déviations 3. Phénomènes perturbateurs 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. 25

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 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). 26

27 3. Phénomènes perturbateurs 2. Amplitude 2.1 Creux de tension et coupures brèves U(t) Urms Uref Uref-10% U t Voltage dip Short interruption 27

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. 28

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. 29

30 3. Phénomènes perturbateurs Flicker 30

31 3. Phénomènes perturbateurs Flicker 31

32 3. Phénomènes perturbateurs 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. 32

33 3. Phénomènes perturbateurs 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. Harmonique h = 5 Interharmonique h = 3.5 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. 33

34 3. Phénomènes perturbateurs 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. 34

35 3. Phénomènes perturbateurs Harmoniques Conversion mathématique temporel < > fréquentiel Signaux périodiques - Série de Fourier f(t) de période T : f(t) = f(t+kt) k entier Composante continue 35

36 3. Phénomènes perturbateurs Harmoniques 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 36

37 3. Phénomènes perturbateurs Harmoniques 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. 37

38 3. Phénomènes perturbateurs Harmoniques Conséquences pour récepteurs? machines synchrones transformateurs machines asynchrones câbles ordinateurs électronique de puissance condensateurs régulateurs, relais, compteurs échauffements pertes & échauffements suppl. risque de saturation échauffements, couples pulsatoires augm. pertes ohmiques et diél. problèmes fonctionnels problèmes liés à la forme d onde échauff., vieillissement, résonance, etc. fonct. intempestif, erreurs, mesure faussée 38

39 3. Phénomènes perturbateurs EFFETS DES HARMONIQUES Effets immédiats Pertes par effet Joule Dégradation du facteur de puissance Réduction de la puissance des moteurs Surcharges des câbles, transformateurs et moteurs Disjonctions intempestives Augmentation du bruit dans les moteurs Surdimensionnement de certains composants : conducteur du neutre, d'alimentation, batteries de condensateurs Effets à moyen et long terme Réduction de la durée de vie des moteurs Réduction de la durée de vie des transformateurs Vieillissement accéléré des isolants et des diélectriques 39

40 3. Phénomènes perturbateurs COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE Puissance active : P = U x I x cos φ Puissance apparente : S = P² + Q² = U x I Le cosinus φ est le déphasage entre la fondamentale "Tension" et la fondamentale "Courant" dans le cas de signaux non déformés. P Fp= S = cos φ 40

41 3. Phénomènes perturbateurs COS φ ET FACTEUR DE PUISSANCE (suite) 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. Le cosinus φ n est plus applicable, on parle alors de : FACTEUR DE PUISSANCE P Fp= S On intègre dans cette formule la puissance dite DÉFORMANTE qui traduit les effets de la distorsion harmonique. P Fp= S = P P² + Q² + D² 41

42 3. Phénomènes perturbateurs ENERGIE REACTIVE 42

43 Intérêt du relèvement du F.P. 3. Phénomènes perturbateurs ENERGIE REACTIVE (suite) 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 Une réduction de la chute de tension de ligne 43

44 Solutions? 3. Phénomènes perturbateurs - Réduire le taux d harmoniques - Compenser l'installation grâce à l'adjonction de batteries de condensateurs Formule : Qc = P ( tan ϕ -tan ϕ ') P active ϕ' ϕ S Q' Q S' Qc 44

45 Conséquences? 3. Phénomènes perturbateurs Les phénomènes de résonance 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.) Ils génèrent des amplitudes élevées sur certains rangs harmoniques (rangs 5 et 7 par exemple). Les risques : destruction des condensateurs de compensation d énergie réactive 45

46 Conséquences? 3. Phénomènes perturbateurs Les échauffements dans les conducteurs et équipements électriques Exemple Is A Iz A' 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. Source G C Z Compensation de l'énergie réactive B Ic B' charge non linéaire 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. 46

47 Conséquences? 3. Phénomènes perturbateurs Les facteurs de crête élevés 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 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. 47

48 3. Phénomènes perturbateurs Conséquences? Les effets dans le conducteur du Neutre 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 Remarque : De nombreux incendies de bâtiments industriels sont dus à l'échauffement excessif du conducteur du Neutre. Voir aussi : 6. Etude de cas 48

49 Remèdes? 3. Phénomènes perturbateurs 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. 49

50 Remèdes? 3. Phénomènes perturbateurs Mise en place de filtre(s) : 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" Filtres actifs Injecte des courants harmoniques équivalents mais en opposition de phase de ceux émis par les appareils. 50

51 3. Phénomènes perturbateurs ATTENTION AUX PIÈGES EN MAINTENANCE "CURATIVE" - Un exemple avec l'éclairage "Économique" : Montage inductif Montage Capacitif Z Culot E27 Redressement Secteur 230 V AC C' Ballast magnétique Capacité de Compensation R Secteur 230 V AC C Ballast électronique R Charge (tube fluo) Capacité de découpage Charge (tube fluo) Attention au risque de surcompensation 51

52 3. Phénomènes perturbateurs 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. 52

53 3. Phénomènes perturbateurs 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 encoches peuvent donc être considérées comme des transitoires répétitifs. 53

54 3. Phénomènes perturbateurs 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. 54

55 3. Phénomènes perturbateurs Vue d ensemble DEFINITION OF POWER QUALITY (PQ) Power Quality = Voltage Continuity + Voltage Quality Voltage Continuity (Reliability of Supply) - long interruptions Voltage Quality frequency - deviations magnitude - deviations - dips & short interruptions - flicker waveform - (inter)harmonics symmetry - unbalance 55

56 3. Phénomènes perturbateurs 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). 56

57 3. Phénomènes perturbateurs Type de perturbation Origine Conséquences Solutions possibles Coupure longue Court-circuit, surcharge, déclenchement intempestif, (maintenance) Arrêts d'équipements, pertes de production, dégâts Alimentation de secours (réseau), alimentation sans interruption (ASI) Creux de tension et coupure brève Court-circuit, (enclenchement de gros moteur) Arrêts d'équipements, pertes de production, dégâts Conditionneur de réseau, conception de l'équipement sensible, alimentation sans interruption Fluctuation rapide (flicker) Installations fluctuantes (four à arc, soudeuse, moteur à démarrage fréquent, éolienne ) Papillotement de l'éclairage Compensateur synchrone, compensateur statique de puissance réactive, conditionneur actif, condensateur série Harmonique Installations non linéaires (électronique de puissance, arcs électriques ) Effets thermiques (moteurs, condensateurs, conducteurs de neutre ), diélectriques (vieillissement d'isolant) ou quasi instantanés (automatismes) Filtrage actif ou passif, self anti-harmonique, déclassement d'appareil Interharmoni que Installations non linéaires et fluctuantes (four à arc, soudeuse, éolienne), changeurs de fréquence, télécommande centralisée Papillotement de l'éclairage fluorescent, dysfonctionnement d'automatismes, dégâts mécaniques sur machines tournantes Filtrage actif ou passif, amortissement de filtres antiharmoniques, conception de l'équipement sensible Déséquilibre Installations déséquilibrées (traction ferroviaire ) Echauffement de machines tournantes, vibrations, dysfonctionnement de protections Dispositif d'équilibrage, conditionneur de réseau Surtension transitoire Court-circuit, commutations, foudre Déclenchements, danger pour les personnes et pour les matériels Séparation galvanique, parasurtenseurs, enclenchement "synchronisé", résistance de pré-insertion 57

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 58

59 4. Power Quality - Normalisation 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». 59

60 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 (harmoniques) et CEI (Flicker) ; - EN ; - CEI ; - 60

61 4. Power Quality - Normalisation En 1981, le groupe de travail CIGRE (1) /CIRED (2) CC02 (CIGRE / 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 61

62 4. Power Quality - Normalisation 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 qui stipule les caractéristiques de la tension, dans l optique de définir les caractéristiques du produit électricité. 62

63 4. Power Quality - Normalisation Niveaux de compatibilité. Ce sont des valeurs de référence (Publications CEI et ) 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. 63

64 4. Power Quality - Normalisation Caractéristiques de la tension. La norme européenne EN 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. 64

65 4. Power Quality - Normalisation 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 , , ). 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. 65

66 4. Power Quality - Normalisation 66

67 4. Power Quality - Normalisation EN 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. MT : entre 1 et 35 kv. 67

68 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution 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 % ( ) 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 % ( ) pendant 100 % du temps 68

69 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution 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 %. 69

70 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution 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. Conditions normales d exploitation Variation rapide de tension ne dépasse généralement pas 5 % de Un mais on peut observer 10 % Un pendant des courts instants. 70

71 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution Caractéristiques de l alimentation BT Variations rapides de tension «Flicker» Sévérité EN 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. 71

72 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution 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 Conditions normales d exploitation 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 %. 72

73 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution Caractéristiques de l alimentation BT Coupures brèves Origine Effets imprévisibles des intempéries et causes externes. Valeurs indicatives Conditions normales d exploitation 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 Conditions normales d exploitation Nombre attendu de coupures de plus de 3 minutes sur une année : de moins de 10 jusqu à 50, suivant les régions. 73

74 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution Caractéristiques de l alimentation BT Creux de tension / Coupures 74

75 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution 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. 75

76 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution Caractéristiques de l alimentation BT 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. 76

77 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution Caractéristiques de l alimentation BT Surtensions 77

78 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution 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. Conditions normales d exploitation 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. 78

79 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution 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 79

80 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution Caractéristiques de l alimentation BT Tensions harmoniques Conditions normales d exploitation 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 %. 80

81 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution Caractéristiques de l alimentation BT Tensions harmoniques Rang de l'harmonique Taux en % (1) 21 (2) ,5 3,5 3 0,3 2 1,5 0,2 81

82 4. Power Quality - Normalisation EN Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution 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 % ( ) 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 % ( ) pendant 100 % du temps 82

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 83

84 5. Power Quality - Mesures QUELS PARAMETRES ALLONS NOUS MESURER POUR QUANTIFIER ET QUALIFIER CES «GRANDEURS»? 84

85 FORMULES Valeur RMS 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. Courant mesuré Appareil NON RMS Mesure : I = 12 A Appareil RMS Même mesure : I = 16 A I R. M. S. = I ² fondamenta l+ Ih3 + Ih5 + Ih

86 Facteur de Crête 5. Power Quality - Mesures Dans le cas d une charge linéaire FC= IMax = 2= 1,414 I efficace 2 Charge linéaire : soit 1,414 Absence d'harmonique Matériel informatique : 2 à 3 Présence d'harmoniques Variateur de vitesse : environ 2 Présence d'harmoniques 86

87 5. Power Quality - Mesures Le taux distorsion harmonique global THD A2 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 2 + A3 2 A1 2 + A = % A ou V DF A A 2 Aeff A3 = % A ou V 2... Rapport de la valeur efficace de l ensemble des courants harmoniques du signal sur la valeur efficace du signal 87

88 5. Power Quality - Mesures Le taux distorsion harmonique rang par rang Détermination de la valeur efficace du rang d harmonique considéré ainsi que de son pourcentage par rapport à la fondamentale. τ n = A n A 1 Exemple pour l harmonique 3 : 100 % τ n = A A = = 75% n 88

89 Appareils de mesure Pince de puissance 5. Power Quality - Mesures Wattmètre Pince wattmétrique 89

90 Appareils de mesure 5. Power Quality - Mesures L analyseur de puissance et d harmoniques Power Quality Analyser Demo 90

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. 91

92 Appareils de mesure 5. Power Quality - Mesures Flickermètre Mesures selon la norme CEI (précédemment CEI 868) L appareil de mesure de référence est défini dans la norme, ainsi que la méthode de calibration. 92

93 LA MESURE MN 93 : 3 x Pinces INDUSTRIELLE 5. Power Quality - Mesures jusqu'à 240 A L3 Fournisseur d'énergie L2 L1 N F27 : Pince de puissances (T3FE) et harmoniques PE C.A 6525 C 37 Terre du Neutre PE MX 2040 : Pince de puissances Triphasé équilibré Pince courant de fuite Isolement entre conducteurs actifs (installation hors tension et récepteurs débranchés) F05 : Pince Multimètre et de puissance / Facteur de puissance QualiStar - C.A 8334-MN Mesure de la qualité du réseau "harmoniques, puissance T4FNE, énergies, transitoires, FFT, Fresnel, variations de tension,..." + - Le QualiStar et ses accessoires - Pince MN A - Pince C A - Pince PAC A - Ampflex A A Qualistar - Exemples d'écrans Moteur (installation hors tension) C.A 6541 / 43 / 45 / 47 Terre des Masses (d'utilisation) Pince de terre C.A 6415 pour mesurer chaque mise à la terre 93

94 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 94

95 6. Power Quality Etude de cas A. Harmoniques Neutre- Section des conducteurs 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. Harmoniques 3 en phase Somme non nulle Somme dans neutre : 3 x Iphase Echauffement Destruction Adapter la section du neutre (idem pour les multiples de 3) 95

96 6. Power Quality Etude de cas A. Harmoniques Neutre- Section des conducteurs Exemple numérique Taux de distorsion I1 225A I3 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) 96