Calitatea energiei electrice, considerente practice

Pentru noi, consumatorii, pare firească cerinţa privind calitatea energiei electrice. Pentru furnizori, urmărirea calităţii are mai multe aspecte şi direcţii: pe de o parte, premisa fidelizării clienţilor, pe de altă parte (spre interior), faptul că, astfel, depistarea promptă a anomaliilor ajută la mentenanţa echipamentelor şi instalaţiilor de producere/transport (iar pe termen lung devine utilă şi din perspectiva investiţiilor sau a altor decizii strategice). În plus, aspectul asigurării calităţii energiei electrice va deveni tot mai important şi mai complicat, pe măsură ce în mixul energetic vor apărea tot mai multe surse cu discontinuităţi în generarea electricităţii (ferme de turbine eoliene, instalaţii fotovoltaice conectate la ,,grid”, etc).

Motive interne: tactice şi strategice

Monitorizarea calităţii energiei electrice produse şi/sau furnizate are, în primul rând, o raţiune din perspectiva dispecerizării reţelelor energetice. Pentru a putea furniza energie în condiţii normale către consumatori în agregări largi (campusuri, întreprinderi, oraşe, regiuni, ţări), trebuie ţinut cont de variaţiile de flux care apar în aceste sisteme: pe de o parte fluctuaţiile în generarea electricităţii (date de discontinuitatea resurselor, fie ele convenţionale sau nu, – precum în cazul hidrocentralelor), pe de altă parte variaţiile de consum (vârfuri/goluri de sarcină ,,circadiene”, sau vârfuri (a)ritmice ale consumatorilor industriali). Dispecerizarea unui sistem energetic presupune urmărirea (proactivă sau reactivă a) acestor variaţii şi, respectiv, echilibrarea/compensarea lor prin angajarea/decuplarea de resurse energetice din reţeaua supervizată. (Dacă s-ar neglija aceste fluctuaţii, în generare şi în consum, atunci fie ar trebui ca reţeaua să fie proiectată mult supradimensionat, fie am accepta faptul că generatoarele, transformatoarele şi infrastructura de transport vor suferi defecte mai dese şi o uzură mult accelerată.)

O altă raţiune tactică pentru urmărirea calităţii energiei de către furnizor constă în facilitatea de a diagnostica şi evalua instalaţia electrică: anumite abateri de la valorile nominale ale parametrilor monitorizaţi pot revela defecte sau stări de uzură, iar dispecerii pot declanşa prompt acţiuni de mentenanţă (deseori înainte de apariţia unor efecte disruptive, cu consecinţe grave). Astfel, obţinem minimizarea între­ruperilor şi reducerea costurilor de întreţinere.

Importanţa problematicii calităţii energiei electrice va creşte odată cu descentralizarea sistemelor energetice, căpătând, totodată, valenţe diferite de cele specifice SEN, (Sistemul Energetic Naţional) atât din perspectiva pieţei energiei – competiţia între producători/furnizori va impune (teoretic) standarde înalte de calitate – cât şi din punct de vedere tehnico-economic – prin integrarea de resurse energetice cu profile de lucru diferite.

Dintr-o perspectivă mai amplă, se poate observa că asigurarea calităţii este cumva şi o premisă pentru creşterea eficienţei în generarea şi transportul energiei electrice (sau că, oricum, la un nivel bazal, cele două se corelează întrepătruns).

Dacă datele jurnalizate privind calitatea energiei electrice sunt stocate pe termen ceva mai lung, ele pot constitui obiect de ,,data mining’’ (OLAP, în jargon informatic) pentru a ,,stoarce” informaţii ce pot fi angajate în decizii strategice ale operatorului energetic (decizii economice privind abordarea mentenanţei, decizii privind investiţii de extindere, de mo­dernizare sau de alte schimbări).

O altă chestiune este cea a certificărilor, prin care trebuie să treacă operatorul, sens în care trebuie urmărite atât standardele de bază din domeniul energetic cât şi directivele/recomandările organismelor internaţionale (cu referinţe precum EN5160, IEC61000-4-30, IEC61000-4-15 şi IEC61000-4-7) .

Cauze ale perturbaţiilor de calitate

Pentru sistemele electroenergetice actuale (folosind curent alternativ trifazic) abaterile de la normalitate pot însemna:

• fluctuaţii ale nivelului tensiunii electrice;
• fluctuaţii ale frecvenţei (devieri de la valoarea nominală de 50Hz);
• apariţia de distorsiuni armonice;
• apariţia de supratensiuni tranzitorii;
• dezechilibre de sarcină (între cele trei faze);
• sarcini reactive (circulaţie de puteri reactive) etc.

Dezechilibrele de sarcină în sistemele trifazate înseamnă că pe una dintre fazele circuitului electric consumul este semnificativ mai mare/mic decât pe celelalte. Ori, un curent electric diferit poate determina, la rândul lui, un dezechilibru de tensiuni trifazate, constituind, deci, potenţial dăunător pentru anumiţi consumatori (precum facilităţile folosind motoare electrice trifazate). În reţelele dispecerizate, apariţia/semnalarea unui dezechilibru de sarcină trifazată poate fi corectat prin distribuirea sarcinilor între faze. Ca măsură permanentă se poate recurge la instalarea de transformatoare speciale sau de compensatoare VAR statice controlate electronic.

Apariţia în reţeaua electrică a curenţilor armonici (semnale de altă frecvenţă decât cea nominală, de obicei în multipli armonici) se datorează sarcinilor neliniare (consumatori de putere cu comportament anormal; la cuplări/decuplări de consumatori mari). O altă cauză de ivire a semnalelor armonice este şi folosirea de invertoare pentru conversia din c.c. în c.a (în cazul unor surse de energie ,,verde’’), a căror comutaţie (oricât de avansată – vedeţi diversele tehnici PWM) nu poate genera o sinusoidă perfectă. Circulaţia acestor curenţi ,,paraziţi’’ poate determina supraîncălzirea unor componente ale instalaţiei electrice (transformatoare, motoare, conductoare), declanşarea unor echipamente de comutaţie/protecţie, precum şi accentuarea generală a procesului de îmbătrânire a instalaţiei. Pentru evitarea acestor probleme se recurge la instalarea în reţea a filtrelor armonice (filtre TJ, care blochează trecerea curenţilor de frecvenţe înalte).

Supratensiunile tranzitorii se ,,manifestă’’ ca vârfuri de semnal (adică un adaos brusc la semnalul electric normal), fiind, deci, periculoase pentru sistemul electric din multe perspective. O astfel de supratensiune poate apărea în sistem printr-o descărcare electrostatică (de exemplu, un fulger) sau printr-un fenomen rapid de rezonanţă apărut şi propagat în reţea (auto-oscilaţie cu amplificare bruscă prin reacţie pozitivă, fenomen apărut, eventual, prin comutaţii în aval/amonte). Pentru atenuarea acestei supratensiuni se montează în sistem componente speciale de protecţie (descărcătoare cu varistoare/VDR, protecţii cu disjunctor diferenţial etc).

Însă, probabil că sursa cea mai frecventă de perturbaţii în sistem/reţea o constituie simpla comutare (cuplare/de­cuplare) a consumatorilor semnificativi. Când se cuplează o sarcină mare, variaţia curentului electric determină o scădere a nivelului tensiunii, ceea ce provoacă, în cascadă, alte perturbaţii în sistem. La acest gen de probleme nu prea există rezolvare perfectă, dar, prin câteva măsuri/abordări de pro­iectare, aspectele pot fi ţinute în limite rezonabile. De reţinut aici un aspect foarte interesant din perspectiva monitorizării calităţii energiei: dacă subsistemul (SCADA) de monitorizare a parametrilor din reţea poate capta valorile esenţiale (tensiune, curent şi frecvenţă) cu o rată mare de eşantionare (cu o frecvenţă capabilă să reveleze inclusiv formele de undă, precum osciloscopul, deci într-o condiţionare Nyquist), atunci – analizând acele forme de undă – se pot deduce care sunt aspectele ce determină apariţia accentuată a perturbărilor datorate comutaţiei şi se pot lua măsuri de fineţe pentru diminuarea acestora.

Piederi de energie datorate perturbaţiilor

Utilizarea optimă a sistemului electric trifazat presupune ca tensiunile şi curenţii pe cele trei faze să aibă forme (de semnal) pur sinusoidale şi să nu existe defazaj între tensiune şi curent. Însă, în realitate, aceste condiţii nu sunt uşor de menţinut, iar cu cât ne îndepărtăm de la ele, cu atât pierderile de energie sunt mai mari (şi, deci, sistemul devine mai ineficient şi mai vulnerabil). Trecem peste aspectul subînţeles că principala cauză de pierderi este rezistenţa conductorilor din sistem/reţea, pentru că nu putem creşte oricât secţiunea conductorilor sau conductibilitatea materialului din raţiuni economice (şi, în ge­neral, pierderile sub 3% se consideră acceptabile).

Dezechilibrele de sarcină (cauză menţionată anterior) determină şi pierderi, contoarele de energie înregistrând valorile de la faze, indiferent de (in)eficienţa exploatării acestora. De asemenea, curenţii armonici sunt înregistraţi chiar dacă ei nu contribuie constructiv în instalaţie (de exemplu, nu generează cuplu în motoarele electrice).

Existenţa în reţea/sistem a sarcinilor reactive determină şi ea pierderi de energie. Acel decalaj între faza semnalului tensiune şi cea a semnalului curent apare atunci când consumatorii au caracter inductiv/capacitiv. Maşinile electrice (motoare, transformatoare) constituie o sarcină inductivă (având bobine: înfăşurări electrice cu/fără miez magnetic) şi acestea determină curentul să rămână în urma tensiunii electrice. Apare, astfel, o circulaţie de putere reactivă prin sistem/reţea, care nu contribuie efectiv şi util la exploatarea energiei electrice, însă care determină pierderi şi uzură. (Aici găsim dinstincţia dintre unităţile de măsurare ale pute­rilor: VA (volt*amper de energie utilă); W energie reală (W=V*A*cosØ), unde Ø este chiar defazajul unghiular dintre curent şi tensiune şi care, ideal, trebuie să fie nul (cos0°=1).)

Mai putem lua în calcul şi pierderile determinate de curenţii care circulă prin conductoarele de nul/neutru/protecţie, ce apar ca efecte secundare ale dezechilibrelor de sarcină. Şi ne oprim, deocamdată.

Reţinem că există, deja, o piaţă a dispozitivelor destinate depistării pierderilor de energie din sistemele electrice (de obicei dispozitve mobile/portabile conforme cu standarde gen EN50160), capabile să evidenţieze pe loc (pe teren, în diverse puncte din instalaţie/reţea), printr-o interfaţare vizuală profesională şi, totodată, sugestivă, situaţiile de interes finite (forme de undă pentru tensiuni şi curenţi, puteri active, reactive, dezechilibre, prezenţa armonicelor, ş.a.).

Implicarea informaticii

Odată ce am conştientizat importanţa monitorizării calităţii energiei electrice putem merge mai departe: da, avem în sistem/reţea traductoare/senzori care să ne furnizeze valorile parametrilor importanţi în evaluarea/auditarea calităţii (tensiuni, curenţi, frecvenţe, puteri, cosØ, temperaturi etc); avem şi console prin care oamenii pot urmări aceste ,,faţete primare’’ ale calităţii (HMI-Human Machine Interface –Interfaţă Om Maşină); şi avem, eventual, aplicaţii software capabile să ,,înţeleagă” aceşti parametri, să semnaleze situaţiile deficitare sau chiar să declanşeze automat proceduri de normalizare. Dacă sistemul energetic este asistat de un sistem informatic capabil să memoreze (stocheze) astfel de date pe durate de timp mai lungi (şi cu citiri din mai multe puncte cheie ale sistemului/instalaţiei), atunci – pe lângă facilităţile ordinare, precum cele de cuantificare a costului pierderilor de energie – pot fi angajate interesante aspecte suplimentare. (Dacă urmărirea calităţii furnizate se face (şi) cu dispozitive mobile, atunci trebuie asumată descărcarea/preluarea şi centralizarea datelor din jurnalele acestora, în vederea agregării lor în analize mai ample.)

Acumularea mulţimii de date, parametrii-jurnal din diverse locaţii, constituie un ,,volum” multi-dimensional capabil de analize OLAP (analize de nuanţă statistică aplicate din mai multe perspective, adică luând ca scală/referinţă mai multe aspecte/dimensiuni). Se pot, astfel, extrage date noi, cu semnificaţie tehnico-economică imediată (pentru decizii operaţionale sau executive), sau date implicabile în analize ulterioare. Logica implementată în software poate corela astfel de date, poate genera informaţii noi, cu sensuri mai puţin ordinare. Se poate ajunge la înţelegerea profilelor consumatorilor cu potenţial de afectare a calităţii (cu şocuri mari la cuplare/decuplare, cu specific reactiv substanţial) şi respectiv la simularea efectelor aplicării de contramăsuri specifice.

Oricum, problematica urmăririi şi asigurării calităţii energiei electrice este prea amplă pentru a fi consumată într-un singur articol.