Inquinamento Armonico e Tecniche di Compensazione

Analisi della Qualità del Servizio della Rete Elettrica
Analisi della Qualità del Servizio
della Rete Elettrica
Analisi della Qualità del Servizio della Rete Elettrica
Normativa:Qualità del servizio elettrico
• EN 50160
• Delibera AEEE ARG/elt 198/11 (TIQE)
• CEI 0-16 / CEI 0-21
Normativa: Strumentazione
• IEC EN 61000-4-30
• IEC 61557-12
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Normativa: Audit energetici
• UNI CEI EN 16247-1:2012 specifica i criteri relativi a "Diagnosi energetiche - Parte 1:
Requisiti generali". La norma definisce i requisiti generali comuni a tutte le diagnosi
energetiche: in particolare i requisiti per specifiche diagnosi energetiche relative a
edifici, processi industriali e trasporti,
• UNI CEI 11352 "Gestione dell'energia - Società che forniscono servizi energetici (ESCo)
- Requisiti generali e lista di controllo per la verifica dei requisiti" è la norma italiana che
stabilisce i requisiti minimi per le società che vogliono svolgere il ruolo di Energy Service
Company (ESCo). La norma delinea i requisiti minimi dei servizi di efficienza energetica
e le capacità (organizzativa, diagnostica, progettuale, gestionale, economica e
finanziaria) che la ESCo deve possedere per poter offrire tali attività presso i propri
clienti: assegna inoltre una lista di controllo per la verifica delle capacità delle ESCo. Tra
i requisiti va ricordato la richiesta di avere un Esperto in Gestione dell'Energia (EGE,
certificato secondo la norma UNI CEI 11339 o in possesso dei requisti richiesti) nel
proprio organico.
• La norma UNI CEI 11339:2009 "Gestione dell’energia. Esperti in gestione dell'energia.
Requisiti generali per la qualificazione" è la norma che stabilisce i requisiti perché una
persona possa diventare Esperto in Gestione dell'Energia.Il Decreto legislativo
115/2008, concernente l'efficienza negli usi finali dell'energia e i servizi energetici,
prevede all'art. 16, inerente alla qualificazione dei fornitori e dei servizi energetici, la
certificazione volontaria degli Esperti in Gestione dell’Energia allo scopo di promuovere
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EN 50160:
“Caratteristiche della Tensione
fornita dalle Reti Pubbliche di
Distribuzione dell’Energia Elettrica.”
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EN 50160 - Generalità
Specifiche in condizioni di esercizio normale su
• Frequenza
• Valori RMS della Tensione:
o Variazioni della tensione di Alimentazione
o Buchi di Alimentazione/sovratensione
o Interruzione di Alimentazione
o Flicker
• Forma d’onda della Tensione (Armoniche)
• Fase delle Tensioni (Squilibrio)
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50160- Generalità
• frequenza;
• ampiezza;
• forma d’onda;
• simmetria delle tensioni trifase,
Queste caratteristiche, durante il normale esercizio di un
sistema elettrico, sono soggette a variazioni aleatorie sia in
termini di tempo che di posizione, a seguito di variazioni del
carico, disturbi generati da particolari apparecchiature e dal
verificarsi di guasti.
Grandezze aleatorie  Valutazioni/Limiti su osserv. statistiche
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EN 50160- Generalità
La norma è applicabile solo in condizioni di esercizio normali
Un sistema elettrico è in esercizio normale quando è in grado di
soddisfare l’alimentazione del carico, eliminare i guasti e
riprendere il servizio con mezzi e procedimenti ordinari
Sono escluse le condizioni al di fuori del controllo del fornitore:
• condizioni climatiche eccezionali ed altri disastri naturali;
• interferenze da parte di terzi;
• deficit di potenza dovuti ad eventi esterni;
• atti delle autorità pubbliche.
• ecc..
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EN 50160 - Definizioni
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EN 50160 - Definizioni
3.14 Frequenza nominale
Valore nominale della frequenza della tensione di
alimentazione
3.16 Tensione nominale
Un Tensione con la quale una rete di alimentazione è
caratterizzata o identificata e alla quale si riferiscono alcune
caratt. di funzionamento (Il DL N°1 del 24/01/2012 fissa in
Italia la Tensione nominale BT a 230/400V)
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EN 50160 - Definizioni
3.23 Buco di Tensione
Riduzione temporanea della tensione efficace in un punto nel sistema di
alimentazione elettrica al di sotto di una soglia di inizio specificata
• NOTA 1 Applicazione: la soglia di inizio del buco è uguale al 90 % della
tensione di riferimento.
• NOTA 2 Tipicamente, un buco è associato alla presenza e alla fine di
un cortocircuito o di un altro aumento eccessivo di corrente nel sistema
o negli impianti ad esso connessi.
• NOTA 3 Un buco di tensione è un disturbo elettromagnetico a due
dimensioni, il cui livello è determinato sia dalla tensione che dal tempo
(durata).
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EN 50160 - Definizioni
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EN 50160 - Definizioni
3.24 Durata del Buco di Tensione
Tempo tra l’istante in cui la tensione efficace in un punto particolare di un
sistema di alimentazione elettrica cade al di sotto della soglia di inizio e
l’istante in cui risale fino alla soglia di fine evento + isteresi
NOTA la durata di un buco di tensione è compresa tra 10 ms fino a 1 min
compreso.
NOTA Per gli eventi polifase, un buco inizia quando una tensione cade al
di sotto della soglia di inizio del buco e termina quando tutte le tensioni
sono uguali o superiori alla soglia di fine del buco + isteresi
NOTA L’isteresi è generalmente pari al 2%
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EN 50160 - Definizioni
3.19 Interruzione dell'Alimentazione
Condizione nella quale la tensione ai terminali di fornitura è inferiore al 1 %
della tensione di riferimento su tutte le fasi (altrimenti, essa è considerata un
buco di tensione)
NOTA - Classificazione: un’interruzione di alimentazione può essere
classificata come:
a) programmata, quando gli utenti della rete sono stati prec. avvertiti
b) accidentale, causata da guasti transitori o permanenti, principalmente
legati ad eventi esterni, a guasti di apparecchiature o a interferenze di terzi.
Un’interruzione accidentale è classificata come:
1) interruzione lunga (maggiore di 3 minuti);
2) interruzione breve (fino a 3 min compreso).
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EN 50160 - Definizioni
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EN 50160
Buchi di Tensione
Interruzioni brevi
Interruzioni lunghe
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EN 50160 - Definizioni
3.29 Sovratensione temporanea a frequenza di rete
Aumento temporaneo della tensione efficace in un punto del sistema di
alimentazione elettrica al di sopra di una soglia di inizio specificata
NOTA la soglia di inizio della sovraelevazione di tensione è uguale al 110
% della tensione di riferimento
NOTA Una sovraelevazione di tensione è un disturbo elettromagnetico a
due dimensioni, il cui livello è determinato sia dalla tensione che dal tempo
(durata).
NOTA Le sovraelevazioni di tensione possono apparire tra le fasi o tra le
fasi e terra. A seconda dell’assetto del neutro, i guasti verso terra possono
dare luogo anche a sovratensioni tra le fasi sane e il neutro.
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EN 50160 - Definizioni
3.30 Durata della sovraelevazione di tensione
Tempo tra l’istante in cui la tensione efficace in un punto particolare di un
sistema di alimentazione elettrica supera la soglia di inizio e l’istante in cui
essa cade al di sotto della soglia di fine - isteresi
NOTA la durata di un buco di tensione è compresa tra 10 ms fino a 1 min
compreso.
NOTA L’isteresi è generalmente pari al 2%
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EN 50160 - Definizioni
3.3 Flicker
Impressione d’instabilità della percezione visiva indotta da uno stimolo
luminoso la cui luminanza o la cui distribuzione spettrale fluttua nel tempo
3.4 Severità del flicker
intensità di disturbo del flicker valutata mediante le seguenti quantità:
severità di breve durata (Pst) misurata in un intervallo di dieci minuti;
severità di lunga durata (Plt) calcolata a partire da una sequenza di dodici
valori di Pst su un intervallo di due ore, secondo la formula seguente:
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Armoniche: Concetti Generali
1) Fondamentale
2) Terza Armonica
3) Forma d’onda risultante
1) Forma
distorta
d’onda
2) Fondamentale
3) Terza armonica
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Armoniche: Concetti Generali
Qualsiasi onda periodica non sinusoidale può essere
rappresentata tramite una somma di onde sinusoidali ciascuna con
frequenza multipla intera della fondamentale secondo la relazione:

v(t)  V0   Vk sin( k t   k )
k 1
dove:
V0 = Valore medio di v(t)
V1 = Ampiezza della fondamentale di v(t)
Vk = Ampiezza della k-esima armonica di v(t)
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EN 50160 - Definizioni
3.6
Tensione Armonica
Tensione sinusoidale la cui frequenza è un multiplo intero della
frequenza fondamentale della tensione di alimentazione.
Le tensioni armoniche possono essere valutate:
• Individualmente, secondo la loro ampiezza relativa (Uh)
rapportata alla componente fondamentale U1, dove h rappresenta
l’ordine di armonica.
• Globalmente, per esempio col fattore di distorsione armonica
totale (THD) calcolato utilizzando la formula seguente:
40
THD U 
2
(U
)
 h
h2
U1
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EN 50160 - Definizioni
3.33 Squilibrio di Tensione
in un sistema polifase, condizione nella quale i valori efficaci delle tensioni
tra le fasi (componente fondamentale), o gli angoli di fase tra tensioni di
fase consecutive, non sono tutti uguali
Scomposizione in Terna Diretta, Inversa, Omopolare
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EN 50160 - Specifiche
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EN 50160 – Specifiche su freq
4.2.1 Frequenza
La frequenza nominale della tensione fornita deve essere di 50Hz. In
condizioni di normale esercizio il valore medio della frequenza
fondamentale (misurato in un intervallo di 10 secondi):
•
•
per i sistemi con collegamento sincrono ad un sistema interconnesso
deve essere compresa nell’intervallo:
50Hz ± 1% durante il 99,5% di un anno
50Hz +4% / -6% durante il 100% del tempo
per i sistemi senza collegamento sincrono ad un sistema
interconnesso (es. alcune isole) deve essere compresa nell’intervallo:
50Hz ± 2% durante il 95% di una settimana
50Hz ± 15% durante il 100% del tempo
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EN 50160 – Specifiche su tensione
In condizioni normali di esercizio:
• durante ciascun periodo di una settimana, il 95 %
dei valori efficaci della tensione di alimentazione,
mediati nei 10 min, deve essere compreso
nell’intervallo Un ± 10%
• tutti i valori efficaci della tensione di alimentazione,
mediati nei 10 min, devono essere compresi
nell’intervallo Un + 10% / -15%.
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EN 50160 – Spec.su Buchi di Tensione
I buchi di Tensione andrebbero classificati ma non ne
viene fissato il valore limite così come per le
interruzioni di alimentazione (in evoluzione)
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EN 50160 – Specifiche su Flicker
In condizioni normali di esercizio, per ciascun periodo
di una settimana, il livello di severità di lunga durata
del flicker Plt, dovuto alle fluttuazioni di tensione,
dovrebbe essere inferiore o uguale a 1 per il per il 95
% del tempo.
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EN 50160 – Specifiche su Armoniche
In condizioni normali di esercizio, durante ciascun
periodo di una settimana, il 95 % dei valori efficaci di
ogni singola tensione armonica, calcolati su 10 min,
deve essere inferiore o uguale ai valori indicati nella
seguente Tabella.
La distorsione armonica globale (THD) della tensione
di alimentazione (includendo tutte le armoniche fino al
40° ordine) deve essere minore o uguale all’8%.
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EN 50160 – Specifiche su Armoniche
Armoniche Dispari
Non multiple di 3
Multiple di 3
Ordine h Tensione
Ordine h
Tensione
relativa %
relativa %
5
6
3
5
7
5
9
1,5
11
3,5
15
0,5
13
3
21
0,5
17
2
19
1,5
23
1,5
25
1,5
Armoniche Pari
Ordine h
Tensione
relativa %
2
4
6..24
Tab 1: Valori limiti per le ampiezze percentuali delle armoniche.
Tabella 1
2
1
0,5
Analisi della Qualità del Servizio della Rete Elettrica
EN 50160 – Specifiche su Squilibrio Tensione
In condizioni normali di esercizio, durante ciascun
periodo di una settimana, il 95 % dei valori medi
efficaci, calcolati su 10 min, della componente a
sequenza inversa della tensione di alimentazione deve
essere compreso nell’intervallo tra lo 0 % e il 2 % della
componente a sequenza diretta.
NOTA Calcoli effettuati sulle fondamentali
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Compensazione Potenza
Reattiva e Armoniche
• Passiva (Basso Costo)
– Condensatori (Solo Potenza Reattiva)
– Filtri accordati (Potenza Reattiva e Armoniche)
• Attiva (Costo Elevato)
– Filtri Attivi (Potenza Reattiva e Armoniche)
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Compensazione Potenza Reattiva
Circuito Equivalente Monofase
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Compensazione Potenza
Reattiva Monofase
P  tg(  )
C Rif Tot 
2
2fU

P  tg(  )  tg(  )
C Rif Parz 
2
2fU
Formule per il Calcolo della Capacità Monofase di rifasamento
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Compensazione Potenza
Reattiva Trifase
C Rif Tot
P  tg(  )

2
6fU C
C Rif Parz
P  tg(  )  tg(  )

2
6fU C

Formule per il Calcolo della Capacità Trifase di rifasamento a Triangolo
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Compensazione Potenza Reattiva
Effetto indesiderato: introduzione di
frequenza di risonanza calcolabile come:
f ris
S cc
 50 
Q
dove:
Scc= potenza di corto circuito della rete nel punto di inserzione condens.
Q=Potenza reattiva della batteria di condensatori
una
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Compensazione Potenza Reattiva
Effetto indesiderato della Amplificazione delle Componenti
Armoniche nella rete elettrica con Condensatore di rifasamento.
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Armoniche: Concetti Generali
Concetti Generali: Tipi di Inquinamento Armonico:
1).
2).
Distorsione della Tensione di Alimentazione
Distorsione della Corrente assorbita dal carico.
Queste due cause in genere interagiscono fra loro nel senso che:
La presenza di 1) comporta la nascita di 2)
e
La presenza di 2) comporta la nascita di 1)
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Armoniche: Concetti Generali
Fattori che determinano la presenza di Armoniche:
• Distorsione della Tensione di Alimentazione (caso più raro
ma di difficile soluzione se presente):
– Trasformatore sottodimensionato
– Presenza di grosse utenze costituite da carichi distorcenti
(Saldatrici, forni ad arco elettrico, controlli di velocità per motori)
allacciate allo stesso trasformatore che alimenta il sistema
elettrico in esame.
• Distorsione della Corrente assorbita dal carico (caso più
comune e risolvibile con opportuni accorgimenti):
– Carichi non Lineari come TV, Personal computer, Regolatori di
Velocità per motori, trasformatori o motori sovraccaricati, ecc.)
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Compensazione Potenza
Reattiva e Armoniche
Compensazione della Distorsione nella corrente
assorbita dal carico: Tipi di Filtri
Descrizione
tipo shunt serie LC
Vantaggi
Svantaggi
Basso costo
Attenuazione dipendente
Semplicità di calcolo
parametri della rete
L in serie e C tipo shunt
Basso costo
Aumento delle cadute
Semplicità di calcolo
tensione in linea
L in serie e serie LC tipo Basso medio
Aumento delle cadute
shunt
Semplicità di calcolo
tensione in linea
Filtri a risonanza serie+ C Attenuazioni elevate senza Costo significativo per
shunt
rilevanti incrementi della presenza di trasformatori
caduta di tensione
Ecc..
dai
di
di
la
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Compensazione Potenza
Reattiva e Armoniche
Circuito Equivalente Monofase con filtri shunt di 3a, 5a, 7a armonica
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Compensazione Potenza
Reattiva e Armoniche
Amplificazione / Attenuazione delle Componenti Armoniche nella
rete elettrica con filtri di 3a, 5a e 7a armonica.
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Compensazione Potenza
Reattiva e Armoniche
Effetti introdotti dalla presenza di filtri:
• Attenuazione delle componenti armoniche collocate nella banda
“oscura” del filtro.
• Esaltazione delle componenti armoniche collocate nella banda
passante del filtro
• Potenza Reattiva Capacitiva alla frequenza di rete
Criteri di progetto del filtro:
• Compensazione della potenza reattiva
• Eliminazione delle componenti armoniche che eccedono i limiti
della Tab. I evitando di esaltare componenti armoniche
secondarie.
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Dimensionamento di massima dei Filtri
1. Analisi della Rete con strumenti opportuni che siano in grado di determinare il
Fattore di Potenza e lo spettro delle armoniche dominanti nella corrente
assorbita dal carico.
2. Determinazione del cos() che si intende raggiungere (es. 0,9)
3. Determinazione della Potenza Reattiva Totale Q=P*tg()
4. Ripartizione della potenza reattiva totale Q in tanti termini Qh quanti sono i
filtri necessari alla compensazione armonica (tipicamente si rifasa
maggiormente con i filtri si ordine armonico basso)
5. Per ogni filtro vale:
Q
Ch 
6. Per ogni filtro vale:
h
6fVc
2
1
Lh 
( 2fhK f )2 C
Kf =0,85 - 0,95
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Sensibilità dei carichi rispetto alla qualità dell'energia
Rispetto alla continuità ed alla qualità dell’alimentazione i carichi
possono essere suddivisi in:
– carichi sensibili
– carichi non sensibili
I carichi sensibili possono “soffrire”:
– Interruzioni dell’alimentazione
– Buchi di tensione
– Variazioni di tensione
– Sovratensioni
– Armoniche
– Dissimmetria della tensione di alimentazione
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Sensibilità dei carichi rispetto alla qualità dell'energia
Rif Fenomeno
Tipologia di Carico/Utilizzatore
Problemi connessi
1) Buco di tensione
V ≤ 30% Vn
t ≤ 60÷100ms
Apparati di controllo processo, elaboratori
Arresti, anomalie di processo
Azionamenti a velocità variabile
Interventi delle protezioni
2) Buco di tensione
V ≥ 30% Vn
t ≤ 60÷100ms
Dispositivi elettromeccanici (relè, contattori…) Arresto delle utenze
3) Sovratensioni
non impulsive
Motori e macchine elettriche
Bobine di contattori
Lampade a incandescenza
Riduzione di vita degli
isolamenti
4) Variazioni lente
della tensione
V = ± 10% Vn
Impianti di illuminazione
Flicker
Le stesse di 1) e 2)
Gli stessi di 1) e 2)
5) Sovratensioni
impulsive
Comp. elettronici di controllo e di potenza
Motori, cavi, macchine elettriche
Perforazione isolamenti
Danni ai circuiti elettronici
6) Transitori di
commutazione
(switching)
Linee trasmissione dati, segnali a basso livello Malfunzionamento sistemi di
di potenza
controllo ed elaborazione dati
Le stesse di 1)
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Sensibilità dei carichi rispetto alla qualità dell'energia
Rif Fenomeno
7) Armoniche
Apparecchiature
Condensatori
Relè di protezione
Segnali di bassa potenza
Motori e macchine rotanti
Trasformatori, cavi
8) Dissimmetrie
Motori e macchine rotanti
Conseguenza
Surriscaldamento, risonanza
Interventi intempestivi
Malfunzionamento sistemi di
controllo ed elaborazione dati
Surriscaldamento, riduzione
della vita utile
Surriscaldamenti
e squilibri
della tensione
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Disturbi introdotti dai carichi alla Rete
Rispetto ai disturbi immessi in rete i carichi possono essere suddivisi in:
Non disturbanti
Distorcenti (carichi non lineari: azionamenti, lampade non a filamento,
convertitori statici,, elettrodomestici, computer, forni ad arco, saldatrici,
trasformatori, motori, etc)
Fluttuanti (saldatrici, motori di taglia elevata avviati direttamente in
modo ripetuto nel tempo, inserzione di trasformatori)
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Disturbi introdotti dai carichi alla Rete
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Disturbi introdotti dai carichi alla Rete
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Grazie per l’attenzione