Harmoniques Comprendre Les Niveaux de Compatibilite

8/10/2019 Harmoniques Comprendre Les Niveaux de Compatibilite

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Guide Power QualitySection 3: Harmoniqueswww.leonardo-energy.org/France

Edition Aot 2007

(3.4.1) Comprendre les niveaux de compatibilit

Rafael Asensi, Universit de Polytechnique de Madrid

Mars 2005

1 Introduction........................................................................................................ 3

2 Les problmes de compatibilit lectromagntique............................... 4

3 Niveau dmissivit (EL)................................................................................. 4

3.1 Aspects statistiques du niveau dmissivit................................................. 5

4 Niveau dimmunit (IL)....................................................................................6

5 Niveau de compatibilit (CL)......................................................................... 6

6 Limite dmissivit (E).....................................................................................7

7 Limite dimmunit (I)........................................................................................8

8 Niveaux de planification (PL)........................................................................ 9

9 Les relations entre ces paramtres.............................................................9

10 Conclusions.................................................................................................. 10

11 Rfrences et bibliographies................................................................... 11


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European Copper Institute & Centre dInformation du Cuivre & Copper benelux.

Se rfrer aux conditions dutilisation et de reproduction publies sur le site Leonardo ENERGY

www.leonardo-energy.org /France 2

European Copper Institute

LEuropean Copper Institute est une joint venture Europenne entre les principauxproducteurs de cuivre mondiaux et les fabricants Europens de demi-produits. Cr en

1996, lECI assure la promotion du cuivre en Europe avec un rseau de 11 centres dedveloppement bass en Allemagne, au Benelux, en Espagne, en France, en Grce, enHongrie, en Italie, en Pologne, au Royaume Uni, en Scandinavie et en Russie. LECIpoursuit les efforts initialement engags par le Copper Products DevelopmentAssociation, cr en 1959, et de lINCRA (International Copper Research Association)cr en 1961.

Centre dInformation du Cuivre, Laiton & Alliages et Copper benelux

Ce sont les organisations professionnelles des producteurs et des transformateurs decuivre charges de promouvoir les applications du cuivre et de ses alliages sur lesmarchs franais et du Benelux. Financs par les producteurs de cuivre du monde entieret par les socits fabricants de demi-produits, le Centre dInformation du Cuivre etCopper benelux mettent en oeuvre des programmes de dveloppement sur leursmarchs respectifs en coordination avec les structures professionnelles internationalesde leurs mandants : International Copper Association au niveau mondial, EuropeanCopper Institute au niveau Europen. Ils ont pour vocation de produire et de diffuserlinformation technique relative au cuivre et ses alliages, de faire connatre lesmeilleures mthodes de mise en oeuvre des produits dans chacun de leur domainedemploi et den promouvoir lutilisation dans les grands secteurs dapplication. LeCentre dInformation du Cuivre et Copper benelux sont les coordinateurs respectivementpour la France et le Benelux du programme europen Leonardo relatif la formation enmatire de Power Quality.

Remerciements

Ce projet a t mis en uvre avec le soutien de la Communaut Europenne etlInternational Copper Association Ltd.

Avertissement

Le contenu de ce projet ne reflte pas ncessairement la position de la CommunautEuropenne. De mme, il nimplique aucune responsabilit de la part de la CommunautEuropenne. LEuropean Copper Institute, le Centre dinformation du Cuivre et Copperbenelux dclinent toutes responsabilits pour toutes consquences directes ouindirectes ou les dommages qui pourraient rsulter de lutilisation du contenu ou delincapacit utiliser les informations et les donnes de ce guide.


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1 I n t r o d u c t i o n

En thorie, les tensions et courants des distributions lectriques triphases devraienttre des sinusodes, parfaitement quilibres (valeurs des courants et des tensionsgales dans chacune phase), ayant des facteurs de puissance unitaires, avec undcalage de 120 degrs entre chaque phase.

En pratique, la nature mme des charges utilises engendre des distorsions des formesdonde de courants et de tensions et des dsquilibres entre phases. Au cours des deuxdernires dcennies, la situation sest dgrade et on mesure sur les distributionslectriques actuelles des formes dondes de courants et de tensions dformes qui nepeuvent tre considres, mme en rgime permanent, comme des rgimessinusodaux quilibrs.

Les diffrentes causes de cette situation sont :

les courants harmoniques introduits par les charges non linaires telles queles redresseurs mono et triphass, les fours arc, les compensateursstatiques, etc.

les courants inter harmoniques produits par les fours courants continus ou

alternatifs, les variateurs de vitesse de moteurs asynchrones, etc.

les dsquilibres dus des charges monophases alimentes par dessystmes triphass.

le scintillement produit par des charges fluctuantes.

des variations de tension (creux, interruptions) dues des dfauts sur lesdistributions ou la foudre, etc.

Dans une situation de march drglement, o de nombreuses compagnies sont enconcurrence sur le mme rseau, la qualit de lnergie devient une proccupationprincipale car la responsabilit dune distribution dnergie de bonne qualit est partageentre le producteur et lutilisateur.

Dans le but de conserver une bonne qualit dnergie sur le rseau, il est essentieldavoir un ensemble de normes qui spcifient clairement les limites qui doivent treimposes aux charges et au rseau.

Lobjectif est de fournir un environnement dans lequel la CompatibilitElectroMagntique (CEM) est obtenue, telle que dfinie dans la norme IEC [2] :

"Capacit dun quipement ou dun systme fonctionner de faon satisfaisante dansun environnement lectromagntique sans engendrer de perturbationslectromagntiques aucun des autres quipements de cet environnement."


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2 L e s p r o b l m e s d e c o m p a t i b i l i t l e c t r o m a g n t i q u e

Il y a deux facettes au problme de la compatibilit lectromagntique.

Les quipements des consommateurs connects au rseau dalimentation dnergiepeuvent causer des perturbations sur le rseau dalimentation et affecter dautresquipements connects ce mme rseau.

Afin dassurer la compatibilit, il est ncessaire de contrler le niveau maximum deperturbation pouvant tre prsent nimporte quel point du rseau et de dfinir unniveau dimmunit minimum pour chacun des quipements connects au rseau.

Un rseau peut tre trs tendu et trs peu homogne. Par exemple, limpdance auniveau du point de couplage au rseau dpend de la structure et de la solidit durseau local, et la densit des quipements peut varier normment. Chaquequipement cre une perturbation qui sajoute avec les perturbations des autres

quipements. Les quipements standards sont fabriqus de faon telle que :

le niveau dmissivit de chaque classe dquipement est tel que le fait de

connecter lquipement au rseau nengendre pas une augmentation tropimportante du niveau de perturbation global du rseau,

lquipement ne soit pas trop sensible au niveau de perturbation que lonpeut attendre sur le rseau.

Plusieurs paramtres doivent tre spcifis et contrls :

le niveau dmissivit (EL)

le niveau dimmunit (IL)

le niveau de compatibilit (CL)

la limite dmissivit (E)

la limite dimmunit (I)

et, pour les rseaux moyenne et haute tension,

le niveau de planification (PL)

Ces niveaux et limites sont dcrits dans les chapitres suivants.

3 N i v e a u d m i s s i v i t ( E L )

Le niveau dmissivit est le niveau de perturbation gnr par une charge donne enun point donn du rseau dalimentation. Sa valeur dpend de deux facteurs :

les caractristiques de lquipement, en tenant compte des dispersions dues

aux productions dquipement en srie ;


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les caractristiques du rseau dalimentation au point de connexion.

Bien que les quipements soient conus et fabriqus en respect des normes (y comprisen ce qui concerne le niveau maximum dmissivit admis), les niveaux de perturbationsmis par les lments dune production en srie sont invitablement lgrement

diffrents. Les quipements sont soumis un test type afin de vrifier quils obissentbien aux normes, mais les variations inhrentes la fabrication de leurs composants et leur assemblage engendrera de lgres variations des niveaux dmissivit dunlment lautre. Cela implique que le niveau de perturbation produit par diffrentslments dune mme chane de production en un point donn du rseau dalimentationsera diffrent.

De nombreuses perturbations apparaissent suite des variations ou des distorsions descourants appels par les charges qui, au travers de limpdance du rseaudalimentation (parfois exprime en puissance de court-circuit), conduisent desperturbations de tension.

3.1 Aspects stat ist iques du niveau dmissivit

Un trs grand nombre de charges sont connectes au rseau, chacune ayant sonpropre niveau dmissivit. Les impdances du rseau (ou puissances de court-circuit)tant diffrentes en chaque point du rseau, il en rsulte que la densit spatiale et lesconditions dutilisation des charges connectes au rseau sont diffrentes en chaquepoint du rseau.

En dautres termes, les valeurs mesures dmissivit sont distribues selon une loistatistique dcrite par la figure 1.

Le graphique reprsente la probabilit (p) dobtenir une valeur donne dmissivitcorrespondant une perturbation particulire. Les valeurs les plus leves du niveaudmissivit traduisent une plus grande probabilit doccurrence.

Figure 1 Distr ibution des niveaux dmissivit

Densitd

eprobabilit

Niveau de perturbation


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La perturbation globale est la rsultante de lensemble des contributions de tous lesquipements. Certaines perturbations sont principalement lies aux alas delenvironnement en ce sens quelles ne peuvent pas tre lies, ni par leurs phases ni parleurs amplitudes, aux perturbations mises par les autres quipements. Il en rsulte que,pour ce type de perturbations, ajouter un nouvel quipement un systme ne se traduitpas par une simple somme des perturbations. Toutefois, il existe certaines perturbations,

telles que celles lies aux courants harmoniques de rang 3 et les chutes de tension quien dcoulent, qui ont pour effet de se sommer localement.

4 N i v e a u d i m m u n i t ( I L )

Chacun des lments dun quipement est conu et fabriqu dans le respect de normesqui spcifient un niveau minimum dimmunit aux perturbations. Ce niveau dimmunit(IL) est la valeur maximale de perturbation, prsente sur le rseau, qui ne dgrade pasle comportement dun quipement en condition de test. En pratique, le niveaudimmunit dun quipement des perturbations extrieures dpend de plusieursfacteurs. Par exemple, la tolrance des quipements et les dtails de lassemblage

affectent le niveau dimmunit relative aux chantillons tests, de mme que lesconditions dinstallation telles que la longueur des cbles et le schma de liaison laterre.

Il en rsulte que le niveau dimmunit dun quipement donn obit une distributionstatistique, du mme type que la distribution statistique du niveau dmissivit (figure 1).

5 N i v e a u d e c o m p a t i b i l i t ( C L )

Les perturbations mises par chacun des quipements individuellement se combinentpour crer un niveau de perturbation global dans toutes les branches du rseaudalimentation. Le niveau de perturbation sera plus important pour certaines branchesque pour dautres, selon leurs impdances et les charges qui y sont connectes, etvariera au cours des jours, des semaines et des annes.

Le niveau de compatibilit est dfini comme le niveau de perturbation qui ne doit pastre dpass pour 95% des mesures effectues sur lensemble du rseau [2]. Il estimportant de noter que le niveau de compatibilit est une valeur statistique quicaractrise ltat de lensemble du rseau et ne peut dcrire la situation dune brancheen particulier. La figure 2 reprsente des mesures successives de niveau deperturbation pour une perturbation donne dans toutes les branches dun rseau

pendant une semaine.


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Figure 2 Niveaux de compatibi l i t

Le niveau de compatibilit est une grandeur absolue. Par exemple. le tableau 1 (voir [2])

dcrit les niveaux de compatibilit pour certaines harmoniques de tension des rseauxBT, qui sont exprims en pourcentage de la composante fondamentale de tension.Toutefois, les niveaux de perturbation auxquels ils rfrent (au regard de la rgle des95%) sont des valeurs statistiques rsultant des effets dus aux grands nombres devariables.

Harmoniques CL (en %)

5 6

7 5

11 3,5

13 3

Tableau 1 Niveaux de compatibi l i t des harmoniques basse tension

Si dfinir les amplitudes des niveaux de compatibilit est assez simple, il nen est pas demme pour dfinir les normes de conception des quipements et les rgles deconception de rseau qui permettront de les respecter, tche qui repose essentiellementsur lexprience de mise en uvre de rseaux.

La limite dmissivit dont la description est donne dans le chapitre suivant est lune de

ces composantes.

6 L i m i t e d m i s s i v i t ( E )

La limite dmissivit est la valeur maximale du niveau dmissivit autorise pour unquipement donn. Il est important de noter que la limite dmissivit ne sapplique quun quipement seul, alors que le niveau de compatibilit sapplique lensemble durseau. Les limites dmissivit peuvent tre valides par test, et les lments dont laconception nobit pas ces limites sont limins. En pratique, le contrle est de laresponsabilit du march, laissant aux fabricants le soin de tester leurs produits, et auxutilisateurs de signaler les quipements dfectueux.

Densitdeprobabilit

Niveau de per turbat ion


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La limite dmissivit est un niveau de perturbation arbitrairement fix une valeurlgrement infrieure au niveau de compatibilit. La raison de ceci tient au fait que lesperturbations mises par toutes les charges dun systme donn se superposent selonun schma complexe pour devenir le niveau global de perturbation. Certainesperturbations telles que les harmoniques de courant de rang 3 sadditionnent

localement, mais sont ensuite attnues lorsquelles passent au travers desenroulements des transformateurs. Dautres types de courants harmoniques onttendance additionner leurs valeurs RMS, mais sont aussi attnus lors de leurpassage dans les transformateurs, et par les effets des inductances et des capacits durseau. Malgr cela, il se peut que, localement, des effets de rsonance engendrent desaugmentations inattendues des niveaux de courants.

Les niveaux dmissivit sont des grandeurs absolues c'est--dire, des limites absoluesde courant pour chaque frquence harmonique, contrairement aux niveaux deperturbation du rseau qui sont des grandeurs statistiques. Le lien entre ces deuxgrandeurs dpend des caractristiques du rseau et dcoule de lexprienceoprationnelle sur les rseaux.

Les diffrentes rgulations et normes ont permis de spcifier les limites dmissivit desquipements susceptibles dengendrer des niveaux de perturbation qui ne dpassentpas les niveaux de compatibilit requis.

Pour exemple, le tableau 2 reprsente les limites dmissivit de courants harmoniquesen rseau basse tension (EN 61000-3-2) [3].

Limite AHarmoniques

Classe A Classe B

5 1,14 1,710

7 0,77 1,155

11 0,33 0,495

13 0,21 0,315

Tableau 2 Limites dmissivit de courants harmoniques BT

(Courants exprims en Ampres)

Les diffrents types dquipements ayant des impacts diffrents sur le systme,plusieurs classes ont t dfinies dans le cadre de la norme EN 61000-3-2. Deuxexemples sont donns ici titre d'illustration ; la classe A inclus tous les quipement detype systme quilibr triphas ou appareils domestiques, et la classe B tous lesquipements de type portatifs (quipement faible taux dutilisation).

7 L i m i t e d i m m u n i t ( I )

La limite dimmunit (I) est le niveau de perturbation quun quipement doit respectersans perte de performance.


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La limite dimmunit est dtermine lors de la conception et valide lors de tests typesafin de limiter les variations entre diffrents lments issus dune mme conception. Dufait de la variation des conditions dinstallation, les variations des performancesdquipements similaires installs dans des environnements diffrents seront beaucoupplus importantes.

Si la compatibilit lectromagntique (CEM) doit tre obtenue, 95% de la distribution desniveaux dimmunit de lensemble de lquipement install doit tre suprieur au niveaude compatibilit (tel que dcrit figure 3).

Figure 3 Distr ibution des niveaux d immunit

Cette solution idale ne peut tre obtenue, selon un ventail raisonnable de choix deniveau de compatibilit, quen mettant en place des normes de limite dimmunit pour lesquipements, et par une utilisation et une installation correcte.

8 N i v e a u x d e p l a n i f i c a t i o n ( P L )

Les niveaux de planification sont utiliss pour les rseaux moyenne et haute tension etreprsentent les objectifs spcifiques aux fournisseurs d'nergie lectrique.

Ils sont utiliss lors de la conception de rseaux pour dcider, par exemple, commentconnecter de nouvelles charges au rseau. Dans de nombreux rgimes de rgulation,les niveaux de planification sont appliqus aux consommateurs commerciaux etindustriels dans le but de limiter les courants harmoniques qui peuvent tre gnrs par

un consommateur vers le rseau. Les niveaux de planification sont plus bas que lesniveaux de compatibilit, en partie d au fait que la plupart des charges du systme sontinconnues (par exemple, les charges domestiques) et ne peuvent tre questimes, maisaussi d au fait que le problme est en partie statistique et que les rgulateurs majorentdu ct de la prudence.

9 L e s r e l a t i o n s e n t r e c e s p a r a m t r e s

La figure 4 reprsente les relations entre ces limites :

Den

sitdeprobabilit


Equipement CL


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Figure 4 Relat ion entre la l imite dmissivit, la l imit d immunit, lesniveaux de compatibi l i t et les niveaux de planif icat ion

Le niveau de compatibilit est fix un niveau de perturbation suprieur celui de 95%des valeurs mesures dans lensemble du systme diffrentes priodes. Il en rsulteque, dans seulement 5% des cas, le niveau ambiant de perturbation dpasse le niveaude compatibilit.

La distribution des niveaux de perturbation est contrle de telle faon que seulement5% des valeurs soient en-dessous du niveau de compatibilit. Le niveau de compatibilitpeut tre vu comme un niveau de perturbation qui nest dpass que pour 5% desmesures effectues sur le rseau et auquel seulement 5% des quipements serontsensibles. Cest seulement lorsquil y a conjugaison dun problme dquipement et dunproblme de rseau quun risque peut apparatre en dautres termes, la compatibilitlectromagntique est respecte dans la majorit des cas.

En ralit, les niveaux de compatibilit ont t tablis de fait lors de la conception desstandards utiliss par les socits de distribution lectrique et par le fait que lesquipementiers ne pouvaient conqurir le march quen respectant un niveaudimmunit suffisant et capable de fonctionner correctement dans un environnementpartag avec dautres quipements.

Ces problmes sont maintenant rsolus de la faon dcrite ci-dessus.

1 0 C o n c l u s i o n s

Les principales limites utilises dans les normes pour rguler les niveaux dmissivit etdimmunit des quipements connects au rseau ont t dcrites et les relations entreelles ont t expliques.

Fixer des limites est une affaire de compromis. Une trs basse limite dmissivit aurapour consquence un trs faible niveau de perturbation permettant de fixer un faibleniveau de compatibilit.

Densitdeprobabilit


Systme DL Equipement CL


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Un niveau plus faible dimmunit pourra tre tolr, mais le cot de fabricationdquipement faible missivit est plus important.

Dautre part, tolrer de plus hauts niveaux dmissivit requerra une augmentation duniveau de compatibilit et une augmentation des niveaux dimmunit, augmentant ainsi

le cot de fabrication.

1 1 R f r e n c e s e t b i b l i o g r a p h i e s

[1] Bollen, Math H J, Understanding Power Quality Problems: Voltage Sags andInterruptions, IEEE Press Marketing, 2000.

[2] IEC 61000-2-12. Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 2-12: Environment -Compatibility levels for low frequency conducted disturbances and signalling inpublic medium voltage power supply systems.

[3] IEC 61000-3-2. Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits forharmonic current emissions (equipment input current 16A per phase).

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