IMPACT DE LA POLLUTION HARMONIQUE SUR LES CABLES BASSE TENSION

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Les charges domestiques

Les charges domestiques ont des puissances unitaires bien inférieures à celles des charges industrielles. Mais comme elles sont nombreuses et peuvent fonctionner en même temps (le pic observé lors du journal de 20h en est un parfait exemple) pendant une longue durée, elles peuvent fortement perturber les formes d’ondes du courant et de la tension. Les appareils qui contribuent le plus à la distorsion des grandeurs électriques sont les récepteurs de télévision, les ordinateurs, les appareils commandés par des triacs (gradateur de lumière, équipements électroménagers) et les lampes fluorescentes.
Les appareils électroniques grand public et les lampes à ballast sont en général alimentés par des ponts redresseurs à diode avec une forte capacité pour filtrer la tension redressée. Tous les appareils équipés par ces convertisseurs absorbent des courants sous forme d’impulsions de courant (Figure 1-4) qui ont un contenu harmonique riche mais ne sont pas forcément en phase (pont redresseur avec capacité et lampes basse consommation ne fournissent pas des courants en phase). La Figure 1-5 montre la tension et le courant absorbés par une lampe basse consommation.

Les effets recensés sur les différents matériels

Les premiers problèmes causés par la présence d’harmoniques sur un réseau sont, d’une part l’augmentation de la valeur efficace du courant global consommé et, d’autre part, la dégradation du facteur de puissance. De plus, les harmoniques ont des effets néfastes sur les matériels. On peut classer les effets néfastes des harmoniques en deux grandes parties :

 les effets dits à court terme qui sont visibles tout de suite.

 les effets dits à long terme qui eux mettront plus de temps à apparaître et sont plus délicats à quantifier.

Effets à court terme

Le principal effet à court terme des harmoniques sur un réseau est la perturbation du bon fonctionnement des matériels électroniques reliés à ce réseau. La présence d’harmoniques peut faire apparaître des couples pulsatoires qui vont perturber le fonctionnement des appareils et générer des vibrations, ce qui va causer du bruit supplémentaire. La modification de la valeur instantanée du courant due aux harmoniques peut également engendrer des déclenchements intempestifs des relais et dispositifs de protection.

Effets à long terme

Les effets dit à long terme se traduisent par une diminution de la durée de vie des matériels qui sera amenée par :

 Une fatigue mécanique supplémentaire due aux couples pulsatoires et aux 24 vibrations résultant de champs tournants créés par les harmoniques.

 Un échauffement supplémentaire généré par la circulation d‟harmoniques dans les matériels.

Relais de commande statique

Les relais de commande, que l‟on peut trouver dans des applications telles que les imprimantes et les photocopieurs, peuvent présenter un dysfonctionnement en présence d‟harmoniques. Il a été relevé de nombreux problèmes au niveau des photocopieurs dans des bâtiments pollués par des charges non linéaires, les imprimantes indiquant un problème de température qui pourrait être dû à de mauvaises commutations des relais statiques. Ces relais ont une commutation aux zéro de tension, sensible aux harmoniques, et présentant des défauts de commutation à l‟ouverture et à la fermeture. Le pourcentage de mauvais fonctionnement augmente avec l‟augmentation du taux de distorsion harmonique en tension. Cependant, il semble difficile de pouvoir généraliser l‟impact des harmoniques sur ce type de matériels car chaque relais réagit différemment aux harmoniques [1].

Banc de capacités

Les problèmes rencontrés sur les bancs de capacités sont principalement dus aux résonances créées par la connexion de ces bancs sur le réseau électrique. Les décharges partielles dans les isolants sont une des causes de la dégradation de l’isolation. La présence d’harmoniques et le phénomène de résonance vont augmenter la valeur du courant qui circule dans les capacités, entraînant alors une augmentation de la température. Le stress thermique qui en résulte va diminuer l’immunité de l’isolant. Si ce stress thermique est fort, l’isolant présent dans les bancs de capacités peut subir des décharges partielles qui vont éroder et dégrader l’isolant, pouvant mener à une destruction de la capacité. Une bonne étude lors de l’installation de bancs de capacités et lors de la modification de l’installation électrique évitera sans doute de créer des résonances qui détérioreront les capacités [2-5].

La quantification plus précise de l‟impact des harmoniques sur les bancs de capacités passe par l‟analyse du vieillissement des isolants électriques présents dans celles-ci.

Isolants électriques

La qualité de la tension impacte directement la durée de vie des isolants présents dans les câbles et les condensateurs [6-8]. Les isolants utilisés dans ces éléments sont principalement du polyéthylène (normal ou réticulé chimiquement) pour les câbles de transport d’énergie HTB et du polypropylène dans les condensateurs. Les câbles BT-HTA, sont quant à eux, réalisés avec du polyéthylène réticulé.

Afin de déterminer l’influence de la distorsion de la tension sur la durée de vie des isolants, on utilise les facteurs définis dans l‟équation (1-1) : VpVHV2 K p K rms V1 ,n K sh 2  h  (1-1)

Vp la valeur crête de la tension distordue.

V1p,n la valeur crête de la tension fondamentale nominale.

V la valeur efficace de la tension distordue.

V1,n la valeur efficace de la tension fondamentale nominale.

Vh la valeur efficace de la tension harmonique de rang h.

h le rang maximum des harmoniques de tension considérés.

Le coefficient Kp traduit l’effet des harmoniques sur la valeur crête de la tension, Krms traduit l’effet sur la valeur efficace et Ks semble quant à lui traduire l’effet capacitif. La durée de vie d’un isolant est définie par l‟équation (1-2) : lnt f lnt f0 a lnKs b lnK p c lnKrms (1-2)

Avec

. tf la durée de vie.

. tf0 la durée de vie nominale.

. a, b et c des coefficients propres au type d’isolant considéré.

Les études basées sur les équations (1-1) et (1-2) montrent que la durée de vie peut être fortement réduite lorsque la tension d‟alimentation est fortement perturbée [6-8]. Le coefficient Kp est le coefficient qui va avoir le plus fort impact sur la durée de vie des isolants. Cependant les valeurs utilisées dans ces études ne semblent pas être représentatives des valeurs que l‟on peut trouver sur le réseau de distribution électrique.

Protections électriques

Relais de protection

Les relais de protection présents sur le réseau électrique vont être affectés dans leur bon fonctionnement par la distorsion de la forme d‟onde créée par la présence d‟harmoniques. Les relais de protection de mise à la terre, incapables de faire la différence entre les courants homopolaires et les harmoniques multiples de 3 (qui sont en fait homopolaires) peuvent déclencher en présence d‟harmoniques [9].

Les relais de surintensité vont quant à eux voir leur performance dégradées par la présence d‟harmoniques de courant. Chaque type de relais va avoir une réponse différente vis à vis des harmoniques, ce qui rend difficile une généralisation de l‟impact des harmoniques sur ce type de matériels. On peut cependant remarquer que les harmoniques vont agir sur la valeur du seuil de déclenchement du relais ainsi que sur le temps de fonctionnement. Les relais de protection basés sur des technologies numériques ne seront influencés que par l‟augmentation du courant efficace et non par les différentes fréquences contenues dans le spectre harmonique du courant [9-11].

Les protections différentielles

D’une façon générale, en fonctionnement normal, les protections différentielles sont peu perturbées par les harmoniques de courant qui sont des perturbations de mode différentiel (la somme instantanée des courants de phases et du neutre étant nulle).

La présence d‟harmoniques de tension aux bornes des capacités de filtrage va générer des courants de fuite supplémentaires qui vont venir se superposer aux courants de fuite 50Hz et aux phénomènes HF. Ils peuvent alors provoquer des déclenchements intempestifs soit sur ouverture ou fermeture d‟un contacteur, soit sur mise sous tension d’éclairage [12].

Disjoncteurs magnétothermiques

Les protections magnétothermiques protègent les installations et les matériels contre les surcharges et les surintensités. La partie thermique est composée d‟une lame bimétallique (bilame) qui va se déformer en cas de surcharge. La partie magnétique intervient contre les surintensités et les courts-circuits. En service normal, l‟induction magnétique produite par la circulation de courant n‟est pas suffisante pour attirer l’armature mobile ; le circuit est fermé. Si un défaut apparaît dans le circuit en aval du disjoncteur de canalisation, le courant de court-circuit provoque une violente aimantation de l’armature mobile. Cela a comme conséquence d’ouvrir le circuit aval du disjoncteur en 0,1sec au maximum.

Pour un courant efficace constant, la présence d‟harmoniques n‟aura pas d‟influence sur la partie thermique car elle est sensible au courant efficace et non à la fréquence. Par contre, la partie magnétique peut déclencher en présence d‟harmoniques alors que la valeur du courant ne l‟impose pas [13].

On trouve aujourd’hui de plus en plus de relais de protection numériques qui eux ne sont pas influencés par les harmoniques, et ce, même avec des forts taux d’harmoniques [14].

Fusibles

Les fusibles peuvent être constitués de trois façons différentes :

 soit de façon verticale

 soit de façon horizontale

 soit en U

L’effet de peau crée une augmentation de la résistance totale et de la puissance dissipée en présence d’harmoniques de courant. Pour les hautes fréquences, il y a donc une nécessité de déclasser et de réduire le courant admissible afin de se prémunir de températures excessives [15].

Il existe deux méthodes de déclassement des fusibles pour des courants sinusoïdaux, la première basée sur la puissance dissipée (Fp) et la deuxième basée sur le courant maximum admissible (Fc), décrites par les équations (1-3) et (1-4) respectivement : FI hRn(1-3)

Avec

I nle courant assigné du fusible à 50Hz (ou 60Hz).

I hle courant assigné pour des fréquences plus élevées.

Rnla résistance à 50 Hz (ou 60Hz).

Rhla résistance pour des fréquences plus élevées.

FcIhWn(1-4) InWh

Avec

Wnle coefficient d’augmentation à 50Hz (égal à 1).

Whle coefficient d’augmentation pour des fréquences plus élevées.

Ces coefficients montrent que les fusibles sont sensibles à la fréquence quand celle-ci atteint des valeurs supérieures à 1kHz. Comme les profils harmoniques des courants présents sur le réseau sont composés principalement de composantes basse fréquence (inférieures au kHz), il n‟est donc pas nécessaire de déclasser les fusibles qui ne se trouvent pas directement en amont de charges rejetant des harmoniques haute fréquence. Par contre, les harmoniques haute fréquence que l‟on va retrouver en aval d‟appareils tels que des variateurs, provoqueront un déclassement des fusibles.

Compteurs électriques

La présence d’harmoniques sur le réseau peut perturber la mesure de puissance et introduire des erreurs sur celle-ci. Les compteurs d‟énergie électromécanique sont composés d‟un circuit magnétique, d‟un disque et de bobines (Figure 1-6). La tension et le courant qui vont circuler dans l’appareil vont créer un flux dans le circuit magnétique, ce qui va créer un flux dans l’entrefer du circuit. Ce flux va générer des courants de Foucault dans le disque, et ces courants vont alors créer des forces de Laplace sur ce disque. Ces forces génèrent un couple qui va faire tourner le disque à une certaine vitesse, donnant ainsi l’indication de consommation de puissance.

Augmentation de la température de fonctionnement

La circulation d’harmoniques dans un transformateur va augmenter les pertes dans celui-ci, comme nous l’avons vu précédemment. Cette augmentation de pertes va avoir comme effet d’augmenter la température de fonctionnement dans ce même transformateur. Dans [28], l’auteur a simulé l’évolution de la température d’un transformateur 31,5MVA 115kV/6,3kV de type ONAF (Circulation naturelle d’huile/Circulation forcée d’air). La modélisation thermique du transformateur et le calcul des pertes ont été réalisés grâce aux équations définies dans [26]. La simulation a été faite sur une période de 24h avec la prise en compte de la variation de la température ambiante et du taux de charge du transformateur au cours de la journée. Trois simulations ont été réalisées : une sans harmoniques, une avec un THD de 10% et une dernière avec un THD de 22%.
On peut voir sur la Figure 1-8 l‟évolution de la température de l’huile et de la température du point chaud du transformateur. Dans cette étude, le taux de charge du transformateur varie au cours de la journée (autour de 60% la nuit, et proche de 100% en milieu d‟après midi). Cela explique d‟une part que l‟augmentation de température engendrée par les harmoniques ne soit pas uniforme au cours de la journée et d‟autre part que la température du point chaud dépasse les 120°C, définie comme étant la température maximale en régime de surcharge du point chaud par le guide de charge CEI 60076-7.

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela clepfe.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 IMPACT DE LA POLLUTION HARMONIQUE SUR LES MATERIELS DE RESEAU : ETAT DE L’ART
1.1. DEFINITIONS DES HARMONIQUES
1.1.1. Les sources d’harmoniques
1.1.1.1. Les appareils de production, de transport et de distribution
1.1.1.2. Les charges industrielles
1.1.1.3. Les charges domestiques
1.1.2. Caractérisation et définitions
1.1.3. Harmoniques et composantes symétriques
1.1.3.1. Cas de signaux équilibrés
1.1.3.2. Cas de signaux déséquilibrés
1.2. ANALYSE HARMONIQUE DE CHARGES USUELLES
1.2.1. Variateur de vitesse pour machine asynchrone
1.2.2. Ordinateur
1.2.3. Lampe basse consommation
1.3. LES EFFETS RECENSES SUR LES DIFFERENTS MATERIELS
1.3.1. Relais de commande statique
1.3.2. Banc de capacités
1.3.3. Isolants électriques
1.3.4. Protections électriques
1.3.4.1. Relais de protection
1.3.4.2. Les protections différentielles
1.3.4.3. Disjoncteurs magnétothermiques
1.3.4.4. Fusibles
1.3.5. Compteurs électriques
1.3.6. Câbles
1.3.6.1. Augmentation des pertes Joule
1.3.6.2. Augmentation de la température
1.3.6.3. Influence sur la durée de vie
1.3.6.4. Cas particulier du conducteur de neutre
1.3.6.5. Conclusion
1.3.7. Transformateurs
1.3.7.1. Influence sur les pertes du transformateur
1.3.7.2. Augmentation de la température de fonctionnement
1.3.7.3. Réduction de la durée de vie
1.3.7.4. Conclusion
1.3.8. Moteurs à induction
1.3.8.1. Perturbations mécaniques
1.3.8.2. Influence sur les pertes
1.3.8.3. Augmentation de la température de fonctionnement
1.3.8.4. Réduction de la durée de vie
1.3.8.5. Conclusion
1.4. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
CHAPITRE 2 IMPACT DE LA POLLUTION HARMONIQUE SUR LES CABLES BASSE TENSION
2.1. DESCRIPTION DU MODELE
2.1.1. Equations électromagnétiques
2.1.2. Equation thermique
2.2. ANALYSE PAR ELEMENTS FINIS ET RESULTATS
2.2.1. Description du câble basse tension
2.2.2. Méthode de simulation
2.2.3. Résultats de simulation
2.2.3.1. Résultats des calculs électromagnétiques
2.2.3.2. Résultats des calculs thermiques
2.2.3.3. Conclusion
2.3. MESURES THERMIQUES SUR DES CABLES PARCOURUS PAR DES COURANTS HARMONIQUES
2.3.1. Description de la mesure
2.3.2. Résultats de mesures
2.3.2.1. Présentation des cas étudiés
2.3.2.2. Formes d‟onde du courant
2.3.2.3. Températures mesurées
2.3.3. Comparaison avec le modèle éléments finis
2.3.3.1. Modélisation des câbles basse tension
2.3.3.2. Comparaisons entre les résultats de mesures et de simulations
2.3.4. Capacité de transport
2.4. CONCLUSIONS
CHAPITRE 3 IMPACT DE LA POLLUTION HARMONIQUE SUR LES TRANSFORMATEURS
3.1. CALCUL DES PERTES EN PRESENCE D‟HARMONIQUES
3.1.1. Approche normative
3.1.2. Etat de l’art sur les pertes par courants de Foucault dans les conducteurs
3.1.2.1. Cas d‟une plaque placée dans un champ magnétique
3.1.2.2. Cas d‟une plaque parcourue par un courant
3.1.2.3. Cas général
3.2. APPLICATION DE LA MODELISATION DES PERTES PAR COURANTS DE FOUCAULT AUX ENROULEMENTS D‟UN TRANSFORMATEUR
3.2.1. Considération théorique
3.2.2. Application au transformateur
3.2.2.1. Expression des pertes et de la résistance des enroulements
3.2.2.2. Application numérique
3.2.2.3. Discussion sur le coefficient FHL
3.2.2.4. Mesures sur un transformateur 40kVA
3.3. IMPACT DES HARMONIQUES SUR LA TEMPERATURE DE FONCTIONNEMENT DES TRANSFORMATEURS
3.3.1. Modélisation thermique des transformateurs
3.3.1.1. Modèle thermique défini par le guide de charge IEEE C57.91-1995
3.3.1.2. Modèle thermique définit par le guide de charge CEI 60076-7
3.3.1.3. Modélisation par un circuit équivalent
3.3.2. Applications numériques sur deux transformateurs 100kVA
3.3.2.1. Simulations à courant efficace constant
3.3.2.2. Simulations à courant fondamental constant
3.3.2.3. Conclusions
3.3.3. Mesures thermiques sur un transformateur de distribution 160 kVA
3.3.3.1. Description du transformateur et de la plate-forme d‟essais
3.3.3.2. Modélisation du transformateur considéré
3.3.3.3. Comportement du transformateur en présence d‟harmoniques
3.4. IMPACT DES HARMONIQUES SUR LA DUREE DE VIE
3.5. CONCLUSIONS
CHAPITRE 4 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES