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Mercredi 19 Juillet 2006

Filtrage des harmoniques

  
(Source : ALSTHOM, SIEMENS, ABB et Spécifications techniques SONELGAZ)
 Rappel :
* Une charge est dite linéaire lorsque le courant qui la traverse a la même forme que la tension.
* Une charge est dite non linéaire lorsque le courant qui la traverse n’a pas la même forme que la tension.
Les effets du courant harmonique :
§       Echauffement du transformateur
§       Echauffement du câble du neutre
§       Déclenchement intempestif des protections
§       Fusion des fusibles
      Avec pour autres conséquences
§   La destruction des cartes électroniques
§       Perturbation des systèmes de télécommande
§       Vibrations et bruits anormaux
§       Claquage des condensateurs
Dans ce cadre  notre article portera essentiellement sur le filtrage des harmoniques avec indication des principaux effets sur :
§   Le réseau amont
§   Les transformateurs
§   Les câbles
§   Les condensateurs
 
Répercussion sur le réseau amont :
La pollution se retrouve sur tout le réseau d’alimentation publique, pouvant provoquer chez d’autres abonnés des anomalies de fonctionnement voire des avaries. Les dispositifs de régulation de télécommande, de mesure ou de comptage installés sur le réseau peuvent êtres perturbés par les harmoniques.
Les efforts électrodynamiques dû aux courants harmoniques provoquent parfois des vibrations et des bruits dans l’installation électrique.
 
Cas des transformateurs parcourus par des courants non sinusoïdaux :
Le passage d’un courant non sinusoïdal provoque des pertes supplémentaires pouvant entraîner des échauffements anormaux.
Lorsque le spectre harmonique s’étend à des rangs élevés, il existe également le risque de répartition non linéaire de tension le long des bobinages pouvant aller jusqu'à la résonance.
Cas des câbles
Les pertes des câbles parcourus par des courants harmoniques sont augmentées et provoquent une élévation de température.
 
Cas des condensateurs
Précisons que les condensateurs que l’on trouve en réseau ne génèrent pas d’harmoniques de courant mais y sont très sensibles.
Par contre, lorsqu’un réseau comporte des harmoniques, la présence d’un condensateur amplifie plus ou moins certains de ces harmoniques. Cela est lié à un phénomène de résonance dont la fréquence est fonction de l’impédance du réseau (ou de la puissance du court circuit).
Le rang de la fréquence de résonnasse (fréquence propre) est égal à :
Scc= Puissance de court circuit en KVA
Qc= Puissance de la batterie de condensateurs en kvar.
Cette résonance sera d’autant plus marquée que  est proche d’un des harmoniques de rang h généré.
Il en résulte une augmentation courant traversant le condensateur pouvant entraîner une surcharge qui ne doit dépasser 1,3 In (courant nominal condensateur).
Compte tenu des tolérances, tous les éléments entre condensateurs et jeu de barre d’alimentation doivent tenir 1,43 In (appareillage liaison…).
Plusieurs solutions existent pour limiter les effets des harmoniques sur les condensateurs pouvant entraîner une surcharge qui ne doit pas dépasser 1,3 in (courant nominal condensateur).
Compte tenu des tolérances, tous les éléments entre condensateurs et jeu de barre d’alimentation doivent tenir 1,43 in (appareillage liaison….).
Plusieurs solutions existent pour limiter les effets des harmoniques sur les condensateurs /
§   Surdimensionner en tension les condensateurs
§   Utiliser des selfs anti-harmoniques associés aux condensateurs surdimensionnés.
§   En MT les selfs anti-harmoniques associés en série avec le condensateur constituent un ensemble accordé à 215 Hz.
En BT, le self anti-harmonique associé en série avec le condensateur constitue un ensemble accordé à 190 Hz.
Cela permet à la fois de réduire les tensions harmoniques aux bornes du condensateur et les courants de surcharge traversant les condensateurs.
§   Mettre en œuvre des filtres lorsque l’apport du client au point de livraison atteint ou dépasse les limites recommandées par le distributeur.
Ces filtres sont calculés pour absorber les courants harmoniques mais aussi pour assurer la compensation de l’énergie réactive.
 
Nécessité de Filtrage :
 
Le Filtrage des harmoniques permet d’abaisser de façon acceptable la pollution harmonique. La solution de filtrage est à envisager lorsque :
§   La distorsion ou les tension harmoniques dépassent les limites fixées par le distributeur d’énergie. En particulier il est recommandé que l’apport de chaque utilisateur ne dépasse pas au point de livraison MT :
Taux de distorsion< 1,6 %
Taux individuel <1% pour les rangs impairs <0,6 % pour les rangs pairs.
§   La distorsion dépasse 5% dans une installation industrielle
 
Filtres d’harmoniques
Les filtres sont en grande majorité constitués d’un condensateur associé à une inductance.
On parle de filtres résonnants constitués d’une inductance L et d’une capacité montées en série, accordés sur le rang n qui coïncide avec le rang de l’harmonique à filtrer.
L’harmonique de rang 5 est souvent le plus importants des courants harmoniques et donc le premier à filtrer.
L’absorption des harmoniques et la réduction du taux de distorsion en tension sont obtenus avec des filtres dont l’impédance est faible vis-à-vis des harmoniques concernés.
Pour atteindre le taux de distorsion désiré, il peut être nécessaire de filtrer les rangs suivants (7-11-13….).
Ce qui constitue un ensemble de filtrage qui fournit également la puissance réactive nécessaire pour compenser.
 
Choix du lieu de filtrage :
Lorsque les générateurs d’harmoniques sont alimentés en BT par plusieurs transformateurs MT/BT, la mise en place des filtres sur la moyenne tension réduit le taux de distorsion en MT et au niveau de tension supérieur, mais n’agit pas sur la partie BT, il peut donc être nécessaire de placer les filtres en aval de chaque transformateur MT/BT ou l’on relève ces perturbations.
Choix du mode de filtrage :
Soit de façon individuelle, en plaçant aux bornes de chaque générateur d’harmonique un filtre de faible puissance en prenant les précautions pour éviter les interactions des filtres de même rang
Soit en raccordant un seul ensemble de filtrage au jeu de barres principal.
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Dimanche 16 Juillet 2006

Taux de distorsion des courants harmoniques

 
Le passage des courants harmoniques dans les impédances du réseau crée les tensions harmoniques.
On mesure l’importance de la perturbation harmonique sur un réseau par :
  • Le taux individuel des tensions harmoniques (T) qui donne une mesure de l’importance de chaque harmonique par rapport au fondamental.
  • Le taux global de distorsion en tension ou (distorsion) D qui donne une mesure de l’influence thermique de l’ensemble des harmoniques.
Le taux individuel en tension, en % pour le rang h est défini par:
 
Dans ce rapport Vh est la tension harmonique de rang h au point considéré et V1, la tension fondamentale.
La distorsion en tension en % est définie par :
Avec généralement p (rang maxi)= 19 ou 25
De la même manière on définit un taux individuel et une distorsion en courant.
En général on considère que le niveau de perturbation harmonique est acceptable dans une installation tant que le taux de distorsion ne dépasse pas 5% en valeur globale et 3% en valeur individuel coté BT et 1,6 coté MT.
Plus précisément, les recommandations concernant les amplitudes des tensions harmoniques sont les suivantes :
  • Sur le réseau :
L’apport de tension harmonique par un seul client au point de couplage avec le réseau est :
-         taux individuel en tension <0,6% pour les tensions harmoniques pairs
-         Taux individuel en tension <1% pour les tensions harmoniques impairs
-         Taux de distorsion en tension <1,6 %
 
  • Sur le réseau client :      Bien qu’il n y ait pas de réglementation à ce jour, il est recommandé d’avoir un taux global de distorsion inférieur à 5%.
              La distorsion en tension peut être réduite :

                 En diminuant les courants harmoniques par un filtre résonant comprenant une capacité et  une induction accordées sur le rang à éliminer ce qui supprime l’harmonique de ce rang (1)

            Ou par un transformateur à couplage adapté permettant d’atténuer le passage des courants harmoniques ;
  En diminuant le rapport de la puissance des charges non linéaires à la puissance totale installée (Transformateurs ou alternateurs).
  • En diminuant la réactance subtransitoire longitudinale des alternateurs.
 (1)       Notre prochain article concernera  le filtrage des harmoniques, néanmoins il y a lieu de retenir pour le moment :
Que ces filtres sont conçus pour améliorer la qualité de l’énergie électrique qui diminuent ou éliminent les harmoniques circulant dans les installations électriques.
Ils sont essentiellement composés de condensateurs associés à des selfs. Ils permettent de ramener le taux de distorsion à une valeur acceptable ou préconisée par SONELGAZ
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Dimanche 09 Juillet 2006

GENERALITES SUR LES HARMONIQUES

 
1)   Origine des courants harmoniques
 
Les courants harmoniques existent dans une installation MT/BT en raison de la présence des récepteurs non linières (Ex : variateurs de vitesse, onduleurs, fours à arc, éclairage….)
Ces récepteurs ont une impédance en fonction du temps qui n’est pas constante et provoquant la circulation de courants déformés (périodiques mais non purement sinusoïdaux).
 
 


Ces récepteurs sont dits « générateurs de courants harmoniques ».

La méthode de Fourier a montré qu’on pouvait décomposer une onde non sinusoïdale en une somme d’ondes sinusoïdales de fréquences croissantes. 
 
 
L’intensité des courants harmoniques est fonction de leur rang, dépend de la charge et surtout de son branchement monophasé, triphasé, neutre sorti, neutre non sorti et ce même si la tension est purement sinusoïdale.
 
h :rang harmonique. C’est le rapport de sa fréquence fh à celle fondamentale de
I1= courant absorbé par le générateur à la fréquence fondamental 50 Hz.
L’amplitude du courant harmonique en fonction du rang s’appelle l’histogramme.
Par convention fondamental f1 à le rang 1
 
Générateurs d’harmoniques
 
 
Dans le milieu industriel, on rencontre principalement des courants harmoniques de rangs impairs qui sont générés par les récepteurs suivants :
  • - Variateurs électronique de vitesse pour moteurs à courant alternatif ou continu
  • - Démarreurs électroniques pour moteurs à courant alternatif
  • - Onduleurs
  • - Ponts redresseurs (électrolyse), par exemple les ponts hexaphasés qui sont les plus répandus génèrent les harmoniques 5-7-11-13.
  • - Machines à souder à courant continu
  • - Fours à induction 50Hz
  • - Eclairage fluorescent
  • - Fours à arcs
  • - Lampes à dé charge
  • - Torches à plasma
  • - Laser
  • - Et les applications les plus courantes concernant les variateurs :
  • - Ventilation
  • - Pompes volumétriques et centrifuges
  • - Convoyeurs à bandes
  • - Escalier mécanique et téléskis
  • - Compresseurs
  • - Broyeurs
  • - Process en régulation continu (machine papier, laminoir etc.…) en l’absence de thyristors dont l’angle d’allumage peut être retardé, le taux d’harmoniques d’une installation définie est constant.
  •  
Sa dépollution en est facilitée. Il n’en est pas de même lorsque l’on est en présence marqué de thyristors (régulateur de tension, variateur de vitesse…..)
  • - Alternateur
Par sa constitution physique (barres dans des encoches en nombre d’autant plus petit que la puissance de la machine est modeste). L’alternateur fournit une tension non purement sinusoïdale mais contenant un taux d’harmoniques dépendant du pas d’enroulement et du couplage des enroulements (monophasé, triphasé neutre non sorti, triphasé neutre non sorti).
 
 
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Samedi 08 Juillet 2006

Suite sur les différents types de transformateurs

2-Les transformateurs de potentiel (T.P)
a/ Fonctions essentielles (Norme CEI 186)
- Adaptation de la valeur primaire aux caractéristiques standard des instruments de mesure et de protection.
- Isolement des circuits de puissance du circuit de mesure et/ou de protection.
 
b/ Constitution : Un enroulement primaire, un ou plusieurs enroulements secondaires, un circuit magnétique, un enrobage dans une résine isolante.
C/ Caractéristiques 
 
 
Caractéristiques
Valeurs assignées
 
Tension nominale (kV efficace)
10 kV
30 kV
Niveau d’isolement
Tension la plus élevée (kV efficace)
12
36
 
Tenue à la fréquence industrielle (kV efficace en 1mn)
38
70
 
Tenue de choc (kV crête)
75
170
Fréquence assignée
Fréquence (Hz)
50
Tension primaire U1n
Tension primaire assignée U1n (kV)
 10-30 ou 10/V3-30/V3
 
Tension secondaire assignée U2n (V)
100 ou 100/V3
Puissance de précision (VA)
10 – 15 – 25 – 30 – 50 – 75 - 100 – 150
-         Ces transformateurs peuvent être raccordés entre phase et terre (U1n = U/Ö3) ou entre phases (U1n = U) 
 
 - Tension secondaire assignée :
- Rapport de transformation assigné (kn) = U1n/ U2n = constante (quelle que soit la charge)
- Puissance de précision (VA) :
C’est la puissance apparente que le transformateur peut fournir au secondaire pour sa tension secondaire assignée, sans que les erreurs, qu’il introduit dans la mesure, dépassent les valeurs garanties par la classe de précision.
 
-         Erreur de tension:
                  erreur que le transformateur introduit dans la mesure d’une tension lorsque le rapport de transformation est différent de la valeur assignée.
 
             Déphasage ou erreur de phase (en minute) 
C’est la différence de phase entre tension primaire et secondaire, le sens des vecteurs étant choisi de façon à ce que l’angle soit nul pour un transformateur parfait.
- Facteur de tension assignée 
C’est le facteur pour lequel il faut multiplier la tension primaire assignée pour déterminer la tension maximale pour laquelle le transformateur doit répondre aux prescriptions d’échauffement et de précision spécifiée.
Ce facteur de tension est déterminé par la tension maximale de fonctionnement, laquelle dépend du régime du neutre du réseau et des conditions de mise à la terre de l’enroulement primaire.
 
Facteur de tension
Durée assignée
Mode de connexion de l’enroulement primaire
Régime du neutre assigné du réseau
1,2
Continue
Entre phases
Quelconque.
1,2
Continue
Entre phase et terre
Neutre mis directement à la terre.
1,5
30 s
Entre phase et terre
Idem.
1,2
Continue
Entre phase et terre
Neutre mis à la terre par résistance de limitation avec élimination automatique du défaut à la terre.
1,9
30 s
Entre phase et terre
Idem..
1,2
Continue
Entre phase et terre
Neutre isolé sans élimination automatique du défaut terre.
1,9
8 h
Entre phase et terre
Idem.
1,2
Continue
Entre phase et terre
Neutre mis à la terre par résistance de limitation avec élimination automatique du défaut à la terre.
1,9
8 h
Entre phase et terre
Idem.
 
- Puissance d’échauffement 
C’est la puissance apparente que le transformateur peut fournir en régime continu à sa tension secondaire assignée sans dépasser les limites d’échauffement fixées par les normes.
 
- Condition de service 
            * Température ambiante : maximale égale à 40°C  
            * Moyenne journalière £ 30°C
            * Minimale inférieure : - 5°C   
            * Altitude : Non déclassement jusqu’à 1000 m. Déclassement de 1% par 100m supplémentaire.
 
d/ Appareil destinés à la mesure  (norme CEI 186):
La norme impose d’avoir une précision adaptée à l’application pour la tension normale d’utilisation. Cette précision est définie par la classe de précision.
Ces appareils doivent donc transmettre une image précise de la tension primaire assignée dans un intervalle compris entre 80 et 120% de celle-ci.
Les classes de précision normalisées : 0.1 – 0.2 – 0.5 – 1
  
Choix 
 
Application
Classe
Mesures de labo et comptage précis
0,2
Mesures industrielles et comptages tarifaires
0,5
Indication de tableau et comptages statistiques
1
 
Limite des erreurs 
 
Classe de précision
Erreur de tension (de rapport ± %)
Erreur de déphasage
0,1
0,1
5
0,2
0,2
10
0,5
0,5
20
1
1
10
 
e/ Appareils destinés à la protection :
Ces appareils doivent transmettre une image aussi fidèle que possible de la tension en cas de défaut.
Les classes de précision normalisées sont 3P et 6P
 
Valeurs limites des erreurs
 
Classe de
Précision
Erreur de tension en ± %
Erreur de déphasage
Entre 5% de Un et KT x Un
Entre 2% et 5% de Un
Entre 5% de Un et KT x Un
Entre 2% et 5% de Un
3 P
3
6
120
240
6 P
6
12
240
480
 
Un : tension assignée
KT : Facteur de tension
 
 
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Samedi 08 Juillet 2006

les différents types de transformateurs

1-Les Transformateurs de courant (T.C)
 
1/ Rôles des TC 
-         Les TC ont deux rôles :
A/Adaptation des courants primaires aux courants secondaires standard des appareillages de mesure ou de protection. Les courants secondaires sont ainsi proportionnels aux courants primaires.
 
B/Isolement électrique des circuits de puissance des circuits de mesure ou de protection.
 
C/ Constitution 
- Un circuit magnétique généralement en forme de tore autour duquel sont enroulées n1 spires au primaire et n2 spires au secondaire. L’enroulement primaire peut être réduit à un seul conducteur. L’isolement est réalisé au moyen d’un enrobage isolant (résine). 
- L’enroulement secondaire est simple ou double.
 
D/ Représentation 
La norme CEI 185 définit les conditions auxquelles doivent répondre les TC.
 
 
 
e/ Caractéristiques 
Les caractéristiques principales des TC de mesure et de protection en MT sont :
 
 
Caractéristiques
Valeurs assignées
 
 Tension nominale (kV efficace)
10 kV
30 kV
Niveau d’isolement
Tension la plus élevée (kV efficace)
12
36
 
Tenue à la fréquence industrielle (kV efficace en 1mn)
25
70
 
Tenue de choc (kV crête)
75
175
Fréquence assignée
Fréquence (Hz)
50
Courant
Primaire assigné I1n (A)
20 – 25 – 30 – 40 – 50 – 60 – 75 et multiples
 
Courant de courte durée admis Ith (1s)
25 ka(12kV)-50 ka(36 kV)
200 à 300 In         80 -100
 
 
Courant dynamique assigné
 Idyn = 2,5 Ith
 
Secondaire assigné (I2n ) A
1 – 5
 
Rapport de transformation assigné
knew = I1n / I2n  
Puissance de précision
En VA = S que peut fournir au secondaire pour son courant secondaire assigné avec erreurs < classe de précision
2,5 – 5 – 10 – 15 – 30
Classe de précision
Définit les limites d’erreurs garanties pour kn et le déphasage dans des conditions spécifiées
 
Erreur de courant
     %%
Erreur que le tore introduit dans la mesure d’un courant lorsque le rapport kn est différent de la valeur assignée
     = 100.kn (I2 + I1 )/ I1
Déphasage ou erreur de phase              en minute d’angle)
Différence de phase entre courant primaire et secondaire. Le sens des vecteurs est choisi à ce que l’angle soit nul pour un TC parfait.
 
Conditions de service
t°c ambiante =
- moyenne journalière
- minimale inférieure
- Altitude : Non déclassement   jusqu’à 1000 m. Déclassement de 1% par 100 m supplémentaire
 
 
 f/ Les Transformateurs destinés à la mesure :
La mesure (norme CEI 185) impose deux contraintes :
-Précision adaptée à l’application pour le courant normal d’utilisation. Cette précision est définie par la classe de précision.
-Protection des appareils en cas de courant de défaut. Elle est définie par