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Les charges domestiques
Les charges domestiques ont des puissances unitaires bien infรฉrieures ร celles des charges industrielles. Mais comme elles sont nombreuses et peuvent fonctionner en mรชme temps (le pic observรฉ lors du journal de 20h en est un parfait exemple) pendant une longue durรฉe, elles peuvent fortement perturber les formes d’ondes du courant et de la tension. Les appareils qui contribuent le plus ร la distorsion des grandeurs รฉlectriques sont les rรฉcepteurs de tรฉlรฉvision, les ordinateurs, les appareils commandรฉs par des triacs (gradateur de lumiรจre, รฉquipements รฉlectromรฉnagers) et les lampes fluorescentes.
Les appareils รฉlectroniques grand public et les lampes ร ballast sont en gรฉnรฉral alimentรฉs par des ponts redresseurs ร diode avec une forte capacitรฉ pour filtrer la tension redressรฉe. Tous les appareils รฉquipรฉs 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 forcรฉment en phase (pont redresseur avec capacitรฉ et lampes basse consommation ne fournissent pas des courants en phase). La Figure 1-5 montre la tension et le courant absorbรฉs par une lampe basse consommation.
Les effets recensรฉs sur les diffรฉrents matรฉriels
Les premiers problรจmes causรฉs par la prรฉsence d’harmoniques sur un rรฉseau sont, d’une part l’augmentation de la valeur efficace du courant global consommรฉ et, d’autre part, la dรฉgradation du facteur de puissance. De plus, les harmoniques ont des effets nรฉfastes sur les matรฉriels. On peut classer les effets nรฉfastes des harmoniques en deux grandes parties :
๏ les effets dits ร court terme qui sont visibles tout de suite.
๏ les effets dits ร long terme qui eux mettront plus de temps ร apparaรฎtre et sont plus dรฉlicats ร quantifier.
Effets ร court terme
Le principal effet ร court terme des harmoniques sur un rรฉseau est la perturbation du bon fonctionnement des matรฉriels รฉlectroniques reliรฉs ร ce rรฉseau. La prรฉsence d’harmoniques peut faire apparaรฎtre des couples pulsatoires qui vont perturber le fonctionnement des appareils et gรฉnรฉrer des vibrations, ce qui va causer du bruit supplรฉmentaire. La modification de la valeur instantanรฉe du courant due aux harmoniques peut รฉgalement engendrer des dรฉclenchements intempestifs des relais et dispositifs de protection.
Effets ร long terme
Les effets dit ร long terme se traduisent par une diminution de la durรฉe de vie des matรฉriels qui sera amenรฉe par :
๏ Une fatigue mรฉcanique supplรฉmentaire due aux couples pulsatoires et aux 24 vibrations rรฉsultant de champs tournants crรฉรฉs par les harmoniques.
๏ Un รฉchauffement supplรฉmentaire gรฉnรฉrรฉ par la circulation dโharmoniques dans les matรฉriels.
Relais de commande statique
Les relais de commande, que lโon peut trouver dans des applications telles que les imprimantes et les photocopieurs, peuvent prรฉsenter un dysfonctionnement en prรฉsence dโharmoniques. Il a รฉtรฉ relevรฉ de nombreux problรจmes au niveau des photocopieurs dans des bรขtiments polluรฉs par des charges non linรฉaires, les imprimantes indiquant un problรจme de tempรฉrature qui pourrait รชtre dรป ร de mauvaises commutations des relais statiques. Ces relais ont une commutation aux zรฉro de tension, sensible aux harmoniques, et prรฉsentant des dรฉfauts de commutation ร lโouverture et ร la fermeture. Le pourcentage de mauvais fonctionnement augmente avec lโaugmentation du taux de distorsion harmonique en tension. Cependant, il semble difficile de pouvoir gรฉnรฉraliser lโimpact des harmoniques sur ce type de matรฉriels car chaque relais rรฉagit diffรฉremment aux harmoniques [1].
Banc de capacitรฉs
Les problรจmes rencontrรฉs sur les bancs de capacitรฉs sont principalement dus aux rรฉsonances crรฉรฉes par la connexion de ces bancs sur le rรฉseau รฉlectrique. Les dรฉcharges partielles dans les isolants sont une des causes de la dรฉgradation de l’isolation. La prรฉsence d’harmoniques et le phรฉnomรจne de rรฉsonance vont augmenter la valeur du courant qui circule dans les capacitรฉs, entraรฎnant alors une augmentation de la tempรฉrature. Le stress thermique qui en rรฉsulte va diminuer l’immunitรฉ de l’isolant. Si ce stress thermique est fort, l’isolant prรฉsent dans les bancs de capacitรฉs peut subir des dรฉcharges partielles qui vont รฉroder et dรฉgrader l’isolant, pouvant mener ร une destruction de la capacitรฉ. Une bonne รฉtude lors de l’installation de bancs de capacitรฉs et lors de la modification de l’installation รฉlectrique รฉvitera sans doute de crรฉer des rรฉsonances qui dรฉtรฉrioreront les capacitรฉs [2-5].
La quantification plus prรฉcise de lโimpact des harmoniques sur les bancs de capacitรฉs passe par lโanalyse du vieillissement des isolants รฉlectriques prรฉsents dans celles-ci.
Isolants รฉlectriques
La qualitรฉ de la tension impacte directement la durรฉe de vie des isolants prรฉsents dans les cรขbles et les condensateurs [6-8]. Les isolants utilisรฉs dans ces รฉlรฉments sont principalement du polyรฉthylรจne (normal ou rรฉticulรฉ chimiquement) pour les cรขbles de transport d’รฉnergie HTB et du polypropylรจne dans les condensateurs. Les cรขbles BT-HTA, sont quant ร eux, rรฉalisรฉs avec du polyรฉthylรจne rรฉticulรฉ.
Afin de dรฉterminer l’influence de la distorsion de la tension sur la durรฉe de vie des isolants, on utilise les facteurs dรฉfinis dans lโรฉquation (1-1) : VpVHV2 K p๏ ๏ ๏ฝ K rms๏ ๏ ๏ฝ V1 ,n K s๏ ๏ ๏ฝ๏ ๏ ๏ฅh 2 ๏จ h ๏ฉ (1-1)
Vp la valeur crรชte de la tension distordue.
V1p,n la valeur crรชte 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 considรฉrรฉs.
Le coefficient Kp traduit l’effet des harmoniques sur la valeur crรชte de la tension, Krms traduit l’effet sur la valeur efficace et Ks semble quant ร lui traduire l’effet capacitif. La durรฉe de vie d’un isolant est dรฉfinie par lโรฉquation (1-2) : ln๏จt f๏ ๏ ๏ฉ๏ ๏ฝ ln๏จt f0๏ ๏ ๏ฉ๏ญ a ln๏จKs๏ ๏ฉ๏ญ b ln๏จK p๏ ๏ฉ๏ญ c ln๏จKrms๏ ๏ฉ (1-2)
Avec
. tf la durรฉe de vie.
. tf0 la durรฉe de vie nominale.
. a, b et c des coefficients propres au type d’isolant considรฉrรฉ.
Les รฉtudes basรฉes sur les รฉquations (1-1) et (1-2) montrent que la durรฉe de vie peut รชtre fortement rรฉduite lorsque la tension dโalimentation est fortement perturbรฉe [6-8]. Le coefficient Kp est le coefficient qui va avoir le plus fort impact sur la durรฉe de vie des isolants. Cependant les valeurs utilisรฉes dans ces รฉtudes ne semblent pas รชtre reprรฉsentatives des valeurs que lโon peut trouver sur le rรฉseau de distribution รฉlectrique.
Protections รฉlectriques
Relais de protection
Les relais de protection prรฉsents sur le rรฉseau รฉlectrique vont รชtre affectรฉs dans leur bon fonctionnement par la distorsion de la forme dโonde crรฉรฉe par la prรฉsence dโharmoniques. Les relais de protection de mise ร la terre, incapables de faire la diffรฉrence entre les courants homopolaires et les harmoniques multiples de 3 (qui sont en fait homopolaires) peuvent dรฉclencher en prรฉsence dโharmoniques [9].
Les relais de surintensitรฉ vont quant ร eux voir leur performance dรฉgradรฉes par la prรฉsence dโharmoniques de courant. Chaque type de relais va avoir une rรฉponse diffรฉrente vis ร vis des harmoniques, ce qui rend difficile une gรฉnรฉralisation de lโimpact des harmoniques sur ce type de matรฉriels. On peut cependant remarquer que les harmoniques vont agir sur la valeur du seuil de dรฉclenchement du relais ainsi que sur le temps de fonctionnement. Les relais de protection basรฉs sur des technologies numรฉriques ne seront influencรฉs que par lโaugmentation du courant efficace et non par les diffรฉrentes frรฉquences contenues dans le spectre harmonique du courant [9-11].
Les protections diffรฉrentielles
D’une faรงon gรฉnรฉrale, en fonctionnement normal, les protections diffรฉrentielles sont peu perturbรฉes par les harmoniques de courant qui sont des perturbations de mode diffรฉrentiel (la somme instantanรฉe des courants de phases et du neutre รฉtant nulle).
La prรฉsence dโharmoniques de tension aux bornes des capacitรฉs de filtrage va gรฉnรฉrer des courants de fuite supplรฉmentaires qui vont venir se superposer aux courants de fuite 50Hz et aux phรฉnomรจnes HF. Ils peuvent alors provoquer des dรฉclenchements intempestifs soit sur ouverture ou fermeture dโun contacteur, soit sur mise sous tension d’รฉclairage [12].
Disjoncteurs magnรฉtothermiques
Les protections magnรฉtothermiques protรจgent les installations et les matรฉriels contre les surcharges et les surintensitรฉs. La partie thermique est composรฉe dโune lame bimรฉtallique (bilame) qui va se dรฉformer en cas de surcharge. La partie magnรฉtique intervient contre les surintensitรฉs et les courts-circuits. En service normal, lโinduction magnรฉtique produite par la circulation de courant nโest pas suffisante pour attirer l’armature mobile ; le circuit est fermรฉ. Si un dรฉfaut apparaรฎt 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 consรฉquence d’ouvrir le circuit aval du disjoncteur en 0,1sec au maximum.
Pour un courant efficace constant, la prรฉsence dโharmoniques nโaura pas dโinfluence sur la partie thermique car elle est sensible au courant efficace et non ร la frรฉquence. Par contre, la partie magnรฉtique peut dรฉclencher en prรฉsence dโharmoniques alors que la valeur du courant ne lโimpose pas [13].
On trouve aujourd’hui de plus en plus de relais de protection numรฉriques qui eux ne sont pas influencรฉs par les harmoniques, et ce, mรชme avec des forts taux d’harmoniques [14].
Fusibles
Les fusibles peuvent รชtre constituรฉs de trois faรงons diffรฉrentes :
๏ soit de faรงon verticale
๏ soit de faรงon horizontale
๏ soit en U
L’effet de peau crรฉe une augmentation de la rรฉsistance totale et de la puissance dissipรฉe en prรฉsence d’harmoniques de courant. Pour les hautes frรฉquences, il y a donc une nรฉcessitรฉ de dรฉclasser et de rรฉduire le courant admissible afin de se prรฉmunir de tempรฉratures excessives [15].
Il existe deux mรฉthodes de dรฉclassement des fusibles pour des courants sinusoรฏdaux, la premiรจre basรฉe sur la puissance dissipรฉe (Fp) et la deuxiรจme basรฉe sur le courant maximum admissible (Fc), dรฉcrites par les รฉquations (1-3) et (1-4) respectivement : F๏ ๏ ๏ฝI h๏ฝRn(1-3)
Avec
I nle courant assignรฉ du fusible ร 50Hz (ou 60Hz).
I hle courant assignรฉ pour des frรฉquences plus รฉlevรฉes.
Rnla rรฉsistance ร 50 Hz (ou 60Hz).
Rhla rรฉsistance pour des frรฉquences plus รฉlevรฉes.
Fc๏ ๏ ๏ฝIh๏ฝWn(1-4) InWh
Avec
Wnle coefficient d’augmentation ร 50Hz (รฉgal ร 1).
Whle coefficient d’augmentation pour des frรฉquences plus รฉlevรฉes.
Ces coefficients montrent que les fusibles sont sensibles ร la frรฉquence quand celle-ci atteint des valeurs supรฉrieures ร 1kHz. Comme les profils harmoniques des courants prรฉsents sur le rรฉseau sont composรฉs principalement de composantes basse frรฉquence (infรฉrieures au kHz), il nโest donc pas nรฉcessaire de dรฉclasser les fusibles qui ne se trouvent pas directement en amont de charges rejetant des harmoniques haute frรฉquence. Par contre, les harmoniques haute frรฉquence que lโon va retrouver en aval dโappareils tels que des variateurs, provoqueront un dรฉclassement des fusibles.
Compteurs รฉlectriques
La prรฉsence d’harmoniques sur le rรฉseau peut perturber la mesure de puissance et introduire des erreurs sur celle-ci. Les compteurs dโรฉnergie รฉlectromรฉcanique sont composรฉs dโun circuit magnรฉtique, dโun disque et de bobines (Figure 1-6). La tension et le courant qui vont circuler dans l’appareil vont crรฉer un flux dans le circuit magnรฉtique, ce qui va crรฉer un flux dans l’entrefer du circuit. Ce flux va gรฉnรฉrer des courants de Foucault dans le disque, et ces courants vont alors crรฉer des forces de Laplace sur ce disque. Ces forces gรฉnรจrent un couple qui va faire tourner le disque ร une certaine vitesse, donnant ainsi l’indication de consommation de puissance.
Augmentation de la tempรฉrature de fonctionnement
La circulation d’harmoniques dans un transformateur va augmenter les pertes dans celui-ci, comme nous l’avons vu prรฉcรฉdemment. Cette augmentation de pertes va avoir comme effet d’augmenter la tempรฉrature de fonctionnement dans ce mรชme transformateur. Dans [28], l’auteur a simulรฉ l’รฉvolution de la tempรฉrature d’un transformateur 31,5MVA 115kV/6,3kV de type ONAF (Circulation naturelle d’huile/Circulation forcรฉe d’air). La modรฉlisation thermique du transformateur et le calcul des pertes ont รฉtรฉ rรฉalisรฉs grรขce aux รฉquations dรฉfinies dans [26]. La simulation a รฉtรฉ faite sur une pรฉriode de 24h avec la prise en compte de la variation de la tempรฉrature ambiante et du taux de charge du transformateur au cours de la journรฉe. Trois simulations ont รฉtรฉ rรฉalisรฉes : une sans harmoniques, une avec un THD de 10% et une derniรจre avec un THD de 22%.
On peut voir sur la Figure 1-8 lโรฉvolution de la tempรฉrature de l’huile et de la tempรฉrature du point chaud du transformateur. Dans cette รฉtude, le taux de charge du transformateur varie au cours de la journรฉe (autour de 60% la nuit, et proche de 100% en milieu dโaprรจs midi). Cela explique dโune part que lโaugmentation de tempรฉrature engendrรฉe par les harmoniques ne soit pas uniforme au cours de la journรฉe et dโautre part que la tempรฉrature du point chaud dรฉpasse les 120ยฐC, dรฉfinie comme รฉtant la tempรฉrature maximale en rรฉgime de surcharge du point chaud par le guide de charge CEI 60076-7.
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Table des matiรจres
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 IMPACT DE LA POLLUTION HARMONIQUE SUR LES MATERIELS DE RESEAU : ETAT DE LโART
1.1. DEFINITIONS DES HARMONIQUES
1.1.1. Les sources dโharmoniques
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. Caractรฉrisation et dรฉfinitions
1.1.3. Harmoniques et composantes symรฉtriques
1.1.3.1. Cas de signaux รฉquilibrรฉs
1.1.3.2. Cas de signaux dรฉsรฉquilibrรฉs
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 capacitรฉs
1.3.3. Isolants รฉlectriques
1.3.4. Protections รฉlectriques
1.3.4.1. Relais de protection
1.3.4.2. Les protections diffรฉrentielles
1.3.4.3. Disjoncteurs magnรฉtothermiques
1.3.4.4. Fusibles
1.3.5. Compteurs รฉlectriques
1.3.6. Cรขbles
1.3.6.1. Augmentation des pertes Joule
1.3.6.2. Augmentation de la tempรฉrature
1.3.6.3. Influence sur la durรฉe 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 tempรฉrature de fonctionnement
1.3.7.3. Rรฉduction de la durรฉe de vie
1.3.7.4. Conclusion
1.3.8. Moteurs ร induction
1.3.8.1. Perturbations mรฉcaniques
1.3.8.2. Influence sur les pertes
1.3.8.3. Augmentation de la tempรฉrature de fonctionnement
1.3.8.4. Rรฉduction de la durรฉe 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 รฉlectromagnรฉtiques
2.1.2. Equation thermique
2.2. ANALYSE PAR ELEMENTS FINIS ET RESULTATS
2.2.1. Description du cรขble basse tension
2.2.2. Mรฉthode de simulation
2.2.3. Rรฉsultats de simulation
2.2.3.1. Rรฉsultats des calculs รฉlectromagnรฉtiques
2.2.3.2. Rรฉsultats 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. Rรฉsultats de mesures
2.3.2.1. Prรฉsentation des cas รฉtudiรฉs
2.3.2.2. Formes dโonde du courant
2.3.2.3. Tempรฉratures mesurรฉes
2.3.3. Comparaison avec le modรจle รฉlรฉments finis
2.3.3.1. Modรฉlisation des cรขbles basse tension
2.3.3.2. Comparaisons entre les rรฉsultats de mesures et de simulations
2.3.4. Capacitรฉ de transport
2.4. CONCLUSIONS
CHAPITRE 3 IMPACT DE LA POLLUTION HARMONIQUE SUR LES TRANSFORMATEURS
3.1. CALCUL DES PERTES EN PRESENCE DโHARMONIQUES
3.1.1. Approche normative
3.1.2. Etat de lโart sur les pertes par courants de Foucault dans les conducteurs
3.1.2.1. Cas dโune plaque placรฉe dans un champ magnรฉtique
3.1.2.2. Cas dโune plaque parcourue par un courant
3.1.2.3. Cas gรฉnรฉral
3.2. APPLICATION DE LA MODELISATION DES PERTES PAR COURANTS DE FOUCAULT AUX ENROULEMENTS DโUN TRANSFORMATEUR
3.2.1. Considรฉration thรฉorique
3.2.2. Application au transformateur
3.2.2.1. Expression des pertes et de la rรฉsistance des enroulements
3.2.2.2. Application numรฉrique
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. Modรฉlisation thermique des transformateurs
3.3.1.1. Modรจle thermique dรฉfini par le guide de charge IEEE C57.91-1995
3.3.1.2. Modรจle thermique dรฉfinit par le guide de charge CEI 60076-7
3.3.1.3. Modรฉlisation par un circuit รฉquivalent
3.3.2. Applications numรฉriques sur deux transformateurs 100kVA
3.3.2.1. Simulations ร courant efficace constant
3.3.2.2. Simulations ร 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 dโessais
3.3.3.2. Modรฉlisation du transformateur considรฉrรฉ
3.3.3.3. Comportement du transformateur en prรฉsence dโharmoniques
3.4. IMPACT DES HARMONIQUES SUR LA DUREE DE VIE
3.5. CONCLUSIONS
CHAPITRE 4 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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