Impact de la pollution harmonique sur les matériels de réseau

Les appareils de production, de transport et de distribution

    On retrouve dans cette catégorie les alternateurs et les transformateurs. La tension délivrée par un alternateur ne peut pas être parfaitement sinusoïdale, mais le choix de la distribution des enroulements et du nombre d’encoches par pôle réduit considérablement l’amplitude de ces harmoniques. En ce qui concerne les transformateurs, c’est la saturation du circuit magnétique qui va créer une déformation de la tension secondaire (cas d‟une alimentation par le primaire). Avec la courbe de saturation représentée sur la Figure 1-2, inspirée d‟un transformateur HTA-BT, et avec une tension primaire égale à 1.2 pu, les taux d‟harmoniques de la tension secondaire sont inférieurs à 0,5%. Les harmoniques de tension créés dans ces situations sont donc très faibles.

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).

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 vibrations résultant de champs tournants créés par les harmoniques.
 Un échauffement supplémentaire généré par la circulation d‟harmoniques dans les matériels.

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].

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].

Influence sur la durée de vie

  L‟augmentation de la température de fonctionnement des câbles va se traduire par un vieillissement prématuré de l‟isolant qui entoure l‟âme des conducteurs, et donc une réduction de la durée de vie du câble. La loi de vieillissement principalement utilisée est la loi d’Arrhenius décrite par l‟équation (1-19). On peut voir dans [21-22] que l‟augmentation de température va réduire considérablement la durée de vie théorique du câble (durée de vie réduite de 50% pour un THDi de 24%). Comme l‟étude est menée proche de la température maximale admissible par l‟isolant, l‟impact des harmoniques sur la durée de vie est important. Il serait aussi judicieux pour ce type de matériel de prendre en compte le taux de charge du câble dans le calcul de la durée de vie.

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.

Influence sur les pertes

   Lorsque l’alimentation de la machine est perturbée par la présence d’harmoniques, les pertes à l’intérieur de celle-ci vont augmenter. Les pertes dans une machine à induction peuvent être séparées en trois termes : les pertes Joule, les pertes fer et les pertes mécaniques. A 50Hz, nous pouvons négliger les pertes fer rotoriques car elles sont fonction de la fréquence rotorique, égale à g fois la fréquence statorique. Ces pertes, pour le régime harmonique, ne sont plus négligeables. En présence d’harmoniques, la résistance des conducteurs du rotor va augmenter du fait de l’effet de peau. Au niveau du rotor, le glissement très fort pour les composantes harmoniques crée des phénomènes induits qui vont augmenter le courant rotorique (le courant est tout de même limité par l‟inductance de fuite du rotor). L’augmentation de la résistance et du courant rotorique vont ainsi faire croître les pertes Joule rotoriques. La quantification précise des pertes supplémentaires générées par les harmoniques de tension basse fréquence a été peu étudiée. La plupart des études portent sur des associations onduleur MLI et machine où les composantes présentes dans le contenu harmoniques sont plutôt haute fréquence. L‟objectif de la thèse étant de quantifier l‟impact des harmoniques présents sur le réseau, nous ne nous intéresserons ici qu‟au machines alimentées directement par le réseau de distribution. Des études [38-39] qui se sont penchées sur l‟impact des harmoniques sur des moteurs asynchrones monophasés 1,5 kW montrent une augmentation des pertes dans ceux-ci. Lorsque l‟on injecte, en plus du fondamental, un seul rang harmonique à hauteur de 10%, on remarque une augmentation des pertes qui peut aller jusqu’à 10% suivant le rang concerné. La présence d‟un condensateur de démarrage sur ce type de moteur peut engendrer une résonance qui peut par conséquent augmenter les pertes dues à un rang donné.

Impact sur la capacité de transport

   Les simulations précédentes ont montré qu‟en présence d‟harmoniques, la température pouvait atteindre des valeurs critiques pour certains matériaux, en particulier les isolants des phases et du neutre. La température limite sans dégradation du polyéthylène réticulé, utilisé dans la réalisation des isolants, est de 90°C, or dans certaines simulations celle-ci a été dépassée. En considérant que la puissance est principalement transmise par la composante fondamentale du courant (harmoniques de tension faibles) et que la température sur l‟isolant des conducteurs ne doit pas dépasser 90°C, la présence d‟harmoniques va réduire le courant fondamental que peut véhiculer ce câble basse tension. Ce courant fondamental maximal pouvant circuler dans le câble est plus communément appelé capacité de transport. Afin de quantifier l‟impact des harmoniques de courant sur la capacité de transport, nous avons estimé la valeur du courant pour laquelle une température de 90°C est atteinte sur l‟un des quatre conducteurs. Les calculs ont été réalisés avec les profils harmoniques définis par le Tableau 2-3 et nous avons considéré les deux sections de neutre, 25 mm² et 50 mm². La Figure 2-11 donne le courant fondamental maximal (courant donnant une température de 90°C sur l‟un des conducteurs) pouvant transiter dans le câble basse tension, en considérant les profils harmoniques définis dans le Tableau 2-3. On s‟aperçoit que la présence d‟harmoniques réduit la capacité de transport, et ce, quelque soit la section du conducteur de neutre. Par conséquent, si le contenu harmonique du courant circulant dans le câble augmente, il faudra réduire le nombre de charges connectées afin de respecter la limite en température. La Figure 2-11 montre aussi qu‟une section réduite du conducteur de neutre va amplifier la diminution de la capacité de transport.

Table des matières

LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
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
ANNEXE A CALCUL DE LA PUISSANCE DISSIPEE DANS UNE PLAQUE CONDUCTRICE
ANNEXE B SCHEMA SIMULINK DES DIFFERENTS MODELES THERMIQUES DU TRANSFORMATEUR
ANNEXE C PHOTOGRAPHIES DES ESSAIS THERMIQUES SUR DES CABLES BASSE TENSION

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