Cahier technique n 189 - schneider-electric.com · c le mode de distribution de l’énergie électrique, c le régime de charge, c l’influence prévisible des condensateurs sur

..........................................................................Collection Technique

Cahier technique n° 189

Manœuvre et protection desbatteries de condensateurs MT

D. Koch

■ Merlin Gerin ■ Square D ■ Telemecanique

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettentégalement de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

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Cahier Technique Schneider n° 189 / p.1

n° 189Manœuvre et protection desbatteries de condensateurs MT

CT 189 édition juin 1997

Denis KOCH

Ingénieur diplômé de l’IEG (Grenoble) en 1979, a intégré la mêmeannée la division THT de Merlin Gerin. Il a ensuite été responsabletechnique des disjoncteurs moyenne tension, puis en charge dumarketing opérationnel.Depuis 1995, toujours dans l’activité Transport et Distribution deSchneider il est chargé, au sein de l’équipe de marketing stratégique,des domaines normalisation, technologie et environnement.


Manœuvre et protection desbatteries de condensateurs MT

Sommaire

1 Compensation de l’énergie réactive 1.1 Généralités p. 41.2 Les techniques de compensation MT p. 5

1.3 Définition des symboles utilisés p. 6

2 Manœuvre des batteries de condensateurs 2.1 Phénomènes électriques liés à l’enclenchement p. 7

2.2 Phénomènes électriques liés au déclenchement p. 9

2.3 Quelques ordres de grandeurs p. 10

3 Problèmes posés aux condensateurs 3.1 Contraintes électriques p. 11

et solutions 3.2 Conception des batteries de condensateurs p. 11

3.3 Dimensionnement thermique de l’appareillage p. 12

4 Problèmes posés à l’appareillage 4.1 Problèmes posés p. 12

et solutions techniques 4.2 Solutions Schneider p. 13

4.3 Normes p. 13

4.4 Tableau de choix de l’utilisation de l’appareillage moyenne p. 15 tension MG

5 Calcul des courants d’enclenchement 5.1 Batterie unique p. 16

et inductance de choc 5.2 Batterie en gradins p. 16

5.3 Les inductances de choc p. 16

6 Protection contre les surintensités 6.1 Protection par fusible p. 18

6.2 Protection par disjoncteur p. 18

6.3 Protection contre les défauts internes p. 19

Annexe 1 : principales caractéristiques de l’appareillage MT p. 20

Annexe 2 : choix de l’appareillage MT, qualification p. 21

Annexe 3 : tableau de synthèse des calculs des courants d’enclenchement p. 23

Annexe 4 : bibliographie p. 24

La détérioration du cosinus ϕ due aux charges à caractère selfiqueprovoque une augmentation significative du courant dans les installationsélectriques et donc des pertes dans les lignes et les transformateurs.Le distributeur d’énergie et les industriels sont donc amenés à mettreen œuvre des batteries de condensateurs.

Mettre sous tension et hors tension des condensateurs entraîne desphénomènes très particuliers qui influent directement sur la caractérisationdes organes de manœuvre et de protection. C’est l’objet de ce CahierTechnique, qui fait de nombreuses références aux normes et essais.


1 Compensation de l’énergie réactive

1.1 Généralités

La localisation des condensateurs sur un réseauélectrique constitue ce que l’on appelle le « modede compensation ». II est déterminé par :c le but recherché (suppression des pénalités,soulagement des câbles, transformateurs…,relèvement du plan de tension),c le mode de distribution de l’énergie électrique,c le régime de charge,c l’influence prévisible des condensateurs surles caractéristiques du réseau,c le coût de l’installation.

La compensation de l’énergie réactive peut être(cf. fig. 1 ) :c globale ; exemple :v réseau HT pour EDF ➀,v réseau MT pour un abonné MT ➁,

v réseau BT ➂ d’un abonné BT sur batterie detype fixe,c par secteur ; exemple :v centre de distribution pour EDF (postessource) ,v atelier ou bâtiment pour un abonné BT ➄,c individuelle.

Cette dernière compensation est techniquementidéale puisqu’elle produit l’énergie réactive àl’endroit même où elle est consommée, et enquantité rigoureusement ajustée à la demande.Cependant cette solution est onéreuse et conduitgénéralement à une surcompensationpuisqu’elle n’intègre pas les possibilités defoisonnement des charges.Exemple : gros moteurs MT ou BT.

➀

➁➂

➃

➄

Réseau HT de distribution

Réseau MT de distribution

Transfo de distribution MT / BT

Réseau BTTransfo MT / BT

JdB BT

Abonné MTAbonné BT

fig. 1 : les localisations de la compensation d’énergie réactive.

➃


II est plus économique d’installer des batteries decondensateurs en moyenne et haute tension pourdes puissances supérieures à environ 1000 kvar.L’analyse des réseaux des différents pays montrecependant qu’il n’y a pas de règle universelle.Le mode de compensation dépend de lapolitique énergétique des pays et desdistributeurs. Aux U.S.A. la compensation estessentiellement en MT pour des raisons depolitique tarifaire. De façon opposée, enAllemagne, la compensation se fait en BT car ilest logique de compenser exactement au pointde consommation d’énergie réactive.

En France :c EDF installe des batteries fixes sur les réseaux63 et 90 kV (batteries non fractionnées), et desbatteries en gradins (batteries fractionnées) dansses postes sources HT/MT sur les réseaux 10,15et 20 kV. La puissance de ces dernières peutatteindre 4,8 Mvar sous 20 kV.c Les abonnés MT ou BT doivent compenserleurs installations pour obtenir un cos ϕ au pointde raccordement au réseau supérieur ou égal à0,928. Ce document ne traite que de la com-pensation en moyenne tension.

1.2 Les techniques de compensation MT

Compensation traditionnelle

Les batteries de condensateurs sont endérivation sur le réseau. Elles peuvent être :c Uniques (cf. fig. 2 ).Lorsque leur puissance réactive est faible et lacharge relativement stable.c Multiples ou fractionnées (cf. fig. 3 ).Ce type de compensation est communémentappelé en « gradins » (back to back en anglais).Ce type de batterie est très utilisé par certaines

grosses industries (forte puissance installée) etles distributeurs d’énergie (EDF dans les postessources). II permet une régulation pas par pasde l’énergie réactive. L’enclenchement ou ledéclenchement des gradins de condensateurspeut être piloté par des relais de type varmétrique.

Compensations particulièresNota : Ces systèmes sont rapidement rappeléspour mémoire.c Compensateurs statiques instantanés.Dans le cas où une compensation variable etcontinue est nécessaire (industries à forte chargetrès variable et régulation de tension sur certainsréseaux THT) des installations alliant condensa-teurs, inductances variables et électronique depuissance sont réalisées (cf. fig. 4 ).

fig. 4 : principe du compensateur statique instantané.

HT

MT

HT

MT

fig. 2 : batterie de condensateurs unique.

fig. 3 : batterie de condensateurs fractionnée.


L’ensemble est généralement composé de :v une batterie de condensateurs fixe,v un ensemble de filtres d’harmoniquesabsorbant les harmoniques du réseau et lesharmoniques générés par l’installation elle-même (électronique de puissance),v une inductance variable connectée parthyristors ; cette inductance absorbe l’énergieréactive excédentaire générée par lescondensateurs.Pour une partie, les condensateurs peuvent êtreeux-mêmes commutés par thyristor.c Batteries séries.Dans le cas de grands réseaux aux lignes trèslongues, des batteries de condensateurs peuventêtre montées en série sur la ligne (cf. fig. 5 ). Untel montage permet une compensation adaptée enpermanence au besoin puisque l’énergie réactivefournie dépend du courant circulant dans la ligne.

ligne

fig. 5 : batterie série.

De telles réalisations existent sur le continentaméricain. Cette technologie n’est pas utilisée enEurope. Un système sophistiqué de court-circuitage est nécessaire pour éviter le claquagedes condensateurs lorsqu’un courant de court-circuit circule dans la ligne.

1.3 Définition des symboles utilisés

Cette étude ne traite que le cas des circuitstriphasés .

Les notations sont les suivantes :c La source.v U : tension entre phases du réseau.v Icc : courant de court-circuit du réseau.v Scc : puissance de court-circuit du réseau :

Scc = 3 U Icc = U

2

L0ωv L0 : inductance de court-circuit duréseau.v f : fréquence industrielle.v ω : pulsation à fréquence industrielle.c Les liaisons.v L : inductance de liaison (série) avec la batterie(cas batterie unique).v l : inductance de liaison (série) avec chaquegradin de la batterie (cas batterie en gradins).v L : inductance de choc

c La charge.v C : capacité de la batterie.v Q : puissance de la batterie

( Q = U2Cω = 3 U Icapa ).v Icapa : courant capacitif qui circule dans la

batterie.c Les phénomènes transitoires.v Ie : courant crête de fermeture.v fe : fréquence propre d’oscillation de Ie.v Sa : coefficient de surtension amont (côtéréseau) SA en p.u. = tension crête max amont en

fermeture divisée par U 2

3.v Sb : coefficient de surtension aval (côté

condensateur)c L’appareillage.v In : courant en service continu.v Iencl. max : courant crête maximum de fermeture.


2 Manœuvre des batteries de condensateurs

2.1 Phénomènes électriques liés à l’enclenchement

Dans ce qui suit, le condensateur à coupler auréseau est supposé totalement déchargé. Lecondensateur C étant muni d’une résistance dedécharge R, cette hypothèse est vérifiée lorsquele condensateur est déconnecté depuis au moins2 à 3 constantes de temps RC. Tout couplageintempestif avant ce délai serait dangereux. Lanorme CEI 871 stipule qu’au bout de 10 minutes,la charge résiduelle d’une batterie déconnectéene doit pas excéder 75 V. Si l’applicationnécessite une réponse rapide de la régulationvarmétrique, des dispositifs de décharge rapidesont à prévoir.L’enclenchement d’une batterie de condensa-teurs destinée à fonctionner en dérivation sur unréseau est accompagné d’un régime transitoirerésultant de la charge de la batterie.Du point de vue «courant», la mise sous tensionprovoque une surintensité dont l’amplitude estfonction des caractéristiques du réseau et de labatterie. L’enclenchement équivaut pratiquementà établir, au point considéré, un court-circuit defaible durée. En fait le transitoire de tensionauquel est soumis le condensateur provoque unphénomène oscillatoire amorti du fait del’inductance et de la résistance du réseau.Du point de vue tension, la charge est accompa-gnée de la propagation sur le réseau d’une ondede choc. Ces phénomènes transitoires dépendentdes caractéristiques du réseau, et de l’instant defermeture des contacts ou du préamorçage.

Deux cas sont à envisager : batterie unique etbatterie fractionnée en plusieurs gradins.

Batterie ou condensateur unique (cf. fig. 6 )

Nota : L i L0.On néglige donc L par rapport à L0 dans lescalculs qui suivent.

L0 L

U C

L’enclenchement d’une batterie en étoile isoléesur un réseau (schéma de principe et courbes decourant et de tension montrant la surintensité decourant et les surtensions amont et aval quiaccompagnent l’enclenchement) est représentésur la figure 7 .

La fréquence propre des oscillations est égale à

fe = 1

2π L0C

Les surtensions amont et aval sont égales àSA = SB = 2 p.u.Le courant crête de fermeture est donné par :

Ie = U 2

3

C

L0

= Icapa . 2Scc

Q

Scc = puissance de court-circuit de la source enMVA au point de raccordement.Q = puissance du condensateur en Mvar.

fig. 6 : schéma de principe de l’enclenchement d’unebatterie isolée sur le réseau.

tension réseau

tension condensateur

courant condensateur

SA (surtension amont)

SB (surtension aval)

Ie (courant crête de fermeture)

fe (fréquence d'oscillation)

fig. 7 : courant et tensions lors du couplage au réseaud’une batterie isolée.


Batterie fractionnée (cf. fig. 8 )

Remarque : nous ne traitons ici que le cas degradins tous identiques (simplicité des équations).Les calculs sont plus compliqués dans le casgénéral (voir norme CEI 56.1987 annexe BB).

L0

C

l l l

gradin n°1 … n n+1

C C

fig. 8 : schéma de principe d’une batterie fractionnée.

Lo = inductance source (liaison jeu de barres).l = inductance de liaison série.n = nombre de gradins en service quand onferme le n+1ème.

L’enclenchement d’un gradin, se faisant enprésence de condensateurs déjà sous tension,est accompagné de deux phénomènestransitoires superposés.

Le premier très rapide, de fréquence

1

2π lC,

correspond à la décharge des condensateursdans le gradin enclenché ; le second, plus lent,

de fréquence 1

2π L0C, donc très souvent

négligeable devant l’autre (L0 très supérieur à l),correspond à la décharge dans le réseau del’ensemble des batteries dont les potentielsseront égalisés.

L’enclenchement du n+1ème gradin d’une batteriefractionnée (schéma de principe et courbes decourant et de tension montrant les surintensités,les surtensions apparaissant lors de cet enclen-chement en distinguant les deux phénomènesest représenté sur la figure 9 ). A noter que lasurtension propagée au réseau SA est d’autantplus faible que le nombre de gradins en serviceest important.

Par contre, la surintensité est d’autant plus forteque le nombre de gradins en service estimportant.

Ie =

n

n+1

U 2

3

C

l = Icapa 2

n

n+1

fef

fréquence propre d’oscillation :

fe = 1

2π lC

Surtension côté réseau : SA = n+2

n+1p.u.

Côté condensateur : SA = 2n

n+1p.u.c Ces surtensions atteignant au plus deux fois la

tension du réseau ne posent généralement pasde problèmes, tous les composants étantcapables de tenir ce niveau par construction.c Par contre les surintensités nécessitentsouvent de définir des moyens appropriés pouréviter d’endommager les condensateurs etl’appareillage.

tension réseau

tension condensateur

intensité condensateur

SA

SB

Ie

phénomène 1 phénomène 2

fig. 9 : courant et tensions lors du couplage au réseaud’un gradin d’une batterie fractionnée.


2.2 Phénomènes électriques liés au déclenchement

Lors de l’extinction de l’arc de l’appareil demanœuvre, à un passage à zéro du courant, labatterie séparée reste chargée à la tension crête.Celle-ci est ensuite ramenée à zéro grâce auxrésistances de décharge qui équipent chaquecondensateur (temps : de 1 à 5 minutes).

La tension de rétablissement aux bornes deI’interrupteur atteint donc 2 Um en une demi-période (hypothèse : temps d’arc très faible).Si la régénération diélectrique de l’interrupteurcroît plus vite que la tension de rétablissement,la coupure se passe normalement.

Par contre, si elle croît moins vite que la tensionde rétablissement, il y a claquage (cf. fig. 10 c ).

La norme distingue le réallumage (claquage avantle quart de période après la coupure) phénomènene donnant pas lieu à une escalade de tension, duréamorçage (claquage après le quart de période).

Dans ce cas (cf. fig. 10 d ) les phénomènes sontsimilaires à ceux rencontrés lors de I’enclenche-ment, mais peuvent être amplifiés du fait quel’amorçage peut avoir lieu sous une tensionégale au double de celle sous laquelle a lieul’enclenchement.

C0

L0 I

I

Ua

Ua

UM

t

a b

Ub

Ub ouverture contacts

I Ua

Ub

UM

-3 UM

oscillations de courant

oscillations de tension

courant après réamorçage

Ub après réamorçage

2 UM Uab

t

claquage

ouverture contacts

courbe de régénération diélectrique

a - Schéma de principe

b - Courbe courant-tension

d - Tensions et courants en cas de réamorçage

c - Phénomène de claquage

fig. 10 : courants et tensions au déclenchement d’une batterie.


Du point de vue théorique, s’il y a plusieursréamorçages, on constate :c des ondes de choc croissantes : 2 UM ; 4 UM ;6 UM …c des surtensions croissantes : 3 UM ; 5 UM ;7 UM …c des tensions de rétablissement croissantes :2 UM ; 4 UM …

En pratique, les tensions n’augmentent pas aussirapidement ni d’une façon aussi régulière àchaque réamorçage du fait qu’il n’apparaît pastoujours lorsque la différence de tension estmaximum et que l’amortissement joue dans unecertaine mesure.

Néanmoins, les réamorçages successifs à lacoupure d’une batterie peuvent conduire à dessurtensions élevées, dangereuses pour leréseau et les condensateurs.

Par ailleurs, les surintensités entraînées sontproportionnelles à la différence de tensionexistant avant l’amorçage entre le réseau et labatterie. En conséquence, ces surintensités ontdes amplitudes toujours supérieures à cellesrencontrées à l’enclenchement et sont donc plusdangereuses pour l’ensemble des matériels.

II est donc primordial d’utiliser un appareillagede manœuvre dont la rapide régénérationdiélectrique évite tout réamorçage.

2.3 Quelques ordres de grandeurs

Les surintensités à l’enclenchement sont trèsvariables selon les types de montage.c Dans le cas d’une batterie unique, l’intensitétransitoire crête maximum dépend de la puis-sance de court-circuit au point de raccordement.

La figure 11 donne le rapport Ie

Icapa

en fonc-

tion de Scc et de la puissance de la batterie Q.

Compte tenu des installations réalisées, lasurintensité ne dépasse jamais 100 fois lecourant assigné (Icapa).En moyenne, la surintensité est de l’ordre de 10à 30 fois Icapa.La fréquence propre du régime transitoire est de

300 à 1000 Hz ( fe = 1

2π L0C =

ω2π 2

Ie

Icapa

)

�c Dans le cas d’une batterie fractionnéel’intensité transitoire est beaucoup plus élevéecar l’inductance de liaison l est très faible parrapport à l’inductance d’une source.

Sans limitation particulière (inductancesd’amortissement), la surintensité est 30 à 50 foisplus élevée que dans le cas précédent.

Ces surintensités dépassent en général lesvaleurs supportables par les matériels. Desinductances de limitation (appelées « selfs dechoc ») sont donc nécessaires dans la majeurepartie des cas (voir § 5).

Scc

100 Q = 100 kVAr 500 1 000 5 000 10 000

20 000

10

10 100 1 000 MVA

Ie

Icapa

fig. 11 : surintensité à l’enclenchement d’une batterie unique en fonction de sa puissance et de la puissance decourt-circuit.


3 Problèmes posés aux condensateurs et solutions

3.1 Contraintes électriques

La manœuvre des condensateurs engendre dessurintensités et des surtensions qui doiventpouvoir être supportées par les matériels.Si les matériels sont conçus pour supporter lescontraintes norrmales, des précautions sontnécessaires dans le cas où les appareils demanœuvre n’ont pas les performancessuffisantes.

Du point de vue des condensateursLa surtension transitoire aux bornes de 2UM estsupportée normalement sans vieillissement

particulier à condition qu’elle ne soit pas répétéeplus de 1000 fois par an.Les surintensités à l’enclenchement ne doiventpas dépasser 100 fois le courant nominal de labatterie de condensateurs.Une telle surintensité peut être supportée 1000fois par an, une surintensité de 30 fois In peutêtre supportée 100 000 fois par an.Dans le cas de surintensités supérieures, desinductances de limitation communémentappelées selfs de choc sont mises en série avecla ou les batteries de condensateurs.

3.2 Conception des batteries de condensateurs

Deux cas sont à considérer :c batterie unique (cf. fig. 12 )c batterie multiple ou en gradins (back to back)(cf. fig. 13 ).

Batterie uniqueLe matériel est en général de conception simplecar :c la Scc du réseau n’engendre pas desurintensités supérieures à 100,c le nombre de manœuvres est faible puisqu’iln’y a pas régulation d’énergie réactive.Il n’y a donc pas en général nécessité de selfsde choc. La batterie de condensateurs estdirectement raccordée au réseau parl’intermédiaire de son organe de protection,choisi selon les caractéristiques de tension,pouvoir de coupure, courant thermique (courantcapacités + 30 %).c Ie doit être inférieur au pouvoir de fermeture del’appareil de protection pour le nombre demanœuvres considéré.

Batterie en gradinsLes inductances de liaison sont généralementtrès réduites entre les différentes batteries decondensateurs. Une limitation des courantsd’enclenchement par selfs de choc en série avecla batterie est nécessaire :c pour ne pas dépasser les 100 Icapa admissiblespar les condensateurs,c pour ne pas dépasser le pouvoir de fermeturede l’appareillage.

batteries ∆ et Y

batteries ∆ et Y

inductances de choc

fig. 12 : batterie unique.

fig. 13 : batterie en gradins.


3.3 Dimensionnement thermique de l’appareillage

Un appareil est caractérisé entre autre par uncourant nominal qui correspond à une tenued’échauffement permanent.

Lorsque ces mêmes appareils commandentet/ou protègent des condensateurs, il doit êtretenu compte du courant réel traversant labatterie qui peut être supérieur au courantassigné.

Cette surcharge permanente provient générale-ment d’harmoniques de courants de fréquencessupérieures à la fréquence industrielle.

Les condensateurs de puissance peuventsupporter 1,3 fois leur courant assigné. Ainsi lecourant capacitif maximum assigné à 50 Hz pourtout appareil sera égal à 0,7 fois l’intensiténominale des appareils de manœuvre.

4 Problèmes posés à l’appareillage et solutions techniques

Dans l’appareillage, nous pouvons distinguer(cf. fig. 14 ) :c les appareils de manœuvres (interrupteurs, con-tacteurs) utilisés dans le cas des gradins multiples,

c les appareils de protection (disjoncteurs) quisont toujours utilisés dans le cas des batteriesuniques, et en fait assez souvent aussi dans lesgradins multiples.

fig. 14 : appareils de manœuvre et de protection des batteries.

batteries en gradinsbatterie unique

disjoncteur

disjoncteur

interrupteur, contacteur, parfois disjoncteur

4.1 Problèmes posés

Les principaux problèmes qui se posent àl’appareillage sont résumés ci-après :

Courant d’enclenchementc A fréquence nominale (50 ou 60 Hz), ledisjoncteur ne voit pas de crête de courantpendant la période de préamorçage (< 3 ms).c A une fréquence de l’ordre du kHz, ledisjoncteur est soumis à toute une série decrêtes de courant pendant la période depréamorçage : cela signifie que l’usure descontacts est nettement plus importante à

fréquence élevée qu’à fréquence nominale, pourun courant équivalent.

CoupureLes principaux phénomènes en jeu sont décritsdans le paragraphe phénomènes électriques liésau déclenchement (problème diélectrique avanttout ; attention aux réamorçages).

A cela, rajoutons, au cas où il faut assurer lafonction protection, les contraintes liées à lacoupure de courant de court-circuit.


Surcharges dues aux harmoniquesLes générateurs et récepteurs dont les circuitsmagnétiques sont saturés (les convertisseursstatiques) produisent des déformations de l’ondede tension :Il en découle des harmoniques de courant nonnégligeables puisque, dans le cas descondensateurs, le courant I est proportionnel àla fréquence, soit pour l’harmonique de rang n,et de valeur relative x %.

I = UCnω = I50 Hz 1+(nx)2

avec U = U50 Hz 1+ x2

Le coefficient de surcharge est

1+(nx)2

1+ x2

≈ 1+ x2 n

2 −1

2.

Les normes UTE 127, C54.100, CEI 70, CEI 871relatives aux condensateurs, indiquent un coef-ficient de surcharge de 30 % (qui correspond àn = 5 et x = 17 %).

I n (A) I capa (A)

630 400

1 250 875

2 500 1 750

3 150 2 200

fig. 15 : courant Icapa maximal fonction du courant enservice continu In.

Si In est le courant en service continu del’appareil, le courant capacitif maximal à 50 Hzqui pourra transiter est donc égal à Icapa = 0,7 In(cf. fig. 15 ).

Endurance mécaniqueL’appareillage réalisant la commande et laprotection des batteries de condensateurs doitmanœuvrer souvent plusieurs fois par jour ;il est donc nécessaire d’avoir, outre une bonneendurance électrique, une bonne endurancemécanique.

4.2 Solutions Schneider

Pour répondre à tous ces problèmes, Schneidera choisi la technique de coupure dans le SF6.La rigidité diélectrique de ce gaz étant trèssupérieure, à pression égale, à la plupart desmilieux connus, la coupure de courants capacitifsest assurée sans réamorçage, et ceci à unepression relative de SF6 faible (≤ 2,5 bars).La tenue diélectrique à l’ouverture n’est pas liéeà la crête de l’intensité de fermeture précédente.

L’usure des contacts est principalement due à lasurintensité apparaissant à la fermeture (l’usureà l’ouverture est négligeable) car elle se produità chaque manœuvre : c’est donc la valeur decette surintensité crête ainsi que le nombre demanœuvres qu’il faut considérer pourl’endurance électrique.

Une bonne endurance électrique est obtenuegrâce à l’emploi d’alliages de tungstène à

l’extrémité des contacts pour étincelles etgrâce à l’utilisation du SF6 avec un tamismoléculaire qui a pour but de limiter le tauxde décomposition du gaz en coupure, à desvaleurs négligeables.

La robustesse et la simplicité du mécanismedes appareils permettent de réaliser, en général,5 fois plus de manœuvres que n’en exige lanorme CEI 56.1987, soit 10 000 manœuvres.L’ensemble de la gamme d’appareils MerlinGerin est apte à manœuvrer les bancs decondensateurs conformément aux normes CEIet ANSI. Les performances sont consignéesdans les fiches techniques :

nous donnons à titre d’exemple quelquescaractéristiques (valables en 1997) dedisjoncteurs, contacteurs et interrupteurs MT enannexe 1.

4.3 Normes

Normes CEILa norme 56.1987 indique les modalités d’essaispour la fermeture et la coupure de courantscapacitifs. Deux circuits d’alimentation sontpossibles :c circuit A : Impédance telle que le courant decourt-circuit est inférieur ou égal à 10 % du

pouvoir de coupure nominal en court-circuit dudisjoncteur,c circuit B : Impédance telle que le courant decourt-circuit est de l’ordre du pouvoir de coupurenominal en court-circuit du disjoncteur.

Si Icapa est Ie pouvoir de coupure nominal encourant capacitif, on distingue 4 séquences


d’essais (cf. fig. 16 ci-contre). Chaque séquenced’essais doit comporter 10 essais (cas triphasé)ou 12 essais (cas monophasé).

En ce qui concerne le pouvoir de fermeture desbatteries de condensateurs à gradins, la normeCEI rappelle les méthodes de calcul des courantsd’enclenchement et indique l’ordre de grandeur dela fréquence propre de ces courants : 2 à 5 kHz.

Norme ANSIDocuments concernés :

ANSI C 37-06 (1987), IEEE C 37-09 (1979),IEEE C 37-12 (1979)

Définition des paramètres de cette norme :c V : tension nominale maximalec Isc : courant de court-circuitc A = Isc

Isc − Icapa

.

Voir figure 17 ci-dessous.Dans chaque séquence, un amorçage est tolérés’il n’a pas lieu au-delà d’1/3 de cycle après lacoupure (soit 5,5 ms).

fig. 16 : les quatre séquences d’essais selon la normeCEI 56.

séquences circuit courant d’essaid’alimentation en % de I capa

1 A 20 à 40

2 A supérieur à 100

3 B 20 à 40

4 B supérieur à 100

fig. 17 : séquence d’essai selon norme ANSI.

séquence n ° de tension % capa nombreséquence d’opérations

banc de capacité 1 A 2V.(1+A)-1 30 24 Oisolé ou câblé

banc de capacité 1 B 2V.(1+A)-1 100 24 FOisolé ou câblé

back to back 2 A 2V.(1+A)-1 30 24 O

back to back 2 B 2V.(1+A)-1 100 24 FO

fig. 18 : essais selon norme ANSI - valeur de Icapa fonction de In.

I n (A) I capa max (A)

disjoncteur intérieur disjoncteur extérieur

1 200 630 400

2 000 1 000 400

3 000 1 600 400

Nombre d’opérations : 24 ouvertures répartiesde la façon suivante :c 12 O de 0° à 180° avec 2 O tous les 30°,c 6 O avec temps d’arc 1ère phase qui coupe leplus court (à ± 7,5°),c 6 O avec temps d’arc 1ère phase qui coupe leplus long (à ± 7,5°).Valeur de Icapa (cf. fig. 18 ).Paramètres d’essais back to back (cf. fig. 19 ).

fig. 19 : paramètres d’essais « back to back ».

disjoncteur intérieur disjoncteur extérieur

Ie (kÂ) fe (kHz) Ie (kÂ) fe (kHz)

In ≤ 2 000 A 15 ≤ 2,0 20 4,2

In = 3 000 A 25 1,3 20 4,2


nombre classe endurance endurance endurance enduranced’appareils électrique mécanique électrique mécaniqueà essayer

1 1 3 000 F/O 2 000 F/O

2 5 000 F/O 5 000 F/O 5 000 F/O 5 000 F/O

2 1 appareil 1 5 000 F/O

appareil 2 2 000 F/O

2 appareil 1 20 000 F/O

appareil 2 10 000 F/O

4.4 Tableau de choix de l’utilisation de l’appareillage moyenne tension MG

fig. 20 : essais pour EDF.

Endurance électrique (en fermeture)Les différents essais qui ont pu être menés enlaboratoire, ainsi que les calculs théoriquesd’usure des contacts suivant la loi de Weibullnous permettent de donner, pour chaqueappareil, le nombre de manœuvres maximalen fonction de la valeur du courantd’enclenchement.La fréquence d’oscillation a peu d’influencesur l’usure des contacts et donc sur le

comportement de l’appareil, (sauf contacteurRollarc 1,6 kHz maxi).Les courbes pour chaque appareil sontconsignées en annexe n° 2, ainsi que desréférences d’essais, et un tableau indiquant pourchaque appareil :c le courant crête correspondant à l’endurancemécanique de l’appareil,c le courant crête maximum et le nombre demanœuvres correspondant.

Règlement EDF

Normes : NF C 64-132, interrupteurs de batteriesde gradins de condensateurs.

EDF utilise des gradins de condensateurs MTsous enveloppe avec interrupteur intégré.L’interrupteur Merlin-Gerin utilisé est l’ISF1.Puissance des batteries : 4,8 Mvar soit 160 Asous 20 kV.

EDF distingue 2 classes d’interrupteurs(cf. fig. 20 ). Les essais peuvent être effectués :c soit sur un même appareil, dans l’ordre dutableau,

c soit sur deux appareils, l’un subissant lesessais d’endurance mécanique, l’autre subissantles essais d’endurance électrique.

L’interrupteur ISF1 satisfait à la classe 2 quirequiert 10 000 F/O en endurance électrique( Ie = 10,2 kÂ avec une fréquence de 4400 Hzet Icapa = 160 A) et 10 000 F/0 en endurancemécanique : ces essais illustrent, pour lematériel MG à coupure dans le SF6, la parfaitemaîtrise des phénomènes électriques quisurviennent lors de l’enclenchement et dudéclenchement des capacités sur le réseau,ainsi que l’endurance mécanique élevée.


5 Calcul des courants d’enclenchement et inductances de choc

Préliminaires :c Définition des symboles utilisés : voir § 1page 3.

c En fonction des tensions et courants nominaux(avec Icapa ≤ 0,7 In), du pouvoir de coupure, etc.on suppose choisi l’appareillage pour les calculsqui suivent.

5.1 Batterie unique c Puissance Q = U2Cω = 3 U Icapac Courant crête de fermeture :

Ie = 1

L0Cx

1

ω Icapa 2

Scc

Q

Scc = 3 U Icc = U

2

L0ω

Lo : inductance source.Scc : puissance de court-circuit du réseau.c Fréquence propre d’oscillation :

fe = 1

2π L0C

En général, il n’y a pas nécessité d’inductancede choc, sauf dans le cas où Scc est élevée et Qfaible ; le courant crête doit alors être limité :v soit pour les condensateurs ( Ie > 100 Icapa),v soit pour l’appareillage ( Ie incompatible aveccourbes en annexes).

c Calcul de l’inductance de choc l (qui serajoute à L0)v 1er casIe > 100 Icapa (limitation du condensateur).

Prendre L u

U2

ω200

Q−

106

Scc

avec L en µH U en kV

Q en Mvar SCC en MVAv 2ème casIe > Iencl. max courant crête, maximum del’appareil (indiqué en annexe 2).

Prendre L u

106

ω2Q

3 Iencl. max( )2 −U

2

Scc

avec L en µH U en kVQ en Mvar Iencl. max en kÂ.v 3ème cas

Cumul du premier cas et du deuxième cas.Prendre pour L la plus grande valeur trouvée.

5.2 Batterie en gradinsc n gradins (identiques) enclenchés quand onenclenche le n+1ème.c Puissance unitaire :

Q = U2Cω = 3 U Icapac Courant crête de fermeture :

Ie =

2

3U x

n

n+1

C

l = Icapa 2

n

n+1

fef

l inductance de liaison : 0,5 µH/m est une bonneapproximation pour les barres ou câbles en MT.

c Fréquence d’oscillation :

fe =

1

2π lC

Les inductances de liaison entre les différentesbatteries sont généralement très réduites(quelques µH).C’est pourquoi une limitation des courantsd’enclenchement par une inductance de choc ensérie avec la batterie est très généralementnécessaire (cf. fig. 21 ).


c Calcul de l’inductance de choc L.On néglige dans le calcul la valeur de I qui serajoute à L.vvvvv 1er casIe > 100 Icapa (limitation du condensateur).

C C

��

��

fig. 21 : les inductances séries limitent les courantsd’enclenchement.

Prendre L u n

n+1

22.10

2

ω U

2

Qvvvvv 2ème casIe > Iencl. max courant crête, maximum del’appareil (indiqué en annexe 2).

Prendre L u n

n+1

22.10

6

3ωQ

Iencl. max( )2

avecn : nombre de gradins enclenchés quand onenclenche le n+1ème,Q : puissance batterie en Mvar,Iencl. max : pouvoir de fermeture max de l’appareilen kÂ,U : tension en kV,L : inductance de choc en µH.vvvvv 3ème casCumul premier cas + deuxième cas.Prendre pour L la plus grande valeur trouvée.

Nota : Une page de synthèse de calculs descourants d’enclenchement dans le casbatterie unique et le cas batterie en gradinsest donnée en annexe 3.

5.3 Les inductances de choc

Les inductances devront être adaptées enfonction des possibilités des fabricants et desconsidérations économiques.Installation : intérieur - extérieur.Courant permanent nominal : 1,3 à 1,5 In .Valeur de l’inductance : 0 + 20 %.Tenue thermique aux surintensitésmomentanées : 30 à 50 In .

Tenue électrodynamique : Icc crête au point deraccordement.II s’agit d’inductance dans l’air sans noyaumagnétique.Lee valeurs les plus utilisées sont desinductances de 50,100 ou 150 µH.Exemple : EDF 50 µH 200 A pour 3 gradins de4,8 Mvar sous 20 kV.


6 Protection contre les surintensités

La protection contre les surintensités peut êtreréalisée par un fusible ou par un disjoncteur

équipé d’une protection à temps indépendant àdouble seuil.

6.1 Protection par fusible

Le courant d’enclenchement, même limité, peutentraîner la détérioration des fusibles. Pourdéterminer le calibre du fusible, il faut calculer lavaleur crête du courant d’enclenchement,comme indiqué précédemment, et déterminer laconstante de temps de ce courant transitoire.La méthode est assez complexe. Elle nécessitede connaître la résistance du réseau amont et la

résistance des fusibles. Il existe des logicielspermettant de déterminer le calibre des fusibles.En pratique, le calibre des fusibles est de 1,8 à2,5 fois le courant nominal de la batterie decondensateurs.La protection par fusible est efficace contre lescourts-circuits sur le circuit de branchement de labatterie au réseau.

6.2 Protection par disjoncteur

Le disjoncteur doit être équipé d’une protection àtemps indépendant, à double seuil.

Seuil bas I rb

Il protège contre les surcharges dues à un tauxd’harmoniques de tension anormalement élevé.Il doit être réglé à 1,43 fois le courant nominal dela batterie de condensateurs.Irb = 1,43 Incapa.La temporisation Tb peut être réglée à plusieurssecondes.En présence d’harmoniques, la protection contreles surcharges doit mesurer la valeur efficacevraie du courant.Il faut bien noter à ce propos que sur un réseau,la présence simultanée d’harmoniques et decondensateurs est à examiner de près : le

Cahier Technique n°152, consacré auxperturbations harmoniques, détaille ce cas defigure qui outre une augmentation de la pollutionharmonique par résonance avec l’inductance duréseau, peut mettre en danger les condensateurs.

Seuil haut I rh

Comme les fusibles, il protège contre les courts-circuits. Il doit être réglé à une valeur inférieureau courant de court-circuit minimal.Irh i 0,8 Iccb,minLe calcul montre que la durée du courantd’enclenchement est faible (surtout dans le casde batteries en gradins). Elle est inférieure à200 ms.La temporisation Th pourra donc être fixée à0,2 seconde.


6.3 Protection contre les défauts internes

Lorsqu’un condensateur unitaire se met endéfaut, le courant absorbé par la branche de labatterie concernée augmente. Par exemple, eten supposant cet élément en court-circuit franc,la variation est de 11% si 10 condensateurs sonten série. Ce défaut, indétectable par les protec-tions de surintensité peut entraîner un effetd’avalanche qui conduit à la destruction d’autrescondensateurs unitaires, puis de la batterie.

Il existe des protections basées sur la symétriedu schéma des batteries. A titre d’exemple,l’assemblage dit « double étoile » estcouramment utilisé. Comme indiqué sur lafigure 22 , un relais de protection contre lesdéséquilibres entre points neutres permet dedétecter la circulation d’un courant dans laliaison entre ces deux points. La détérioration

d’éléments condensateurs provoque undéséquilibre, et donc la circulation d’un courantdétectable.

Le seuil de réglage est donné par leconstructeur. Il dépend de la structure internede la batterie (association série et parallèle decondensateurs unitaires) et de la présence ounon de fusibles internes de protection descondensateurs.

La temporisation est de l’ordre de quelquesdixièmes de seconde.

La présence de fusibles internes sur lescondensateurs (cf. fig. 23 ) est une améliorationqui permet une bonne continuité de service. Labatterie assure encore sa fonction même avecplusieurs éléments déconnectés.

In >

fig. 22 : batterie en double étoile.fig. 23 : Condensateur avec fusibles internes,constitué de 4 groupes en série.


Annexe 1 : principales caractéristiques de l’appareillage MT

Toutes les caractéristiques à jour sont donnéesdans les fiches techniques. Nous en rappelonsici quelques-unes (valables en 1997) :

(*) Ces appareils peuvent aussi être utilisés eninterrupteur de condensateur.

Disjoncteurs (*) Performances Courant en Courant capacitifen coupure service continu coupé

LF1 Jusqu’à 12 kV - 31,5 kA 630 et 1250 A 400

LF2 50 kA - 7,2 kV 630 à 1250 A 400

40 kA - 12 kV31,5 kA - 17,5 kV

LF3 Jusqu’à 50 kA - 7,2 kV 1250 à 3150 A 400

Jusqu’à 50 kA - 12 kVJusqu’à 34,5 kA - 17,5 kV

SF1 Jusqu’à 25 kA - 40,5 kV 630 et 1250 A 400 à 800 A

SF2 Jusqu’à 40 kA - 36 kV 2500 A 400 à 1750 A

Contacteur (*)

Rollarc R 400 10 kA - 7,2 kV 400 A 240 A

Interrupteur pourcondensateur

ISF1 24 kV 200 A 160 A


Annexe 2 : choix de l’appareillage MT, qualifications

Tableau de choix :

Appareil Désignation Nbre maxi de Iencl. à Nbre de man. Iencl. max

man. N max N max - kÂ à Iencl. max kÂ

Disjoncteur SF1 10 000 10 3500 15

SF2 10 000 13 2000 25

LF1 10 000 13 2000 25

LF2 10 000 13 2000 25

LF3 10 000 13 2000 25

Contacteur Rollarc 80 000 2 15 000 4

Interrupteur ISF1 10 000 10 3500 15

Ienclenchement (Ie) kÂ fe ≤ 1,6 kHz

4

2

1,5

11 15 000 80 000 100 000

nombre de manœuvres

Ienclenchement (Ie) kÂ

Icc ≤ 29 kA

SF1 ISF1

25

151310

1

1 2 000 3 000 10 000nombre de manœuvres

➀

➀

SF2 LF1 LF2 LF3

➁

➁

Courant d’enclenchement en fonction du nombre de manœuvres.

a - tensions : 12 - 17,5 - 24 - 36 - 40,5 kV

b - tensions : 7,2 - 12 kV


Quelques essais de qualification :c Endurance à la fermeturev ISF1

Qualification en cours de l’interrupteur degradins de condensateurs de 4,8 Mvar classe 2pour EDF basée sur :

- les essais de fermeture/coupure déjà réaliséslors de la qualification de l’IFB4 (en raison de lagrande similitude des parties actives des deuxappareils, soit 10 000 F/O sous 23 kV aveccourant de fermeture 11,5 kÂ, fréquenced’oscillation 3,4 kHz et courant d’ouverture de160 A (rapport EDF HM51.02.201),

- les essais d’endurance mécanique, soit 20 000fermetures/ouvertures à vide (rapport LEMTn° M534b).c Autres essais en fermeture/ouverturev LF1

Essais triphasés 440 A / 12 kV(rapport VOLTA C2200).v LF2

- Essais triphasés 400 A / 17,5 kV24 O à 120 A et 80 F/O 400 Aà Î = 5,6 kA et F = 500 Hz(rapport VOLTA B3995).

- Essais monophasés de manœuvre dos à dosde batterie de gradins de condensateurs80 FO à 400 Aà Î = 20 kA et F = 4250 Hz(rapport VOLTA B4004).v LF3

- Essais triphasés 400 A / 17,5 kV24 O à 120 A et 80 F/O à 400 Aà Î = 5,6 kA et F = 500 Hz(rapport VOLTA B3994).v SF1

- SF1 630 A 24 kV 16 kAEssais triphasés 440 A / 29 kV(rapport CESI GPS 1952 A).

- SF1 630 A 36 kV 12,5 kAEssais triphasés 440 A / 39 kV(rapport CESI GPS 1952 B).

- SF1 1250 A 26,4 kV 12,5 kASelon norme Hydro-Quebec SN-15.6aEssais monophasés gradin unique. 34 F/O à 1040 A / 28,4 kV. 33 F/O à 196 A / 23,8 kVEssais monophasés dos à dos de batterie degradins de condensateurs. 24 F/O à 860 A / 27,5 kV,Î = 20 kA, f = 4250 Hz. 24 F/O à 184 A / 23,5 kVrapport CESI GPS-94/011027.

- SF1 1250 A 36 kV 25 kA 50 HzEssais monophasés 790 A/29,1 kV(790 A / 36 kV triphasé).(rapport ASTA C 2125 b).


Batterie unique Batterie en gradins

(cas de gradins identiques)

L0 = inductance de C/C du réseau n gradins enclenchés quand on

Scc = 3 U Icc enclenche le n+1ème

avec U / 3 = L0ωIcc = U2

/ L0ω l = inductance de liaison (0,5µH/m)

Puissance batterie Q = U2Cω = 3 Icapa Q = U

2Cω = 3 Icapa

Q = puissance de chaque gradin

Courant crête de Ie =1

L0C

1

ωIcapa 2 = Icapa 2

Scc

Q Ie =

2

3 U

n

n+1

C

l= Icapa 2

n

n+1

fpropre

réseaufermeture

Fréquence propre fe = 1

2π L0C

fe = 1

2π lC

Courant crête max. Icrête max. batt. = 100 Icapa Icrête max. batt. = 100 Icapa

batterie

Endurance électrique cf. courbe annexe 2 cf. courbe annexe 2appareillage

Courant nominal

I

nominalu

Icapa

0,7 I

nominalu

Icapa

0,7appareillage

Coefficient surtension 2 p.u. n+2

n+1p.u.

réseau

Coefficient surtension 2 p.u.2n

n+1p.u.

batterie

Inductance de choc en général, pas besoin en général, besoin d’inductance de choc

d’inductance de choc(sauf si Scc élevé et Q faible)

Calcul inductance de

Lu 106

ω2Q

3 Icrête max( )2 −

U2

Scc

Lu 2.106

3

Q

ωn

n+1

2

.1

Icrête max( )2choc

L0

C U

C

1 2 n+1

C

��

C

l l l

��

��

L : µH Q : Mvar Scc : MVAIcrête max : kÂ (*)

L : µH Q : Mvar Scc : MVAIcrête max : kÂ (*)

Nota : définition des symboles utilisés : voir §1 page 6.Icrête max est la plus petite des deux valeurs d’enclenchement suivantes :- le courant crête maximum de la batterie (soit 100 Icapa)- le courant crête maximum de l’appareillage Iencl. max. (cf. annexe 2 : courbes ou 2e colonne du tableau récapitulatif)

Annexe 3 : tableau de synthèse des calculs des courantsd’enclenchement

Enclenchement de batteries de condensateurs


Annexe 4 : bibliographie

Normesc ANSI C37-06 (1987)Standard for switchgear AC High Voltage CircuitBreakers rated on a symetrical current basis.Preferred ratings and related capabilities.c ANSI/IEEE C37-09 (1979)

Standard test procedure for AC High Voltagecircuit breakers rated on a symetrical currentbasis.c ANSI/IEEE C37-012 (1979)

Application guide for capacitance currentswitching for AC High Voltage circuit breakersrated on a symetrical current basis.c CEI 56.1987

Disjoncteurs à courant alternatif à haute tension.c CEI 871-3 (1996)

Condensateurs shunt pour réseaux à courantalternatif de tension assignée supérieure à1000 V. Partie 3 : protection des condensateursshunt et des batteries de condensateurs shunt.c NF C 64-132

Interrupteurs tripolaires de tension assignée24 kV destinés à la manœuvre de batteries degradins de condensateurs.c SN-15.6a (déc. 1993)Disjoncteurs à 26,4 et 28,4 kV. Spécificationtechnique normalisée. Hydro-Québec Canada.

Cahiers Techniquesc Les perturbations harmoniques dans lesréseaux industriels, et leur traitement,Cahier Technique n° 152, décembre 1990 -P.ROCCIA et N. QUILLON.

Ouvrages diversc Guide de la compensation d’énergie réactiveet filtrage d’harmoniques HT/MT.Document technique Merlin-Gerin Rectiphase.c Electra n° 87Spécifications concernant les essais demanœuvres sur courant capacitif desdisjoncteurs sans résistance shunt à l’aide decircuits d’essais synthétiques.c Electra n° 155 (Août 1994)Manœuvres des courants capacitifs. Etat de l’art.