Cahier technique N° 199 2/2

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    05-Jan-2017

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    Cahier technique n 199

    La qualit de lnergie lectrique

    Ph. Ferracci

    Collection Technique

    Partie 2/2

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.18

    4.2 La CEM et les niveaux de planification

    La compatibilit lectromagntique (CEM)

    La compatibilit lectromagntique est laptitudedun appareil ou dun systme fonctionnerdans son environnement lectromagntique defaon satisfaisante et sans produire lui-mmedes perturbations lectromagntiquesintolrables pour tout ce qui se trouve dans sonenvironnement (VEI 60050 (161)).Lobjectif de la compatibilit lectromagntiqueest dassurer que :

    c Lmission de chaque source spare deperturbations est telle que lmission combinede toutes les sources nexcde pas les niveauxde perturbation attendus dans lenvironnement.

    c Le niveau dimmunit des quipements permetle niveau de performance appropri au niveaude perturbations attendu selon trois classesdenvironnement (cf. fig. 7 ).

    A noter que lenvironnement est dtermin aussipar les caractristiques spcifiques delinstallation de lusager (schma lectrique delinstallation, types de charges) et par lescaractristiques de la tension dalimentation.

    Un moyen dassurer les niveaux de compatibilitest de spcifier les limites dmission desinstallations des usagers avec une margesuffisante en dessous du niveau decompatibilit. En pratique ceci est ralisablepour les installations de grande puissance(CEI 61000-3-6, CEI 61000-3-7). Pour les autresinstallations (par ex. BT) les normes produits spcifient des limites dmission par famillesdquipements (ex. la norme CEI 61000-3-2impose les limites dmission harmoniques encourant pour les charges de moins de 16 A).

    Dans certains cas, il est ncessaire de mettre enuvre des moyens techniques qui maintiennentles niveaux dmission en dessous des niveauxprescrits.

    Caractristiques de la tension

    La mthode permettant dvaluer les caractristi-ques relles de la tension en un point donn durseau et de les comparer aux limites prcites,est base sur un calcul statistique sur une priodedonne de mesures. Par exemple, pour la tensionharmonique la priode de mesure est dunesemaine et 95 % des valeurs efficaces calculessur des priodes successives de 10 minutes nedoivent pas dpasser les limites spcifies.

    Niveaux de planificationCe sont des objectifs internes de qualitspcifis par lexploitant du rseau et utilisspour valuer limpact sur le rseau de toutes lescharges perturbatrices. Ils sont habituellementgaux ou infrieurs aux niveaux de compatibilit.

    Rsum

    La figure 8 rsume les relations entre lesdiffrents niveaux de perturbation.

    Fig. 7 : les niveaux de compatibilit selon la norme CEI 61000-2-4.

    Fig. 8 : relations entre les diffrents niveaux deperturbation.

    Susceptibilit des matriels

    Niveau d'immunit(valeur d'essai spcifie)

    Niveau de compatibilit(valeur conventionnelle)

    Niveau de planification

    Niveau d'mission

    Caractristiquede la tension

    Niveau de perturbation

    Densit de probabilit

    Perturbations Classe 1 Classe 2 Classe 3

    Variations de tension U/UN 8 % 10 % +10 % -15 %Creux de tension(1)

    U / UN 10 % 100 % 10 % 100 % 10 % 100 %T (nombre de demi-priode) 1 1 300 1 300Coupures brves (s) aucune i 60Dsquilibre de tension Ui / Ud 2 % 2 % 3 %

    Variations de frquence f / fN 1 % 1 % 2 %

    (1) Ces valeurs ne sont pas des niveaux de compatibilit : elles sont donnes titre indicatif.

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.19

    Une dgradation de qualit peut conduire unemodification du comportement, desperformances ou mme la destruction desquipements et des procds qui en dpendentavec des consquences possibles sur la scuritdes personnes et des surcots conomiques.Ceci suppose trois lments :

    c un ou plusieurs gnrateurs de perturbations,c un ou plusieurs rcepteurs sensibles cesperturbations,

    c entre les deux un chemin de propagation deces perturbations.

    Les solutions consistent agir sur tout ou partiede ces trois lments soit de faon globale(installation) soit de faon locale (un ou plusieursrcepteurs).Ces solutions peuvent tre mise en uvre pour :

    c corriger un dysfonctionnement dans uneinstallation,

    c agir de faon prventive en vue duraccordement de charges polluantes,

    c mettre en conformit linstallation par rapport une norme ou des recommandations dudistributeur dnergie,

    c rduire la facture nergtique (rduction delabonnement en kVA, rduction de laconsommation).

    Les rcepteurs ntant pas sensibles aux mmesperturbations et avec des niveaux de sensibilitdiffrents, la solution adopte, en plus dtre laplus performante dun point de vue technico-conomique, doit garantir un niveau de QEE surmesure et adapt au besoin rel.Un diagnostic pralable effectu par desspcialistes, de faon dterminer la nature des

    perturbations contre lesquelles il faut seprmunir (par ex. les remdes sont diffrentsselon la dure dune coupure), estindispensable. Il conditionne lefficacit de lasolution retenue. Ltude, le choix, la mise enuvre et la maintenance (qui assure lefficacitdans le temps) de solutions doivent aussi treeffectus par des spcialistes.Lutilit mme de choisir une solution et de lamettre en uvre dpend :

    c Du niveau de performance souhaitUn dysfonctionnement peut tre inadmissible silmet en jeu la scurit des personnes (hpitaux,balisage des aroports, clairages et systmesde scurit des locaux recevant du public,auxiliaires de centrale)

    c Des consquences financires dudysfonctionnement

    Tout arrt non programm, mme trs court, decertains procds (fabrication de semi-conducteurs, sidrurgie, ptrochimie) conduit une perte ou une non qualit de laproduction voire une remise en tat de loutil deproduction.

    c Du temps de retour sur investissementsouhait

    Cest le rapport entre les pertes financires(matires premires, pertes de production)provoques par la non-qualit de lnergielectrique et le cot (tude, mise en uvre,fonctionnement, maintenance) de la solution.

    Dautres critres tels que les habitudes, larglementation et les limites de perturbationsimposes par le distributeur sont aussi prendreen compte.

    5.1 Creux de tension et coupures

    Larchitecture du rseau, les automatismes deralimentation, le niveau de fiabilit desmatriels, la prsence dun systme de contrle-commande ainsi que la politique de maintenancejouent un rle important dans la rduction etllimination des temps de coupure.

    Pour choisir une solution efficace, il faut avanttout raliser un bon diagnostic. Par exemple, aupoint de couplage commun (entre lectrique duclient), il est important de savoir si le creux detension provient de linstallation du client (avecaugmentation correspondante de lintensit) oudu rseau (sans augmentation).Diffrents types de solutions existent.

    Rduction du nombre de creux de tensions etde coupures

    Les distributeurs peuvent prendre certainesdispositions telles que la fiabilisation des ouvrages(maintenance prventive cible, renouvellement,mise en souterrain), la restructuration desrseaux (raccourcissement de la longueur desdparts). Ils peuvent aussi, au sein des rseaux neutre impdant, remplacer des disjoncteursdclencheurs-renclencheurs automatiques pardes disjoncteurs shunt qui ont le gros avantagede ne pas provoquer de coupures sur le dpartavari en cas de dfaut fugitif la terre(rduction du nombre de coupures brves).

    5 Solutions pour amliorer la QEE

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.20

    Ces disjoncteurs provoquent lextinction desdfauts fugitifs la terre en annulant pendant aumoins 300 ms la tension aux bornes du dfautpar la mise la terre de la seule phase en dfautau niveau du jeu de barres du poste source. Cequi ne modifie pas la tension entre phasesalimentant la clientle.

    Rduction de la dure et de la profondeurdes creux de tension

    c Au niveau du rseauv Augmentation des possibilits de bouclage(nouveaux postes source, interrupteur debouclage).v Amlioration du niveau de performance desprotections lectriques (slectivit, automatismede reprise dalimentation, organestlcommands en rseau, tlconduite,remplacement des clateurs par desparafoudres).v Augmentation de la puissance de court circuitdu rseau.

    c Au niveau des quipementsDiminution de la puissance absorbe par lescharges de fortes puissances lors de leur misesous tension avec des compensateursautomatiques en temps rel et des dmarreursprogressifs qui limitent les pointes de courant(ainsi que les sollicitations mcaniques).

    Insensibilisation des installationsindustrielles et tertiairesLe principe gnral de dsensibilisation contreles creux de tension et les coupures est decompenser le manque dnergie par un dispositif rserve dnergie intercal entre le rseau etlinstallation. Cette rserve doit avoir uneautonomie suprieure la dure du dfaut detension dont on veut se protger.Les informations ncessaires au choix dudispositif dinsensibilisation sont :

    c qualit de la source (niveau maximal deperturbations prsent),

    c exigences des rcepteurs (sensibilit dans leplan dure-profondeur).Seule une analyse fine du process et desconsquences techniques et financires de laperturbation permet de les runir.

    Diffrentes solutions de dsensibilisation sontpossibles selon la puissance ncessaire linstallation et la dure du creux de tension oude la coupure.

    Il est souvent intressant dtudier les solutionsen distinguant lalimentation du Contrle-

    Commande et des rgulations de celle desmoteurs et des gros consommateurs dnergie.En effet, un creux de tension ou une coupure(mme brve) peut tre suffisante pour faireouvrir tous les contacteurs dont les bobines sontalimentes par le circuit de puissance. Lesrcepteurs commands par des contacteurs nesont alors plus aliments lors du retour de latension.

    Insensibilisation du contrle-commande

    Linsensibilisation dun process estgnralement base sur linsensibilisation ducontrle commande.Le contrle-commande des quipements est engnral peu consommateur dnergie et sensibleaux perturbations. Il est donc souvent plusconomique de dsensibiliser uniquement lecontrle-commande et non pas lalimentation enpuissance des quipements.Le maintien de la commande sur les machinessuppose :

    c quil ne peut y avoir danger pour la scurit dupersonnel et des quipements lors du retour dela tension,

    c que les charges et les procds admettent unecoupure brve du circuit de puissance (forteinertie ou ralentissement tolr) et puissent r-acclrer la vole lors du retour de la tension,

    c que la source peut assurer lalimentation delensemble des rcepteurs en rgime permanent(cas dune source de remplacement) mais aussilappel de courant provoqu par le redmarragesimultan de nombreux moteurs.

    Les solutions consistent alimenter toutes lesbobines des contacteurs par une sourceauxiliaire sre (batterie ou groupe tournant avecvolant dinertie), ou utiliser un relais temporis la retombe, ou encore par lintermdiaire dunredresseur et dun condensateur branch enparallle avec la bobine.

    Insensibilisation de lalimentation enpuissance des quipementsCertains rcepteurs nacceptent pas les niveauxde perturbations attendus, voire ni creux detension ni coupures. Cest le cas des charges prioritaires telles que les ordinateurs,clairages et systmes de scurit (hpitaux,balisage des aroports, locaux recevant dupublic) et les chanes de fabrication continue(fabrication de semi-conducteurs, centres decalcul, cimenterie, traitement de leau,manutention, industrie du papier, sidrurgie,ptrochimie, etc.).

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.21

    En fonction de la puissance ncessaire linstallation et de la dure du creux de tensionou de la coupure le choix se fait entre lesdiffrentes solutions techniques suivantes.

    c Alimentation statique sans interruption (ASI)Une ASI est constitue de trois lmentsprincipaux :v un redresseur-chargeur, aliment par lerseau, transforme la tension alternative entension continue ;v une batterie est maintenue charge, qui, lorsdune coupure, fournit lnergie ncessaire lalimentation de la charge par londuleur ;v un onduleur qui transforme la tension continueen tension alternative.

    Deux technologies sont couramment utilises :on-line ou off-line.

    v La technologie on-lineEn fonctionnement normal, lalimentation estdlivre en permanence par londuleur sanssolliciter la batterie. Cest par exemple le cas desonduleurs Comet, Galaxy de la marque MGE-UPS. Ils assurent la continuit (pas de dlais decommutation) et la qualit (rgulation de tensionet de frquence) de lalimentation pour descharges sensibles de quelques centaines plusieurs milliers de kVA.Plusieurs ASI peuvent tre mises en paralllepour obtenir plus de puissance ou pour crerune redondance.En cas de surcharges, lutilisation est alimentepar le contacteur statique (cf. fig. 9 ) partirdu rseau 2 (qui peut tre confondu avec lerseau 1).

    La maintenance est assure sans coupure viaun by-pass de maintenance.

    v La technologie off-line (ou stand-by)Elle est employe pour des applications nedpassant pas quelques kVA.En fonctionnement normal, lutilisation estalimente par le rseau. En cas de perte durseau ou lorsque la tension sort des tolrancesprvues, lutilisation est transfre sur londuleur.Cette commutation provoque une coupure de2 10 ms.

    c La permutation de sourcesUn dispositif labore les ordres de permutationde la source principale une source de rempla-cement (et inversement) pour lalimentation descharges prioritaires et si ncessaire met lesordres de dlestage des charges non prioritaires.Trois types de permutation existent selon ladure de transfert (t) :v synchrone (t = 0),v temps mort (t = 0,2 30 s) ,v pseudo-synchrone (0,1 s < t < 0,3 s).Ces dispositifs imposent des prcautionsparticulires (cf. Cahier Technique n161).Par exemple, lorsque linstallation comporte denombreux moteurs, leurs racclrationssimultanes provoquent une chute de tensionqui peut empcher le redmarrage ou conduire des redmarrages trop longs (avec des risquesdchauffement). Il est alors judicieux de prvoirun automate qui ralise un redmarragechelonn des moteurs prioritaires, particulire-ment avec une source de remplacement (desecours) de faible puissance de court-circuit.

    Batterie

    Disjoncteur batterie (NF)

    Interrupteuroudisjoncteur (NF)

    Interrupteur(NF)

    Utilisation

    Rseau 2

    Rseau 1

    Arrives rseaud'alimentation

    Interrupteur (NF)

    Contacteur statique

    By-pass manuel de maintenance (NO)

    Redresseur chargeur Onduleur

    NO : normalement ouvert

    NF : normalement ferm

    Fig. 9 : schma de principe dune alimentation sans interruption (ASI) on-line.

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.22

    Cette solution est retenir lorsquune installationne peut pas supporter une longue interruption,suprieure quelques minutes, et/ou ncessiteune grosse puissance disponible. Elle peut aussitre prvue en complment dune ASI.

    c Groupe temps zroDans certaines installations, lautonomiencessaire en cas de coupure est telle quungroupe lectrogne est install (des batteriesconduiraient des cots prohibitifs, desproblmes de ralisation technique ou desproblmes dinstallation). Cette solution permet,en cas de perte de lalimentation, deffectuergrce lautonomie de la batterie, le dmarragedu groupe lectrogne, sa mise en vitesse, unventuel dlestage et un couplage sans coupureau moyen dun inverseur de source automatique.

    c Compensateurs lectroniquesCes dispositifs lectroniques modernescompensent dans une certaine mesure les creuxde tension et les coupures avec un faible tempsde rponse, par exemple le compensateurautomatique en temps rel ralise une

    compensation en temps rel de la puissanceractive ; il est particulirement bien adapte aucas des charges variant rapidement et de faonimportante (soudeuses, lvateurs, presses,concasseurs, dmarrages moteur).

    Larrt propre

    Si un arrt est acceptable, limpossibilit duneremise en marche non contrle estparticulirement indique lorsquun redmarrageintempestif prsente un risque pour loprateursur machine (scie circulaire, machine tournante)ou pour le matriel (cuve de compression encoresous pression ou talement des redmarragesdans le temps de compresseurs de climatiseurs,pompes chaleur ou de groupes frigorifiques)ou pour lapplication (ncessit de contrler leredmarrage de la fabrication). Un redmarrageautomatique du procd peut tre ensuiteassur par un automate selon une squence deredmarrage prtablie quand les conditionssont redevenues normales.

    Rsum (cf. tableau ci-dessous)

    Puissance Dure (grandeurs indicatives) Solution de dsensibilisationde linstallation et impratifs techniques

    0 100 ms 400 ms 1 s 1 min > 3 min100 ms 400 ms 1 s 1 min 3 min

    Quelques VA Temporisation des contacteurs.

    Alimentation en courant continuavec stockage par capacit.

    < 500 kVA Groupe tournant avecvolant dinertie.

    < 1 MVA Permutation de sourceGroupe diesel.

    < 300 kVA Entre 15 minutes et plusieurs heures, suivant la capacit Alimentation en courant continude la batterie. avec stockage par batterie.

    < 500 kVA La permutation sur une source de secours peut Groupe tournant avec volantprovoquer une coupure brve. dinertie et moteur thermique ou

    source de secours.

    < 500 kVA Entre 15 minutes et plusieurs heures, suivant la capacit Moteur courant continu associde la batterie. une batterie et un alternateur.

    < 1 MVA (jusqu Entre 10 minutes (standard) et plusieurs heures, ASI.4800 kVA avec suivant la capacit de la batterie.plusieurs ASI en parallle)

    Systme de dsensibilisation efficace

    Systme de dsensibilisation inefficace

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.23

    5.2 Harmoniques

    v Dclasser des quipementsv Confiner les charges polluantesEn premier, il faut raccorder les quipementssensibles aussi prs que possible de leur sourcedalimentation.Ensuite, il faut identifier puis sparer les chargespolluantes des charges sensibles, par exempleen les alimentant par des sources spares oupar des transformateurs ddis. Tout cela ensachant que les solutions qui consistent agirsur la structure de linstallation sont, en gnral,lourdes et coteuses.

    v Protections et surdimensionnement descondensateursLe choix de la solution dpend des caractristi-ques de linstallation. Une rgle simplifie permetde choisir le type dquipement avecGh puissance apparente de tous les gnrateursdharmoniques aliments par le mme jeu debarres que les condensateurs, et Sn puissanceapparente du ou des transformateurs amont :- si Gh/Sn i 15 % les quipements type standardconviennent,- si Gh/Sn > 15 % deux solutions sont envisager.1 - Cas de rseaux pollus(15 % < Gh/Sn i 25 %) : il faut surdimensionner encourant les appareillages et les liaisons en srieet en tension les condensateurs.2 - Cas de rseaux trs pollus(25 % < Gh/Sn i 60 %) : il faut associer des selfsanti-harmoniques aux condensateurs accordes une frquence infrieure la frquence delharmonique le plus bas (par exemple 215 Hzpour un rseau 50 Hz) (cf. fig. 10 ). Ceci limineles risques de rsonance et contribue rduireles harmoniques.

    Trois orientations sont possibles pour lessupprimer, ou au moins rduire leur influence.Un paragraphe particulier aborde la question desprotections.

    c Rduction des courants harmoniques gnrsv Inductance de ligneUne inductance triphase est place en srieavec lalimentation (ou intgre dans le buscontinu pour les convertisseurs de frquence).Elle rduit les harmoniques de courant de ligne(en particulier ceux de rang levs) donc la valeurefficace du courant absorb ainsi que la distorsionau point de raccordement du convertisseur.Il est possible de linstaller sans intervenir sur legnrateur dharmoniques et dutiliser desinductances communes plusieurs variateurs.

    v Utilisation de redresseurs dodcaphassCette solution permet, par combinaison descourants, dliminer au primaire les harmoniquesde rang les plus bas tels que 5 et 7 (souvent lesplus gnants car de plus fortes amplitudes). Ellencessite un transformateur deux secondaires,lun en toile, lautre en triangle, et permet de negnrer que les harmoniques de rang 12 k 1.v Appareils prlvement sinusodal(cf. Cahier Technique n183)Cette mthode consiste utiliser desconvertisseurs statiques dont ltage redresseurexploite la technique de commutation MLI quipermet dabsorber un courant sinusodal.

    c Modification de linstallationv Immuniser les charges sensibles laide defiltresv Augmenter la puissance de court-circuit delinstallation

    Z ()

    f (Hz)

    Zone de prsence d'harmoniques fr far

    Rseau seulavec condensateuravec self anti-harmonique

    Fig 10 : effets dune self anti-harmonique sur limpdance dun rseau.

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.24

    c FiltrageDans le cas o Gh/Sn > 60 %, le calcul etlinstallation de filtre dharmonique doivent treraliss par des spcialistes (cf. fig. 11 ).

    v Le filtrage passif (cf. Cahier Technique n152)Il consiste raliser une impdance faible auxfrquences attnuer grce lagencement decomposants passifs (inductance, condensateur,rsistance). Cet ensemble est plac endrivation sur le rseau. Plusieurs filtres passifsen parallle peuvent tre ncessaires pour filtrerplusieurs composantes. Le dimensionnementdes filtres harmoniques doit tre soign : un filtrepassif mal conu peut conduire des rsonancesdont leffet est damplifier des frquences quintaient pas gnantes avant son installation.

    v Le filtrage actif (cf. Cahier Technique n183)Il consiste neutraliser les harmoniques mispar la charge en analysant les harmoniques

    consomms par la charge et en restituant ensuitele mme courant harmonique avec la phaseconvenable. Il est possible de mettre en parallleplusieurs filtres actifs. Un filtre actif peut tre, parexemple, associ une ASI de faon rduireles harmoniques rinjects en amont.

    v Le filtrage hybrideIl est compos dun filtre actif et dun filtre passifaccord sur le rang de lharmonique prpondrant(ex. 5) et qui fournit lnergie ractive ncessaire.

    c Cas particulier : les disjoncteurs(cf. Cahier Technique n182)Les harmoniques peuvent provoquer desdclenchements intempestifs des dispositifs deprotection, pour les viter il convient de bienchoisir ces appareils.Les disjoncteurs peuvent tre quips de deuxtypes de dclencheurs, magntothermiques oulectroniques.

    Fig. 11 : principes et caractristiques du filtrage passif, actif, hybride.

    Filtre Principe Caractristiques

    Passif Drivation par un circuit LC accord sur c Pas de limites en courant harmonique.chaque frquence harmonique liminer. c Compensation dnergie ractive assure.

    c Elimination dun ou plusieurs rangsharmoniques (habituellement : 5, 7, 11). Un filtrepour un ou deux rangs compenser.

    c Risque damplification des harmoniques encas de modification du rseau.

    c Risque de surcharge par pollution extrieure.c Filtre rseau (global).c Etude au cas par cas.

    Actif Gnration dun courant annulant tous c Solution bien adapte au filtrage machine les harmoniques crs par la charge. (local)

    c Filtrage sur une large bande de frquence(limination des harmoniques des rangs 2 25).

    c Auto-adaptatif :v modification du rseau sans influence,v sadapte toutes variations de charge et despectre harmonique,v solution volutive et souple en fonction dechaque type de charge.

    c Etude simplifie.

    Hybride Cumule les avantages des solutions filtragepassif et actif et couvre un large domaine depuissance et de performances :

    c Filtrage sur une large bande de frquences(limination des harmoniques de rangs 2 25).

    c Compensation dnergie ractive.c Grande capacit de filtrage en courant.c Bonne solution technico-conomique pour unfiltrage rseau .

    Charge(s)

    Filtre actif

    Rseau

    Rseau Charge(s)polluante(s)

    Filtre(s)passif(s)

    Charge(s)

    Filtre hybride

    Filtre actif

    Filtre passif

    Rseau

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.25

    Les premiers cits sont surtout sensibles auxharmoniques par leurs capteurs thermiques quiapprhendent bien la charge relle impose auxconducteurs par la prsence des harmoniques.De ce fait ils sont bien adapts leur usage,essentiellement domestique et industriel, sur lescircuits de petites intensits.Les seconds, selon leur mode de calcul desintensits vhicules, peuvent prsenter lerisque de dclenchement intempestif, aussi ilconvient de bien choisir ces appareils et deveiller ce quils mesurent la valeur efficace

    vraie du courant (RMS). De tels appareilsprsentent alors lavantage de mieux suivrelvolution de la temprature des cblesnotamment dans le cas de charges fonctionnement cyclique car leur mmoirethermique est plus performante que celle desbilames chauffage indirect.

    c Le dclassementCette solution, applicable certains quipements,est une rponse facile et souvent suffisante lagne occasionne par les harmoniques.

    5.3 Surtensions

    Obtenir une bonne coordination disolementcest raliser la protection des personnes et desmatriels contre les surtensions avec le meilleurcompromis technico-conomique.Elle ncessite (cf. Cahier Technique n151) :c de connatre le niveau et lnergie dessurtensions pouvant exister sur le rseau,

    c de choisir le niveau de tenue aux surtensionsdes composants du rseau permettant desatisfaire aux contraintes,

    c dutiliser des protections quand cela estncessaire.

    En fait, les solutions retenir dpendent du typede surtensions rencontres.

    Surtensions temporaires

    c Mettre hors service tout ou partie descondensateurs en priode de faible charge,

    c Eviter de se trouver dans une configuration risque de ferrorsonance ou introduire des pertes(rsistances damortissement) qui amortissent lephnomne (cf. Cahier Technique n190).

    Surtensions de manuvrec Limiter les transitoires provoqus par lamanuvre de condensateurs, par linstallationde self de choc, rsistances de prinsertion.Les compensateurs automatiques statiquesqui permettent de matriser linstantdenclenchement sont particulirement adaptsaux applications BT nacceptant pas lessurtensions transitoires (automates industriels,informatique).

    c Placer des inductances de ligne en amont desconvertisseurs de frquence pour limiter leseffets des surtensions transitoires.

    c Utiliser des disjoncteurs de branchementdiffrentiels et slectif (type S ) en BT et desdisjoncteurs de type si (In = 30 mA et300 mA). Leur emploi vite les dclenchementsintempestifs dus des courants de fuitetransitoires : surtensions atmosphriques, de

    manuvre, mise sous tension de circuitsfortement capacitifs la terre (filtres capacitifsrelis la terre, rseaux de cbles tendus)qui scoulent dans le rseau en aval du DDR(Dispositif courant Diffrentiel Rsiduel) par lescapacits la terre du rseau.

    Surtensions atmosphriques

    c Protection primaireElle protge le btiment et sa structure contreles impacts directs de la foudre (paratonnerres,cages mailles (Faraday), cbles de garde / filtendu).

    c Protection secondaireElle protge les quipements contre lessurtensions atmosphriques conscutives aucoup de foudre.Des parafoudres (de moins en moins desclateurs) sont installs sur les points desrseaux HT et en MT particulirement exposset lentre des postes MT/BT (cf. CahierTechnique n151).En BT, ils sont installs la fois le plus en amontpossible de linstallation BT (afin de protger leplus globalement possible) et le plus prspossible des rcepteurs lectriques. La mise encascade de parafoudres est parfois ncessaire :un, en tte dinstallation, et un, au plus prs desrcepteurs (cf. Cahier Technique n179). Unparafoudre BT est toujours associ un dispositifde dconnexion. Dautre part, lutilisation dundisjoncteur de branchement diffrentiel slectifen BT vite que lcoulement du courant laterre par le parafoudre ne provoque dedclenchement intempestif du disjoncteur dette incompatible avec certains rcepteurs(conglateur, programmateur). A noter que lessurtensions peuvent se propager jusqulappareil par dautres voies que lalimentationlectrique : les lignes tlphoniques (tlphone,fax), les cbles coaxiaux (liaisons informatiques,antennes de tlvision). Il existe sur le marchdes protections adaptes.

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.26

    5.4 Fluctuations de tension

    Les fluctuations produites par les chargesindustrielles peuvent affecter un grand nombre deconsommateurs aliments par la mme source.Lamplitude de la fluctuation dpend du rapportentre limpdance de lappareil perturbateur etcelle du rseau dalimentation. Les solutionsconsistent :

    c Changer de mode dclairageLes lampes fluorescentes ont une sensibilitplus faible que les lampes incandescence.

    c Installer une alimentation sans interruptionElle peut tre conomique lorsque les utilisateursperturbs sont identifis et regroups.

    c Modifier le perturbateurLe changement du mode de dmarrage demoteurs dmarrages frquents permet parexemple de rduire les surintensits.

    c Modifier le rseauv Augmenter la puissance de court circuit enraccordant les circuits dclairage au plus prsdu point de lalimentation.v Eloigner lectriquement la chargeperturbatrice des circuits dclairage enalimentant la charge perturbatrice par untransformateur indpendant.

    c Utiliser un compensateur automatiqueCet quipement ralise une compensation entemps rel phase par phase de la puissanceractive. Le flicker peut tre rduit de 25 % 50 %.

    c Placer une ractance srieEn rduisant le courant appel, une ractanceen aval du point de raccordement dun four arcpeut rduire de 30 % le taux de flicker.

    5.5 Dsquilibres

    Les solutions consistent :c quilibrer les charges monophases sur lestrois phases,c diminuer limpdance du rseau en amont desgnrateurs de dsquilibre en augmentant les

    puissances des transformateurs et la section descbles,c prvoir une protection adapte des machines,c utiliser des charges L,C judicieusementraccordes (montage de Steinmetz).

    5.6 Rsum

    Types deperturbation

    Variations etfluctuationsde tensionCreux detension

    Coupures

    Harmoniques

    Inter-harmoniques

    Surtensionstransitoires

    Dsquilibresde tension

    Origines

    Variations importantes decharges (machines souder,fours arc).

    Court-circuit, commutation decharges de forte puissance(dmarrage moteur).

    Court-circuit, surcharges,maintenance, dclenchementintempestif.

    Charges non linaires (varia-teurs de vitesse, fours arc,machines souder, lampes dcharge, tubesfluorescents).

    Charges fluctuantes (fours arc, machines souder),convertisseur de frquence.

    Manuvre dappareillageset de condensateurs, foudre.

    Charges dsquilibres(charges monophases deforte puissance).

    Consquences

    Fluctuation de la luminosit des lampes(papillotement ou flicker).

    Perturbation ou arrt du procd :pertes de donnes, donnes errones,ouverture de contacteurs, verrouillagede variateurs de vitesse, ralentissementou dcrochage de moteurs, extinctionde lampes dcharge.

    Surcharges (du conducteur de neutre,des sources), dclenchementsintempestifs, vieillissement acclr,dgradation du rendement nergtique,perte de productivit.

    Perturbation des signaux de tarification,papillotement (flicker).

    Verrouillage de variateurs de vitesse,dclenchements intempestifs,destruction dappareillage, incendies,pertes dexploitation.

    Couples moteurs inverses (vibrations)et surchauffement des machinesasynchrones.

    Exemples de solutions(quipement spcifiques et modifications)

    Compensateur lectromcanique dnergie ractive,compensateur automatique en temps relcompensateur lectronique srie, rgleur en charge.

    ASI, compensateur automatique en temps rel,rgulateur lectronique dynamique de tension,dmarreur progressif, compensateur lectroniquesrie.Augmenter la puissance de court-circuit (Pcc).Modifier la slectivit des protections.

    ASI, permutation mcanique de sources,permutation statique de sources, groupe tempszro, disjoncteur shunt, tlconduite.

    Self anti-harmonique, filtre passif ou actif, filtrehybride, inductance de ligne.Augmenter la Pcc.Confiner les charges polluantes.Dclasser les quipements.

    Ractance srie.

    Parafoudre, parasurtenseur, enclenchementsynchronis, rsistance de prinsertion, self dechoc, compensateur automatique statique.

    Equilibrer les charges.Compensateur lectronique shunt, rgulateurlectronique dynamique de tension. Augmenter la Pcc.

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.27

    6.1 Filtrage hybride

    Description de linstallationDes remontes mcaniques sont alimentes parun transformateur MT/BT (800 kVA).Les charges connectes sont des tlsigesainsi que dautres charges telles que des caissesenregistreuses, les systmes de validation desforfaits, linstallation de chronomtrage officielpour comptition et un rseau tlphonique.

    Problmes rencontrs

    Lors du fonctionnement du tlsige, le rseaubasse tension issu du transformateur MT/BT estperturb.Les mesures effectues sur le site mettent envidence un fort taux prexistant de distorsionharmonique en tension (THD 9 %) provenantdu rseau MT ainsi quune pollution harmoniquede la part du dpart tlsige. La dformationrsultante de la tension dalimentation(THD 12 %) perturbe les rcepteurs sensibles(caisses enregistreuses, chronomtrage).

    SolutionsLobjectif du dispositif est dassurer la fois lacompensation dnergie ractive en prsencedharmoniques et la neutralisation des harmoni-ques susceptibles de perturber linstallation.La solution retenue (cf. fig. 12 ) est la mise enuvre dun filtre hybride (cf. fig. 13 ) composdun filtre passif accord sur le rang delharmonique prpondrant (H5) qui fournitlnergie ractive ncessaire (188 kvar) et dunfiltre actif de calibre 20 A affect au traitementdes autres rangs dharmoniques.

    Les mesures, aprs mise en service, montrentque ce dispositif permet de rduire lamplitudedes harmoniques sur une large gamme de rangdharmoniques en courant et en tension(cf. fig. 14 ) et ramne le taux de distorsion entension de 12,6 % 4,47 %. Il a aussi pour effetde ramener le facteur de puissance de linstallationde 0,67 0,87. Cette solution a permis dersoudre tous les problmes puisquaucundysfonctionnement na t constat depuis.

    0THD H5 H7 H11 H17 H23

    %

    2

    4

    68

    10

    12

    14Sans filtreFiltre H5Filtre hybride

    05

    101520253035

    40

    a

    b

    THD H5 H7 H11 H17 H23

    Sans filtreFiltre H5Filtre hybride

    %

    Fig. 12 : mise en uvre de la solution.

    Fig. 13 : quipement Rectiphase de filtrage hybride(marque Merlin Gerin).

    Fig 14 : spectres montrant lefficacit dun filtrehybride : [a] en tension, [b] en courant.

    Charges linaires

    Gnrateurd'harmoniques

    Filtre passifrang 5

    Transformateur MT/BT

    PCC

    Filtreactif

    Filtre hybride

    6 Etudes de cas

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.28

    6.2 Compensation automatique en temps rel

    Description de linstallation

    Lusine dun quipementier automobile localise Concord (Ontario - Canada) est alimente parun transformateur de 2000 kVA - 27,6 kV / 600 V- Yy - Ucc = 5,23 %.Elle fabrique des pots dchappement partir detles dacier grce des soudeuses par point et roulette.

    Problmes rencontrs

    c Fatigue visuelle et nerveuse du personnel, due la fluctuation de la luminosit des lampes(papillotement ou flicker), lorsque les soudeusessont en fonctionnement.c Nuisances sonores et vieillissement mcaniqueprmatur des quipements provoqus par desvibrations principalement au niveau dutransformateur et des appareils de coupurelorsque les soudeuses sont en fonctionnement.c Impossibilit dajouter des quipements depeur de surcharger linstallation (prsence duncourant crte au moment du soudage suprieurau courant nominal du disjoncteur darrive).Lexpansion de linstallation ncessite alors desinvestissements coteux, soit pourredimensionner linstallation existante, soit pourcrer un nouveau poste dalimentation.c Pnalits annuelles de 5 kE pourdpassement de consommation de puissanceractive (facteur de puissance de 0,75).c Pices dfectueuses cause de dfauts desoudure apparaissant en fin de fabrication aumoment du cintrage des tubes.Tout cela dtriore la productivit de lentreprise.

    Solutions

    Des mesures effectues lors du fonctionnementdes soudeuses mettent en vidence une tensionnominale de 584 V, des creux de tension deprofondeur 5,8 %, des pics de courant de2000 A, des pics de puissance ractive de1200 kvar (cf. fig. 15 ).

    Les problmes rencontrs ont clairement pourorigine les fluctuations de tension provoquespar le fonctionnement des soudeuses qui sontdes charges variations rapides et frquentesqui consomment une puissance ractiveimportante.Un creux de tension de 6 % a pour consquenceune rduction de 12 % (1-0,942) de lnergiedisponible pour la soudure. Cela explique lenombre important de soudures dfectueuses.Les dispositifs classiques de compensationdnergie ractive utilisant des contacteurslectromcaniques ne permettent pas datteindreles temps de rponse ncessaires ;les manuvres de gradins de condensateurssont volontairement temporises de faon rduire le nombre de manuvre et ne pasdgrader la dure de vie des contacteurs parune usure prmature, mais aussi de faon permettre la dcharge des condensateurs.La solution retenue a t la mise en uvredune compensation automatique en temps rel(cf. fig. 16 ). Ce dispositif innovant permet :c une compensation ultra rapide des variationsde puissance ractive en une priode dufondamental (16,6 ms 60 Hz), particulirementbien adapte au cas des charges variantrapidement et de faon importante (soudeuses,lvateurs, presses, concasseurs, dmarragesmoteurs) ;c un enclenchement sans transitoire par lamatrise de linstant denclenchement, particulire-ment intressant en prsence de chargesnacceptant pas de surtensions transitoires(automates industriels, informatiques) ;c une dure de vie accrue des condensateurs etdes contacteurs du fait de labsence de picesmcaniques en mouvement et de surtensions.

    Fig. 15 : amliorations apportes par le compensateurautomatique en temps rel.

    L1

    a b

    L2 L3

    Fig. 16 : compensateur automatique en temps rel :[a] principe, [b] ralisation pratique.

    Avant Aprs

    Tension (V) 584 599

    Creux de tensionc Profondeur (%) 5,8 3,2c Dure (cycle) 20 25 10 15Courantc Moyen 1000 550c Crte 2000 1250Puissance ractive (kvar) 600 0

    1200 300

    Facteur de puissance 0,75 > 0,92

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.29

    Une compensation de 1200 kvar aurait permisde minimiser les creux de tension, mais 800 kvaront t jugs suffisants pour maintenir latension un niveau acceptable par tous lesprocds de lusine dans toutes les conditionsde charge.La mise en uvre de la solution a permis(cf. fig. 17 ) :

    c de rduire les pics de courant 1250 A et ainside pouvoir ajouter des charges supplmentairessans modification de linstallation, avecamlioration du rendement de linstallation par larduction des pertes Joule ;

    c de rduire les pics de puissance ractive 300 kvar et daugmenter le facteur de puissanceau dessus de 0,92. Ce qui vite les pnalits defacturation nergtique ;c daugmenter la tension nominale 599 V et derduire la profondeur des creux de tension 3,2 % (cf. fig. 16). Cela est une consquence delaugmentation du facteur de puissance et de larduction de lamplitude du courant (cf. fig. 18 ).La fatigue visuelle et nerveuse du personnel dueau flicker est ainsi limine. La qualit de lasoudure a t amliore, ainsi que la cadencede production.

    Fig. 17 : mesure des courants, tensions et puissance ractive : [a] sans compensation, [b] avec compensation.

    Fig. 18 : rduction de la chute de tension obtenue avec un compensateur automatique en temps rel.

    Tension(V)

    a340

    335

    330

    1500

    1000

    1000

    500

    350

    340

    1250

    750

    5000

    Courant(A)

    kvar

    Tension(V)

    b

    Phase 1

    Courant(A)

    kvar

    d = 3 s

    d = 1,5 s

    Phase 2 Phase 3 Moyenne

    Compensateurautomatique

    Avec Sans

    VS

    VV

    VS VS

    VL VLVL

    V

    Soudeuse

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.30

    6.3 Protection contre la foudre

    Description de linstallation

    Le site est constitu de bureaux (matrielinformatique, centrale dclairage et dechauffage), dun poste de garde (alarme incendie,alarme intrusion, contrle daccs, vidosurveillance) et de trois btiments de process defabrication installs sur 10 hectares dans largion dAvignon (densit de foudroiement de2 impacts par km2 et par an).Le site est entour de quelques arbres et destructures mtalliques (pylnes). Tous lesbtiments sont quips de paratonnerres.Les alimentations MT et BT sont souterraines.

    Problmes rencontrsUn orage sest abattu sur le site dtruisantlinstallation basse tension de scurit du postede garde, et provoquant 36 kE de pertesdexploitation. La prsence de paratonnerres avit lincendie de la structure, mais lesquipements lectriques dtruits ntaient pasprotgs par des parafoudres contrairement larecommandation des normes UTE C-15443 etCEI 61024.

    Solutions

    Aprs analyse du rseau dquipotentialit et durseau des prises de terre, puis vrification delinstallation des paratonnerres et contrle de lavaleur des prises de terre, il a t dciddinstaller des parafoudres.

    Des parafoudres sont installs en ttedinstallation (TGBT) et, en cascade, danschaque btiment de fabrication (cf. fig. 19 ).Le schma de liaison la terre tant TNC,la protection nest utile quen mode commun(entre phases et PEN).

    Conformment au guide UTE C-15443, enprsence de paratonnerre, les caractristiquesdes parafoudres PF65 et PF8 de marqueMerlin Gerin (cf. fig. 20 ), sont :

    c En tte dinstallationIn = 20 kA Imax = 65 kA Up = 2 kV,

    c En cascade (distants dau moins 10 m)In = 2 kA Imax = 8 kA Up = 1,5 kV.Ces derniers assurent une protection fine auniveau des tableaux divisionnaires (bureaux etposte de garde).

    Le schma de liaison la terre tant transformen TNS, il convient dassurer la protection enmode commun (entre phase et PE) et en modediffrentiel (entre phases et neutre). Lesdispositifs de dconnexion associs sont ici desdisjoncteurs dun pouvoir de coupure de 22 kA.

    TGBTBtiment 2

    PF8PF8

    PF65

    PF65

    TGBTBtiment 1

    Tableau divisionnaireBtiment 1

    Tableau divisionnaireBtiment 1

    3LN

    3LN

    LN

    LN

    Fig. 19 : schma dinstallation en cascade de plusieursparafoudres.

    Fig. 20 : parafoudres basse tension (PF65 et PF8 demarque Merlin Gerin).

    PF65

    PF8

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.31

    Des perturbations lectriques peuvent prendrenaissance dans le rseau du distributeur,linstallation de lutilisateur perturb ou danslinstallation dun utilisateur voisin.

    Ces perturbations ont des consquencesdiffrentes selon le contexte conomique et ledomaine dapplication : de linconfort la pertede loutil de production, voire mme la mise endanger des personnes.

    La recherche dune meilleure comptitivit desentreprises, la drgulation du march delnergie lectrique font que la qualit de

    llectricit est devenu un sujet stratgique pourles compagnies dlectricit, les personnelsdexploitation, de maintenance, de gestion desites tertiaires ou industriels ainsi que pour lesconstructeurs dquipements.

    Cependant, les perturbations ne doivent pas tresubies comme une fatalit car des solutionsexistent. Leur dfinition et leur mise en uvredans le respect des rgles de lart, ainsi que leurmaintenance par des spcialistes permettentune qualit dalimentation personnaliseadapte aux besoins de lutilisateur.

    7 Conclusion

  • Cahier Technique Schneider Electric n 199 / p.32

    6 Bibliographie

    Normes

    c CEI 61000-X-X Compatibilit lectromagntique(CEM) :

    v 2-1: Environnement lectromagntique.v 2-2 : Niveaux de compatibilit (rseaux publicsdalimentation basse tension).v 2-4 : Niveaux de compatibilit (installationsindustrielles basse tension et moyenne tension).v 2-5 : Classification des environnementslectromagntiques.v 3-2 : Limites pour les missions de courantharmonique (courant appel u 16 A).v 3-3 et 3-5 : Limitation des fluctuations de tension etdu flicker dans les rseaux basse tension pour lescourant appel u 16 A.v 3-6 : Evaluation des limites dmission pour lescharges dformantes raccordes au rseau MT et HT.v 3-7 : Evaluation des limites dmission des chargesfluctuantes sur les rseaux MT et HT.v 4-7 : Mesures dharmoniques et dinterharmoniquev 4-11 : Essais dimmunit aux creux de tension,coupures brves et variations de tensions.v 4-12 : Essais dimmunit aux ondes oscillatoires.v 4-15 : Flickermtre.c Autres normes et loisv European Union Council Directive 85/374 on theapproximation of the laws of the Member Statesrelating to the liability for defectice products , OfficialJournal (07.08.1985).v EN 50160 Caractristiques de la tension fournie parles rseaux publics de distribution (07-1994).v Application Guide to the European StandardEN 50160 on Voltage Characteristics of Electricity byPublic Distribution Systems July 1995 -UNIPEDE.v IEEE Std 1159-1995 : Recommended Practice forMonitoring Electric Power Quality.v IEEE Std 1000-1992: IEEE Recommended Practice forPowering and Grounding Sensitive Electronic Equipment.v CEI 60071-1 : Coordination de lisolement.v VEI 60050(161) : Vocabulaire ElectrotechniqueInternational.

    Cahiers Techniques Schneider Electric

    c Les dispositifs diffrentiels rsiduels en BT.R. CALVAS, Cahier Technique n 114.c Les perturbations lectriques en BT.R. CALVAS, Cahier Technique n 141.c La CEM : la compatibilit lectromagntique.F. VAILLANT, Cahier Technique n 149.c Surtensions et coordination de lisolement.D. FULCHIRON, Cahier Technique n 151.c Perturbations harmoniques dans les rseaux polluset leur traitement.C. COLLOMBET, J.-M. LUPIN et J. SCHONEK,Cahier Technique n 152.

    c Onduleurs et harmoniques (cas des charges nonlinaires). J.-N. FIORINA, Cahier Technique n 159.c Harmoniques en amont des redresseurs des ASI.J.-N. FIORINA, Cahier Technique n 160.

    c Permutation automatique des alimentations dans lesrseaux HT et BT.G. THOMASSET, Cahier Technique n 161.c La conception des rseaux industriels en HT.G. THOMASSET, Cahier Technique n 169.

    c Les schmas des liaisons la terre en BT (rgimesdu neutre)B. LACROIX et R. CALVAS, Cahier Technique n 172.

    c Les schmas de liaison la terre dans le monde etvolutionsB. LACROIX, R. CALVAS, Cahier Technique n 173.c Flicker ou scintillement des sources lumineuses.R. WIERDA, Cahier Technique n 176.c Perturbations des systmes lectroniques etschmas des liaisons la terre.R. CALVAS, Cahier Technique n 177.

    c Le schma IT ( neutre isol) des liaisons la terre enBT. F. JULLIEN, I. HERITIER, Cahier Technique n 178.c Surtensions et parafoudres en BT coordination delisolement BT.Ch. SERAUDIE, Cahier Technique n 179.

    c Les disjoncteurs BT face aux courants harmoniques,impulsionnels et cycliques.M. COLLOMBET, B. LACROIX, Cahier Technique n 182.c Harmoniques : convertisseurs propres etcompensateurs actifs.E. BETTEGA, J.-N. FIORINA, Cahier Technique n 183.

    c Coexistence courants forts-courants faibles.R. CALVAS, J. DELABALLE, Cahier Technique n 187.c Manuvre et protection des batteries decondensateurs MT. D. KOCH, Cahier Technique n 189.

    c La ferrorsonance.Ph. FERRACCI, Cahier Technique n 190.

    Ouvrages divers

    c Guide to quality of electrical supply for industrialinstallations Part 2 : voltage dips and shortinterruptions Working Group UIE Power Quality 1996.

    c Guide de lingnierie lectrique des rseaux internesdusines Collection ELECTRA.

    c Method of symmetrical co-ordinates applied to thesolution of polyphase networks Trans. Amer. Inst.Electr. Engrs, June, 1918 - C.L. FORTESCUE .

    c Supply Quality Issues at the Interphase betweenPower System and Industrial Consumers , PQA 1998,A. ROBERT.

    c Real time reactive compensation systems forwelding applications - PQ 1998, R. WODRICH.

    c Low voltage hybrid harmonic filters, technical &economic analysis - PQ 1999, J. SCHONEK.

  • Schneider Electric Direction Scientifique et Technique,Service Communication TechniqueF-38050 Grenoble cedex 9Tlcopie : (33) 04 76 57 98 60

    Ralisation : AXESS - Saint-Pray (07).Edition : Schneider ElectricImpression : Imprimerie du Pont de Claix - Claix - 1000.- 100 FF-

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