Cahier technique n 199 - eduscol.education.freduscol.education.fr/.../ressources/techniques/3361/3361-ct199-1.pdf · 6.2 Compensation automatique en temps réel p. 28 6.3 Protection

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Cahier technique n° 199

La qualité de l’énergie électrique

Ph. Ferracci

Collection Technique

Partie 1/2

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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n° 199La qualité de l’énergie électrique

CT 199(e) édition octobre 2001

Philippe FERRACCI

Diplômé de l’École Supérieure d’Électricité en 1991, a soutenu unethèse sur le régime du neutre compensé, en collaboration avec laDirection des Études et Recherches d’EDF. En 1996, il a rejointSchneider Electric où il mène des études avancées dans lesdomaines de l’électrotechnique et des réseaux électriques.

Cahier Technique Schneider Electric n° 199 / p.2


La qualité de l’énergie électrique

L’une des propriétés particulières de l’électricité est que certaines de sescaractéristiques dépendent à la fois du producteur / distributeurd’électricité, des fabricants d’équipements et du client. Le nombre importantde protagonistes et l’utilisation d’une terminologie et de définitions parfoisapproximatives expliquent en partie la complexité du sujet.

Ce Cahier Technique a pour objectif de faciliter les échanges sur ce sujetentre spécialistes et non-spécialistes, et entre client, constructeur,installateur, concepteur et distributeur. Sa terminologie claire doit permettred’éviter les confusions. Il décrit les phénomènes principaux qui dégradentla Qualité de l’Energie Electrique (QEE), leurs origines, les conséquencessur les équipements et les solutions principales. Il propose uneméthodologie de mesure de la QEE selon les différents objectifs. Illustrépar des exemples pratiques de mise en œuvre de solutions, il démontreque seul le respect des règles de l’art et la mise en œuvre d’uneméthodologie rigoureuse (diagnostics, études, solutions, mise en œuvre,maintenance préventive) permettent une qualité d’alimentationpersonnalisée et adaptée au besoin de l’utilisateur.

Sommaire

1 Introduction 1.1 Contexte p. 41.2 Objectifs de la mesure de la qualité de l’énergie p. 5

2 Dégradation de la QEE : 2.1 Généralités p. 6origines - caractéristiques - définitions 2.2 Creux de tension et coupures p. 6

2.3 Harmoniques et interharmoniques p. 8

2.4 Surtensions p. 10

2.5 Variations et fluctuations de tension p. 10

2.6 Déséquilibres p. 11

2.7 Résumé p. 11

3 Effets des perturbations sur les charges 3.1 Creux de tension et coupures p. 12et procédés 3.2 Harmoniques p. 13


3.4 Variations et fluctuations de tension p. 15


3.6 Résumé p. 15

4 Niveau de qualité de l’énergie 4.1 Méthodologie d’évaluation p. 16

4.2 La CEM et les niveaux de planification p. 18

5 Solutions pour améliorer la QEE 5.1 Creux de tension et coupures p. 19

5.2 Harmoniques p. 23


5.4 Fluctuations de tension p. 26


5.6 Résumé p. 26

6 Etudes de cas 6.1 Filtrage hybride p. 27

6.2 Compensation automatique en temps réel p. 28

6.3 Protection contre la foudre p. 30

7 Conclusion p. 31

Bibliographie p. 32


1 Introduction

1.1 Contexte

La qualité de l’électricité est devenue un sujetstratégique pour les compagnies d’électricité, lespersonnels d’exploitation, de maintenance ou degestion de sites tertiaires ou industriels, et lesconstructeurs d’équipements, essentiellementpour les raisons suivantes :c la nécessité économique d’accroître lacompétitivité pour les entreprises,c la généralisation d’équipements sensibles auxperturbations de la tension et/ou eux-mêmesgénérateurs de perturbations,c l’ouverture du marché de l’électricité.

La nécessité économique d’accroître lacompétitivité pour les entreprises

c La réduction des coûts liés à la perte decontinuité de service et à la non-qualitéLe coût des perturbations (coupures, creux detension, harmoniques, surtensionsatmosphériques...) est élevé.Ces coûts doivent prendre en compte le manqueà produire, les pertes de matières premières, laremise en état de l’outil de production, la non-qualité de la production, les retards de livraison.Le dysfonctionnement ou l’arrêt de récepteursprioritaires tels que les ordinateurs, l’éclairageset systèmes de sécurité peuvent mettre encause la sécurité des personnes (hôpitaux,balisage des aéroports, locaux recevant dupublic, immeubles de grande hauteur…).Ceci passe aussi par la détection paranticipation des problèmes par une maintenancepréventive, ciblée et optimisée. On constate deplus un transfert de responsabilité de l’industrielutilisateur vers le constructeur d’appareillagepour assurer la maintenance des sites ; leconstructeur devient fournisseur du produitélectricité.c La réduction des coûts liés ausurdimensionnement des installations et auxfactures énergétiquesD’autres conséquences plus insidieuses de ladégradation de la QEE sont :v la réduction du rendement énergétique del’installation, ce qui alourdit la factureénergétique,v la surcharge de l’installation, d’où sonvieillissement prématuré avec le risque accru depanne qui conduit à un surdimensionnement deséquipements de distribution.

Et donc, les utilisateurs professionnels del’électricité expriment le besoin d’optimiser lefonctionnement de leurs installations électriques.

La généralisation d’équipements sensiblesaux perturbations de la tension et / ou eux-mêmes générateurs de perturbations

Du fait de leurs multiples avantages (souplessede fonctionnement, excellent rendement,performances élevées…) on constate ledéveloppement et la généralisation desautomatismes, des variateurs de vitesse dansl’industrie, des systèmes informatiques, deséclairages fluo-compact dans le tertiaire et ledomestique. Ces équipements ont la particularitéd’être à la fois sensibles aux perturbations de latension et générateurs de perturbations.

Leur multiplicité au sein d’un même procédéexige une alimentation électrique de plus en plusperformante en termes de continuité et dequalité. En effet, l’arrêt temporaire d’un élémentde la chaîne peut provoquer l’arrêt de l’outil deproduction (fabrication de semi-conducteurs,cimenterie, traitement de l’eau, manutention,imprimerie, sidérurgie, pétrochimie…) ou deservices (centres de calcul, banques,télécommunications…).

En conséquence, les travaux de la CEI sur lacompatibilité électromagnétique (CEM)conduisent à des normes et recommandationsde plus en plus contraignantes (limitations desniveaux d’émission des perturbations…).

L’ouverture du marché de l’électricitéLes règles du jeu du secteur électrique ont ouvont évoluer en profondeur : ouverture à laconcurrence de la production d’électricité,production décentralisée, possibilité pour les(gros) consommateurs d’électricité de choisirleur fournisseur.

Ainsi en 1985, la commission européenne aétabli que l’électricité était un produit (directive85/374) : ce qui rend nécessaire de bien endéfinir les caractéristiques essentielles.

Par ailleurs dans le contexte de la libéralisationdu marché de l’énergie, la recherche de lacompétitivité par les compagnies d’électricité faitque la qualité est un facteur différentiateur. Sagarantie peut être, pour un industriel, un critèrede choix d’un fournisseur d’énergie.


1.2 Objectifs de la mesure de la qualité de l’énergie

Selon les applications, les paramètres à mesureret la précision de la mesure ne sont pas lesmêmes.

Application contractuelle

Des relations contractuelles peuvent s’établirentre fournisseur d’électricité et utilisateur final,mais aussi entre producteur et transporteur ouentre transporteur et distributeur dans le cadred’un marché dérégulé. Une applicationcontractuelle nécessite que les termes soientdéfinis en commun et acceptés par lesdifférentes parties. Il s’agit alors de définir lesparamètres de mesure de la qualité et decomparer leurs valeurs à des limites prédéfiniesvoire contractuelles.Cette application implique souvent le traitementd’un nombre important de données.

Maintenance corrective

Malgré le respect des règles de l’art (conceptionde schéma, choix des protections, du régime deneutre et mise en place de solutions adaptées)dès la phase de conception, des dysfonction-nements peuvent apparaître en coursd’exploitation :c les perturbations peuvent avoir été négligéesou sous-estimées,c l’installation a évolué (nouvelles charges et /ou modification).

C’est généralement suite à ces problèmesqu’une action de dépannage est engagée.L’objectif est souvent d’obtenir des résultatsaussi rapidement que possible, ce qui peutconduire à des conclusions hâtives ouinfondées.Des systèmes de mesure portatifs (sur destemps limités) ou des appareils fixes(surveillance permanente) facilitent le diagnosticdes installations (détection et archivage desperturbations et déclenchement d’alarmes).

Optimisation du fonctionnement desinstallations électriquesPour réaliser des gains de productivité(économies de fonctionnement et / ou réductiondes coûts d’exploitation) il faut avoir un bonfonctionnement des procédés et une bonnegestion de l’énergie, deux facteurs quidépendent de la QEE. Disposer d’une QEEadaptée aux besoins est un objectif despersonnels d’exploitation, de maintenance et degestion de sites tertiaires ou industriels.Des outils logiciels complémentaires assurantle contrôle-commande et la surveillancepermanente de l’installation sont alorsnécessaires.

Enquêtes statistiques

Cette étude nécessite une approche statistiquesur la base de nombreux résultats obtenus pardes enquêtes généralement réalisées par lesexploitants de réseaux de transport et dedistribution.

c Enquêtes sur les performances générales d’unréseauElles permettent, par exemple, de :v Planifier et cibler les interventions préventivesgrâce à une cartographie des niveaux deperturbations sur un réseau. Ceci permet deréduire les coûts d’exploitation ainsi qu’unemeilleure maîtrise des perturbations. Unesituation anormale par rapport à un niveaumoyen peut être détectée et être corrélée avecle raccordement de nouvelles charges. Lestendances saisonnières ou des dérives peuventaussi être étudiées.v Comparer la QEE fournie par différentsdistributeurs en différents lieux géographiques.Des clients potentiels peuvent en effet demanderdes caractéristiques de fiabilité pour la fourniturede l’électricité avant d’installer de nouvellesusines.

c Enquêtes sur les performances en un pointparticulier du réseauElles permettent de :v Déterminer l’environnement électromagnétiqueauquel une installation future ou un nouveléquipement sera soumis. Des actionsd’amélioration du réseau de distribution et/ou dedésensibilisation du réseau du client peuventalors être engagées de façon préventive.v Spécifier et vérifier les performancesauxquelles le fournisseur d’électricité s’engagede façon contractuelle. Ces informations sur laqualité de l’électricité sont particulièrementstratégiques pour les compagnies d’électricitéqui dans le contexte de la libéralisation dumarché de l’énergie recherchent la meilleurecompétitivité, la satisfaction des besoins et lafidélisation de leurs clients.


2 Dégradation de la QEE : origines - caractéristiques - définitions

2.1 Généralités

Les perturbations électromagnétiquessusceptibles de perturber le bon fonctionnementdes équipements et des procédés industriels sonten général rangées en plusieurs classes appar-tenant aux perturbations conduites et rayonnées :c basse fréquence (< 9 kHz),c haute fréquence (u 9 kHz),c de décharges électrostatiques.

La mesure de QEE consiste habituellement àcaractériser les perturbations électromagnétiquesconduites basse fréquence (gamme élargie pourles surtensions transitoires et la transmission designaux sur réseau) :c creux de tension et coupures (voltage dips andinterruptions),c harmoniques (harmonics), interharmoniques(interharmonics),c surtensions temporaires (temporaryovervoltages),c surtensions (swell),

c surtensions transitoires (transientovervoltages),c fluctuations de tension (voltage fluctuations),c déséquilibres de tension (voltage unbalance),c variations de la fréquence d’alimentation(power-frequency variations),c tension continue dans les réseaux alternatifs(d.c. in a.c. networks),c tensions de signalisation (signalling voltages).

Il n’est en général pas nécessaire de mesurerl’ensemble de ces perturbations.

Elles peuvent être groupées en quatrecatégories selon qu’elles affectent l’amplitude, laforme d’onde, la fréquence et la symétrie de latension. Plusieurs de ces caractéristiques sontsouvent modifiées simultanément par une mêmeperturbation. Elles peuvent aussi être classéesselon leur caractère aléatoire (foudre, court-circuit, manœuvre…) permanent ou semipermanent.

2.2 Creux de tension et coupures

DéfinitionsUn creux de tension est une baisse brutale de latension en un point d’un réseau d’énergieélectrique, à une valeur comprise (par convention)entre 90 % et 1% (CEI 61000-2-1, CENELECEN 50160), ou entre 90 % et 10 % (IEEE 1159)d’une tension de référence (Uref) suivie d’unrétablissement de la tension après un court lapsde temps compris entre la demi-périodefondamentale du réseau (10 ms à 50 Hz) etune minute (cf. fig. 1a ).La tension de référence est généralement latension nominale pour les réseaux BT et latension déclarée pour les réseaux MT et HT.Une tension de référence glissante, égale à latension avant perturbation, peut aussi êtreutilisée sur les réseaux MT et HT équipés desystème de réglage (régleur en charge) de latension en fonction de la charge. Ceci permetd’étudier (à l’aide de mesures simultanées danschaque réseau) le transfert des creux entre lesdifférents niveaux de tension.La méthode habituellement utilisée pour détecteret caractériser un creux de tension est le calcul de

la valeur efficace « rms (1/2) » du signal sur unepériode du fondamental toutes les demi-périodes(recouvrement d’une demi-période) (cf. fig. 1b ).Les paramètres caractéristiques (cf. fig. 1b) d’uncreux de tension sont donc :c sa profondeur : ∆U (ou son amplitude U),c sa durée ∆T, définie comme le laps de tempspendant lequel la tension est inférieure à 90 %.On parle de creux de tension à x % si la valeurrms(1/2) passe en dessous de x % de la valeurde référence Uref.Les coupures sont un cas particulier de creux detension de profondeur, supérieures à 90 %(IEEE) ou 99 % (CEI-CENELEC). Elles sontcaractérisées par un seul paramètre : la durée.Les coupures brèves sont de durée inférieure à3 minutes (CENELEC), ou une minute (CEI-IEEE), elles sont notamment occasionnées parles réenclenchements automatiques lentsdestinés à éviter les coupures longues (réglésentre 1 et 3 minutes) ; les coupures longues sontde durée supérieure. Les coupures brèves et lescoupures longues sont différentes tant du pointde vue de l’origine que des solutions à mettre en


œuvre pour s’en préserver ou pour en réduire lenombre.Les perturbations de tension de durée inférieureà la demi-période fondamentale T du réseau(∆T < T/2) sont considérées comme étant destransitoires.Les Américains utilisent différents adjectifs pourqualifier les creux de tension (sag ou dip) et lescoupures (interruption) selon leur durée :c instantané (instantaneous) (T/2 < ∆T < 30 T),c momentané (momentary) (30 T < ∆T < 3 s),c temporaire (temporary) (3 s < ∆T < 1 min),c maintenue (sustained interruption) et sous-tension (undervoltage) (∆T > 1 min).

En fonction du contexte, les tensions mesuréespeuvent être entre conducteurs actifs (entrephases ou entre phase et neutre), entreconducteurs actifs et terre (Ph/terre ou neutre/terre), ou encore entre conducteurs actifs etconducteur de protection.Dans le cas d’un système triphasé, les caracté-ristiques ∆U et ∆T sont en général différentes surles trois phases. C’est la raison pour laquelle uncreux de tension doit être détecté et caractériséséparément sur chacune des phases.Un système triphasé est considéré commesubissant un creux de tension si au moins unephase est affectée par cette perturbation.

Origine

c Les creux de tension et les coupures brèvessont principalement causés par desphénomènes conduisant à des courants élevésqui provoquent à travers les impédances deséléments du réseau une chute detension d’amplitude d’autant plus faible que lepoint d’observation est électriquement éloignéde la source de la perturbation.Les creux de tension et les coupures brèves ontdifférentes causes :v des défauts sur le réseau de transport (HT) dedistribution (BT et MT) ou sur l’installation ellemême.L’apparition des défauts provoque des creux detension pour tous les utilisateurs. La durée d’uncreux est en général conditionnée par lestemporisations de fonctionnement des organesde protection. L’isolement des défauts par lesdispositifs de protections (disjoncteurs, fusibles)provoquent des coupures (brèves ou longues)pour les utilisateurs alimentés par la section endéfaut du réseau. Bien que la sourced’alimentation ait disparu, la tension du réseaupeut être entretenue par la tension résiduellerestituée par les moteurs asynchrones ousynchrones en cours de ralentissement (pendant

Fig. 1 : paramètres caractéristiques d’un creux detension ; [a] forme d’onde, [b] rms (1/2).

0,3 à 1 s) ou la tension due à la décharge descondensateurs branchés sur le réseau.

Les coupures brèves sont souvent le résultat dufonctionnement des automatismes de réseautels que les réenclencheurs rapides et/ou lents,les permutations de transformateurs ou delignes. Les utilisateurs subissent une successionde creux de tension et/ou de coupures brèveslors de défauts à arc intermittents, de cycles dedéclenchement - réenclenchement automatiques(sur réseau aérien ou mixte radial) permettantl’élimination des défauts fugitifs ou encore encas de renvois de tension permettant lalocalisation du défaut.

v la commutation de charges de puissanceimportante (moteurs asynchrones, fours à arc,machines à souder, chaudières…) par rapport àla puissance de court-circuit.

-1

1

0,5

0

10

70

90100110

rms (1/2)(%)

V(p.u.)

U(amplitude)

t (ms)

∆T = 140 ms

∆U = 30 %(profondeur)

-0,5

0

0 50 100 150 200 250 300

t

a

b

(durée)


Générateurd'harmoniques

Autres charges

ETension source

Z

U = E - ZI I

c Les coupures longues sont le résultat del’isolement définitif d’un défaut permanent parles dispositifs de protection ou de l’ouverturevolontaire ou intempestive d’un appareil.Les creux de tension ou coupures se propagentvers les niveaux de tension inférieurs à traversles transformateurs. Le nombre de phasesaffectées ainsi que la sévérité de ces creux detension dépend du type de défaut et du couplagedu transformateur.Le nombre de creux de tension et de coupuresest plus élevé dans les réseaux aériens soumis

aux intempéries que dans les réseauxsouterrains. Mais un départ souterrain issudu même jeu de barres que des départsaériens ou mixtes subira aussi des creux detension dus aux défauts affectant les lignesaériennes.

c Les transitoires(∆T < T/2) sont causées, parexemple, par la mise sous tension decondensateurs ou l’isolement d’un défaut parun fusible ou par un disjoncteur rapide BT, ouencore par les encoches de commutations deconvertisseurs polyphasés.

2.3 Harmoniques et interharmoniques

Rappels :

Toute fonction périodique (de fréquence f) peutse décomposer en une somme de sinusoïdes defréquence h x f (h : entier). h est appelé rangharmonique (h > 1). La composante de rang 1est la composante fondamentale.

y t Y Y h fhh

h( ) ( )= + +=

∞

∑01

2 2 sin π ϕ

La valeur efficace est :

Y Y Y Y Y ...eff 02

12

22

h2= + + + +

Le taux de distorsion harmonique (THD pourTotal Harmonic Distortion) donne une mesure dela déformation du signal :

THDYY

h

1h 2=

=

∞∑

2

Les harmoniques proviennent principalement decharges non linéaires dont la caractéristique estd’absorber un courant qui n’a pas la mêmeforme que la tension qui les alimente (cf. fig. 2 ).Ce courant est riche en composantesharmoniques dont le spectre sera fonction de lanature de la charge. Ces courants harmoniquescirculant à travers les impédances du réseaucréent des tensions harmoniques qui peuvent

Fig. 2 : dégradation de la tension du réseau par une charge non linéaire.

perturber le fonctionnement des autresutilisateurs raccordés à la même source.L’impédance de la source aux différentesfréquences harmoniques a donc un rôlefondamental dans la sévérité de la distorsion entension. A remarquer que si l’impédance de lasource est faible (Pcc élevée) la distorsion entension est faible.

Les principales sources d’harmoniquesCe sont des charges, qu’il est possible dedistinguer selon leurs domaines, industrielles oudomestiques.c Les charges industriellesv équipements d’électronique de puissance :variateurs de vitesse, redresseurs à diodes ou àthyristors, onduleurs, alimentations àdécoupage ;v charges utilisant l’arc électrique : fours à arc,machines à souder, éclairage (lampes àdécharge, tubes fluorescents). Les démarragesde moteurs par démarreurs électroniques et lesenclenchements de transformateurs depuissance sont aussi générateursd’harmoniques (temporaires).A noter que du fait de leurs multiples avantages(souplesse de fonctionnement, excellentrendement énergétique, performancesélevées…) l’utilisation d’équipements à based’électronique de puissance se généralise.


c Les charges domestiques munies deconvertisseurs ou d’alimentation à découpage :téléviseurs, fours à micro-ondes, plaques àinduction, ordinateurs, imprimantes,photocopieuses, gradateurs de lumière, équipe-ments électroménagers, lampes fluorescentes.De puissance unitaire bien plus faible que lescharges industrielles, leur effet cumulé du fait deleur grand nombre et de leur utilisationsimultanée sur de longues périodes en font dessources de distorsion harmonique importantes.À noter que l’utilisation de ce type d’appareilscroît en nombre et parfois en puissance unitaire.

Les niveaux d’harmoniques

Ils varient généralement selon le mode defonctionnement de l’appareil, l’heure de lajournée et la saison (climatisation).Les sources génèrent, pour la plupart, desharmoniques de rangs impairs (cf. fig. 3 ).La mise sous tension de transformateurs ou lescharges polarisées (redresseurs

monoalternance) ainsi que les fours à arcgénèrent aussi (en plus des rangs impairs)des harmoniques de rangs pairs.Les interharmoniques sont des composantessinusoïdales, qui ne sont pas à des fréquencesmultiples entières de celle du fondamental (doncsituées entre les harmoniques). Elles sont duesà des variations périodiques ou aléatoires de lapuissance absorbée par différents récepteurstels que fours à arc, machines à souder etconvertisseurs de fréquences (variateurs devitesse, cycloconvertisseurs). Les fréquences detélécommande utilisées par le distributeur sontaussi des interharmoniques.Le spectre peut être discret ou continu etvariable de façon aléatoire (four à arc) ouintermittente (machines à souder).Pour étudier les effets à court, moyen ou longterme, les mesures des différents paramètresdoivent se faire à des intervalles de tempscompatibles avec la constante de tempsthermique des équipements.

Charges non linéaires Forme d’onde de courant Spectre THD

Variateur de vitesse

44 %

Redresseur / chargeur

28 %

Charge informatique

115 %

Eclairage fluorescent

53 %

A

t

h

h

A

t

A

t

A

t

1

%

50

0

100

%

100

%

100

5 7 11 13 17 19

19

23 25

1

50

05 7 11 13 17

h1

50

03 5 7 9 11 13

%

100

h1

50

03 5 7 9 11 13

Fig. 3 : caractéristiques de quelques générateurs d’harmoniques.


2.4 Surtensions

Toute tension appliquée à un équipement dont lavaleur de crête sort des limites d’un gabaritdéfini par une norme ou une spécification estune surtension (cf. Cahiers Techniques n°141,151 et 179).

Les surtensions sont de trois natures :c temporaires à fréquence industrielle,c de manœuvre,c d’origine atmosphérique (foudre).

Elles peuvent apparaître :c en mode différentiel (entre conducteurs actifsph/ph – ph/neutre),c en mode commun (entre conducteurs actifs etla masse ou la terre).

Les surtensions à fréquence industrielle

Par définition elles sont à la même fréquenceque celle du réseau (50 Hz ou 60 Hz). Elles ontplusieurs origines :

c Un défaut d’isolementLors d’un défaut d’isolement entre une phase etla terre dans un réseau à neutre impédant ouisolé, la tension des phases saines par rapport àla terre peut atteindre la tension composée. Dessurtensions sur les installations BT peuventprovenir des installations HT par l’intermédiairede la prise de terre du poste HT/BT.

c La ferrorésonanceIl s’agit d’un phénomène oscillatoire non linéairerare, souvent dangereux pour le matériel, seproduisant dans un circuit comportant uncondensateur et une inductance saturable.Des dysfonctionnements ou des destructions dematériel mal élucidés lui sont volontiers attribués(cf. Cahier Technique n°190).

c La rupture du conducteur de neutreLes appareils alimentés par la phase la moins

chargée voient leur tension augmenter (parfoisjusqu’à la tension composée).

c Les défauts du régulateur d’un alternateur oud’un régleur en charge de transformateur

c La surcompensation de l’énergie réactiveLes condensateurs shunt produisent uneaugmentation de la tension depuis la sourcejusqu’au point où ils se trouvent.Cette tension est particulièrement élevée enpériode de faibles charges.

Les surtensions de manœuvreElles sont provoquées par des modificationsrapides de la structure du réseau (ouvertured’appareils de protection…). On distingue :

c les surtensions de commutation en chargenormale,

c les surtensions provoquées par l’établissementet l’interruption de petits courants inductifs,

c les surtensions provoquées par la manœuvrede circuits capacitifs (lignes ou câbles à vide,gradins de condensateurs).

Par exemple la manœuvre d’une batterie decondensateurs provoque une surtensiontransitoire dont la première crête peut atteindre2r fois la valeur efficace de la tension du réseauet une surintensité transitoire de valeur crêtepouvant atteindre 100 fois le courant assigné ducondensateur (cf. Cahier Technique n°189).

Les surtensions atmosphériquesLa foudre est un phénomène naturelapparaissant en cas d’orage. On distingue lescoups de foudre directs (sur une ligne ou surune structure) et les effets indirects d’un coup defoudre (surtensions induites et montée enpotentiel de la terre) (cf. Cahiers Techniquesn°151 et 179).

2.5 Variations et fluctuations de tension

Les variations de tension sont des variations de lavaleur efficace ou de la valeur crête d’amplitudeinférieure à 10 % de la tension nominale.

Les fluctuations de tension sont une suite devariations de tension ou des variations cycliquesou aléatoires de l’enveloppe d’une tension dontles caractéristiques sont la fréquence de lavariation et l’amplitude.

c Les variations lentes de tension sont causéespar la variation lente des charges connectées auréseau.

c Les fluctuations de tension sont principalementdues à des charges industrielles rapidementvariables comme les machines à souder, lesfours à arc, les laminoirs.


2.6 Déséquilibres

Un système triphasé est déséquilibré lorsque lestrois tensions ne sont pas égales en amplitude et/ou ne sont pas déphasées les unes par rapportaux autres de 120°. Le degré de déséquilibre estdéfini en utilisant la méthode des composantesde Fortescue par le rapport de la composanteinverse (U1i) (ou homopolaire (U1o)) dufondamental à celui de la composante directe(U1d) du fondamental.

∆ ∆UiU

Uet Uo

U

U

i

d

o

d

= =1

1

1

1

La formule approchée suivante peut aussi être

utilisée : ∆Ui maxi=−V VmoyVmoy

i ,

avec Vi = tension de la phase i et

VmoyV V V

= + +1 2 3

3

La tension inverse (ou homopolaire) estprovoquée par les chutes de tension le long desimpédances du réseau dues aux courantsinverses (ou homopolaire) produits par lescharges déséquilibrées qui conduisent à descourants non identiques sur les trois phases(charges BT connectées entre phase et neutre,charges monophasées ou biphasées MT tellesque machines à souder et fours à induction).

Les défauts monophasés ou biphasésprovoquent des déséquilibres jusqu’aufonctionnement des protections.

2.7 Résumé

Perturbations Creux de Surtensions Harmoniques Déséquilibres Fluctuationstension de tension

Formes d’ondecaractéristiques

Origine de la perturbation

c Réseau

v Défaut d’isolement, rupturedu conducteur de neutre... v Manœuvres etferrorésonance v Moteur synchrone

c Equipements

v Moteur asynchrone v Moteur synchrone v Machine à souder v Four à arc v Convertisseur v Charges informatiques v Eclairage v Onduleur v Batterie de condensateurs

: Phénomène occasionnel : Phénomène fréquent


3 Effets des perturbations sur les charges et procédés

D’une façon générale, quelle que soit laperturbation, les effets peuvent être classés dedeux façons différentes :c Effets instantanés : manœuvres intempestivesde contacteurs ou d’organes de protection,mauvais fonctionnement ou arrêt d’une machine.L’impact financier de la perturbation est alorsdirectement chiffrable.

c Effets différés : pertes énergétiques,vieillissement accéléré du matériel dû auxéchauffements et aux efforts électrodynamiquessupplémentaires engendrés par lesperturbations.L’impact financier (par ex. sur la productivité) estplus difficilement quantifiable.

3.1 Creux de tension et coupures

Les creux de tension et les coupures perturbentde nombreux appareils raccordés au réseau. Ilssont la cause la plus fréquente de problèmes dequalité d’énergie. Un creux de tension ou unecoupure de quelques centaines de millisecondespeut se traduire par des conséquences néfastesplusieurs heures durant.

Les applications les plus sensibles sont les :c chaînes complètes de fabrication en continudont le procédé ne tolère aucun arrêt temporaired’un élément de la chaîne (imprimerie, sidérurgie,papeterie, pétrochimie…),c éclairages et systèmes de sécurité (hôpitaux,balisage des aéroports, locaux recevant dupublic, immeubles de grande hauteur…),c équipements informatiques (centres detraitement de données, banques,télécommunications…),c auxiliaires essentiels de centrales.

Les paragraphes suivants passent en revue lesprincipales conséquences des creux de tensionet coupures sur les principaux équipementsutilisés dans les secteurs industriels, tertiaires etdomestiques.

Moteur asynchroneLors d’un creux de tension, le couple d’unmoteur asynchrone (proportionnel au carré de latension) diminue brutalement et provoque unralentissement. Ce ralentissement est fonction del’amplitude et de la durée du creux, de l’inertiedes masses tournantes et de la caractéristiquecouple-vitesse de la charge entraînée. Si lecouple que le moteur développe devient inférieurau couple résistant, le moteur s’arrête (décroche).Après une coupure, le retour de la tensionengendre un appel de courant de réaccélérationproche du courant de démarrage et dont ladurée dépend de la durée de la coupure.Lorsque l’installation comporte de nombreuxmoteurs, leurs réaccélérations simultanées

peuvent provoquer une chute de tension dansles impédances amont du réseau qui allonge ladurée du creux et peut rendre la réaccélérationdifficile (redémarrages longs avecsuréchauffement) voire impossible (couplemoteur inférieur au couple résistant).La réalimentation rapide (~ 150 ms) d’un moteurasynchrone en cours de ralentissement sansprécaution peut conduire à un réenclenchementen opposition de phase entre la source et latension résiduelle entretenue par les moteursasynchrones. Dans ce cas la première crête ducourant peut atteindre trois fois le courant dedémarrage (15 à 20 In) (cf. Cahier Techniquen° 161).Ces surintensités et les chutes de tension qui endécoulent ont des conséquences pour lemoteur (échauffements supplémentaires etefforts électrodynamiques dans les bobinespouvant engendrer des ruptures d’isolation etdes à-coups sur le couple avec des contraintesmécaniques anormales sur les accouplements etles réducteurs d’où une usure prématurée voireune rupture) mais aussi sur les autreséquipements tels que les contacteurs (usurevoire soudure des contacts). Les surintensitéspeuvent conduire au déclenchement desprotections générales de l’installation provoquantainsi l’arrêt du procédé.

Moteur synchrone

Les effets sont à peu près identiques au cas desmoteurs asynchrones.Les moteurs synchrones peuvent cependantsupporter des creux de tension plus importants(de l’ordre de 50 %) sans décrocher, du fait deleur inertie généralement plus importante, despossibilités de surexcitation et de laproportionnalité de leur couple avec la tension.En cas de décrochage, le moteur s’arrête, et ilfaut reprendre tout le processus de démarragequi est assez complexe.


Actionneurs

Les organes de commande (contacteurs,disjoncteurs équipés de bobine à manque detension) alimentés directement par le réseau sontsensibles aux creux de tension dont la profondeurdépasse 25 % de Un. En effet, pour un contacteurclassique, il existe une valeur de tension minimaleà respecter (dite tension de retombée) en deçàde laquelle les pôles se séparent et transformentalors un creux de tension (de quelques dizainesde millisecondes) ou une coupure brève en unecoupure longue (de plusieurs heures).

Equipements de type informatiqueLes équipements informatiques (ordinateurs,appareils de mesure) occupent aujourd’hui uneplace prépondérante dans la surveillance et lecontrôle-commande des installations, la gestion,la production. Ces équipements sont toussensibles aux creux de tension dont laprofondeur est supérieure à 10 % de Un.La courbe ITI (Information Technology IndustryCouncil) – anciennement CBEMA – indique, dansun plan durée-amplitude, la tolérance typiquedes équipements informatiques aux creux detension, coupures et surtensions (cf. fig. 4 ).

Le fonctionnement en dehors de ces limitesconduit à des pertes de données, commandeserronées, arrêt ou panne des appareils. Lesconséquences de la perte de fonction deséquipements dépendent en particulier desconditions de redémarrage lorsque la tension estrétablie. Certains équipements possèdent parexemple leur propre dispositif de détection descreux de tension qui permet de sauvegarder lesdonnées et d’assurer une sécurité eninterrompant le processus de calcul et lescommandes erronées.

Machines à vitesse variable

Les problèmes posés par les creux de tensionappliqués aux variateurs de vitesse sont :

c impossibilité de fournir la tension suffisante aumoteur (perte de couple, ralentissement),

c impossibilité de fonctionnement des circuits decontrôle alimentés directement par le réseau,

c surintensité au retour de la tension (rechargedu condensateur de filtrage des variateurs),

c surintensité et déséquilibre de courant en casde creux de tension sur une seule phase,

c perte de contrôle des variateurs à courantcontinu en fonctionnement onduleur (freinagepar récupération d’énergie).

Les variateurs de vitesse se mettentgénéralement en défaut pour une chute detension supérieure à 15 %.

Eclairage

Les creux de tension provoquent un vieillissementprématuré des lampes à incandescence et destubes fluorescents.Les creux de tension de profondeur supérieureou égale à 50 % et dont la durée est de l’ordrede 50 ms provoquent l’extinction des lampes àdécharge. Une durée d’extinction de quelquesminutes est alors nécessaire au refroidissementde l’ampoule avant réallumage.

Fig. 4 : tolérance typique définie par la courbe ITI.

500U (%)

200

140120

∆T (s)

100 11090

7080

00 10-3 3.10-3 100,020,01T 0,5

3.2 Harmoniques

Leurs conséquences sont liées à l’augmentationdes valeurs crêtes (claquage diélectrique) etefficaces (échauffement supplémentaire) et auspectre en fréquence (vibration et fatiguemécanique) des tensions et des courants.Leurs effets ont toujours un impact économiquedu fait du surcoût lié à :c une dégradation du rendement énergétique del’installation (pertes d’énergie),c un surdimensionnement des équipements,c une perte de productivité (vieillissementaccéléré des équipements, déclenchementsintempestifs).

Au-delà d’un taux de distorsion harmonique detension de 8 % les dysfonctionnements sontprobables. Entre 5 et 8 %, lesdysfonctionnements sont possibles.

c Effets instantanés ou à court termev Déclenchements intempestifs des protections :les harmoniques ont une influence gênanteprincipalement sur les dispositifs de contrôle deseffets thermiques. En effet, lorsque de tels appa-reils, voire des protections, déduisent la valeurefficace du courant à partir de la valeur crête il y aun risque d’erreur et de déclenchement intempestifmême en fonctionnement normal, sans surcharge.


v Perturbations induites des systèmes à courantsfaibles (télécommande, télécommunication,chaîne hifi, écran d’ordinateur, téléviseur).v Vibrations et bruits acoustiques anormaux(tableaux BT, moteurs, transformateurs).v Destruction par surcharge thermique decondensateurs.Si la fréquence propre de l’ensemblecondensateur-réseau amont est proche d’unrang harmonique, il y a résonance etamplification de l’harmonique correspondant.v Perte de précision des appareils de mesureUn compteur d’énergie à induction classe 2donne une erreur supplémentaire de 0,3 % enprésence d’un taux de 5 % d’harmonique 5 encourant et en tension.

c Effets à long terme

Une surcharge en courant provoque deséchauffements supplémentaires donc unvieillissement prématuré des équipements :v échauffement des sources : transformateurs,alternateurs (par augmentation des pertes Joule,des pertes fer),v fatigue mécanique (couples pulsatoires dansles machines asynchrones),v échauffement des récepteurs : desconducteurs de phases et du neutre paraugmentation des pertes joule et diélectriques.Les condensateurs sont particulièrementsensibles aux harmoniques du fait que leurimpédance décroît proportionnellement au rangdes harmoniques.

v destruction de matériels (condensateurs,disjoncteurs…).

Une surcharge et un échauffementsupplémentaire du conducteur de neutrepeuvent être la conséquence de la présence decourants d’harmoniques 3 et multiples de 3présents dans les conducteurs de phases quis’ajoutent dans le neutre.En régime de neutre TNC le conducteur deneutre est confondu avec le conducteur deprotection. Or celui-ci interconnecte toutes lesmasses de l’installation y compris les structuresmétalliques du bâtiment. Les courantsharmoniques 3 et multiples de 3 vont donccirculer dans ces circuits et provoquer desvariations de potentiel dont les conséquencessont :v corrosion de pièces métalliques,v surintensité dans les liaisons detélécommunication reliant les masses de deuxrécepteurs (par exemple, imprimante et micro-ordinateur),v rayonnement électromagnétique perturbant lesécrans (micro-ordinateurs, appareils delaboratoire).

Le tableau de la figure 5 résume les principauxeffets des harmoniques ainsi que les niveauxadmissibles habituels.

Les interharmoniques ont pour effets deperturber les récepteurs de télécommande et deprovoquer un phénomène de papillotement(flicker) (cf. CahierTechnique n°176).

Fig. 5 : effets des harmoniques et limites habituellement retenues.

FVH U hhh

==∑ 2

2

13 (Facteur de Variation Harmonique selon CEI 892)

Matériels Effets Limites

Condensateurs Echauffement, vieillissement prématuré (claquage), I < 1,3 Inde puissance résonance. (THD I < 83 %),

ou U < 1,1 Unpour 12 h / j en HTAou 8 h / j en BT

Moteurs Pertes et échauffements supplémentaires. FVH i 2 % pourRéduction des possibilités d’utilisation à pleine charge. les moteursCouple pulsatoire (vibrations, fatigue mécanique) asynchronesNuisances sonores. habituels

Transformateurs Pertes (ohmique-fer) et échauffements supplémentaires.Vibrations mécaniques. Nuisances sonores.

Disjoncteurs Déclenchements intempestifs (dépassements Uh / U1 i 6 à 12 %des valeurs crêtes de la tension…).

Câbles Pertes diélectriques et ohmiques supplémentaires THD i 10 %(particulièrement dans le neutre en cas de présence Uh / U1 i 7 %d’harmoniques 3).

Ordinateurs Troubles fonctionnels. Uh / U1 i 5 %

Electronique de Troubles liés à la forme d’ondepuissance (commutation, synchronisation).


3.3 Surtensions

Leurs conséquences sont très diverses selon letemps d’application, la répétitivité, l’amplitude, lemode (commun ou différentiel), la raideur dufront de montée, la fréquence :c claquage diélectrique, cause de destruction dematériel sensible (composants électroniques…),c dégradation de matériel par vieillissement(surtensions non destructives mais répétées),c coupure longue entraînée par la destruction dematériel (perte de facturation pour les distributeurs,pertes de production pour les industriels),c perturbations des circuits de contrôle-commande et de communication à courant faible(cf. Cahier Technique n°187),

c contraintes électrodynamiques et thermiques(incendie) causées par :v La foudre essentiellement.Les réseaux aériens sont les plus affectéspar la foudre, mais les installations alimentéespar des réseaux souterrains peuvent subir descontraintes de tension élevées en cas defoudroiement à proximité du site.v Les surtensions de manœuvre qui sontrépétitives et dont la probabilité d’apparition estnettement supérieure à celle de la foudre et dedurée plus longue.Elles peuvent conduire à des dégradations aussiimportantes que la foudre.

3.4 Variations et fluctuations de tension

Comme les fluctuations ont une amplitude quin’excède pas ± 10 %, la plupart des appareils nesont pas perturbés. Le principal effet desfluctuations de tension est la fluctuation de laluminosité des lampes (papillotement ou flicker)(cf. Cahier Technique n°176). La gêne physiolo-gique (fatigue visuelle et nerveuse) dépend de

l’amplitude des fluctuations, de la cadence derépétition des variations, de la compositionspectrale et de la durée de la perturbation.Il existe toutefois un seuil de perceptibilité(amplitude en fonction de la fréquence devariation) défini par la CEI en dessous duquel leflicker n’est pas visible.

3.5 Déséquilibres

Le principal effet est le suréchauffement desmachines asynchrones triphasées.En effet, la réactance inverse d’une machineasynchrone est équivalente à sa réactancependant la phase de démarrage. Le taux dedéséquilibre en courant sera donc plusieurs foiscelui de la tension d’alimentation. Les courants

de phase peuvent alors différer considérablement.Ce qui accroît l’échauffement de la ou desphases parcourues par le courant le plus élevéet réduit la durée de vie de la machine.En pratique, un taux de déséquilibre de tensionde 1 % pendant une longue période, et 1,5 % demoins de quelques minutes est acceptable.

Equipements Sensibilité aux perturbationsCreux de tension Surtensions Harmoniques Déséquilibres Fluctuations < 0,5 s > 0,5 s de tension

c Moteur asynchrone c Moteur synchrone c Actionneur c Variateur de vitesse c Charge informatique, commande numérique c Four à induction c Eclairage c Batterie de condensateursc Transformateurc Onduleurc Disjoncteurc Câble

3.6 Résumé


4 Niveau de qualité de l’énergie

4.1 Méthodologie d’évaluation

Application contractuelle

Le contrat doit indiquer :c la durée du contrat,c les paramètres à mesurer,c les valeurs contractuelles,c le(s) point(s) de la mesure,c les tensions mesurées : ces tensions (entrephases et/ou entre phases et neutre) doiventêtre celles qui alimentent les équipements ;c pour chaque paramètres mesurés le choix dela méthode de mesure, l’intervalle de temps, lapériode de la mesure (par ex. 10 minutes et 1 anpour l’amplitude de la tension) et des valeurs deréférence ; par exemple pour les creux detension et coupures il s’agit de définir la tensionde référence, les seuils de détection et la limiteentre coupures longues et coupures brèves ;c la précision de la mesure,c la méthode de détermination des pénalités encas de non respect des engagements,c les clauses en cas de mésentente concernantl’interprétation des mesures (intervention d’unetierce partie…),c l’accès et la confidentialité des données.

Maintenance corrective

C’est généralement suite à des incidents oudysfonctionnements en exploitation qu’estengagée une action de dépannage en vue demettre en place des mesures correctives.Les étapes sont en général :

c Recueil de données

Il s’agit de collecter les informations telles que letype de charges, l’âge des composants duréseau et le schéma unifilaire.

c Recherche de symptômes

Il s’agit d’identifier et de localiser les équipementsperturbés, de déterminer l’heure et la date (fixeou aléatoire) du problème, la corrélationéventuelle avec des conditions météorologiquesparticulières (vent fort, pluie, orage) ou avec unemodification récente de l’installation (installationde nouvelles machines, modification du réseau).

c Connaissance et vérification de l’installation

Cette phase suffit parfois à déterminerrapidement l’origine du dysfonctionnement.

Les conditions d’environnement telles quel’humidité, la poussière, la température nedoivent pas être sous-estimées.L’installation, en particulier le câblage, lesdisjoncteurs et les fusibles, doit être vérifiée.

c Instrumentation de l’installation

Cette étape consiste à équiper le site d’appareilsde mesure qui permettent de détecter etd’enregistrer l’événement à l’origine duproblème. Il peut être nécessaire d’instrumenterplusieurs points de l’installation et en particulier(lorsque c’est possible) au plus près de l’(des)équipement(s) perturbé(s).

L’appareil détecte des événements pardépassement de seuils sur les paramètres demesure de la qualité de l’énergie et enregistreles données caractéristiques de l’événement(par exemple date, heure, profondeur d’un creuxde tension, THD). Les formes d’ondes justeavant, pendant et après la perturbation peuventaussi être sauvegardées. Les seuils doivent êtreparamétrés en fonction de la sensibilité deséquipements.

Lorsque des appareils portatifs sont utilisés, ladurée des mesures doit être représentative ducycle de fonctionnement d’une usine (par ex.une semaine). Il faut alors attendre que laperturbation se reproduise.

Des appareils fixes permettent une surveillancepermanente de l’installation. Si ces appareilssont correctement paramétrés, ils assurent unefonction de prévention et de détection enconsignant chaque perturbation. Lesinformations peuvent être visualisées soitlocalement soit à distance par un réseau Intranetou Internet. Ceci permet de diagnostiquer lesévénements mais aussi d’anticiper lesproblèmes (maintenance préventive). Il en estainsi avec les appareils de la gamme PowerLogic System (Circuit Monitor - Power Meter),Digipact et la dernière génération dedisjoncteurs Masterpact équipés de déclencheurMicrologic P (cf. fig. 6 ).

Les enregistrements de perturbations provenantdu réseau du distributeur et ayant causé desdommages (destruction de matériels, pertes deproduction…) peuvent être aussi utiles en cas denégociation de dédommagement.


c Identification de l’origine

La signature (forme d’onde, profil de valeurefficace) de la perturbation permet en général àdes experts de localiser et d’identifier la sourcedu problème (un défaut, un démarrage moteur, unenclenchement de banc de condensateurs…).La connaissance simultanée de la signature entension et en courant permet en particulier dedéterminer si l’origine du problème est située enamont ou en aval du point de mesure. Laperturbation peut en effet provenir del’installation ou du réseau du distributeur.

c Etude et choix de solutions

La liste et les coûts des solutions sont établis.Le choix de la solution s’effectue souvent encomparant son coût avec le manque à gagneren cas de perturbations.Après la mise en œuvre d’une solution, il estimportant de vérifier, par la mesure, son efficacité.

Optimiser le fonctionnement des installationsélectriques

Ce souci d’optimiser le fonctionnement d’uneinstallation électrique se traduit par trois actionscomplémentaires :

c Economiser l’énergie et réduire les facturesd’énergie

v Sensibiliser les utilisateurs aux coûts,v Affecter les coûts en interne (par site, parservice ou par ligne de produits),

v Localiser les économies potentielles,v Gérer les crêtes de consommation (délestage,sources autonomes),v Optimiser le contrat d’énergie (réduction de lapuissance souscrite),v Améliorer le facteur de puissance (réductionde la puissance réactive).

c Assurer la qualité de l’énergie

v Visualiser et surveiller les paramètres demesure de la qualité de l’énergie,v Détecter par anticipation les problèmes(surveillance des harmoniques et du courant deneutre…) pour une maintenance préventive.

c Veiller à la continuité de service

v Optimiser la maintenance et l’exploitation,v connaître le réseau en temps réel,v surveiller le plan de protection,v diagnostiquer les défauts,v reconfigurer un réseau suite à un défaut,v assurer un transfert de source automatique.

Des outils logiciels assurent le contrôle-commande et la surveillance de l’installation.Ils permettent par exemple de détecter etd’archiver les événements, de surveiller entemps réel les disjoncteurs et les relais deprotections, de commander à distance lesdisjoncteurs, et de façon générale d’exploiterles possibilités des appareils communicants(cf. fig. 6).

Sepam

DigipactPower Meter

Circuit MonitorDispositif demesure et decommande

Disjoncteur Masterpact

Disjoncteur Compact NS

Digipact DC150Concentrateurde données

Fig. 6 : quelques produits communicants (marque Merlin Gerin).

Documents

Cahier technique n 199 - eduscol.education.freduscol.education.fr/.../ressources/techniques/3361/3361-ct199-1.pdf · 6.2 Compensation automatique en temps réel p. 28 6.3 Protection