Chapitre II :…….Pollution Harmoniques dans les Réseaux Electriques

Cours N#1

1 Introduction

Depuis de nombreuses années, le distributeur d’énergie électrique s’efforce de garantir la qualité de la fourniture d’électricité. Les premiers efforts se sont portés sur la continuité de service afin de rendre toujours disponible l’accès à l’énergie chez l’utilisateur. Aujourd’hui, les critères de qualité ont évolué avec le développement des équipements où l’électronique prend une place prépondérante dans les systèmes de commande et de contrôle.

Ces dispositifs sensibles, mais qui dégradent également la qualité de la tension, existent dans toutes les catégories d’utilisateurs :

ð dans le domaine industriel par l’emploi de constituants d’électronique de puissance ;

ð dans le domaine tertiaire avec le développement de l’informatique ;

ð dans le domaine domestique par l’utilisation en grand nombre des téléviseurs, magnétoscopes, lampes à économie d’énergie, …

 L’ouverture du marché de l’énergie électrique, la nécessité de garantir les productions pour les entreprises, font de la qualité de l’énergie électrique un enjeu majeur pour les compagnies d’électricité et pour les fabricants d’équipements. La notion de qualité du produit« électricité » est attachée au niveau de satisfaction de l’utilisateur.

Les performances de ses équipements sont directement liées à la qualité de la tension d’alimentation. Par exemple, une variation de 10 % de l’amplitude de la tension se traduira par une perte de couple de 19 % pour une machine asynchrone. Les équipements d’un utilisateur peuvent apporter des perturbations sur le réseau susceptibles de gêner les autres utilisateurs. Le distributeur (système d’alimentation) et l’utilisateur (installations) sont l’un et l’autre concernés par la qualité de l’électricité.

2. Objectifs de la mesure de la qualité de l’énergie

Des relations contractuelles peuvent s’établir entre fournisseur d’électricité et utilisateur final, mais aussi entre producteur et transporteur ou entre transporteur et distributeur dans le cadre d’un marché dérégulé. Une application contractuelle nécessite que les termes soient définis en commun et acceptés par les différentes parties. Il s’agit alors de définir les paramètres de mesure de la qualité et de comparer leurs valeurs à des limites prédéfinies voire contractuelles. Cette application implique souvent le traitement d’un nombre important de données.

2.1 Maintenance corrective

Malgré le respect des règles de l’art (conception de schéma, choix des protections, du régime de neutre et mise en place de solutions adaptées) dès la phase de conception, des dysfonctionnements peuvent apparaître en cours d’exploitation.

· les perturbations peuvent avoir été négligées ou sous-estimées,

· l’installation a évolué (nouvelles charges et /ou modification).

       C’est généralement suite à ces problèmes qu’une action de dépannage est engagée.

2.2 Optimisation du fonctionnement des installations électriques

 Pour réaliser des gains de productivité (économies de fonctionnement et / ou réduction des coûts d’exploitation) il faut avoir un bon fonctionnement des procédés et une bonne gestion de l’énergie, deux facteurs qui dépendent de la qualité d’énergie électrique. Disposer d’une qualité d’énergie électrique adaptée aux besoins est un objectif des personnels d’exploitation, de maintenance et de gestion de sites tertiaires ou industriels. Des outils logiciels complémentaires assurant le contrôle-commande et la surveillance permanente de l’installation sont alors nécessaires.

2.3 Enquêtes statistiques

Cette étude nécessite une approche statistique sur la base de nombreux résultats obtenus par des enquêtes généralement réalisées par les exploitants de réseaux de transport et de distribution.

a. Enquêtes sur les performances générales d’un réseau

· Planifier et cibler les interventions préventives grâce à une cartographie des niveaux de perturbations sur un réseau. Ceci permet de réduire les coûts d’exploitation ainsi qu’une meilleure maîtrise des perturbations

• Comparer la QEE fournie par différents distributeurs en différents lieux géographiques. Des clients potentiels peuvent en effet demander des caractéristiques de fiabilité pour la fourniture de l’électricité avant d’installer de nouvelles usines.

b. Enquêtes sur les performances en un point particulier du réseau.

Elles permettent de :

• Déterminer l’environnement électromagnétique auquel une installation future ou un nouvel équipement sera soumis. Des actions d’amélioration du réseau de distribution et/ou de désensibilisation du réseau du client peuvent alors être engagées de façon préventive.

• Spécifier et vérifier les performances auxquelles le fournisseur d’électricité s’engage de façon contractuelle.

2.4 Critères de la qualité de l’énergie électrique

Les critères de qualité de l’électricité sont directement issus de l’observation des perturbations électromagnétiques des réseaux électriques. On parle de Compatibilité Electromagnétique (C. E. M.) afin de caractériser l’aptitude d’un appareil, d’un dispositif, à fonctionner normalement dans un environnement électromagnétique sans produire lui-même des perturbations nuisibles aux autres appareils ou dispositifs. La CEM classe ces perturbations selon deux groupes  [3]:

· basses fréquences (< 9 kHz) ;

· hautes fréquences (> 9 kHz).

D’autre part, ces phénomènes sont caractérisés selon leur mode de transmission : on parlera de perturbations conduites et de perturbations rayonnées.

3 Synthèses des perturbations harmoniques dans les réseaux électriques

 La qualité de l’énergie électrique est un indicateur de la santé des équipements électriques branchés sur le réseau. La santé des équipements (bon fonctionnement, défaillance, durée de vie, etc.) est affectée directement par la qualité du réseau à l’intérieur du bâtiment et surtout de la tension disponible sur chacune des prises électriques.

Cependant, garder une bonne qualité de l’énergie c’est équivalent à protéger ces équipements contre l’environnement des pollutions. Plusieurs techniques sont actuellement disponibles pour aider à améliorer la qualité de l’énergie. Il ne faut pas oublier que la meilleure technique de protection est à la source.

3.1 Charges industrielles génératrices d'harmoniques

 L'avènement de l'électronique de puissance a eu un impact majeur sur le monde industriel au cours des dernières décennies. Cet avènement s'est produit par l'arrivée sur le marché des composants d'électronique de puissance tels les thyristors, les triacs, les GTO, les IGBT ou les transistors de forte puissance. Ces composantes ont permis le développement de convertisseurs statiques de grande puissance qui permettent la conversion de la puissance électrique d'une forme quelconque à une autre forme. Ces convertisseurs apportent un progrès considérable au niveau des procédés industriels. Comme mentionné précédemment, ces convertisseurs sont vus comme étant des charges non linéaires qui injectent des courants harmoniques sur le réseau électrique. Nous présentons dans cette section quelques-unes des charges les plus importantes.

3.2 Redresseur triphasé à diodes et filtre capacitif

Ce montage est utilisé comme premier étage pour la commande en vitesse variable des machines asynchrones. La commande de la machine asynchrone en vitesse variable est utilisée dans des applications comme l'entraînement de compresseurs, de ventilateurs, de pompes, de convoyeurs, etc.

3.3 Convertisseur de courant

 Les convertisseurs de courant constituent l'un des montages les plus répandus dans le secteur industriel. Ce type de montage est constitué de thyristors qui sont commandés en ouverture. Ceci ce fait en jouant sur l'angle d'allumage a de commande des gâchettes des thyristors. Ils sont utilisés dans de nombreuses applications telles que :

a. La commande en vitesse variable des moteurs à courant continu

b. La commande en vitesse variable des machines synchrones

c. Onduleur pour commander la machine synchrone en vitesse variable.

d. Les électrolyseurs

e. Les fours à induction régulés

3.4 Les appareils à arc électrique

Les appareils à arc électrique regroupent les fours à arc à courant alternatif, dont la puissance peut atteindre plusieurs dizaines de MW, et les machines de soudure à l'arc à courant alternatif ou continu. Les fours à arc sont majoritairement présents dans la transformation de l'acier et la métallurgique, ainsi que dans les secteurs de la mécanique et de l'électrique.

3.5 Phénomènes de résonance

L'apparition de phénomènes de résonance est due à la présence sur les réseaux d'éléments capacitifs et inductifs. Le danger de ce phénomène est qu'il peut engendrer de grandes valeurs d'impédance Z_n, de tension V_n et de courant harmonique I_n aux bornes des différents éléments composant le réseau. Lorsque ces valeurs de tension et de courant harmoniques sont trop élevées, ils peuvent endommager et même détruire les équipements qui y sont soumis.

3.6 Vibrations mécaniques

 La présence d'harmoniques peut engendrer des couples mécaniques pulsatoires à l'arbre des moteurs asynchrones. Ces couples, qui sont dus aux champs tournant harmoniques, engendrent des vibrations dans les moteurs asynchrones. Pour ce qui est des transformateurs, ils peuvent être susceptibles d'entrer en résonance mécanique aux fréquences harmoniques, ce qui peut entraîner une usure prématurée de cet équipement.

3.7 Effets sur le conducteur neutre

Dans un système équilibré, les composantes homopolaires dans le neutre sont nulles. Ceci n'est pas le cas des systèmes comportant une charge non linéaire [2]. En effet, les courants homopolaires des harmoniques de rang multiple de 3 vont s'additionner dans le conducteur neutre. L'intensité de ces courants superposés peut endommager sérieusement le câble neutre.

3.8 Creux de tension et coupures

 Un creux de tension est une chute brutale de l’amplitude de la tension. Il est caractérisé par :

· sa profondeur (∆U)

· sa durée (∆t)

La norme EN50160 fixe la diminution de la tension à une valeur située entre1 et 90 % de la tension nominale pendant une durée de ½ période à 50Hz soit 10 ms jusqu’à une minute. La mesure d’un creux de tension s’effectue par la détermination de la valeur efficace de la tension toutes les½ périodes (avec recouvrement d’une½ période).

De manière générale, les perturbations en électrotechnique appartiennent à la basse fréquence dont la transmission est conduite. Les phénomènes observés sont nombreux :

ð Creux de tension et coupures,

ð Surtensions temporaires ou transitoires,

ð Fluctuations lentes de la tension (flicker),

ð Variations de la fréquence,

ð Déséquilibres du système triphasé,

ð Harmoniques et inter harmoniques,

ð Tensions continues dans les réseaux alternatifs, …Ils peuvent être regroupés en quatre catégories selon qu’ils affectent :

* l’amplitude,

* la forme d’onde,

* la fréquence,

* la symétrie du système triphasé.

Une coupure brève est un cas particulier du creux de tension. Sa profondeur est supérieure à 90 % et elle est caractérisée uniquement par sa durée (inférieure à 3 minutes). Les coupures longues sont supérieures à 3minutes.

Figure 2.1 : Forme d`onde de la tension perturbée par creux de tension

Les creux de tension sont dus à l’apparition de défauts sur l’installation ou sur le réseau de distribution. Les coupures brèves sont généralement la cause de manœuvres des automatismes des réseaux de distribution (réenclencheurs, isolations de défaut).

3.9 Surtensions temporaires ou transitoires

La norme EN50160 fixe les niveaux de surtensions selon le schéma de liaison à la terre de l’installation :

- réseaux à neutre à la terre (raccordé directement ou avec une impédance) : la surtension ne devra pas dépasser 1,7 Un ;

- réseaux à neutre isolé ou résonant : la surtension ne devra pas dépasser 2 Un.

Les surtensions sont de trois natures :

- Surtensions à la fréquence industrielle (50 Hz) ;

- surtensions de manœuvre;

- surtensions atmosphériques.

Elles apparaissent selon deux modes :

1. mode commun (entre conducteurs actifs et la masse ou la terre) ;

2. mode différentiel (entre conducteurs actifs, phase – phase ou phase – neutre).

 On observe un plus grand nombre de creux de tension et de coupures sur les réseaux aériens que sur les réseaux souterrains du fait des intempéries (excepté, bien entendu, s’ils sont raccordés sur le même départ).

Les surtensions à la fréquence industrielle prennent naissance suite à un défaut d’isolement entre phase et terre, lors d’une surcompensation de l’énergie réactive ou encore lors d’une Ferro résonance provoquée par un circuit inductif et un condensateur. Les surtensions de manœuvre découlent d’une modification de la structure du réseau : mise en service de gradins de condensateur, d’une ligne à vide. Les surtensions atmosphériques sont provoquées par la foudre soit directement, soit indirectement par augmentation du potentiel de la terre.

3.10 Fluctuation lente de la tension (Flicker)

La fluctuation lente de la tension est une diminution de la valeur efficace de la tension de moins de 10 %. La tension est modulée en amplitude par une enveloppe dont la fréquence est comprise entre 0,5 et 25 Hz. Le phénomène est dû à la propagation sur les lignes du réseau d’appels de courants importants à la mise en service ou hors service d’appareil dont la puissance absorbée varie de manière rapide (les fours à arcs, les machines à souder, les moteurs à démarrages fréquents, …).

Figure 2.2 : Forme d`onde de la fluctuation de la tension

3.11  Déséquilibre du système triphasé de tensions

Le déséquilibre du système triphasé s’observe lorsque les trois tensions ne sont pas égales en amplitude et/ou déphasées de 120° les unes par rapport aux autres. La quantification du phénomène fait appel à la décomposition de la composante fondamentale selon les composantes symétriques de Fortescue. On définit un degré de déséquilibre inverse et un degré de déséquilibre homopolaire :

· le degré de déséquilibre inverse est le rapport entre la composante inverse du fondamental de la tension et sa composante directe:   

∆Ui=

· le degré de déséquilibre homopolaire est le rapport entre la composante homopolaire du fondamental de la tension et sa composante directe :

∆U0=

Figure 2.3 : Forme d`onde de la tension d’un système triphasé déséquilibré.

La norme EN50160 fixe le taux de déséquilibre inverse admissible à 2 % sur les valeurs efficaces calculées sur 10 minutes pour 95 % du temps d’une semaine.

 Le déséquilibre du système triphasé de tension est essentiellement dû à charges monophasées ou déséquilibrées raccordées sur le réseau. Les conséquences sont l’augmentation de l’échauffement des machines asynchrones, l’existence de couple inverse et conduisent à dégradation prématurée des machines.