Compensation d’énergie réactive

Toute machine électrique utilisant le courant alternatif (moteur, transformateur) met en jeu deux formes d’énergie : l’énergie active et l’énergie réactive.

L’énergie active consommée (kWh) résulte de la puissance active P (kW) des récepteurs. Elle se transforme intégralement en puissance mécanique (travail) et en chaleur (pertes).

L’énergie réactive consommée (kVARh) sert à l’alimentation des circuits magnétiques des machines électriques.
Elle correspond à la puissance réactive Q (kvar) des récepteurs.
L’énergie apparente (kVAh) est la somme vectorielle des deux énergies précédentes. Elle correspond à la puissance apparente S (kVA) des récepteurs, somme vectorielle de P(kW) et Q(kVAR).

Composantes active et réactive du courant
A chacune des énergies active et réactive, correspond un courant.
Le courant actif (Ia) est en phase avec la tension du réseau.
Le courant réactif (Ir) est déphasé de 90° par rapport au courant actif, soit en retard (récepteur inductif), soit en avance (récepteur capacitif).
Le courant apparent (It) est le courant résultant qui parcourt la ligne depuis la source jusqu’au récepteur.
Si les courants sont parfaitement sinusoïdaux, on peut utiliser la représentation de Fresnel. Ces courants se composent alors vectoriellement comme représenté ci-dessous :

Composantes active et réactive de la puissance
Le diagramme précédent établi pour les courants est aussi valable pour les puissances, en multipliant chacun des courants par la tension commune U.
On définit ainsi :
– La puissance apparente : S = U x I (kVA).
– La puissance active : P = U x I x cosφ (kW).
– La puissance réactive : Q = U x I x sinφ (kVAR).

En triphasé :
– S = U x I x √3 (kVA).
– P = U x I x cosφ x √3 (kW).
– Q = U x I x sinφ x √3 (kVAR).

Facteur de puissance

Le facteur de puissance est égal par définition si les courants et tensions sont des signaux parfaitement sinusoïdaux à :

cosφ = P / S

On utilise également la variable tgφ. Dans les mêmes conditions, nous avons la relation :

tgφ = Q / P

La circulation de l’énergie réactive a des incidences techniques et économiques importantes. En effet, pour une même puissance active P, la figure suivante montre qu’il faut fournir d’autant plus de puissance apparente, et donc de courant, que la puissance réactive est importante.

Ainsi, la circulation de l’énergie réactive sur les réseaux de distribution entraîne, du fait d’un courant appelé plus important :
– Des surcharges au niveau des transformateurs.
– L’échauffement des câbles d’alimentation.
– Des pertes supplémentaires.
– Des chutes de tension importantes.

Pour ces raisons, il est nécessaire de produire l’énergie réactive au plus près possible des charges, pour éviter qu’elle ne soit appelée sur le réseau. C’est ce qu’on appelle “compensation de l’énergie réactive”.

Pour inciter à cela et éviter de surcalibrer son réseau, le distributeur d’énergie pénalise financièrement les consommateurs d’énergie réactive au-delà d’un certain seuil.

On utilise des condensateurs pour fournir l’énergie réactive aux récepteurs inductifs.
Pour réduire la puissance apparente absorbée au réseau de la valeur S2 à la valeur S1, on doit connecter une batterie de condensateurs fournissant l’énergie réactive Qc, telle que :
Qc = P.(tgφ2 – tgφ1).

Choix du type de compensation

L’intérêt économique de la compensation est mesuré en comparant le coût d’installation des batteries de condensateurs aux économies qu’elle procure.
Le coût des batteries de condensateurs dépend de plusieurs paramètres dont :
– La puissance installée.
– Le niveau de tension.
– Le fractionnement en gradins.
– Le mode de commande.
– Le niveau de qualité de la protection.

Choix de la localisation
Compensation globale
La batterie est raccordée en tête d’installation et assure la compensation pour l’ensemble des charges. Elle convient lorsqu’on cherche essentiellement à supprimer les pénalités et soulager le poste de transformation.

Compensation locale ou par secteurs
La batterie est installée en tête du secteur d’installation à compenser. Elle convient lorsque l’installation est étendue et comporte des ateliers dont les régimes de charge sont différents.

Compensation individuelle
La batterie est raccordée directement aux bornes de chaque récepteur inductif (moteur en particulier). Elle est à envisager lorsque la puissance du moteur est importante par rapport à la puissance souscrite. Cette compensation est techniquement idéale puisqu’elle produit l’énergie réactive à l’endroit même où elle
est consommée, et en quantité ajustée à la demande.

Choix du type de compensation
Compensation fixe
On met en service l’ensemble de la batterie, dans un fonctionnement “tout ou rien”.
La mise en service peut être manuelle (par disjoncteur ou interrupteur), semi-automatique (par contacteur), asservie aux bornes des moteurs.
Ce type de compensation est utilisé lorsque la puissance réactive est faible (<15 % de la puissance du transformateur) et la charge relativement stable.

Compensation automatique ou en “gradins”
La batterie de condensateurs est fractionnée en gradins, avec possibilité de mettre en service plus ou moins de gradins, en général de façon automatique. Ce type de batterie est installé en tête de la distribution BT ou d’un secteur important. Elle permet une régulation pas à pas de l’énergie réactive. L’enclenchement et le déclenchement des gradins est piloté par un relais varmétrique.

Compensation d’énergie réactive en présence d’harmoniques

Les équipements faisant appel à l’électronique de puissance (variateurs de vitesse, redresseurs, onduleurs, …), de plus en plus utilisés, sont responsables de la circulation de courants harmoniques dans les réseaux.

Ces harmoniques perturbent le fonctionnement de nombreux dispositifs. En particulier, les condensateurs y sont extrêmement sensibles du fait que leur impédance décroît proportionnellement au rang des harmoniques présents.
Dans certaines circonstances, des phénomènes de résonance peuvent se produire entraînant une forte distorsion de tension et la surcharge des condensateurs.
Selon la puissance des générateurs d’harmoniques présents, différents types de condensateurs doivent être choisis, associés éventuellement à des inductances.

Le tableau suivant résume les différents choix possibles :

Pour les valeurs élevées de puissance des générateurs d’harmoniques, le traitement des harmoniques est en général nécessaire. Le dispositif approprié (filtre d’harmonique) remplit à la fois les fonctions de compensation d’énergie réactive et de filtrage des harmoniques.

Régime transitoire d’enclenchement

L’enclenchement d’une batterie de condensateurs est accompagné d’un régime transitoire en courant et en tension. Une surintensité et une surtension apparaissent, dont l’amplitude et la fréquence dépendent des caractéristiques du réseau amont et du nombre de batteries de condensateurs.
Le réseau amont est considéré comme une inductance pure La telle que :

avec :
– Un : tension composée nominale.
– Icc : courant de court-circuit triphasé symétrique au point de raccordement du condensateur,
– Scc : puissance de court-circuit au point de raccordement du condensateur : Scc = √3 x Un x Icc.
La liaison reliant l’appareil de coupure (contacteur, disjoncteur ou interrupteur) à la batterie de condensateurs est considérée également comme une inductance pure.

Cas d’une batterie fixe
Le schéma monophasé équivalent est celui de la figure suivante :

La : inductance du réseau amont.
L : inductance de la liaison reliant l’appareil de coupure à la batterie de condensateurs.

On démontre que l’expression du courant crête d’enclenchement est :

L est négligeable devant La, d’où :

La fréquence propre de ce courant est :

Sa durée est équivalente à la durée de la période transitoire d’un court-circuit, soit quelques dizaines de ms.
On peut comparer ce courant au courant nominal de la batterie :

d’où :

En utilisant :

on obtient :

La surintensité s’accompagne d’une surtension dont la valeur maximale peut être proche de 2 fois la tension crête réseau.

Exemple :
Supposons une batterie fixe de 250 kvar de tension composée Un = 400 V alimentée par un réseau de puissance de court-circuit maximal Scc = 20MVA, on a :

Le courant crête d’enclenchement maximal vaut dans cet exemple 12,6 fois le courant nominal de la batterie, sa fréquence propre est 447Hz.

Les figures suivantes représentent le courant d’enclenchement et la tension réseau, lorsque l’enclenchement a lieu au maximum de la tension.

Courant d’enclenchement
 

Tension réseau à l’enclenchement
 

Cas d’une batterie en gradins
Le schéma monophasé équivalent pour (n+1) gradins de condensateurs est celui de la figure suivante :

La : inductance du réseau amont.
L : inductance de la liaison reliant l’appareil de coupure à la batterie de condensateurs (0,5 µH/m).

Le courant crête d’enclenchement Îe est maximal lorsque n gradins sont en service et que l’on enclenche le n+1ème
Les gradins en service se déchargent dans le gradin enclenché. Les inductances L étant très faibles, ce courant d’enclenchement est très important (il est indépendant de l’inductance du réseau La).

On démontre que l’expression du courant crête d’enclenchement est :

On peut comparer ce courant au courant nominal d’un gradin Incapa :

On obtient :

avec : Q = puissance réactive d’un gradin.

Exemple
Supposons une batterie de 6 gradins de chacun 50 kvar, de tension composée 400 V, distants de 1 mètre de leur appareil de coupure associé. On a :

Le courant crête d’enclenchement maximal vaut dans cet exemple 168 fois le courant nominal d’un gradin de condensateurs.
Ce courant très élevé ne peut pas être supporté par les condensateurs et les appareils de coupure, il faudra donc utiliser un dispositif limitant le courant d’enclenchement.
Dans le cas des batteries de compensation la limitation des courants d’enclenchement est obtenue par des résistances de pré-insertion dont le principe est illustré sur la figure suivante :

Chaque gradin de condensateurs est commandé par un contacteur équipé de contacts auxiliaires.
Des résistances sont connectées en série avec les contacts auxiliaires.
A la fermeture du contacteur, les contacts auxiliaires sont fermés instantanément, ce qui autorise la précharge au travers des résistances. Après 3ms environ, les contacts principaux se ferment, court-circuitant les résistances.
Illustration : sur les données de l’exemple précédent, avec résistance de pré-insertion égale à 3,2Ω :
– Courant dans le condensateur enclenché.
– Tension aux bornes du condensateur enclenché et tension réseau.

Pointe de courant à l’enclenchement du 6ème gradin : Î capa à peut près égal à 700 A, soit environ 10
fois le courant nominal d’un gradin.

Courant dans le condensateur enclenché
 

Tension aux bornes du condensateur enclenché et tension réseau
 

Résonance

Le phénomène de résonance est à l’origine des plus importantes distorsions harmoniques dans les réseaux de distribution, et la cause majeure de surcharges des condensateurs de compensation.
Les phénomènes décrits ci-dessous sont du type “résonance parallèle”.
Considérons le schéma simplifié suivant, représentant une installation comprenant :
– Un transformateur d’alimentation.
– Des charges linéaires.
– Des charges non linéaires génératrices de courants harmoniques.
– Des condensateurs de compensation.

Pour une analyse harmonique, le schéma équivalent est le suivant :

Ls : inductance de l’alimentation (réseau + transfo + ligne).
C : capacité de compensation.
R : résistance des charges linéaires.
Ih : générateurs d’harmoniques.
Le module de l’impédance vue par les courants harmoniques est représenté sur la figure ci-dessous :

Interprétation physique :
La fréquence far est la fréquence d’accord du circuit (ls + C).
A la fréquence far, le module de l’impédance du réseau vu par les harmoniques est maximal. Il y a donc apparition de tensions harmoniques importantes, et donc une forte distorsion de tension.
Dans la zone d’amplification des harmoniques il y a dans le circuit (ls + C) circulation de courants harmoniques supérieurs aux courants harmoniques injectés.
Le schéma suivant montre les éléments du circuit affectés par les courants harmoniques :

Le réseau d’alimentation ainsi que les condensateurs de compensation sont soumis à des courants harmoniques importants et donc à des risques de surcharge.

Exemple
On considère dans un premier temps un réseau comportant un transformateur, un ensemble de charges linéaires et un batterie de compensation d’énergie réactive.
Les paramètres sont les suivants :
– Puissance nominale du transfo : Sn = 1000kVA.
– Tension de court-circuit du transfo : 5 %.
– Charges linéaires : puissance : P = 500kW, cosφ : 0,75.
– Batterie de condensateurs : Q = 250kVAR.

Dans un deuxième temps, on suppose que la moitié des charges linéaires sont remplacées par des charges non-linéaires.
On observe alors une forte distorsion du courant dans les condensateurs de compensation.
La fréquence de résonance est de 447Hz, ce qui provoque une forte amplification des harmoniques de rang 11.

Courant condensateurs, sans injection d’harmoniques
 

Compensation avec injection d’harmoniques
 

Surcharge harmonique
Les tensions harmoniques appliquées aux condensateurs provoquent la circulation de courants proportionnels à la fréquence des harmoniques. Ces courants sont responsables de pertes supplémentaires. Les tensions harmoniques augmentent aussi la valeur crête de la tension, ce qui entraîne un vieillissement accéléré des
condensateurs.

Exemple
– Tension fondamentale : U1.
– Tensions harmoniques :
– u5 = 8 %,
– u7 = 5 %,
– u11 = 3 %,
– u13 = 1 %,
(THDu = 10 %).

Il en résulte donc une surcharge de près de 20 % par rapport à un fonctionnement sous tension parfaitement sinusoïdale.
Les condensateurs de type standard peuvent supporter une surcharge en courant de 30 % (pour supporter l’effet cumulé des harmoniques et des fluctuations de tension).
En cas de forte distorsion harmonique, on doit utiliser des condensateurs de type H, pouvant supporter 1,43 In.

Surcharge des filtres d’harmoniques

L’objectif d’un filtre d’harmoniques est de dériver les courants harmoniques dans un circuit de faible impédance, afin qu’ils ne circulent pas dans le réseau d’alimentation. Ce principe est illustré sur la figure suivante :

Dans le cas où le réseau d’alimentation présente une distorsion préexistante (due à des charges génératrices d’harmoniques raccordées en amont de l’installation), il existe un risque de surcharge du filtre, comme illustré sur la figure suivante :

La distorsion de tension préexistante doit être prise en compte pour le dimensionnement des filtres d’harmoniques.
Les équipements de filtrage d’harmoniques sont systématiquement équipés d’une protection en surcharge.

Choix des protections

Courant d’enclenchement
On a vu précédemment que la valeur du courant crête à l’enclenchement d’une batterie de condensateurs pouvait être très élevée, surtout pour une batterie automatique en gradins. Dans la pratique, les batteries automatiques de condensateurs basse tension sont équipées de contacteurs avec une résistance de limitation du courant d’enclenchement.
Cette résistance permet :
– De ne pas atteindre le courant maximal crête admissible par les batteries de condensateurs.
– De ne pas atteindre le courant d’enclenchement maximal admissible par les appareils de coupure (contacteur, disjoncteur ou interrupteur).
– D’augmenter la durée de vie des contacteurs.

Dimensionnement thermique des matériels (appareils de coupure et câbles)
Les variations admissibles de la valeur de la tension fondamentale et des composantes harmoniques peuvent conduire à une majoration du courant dans les condensateurs de 30 à 45 %.
Les variations dues aux tolérances sur la capacité des condensateurs peuvent conduire à une majoration supplémentaire de 15 % (suivant norme NFC 15-104).
L’effet cumulé des deux phénomènes fait que les matériels doivent être dimensionnés pour un courant de :
– 1,3 x 1,15 = 1,5 fois le courant nominal des batteries de condensateurs en général.
– 1,3 x 1,05 = 1,36 fois le courant nominal dans le cas de batteries de condensateurs de type standard ou protégées par inductances (type SAH).
– 1,45 x 1,05 = 1,5 fois le courant nominal dans le cas de batteries de condensateurs renforcées (type H).

La protection des condensateurs basse tension peut être réalisée par fusible ou disjoncteur.

– Protection par disjoncteur
Comme indiqué précédemment, le calibre doit être supérieur à 1,36x I ncapa, le seuil thermique peut être réglé à 1,36x I ncapa.
La protection doit être sensible à la valeur efficace du courant (incluant les harmoniques).
Le seuil de déclenchement instantané doit être réglé à 10x I ncapa.

Type de déclencheur
Les déclencheurs de type magnéto-thermique conviennent à l’application.
Dans le cas d’utilisation de déclencheurs électroniques, le seuil de déclenchement “court retard” doit être fixé à 10 fois le courant de réglage Ir, afin d’autoriser le passage de la pointe de courant d’enclenchement.

– Coordination des disjoncteurs avec les équipements de compensation
Dans le cas de protection d’une batterie de compensation par un disjoncteur limiteur, il n’est pas nécessaire de dimensionner la batterie pour le même courant de court-circuit que l’installation.

– Utilisation de dispositifs différentiels résiduels (DDR)
A l’enclenchement d’une batterie de condensateurs, les 3 courants de phases ne sont pas équilibrés, même si la somme de ces 3 courants est nulle. Ces courants sont de valeurs élevées. Il faut donc veiller à centrer au mieux géométriquement le tore de mesure sur les 3 câbles, afin d’éviter qu’une dissymétrie ne provoque une détection de courant parasite et un déclenchement intempestif.

– Protection par fusible
Cas d’une batterie fixe :

Pour ne pas avoir de risque de fusion des fusibles après un grand nombre d’enclenchements, le calibre doit être supérieur à 1,6x I ncapa.

Cas d’une batterie en gradins :
 

Le calibre du fusible de chaque gradin doit être supérieur à 1,6x I ncapa (I ncapa : courant nominal d’un gradin).
Le calibre du fusible de la batterie doit être supérieur à 1,4x I nbat (I nbat : courant nominal de la batterie).
On peut remarquer que le coefficient de majoration du calibre du fusible de la batterie est 1,4 au lieu de 1,6 car les gradins ne sont pas enclenchés simultanément.
Les fusibles doivent être du type gL. Compte tenu du surcalibrage, ceux-ci ne peuvent assurer la protection contre les surcharges.
Bien que les éléments de condensateurs soient équipés de dispositifs de protection contre les défauts internes, les platines équipées sont par précaution généralement équipées de fusibles et occasionnellement de disjoncteurs.
Les batteries de compensation automatique peuvent être en option équipées d’un disjoncteur général.

Cas des condensateurs avec selfs anti-harmoniques et filtres
Le calibre des fusibles est choisi en fonction du courant efficace nominal (tenant compte des harmoniques).
Rappel : le courant efficace est
 

avec
– I1 : valeur du courant à 50 Hz (ou 60 Hz).
– Ii : valeur du courant harmonique de rang i.
Le calibre du fusible de chaque gradin doit être supérieur à 1,4x I ecapa (I ecapa : courant efficace nominal d’un gradin).
Le calibre du fusible de la batterie doit être supérieur à 1,2x I ebat (I ebat : courant efficace nominal de la batterie).
On peut remarquer que les coefficients de majoration des calibres des fusibles sont inférieurs au cas où il n’y a pas de self anti-harmoniques ou de filtres. En effet, ces inductances limitent le courant d’enclenchement.
– Protection des câbles
Les câbles d’alimentation doivent être dimensionnés de la même manière que les dispositifs de commande et de protection, c’est-à-dire pour une valeur de 1,36 fois le courant nominal de la batterie.
Il devront également être protégés contre les courts-circuits pouvant survenir dans le câblage ou en cas de défaillance des condensateurs.

VarSet, Varplus Can, Varlogic de Schneider Electric

VarSet
Varset comprend :
– Une enveloppe métallique.
– Un disjoncteur d’arrivée (selon la puissance).
– Des gradins.
– Des disjoncteurs de gradin à partir de 125 kvar (sauf pour les batteries non polluées qui ne disposent que d’un seul disjoncteur de protection général).
– Des condensateurs.
– Un contacteur électromagnétiques (pour la compensation automatique).
– Un régulateur varmétrique (pour la compensation automatique).
– Des selfs (pour les réseaux pollués).
– Un transformateur auxiliaire.
– Un système de ventilation naturel ou forcée selon le calibre.

Condensateurs Varplus Can
Ils sont conçus pour une durée de vie élevée, une tenue aux harmoniques renforcée et un niveau de sécurité optimum dans des conditions d’utilisation les plus sévères.
Leur technologie repose sur l’utilisation d’un film polypropylène métallisé auto-cicatrisant.
Lors d’un défaut interne (dysfonctionnement, vieillissement), le gaz généré crée une pression.
Cette pression conduit à la déformation mécanique du couvercle et à la casse localisée des conducteurs de connexion.
Les trois phases du condensateur sont déconnectées.

Selfs antiharmoniques
Les Selfs Anti-Harmoniques permettent de protéger les condensateurs contre la pollution harmonique.
Elles sont recommandées dans les réseaux pollués (choix entre trois rangs d’accord 2,7, 3,8 et 4,2).
Elles sont équipées de sondes thermiques permettant la déconnexion des gradins en cas de surchauffe.

Régulateurs varmétriques Varlogic N
Le régulateur Varlogic N la mise en service, la surveillance et la maintenance des équipements de compensation d’énergie réactive.
Ses principales fonctions permettent :
– D’analyser et d’informer sur les caractéristiques du réseau, de piloter la puissance réactive nécessaire à l’obtention du cosφ désiré, de surveiller et renseigner sur l’état de l’équipement de compensation.
Le Varlogic NRC12 dispose de option communication ModBus.

Contacteurs électromagnétiques LC1-D
La commande de condensateurs est accompagnée un régime transitoire résultant de charge des condensateurs.
Celle-ci engendre une surintensité très importante, équivalente à un court-circuit de faible durée.
Ces contacteurs sont conçus pour la commande de condensateurs équipés d’un bloc de contacts de passage à fermeture et de résistances d’amortissement limitant le courant à l’enclenchement.
Sécurité des personnes avec l’impossibilité d’actionner les contacteurs manuellement et capots de protection contre les contacts directs.

Disjoncteurs Compact NSX EasyPact CVS
Les gammes Varset peuvent, être protégées à l’aide d’un disjoncteur d’arrivée.
Une commande rotative simplifie l’ouverture du disjoncteur avant d’ouvrir la porte.

Gamme Varset
Puissance de 6 kVAR à 1150 kVAR.