Figure 5.8 : Schéma de principe et schéma équivalent de l’influence des harmoniques sur les condensateurs
Scc (KVA): puissance court-circuit de la source Q (KVAr) : puissance batterie condensateur P (KW) : puissance des charges non polluantes
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Diminution de la réactance des condensateurs La réactance du condensateur est donnée par :
Xc = (5.6)
Elle est inversement proportionnelle à la fréquence ; sa faculté à se poser aux courants harmoniques dimunie notablement quand la fréquence augmente.
Résonance parallèle ou anti-résonance entre les condensateurs et la source
Comme la réactance de la source est proportionnelle à la fréquence et que la réactance des condensateurs est inversement proportionnelle à la fréquence, il y aura résonance parallèle (Fr.p) ou anti-résonance (les deux réactances seront égales mais opposées) et amplification (F.A) des courants harmoniques dans les condensateurs et dans la source (transformateurs) avec :
Fr.p. = F réseau. (5.7)
F.A. = (5.8)
Fr.p : fréquence de résonance parallèle F réseau : fréquence du réseau
Scc : puissance de court-circuit
P : puissance des charges non polluantes
FA : facteur d’amplification des charges polluantes
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Réalisé et soutenu par Audace Amen V. DOSSOU-OLORY Page 65 Q : puissance réactive
De ces formules, nous pouvons lire les remarques suivantes :
- Plus la puissance de court-circuit de la source (Scc) est élevée, plus la fréquence de résonance s’éloigne des fréquences harmoniques dangeureuses.
- Plus la puissance (P) des charges non polluantes est imporatante, plus le facteur d’amplification (F.A.) des courants harmoniques diminue.
Par construction et conformément aux normes en vigueur, les condensateurs sont aptes à supporter en permanence un courant efficace égal à 1,3 fois le courant nominal défini aux valeurs nominales de tension et de fréquence. Ce coefficient de surintensité a été déterminé pour tenir compte des effets combinés de la présence d’harmoniques et de surtension (le paramètre de variation de capacité étant négligeable). On constate qu’en fonction du degré de pollution harmonique SH (puissance des générateurs harmoniques), ce coefficient s’avère généralement insuffisant et que d’autre part, le paramètre Scc lié directement à la puissance de la source ST, est prépondérant dans la valeur de la fréquence de résonance parallèle Fr.p.
En associant ces deux paramètres SH et ST, on peut définir trois types de réseaux auxquels correspond un type de condensateurs à installer (figure 5.9):
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Réalisé et soutenu par Audace Amen V. DOSSOU-OLORY Page 66 Figure 5.9: Types de condensateurs à installer selon le degré d’harmoniques
Dans le cas d’une installation très polluée par les harmoniques, l’utilisateur pourra être confronté à un double besoin :
- compenser l’énergie réactive et protéger les condensateurs
- réduire le taux de distorsion de la tension à des valeurs acceptables et compatibles avec le fonctionnement correct de la plupart des récepteurs sensibles (automates, informatique industrielle, condensateurs ...)
Pour cette application, nous proposons des filtres harmoniques de type passif. Un filtre harmonique de type passif est une association série d’un condensateur et d’une inductance dont chaque fréquence d’accord correspond à la fréquence d’une tension harmonique perturbatrice à éliminer.
Le choix d’une batterie de compensation n’est pas toujours aisé ; il faudrait aussi tenir des phénomènes de résonance, de l’emplacement prévu
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Réalisé et soutenu par Audace Amen V. DOSSOU-OLORY Page 67 dans votre installation, des batteries déjà en place… Ainsi on pourra déterminer la batterie la mieux adaptée sur la base des éléments dont nous disposons.
La méthodologie de la compensation peut se résumer par la figure 5.10:
Figure 5.10 : Synthèse de la méthode de compensation
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Réalisé et soutenu par Audace Amen V. DOSSOU-OLORY Page 68 5.2.2. Application au réseau de distribution du P6
Etape 1 :
Les puissances actives les plus élevées de chaque année sont enregistrées en Décembre 2013 (3322,88 KW); en Janvier 2014 (3267,81 KW) et en Janvier 2015 (3007,20 KW). Les facteurs de puissance les plus bas valent 0,83 et 0,84; ils sont respectivement enregistrés en Décembre 2014 et en Janvier 2015 respectivement.
En se basant sur la période des 18 derniers mois, la puissance maximale et le facteur de puissance le plus bas à considérer sont respectivement : 3267,81 KWet 0,83(la tangente correspondante est alors 0,67).
Du fait des exigences du PAC vis-à-vis de la SBEE, nous souhaitons ramener le facteur de puissance à 0,96 (la tangente correspondante est 0,29).
La valeur du coefficient K correspondant (figure 5.5) estK = 0,381.
Le calcul de Qc d’après l’équation 5.3 donne :Qc= 1245,04 KVAr
Nous avons tenu compte des extensions éventuelles ; ainsi nous allons majorer cette puissance. Pour ce faire, nous avons évalué le taux d’accroissement annuel des puissances maximales; ce taux calculé suivant la formule ci-après donne = , %et on peut prendre = %
= (5.9)
: Puissance totale appelée durant l’année n+1 ; : Puissance totale appelée durant l’année n ; : Taux d’accroissement annuel de la puissance.
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Réalisé et soutenu par Audace Amen V. DOSSOU-OLORY Page 69 La nouvelle valeur calculée estQC = 1344,64 KVAr. Enfin nous retenons la valeur normalisée de puissance juste supérieure à la valeur calculée ; soit :
Puisque la puissance à installer est supérieure à 800 KVAr, on retiendra une compensation en moyenne tension car elle est économiquement intéressante. [16]
Etape 2 :
La puissance de la sourceST(transformateur installé au P6) vaut 630 KVA.
= = 2,143 > 15% alors un système de compensation automatique s’avère très indispensable. Ceci permettra d’ailleurs d’éviter d’éventuelles surcompensations.
Etape 3 :
Nous avons étudié les charges alimentées à partir du poste P6 et nous pouvons affirmer que le réseau HTA du PAC est très peu pollué d’harmoniques.
En effet, il n’existe aucun récepteur en HTA ; tous les récepteurs sont en BT en aval des transformateurs.
Nous choisirons donc des batteries de condensateurs renforcés de série BA/BAM/BAMPS sans self pour notre compensation globale (organigramme de la figure 5.10).
En effet, l’implantation globale représente la solution la plus économique car toute la puissance est concentrée en un point et permet des batteries bien optimisées ; de plus, elle soulage le transformateur.
QC= 1350 KVAr
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Réalisé et soutenu par Audace Amen V. DOSSOU-OLORY Page 70 Les condensateurs des batteries automatiques sont triphasés à longue durée de vie. Associés aux régulateurs les plus performants, ils assurent fiabilité et longévité des équipements.
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 sont pilotés par un relais varmétrique.
Le schéma monophasé équivalent pour (n+1) gradins de condensateur est celui de la figure suivante :
Figure 5.11: Schéma simplifié d’une batterie en gradins[16]
La : inductance du réseau amont
L : inductance de la liaison reliant l’appareil de coupure à la batterie de condensateurs (0,5 H/m).
Les gradins existent en unité de 50, 100, 200, 400 et 800 KVAr. Pour avoir un meilleur ajustement, nous proposons pour ce projet :
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Réalisé et soutenu par Audace Amen V. DOSSOU-OLORY Page 71 - trois (03) gradins de 200 KVAr ;
- six (06) gradins de 100 KVAr ; - trois (03) gradins de 50 KVAr
Ces gradins seront répartis de façon équilibrée sur les trois phases de la tension d’alimentation du poste P6 ; soit 01 gradin de 200 KVAr, 02 gradins de 100 KVAr et 01 gradin de 50 KVAr par phase. Puisque la tension du réseau (15 KV) est supérieure à 11 KV et que Qc > 600 KVAr alors les batteries seront câblées en double étoile (figure 5.12). [17]
Figure 5.12 : Batteries câblées en double étoile
Le potentiel du point neutre doit rester flottant pour éviter une surtension sur l’une des phases du banc de condensateurs en cas de défaut lignes ou de ferrorésonance. En MT, dans le montage en double étoile, le courant de circulation entre les deux points neutre est constamment surveillé pour détecter les défauts internes aux condensateurs.
L’utilisation de batteries de condensateurs permet de dimensionner de façon économique une installation. Néanmoins, l’installation doit être protégée pour pouvoir fonctionner en toute sécurité sans condensateurs. Le réseau doit être étudié et protégé de façon adéquate.
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Réalisé et soutenu par Audace Amen V. DOSSOU-OLORY Page 72 Conclusion partielle :
L’objectif de l’étude est de permettre au PAC de réduire voire supprimer les différentes pénalités liées aux mauvais facteurs de puissance pour améliorer la qualité de l’énergie électrique distribuée sur le réseau électrique du P6. Ce chapitre s’inscrit dans cette logique, dans la mesure où la compensation de la puissance réactive appelée par le réseau électrique a été choisie parmi les solutions envisageables comme la méthode à adopter pour la réalisation du projet.