Influence des harmoniques supérieures de la tension et du courant sur le fonctionnement des équipements électriques

Les harmoniques de tension et de courant plus élevées affectent les éléments des systèmes d'alimentation et des lignes de communication.

Les principales formes d'influence des harmoniques supérieures sur les réseaux électriques sont :

• augmentation des courants et des tensions d'harmoniques plus élevés en raison des résonances parallèles et en série ;

• réduire l'efficacité des processus de production, de transport et d'utilisation de l'électricité ;

• le vieillissement de l'isolation des équipements électriques et la réduction de leur durée de vie qui en résulte ;

• fonctionnement erroné de l'équipement.

Influence des résonances sur les systèmes

Les résonances dans les systèmes électriques sont généralement considérées en termes de condensateurs, en particulier les condensateurs de puissance. Lorsque les harmoniques du courant dépassent les niveaux maximaux admissibles pour les condensateurs, ces derniers ne détériorent pas leurs performances, mais échouent après un certain temps.

Un autre domaine où les résonances peuvent endommager l'équipement est celui des systèmes de contrôle de la charge harmonique. Pour éviter que le signal ne soit absorbé par les condensateurs de puissance, leurs circuits sont séparés par un filtre série accordé (filtre-«notch»). En cas de résonance locale, les harmoniques du courant dans le circuit du condensateur de puissance augmentent fortement, ce qui endommage le condensateur accordé du filtre série.

Dans l'une des installations, des filtres accordés à une fréquence de 530 Hz avec un courant de passage de 100 A bloquaient chaque circuit d'un condensateur de puissance comportant 15 sections de 65 kvar. Condensateurs ces filtres ont échoué après deux jours. La raison en était la présence d'une harmonique de fréquence 350 Hz, au voisinage immédiat de laquelle des conditions de résonance s'établissaient entre le filtre accordé et les condensateurs de puissance.

Effet des harmoniques sur les machines tournantes

Les harmoniques de tension et de courant entraînent des pertes supplémentaires dans les enroulements du stator, dans les circuits du rotor et dans l'acier du stator et du rotor. Les pertes dans les conducteurs du stator et du rotor dues aux courants de Foucault et à l'effet de surface sont supérieures à celles déterminées par la résistance ohmique.

Les courants de fuite provoqués par les harmoniques dans les zones extrêmes du stator et du rotor entraînent des pertes supplémentaires.

Dans un moteur à induction à rotor conique avec un flux magnétique pulsé dans le stator et le rotor, les harmoniques plus élevées provoquent des pertes supplémentaires dans l'acier. L'importance de ces pertes dépend de l'angle d'inclinaison des fentes et des caractéristiques du circuit magnétique.

La distribution moyenne des pertes des harmoniques supérieures est caractérisée par les données suivantes ; bobinage statorique 14%; chaînes de rotor 41 % ; zones d'extrémité 19 % ; vague asymétrique 26%.

À l'exception des pertes d'ondes asymétriques, leur répartition dans les machines synchrones est approximativement la même.

Il convient de noter que des harmoniques impairs adjacents dans le stator d'une machine synchrone provoquent des harmoniques de même fréquence dans le rotor. Par exemple, les 5e et 7e harmoniques dans le stator provoquent des harmoniques de courant de 6e ordre dans le rotor, tournant dans des directions différentes. Pour les systèmes linéaires, la densité de perte moyenne sur la surface du rotor est proportionnelle à la valeur, mais en raison du sens de rotation différent, la densité de perte en certains points est proportionnelle à la valeur (I5 + I7) 2.

Les pertes supplémentaires sont l'un des phénomènes les plus négatifs causés par les harmoniques dans les machines tournantes. Ils conduisent à une augmentation de la température globale de la machine et à une surchauffe locale, très probablement au niveau du rotor. Les moteurs à cage d'écureuil permettent des pertes et des températures plus élevées que les moteurs à rotor bobiné. Certaines directives limitent le niveau de courant inverse admissible dans le générateur à 10 % et le niveau de tension inverse aux entrées du moteur à induction à 2 %. La tolérance des harmoniques dans ce cas est déterminée par les niveaux de tensions et de courants inverses qu'ils créent.

Les couples générés par les harmoniques. Les harmoniques du courant dans le stator donnent naissance aux couples correspondants : harmoniques formant une séquence positive dans le sens de rotation du rotor, et formant une séquence inverse dans le sens opposé.

Les courants harmoniques dans le stator de la machine provoquent une force motrice, ce qui conduit à l'apparition de couples sur l'arbre dans le sens de rotation du champ magnétique harmonique. Ils sont généralement très petits et sont également partiellement décalés en raison de la direction opposée. Cependant, ils peuvent faire vibrer l'arbre du moteur.

Influence des harmoniques sur les équipements statiques, lignes électriques. Les harmoniques de courant dans les lignes entraînent des pertes supplémentaires d'électricité et de tension.

Dans les lignes câblées, les harmoniques de tension augmentent l'effet sur le diélectrique proportionnellement à l'augmentation de la valeur maximale de l'amplitude. Cela augmente à son tour le nombre de pannes de câble et les coûts de réparation.

Dans les lignes THT, les harmoniques de tension peuvent provoquer une augmentation des pertes corona pour la même raison.

Influence des harmoniques supérieures sur les transformateurs

Les harmoniques de tension provoquent une augmentation des pertes par hystérésis et des pertes par courants de Foucault dans l'acier des transformateurs, ainsi que des pertes d'enroulement. La durée de vie de l'isolation est également réduite.

L'augmentation des pertes d'enroulement est plus importante dans un transformateur abaisseur car la présence d'un filtre, généralement connecté du côté AC, ne réduit pas les harmoniques de courant dans le transformateur. Par conséquent, il est nécessaire d'installer un gros transformateur de puissance. Une surchauffe locale de la cuve du transformateur est également observée.

Un aspect négatif de l'effet des harmoniques sur les transformateurs de forte puissance est la circulation d'un courant homopolaire triple dans les enroulements connectés en triangle. Cela peut les submerger.

Influence des harmoniques supérieures sur les batteries de condensateurs

Les pertes supplémentaires dans les condensateurs électriques conduisent à leur surchauffe. En général, les condensateurs sont conçus pour résister à une certaine surcharge de courant. Les condensateurs produits en Grande-Bretagne permettent une surcharge de 15%, en Europe et en Australie - 30%, aux USA - 80%, dans la CEI - 30%. Lorsque ces valeurs sont dépassées, observées dans des conditions de tension accrue d'harmoniques plus élevées aux entrées des condensateurs, ces derniers surchauffent et tombent en panne.

Influence des harmoniques supérieures sur les dispositifs de protection du réseau électrique

Les harmoniques peuvent interférer avec le fonctionnement des dispositifs de protection ou altérer leur fonctionnement. La nature de la violation dépend du principe de fonctionnement de l'appareil. Les relais numériques et les algorithmes basés sur l'analyse de données discrétisées ou l'analyse de passage à zéro sont particulièrement sensibles aux harmoniques.

Le plus souvent, les changements de caractéristiques sont mineurs. La plupart des types de relais fonctionneront normalement jusqu'à un niveau de distorsion de 20 %. Cependant, l'augmentation de la part des convertisseurs de puissance dans les réseaux pourrait changer la situation à l'avenir.

Les problèmes liés aux harmoniques sont différents pour les modes normal et d'urgence et sont traités séparément ci-dessous.

Impact des harmoniques dans les modes d'urgence

Les dispositifs de protection répondent généralement à la tension ou au courant de fréquence fondamentale et toutes les harmoniques transitoires sont soit filtrées, soit n'affectent pas le dispositif. Ce dernier est caractéristique des relais électromécaniques, notamment utilisés dans la protection contre les surintensités. Ces relais ont une forte inertie, ce qui les rend pratiquement insensibles aux harmoniques supérieures.

Plus importante est l'influence des harmoniques sur les performances de protection basée sur la mesure de la résistance. La protection de distance, où la résistance est mesurée à la fréquence fondamentale, peut donner des erreurs importantes en présence d'harmoniques plus élevées dans le courant de court-circuit (surtout du 3e ordre). Un contenu harmonique élevé est généralement observé lorsque le courant de court-circuit traverse la terre (la résistance de terre domine la résistance totale de la boucle). Si les harmoniques ne sont pas filtrés, la probabilité de faux fonctionnement est très élevée.

Dans le cas d'un court-circuit métallique, le courant est dominé par la fréquence fondamentale. Cependant, en raison de la saturation du transformateur, une distorsion de la courbe secondaire se produit, en particulier dans le cas d'une composante continue importante dans le courant primaire. Dans ce cas, il y a aussi des problèmes pour assurer le fonctionnement normal de la protection.

Dans des conditions de fonctionnement en régime permanent, la non-linéarité associée à la surexcitation du transformateur ne provoque que des harmoniques d'ordre impair. Toutes sortes d'harmoniques peuvent se produire dans les modes transitoires, les plus grandes amplitudes étant généralement les 2e et 3e.

Cependant, avec une conception appropriée, la plupart des problèmes répertoriés sont facilement résolus. Choisir le bon équipement élimine bon nombre des difficultés associées à la mesure des transformateurs.

Le filtrage des harmoniques, en particulier dans les protections numériques, est le plus important pour la protection de distance. Les travaux menés dans le domaine des méthodes de filtrage numérique ont montré que bien que les algorithmes d'un tel filtrage soient souvent assez complexes, l'obtention du résultat recherché ne présente pas de difficultés particulières.

L'influence des harmoniques sur les systèmes de protection lors des modes de fonctionnement normaux des réseaux électriques. La faible sensibilité des dispositifs de protection aux paramètres de mode dans des conditions normales conduit à l'absence pratique de problèmes liés aux harmoniques dans ces modes. Une exception est le problème lié à l'inclusion de transformateurs puissants dans le réseau, accompagné d'une surtension du courant magnétisant.

L'amplitude du pic dépend de l'inductance du transformateur, de la résistance de l'enroulement et du moment auquel la mise sous tension est activée. Le flux résiduel à l'instant précédant la mise sous tension augmente ou diminue légèrement l'amplitude, selon la polarité du flux par rapport à la valeur initiale de la tension instantanée. Puisqu'il n'y a pas de courant du côté secondaire pendant la magnétisation, un courant primaire important peut provoquer un déclenchement intempestif de la protection différentielle.

Le moyen le plus simple d'éviter les fausses alarmes est d'utiliser une temporisation, mais cela peut causer de graves dommages au transformateur si un accident se produit alors qu'il est allumé. En pratique, la deuxième harmonique présente dans le courant d'appel, non caractéristique des réseaux, sert à bloquer la protection, bien que la protection reste assez sensible aux défauts internes du transformateur lors de la mise sous tension.

Effet des harmoniques sur les équipements grand public

L'influence des harmoniques supérieures sur les téléviseurs

Les harmoniques qui augmentent la tension de crête peuvent entraîner une distorsion de l'image et une modification de la luminosité.

Lampes fluorescentes et lampes au mercure. Les ballasts de ces lampes contiennent parfois des condensateurs et, dans certaines conditions, une résonance peut se produire, entraînant une panne de la lampe.

Effet des harmoniques supérieures sur les ordinateurs

Il existe des limites aux niveaux de distorsion admissibles dans les réseaux qui alimentent les ordinateurs et les systèmes de traitement de données. Dans certains cas, ils sont exprimés en pourcentage de la tension nominale (pour un ordinateur IVM - 5%) ou sous la forme du rapport de la tension de crête à la valeur moyenne (le CDC fixe ses limites admissibles à 1,41 ± 0,1).

L'influence des harmoniques supérieures sur les équipements de conversion

Les encoches dans la tension sinusoïdale qui se produisent pendant la commutation de vanne peuvent affecter la synchronisation d'autres équipements ou dispositifs similaires qui sont contrôlés pendant la courbe de tension nulle.

L'influence des harmoniques supérieures sur les équipements à vitesse contrôlée par thyristor

En théorie, les harmoniques peuvent affecter ces équipements de plusieurs manières :

• les encoches de la sinusoïde provoquent un dysfonctionnement dû à des ratés d'amorçage des thyristors ;

• les harmoniques de tension peuvent provoquer des ratés ;

• la résonance qui en résulte en présence de divers types d'équipements peut entraîner des surtensions et des vibrations des machines.

Les impacts décrits ci-dessus peuvent être ressentis par d'autres utilisateurs connectés au même réseau. Si l'utilisateur n'a pas de difficultés avec les équipements commandés par thyristor dans leurs réseaux, il est peu probable que cela affecte les autres utilisateurs. Les consommateurs alimentés par différents bus peuvent théoriquement s'influencer mutuellement, mais la distance électrique réduit la probabilité d'une telle interaction.

Effet des harmoniques sur les mesures de puissance et d'énergie

Les appareils de mesure sont généralement étalonnés sur des tensions sinusoïdales pures et augmentent l'incertitude en présence d'harmoniques plus élevées. L'amplitude et la direction des harmoniques sont des facteurs importants car le signe de l'erreur est déterminé par la direction des harmoniques.

Les erreurs de mesure causées par les harmoniques dépendent fortement du type d'instruments de mesure. Les compteurs à induction conventionnels surestiment généralement les relevés de quelques pour cent (6 % chacun) si l'utilisateur a une source de distorsion. Ces utilisateurs sont automatiquement pénalisés pour avoir introduit des distorsions dans le réseau, il est donc dans leur propre intérêt de mettre en place des moyens appropriés pour supprimer ces distorsions.

Il n'y a pas de données quantitatives sur l'influence des harmoniques sur la précision de la mesure de la charge de pointe. On suppose que l'influence des harmoniques sur la précision de la mesure de la charge de pointe est la même que sur la précision de la mesure de l'énergie.

La mesure précise de l'énergie, quelle que soit la forme des courbes de courant et de tension, est assurée par des compteurs électroniques, qui ont un coût plus élevé.

Les harmoniques affectent à la fois la précision de la mesure de la puissance réactive, qui n'est clairement définie que dans le cas de courants et de tensions sinusoïdaux, et la précision de la mesure du facteur de puissance.

L'influence des harmoniques sur la précision de l'inspection et de l'étalonnage des instruments dans les laboratoires est rarement mentionnée, bien que cet aspect de la question soit également important.

L'influence des harmoniques sur les circuits de communication

Les harmoniques dans les circuits de puissance provoquent du bruit dans les circuits de communication.Un faible niveau de bruit entraîne un certain inconfort, à mesure qu'il augmente, une partie des informations transmises est perdue, dans les cas extrêmes, la communication devient complètement impossible. À cet égard, lors de tout changement technologique dans les systèmes d'alimentation et de communication, il est nécessaire de prendre en compte l'influence des lignes électriques sur les lignes téléphoniques.

L'effet des harmoniques sur le bruit de la ligne téléphonique dépend de l'ordre des harmoniques. En moyenne, le téléphone - l'oreille humaine a une fonction de sensibilité avec une valeur maximale à une fréquence de l'ordre de 1 kHz. Évaluer l'influence de diverses harmoniques sur le bruit c. le téléphone utilise des coefficients, qui sont la somme des harmoniques prises avec certains poids.Deux coefficients sont les plus courants : la pondération psophométrique et la transmission C. Le premier facteur a été développé par le Comité consultatif international des systèmes téléphoniques et télégraphiques (CCITT) et est utilisé en Europe, le second - par la Bella Telephone Company et l'Edison Electrotechnical Institute - est utilisé aux États-Unis et au Canada.

Les courants harmoniques dans les trois phases ne se compensent pas complètement en raison de l'inégalité des amplitudes et des angles de phase et affectent les télécommunications avec le courant homopolaire résultant (similaire aux courants de défaut à la terre et aux courants de terre des systèmes de traction).

L'influence peut également être causée par des courants harmoniques dans les phases elles-mêmes en raison de la différence de distances entre les conducteurs de phase et les lignes de télécommunication à proximité.

Ces types d'influences peuvent être atténués par une sélection appropriée des tracés de lignes, mais dans le cas de croisements de lignes inévitables, de telles influences se produisent.Elle se manifeste particulièrement fortement dans le cas d'une disposition verticale des fils de la ligne électrique et lorsque les fils de la ligne de communication sont transposés au voisinage de la ligne électrique.

Aux grandes distances (plus de 100 m) entre les lignes, le principal facteur d'influence s'avère être le courant homopolaire. Lorsque la tension nominale de la ligne électrique diminue, l'influence diminue, mais elle s'avère perceptible en raison de l'utilisation de supports ou de tranchées communs pour la pose de lignes électriques à basse tension et de lignes de communication.