L'utilisation de condensateurs pour compenser la puissance réactive des charges domestiques

Parmi les nombreux facteurs affectant l'efficacité du système d'alimentation électrique (SES), l'une des places prioritaires est occupée par problème de compensation de puissance réactive (KRM). Cependant, dans les réseaux de distribution d'utilisateurs de services publics contenant principalement une charge monophasée commutée individuellement, les dispositifs KRM sont encore sous-utilisés.

On pensait auparavant qu'en raison des départs relativement courts des réseaux de distribution urbains basse tension, de la faible puissance connectée (unités kVA) et de la répartition des charges, le problème PFC n'existait pas pour eux.

Par exemple, au chapitre 5.2 [1], il est écrit : « pour les bâtiments résidentiels et publics, aucune compensation de charge réactive n'est prévue. » Si l'on tient compte du fait qu'au cours de la dernière décennie, la consommation d'électricité par 1 m2 du secteur résidentiel a triplé, la capacité statistique moyenne des transformateurs de puissance des réseaux municipaux urbains a atteint 325 kVA et le domaine d'utilisation de la puissance du transformateur s'est déplacé vers le haut et se situe dans les limites de 250 … 400 kVA [2], cette affirmation est discutable.

Le traitement des courbes de charge réalisées à l'entrée d'un immeuble d'habitation montre : en journée la valeur moyenne du facteur de puissance (cosj) varie de 0,88 à 0,97, et phase par phase de 0,84 à 0,99. En conséquence, la consommation totale de puissance réactive (RM) varie de 9 à 14 kVAr, et phase par phase de 1 à 6 kVAr.

La figure 1 montre le graphique de la consommation quotidienne de RM à l'entrée d'un immeuble résidentiel. Autre exemple : la consommation journalière enregistrée (10 juin 2007) d'électricité active et réactive dans la TP du réseau urbain de Sizran (STR-RA = 400 kVA, les consommateurs d'électricité sont majoritairement monophasés) s'élève à 1666,46 kWh et 740,17 kvarh (valeur moyenne pondérée cosj = 0,91 — dispersion de 0,65 à 0,97) même avec le faible facteur de charge correspondant du transformateur — 32 % pendant les heures de pointe et 11 % pendant les heures de mesure minimales.

Ainsi, compte tenu de la forte densité (kVA/km2) de la charge des services publics, la présence constante d'une composante réactive dans les flux d'énergie du SES, entraîne des pertes importantes d'électricité dans les réseaux de distribution des grandes villes et la nécessité de les compenser grâce à des sources de production supplémentaires.

La complexité de la résolution de ce problème est en grande partie due à la consommation inégale de RM dans les phases individuelles (Fig. 1), ce qui rend difficile l'utilisation traditionnelle pour les réseaux industriels des installations KRM basées sur des batteries de condensateurs triphasées contrôlées par un régulateur installé dans un des phases du réseau compensé.

L'expérience de nos confrères étrangers est intéressante pour augmenter la réserve de puissance des centrales thermiques urbaines. En particulier, les développements de la société de distribution d'électricité Edeinor S.A.A. (Pérou) (elle fait partie du groupe Endesa (Espagne), spécialisé dans la production, le transport et la distribution d'électricité dans plusieurs pays d'Amérique du Sud), selon KRM dans les réseaux de distribution basse tension à distance minimale des consommateurs [3]. Sur commande d'Edeinor S.A.A., l'un des plus grands fabricants de condensateurs cosinus basse tension, EPCOS AG a lancé une série de condensateurs monophasés HomeCap [4], adaptés aux petites charges utilitaires.

La capacité nominale des condensateurs HomeCap (Fig. 2) varie de 5 à 33 μF, ce qui permet de compenser la composante inductive du PM de 0,25 à 1,66 kVAr (à une tension secteur de 50 Hz dans la plage de 127. . . 380V ).

Le film polypropylène renforcé est utilisé comme diélectrique, les électrodes sont réalisées par projection de métal — technologie MKR (Metallised Polypropylene Kunststoff). L'enroulement de la section est rond standard, le volume intérieur est rempli d'un composé de polyuréthane non toxique. Comme tous les condensateurs cosinus d'EPCOS AG, les condensateurs HomeCap ont la propriété «d'auto-guérison» en cas de destruction locale des plaques.

Le boîtier cylindrique en aluminium des condensateurs est isolé avec un tube en polyvinyle thermorétractable (Fig. 2), et les bornes des lames à double électrode sont recouvertes d'un capuchon en plastique diélectrique (degré de protection IP53), garantissant ainsi une sécurité totale pendant le fonctionnement en environnement domestique confirmé par le certificat correspondant de la norme UL 810 (laboratoires de sécurité américains).

Le dispositif intégré, qui s'active lorsque la surpression à l'intérieur de la chemise est dépassée, arrête automatiquement le condenseur en cas de surchauffe ou d'avalanche de la section. Le diamètre des condensateurs HomeCap est de 42,5 ± 1 mm et la hauteur, en fonction de la valeur de la capacité nominale, est de 70 ... 125 mm. Extension verticale du boîtier du condenseur, en cas de protection contre les surpressions internes, pas plus de 13 mm.

Le condensateur est connecté avec un câble souple à deux conducteurs d'une section de 1,5 mm2 et d'une longueur de 300 ou 500 mm [4]. Chauffage admissible de l'isolation du câble — 105 ° C.

Le fonctionnement des condensateurs HomeCap est possible en intérieur à une température ambiante de -25 … + 55°C. Ecart de la capacité nominale : -5 / + 10%. Les pertes de puissance active ne dépassent pas 5 watts par kvar. Durée de vie garantie jusqu'à 100 000 heures.

La fixation des condensateurs HomeCap à la surface de montage se fait avec une pince ou un boulon (M8x10) connecté au fond.

En figue. 3. montre l'installation du condenseur HomeCap dans le coffret de mesure. Le condensateur (dans le coin inférieur droit) est connecté aux bornes du compteur électrique

Les condensateurs HomeCap sont fabriqués en totale conformité avec les exigences de la norme CEI 60831-1/2 [4].

Selon Edeinor SAA, [3] l'installation de condensateurs HomeCap d'une capacité totale de 37 000 kvar dans 114 000 foyers du quartier d'Infantas au nord de Lima a augmenté le facteur de puissance moyen pondéré du réseau de distribution de 0,84 à 0,93, économisant environ 280 kWh par an .pour chaque kVAr RM raccordé soit un total d'environ 19 300 MWh par an. De plus, compte tenu des changements qualitatifs de la nature de la charge domestique (commutation de l'alimentation des appareils électriques, ballasts actifs des lampes à économie d'énergie), distorsion de la sinusoïdalité de la tension du secteur, en même temps que la Grâce aux condensateurs HomeCap, il a été possible de réduire le niveau des composantes harmoniques — THDU en moyenne de 1 %.

Contrairement aux réseaux urbains, la nécessité d'un RPC pour les réseaux de distribution basse tension ruraux n'a jamais été remise en question [5] en raison de la consommation d'énergie active pour la transmission RM sur une ligne à haute tension (OHL) ouverte étendue (arborescente) avec la tension de 6 (10) kV est la plus élevée [6]. Dans le même temps, le rapport insuffisant des fonds KRM à la capacité connectée des récepteurs électriques s'explique par des raisons purement économiques. Par conséquent, pour les SPP des services publics ruraux et des ménages et des petits utilisateurs industriels (jusqu'à 140 kW), la question du choix de la version la moins chère de KRM est une priorité.

L'une des difficultés techniques dans la mise en œuvre pratique de la recommandation de 80% de RPC directement dans les réseaux ruraux basse tension [5] est le manque de condensateurs adaptés à l'installation des lignes aériennes.D'après les calculs, la valeur moyenne du résiduel (ne permettant pas de surcompensation) RM lors de la transmission sur HT 0,4 kV avec une puissance active de 50 kW pour un mixte, avec une prédominance (plus de 40%) de la charge de service est de 8 kvar , par conséquent, le RM nominal optimal de ces condensateurs doit être de l'ordre de quelques dizaines de kvar.

Considérons le système KRM utilisé sur les lignes aériennes des réseaux basse tension à Jaipur (Rajasthan, Inde) par la compagnie d'électricité Jaipur Vidyut Vitran Nigam Ltd basé sur les condensateurs de la série PoleCap® (Fig. 4) fabriqués par EPCOS AG [7] . La surveillance du SPP, contenant environ 1000 MVA avec une capacité installée de 4600 transformateurs 11 / 0,433 kV avec une seule puissance de 25-500 kVA, a montré : la charge estivale des transformateurs était de 506 MVA (430 MW), l'hiver — 353 MVA (300 MW); cosj moyen pondéré — 0,85 ; pertes totales (2005) — 17 % du volume de l'approvisionnement en électricité.

Au cours du projet pilote KRM, 13375 condensateurs PoleCap ont été installés dans les nœuds de raccordement aux transformateurs basse tension, directement sur les supports des lignes aériennes 0,4 kV, avec un RM total de 70 MVAr. Comprenant : 13000 condensateurs 5 kvar ; 250 - 10 kvar ; 125 — 20 m². En conséquence, la valeur de cosj augmente à 0,95 et les pertes diminuent à 13 % [7].

Ces condensateurs (Fig. 4 et Fig. 5) sont une modification d'un type éprouvé de condensateurs à film métallique fabriqués selon la technologie MKR / MKK (Metalized Kunststoff Kompakt) [8] - augmentant simultanément la surface et augmentant la tension électrique. force de la métallisation de contact de la couche des électrodes, due à une combinaison de coupe plate et ondulée des bords du film, posée avec un petit déplacement des coudes, caractéristique de la technologie MKR.De plus, la série PoleCap comprend un certain nombre de condensateurs triphasés PM 0,5 ... 5 kVAr, fabriqués selon la technologie MKR traditionnelle [8].

Les améliorations apportées à la conception de base des condensateurs de la série MCC ont permis d'installer directement (sans boîtier supplémentaire) les condensateurs PoleCap à l'extérieur, dans des pièces humides ou poussiéreuses. Le corps du condenseur est composé à 99,5 % d'aluminium et est rempli d'un gaz inerte.

La figure 5 montre :

• couvercle en plastique résistant (item 1);

• hermétiquement scellée, entourée d'un anneau en plastique (pos. 5) et remplie de composé époxy (pos. 7), la version bornier (pos. 8) offre le degré de protection IP54.

La connexion (Fig. 5) est réalisée en scellant un joint de câble (position 2) à partir de trois câbles unipolaires de 2 mètres (position 3) et un module céramique de résistances de décharge (position 6) en sertissant et en soudant les connexions de contact.

Pour le confort contrôle visuel protection contre les surpressions se déclenche, une bande rouge vif apparaît sur la partie allongée du carter du condenseur (position 4).

La différence maximale autorisée de température ambiante est de -40 ... + 55 ° C [8].

A noter que les condensateurs KRM devant être protégés contre les courants de court-circuit (PUE Ch.5), il semble conseillé de construire des fusibles à l'intérieur du boîtier des condensateurs HomeCap et PoleCap qui sont déclenchés par la panne de section.

L'expérience de KRM dans les réseaux de distribution dans les pays en développement avec un niveau élevé de pertes de réseau montre que même des solutions techniques simples - l'utilisation de batteries non régulées de types spéciaux de condensateurs cosinus - peuvent être économiquement très efficaces.

Auteur de l'article : A.Chichkine

Littérature

1. Instructions pour la conception des réseaux électriques urbains RD 34.20.185-94. Approuvé par : Ministère des combustibles et de l'énergie de la Fédération de Russie le 07.07.94, RAO «UES de Russie» le 31.05.94. Entrée en vigueur le 01.01.95.

2. Ovchinnikov A. Pertes d'électricité dans les réseaux de distribution 0,4 ... 6 (10) kV // Nouvelles de l'électrotechnique. 2003. N° 1 (19).

3. Correction du facteur de puissance dans les réseaux électriques du Pérou // EPCOS COMPONENTS #1. 2006

4. Condensateurs HomeCap pour la correction du facteur de puissance.

5. Lignes directrices pour le choix des moyens de régulation de la tension et de compensation de la puissance réactive dans la conception des équipements agricoles et des réseaux électriques à usage agricole. M. : Selenergoproekt. 1978

6. Shishkin S.A. Puissance réactive des consommateurs et pertes du réseau d'électricité // Économie d'énergie n° 4. 2004.

7. Jungwirth P. Correction du facteur de puissance sur site // EPCOS COMPONENTS No. 4. 2005

8. Condensateurs PFC PoleCap pour les applications PFC basse tension externes. Edité par EPCOS AG. 03/2005. N ° de commande. CBE : 26015-7600.