tension, flicker, transitoires, harmoniques…

 S olutions SURVEILLANCE DE LA QUALITÉ ÉLECTRIQUE
TENSION, FLICKER,
TRANSITOIRES,
HARMONIQUES…
RESTONS AU COURANT
■ Connaître les sources de perturbations de la tension et du
courant, leurs conséquences sur les appareils connectés au
réseau, contrôler les paramètres électriques… Grâce aux analyseurs de la qualité du courant électrique, les utilisateurs peuvent
mieux maîtriser les coûts liés à la consommation et protéger
leurs équipements de production.
O
nduleur, imprimante laser, moteur
de puissance, variateur de vitesse… Ces appareils se retrouvent
toujours plus nombreux connectés aux réseaux de distribution électrique. Mais
plus il y en a, plus les risques de perturbations
(surtensions, coupures, harmoniques…) sont
importants avec des conséquences plus graves
pour tous les équipements.
Lorsqu’elles proviennent du réseau électrique
lui-même, ces perturbations sont alors de la
responsabilité d’EDF. Mais elles peuvent également être induites par les utilisateurs et leurs
équipements de production. Ainsi, des
moteurs de forte puissance peuvent créer des
variations importantes de tension. Les
influences de telles variations sont parfois dramatiques pour le moteur lui-même, mais aussi pour tous les équipements connectés au
même niveau sur le réseau. Ces conséquences
augmentent considérablement lorsque de
nombreux utilisateurs sont connectés sur la
même branche. Dans ce cas-là, l’industriel est
le seul responsable.
En France, pour obtenir une bonne qualité du
réseau électrique (sans toutefois parvenir à
éliminer toutes les perturbations), EDF propose aux utilisateurs industriels des contrats
de type “Emeraude” (tarif Vert). EDF s’engage sur les creux et les coupures (en fonction
* Les variations lentes ne sont mesurées que lorsque la tension élec-
trique reste dans la plage nominale.
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de la zone géographique), mais aussi les harmoniques, le flicker, le déséquilibre, etc. (qui
font l’objet d’un contrat personnalisé avec le
client). L’industriel, quant à lui, s’engage à ne
pas dégrader la qualité du réseau électrique
sous peine de lourdes pénalités financières.
Pour négocier au plus juste les contrats, pour se
Les industriels doivent se méfier des perturbations qui risquent de déteriorer les équipements industriels et d’engendrer des coûts
importants. Pour éviter cela surveiller la qualité du courant électrique est indispensable.
défendre en cas de litige, pour protéger ses
équipements de production, la vérification de
la qualité de la fourniture électrique est donc,
pour l’industriel, un enjeu économique. Bien
connaître le type de perturbations créées (variations de tension, harmoniques, etc.) permet
d’optimiser les corrections (filtrage, condensateurs de compensation…) et ainsi d’assurer
la fiabilité du système complet de production.
Voici donc un rappel de différentes perturbations à surveiller de près.
Variations de tension lentes et transitoires.
L’amplitude de la tension est un facteur crucial pour la qualité de l’électricité. Elle constitue généralement le premier engagement
contractuel du distributeur d’énergie. Associée aux aléas de gestion des réseaux de transport et de distribution (ajustements des centrales, dispatching et systèmes de protections
automatiques), l’amplitude de la tension subit
des variations anormales et peut même
s’effondrer jusqu’à un niveau proche de zéro.
On distingue plusieurs types de phénomènes
à l’origine de ces variations de tension. Quand
celles-ci surviennent chez le producteur, ce
sont des phénomènes aléatoires comme la
foudre ou les courts-circuits accidentels
(défauts d’isolation, blessure de câble, projection de branches sur les lignes aériennes...)
qui sont responsables. Côté consommateur,
les causes proviennent essentiellement de l’installation elle-même. Le branchement de fortes
charges peut provoquer des variations de tension si la puissance de court-circuit à un point
de livraison est sous dimensionnée. Des
moteurs de fortes puissances, des transformateurs et des assemblages de condensateurs
sont les charges qui créent le plus souvent des
variations de tension.
Pour caractériser ces événements, on utilise
couramment deux paramètres (amplitude et
durée de la variation de la tension). Plusieurs
types de défauts* sont alors définis : la surtension, le creux de tension, la coupure... La
plage de variation nominale de la tension du
réseau (plage dans laquelle toute variation de
la tension n’est pas considérée comme “anormale”) est fixée par le distributeur d’énergie
en général à ±10% de la tension composée.
Les surtensions sont mesurées en amplitude
et en durée lorsque le seuil supérieur de la
plage nominale est dépassé et les creux de
tension lorsque la tension est inférieure au
seuil bas de la plage nominale. Le plus souvent, ces variations durent moins de
0,2 seconde en Moyenne Tension (MT) et en
Haute Tension (HT). Le nombre de creux de
tension sur une année peut aller de quelques
dizaines à un millier. Les coupures brèves dans
les conditions normales peuvent varier de
quelques dizaines à plusieurs centaines par an
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S olutions Les analyseurs suivent les normes
■ Que ce soit pour effectuer des relevés
ponctuels ou réaliser des campagnes de
mesures sur plusieurs jours, les analyseurs de
qualité du réseau électrique permettent l’étude complète des paramètres électriques de la
qualité, un diagnostic et une évaluation des
problèmes observés sur le réseau. Ces outils
doivent également combiner performances
(acquisition de données, traitement du
signal…), facilité d’emploi (programmation
des configurations, affichage, interface de
communication…) et respect des normes.
Pour aider distributeurs et utilisateurs dans la
démarche de surveillance et d’amélioration
de la qualité des réseaux électriques, plusieurs normes ont été publiées ou sont en
cours d’élaboration. La norme NF EN 50160 a
été définie afin de caractériser la qualité de la
et n’excèdent pas en durée 1 seconde.
Les surtensions transitoires, d’une durée inférieure à 10 ms, peuvent être provoquées par
des phénomènes d’origine atmosphérique
(foudre), mais, plus fréquemment, par les équipements électriques eux-mêmes (commuta-
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tension fournie. Celle-ci présente les différents types de perturbations de la tension
observés au point de livraison du client. Elle
prend en compte la forme d’onde, le niveau
de la tension, la fréquence et le déséquilibre
du système triphasé. La norme liste ainsi les
paramètres à surveiller et la durée de la surveillance. La norme en préparation
CEI/EN 61000-4-30 définit les méthodes de
mesure de chaque paramètre, les conditions
et modalités de mesure. Les normes
CEI 61000-2-2 pour les réseaux Basse Tension
(BT) et CEI 61000-2-12 pour les réseaux
Moyenne Tension (MT) définissent les niveaux
acceptables dits “de compatibilité” pour
chaque paramètre en terme de statistiques.
Ce sont des références utilisées pour définir
les contrats entre utilisateurs et EDF.
tions de charges plus ou moins inductives produisant des surtensions transitoires à haute fréquence). Ainsi, la commutation de deux thyristors induit, entre les deux phases, un
court-circuit de très courte durée. Le temps de
montée peut varier de moins de quelques
microsecondes à plusieurs millisecondes. Ces
surtensions en Basse Tension (BT) sont généralement inférieures à 800 V, mais elles peuvent dépasser 1000 V suite à la fusion d’un
fusible.
Pour mesurer la durée et l’amplitude des variations de tension (lentes et rapides), l’utilisateur
doit disposer d’un analyseur de qualité du
réseau, dit triphasé, afin de contrôler les trois
phases simultanément. Surtout lorsqu’une variation apparaît sur les trois phases avec des durées
et des amplitudes différentes. Les analyseurs doivent également posséder des spécifications en
terme de fréquence d’échantillonnage et de bande passante compatibles avec l’ordre de grandeur des surtensions transitoires.
Fluctuations rapides de la tension ou flicker.
La mise en marche de charges variables comme des fours à arc, des imprimantes laser, des
micro-ondes ou des systèmes d’air conditionné provoque des variations rapides de tension
électrique. Ce phénomène est appelé papillotement et il est quantifié par la valeur du flicker.
Celui-ci est en réalité un calcul statistique issu de
la mesure des variations rapides de tension et
défini par la norme EN 61000-4-15. En plus
de conséquences éventuelles sur les équipements industriels, ces variations peuvent entraîner des effets négatifs sur l’homme (mal de tête,
irritabilité et parfois même épilepsie). Ces
troubles ressentis par le système visuel humain
et aux conséquences variées sont dus aux variations d’intensité lumineuse de l’éclairage.
La méthode de mesure doit pouvoir quantifier la gêne ressentie et prendre en compte les
mécanismes de la vision. Pour cela, le flicker
doit être évalué sur une période de temps suffisamment longue. De plus, en raison de sa
nature aléatoire (car le papillotement est provoqué uniquement par certaines charges), le
niveau instantané de flicker peut varier considérablement et de façon imprévisible pendant
cette période. Un intervalle de 10 minutes a
été jugé comme étant un bon compromis pour
évaluer ce qui est appelé le flicker courte
durée ou Pst. Il est assez long pour éviter
d’accorder trop d’importance à des variations
isolées de tensions. Il est également assez long
pour permettre à une personne non avertie de
remarquer la perturbation et sa persistance. La
période de 10 minutes sur laquelle a été basée
l’évaluation de la sévérité du flicker de courte
durée est valable pour l’estimation des perturbations causées par des sources individuelles
telles que les laminoirs, pompes à chaleur ou
appareils électrodomestiques.
Dans le cas où l’effet combiné de plusieurs
charges perturbatrices fonctionnant de manière aléatoire (par exemple des postes de soudure ou des moteurs) doit être pris en compte ou quand il s’agit de sources de flicker à
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S olutions VISUALISATION DE DIFFÉRENTES PERTURBATIONS
VARIATIONS DE LA TENSION
Variations lentes
Variations rapides
Les variations de tension sont des perturbations bien connues et aux conséquences parfois graves sur les équipements industriels.
On distingue les variations lentes et les variations rapides. Les premières sont caractérisées par une chute d’amplitude variant entre 10 %
et 100 % (c’est-à-dire une valeur nulle) de la tension nominale. La durée de ces variations lentes est supérieure à 10 ms.
Les variations rapides ou transitoires présentent une durée bien plus faible (de l’ordre de la centaine de microsecondes jusqu’à quelques
millisecondes). Ces “pics” de tension peuvent atteindre près de 1 000 V d’amplitude.
Variations rapides de la tension (Flicker)
Alors que la tension se présente normalement sous la forme d’une sinusoïde pure, on peut parfois
observer des variations très rapides. Celles-ci provoquent un effet de scintillement ou papillotement
de la lumière appelé flicker. Il se caractérise par deux paramètres selon la durée de mesure :
le flicker courte durée Pst (intervalle de temps de 10 minutes) et le flicker longue durée Plt
(intervalle de temps de 2 heures).
HARMONIQUES
Les perturbations de la tension (ou du courant) par des harmoniques sont dues à la superposition sur l’onde fondamentale à 50 Hz d’ondes
également sinusoïdales mais de fréquences multiples (100 Hz, 150 Hz,…, 500 Hz…). La représentation en fréquence (schéma de droite)
montre rapidement le niveau de puissance pour chaque harmonique ou rang (rang 3, 5, 11, 13, 15…).
É É
cycle de fonctionnement long ou variable
(four électrique à arc), il est nécessaire d’évaluer la perturbation ainsi créée sur une plus
longue durée. La durée de mesure est alors
définie à 2 heures, durée considérée comme
appropriée au cycle de fonctionnement de la
charge ou durée pendant laquelle un observateur peut être sensible au flicker longue
durée ou Plt.
Cet aspect normatif se retrouve dans les analyseurs de qualité de réseau sous la forme d’une
fonctionnalité flicker. Elle permet de réaliser
directement les calculs selon la norme.
MESURES 730 - DECEMBRE 2000
Harmoniques et inter-harmoniques. Mis à
part les variations en amplitude, la tension
subit des modifications au niveau de la fréquence. En effet, le courant consommé par
des charges connectées au réseau de distribution électrique présente assez souvent une forme qui n’est plus une sinusoïde pure. Cette
distorsion en courant implique une distorsion de la tension dépendant également de
l’impédance de source. Les perturbations
appelées harmoniques sont causées par l’introduction sur le réseau de charges non linéaires
comme les équipements intégrant de l’élec-
tronique de puissance (variateurs, onduleurs,
convertisseurs statiques, gradateurs de lumière, postes de soudure). Plus généralement tous
les matériaux incorporant des redresseurs et
des électroniques de découpage déforment les
courants et créent des fluctuations de tension
sur le réseau de distribution basse tension.
C’est la concentration de nombreuses “sources
de pollution” en harmoniques qui génère des
niveaux de perturbations sur le réseau susceptibles d’entraîner des incidents.
Les conséquences peuvent être instantanées sur
certains appareils électroniques: troubles fonctionnels (synchronisation, commutation), disjonctions intempestives, erreurs de mesure sur
des compteurs d’énergie… Les échauffements
supplémentaires induits peuvent, à moyen terme, diminuer la durée de vie des machines tournantes, des condensateurs, des transformateurs
de puissance et des conducteurs de neutre.
D’un point de vue plus théorique, on appelle harmonique une superposition sur l’onde
fondamentale à 50 Hz d’ondes également
sinusoïdales mais de fréquences multiples de
celle du fondamental. Lorsque le signal possède des composantes superposées à l’onde
fondamentale (50 Hz) qui ne sont pas multiples de la fondamentale (par exemple
175 Hz), ce sont des inter-harmoniques. Le
niveau de ces inter-harmoniques est également en augmentation en raison du développement des convertisseurs de puissance et des
variateurs de vitesse et autres équipements
similaires de contrôle-commande. Toutes ces
harmoniques peuvent être additionnées : la
résultante en est le THD (Total Harmonics Distortion). Le domaine des fréquences qui correspond à l’étude des harmoniques est généralement compris entre 100 et 2000 Hz, soit
entre l’harmonique de rang 2 jusqu’à celle de
rang 40. Les niveaux maximums, rang par
rang, sont définis dans les normes
CEI 61000-2-2 pour la BT et CEI 61000-2-12
pour la MT.
Afin de mesurer les harmoniques courant ou
tension, on utilise la transformée de Fourier
permettant de décomposer un signal périodique en une somme de signaux sinusoïdaux
multiples de la fréquence fondamentale. Les
instruments de mesure actuels doivent être
capables d’effectuer cette analyse d’harmonique rang par rang et également au niveau
global (THD) afin d’effectuer avec finesse un
diagnostic de l’installation.
Marie-Aude Massin
Chef de produits Puissance Energie Perturbation
Pôle Test & Mesure - Chauvin Arnoux
Chauvin Arnoux
190, rue championnet - 75876 Paris Cedex 18
Tél. : 01 44 85 44 85 - Fax : 01 46 27 73 89
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