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Mesure des harmoniques dans les réseaux électriques

De Guide de l'Installation Electrique

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Mesure

Sommaire

Procédures pour l'analyse harmonique du réseau

Mesures des harmoniques réalisées sur site industriel ou tertiaire

  • A titre préventif, afin d'avoir une vue globale sur l'état du réseau (cartographie du réseau).
  • En vue de mesures correctives, afin de déterminer l'origine d'une perturbation et de déterminer les solutions requises pour l'éliminer.
  • Pour vérifier la validité d'une solution (à la suite de modifications dans le réseau de distribution pour vérifier la réduction des perturbations harmoniques).

Les indicateurs harmoniques peuvent être mesurés

  • Par un expert présent sur le site pour une période de temps limitée (une journée), fournissant une indication précise mais limitée.
  • Par des instruments de mesure installés et fonctionnant pendant une période de temps significative (au moins une semaine) fournissant un aperçu fiable de la situation.
  • Ou par des dispositifs installés en permanence dans le réseau de distribution, ce qui permet un suivi de la qualité de l'énergie.

Actions correctives ponctuelles

Ce type d'action est effectué lorsque des perturbations sont observées, et que les harmoniques sont suspectés. Afin de déterminer l'origine des perturbations, des mesures de courant et de tension sont effectuées :

  • au niveau de la source d'alimentation,
  • sur les jeux de barres du tableau principal de distribution (ou sur les jeux de barres MT),
  • sur chaque départ du tableau général de distribution.

Pour des résultats précis, il est nécessaire de connaître les conditions exactes de fonctionnement de l'installation et en particulier l'état des batteries de condensateurs (en fonctionnement ou non, nombre de gradins connectés).

Les résultats des mesures aideront l'analyse afin de :

  • déterminer l'éventuel déclassement nécessaire des équipements de l'installation,

ou,

  • déterminer le calibre de tous les systèmes de protection et de filtrage d'harmoniques nécessaires devant être installés dans le réseau de distribution, ou,
  • contrôler la conformité de l'installation électrique avec les normes ou règlements applicables par le Distributeur (limite d'émission harmonique maximale admissible).

Actions préventives à long terme

Pour un certain nombre de raisons, l'installation de dispositifs de mesure permanents dans le réseau de distribution est très avantageuse :

  • la présence d'un expert sur place est limitée dans le temps et il n'est pas toujours possible d'observer toutes les situations possibles. Seules des mesures effectuées en un certain nombre de points différents de l'installation et sur une période suffisamment longue (une semaine à un mois), permettent de fournir une vue d'ensemble du fonctionnement et de prendre en compte toutes les situations qui peuvent se produire suivant :
    • les fluctuations de la source d'alimentation,
    • les variations dans le fonctionnement de l'installation,
    • l'ajout de nouveaux équipements dans l'installation,
  • des appareils de mesure installés dans le réseau de distribution permettent de préparer et de faciliter le diagnostic des experts, réduisant ainsi le nombre et la durée de leurs visites,
  • des appareils de mesure installés en permanence détectent les perturbations survenant suite à l'installation de nouveaux équipements, à la mise en œuvre de nouveaux modes de fonctionnement ou aux fluctuations dans le réseau d'alimentation,
  • Pour une évaluation globale de l'état du réseau (analyse préventive), ceci évite :
    • la location de matériel de mesure,
    • l'appel à des experts,
    • la connexion et déconnexion d'équipement de mesure. Pour l'évaluation globale de l'état du réseau, l'analyse sur le Tableau Général Basse Tension (TGBT) peut souvent être effectuée par l'appareil d'arrivée et / ou les appareils de mesure équipant chaque départ,
  • pour les actions correctives, il est possible de :
    • déterminer les conditions de fonctionnement au moment de l'incident,
    • dresser une carte du réseau de distribution et évaluer la solution mise en œuvre.

Le diagnostic peut être amélioré par l'utilisation d'un équipement dédié supplémentaire en cas de problème spécifique.

Quels appareils pour mesurer ces indicateurs ?

Les appareils de mesure fournissent des informations instantanées et moyennes concernant les harmoniques. Les valeurs instantanées sont utilisées pour l'analyse des perturbations liées aux harmoniques.

Les valeurs moyennes sont utilisées pour l'évaluation de Qualité de l'Energie.

Les appareils de mesure les plus récents sont conçus conformément à la norme CEI 61000-4-7: "Compatibilité électromagnétique (CEM) - Partie 4-7: Techniques d'essai et de mesure - Guide général relatif aux mesures d'harmoniques et d'interharmoniques, ainsi qu'à l'appareillage de mesure, applicable aux réseaux d'alimentation et aux appareils qui y sont raccordés ".

Les valeurs fournies incluent :

  • le spectre harmonique des courants et tensions (amplitudes et pourcentages du fondamental),
  • le THD pour le courant et la tension,
  • pour une analyse spécifique: l'angle de phase entre la tension harmonique et le courant du même rang et la phase des harmoniques par rapport à une référence commune (par exemple, la tension fondamentale).

Les valeurs moyennes sont des indicateurs à long terme de la Qualité de l'Energie. Des données statistiques typiques et pertinentes sont par exemple des mesures moyennées par intervalles de 10 minutes, pendant les périodes d'observation de 1 semaine.

Afin de répondre aux objectifs de Qualité d'Energie, 95% des valeurs mesurées doivent être inférieures à la valeur spécifiée.

La Fig. M10 donne la tension harmonique maximale répondant aux exigences de la norme EN50160: "Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution", en basse et moyenne tension.

Harmoniques impairs

Non multiples de 3

Harmoniques impairs

Multiples de 3

Harmoniques pairs
Rang h Amplitude relative
Uh : %
Rang h Amplitude relative
Uh : %
Rang h Amplitude relative
Uh : %
5 6 3 5 2 2
7 5 9 1,5 4 1
11 3,5 15 0,5 6...24 0,5
13 3 21 0,5
17 2
19 1,5
23 1,5
25 1,5

Fig. M10Valeurs des tensions harmoniques individuelles aux bornes d'alimentation pour les rangs jusqu'à 25, en pour cent de la tension fondamentale U1

Les instruments portables

Les méthodes traditionnelles d'observation et de mesure incluent :

Oscilloscope

Une première indication de la distorsion qui affecte un signal peut être obtenue en observant le courant ou la tension à l'aide d'un oscilloscope.

Une forme d'onde qui diffère d'une sinusoïde indique clairement la présence d'harmoniques. Des pics de courant et de tension peuvent être observés.

A noter cependant que cette méthode ne fournit pas une quantification précise des composantes harmoniques.

Analyseur numérique

Seuls les analyseurs numériques récents peuvent fournir les valeurs de tous les indicateurs mentionnés avec une précision suffisante.

Ils utilisent des techniques numériques, en particulier un algorithme de haute performance appelé Transformée de Fourier Rapide (ou Fast Fourier Transform - FFT). Les signaux de courant ou de tension sont numérisés, et l'algorithme est appliqué sur les données relatives à des fenêtres de temps de 10 (systèmes à 50 Hz) ou 12 périodes (pour les systèmes à 60 Hz) de la fréquence d'alimentation.

L'amplitude et la phase des harmoniques sont calculées jusqu'à l'ordre 40 ou 50 en fonction de la classe de mesure.

Le traitement des valeurs successives calculées au moyen de la FFT (lissage, classement, statistiques) peut être réalisée par le dispositif de mesure ou par un logiciel externe.

Fonctions des analyseurs numériques

  • Calculer les valeurs des indicateurs harmoniques (facteur de puissance, facteur de crête, amplitude harmonique individuelle, THD).
  • Dans les analyseurs multicanaux: fourniture quasiment en temps réel de la décomposition spectrale simultanée des courants et des tensions.
  • Effectuer diverses fonctions complémentaires (corrections, détection statistique, gestion de mesure, affichage, communication, etc.).
  • Le stockage des données.

Fig. M11Mise en œuvre d'un enregistreur numérique de qualité de l'énergie dans un tableau

Instruments fixes

L'instrumentation en tableaux fournit des informations continues au gestionnaire de l'installation électrique. Les données peuvent être accessibles à travers des dispositifs de surveillance dédiés ou par les déclencheurs numériques des disjoncteurs.

Fig. M12Exemple de dispositif de mesure de puissance (PowerLogic ION7650)

Fig. M13Exemples de déclencheurs numériques de disjoncteurs fournissant des informations relatives aux harmoniques

Quels rangs d'harmonique doivent être surveillés et atténués ?

Les rangs d'harmoniques les plus significatifs dans les réseaux de distribution triphasés sont les ordres impairs (3, 5, 7, 9, 11, 13 ...).

Les harmoniques de rang 3 (et multiples de 3) ne sont présents que dans les systèmes triphasés à quatre fils, lorsque des charges monophasées sont connectées entre phase et neutre.

Les Distributeurs d'Electricité sont essentiellement préoccupés par les rangs bas d'harmoniques (5, 7, 11, et 13).

De manière générale, le traitement des harmoniques de rang inférieur (jusqu'à 13) est suffisant. Un traitement plus complet tient compte des harmoniques jusqu'au rang 25.

Normalement, les amplitudes des harmoniques diminuent lorsque la fréquence augmente. Des mesures suffisamment précises sont obtenues en mesurant les harmoniques jusqu'au rang 30.