Mise en oeuvre des batteries de condensateurs

Eléments condensateurs

Technologie

Les condensateurs en basse tension sont des composants de type sec (i.e. ne sont pas imprégnés par un diélectrique liquide), comprenant un film auto-cicatrisant en polypropylène métallisé, sous la forme d'un rouleau à deux films.

L'auto-cicatrisation est un processus par lequel le condensateur se régénère dans le cas d'un défaut dans le diélectrique qui peut se produire lors de surcharges élevées, des transitoires de tension, etc.

En cas de défaut de l'isolant, un arc de courte durée se forme (Figure L34 - en haut). En raison de la chaleur intense engendrée par cet arc, la métallisation dans le voisinage de l'arc se vaporise (Fig L34 - milieu).

Simultanément, les électrodes sont de nouveau isolées, ce qui maintient le fonctionnement et l'intégrité du condensateur (Fig L34 - en bas).

Fig. L34 – Illustration du phénomène d'auto-cicatrisation

Schéma de protection

Les condensateurs doivent être associés à des dispositifs de protection contre les surcharges (fusibles, ou disjoncteur, ou relais de surcharge + contacteur), afin de limiter les conséquences de surintensités. Ceci peut se produire en cas de surtension ou de forte distorsion harmonique.

En plus de dispositifs de protection externes, les condensateurs sont protégés par un système élaboré (sectionneur de surpression – Pressure Sensitive Disconnector, également appelé "fusible d'arrachage"), qui déconnecte les condensateurs en cas de défaut interne. Ceci permet une coupure sûre et un isolement électrique en fin de vie du condensateur.

Le système de protection fonctionne comme suit :

• des niveaux de courant supérieurs à la normale, mais insuffisants pour déclencher la protection contre les surintensités peuvent parfois se produire, par exemple, en raison d'un courant de fuite dans le film diélectrique. Ces "défauts" sont souvent éliminés par auto-cicatrisation,
• si le courant de fuite persiste et l'auto-cicatrisation se répète, le défaut peut produire du gaz par vaporisation de la métallisation à l'emplacement défectueux.

  Cela va progressivement faire augmenter la pression à l'intérieur du boitier. La pression ne peut conduire qu'à une expansion verticale en déformant le couvercle vers l'extérieur. Les connections se brisent à des endroits prédéterminés. Le condensateur est déconnecté de manière irréversible.

Fig. L35 – Vue en coupe d'un condensateur triphasé avec sectionneur de surpression activé: couvercle déformé et connexions rompues

Principales caractéristiques électriques, suivant norme CEI 60831-1/2 :

"Condensateurs shunt de puissance autorégénérateurs pour réseaux à courant alternatif de tension assignée inférieure ou égale à 1000 V".

Fig. L36 – Principales caractéristiques des condensateurs, suivant CEI 60831-1/2

Caractéristiques électriques
Tolérance de capacité	–5 % à +10 % pour éléments et batteries jusqu'à 100 kvar –5 % à +5 % pour éléments et batteries au-delà de 100 kvar
Gamme de température	Min : de -50 à +5°C Max : de +40 à +55°C
Intensité de surcharge admissible	1,3 x IN
Tension de surcharge admissible	1,1 x UN , 8 h toutes les 24 h 1,15 x UN , 30 min chaque 24 h 1,2 x UN , 5min 1,3 x UN , 1min 2,15 x UN pour 10 s (type test)
Dispositif de décharge	Jusqu'à 75 V en 3 min ou moins

Choix de la protection, des dispositifs de commande et des câbles de raccordement

Le choix de la protection, des dispositifs de commande et des câbles de raccordement dépend de la charge en courant.

Pour les condensateurs, le courant est une fonction de :

• la tension du réseau (fondamentale et harmoniques),
• la puissance nominale.

Le courant nominal IN d'une batterie de condensateurs triphasée est égale à :

[math]\displaystyle{ I_N = \frac{Q}{\sqrt{3}. U} }[/math]

avec :

• Q : Puissance réactive assignée (kvar)
• U : Tension entre phases (kV) :

Des dispositifs de protection contre les surcharges doivent être mis en œuvre et ajustés selon la distorsion harmonique attendue. Le tableau suivant résume les tensions harmoniques à prendre en considération dans les différentes configurations, et le facteur de surcharge maximale correspondant I_MP / I_N. (I_MP : courant maximal admissible).

Fig. L37 – Surcharge admissible en courant typique

Configuration	Rang harmonique					THDu max (%)	IMP/IN
	3	5	7	11	13
Condensateurs standard						5	1,5
Condensateurs Heavy Duty						7	1,8
Condensateurs + inductance 5,7%	0,5	5	4	3,5	3	10	1,31
Condensateurs + inductance 7%	0,5	6	4	3,5	3	8	1,19
Condensateurs + inductance 14%	3	8	7	3,5	3	6	1,12

La protection court-retard des disjoncteurs (protection de court-circuit) doit être fixée à 10 x I_N pour être insensible à l'appel de courant.

Exemple 1 :

50 kvar - 400 V - 50 Hz - condensateurs standard

[math]\displaystyle{ I_N = \frac{50}{\sqrt {3}\times 0.4} = 72A }[/math]

Réglage long retard : 1,5 x 72 = 108 A

Réglage court retard : 10 x 72 = 720 A

Exemple 2 :

50 kvar - 400 V - 50 Hz - condensateurs + inductance 5,7%

[math]\displaystyle{ I_N = 72 A }[/math]

Réglage long retard : 1,31 x 72 = 94 A

Réglage court retard : 10 x 72 = 720 A

Câbles en amont

La Figure L38 donne la section minimale recommandée du câble en amont pour les batteries de condensateurs.

Câbles de commande

La section minimale de ces câbles sera de 1,5 mm² pour 230 V. Au secondaire du transformateur de courant, la section recommandée est ≥ 2,5 mm².

Fig. L38 – Section des câbles de raccordement des batteries de condensateurs de moyenne et forte puissance

Puissance batterie (kvar)		Cuivre section	Aluminium section
230 V	400 V	(mm2)	(mm2)
5	10	2,5	16
10	20	4	16
15	30	6	16
20	40	10	16
25	50	16	25
30	60	25	35
40	80	35	50
50	100	50	70
60	120	70	95
70	140	95	120
90-100	180	120	185
	200	150	240
120	240	185	2 x 95
150	250	240	2 x 120
	300	2 x 95	2 x 150
180 - 210	360	2 x 120	2 x 185
245	420	2 x 150	2 x 240
280	480	2 x 185	2 x 300
315	540	2 x 240	3 x 185
350	600	2 x 300	3 x 240
385	660	3 x 150	3 x 240
420	720	3 x 185	3 x 300

Transitoires de tension

Des transitoires de tension et de courant à haute fréquence se produisent lors de la mise en service d'une batterie de condensateurs. Lors de la commutation des condensateurs non chargés, la crête maximale de tension ne dépasse pas (en l'absence d'harmoniques) deux fois la valeur de crête de la tension nominale.

Cependant, dans le cas d'un condensateur déjà chargé au moment de la fermeture de l'interrupteur, le transitoire de tension peut atteindre une valeur maximale voisine de 3 fois la valeur de crête nominale normale. Cette condition extrême se produit seulement si :

• la tension présente aux bornes du condensateur est égale à la valeur de crête de la tension nominale, et,
• les contacts de l'interrupteur se ferment au moment où la tension d'alimentation est maximale, et,
• la polarité de la tension d'alimentation est opposée à celle du condensateur chargé.

Dans une telle situation, le courant transitoire sera à sa valeur maximale possible, à savoir: deux fois la valeur maximale obtenue lors de la fermeture sur un condensateur initialement non chargé, comme indiqué précédemment.

Pour toutes autres valeurs de tension et de polarité du condensateur pré-chargé, les crêtes transitoires de tension et de courant seront inférieures à celles mentionnées ci-dessus. Dans le cas particulier où l'interrupteur se ferme alors que la tension du condensateur est égale à la tension d'alimentation (même amplitude, même polarité), il n'y a pas de transitoire de tension et de courant.

Dans le cas de commutation automatique de batteries de condensateurs en gradins, des précautions doivent par conséquent être prises pour que les condensateurs sur le point d'être mis sous tension soient complètement déchargés. Une résistance de décharge est généralement intégrée au boitier des condensateurs.

Le temps de décharge peut être réduit si nécessaire, à l'aide de résistances de décharge extérieures d'une valeur de résistance inférieure.