Choix de canalisations préfabriquées en présence de courants harmoniques

Introduction

Les courants harmoniques sont générés par la plupart des charges électroniques modernes, que l'on rencontre dans toutes les installations des secteurs industriel, commercial et résidentiel. Ces charges électroniques utilisent des dispositifs électroniques de puissance qui sont responsables de la génération des courants harmoniques.

Charge non-linéaires typiques :

équipement industriel (machines à souder, fours à induction, redresseurs, chargeurs de batteries),
variateurs de Vitesse pour moteurs à courant alternatif ou continu,
alimentations sans Interruption (ASI),
matériel informatique (ordinateurs, écrans, serveurs, photocopieurs, imprimantes, etc…),
appareils domestiques (téléviseurs, fours à micro-ondes, lampes fluorescentes, variateurs de lumière, etc.).

Fig. E46 – Allure d'un courant déformé par les harmoniques.

Les charges électroniques d'aujourd'hui partagent un élément commun: le circuit d'alimentation électronique. Les avantages de l'alimentation électronique sont son coût, son rendement, et la capacité de réguler sa tension de sortie. Pour cette raison, on en retrouve dans une grande variété d'appareils courants, mono- ou triphasés. Les courants harmoniques sont un sous-produit naturel de la manière dont une alimentation électronique absorbe du courant au réseau. Pour être plus efficace, ce dispositif absorbe un courant pendant une faible partie de la période de la tension.

Les installations où l'on peut trouver ces dispositifs en grand nombre sont les centres informatiques, banques, centres de données Internet, etc.

Les courants harmoniques générés par ces charges peuvent poser quelques problèmes :

distorsion de la tension, responsable de la défaillance de certains équipements électriques,
augmentation des pertes, le courant efficace étant plus élevé que le courant fondamental,
risque de résonance lorsque des condensateurs de correction de facteur de puissance sont présents.

Les courants harmoniques de rang 3 (150/180 Hz) ou multiple de 3 sont spécifiquement responsables d'une augmentation du courant dans le conducteur neutre, dans les systèmes triphasés à quatre fils. C'est la raison pour laquelle il est important de choisir avec attention les canalisations préfabriquées pour les immeubles de bureaux, où la surcharge du conducteur de neutre est une préoccupation majeure.

Le courant neutre dans les systèmes triphasés à 4 conducteurs

La Figure E47 représente les courants de phase et le courant neutre résultant, dans un système triphasé à quatre conducteurs, alimentant des charges monophasées non-linéaires identiques.

Fig. E47 – Courants de phase et de neutre, absorbés par des charges monophasées connectées entre phase et neutre.


Alimentation d'ateliers : Mélange de charges linéaires et non-linéaires (matériel informatique, onduleurs, éclairage fluorescent et moteurs, pompes, appareils de chauffage, etc…). Faible probabilité de présence d'harmoniques. THD < 33 %	Alimentation de bureaux : Un grand nombre de charges non-linéaires (matériel informatique, onduleurs, éclairage fluorescent, etc.). Forte probabilité de présence d'harmoniques. THD ≥ 33 %

Fig. E48 – Exemples d'applications où le niveau des harmoniques (THD) est négligeable ou élevé, en fonction de la proportion de charges générant des harmoniques par rapport à des charges classiques.

Les spectres harmoniques des courants de phase et de neutre sont représentés sur les Figures E49 et E50. Le courant neutre ne contient que des composantes de rang impair multiple de 3 (soit : 3, 9, 15, ...), dont les amplitudes sont 3 fois supérieures à celles des courants de phase. Le rang 3 est bien sûr prépondérant et les autres composantes de rang multiple de 3 (soit : 9, 15, …) contribuent très peu à la valeur efficace.

[math]\displaystyle{ THD = \frac{\displaystyle \sum_{h=2}^{\infty} I_h^2}{I_1} = \frac { \sqrt {{I_3}^2 + {I_5}^2 + {I_7}^2 + {I_9}^2 + {I_{11}}^2 + {I_{13}}^2 + {I_{15}}^ 2 + {I_{17}}^2}{+}} {I_1} }[/math]

[math]\displaystyle{ THD = \frac{\sqrt{73^2 + 37 ^2 + 11 ^2 + 7 ^2 + 5 ^2 + 3^2 +2^2 + 2^2 + 1^2}}{100} = 83% }[/math]

Dans cet exemple, la valeur efficace du courant dans le neutre est égale à √3 fois la valeur efficace du courant dans chaque phase. Cette valeur extrême ne peut être atteinte que si les charges absorbent un courant de la forme indiquée sur la Figure E47.

Lorsque les charges comportent une part de circuit linéaire (moteurs, chauffage, lampes à incandescence…), la valeur efficace du courant dans le neutre est alors strictement inférieure à √3 fois la valeur efficace du courant dans une phase.

Fig. E49 – Spectre harmonique typique du courant absorbé par une charge non-linéaire monophasée.

Fig. E50 – Spectre harmonique typique du courant neutre absorbé par des charges non-linéaires monophasées.

Facteur de charge du courant neutre

Des simulations ont été réalisées pour évaluer l'influence du taux de courant harmonique 3 sur l'amplitude du courant dans le conducteur neutre. Sur la Figure E51, différentes formes d'onde du courant de ligne sont représentées pour différents pourcentages de charge non-linéaire, en maintenant la puissance active totale constante. (Les charges linéaires sont supposées purement résistives).

Fig. E51 – Allures du courant ligne pour différents pourcentages de charge non linéaire.

Dans les différents cas, le courant neutre a été calculé et comparé au courant de ligne. Le taux de charge du conducteur neutre (rapport du courant neutre au courant ligne) est représenté sur la Figure E52.

Un fort taux de charge du courant neutre peut être observé dans les installations où l'on trouve un grand nombre de charges non linéaires monophasées raccordées au neutre.

Dans ces installations, le courant neutre peut dépasser le courant de phase et une attention particulière doit être donnée au calibrage du conducteur neutre. Ceci interdit l'installation d'un conducteur de neutre de taille réduite, et le courant dans l'ensemble des quatre fils doit être pris en compte.

Toutefois, la puissance absorbée par un tel ensemble est en général limitée. Le courant neutre peut alors dépasser le courant phase, mais sur des départs peu chargés. Il y a rarement dépassement de la capacité du conducteur neutre, si sa section est égale à celle des phases.

Une pratique courante consiste à doubler la section du conducteur neutre, mais ceci n'est pas une nécessité réglementaire. Cette pratique est toutefois encouragée par des organisations telles que la "Copper Development Association".

Fig. E52 – Taux de charge du conducteur neutre en fonction du taux d’harmonique 3.

Dans les installations de forte puissance (ordre de grandeur : P > 100 kVA ou I > 150 A), plusieurs facteurs contribuent à réduire la surcharge du neutre :

de plus en plus d'équipements informatiques (stations de travail, serveurs, routeurs, ASI, …) utilisent des circuits de compensation du facteur de puissance (Power Factor Correction, PFC) pour réduire considérablement les harmoniques de rang 3 générés,
les installations de chauffage, ventilation, climatisation des bâtiments de grande taille sont alimentées en triphasé et ne contribuent donc pas à la génération d'harmonique de rang 3,
les dispositifs d'éclairage sont soumis depuis peu à des normes de limitation des émissions harmoniques. Par ailleurs, les dispositifs d'éclairage fluorescent (avec ballast magnétique ou électronique) génèrent des courants harmoniques de rang 3 qui sont déphasés par rapport aux courants harmoniques générés par les PC. Ceci procure une atténuation vectorielle partielle.

Ce foisonnement des charges est d'autant plus important que la puissance de l'installation est importante.

Sauf cas exceptionnel, le taux d'harmonique de rang 3 dans ces installations ne dépasse pas 33% et le courant dans le conducteur neutre ne dépasse donc pas le courant dans les phases. Il n'est pas nécessaire de sur-dimensionner le conducteur neutre par rapport aux conducteurs de phases.

Fig. E53 – Le doublement du conducteur neutre utilisé avec des câbles n'est pas transposable aux canalisations préfabriquées en raison de leur comportement très différent en termes de dissipation thermique .

Effet des courants harmoniques sur les canalisations électriques

La circulation de courants harmoniques provoque un échauffement supplémentaire des canalisations électriques, pour plusieurs raisons :

échauffement du conducteur neutre par la circulation de courants harmoniques de rang 3, alors que ce conducteur n’est normalement parcouru par aucun courant en régime sinusoïdal équilibré,
échauffement supplémentaire de tous les conducteurs par augmentation de l’effet de peau et des pertes par courants de Foucault, résultant de la circulation de tous les rangs d’harmoniques.

Fig. E54 – Illustration du risque de surchauffe avec un dimensionnement de canalisation préfabriquée standard, en présence d'un niveau élevé d'harmonique de rang 3.

La modélisation séparée des pertes générées par chaque rang d'harmonique révèle l'impact des courants harmoniques dans les canalisations préfabriquées. Des mesures thermiques ont également été effectuées sur des canalisations préfabriquées avec circulation de courants harmoniques de fréquences différentes.

La même approche a été utilisée pour comparer les deux types différents de construction de barres, avec la même section totale des conducteurs actifs: avec un neutre doublé et un neutre à 100% normal. Voir la Figure E55.

Placé dans les mêmes conditions, un système de canalisation préfabriquée avec 4 conducteurs identiques aura une élévation de la température inférieure à celle d'un système avec un neutre à 200% avec la même section totale de conducteurs. Il est alors parfaitement adapté à cette situation. Bien entendu, le choix de la taille des conducteurs doit prendre en compte le possible courant circulant à travers le conducteur de neutre.

Fig. E55 – Vue en coupe de deux architectures de canalisation.

Fig. E56 – La solution la plus efficace = réduire la densité de courant dans tous les conducteurs, en sélectionnant le bon calibre de canalisation préfabriquée (neutre simple).

Procédure de choix simplifiée

La première étape du choix d'une canalisation préfabriquée est d'évaluer les courants de phase ainsi que le taux d'harmonique 3.

A noter que le taux d’harmonique 3 a un impact sur le courant dans le neutre et donc sur le dimensionnement de toutes les composantes d’une installation :

tableaux de distribution,
appareillage de protection et de répartition,
câbles et canalisations.

Suivant le taux estimé d’harmonique 3, trois cas sont possibles :

Taux d’harmonique 3 inférieur à 15% (ih3 ≤ 15%)

Le conducteur neutre est considéré comme non chargé. La section des conducteurs de phases est fonction seulement du courant dans les phases. Conformément aux normes CEI, la section du conducteur neutre peut être inférieure à la section des phases si la section est supérieure à 16mm² en Cuivre ou 25 mm² en Aluminium.

Taux d’harmonique 3 compris entre 15 et 33% (15 < ih3 ≤ 33%)

Le conducteur neutre est considéré comme chargé. Le courant d’emploi des canalisations multipolaires doit être réduit d’un facteur 0,84 (ou inversement : choisir une canalisation dont le courant d’emploi est égal au courant calculé, divisé par 0,84).

Ceci conduit en général au choix d'une canalisation du calibre juste supérieur. La section du neutre doit être impérativement égale à la section des phases.

Taux d’harmoniques 3 supérieur à 33% (ih3 > 33%)

Le conducteur neutre est considéré comme chargé. L’approche recommandée consiste à adopter une canalisation multipolaire où la section du neutre est égale à la section des phases. Le courant du conducteur neutre est alors prépondérant pour la détermination de la section des conducteurs.

Ceci conduit en général au choix d'une canalisation de calibre supérieur, avec un écart de 2 calibres.

Exemple pour l'offre Canalis KT de Schneider Electric :

Calibre (A)	Taux d'harmonique faible	Taux d'harmonique usuel	Taux d'harmonique élevé
1000	KTC1000	KTC1000HRB	KTC1350HRB
1350	KTC1350	KTC1350HRB	KTC1600HRB
1600	KTC1600	KTC1600HRB	KTC2000HRB
2000	KTC2000	KTC2000HRB	KTC2500HRB
2500	KTC2500	KTC2500HRB	KTC3200HRB
3200	KTC3200	KTC3200HRB	KTC4000HRB
4000	KTC4000	KTC4000HRB
5000	KTC5000

Conclusions

Les installations tertiaires en particulier sont sujettes à la circulation de courants harmoniques de rang 3 présentant un risque de surcharge du conducteur neutre. Les performances des canalisations préfabriquées de construction standard ont été analysées en détail.

Une procédure simplifiée de dimensionnement a été proposée pour le choix des canalisations préfabriquées adaptées à la circulation de courant harmonique de rang 3, en particulier dans le conducteur neutre.

Le doublement de la section du neutre n'est pas la solution optimale.

Les canalisations préfabriquées de construction standard avec sections égales des conducteurs actifs sont parfaitement adaptées au problème.

La conception est valable tant qu'une surcharge du neutre réaliste est prise en considération et est appliquée à l'ensemble du système.

Fig. E57 – Vue en coupe transversale d'une CEP standard, sans et avec harmoniques.


Elévation de température (°K)	200 % Neutre	100 % Neutre	Le neutre double ne permet pas d'éviter un échauffement supplémentaire
Conducteur de phase (moyenne)	63.5	41.5
Conducteur neutre	56	39
Enveloppe (maximum)	55	39
	200 % Neutre	100 % Neutre	Même si la section totale des conducteurs est identique dans les deux structures
Section des conducteurs de phase (mm²)	960	1200
Section du conducteur neutre (mm²)	1920	1200
Section totale (mm²)	4800	4800

Fig. E58 – Comparaison entre la solution double-neutre et la solution à neutre simple correctement choisie.

Une approche Système cohérente

Le choix d'une canalisation préfabriquée de construction standard, validée pour véhiculer des courants harmoniques est une approche Système. La canalisation préfabriquée est optimisée et reste totalement en conformité avec les dispositifs électriques qui lui sont raccordés :

boîtiers de dérivation,
disjoncteurs,
nombre de câbles.

Fig. E59 – Approche Système cohérente pour tous les composants de l'installation électrique.