Compensation de l'énergie réactive absorbée par un transformateur

Les types de réactances inductives d'un transformateur

Lorsque le comptage est réalisé du côté MT d'un transformateur, les pertes d'énergie réactive dans le transformateur doivent être considérées et réduites par compensation (suivant la tarification).

Dans un transformateur, l'énergie réactive est absorbée à la fois par une réactance parallèle (flux magnétisant) et par une réactance série (flux de fuite magnétique). Une compensation du facteur de puissance peut être réalisée par une batterie de condensateurs. La compensation complète peut être réalisée par une batterie de condensateurs en parallèle connectée en BT.

Toutes les études précédentes présentent des charges auxquelles ont été connectées en parallèle des batteries de condensateurs. La raison en est que ces charges demandent au réseau d’alimentation la quantité la plus importante d’énergie réactive ; cependant les réactances connectées en série, telles que les réactances de ligne et la réactance de fuite des bobinages d’un transformateur, etc. absorbent aussi de l’énergie réactive.

Lorsque le comptage est réalisé du côté MT d’un transformateur, les pertes d’énergie réactive dans le transformateur peuvent (suivant la tarification) nécessiter d’ être réduites par compensation. Si l’on ne considère que les pertes d’énergie réactive, le schéma de principe d’un transformateur est défini sur la Figure L19.

Toutes les réactances sont reportées au secondaire du transformateur :

• la réactance parallèle représente le circuit du courant magnétisant,
• la réactance série représente les pertes magnétiques.

Le courant magnétisant reste pratiquement constant (à environ 1,8 % du courant de pleine charge) quelle que soit la charge, en régime normal, c’est à dire avec une tension primaire constante. Un condensateur de valeur fixe peut donc être installé, en MT ou BT, pour compenser l’énergie réactive absorbée.

Fig. L19 – Schéma de principe des réactances d’un transformateur (par phase)

Puissance réactive absorbée dans la réactance X_L (flux de fuite)

La puissance réactive absorbée par un transformateur ne peut pas être négligée, et peut être estimée à (environ) 5% de la puissance du transformateur quand celui-ci fonctionne à pleine charge.

La représentation vectorielle de la Figure L20 illustre ce phénomène.

La composante réactive du courant dans la charge = I sin φ d'où QL = VI sin φ.

La composante réactive du courant dans la source = I sin φ’ d'où QE = EI sin φ’.

Il est visible que E > V et sin φ’ > sin φ.

La différence entre EI sin φ’ and VI sin φ détermine les kvar absorbés par la réactance X_L.

De cette représentation, on déduit que la puissance liée au flux de fuite magnétique est égale à I²X_L (analogue aux pertes résistives en ligne I²R dues à la résistance série de la ligne).

De la formule I²X_L, on déduit très facilement la puissance de fuite dissipée en kvar pour toutes les intensités du courant de charge d'un transformateur comme suit : si les valeurs utilisées sont rapportées à la charge nominale (à la place des valeurs en %) la multiplication de X_L par I peut être effectuée.

Exemple 

Un transformateur de 630 kVA avec une réactance de court-circuit de 4% fonctionne à pleine charge. Quelles sont ses pertes réactives (en kvar) ?

X_L = 0,04 pu et I = 1 pu

Pertes = I²X_L = 1² x 0,04 = 0,04 pu kvar

où 1 pu = 630 kVA

Par suite les pertes réactives (en kvar) sont : 630 x 0,04 = 25,2 kvar (ou plus simplement 4% de 630 kvar).

A demi charge, I = 0,5 pu les pertes réactive (en kvar) sont donc :

0,5² x 0,04 = 0,01 pu soit 630 x 0,01 = 6,3 kvar etc.

L'exemple, et la représentation vectorielle de la Figure L20, montrent que :

• le facteur de puissance au primaire d'un transformateur chargé est différent (normalement inférieur) de celui mesuré au secondaire (à cause des kvar dissipés),
• les pertes réactives en kvar, dues aux flux de fuite, d'un transformateur à pleine charge sont égales à la réactance de court-circuit du transformateur (en %) : une réactance de 4% signifie que les pertes à pleine charge sont égales à 4 % de la puissance nominale (en kVA) du transformateur,
• les pertes réactives en kvar, dues aux flux de fuite, d'un transformateur varient proportionnellement au carré du courant de charge (ou proportionnellement à la puissance (en kVA) de la charge).

Fig. L20 – Puissance réactive dissipée par l'inductance de fuite série d'un transformateur

Pour déterminer les pertes réactives totales (en kvar) d'un transformateur, il faut ajouter les pertes dues au courant magnétisant constant à celles précédemment calculées (pertes réactives dues aux flux de fuite). Le tableau de la Figure L21 indique les valeurs des pertes à vide et à pleine charge d'un transformateur. En principe les impédances séries peuvent être compensées par des condensateurs installés en série (comme c'est le cas pour les lignes de transport MT). Cependant cette configuration est difficile à mettre en œuvre, de sorte que aux niveaux de tension couverts par ce guide, les batteries de condensateurs de compensation sont toujours mises en parallèle.

Les pertes réactives d'un transformateur peuvent être complètement compensées par une batterie de condensateurs telle que le facteur de puissance devienne très légèrement en avance. Dans un tel cas, toute la puissance réactive du transformateur est entièrement fournie par la batterie de condensateurs, tandis que le facteur de puissance vu côté MT est égal à l'unité, comme représenté dans le diagramme de la Figure L22.

Fig. L22 – Surcompensation de la charge pour compenser complètement les pertes réactives d'un transformateur

D'un point de vue pratique, la compensation de la puissance réactive consommée par un transformateur est déjà comprise dans les condensateurs servant initialement à la correction du facteur de puissance de la charge soit partiellement, ou globalement soit individuellement. A l'inverse de la plupart des autres charges à compenser, les pertes d'un transformateur (soit la puissance réactive de fuite) varient de manière significative avec le niveau de charge, de sorte que si une compensation individuelle est installée pour le transformateur, elle doit être dimensionnée pour un niveau de charge moyenne estimée.

Généralement les pertes réactives du transformateur ne représentent qu'une faible part de l'énergie réactive totale d'une installation, et avec la mise en commun des compensations à chaque évolution de la charge cela n’est pas véritablement un problème.

Le tableau de la Figure L21 indique les valeurs en kvar des pertes typiques d'un transformateur de distribution standard MT/BT alimenté en 20 kV :

• pertes dues au courant magnétisant (colonne kvar « à vide »),
• pertes totales (colonne kvar « à pleine charge ») y compris les pertes dues aux flux magnétiques de fuite.