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).
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.
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".
| 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 |
| 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 IMP / IN. (IMP : courant maximal admissible).
| 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 IN 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.
| Puissance batterie (kvar) | Cuivre section [a] | Aluminium section [a] | |
|---|---|---|---|
| 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 |
[a] Section minimale ne prenant en compte aucun facteur de correction (mode d'installation, température, etc.). Les calculs ont été effectués pour des câbles unipolaires posés à l'air libre à 30°C.
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.
