Principaux enseignements
- La surtension de commutation du banc de condensateurs est déterminée par les premières millisecondes de la fermeture ; une analyse dans le domaine temporel est donc nécessaire.
- Les configurations de bancs en série et le comportement des disjoncteurs constituent souvent les cas de contrainte les plus élevés dans une étude de commutation.
- Les mesures d'atténuation ne sont efficaces que si les analyses de forme d'onde révèlent des pics plus faibles au niveau de chaque bus alimentant des charges sensibles.
La commutation d'un banc de condensateurs doit être étudiée comme un événement transitoire, car une fermeture de routine peut générer une surtension dont la portée s'étend bien au-delà du bus commuté.
Les contrôles de puissance réactive en régime permanent ne permettent pas de mettre en évidence le premier pic, le chemin de l'appel de courant, ni la manière dont les groupes de transformateurs voisins renvoient l'événement vers le circuit d'alimentation. Une étude du Laboratoire national de Lawrence Berkeley a estimé que les perturbations électriques coûtaient aux entreprises américaines entre 104 et 164 milliards de dollars chaque année, ce qui confère à ces brefs événements de commutation une importance pratique qui dépasse le simple examen des formes d'onde.
La mise sous tension d'un banc de condensateurs génère une surtension transitoire très abrupte
La mise en circuit d'un banc de condensateurs consiste à connecter un élément non chargé à un réseau sous tension ; les premières millisecondes sont donc déterminées par la différence de tension, l'inductance de la source et le temps de déclenchement du disjoncteur.
« Les calculs de puissance réactive en régime permanent ne permettent pas de le mettre en évidence. »
Un bus industriel de 13,8 kV peut sembler stable lors d'un flux de charge, mais ce même bus peut entrer en oscillation brusque lorsqu'un banc de 2,4 Mvar se ferme à proximité d'une source faiblement amortie. Les alimentations sensibles réagissent à la crête plutôt qu'au soutien réactif. La courbe de tolérance de tension de l’ITIC place 120 % de la tension nominale en dehors de la plage de fonctionnement normale dès lors que cette valeur persiste pendant plus de 0,5 cycle, ce qui explique pourquoi une brève surtension reste critique lorsqu’elle atteint les circuits de commande ou les circuits d’entrée des variateurs.
La simulation des transitoires liés à la commutation d'un banc de condensateurs est nécessaire, car la partie dommageable de l'événement se produit avant que le banc n'atteigne sa nouvelle tension stable. La longueur des câbles, les fuites du transformateur et l'impédance locale de la charge influencent toutes cette première oscillation. Si vous ne contrôlez le bus qu'une fois le disjoncteur complètement fermé, vous passerez à côté de l'événement qui provoque le déclenchement des équipements.
Des vagues successives amplifient le premier pic
La commutation consécutive est critique, car un banc sous tension se déchargera dans le banc qui vient d'être fermé via une inductance très faible. Cet échange local génère un courant d'appel plus élevé, une oscillation à plus haute fréquence et une amplification de tension plus importante que dans le cas d'une mise sous tension isolée d'un seul banc.
En raison d'une configuration courante du réseau, ce phénomène passe facilement inaperçu. Une ligne est déjà sous tension, une deuxième se ferme pour apporter un soutien réactif supplémentaire, et le chemin du courant entre les deux se résume au court tronçon de câble et au raccordement au disjoncteur. Ce chemin présentant peu de résistance, la première crête de courant monte rapidement. Une protection qui ne réagit jamais à un défaut sur une ligne d'alimentation distante peut néanmoins détecter de brusques pics de courant lors de cette fermeture.
L'amplification de tension se produit également à distance du jeu de barres concerné par la commutation. Un centre de commande de moteurs situé à proximité, un long câble relié à un variateur de vitesse ou un enroulement tertiaire d'un transformateur peuvent présenter une crête plus importante que les bornes du condensateur elles-mêmes. C'est pourquoi une étude de commutation d'un banc de condensateurs doit prendre en compte les jeux de barres adjacents et les équipements connectés, et pas uniquement le banc en cours de mise sous tension.
La simulation EMT permet de saisir les transitoires liés à la commutation des condensateurs dans le temps
La simulation EMT permet de saisir les transitoires liés à la commutation des condensateurs, car elle analyse la forme d'onde échantillon par échantillon jusqu'à l'instant de la commutation. Vous pouvez ainsi observer le premier pic, la fréquence d'oscillation, la vitesse de décroissance, ainsi que la manière dont les réflexions se propagent à travers les lignes d'alimentation, les transformateurs et les batteries de condensateurs situées à proximité.
Une étude de cas pratique commence par l'état stationnaire avant la commutation, puis consiste à fermer le disjoncteur à des angles définis au cours de plusieurs cycles. On enregistre généralement la tension du bus, le courant des condensateurs, le courant du disjoncteur et la tension perçue par les charges voisines. Une étude phasor à 60 Hz ne permet pas de mettre en évidence la différence entre une oscillation modérée et une surtension brutale au niveau du bus d'un variateur, mais un test EMT la mettra clairement en évidence.
Cette perspective temporelle vous aide également à distinguer les causes. Un cas peut être principalement dû à l'inductance d'un bus local, tandis qu'un autre peut être déterminé par la réflexion sur un long câble ou par un chemin de capacité du transformateur. Lorsque vous modélisez la mise sous tension d'un banc de condensateurs de cette manière, la recherche de solutions passe de la simple conjecture à une comparaison directe des formes d'onde, des pics de courant et du temps d'amortissement.
Un modèle EMT utile commence par l'inductance parasite
Pour modéliser correctement la commutation d'un condensateur, il faut commencer par prendre en compte l'inductance et la résistance situées entre la source, le disjoncteur, le bus et le banc de condensateurs. Ces petits éléments déterminent la fréquence de démarrage et le courant de pointe ; ainsi, une source idéale reliée à un condensateur idéal produira une forme d'onde nette, mais physiquement erronée.
Un court tronçon de canal de bus, quelques mètres de câble ou une petite bobine de limitation de courant peuvent influencer davantage le profil de l'événement qu'une variation importante de la charge en régime permanent. Un modèle transparent dans SPS SOFTWARE vous permet d'examiner directement ces chemins, ce qui est essentiel lorsque vous cherchez à comprendre pourquoi deux bancs similaires génèrent des enregistrements de commutation très différents sur site.
| Élément de modèle | Pourquoi cela modifie-t-il la forme d'onde de commutation ? |
| Inductance et résistance de Thévenin | Cette branche détermine la quantité de courant que le système en amont peut injecter dans le banc lors de la première oscillation. |
| Conduits de bus et courtes sections de câble | Ces courtes longueurs déterminent souvent la fréquence d'oscillation locale lorsque les bancs sont situés à proximité du disjoncteur. |
| Disposition interne d'un banc de condensateurs | Les montages en série et en parallèle modifient la capacité effective et peuvent altérer la répartition locale du courant lors de la mise sous tension. |
| Emplacement d'une bobine de limitation de courant | L'emplacement du réacteur modifie à la fois le premier pic et l'atténuation observée au niveau des barres collectrices voisines. |
| Transformateurs et charges de moteurs raccordés | Ces dispositifs créent des chemins alternatifs pour l'énergie réfléchie et permettent d'éloigner les contraintes du bus commuté. |
Ce niveau de détail ne rend pas l'étude compliquée pour le simple plaisir de la complexité. Il rend le résultat crédible. Il ne s'agit pas de modéliser chaque vis et chaque support, mais bien de reproduire le cheminement électrique qui déterminera la surtension transitoire et le courant d'appel subis par le disjoncteur.
L'angle de fermeture du disjoncteur détermine le cas d'alimentation le plus défavorable
L'angle de fermeture du disjoncteur est important car la différence de tension aux bornes des contacts au moment de la conduction détermine la première pointe de charge. Le cas le plus défavorable se produit lorsque la tension du condensateur piégé et la tension de la source créent le plus grand décalage au moment du contact ou de la pré-décharge.
La fermeture d'un banc triphasé à proximité d'un pic de tension à la source ne produira pas la même contrainte qu'une fermeture à proximité d'un passage à zéro. Le déphasage aggrave encore cette situation, car les pôles ne se ferment pas exactement à la même microseconde. Une ligne d'alimentation peut présenter un pic modéré sur la phase A et un pic beaucoup plus important sur la phase C, simplement parce que le calage des pôles et la charge piégée ne coïncident pas correctement.
Vous devez considérer l'angle de fermeture comme un balayage, et non comme un seul passage. Un ensemble utile de cas comprend plusieurs positions « point-on-wave » et des états de tension piégée après une mise hors tension antérieure. Cette approche permettra de déterminer la véritable limite supérieure de l'événement, qui est la valeur qui importe lorsque vous vérifiez les marges d'isolation et la capacité à résister aux variations de charge.
Les modèles de commutation doivent refléter le comportement avant et après la frappe.
Les modèles de commutateurs doivent tenir compte des phases de pré-fermeture et de refermeture, car les interrupteurs réels ne passent pas toujours de la position ouverte à la position complètement fermée en une seule étape idéale. L'approche des contacts, la rupture diélectrique et l'interruption du courant peuvent créer des paliers de tension supplémentaires qui augmentent la contrainte au-delà de la fermeture nette illustrée par un commutateur idéal.
Les disjoncteurs à vide et à air peuvent présenter des signatures très différentes lors de la commutation des condensateurs. Un banc qui semble acceptable avec un disjoncteur idéal peut produire une forme d'onde plus irrégulière dès lors qu'un pré-déclenchement est ajouté, car le condensateur commence à se charger avant que le contact mécanique ne soit établi. Dans un autre cas, un redéclenchement peut se produire lors de l'ouverture ; cela signifie que l'étude ne doit pas s'arrêter à la mise sous tension si les rapports de terrain font état de plaintes tant lors des opérations de fermeture que de déclenchement.
Cela revêt une importance particulière lorsque vous testez les capteurs de protection, le fonctionnement des parafoudres ou les marges de coordination d'isolation. Un commutateur idéal reste utile pour la présélection, mais les réglages définitifs et les contrôles finaux d'atténuation nécessitent un comportement du commutateur correspondant à la technologie des disjoncteurs installés dans le parc.
Les mesures d'atténuation doivent être testées sur chaque bus concerné
L'atténuation n'est efficace que lorsqu'elle réduit les pics et les oscillations au niveau des bus qui hébergent effectivement des équipements sensibles. Une solution qui semble satisfaisante au niveau des bornes des condensateurs peut néanmoins laisser subsister un pic plus élevé au niveau d'un bus d'entraînement, du circuit tertiaire d'un transformateur ou d'un panneau de commande à distance.
Un alimentateur industriel classique en est une illustration parfaite. Un réacteur installé au niveau du réseau d'alimentation peut certes bien limiter le courant d'appel local, mais un long câble relié à une ligne de production peut tout de même subir une surtension réfléchie si la séquence de commutation est mal conçue. Il convient de tester chaque mesure à tous les points d'observation concernés, puis de comparer la crête résiduelle la plus élevée, la fréquence d'oscillation et le temps de décroissance.
- Les réacteurs de limitation de courant réduisent le courant d'appel de pointe et décalent l'oscillation vers une fréquence plus basse.
- Une fermeture contrôlée réduit la plage d'angles d'ouverture du disjoncteur qui génère les contraintes les plus élevées.
- L'ordre de commutation est important lorsqu'un banc sous tension peut alimenter le suivant situé à proximité via un chemin de bus court.
- Les parafoudres doivent être contrôlés au niveau des nœuds où apparaissent effectivement les pics réfléchis.
- Le dimensionnement des éléments d'amortissement doit se fonder sur les résultats des analyses de forme d'onde plutôt que sur les seules valeurs nominales en régime permanent.
Ce processus apporte une réponse fondée sur des données concrètes, et non sur des habitudes, à la question courante de savoir comment réduire les surtensions de commutation. Vous vérifiez ainsi l'intégralité du chemin de la surtension, de la source jusqu'au bus concerné.
Les résultats de l'étude devraient servir de base à la définition de la politique relative au moment du changement de traitement
Une étude sur la commutation d'un parc de condensateurs prend tout son sens lorsque ses résultats sont intégrés aux règles d'exploitation concernant la synchronisation, la séquence des opérations et les états autorisés du système.
« Une bonne politique découle de la pire forme d'onde vérifiée, des bus ayant subi les contraintes les plus élevées et des mesures d'atténuation qui ont permis de maintenir ces valeurs dans des limites acceptables. »
Une ligne d'alimentation d'un réseau public peut nécessiter une règle interdisant la fermeture d'un deuxième banc tant que le premier n'est pas mis en service et qu'un réacteur n'est pas opérationnel. Une autre centrale peut avoir besoin d'une séquence fixe qui maintient un bus à câble long hors tension pendant la mise sous tension des condensateurs. Ces règles sont simples, mais elles ne restent crédibles que lorsqu'elles s'appuient sur des données de formes d'onde plutôt que sur une note de commutation générique.
C'est là qu'une approche rigoureuse porte ses fruits. SPS SOFTWARE est parfaitement adapté à ce type de travail, car il permet de suivre le parcours physique du phénomène transitoire, de vérifier les hypothèses et de transformer une étude sur la commutation d'un banc de condensateurs en une procédure d'exploitation claire, qui empêche les commutations de routine de devenir une source récurrente de déclenchements.
