Généralités sur les harmoniques

La tension fournie par les exploitants de réseaux électriques à leurs clients doit être sinusoïdale, triphasée et équilibrée. Toutefois, à cause de multiples perturbations d’origines diverses (imperfections des générateurs et des lignes, perturbations atmosphériques lors du transport, charges défaillantes…..), la tension dont dispose un client à son point de raccordement est plus ou moins dégradée. Ce chapitre est consacré exclusivement aux problèmes rencontrés dans un réseau électrique où nous essayons de présenter les principales causes et effets des perturbations sur un réseau et sur les matériels connectés sur ce dernier.

Les réseaux électriques

L’énergie électrique est produite en même temps qu’elle est consommée, donc, en permanence, la production doit s’adapter à la consommation. De ce fait, l’ensemble production-acheminement-utilisation constitue un système complexe appelé réseau électrique qui doit être stable. Un réseau électrique peut être de petite puissance ou très puissant (à l’échelle d’un pays). Dans tous les cas, ses caractéristiques s’expriment en termes de :
➤ Grandeurs électriques
➤ Disposition spatiale
➤ Données temporelles

Grandeurs électriques

◆ La fréquence : 50 ou 60 Hz selon les pays.
◆ La tension : de quelques centaines de volts à quelques centaines de KV, selon qu’il s’agit de telle ou telle partie du réseau. Ces grandeurs de base sont influencées par l’intensité du courant qui circule dans les lignes et les câbles, laquelle est liée aux puissances actives et réactives générées, transportées et consommées.
◆ La puissance active est produite par les alternateurs à partir d’énergie thermique ou mécanique, et consommée également sous forme thermique ou mécanique par les récepteurs.
◆ La puissance réactive est produite ou consommée dans tous les éléments du réseau.

Il faut noter qu’en régime dynamique, l’énergie active est <stockée> par les machines tournantes (inertie), et que l’énergie réactive l’est également, sous forme magnétique (ex : transformateurs ou machines tournantes), ou capacitive (ex : câble)

Disposition spatiale 

La structure topologique est à l’échelle :
◆ Des continents
◆ Des pays, des régions
◆ Des sites industriels (centaines de mètres à dizaines de kilomètres)
◆ Des bâtiments du tertiaire.

Dans les deux premiers cas il y a trois niveaux dans l’acheminement d’énergie :
◆ Le transport
◆ La répartition
◆ La distribution

Données temporelles

Les variations de l’équilibre entre l’offre et la demande énergétiques entrainent des perturbations des grandeurs électriques que sont la fréquence et la tension que l’on doit maintenir dans des fourchettes acceptables.

Qualité de l’énergie dans un réseau électrique

Depuis de nombreuses années, le distributeur d’énergie électrique s’efforce de garantir la qualité de la fourniture d’électricité. Les premiers efforts se sont portés sur la continuité de service afin de rendre, toujours disponible, l’accès à l’énergie chez l’utilisateur. Aujourd’hui les critères de qualité ont évolué avec le développement des équipements où l’électronique prend une place prépondérante dans les systèmes de commande et de contrôle. Ces dispositifs, sensibles, mais, qui dégradent également la qualité de la tension, existent dans toutes les catégories d’utilisateurs :
◆ Dans le domaine industriel, par l’emploi de constituants d’électronique de puissance.
◆ Dans le domaine tertiaire, avec le développement de l’informatique.
◆ Dans le domaine domestique, par l’utilisation, en grand nombre, de téléviseurs, magnétoscopes et lampes à économie d’énergie.

L’ouverture du marché de l’énergie électrique, la nécessite de garantir les productions pour les entreprises, font de la qualité de l’énergie électrique un enjeu majeur pour les compagnies d’électricité et pour les fabricants d’équipements. La notion de qualité du produit <électricité> est attachée au niveau de satisfaction de l’utilisateur. Les performances de ses équipements sont directement liées à la qualité de la tension d’alimentation. Par exemple, une variation de 10% de l’amplitude de la tension se traduira par une perte de couple de19% pour une machine asynchrone. Les équipements d’un utilisateur peuvent engendrer des perturbations sur le réseau, susceptibles de gêner les autres utilisateurs. Le distributeur (système d’alimentation) et l’utilisateur (installations) sont, l’un et l’autre, concernés par la qualité de l’électricité. Les critères de la qualité de l’électricité sont directement issus de l’observation des perturbations électromagnétiques des réseaux électriques. On parle de compatibilité électromagnétique (C.E.M) afin de caractériser l’aptitude d’un appareil, d’un dispositif, à fonctionner normalement dans un environnement électromagnétique, sans produire, lui-même, des perturbations nuisibles aux autres appareils ou dispositifs. La CEM classe ces perturbations selon deux groupes :
◆ Basses fréquences (< 9 kHz)
◆ Hautes fréquences (>9 kHz).
D’autre part, ces phénomènes sont caractérisés selon leur mode de transmission. On parlera de perturbations conduites et de perturbations rayonnées. De manière générale, les perturbations en électrotechnique appartiennent à la basse fréquence dont la transmission est conduite.

Objectifs de la mesure de la qualité de l’énergie

Selon les applications, les paramètres à mesurer et la précision de la mesure ne sont pas les mêmes.

Application contractuelle

Des relations contractuelles peuvent s’établir entre fournisseur d’électricité et utilisateur final, mais aussi entre producteur et transporteur ou entre transporteur et distributeur dans le cadre d’un marché dérégulé. Une application contractuelle nécessite que les termes soient définis en commun et acceptés par les différentes parties. Il s’agit, alors, de définir les paramètres de mesure de la qualité et de comparer leurs valeurs à des limites prédéfinies , voire, contractuelles. Cette application implique souvent le traitement d’un nombre important de données.

Maintenance corrective

Malgré le respect des règles de l’art (conception de schémas, choix de protections, du régime de neutre et mise en place de solutions adaptées) des phases de conception, des dysfonctionnements peuvent apparaitre en cours d’exploitation :
◆ Les perturbations peuvent avoir été négligées ou sous estimées.
◆ L’installation a évolué (nouvelles charges et/ou modification).
C’est, généralement, suite à ces problèmes qu’une action de dépannage est engagée. L’objectif est souvent d’obtenir des résultats aussi rapidement que possible, ce qui peut conduire à des conclusions hâtives ou infondées. Des systèmes de mesure portatifs (sur des temps limites) ou des appareils fixes (surveillance permanente) facilitent le diagnostic des installations (détection et archivage des perturbations et déclenchement d’alarmes).

Optimisation du fonctionnement des installations électriques

Pour réaliser des gains de productivité (économies de fonctionnement et / ou réduction des coûts d’exploitation), il faut avoir un bon fonctionnement des procédés et une bonne gestion de l’énergie, deux facteurs dépendant de la QEE (qualité de l’énergie électrique). Disposer d’une QEE adaptée aux besoins, est un objectif des personnels d’exploitation, de maintenance et de gestion de sites tertiaires ou industriels.

Enquêtes statistiques

Cette étude nécessite une approche statistique sur la base de nombreux résultats obtenus par des enquêtes généralement réalisées par les exploitants de réseaux de transport et de distribution.
• Enquêtes sur les performances générales d’un réseau : Elles permettent, par exemple, de :
◆ Planifier et cibler les interventions préventives grâce à une cartographie des niveaux de perturbations sur un réseau. Ceci réduit les coûts d’exploitation et assure une meilleure maitrise des perturbations. Une situation anormale par rapport à un niveau moyen peut être détectée et être corrélée avec le raccordement de nouvelles charges.
◆ Comparer la QEE fournie par différents distributeurs en différents lieux géographiques.

Des clients potentiels peuvent, en effet, demander des caractéristiques de fiabilité pour la fourniture de l’électricité avant d’installer de nouvelles usines.
• Enquêtes sur les performances en un point particulier du réseau. Elles permettent de :
◆ Déterminer l’environnement électromagnétique auquel une installation future ou un nouvel équipement sera soumis. Des actions d’amélioration du réseau de distribution et /ou de désensibilisation du réseau du client peuvent être engagées de façon préventive.
◆ Spécifier et vérifier les performances auxquelles le fournisseur d’électricité s’engage de façon contractuelle. Ces informations sur la qualité de l’électricité sont particulièrement stratégiques pour les compagnies d’électricité qui, dans le contexte de la libéralisation du marché de l’énergie, recherchent la meilleure compétitivité, la satisfaction des besoins et fidélisation de leurs clients.