Perturbations harmoniques dans les réseaux électriques

La pollution harmonique est un problème relativement récent. Elle affecte non seulement la propre installation ; mais aussi les consommateurs voisins. Une perturbation harmonique est définie comme une déformation de la forme d’onde d’un signal sinusoïdal pur. Sur le réseau électrique, les perturbations de la forme d’onde sont principalement dues à la présence de charges non linéaire. Dans de nombreux cas, le courant consommé par les charges n’a plus une forme d’une sinusoïde pure et La distorsion en courant implique la distorsion de la tension.

Qualité de l’énergie électrique

L’énergie électrique est généralement distribuée sous forme de trois tensions constituant un système triphasé équilibré. Un des paramètres de ce système est la forme d’onde qui doit être la plus proche possible de la sinusoïde.

Les principales perturbations de la qualité d’énergie

La qualité du réseau électrique peut être affectée en touchant les paramètres caractéristiques du système sinusoïdal triphasé. L’altération de l’un où de plusieurs paramètres engendre divers perturbations qui peuvent pénétrer dans les équipements sensibles par divers accès.

La surtension 

Toute tension qui dépasse la valeur de crête (amplitude maximale) de la tension de service est une surtension ; elle prend naissance suite à un défaut d’isolement entre phase et terre. La norme EN50160 fixe les niveaux de surtensions selon le schéma de liaison à la terre de l’installation:
• Réseaux : neutre à la terre (raccordé directement ou avec une impédance) : la surtension ne devra pas dépasser 1,7 Un ;
• Réseaux : neutre isolé ou résonant : la surtension ne devra pas dépasser 2 Un. (Un: tension nominale).

Les surtensions sont de deux natures

• Surtension temporaire : Elle apparaît généralement lors d’un défaut sur le réseau de distribution publique ou dans une installation client et disparaît lors de l’élimination de ce défaut.

• Surtension transitoire : les surtensions de durée inférieure à 10ms sont appelées surtensions transitoires. Elles sont provoquées par des phénomènes d’origine atmosphérique (foudre) ou ; plus fréquemment ; par le fonctionnement d’équipements électriques.

Creux de tension et coupures brèves

Un creux de tension est une chute brutale de l’amplitude de la tension. Il est caractérisé par :
– Sa profondeur ( ΔU )
– Sa durée ( Δt )

La norme EN50160 fixe la diminution de la tension à une valeur située entre 1 et 90% de la tension nominale pendant une durée de 1/2 période à 50 Hz (soit 10ms jusqu’à une minute).

La mesure d’un creux de tension s’effectue par la détermination de la valeur efficace de la tension toutes les 1/2 périodes.

Une coupure brève est un cas particulier du creux de tension. Sa profondeur est supérieure à 90 % et elle est caractérisée uniquement par sa durée (inférieure à 3 minutes).

Fluctuation de la tension

La fluctuation lente de la tension est une diminution de la valeur efficace de la tension de plus au moins de 10 %. La tension est modulée en amplitude par une enveloppe dont la fréquence est comprise entre 0,5 et 25 Hz.

Le phénomène est dû à la propagation sur les lignes du réseau d’appels de courant importants à la mise en service ou hors service d’appareil dont la puissance absorbée varie de manière rapide (les fours à arcs, les machines à souder, les moteurs à démarrages fréquents, …).

Définition des harmoniques 

Un signal harmonique est une somme de sinusoïdes dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Elles sont générées par des charges non linéaires.

On peut le décomposer (le signal harmonique) en une somme de signaux sinusoïdaux comprenant ; un signal sinusoïdal à la fréquence fondamentale (qui est le fondamental), et des signaux sinusoïdaux dont les fréquences sont des multiples entiers du fondamental .

Origine des harmoniques 

Les harmoniques proviennent principalement des charges non linéaires dont la caractéristique est d’absorber un courant qui n’a pas la même forme que la tension. La reproduction des équipements électriques utilisant des convertisseurs statiques a entraîné ces dernières années une augmentation sensible du niveau de pollution harmonique des réseaux électriques. Ces équipements électriques sont considérés comme des charges non linéaires émettant des courants harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale.

Les harmoniques polluant le réseau électrique

En pratique les harmoniques les plus gênants, sont les harmoniques de rangs impairs. Au-delà du rang 50, les courants harmoniques sont négligeables et leur mesure n’est plus significative. Ainsi, une bonne précision de mesure est obtenue en considérant les harmoniques jusqu’au rang 30. Les distributeurs d’énergie surveillent les harmoniques de rang 3, 5, 7, 11 et 13. Aussi, la compensation des harmoniques jusqu’au rang 13 est impérative, une bonne compensation prendra également en compte les harmoniques jusqu’au rang 25.

Influence des harmoniques sur les réseaux électriques

Lorsque l’amplitude d’une fréquence harmonique atteint une valeur significative, elle peut entraîner tant des dégâts immédiats où à long terme ; Les câbles et les transformateurs s’échauffent plus que de coutume, les condensateurs sont endommagés, la consommation électrique s’accroît, le bon fonctionnement des appareils sensibles devient incertain et les disjoncteurs de protection peuvent se mettre à fonctionner de manière excessive.

Des calculs ont montrés que ; du fait de la présence d’harmoniques, la durée de vie des machines monophasées est réduite de 32%, celle des moteurs triphasés de 18% et celle des transformateurs de 5%.