1. Etude d`un déséquilibre homopolaire provoqué par les charges.

[email protected] Extrait de l’ouvrage «La pratique des régimes de neutre »
1.
Etude d’un déséquilibre homopolaire provoqué par les charges.
Seuls les réseaux ayant leur neutre relié directement à la terre sont susceptibles d’alimenter des charges
monophasée déséquilibrées et asynchrones raccordées entre une phase et le neutre.
Deux cas doivent être étudiés:
Le neutre du réseau est constitué par la terre reliée localement au neutre du transformateur.
Le neutre du réseau est distribué et interconnecté en ligne avec les prises de terre du neutre.
Considérons tout d’abord un réseau basse tension dont le neutre est constitué par la terre.
1.1.1 Cas d’un fil de neutre non distribué
Les charges monophasées sont raccordées respectivement entre une phase et la terre. Elles sont déséquilibrées
et asynchrones. Le système électrique au point P est représenté par le diagramme ci dessous.
V3
272
40
1V
387 V
V
15
,6
A
403
V
20
2
V
I2
V1
223 V
T
V2
Vi
x100 = 2,6% ) et
Vd
230²
d’un déséquilibre homopolaire. Au point P, la tension V2 aux bornes de la charge vaut 15,6
= 46,8V . Le
17600
rendement de cette charge est alors de 4%. Cette anomalie résulte de la forte valeur relative de la résistance de
prise de terre (10 Ω) par rapport à l’impédance de la charges 17,6 kW (3Ω).
En présence d’un tel résultat, l’exploitant peut être tenté d’améliorer les prises de terre.
Les composantes symétriques au point P montrent la présence d’un déséquilibre inverse (
Etudions le système électrique au point P après amélioration de la prise de terre locale (p1=1Ω
Ω).
On constate que la tension V2 par rapport à la terre
lointaine vaut maintenant 129 V. La tension aux bornes
230²
de la charge ayant pour valeur 32
= 96V , le
17600
rendement de la charge est alors de 17,4%.
Les composantes symétriques au point P deviennent
V3
40
1V
370 V
292V
283
T
Les surtensions des phases V2 et V3 par rapport à la
terre lointaine sont amplifiées, le déséquilibre des
Vi
tensions composées est accentué (
x100 = 5,4% )
Vd
9
12
V2
I2
32
A
V
402
V
V
V1
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Ce type de réseau, ne peut fonctionner que si la puissance correspondant au bilan des charges déséquilibrées est
négligeable. Pour des déséquilibres plus importants, on interconnecte le neutre et les prises de terre afin de
constituer un réseau de terre de neutre. On dit alors que le neutre est distribué(1).
1.1.2 Cas d’un fil de neutre distribué
Rappelons qu’un réseau de terre de qualité doit:
Etablir un potentiel de référence commun au réseau.
Ecouler les courants de défaut à la fréquence industrielle.
Réduire les tensions de pas et de touché.
Amortir les perturbations BF et HF conduites ou rayonnées.
Assurer la protection des personnes et des biens.
Respecter les engagements contractuels ou réglementaires.
L’exploitant doit alors:
Choisir un conducteur de neutre de section suffisante capable de supporter le courant maximal de neutre.
Réaliser suivant les règles de l’art les connexions et les jonctions sur le fil de neutre.
Réaliser des prises de terre de faible résistance dans des conditions économiques acceptables.
Respecter la réglementation en vigueur concernant la séparation des prises de terre.
Nous allons étudier le cas extrême d’un réseau basse tension fortement chargé pour les conditions suivantes:
1er cas : Le réseau est le siège d’un fort déséquilibre.
2emecas: Le réseau est le siège d’un fort déséquilibre, le conducteur de neutre présente une résistance de
jonction.
3emecas: Le réseau est le siège d’un fort déséquilibre, il existe une rupture dans le conducteur de neutre.
1.1.2.1 Le réseau est le siège d’un fort déséquilibre
Système électrique au point P
V3
60
,7
A
In
399
V
382 V
V
V
251
240
T
239 V
16,2 V
V1
245 V
I2
La tension
1
VN-T
18
7V
62
,3
A
N
396
V
V2
représente le déplacement de point neutre au point considéré.
Cette variante est surtout utilisée dans les réseaux de distribution B.T. et H.T.A
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V3-N
250
V1-N
240
230
220
210
200
190
Mesures effectuées le 8 Janvier 1995 au point P
V2-N
22h
20h
18h
16h
14h
12h
10h
8h
6h
4h
2h
0h
180
Le profil de tension est perturbé par le déséquilibre homopolaire. La phase la plus chargée subit une baisse de
tension alors que la phase la moins chargée voit s’élever la sienne.
Cette perturbation affecte le fonctionnement des charges raccordées au réseau. C’est ainsi qu’une lampe de
100W (sous 230V) alimentée par la phase 2 au point P aurait un rendement de 68%.
Le déplacement du point neutre dépend du bilan de charges et de l’impédance homopolaire au point considéré.
L’impédance équivalente du réseau général des
terres est fixée essentiellement par l’impédance
du conducteur de neutre.
En début de réseau, la faible impédance
homopolaire du transformateur limite l’amplitude
du déplacement de point neutre.
On réduit la valeur du déplacement de point
neutre en augmentant la section du conducteur de
neutre et (ou) en réduisant le déséquilibre des
charges.
Les usagers des réseaux B.T. sont plus sensibles aux variations de tension qu’à la valeur de la tension elle-même.
A certains moments de la journée et notamment le soir, les réseaux urbains et péri-urbains alimentent
essentiellement des charges domestiques fortement déséquilibrées. Les perturbations engendrées peuvent être
alors importantes et particulièrement gênantes.
Contrairement aux courts-circuits, ces déséquilibres présentent un caractère que l’on peut considérer comme
permanent. Ils peuvent donc engendrer des perturbations non conformes aux engagements contractuels.
On peut atténuer les conséquences de ces déséquilibres en agissant sur deux leviers:
Le réseau: Restructuration du réseau.
Augmentation de la section du neutre du réseau.
Amélioration du réseau général des terres.
Les clients: Alimentation en triphasé des clients dont la demande est importante2.
Pour les cas difficiles, afin de réduire le courant dans le neutre, on peut envisager l’insertion, à l’endroit du
déséquilibre, d’une bobine de point neutre, couplée en zig-zag, présentant une faible impédance homopolaire.
2
Ceux-ci devront alors gérer les déséquilibres provoqués par leurs charges.
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1.1.2.2 Conséquences d’une augmentation de la résistance du conducteur de neutre.
Le neutre présente au point Q une résistance de jonction de 1Ω
Système électrique au point P
V3
,6
A
In
V
45
39
9
386 V
V
243
V
273
245 V
46,
2V
T
V1
274 V
15
1V
50
,2
A
N
V
398
V2
I2
L’augmentation de l’impédance du conducteur de neutre augmente le déséquilibre des tensions simples. Dans
l’exemple ci-dessus, les phases les moins chargées sont en surtension alors que les charges raccordées sur la
phase 2 au point P subissent un creux de tension. La puissance dissipée par une lampe de 100 W raccordée sur la
phase 2 ne sera que de 45,4 W.
Ces perturbations présentent un caractère aléatoire puisqu’elles dépendent de la répartition des charges à un
instant donné. Elles peuvent également être considérées comme des phénomènes permanents puisqu’elles sont
présentes durant des périodes pouvant être importantes. Elles provoquent un vieillissement prématuré des
équipements et une gêne visuelle pour les personnes sensibles aux variations d’éclairage. C’est d’ailleurs ce
phénomène qui alerte la clientèle puis l’exploitant sur l’existence d’une anomalie.
Il faut souligner également que l’augmentation de la résistance d’une jonction provoque son échauffement
(2 kW dans l’exemple ci-dessus) pouvant dégénérer jusqu’à la rupture du conducteur de neutre à plus ou moins
long terme.
1.1.2.3 Conséquences de la rupture d’un conducteur de neutre
Il existe une rupture dans le conducteur de neutre entre les points P et Q
Système électrique au point P
V3
39
9
V
231
397V
V
233 V
V1
175
V
353V
T
357 V
402
V
N
53 V
V2
On constate dans cet exemple que les tensions simples V1-N et V3-N atteignent des valeurs voisines de celle de la
tension composée. Du fait de sa durée, une « rupture de neutre » se traduit souvent par la destruction des
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équipements raccordés sur les phases en surtension. Durant cet événement, les matériels les plus vétustes seront
détruits les premiers, accentuant le déséquilibre et provoquant un effet d’avalanche.
Les réseaux de distribution ne sont pas équipés de dispositifs de protection contre les effets de la rupture du
neutre. Seuls des dispositifs, installés chez les clients, détectant les surtensions à fréquence industrielle(3) et
capables d’isoler rapidement l’installation4, peuvent éviter la destruction des équipements du client.
En Conclusion :
Sur des réseaux fortement déséquilibrés, il n’est pas facile, de respecter les obligations contractuelles et
réglementaires.
Pour réaliser des études de réseau, l’exploitant doit pouvoir disposer d’outils informatiques utilisant des modèles
prenant en compte l’asynchronisme des charges monophasées. Il doit également, lorsque cela est possible,
privilégier le raccordement triphasé pour les charges fortement déséquilibrées. Il peut également raccorder les
clients fortement chargés et déséquilibrés par des lignes dédiées en veillant à la qualité du conducteur de neutre.
Un réseau alimentant des charges monophasées asynchrones doit posséder un réseau de terre de très bonne
qualité et un conducteur de neutre en bon état.
3
4
Les parafoudres sont inefficaces vis à vis des surtensions à la fréquence industrielle.
Ce qui accentuera l’effet d’avalanche précédemment cité.