Tout est une question d'harmoniques

06-20-2013 | Recherche

Par Chuck Newcombe

Mon premier article dans Fluke News Plus traitait des astuces qu'on pouvait utiliser pour détecter des courants harmoniques problématiques dans du câblage neutre dans des bâtiments industriels et commerciaux en n'utilisant qu'un multimètre.

Artillerie lourde

Je constate à présent qu'alors que les fournisseurs d'électricité réclament de la capacité en encourageant l'économie d'énergie, les nombreux dispositifs d'économie d'énergie électrique dont ils font la promotion peuvent finalement poser des problèmes pour leurs système de distribution. Je dis cela à cause d'une histoire qui m'est arrivée dans une petite installation en Floride au milieu des années 1990.

Fluke venait de lancer son premier analyseur d'harmoniques de puissance, le modèle 41. Un brillant ingénieur de l'installation en Floride est devenu ce que nous appelons un « adopteur précoce », car il suspectait que des courants harmoniques étaient réintroduits dans son système d'une manière quelconque par un ou plusieurs de ses clients.

Le problème était qu'un relais de défaut de terre d'une sous-station se déclenchait régulièrement, sans que les équipes puissent détecter de défaut sur leurs lignes. Lorsque le courant au relais était mesuré à l'aide du modèle 41, l'ingénieur a détecté que la plupart du courant problématique était à une fréquence de 180 Hz, la troisième harmonique de la distribution 60 Hz.

L'ingénieur a instauré un programme d'essai pour ses techniciens de maintenance en utilisant l'analyseur d'harmoniques Fluke pour vérifier le courant neutre sur les alimentations triphasées de leurs principaux clients. Le problème s'est avéré ne pas être leur plus gros client, un fabricant de glaces. C'était en fait un terrain de golf. Oui, un terrain de golf. Une étude approfondie a déterminé que le problème venait de tous les chargeurs de batterie monophasés des voiturettes de golf qui utilisaient de l'énergie par impulsion à cause des redresseurs dans les chargeurs. Nous les appelons des « charges non linéaires ».

En théorie, les redresseurs distribués de manière égale sur les trois phases devraient présenter une charge équilibrée du système avec peu ou pas de courant neutre, sauf pour ce qu'on appelle des « Triplens ». La troisième harmonique et ses multiples impairs, s'ajoutent dans le courant de chaque phase comme courants homopolaires dans le neutre d'un système triphasé à quatre fils, même si le système est parfaitement équilibré. Dans ce cas, il a atteint le seuil sur le circuit de déclenchement du relais de défaut de terre.

Un circuit de distribution d'installation typique des sous-stations des clients

La ligne aérienne devant ma maison est monophasée, ce qui signifie qu'une seule des trois phases sur le boulevard proche est branchée pour desservir les maisons sur notre boucle. Il y a une « terre de poteau » du neutre au poteau desservant ma maison, et d'autres sur des poteaux sélectionnés dans la rue. Cela permet en effet au courant de retourner au neutre, puis finalement à la sous-station, pour se partager entre la résistance du conducteur neutre et un chemin parallèle à la terre. Donc, la théorie voudrait que je puisse mesurer une chute de tension due à la résistance à la terre entre les piquets amenés à la terre sous les lignes.

J'ai testé. En utilisant les piquets de terre et un rouleau de fil de 2,40 m d'un Kit testeur de terre Fluke 1625, ainsi que mon multimètre de confiance, j'ai mesuré la tension AC entre deux piquets de terre, un à côté du poteau avec une terre de poteau, l'autre à 2,40 mètres sous la ligne. J'ai relevé environ 56 mV, et la fréquence était comme attendu de 60 Hz. Il n'y a là rien de particulièrement exceptionnel.

La partie intéressante de l'histoire vient de mon test suivant.

À environ 1 600 mètres de notre maison sur le boulevard, notre alimentation triphasée vers l'ouest rejoint une alimentation similaire vers l'est, car elles partagent des poteaux 1 600 mètres en amont sur une rue secondaire vers la sous-station. Je me suis garé à proximité de la sous-station à un poteau avec une terre de poteau et j'ai préparé mon test, et seulement maintenant j'étais sous deux circuits triphasés qui desservaient au final des clients dans le voisinage sur un rayon de 10 à 11 km.

La tension que j'ai relevée était à présent bien supérieure : 675 mV. Et la fréquence n'était pas de 60 Hz, mais plutôt de 180 Hz, comme je l'ai indiqué plus tôt. Cela est dû au fait que les circuits de distribution triphasés subissent des courants homopolaires « triplen »sur leurs retours neutres partagés supérieurs au déséquilibre fondamental. Notre fournisseur d'électricité voit en effet les résultats de tous les dispositifs électroniques et d'économies d'énergie produisant des harmoniques qu'il nous encourage à utiliser pour économiser de l'énergie.

Est-ce un problème pour le fournisseur ? Probablement pas, à moins qu'il ne subisse la même situation que l'ingénieur de Floride il y a quelques années. Dans ce cas, il peut devoir réajuster ses courants de déclenchement de défaut à l'avenir. Ce qui m'amène à une question : que se passera t-il lorsque les voitures électriques rechargeables deviendront populaires ?

Le voleur d'électricité nocturne

Les moteurs de nos réfrigérateurs et autres appareils sont linéaires par nature, tout comme les chaudières électriques et les ampoules incandescentes. Cela signifie qu'ils ne produisent pas de courants harmoniques. Mais, les nouvelles ampoules fluorescentes compactes basse consommation, et les nombreux appareils électroniques comme vos téléviseurs et systèmes home cinéma sont des charges non linéaires produisant des harmoniques. Et nombre d'entre eux consomment du courant, même si nous les éteignons. On peut parier que si vous pouvez l'allumer et l'éteindre avec une télécommande, une partie du circuit doit être active à tout moment pour recevoir votre commande.

Les petits « blocs d'alimentation » (les transformateurs d'alimentation pour consoles de jeu et ordinateurs portables) sont également toujours allumés, donc il y a toujours des charges énergivores, produisant potentiellement des harmoniques dans un foyer moyen.

Donc, si vous voulez économiser quelques sous et participer encore davantage aux efforts d'économie de votre fournisseur, débranchez-les quand vous ne les utilisez pas.

Nous pouvons aisément en conclure que les harmoniques de puissance font à présent partie de nos vies. Heureusement, elles ne sont pas susceptibles d'être un problème majeur pour les propriétaires fonciers individuels.

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