Sélection du taux de réactance pour les réacteurs en série dans les banques de condensateurs

Introduction

Réacteurs en série (également appelésréacteurs désaccordés) utilisés avec les batteries de condensateurs de puissance ont fait leurs preuves dans les systèmes électriques du monde entier pour améliorer la compensation de la puissance réactive, réduire les pertes en ligne, limiter les courants d'appel de commutation des condensateurs et supprimer la distorsion harmonique.

 

La sélection d'un taux de réactance de réacteur approprié est essentielle car les courants harmoniques sont influencés par de multiples facteurs, notamment les sources d'harmoniques du réseau, l'impédance du système et les paramètres de la batterie de condensateurs. Un taux de réactance inapproprié peut entraîner une résonance, une surcharge du condensateur, une surchauffe ou une panne prématurée de l'équipement.

 

Cet article explique les principes qui sous-tendent la sélection du taux de réactance et fournit des conseils pratiques pour les applications de batteries de condensateurs.

 

1. Limitation du courant d'appel de commutation de condensateur

Le courant d'appel de commutation de condensateur est l'une des causes les plus courantes de contrainte sur les appareils de commutation etbatteries de condensateurs. Un courant d'appel excessif peut endommager les contacteurs, les disjoncteurs, les condensateurs et d'autres composants du système électrique.

 

Deux types de courant d'appel se produisent généralement lors de la mise sous tension d'une batterie de condensateurs :

Type 1 : commutation de banque de condensateurs uniques

Lorsqu'une batterie de condensateurs autonome est alimentée, le courant d'appel qui en résulte se situe généralement dans la capacité de tenue admissible d'un équipement de commutation standard. Dans la plupart des cas, aucune mesure de limitation-actuelle supplémentaire n'est requise.

 

Type 2 : Retour-à-Commutation de banque de condensateurs arrière

Lorsqu'une batterie de condensateurs supplémentaire est activée alors qu'une ou plusieurs batteries de condensateurs sont déjà connectées au système, un courant d'appel beaucoup plus élevé peut se produire.

 

L'expérience sur le terrain montre que ce courant transitoire peut atteindre20 à 250 fois le courant nominalde la batterie de condensateurs.

Le courant d'appel peut être exprimé comme suit :

 

Où:

(Q_C)=Puissance réactive du condensateur

(X_L)=Réactance inductive du circuit

 

L'équation montre que l'augmentation de la réactance inductive du circuit réduit le courant d'appel. Par conséquent, l’installation d’une réactance en série correctement sélectionnée limite efficacement les surtensions de commutation et protège à la fois les condensateurs et les équipements de commutation.

 

2. Suppression des harmoniques et sélection du taux de réactance

Les systèmes électriques modernes contiennent un grand nombre de charges non linéaires, telles que :

• Entraînements à fréquence variable (VFD)
• Redresseurs
• Systèmes UPS
• Fours à arc
• Convertisseurs d'énergie renouvelable

 

Ces dispositifs génèrent des courants harmoniques qui déforment la forme d'onde de tension et affectent négativement les batteries de condensateurs.

 

Pour améliorer la qualité de l'énergie et protéger les condensateurs, les réacteurs en série sont généralement installés comme réacteurs de suppression d'harmoniques.

 

Impact des harmoniques sur les banques de condensateurs

Une forme d'onde non-sinusoïdale se compose d'une composante de fréquence fondamentale et de fréquences harmoniques qui sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale.

 

Dans les systèmes électriques pratiques, les ordres harmoniques les plus significatifs sont :

• 3ème harmonique
• 5ème harmonique
• 7ème harmonique
• 11ème harmonique
• 13ème harmonique

 

Parmi ceux-ci, le5ème harmoniqueest généralement la composante dominante.

 

Considérons un système contenant uniquement la tension fondamentale et une composante de tension de 5ème harmonique. Si la tension de la 5ème harmonique atteint 26,45 % de la tension nominale :

• La surtension du condensateur atteint environ 3,4 %
• La surintensité du condensateur atteint environ 65,6 %
• La surcharge de puissance réactive atteint environ 35 %

 

Ces valeurs démontrent clairement l’impact important des harmoniques sur le fonctionnement des batteries de condensateurs.

 

3. Analyse de résonance

Le courant harmonique peut être calculé comme suit :

Où:

• (E_n)=Tension harmonique
• (X_B)=Impédance du système
• (X_L)=Réactance du réacteur
• (X_C)=Réactance du condensateur
• (n)=Ordre harmonique

 

La résonance se produit lorsque :

 

Les conditions de résonance correspondantes :

Pour éviter les résonances et supprimer efficacement les courants harmoniques, la condition suivante doit être remplie :

 

Cela garantit que la branche du condensateur présente des caractéristiques inductives à la fréquence harmonique cible, empêchant ainsi l'amplification harmonique.

 

4. Détermination du taux de réactance du réacteur

Dans la pratique de l'ingénierie, un facteur de sécurité de 1,5 est couramment appliqué :

 

Pour la suppression de la 5ème harmonique :

Le taux de réactance (K) est défini comme :

où:

(K)=Taux de réactance du réacteur

(X_L) =Réactance fondamentale du réacteur à fréquence-

(X_C) =Réactance fondamentale du condensateur de fréquence-

 

Par conséquent, unTaux de réactance de 6 %désaccorde efficacement la batterie de condensateurs en dessous de la 5ème fréquence harmonique, supprime les harmoniques du 5ème-ordre et supérieurs, et limite le courant d'appel de commutation à environ cinq fois le courant nominal.

 

5. Guide de sélection du taux de réactance standard

Taux de réactance de 0,1 % à 1 %

Application:

• Limitation du courant d'appel uniquement
• Aucune exigence de suppression des harmoniques

 

Utilisation typique :

• Systèmes d’énergie propre à très faible contenu harmonique
• Limitation du courant de court-circuit-

 

Taux de réactance de 4,5 % à 6 %

Application:

• Suppression des harmoniques du 5ème-ordre et supérieures

 

Utilisation typique :

• Installations industrielles
• Bâtiments commerciaux
• Systèmes généraux de compensation de puissance réactive

 

Taux de réactance le plus couramment sélectionné

Taux de réactance de 12 % à 13 %

Application:

• Suppression des harmoniques de 3e-ordre et supérieures

 

Utilisation typique :

• Systèmes avec un contenu important de 3ème harmonique
• Projets spéciaux d’atténuation des harmoniques

 

Fréquence du système applicable

• Systèmes d'alimentation 50 Hz
• Systèmes d'alimentation 60 Hz

 

Conclusion

Les réacteurs en série sont un composant essentiel des batteries de condensateurs modernes, offrant une protection efficace contre les courants d'appel de commutation, la distorsion harmonique et les problèmes de résonance tout en améliorant la qualité globale de l'énergie et l'efficacité énergétique.

 

Le taux de réactance doit toujours être sélectionné en fonction des conditions réelles du site et des mesures d'harmoniques :

• Taux de réactance de 6 %est généralement recommandé pour la suppression des harmoniques et la protection des batteries de condensateurs.
• 0,2 % à 1 % d'air-réacteurs à cœurconviennent lorsque l'objectif principal est de limiter le courant d'appel de commutation et, dans une moindre mesure, de réduire le courant de court-circuit-.
• Taux de réactance de 12 % à 13 %sont recommandés pour les applications nécessitant la suppression d'harmoniques importantes du 3ème-ordre.

 

Une sélection appropriée du réacteur garantit un fonctionnement fiable, une durée de vie prolongée des condensateurs, des performances améliorées de correction du facteur de puissance et une meilleure qualité de l'énergie dans tout le système électrique.