Quel est le rôle et le principe d'une armoire de compensation de condensateurs basse tension ?

1. Principe de compensation du condensateur de puissance
Dans un réseau électrique, le principe de compensation des condensateurs peut être simplifié comme suit : il est équivalent à celui d'un générateur produisant un courant réactif capacitif. En connectant en parallèle des appareils à charge capacitive et des charges inductives sur un même condensateur, l'énergie peut être convertie entre ces deux types de charges. Ainsi, la charge sur les transformateurs et Transmission Le nombre de lignes du réseau électrique est ainsi réduit, ce qui augmente la capacité de production d'énergie active. Parallèlement, pour une même quantité d'énergie active produite, les pertes dans le système d'alimentation sont également réduites. De ce fait, les condensateurs constituent la méthode la plus simple et la plus économique pour réduire la charge des transformateurs, des réseaux d'alimentation et des systèmes de distribution industriels.

2. Caractéristiques de la compensation par condensateur de puissance
Le dispositif de compensation de puissance réactive des condensateurs de puissance présente de nombreux avantages : installation aisée, emplacement flexible, faibles pertes de puissance active (environ 0,4 % de la capacité nominale), délai de construction court, faible investissement et simplicité d’utilisation et de maintenance. De plus, la défaillance d’un seul banc de condensateurs n’affecte pas le fonctionnement de l’ensemble.

Cependant, le dispositif de compensation de puissance réactive des condensateurs de puissance présente également certains inconvénients. Par exemple, il ne permet qu'un réglage par paliers et non un réglage continu ; une ventilation insuffisante peut entraîner la dilatation et l'explosion des condensateurs lorsque la température de fonctionnement dépasse 70 °C ; ses caractéristiques de tension sont médiocres, avec une faible stabilité en court-circuit, et une charge résiduelle peut subsister après leur retrait ; de plus, la faible précision de la compensation de puissance réactive peut également affecter son efficacité. Par ailleurs, la gestion et la sécurité d'exploitation des condensateurs de compensation n'ont pas fait l'objet d'une attention suffisante.

3. Méthode de compensation de la puissance réactive
La compensation de la dispersion de la haute tension consiste principalement à installer des condensateurs de compensation de puissance réactive côté haute tension d'un transformateur, afin d'améliorer la qualité de la tension d'alimentation. Elle est couramment utilisée dans la distribution d'énergie haute tension en milieu urbain.

La compensation centralisée haute tension consiste à installer des condensateurs sur la barre omnibus haute tension (6 kV à 10 kV) des postes de transformation ou des postes abaisseurs de tension, ou encore sur la barre omnibus basse tension du local de distribution principal de l'utilisateur. Cette solution est adaptée aux sites présentant des charges concentrées, à proximité des barres omnibus de distribution et nécessitant une capacité de compensation importante. Elle permet de réduire efficacement la consommation de puissance réactive du réseau et d'assurer une certaine compensation. Ses avantages incluent la facilité de commutation automatique, un facteur de puissance amélioré, un taux d'utilisation élevé, un faible investissement et une maintenance aisée. Toutefois, il convient de noter que cette méthode de compensation offre une rentabilité relativement faible.

La compensation distribuée basse tension est une méthode de compensation mise en œuvre côté basse tension, et ses détails de mise en œuvre spécifiques ne sont pas décrits en détail dans le texte donné.

4. Principe de la compensation distribuée basse tension
La compensation distribuée basse tension consiste à installer un ou plusieurs bancs de condensateurs basse tension à proximité de chaque équipement électrique, en fonction de sa demande en puissance réactive, afin de compenser la puissance réactive de toutes les lignes et transformateurs haute et basse tension situés en amont. Son principal avantage réside dans le fait que, lorsque l'équipement électrique est en fonctionnement, le système de compensation de puissance réactive est également actif ; à l'arrêt de l'équipement, il est désactivé. Ceci permet de réduire efficacement le flux de puissance réactive dans le réseau de distribution et les transformateurs, et donc les pertes de puissance active. De plus, cela permet de réduire la section des conducteurs et la capacité des transformateurs, optimisant ainsi l'espace. Cependant, cette méthode de compensation présente un taux d'utilisation relativement faible, nécessite un investissement important et n'est pas adaptée aux moteurs à vitesse variable, à rotation avant/arrière, ni aux systèmes de freinage par à-coups, à rotor bloqué ou à inversion de polarité.

5. Principe de la compensation centralisée basse tension
La compensation centralisée basse tension consiste à connecter des condensateurs basse tension au côté barre omnibus basse tension du transformateur de distribution via un interrupteur basse tension, puis à les contrôler et les protéger grâce à un dispositif de commutation de compensation de puissance réactive. Ce dispositif commande directement la commutation des condensateurs en fonction de la charge réactive sur la barre omnibus basse tension, permettant ainsi une commutation groupée sans réglage fin. Ses avantages comprennent un câblage simplifié, une maintenance et des opérations réduites, un équilibrage efficace de la puissance réactive locale, une meilleure utilisation des transformateurs de distribution, une réduction des pertes réseau et des gains économiques significatifs.

6. Calcul de la capacité de compensation du condensateur
La capacité de compensation des condensateurs doit être déterminée à partir de la courbe de puissance réactive ou de la méthode de calcul de la compensation réactive. La formule de calcul couramment utilisée est QC=p(tgφ1-tgφ2) ou QC=pqc(1), où Qc représente la capacité du condensateur de compensation, P la puissance active de la charge, COSφ1 et COSφ2 les facteurs de puissance de la charge avant et après compensation, respectivement, et qc le taux de compensation de la puissance réactive.

7. Fonctionnement sûr des condensateurs de puissance
Le bon fonctionnement des condensateurs de puissance est primordial. Pendant leur utilisation, il est essentiel de surveiller attentivement des paramètres tels que la température, la tension et le courant afin de garantir leur conformité aux normes de sécurité. De plus, une inspection et une maintenance régulières sont nécessaires pour identifier et résoudre rapidement tout problème potentiel, assurant ainsi un fonctionnement stable et fiable.

8. Courant de fonctionnement admissible
En conditions normales de fonctionnement, les condensateurs doivent fonctionner à leur courant nominal, et leur courant de fonctionnement maximal ne doit pas dépasser 1,3 fois le courant nominal. Par ailleurs, l'écart entre les courants triphasés doit être maintenu à moins de 5 % afin de garantir le fonctionnement stable et sûr du condensateur.

9. Tension de fonctionnement admissible
Les condensateurs sont extrêmement sensibles aux fluctuations de tension. Leurs pertes étant proportionnelles au carré de la tension, une tension excessive peut provoquer un échauffement important, accélérant ainsi le vieillissement de l'isolation, réduisant leur durée de vie et pouvant même entraîner une panne électrique. Par conséquent, les condensateurs doivent impérativement fonctionner à leur tension nominale. Il est généralement déconseillé de dépasser 1,05 fois cette tension, et la tension de fonctionnement maximale ne doit pas excéder 1,1 fois la tension nominale. Dès que la tension du bus dépasse cette limite, des mesures de refroidissement doivent être immédiatement mises en œuvre pour garantir la sécurité des condensateurs.

10. Problème des ondes harmoniques
Le circuit du condensateur étant un circuit LC, certaines harmoniques sont susceptibles de provoquer une résonance, générant ainsi des harmoniques d'ordre supérieur qui, à leur tour, augmentent le courant et la tension. Ces courants harmoniques sont extrêmement destructeurs pour les condensateurs, pouvant entraîner leur rupture et des courts-circuits entre phases. Par conséquent, en fonctionnement normal, pour limiter l'impact des harmoniques, une inductance de capacité appropriée peut être connectée en série avec le condensateur afin de se prémunir contre les effets néfastes des harmoniques.

11. Problèmes de protection des relais
La protection par relais est essentielle au fonctionnement sûr et stable des réseaux électriques, et repose principalement sur des ensembles complets d'équipements de protection par relais. Actuellement, les dispositifs de protection par relais produits par plusieurs fabricants électriques nationaux de renom ont atteint un haut niveau de maturité, offrant sécurité, stabilité et fonctionnalités complètes. Ces dispositifs permettent de déconnecter efficacement les condensateurs défectueux et d'éviter l'aggravation des incidents. Pour garantir la sécurité des condensateurs, les mesures de protection par relais couramment utilisées comprennent : ① une protection contre les surintensités à trois niveaux, assurant une protection segmentée en fonction de l'intensité du courant ; ② une protection contre les surtensions afin de prévenir les dommages causés aux condensateurs par les surtensions en régime permanent ; ③ une protection contre les sous-tensions afin d'éviter les surtensions transitoires de réenclenchement des condensateurs dues à des coupures de courant transitoires ; et ④ une protection contre les déséquilibres de tension et de courant, ainsi qu'une protection contre les tensions différentielles triphasées, afin de détecter les défauts de claquage internes des condensateurs dans les batteries de condensateurs.

12. Problème de mise en marche
Le réenclenchement d'une batterie de condensateurs est interdit lorsqu'elle est sous tension. En effet, les condensateurs nécessitent un temps de décharge. Si le réenclenchement intervient immédiatement après le déclenchement d'un disjoncteur, les condensateurs risquent de ne pas avoir eu le temps de se décharger complètement et de conserver des charges de polarité opposée à la tension de réenclenchement. Ceci peut provoquer un courant d'appel important au moment de la fermeture, entraînant la dilatation du boîtier du condensateur, des projections d'huile, voire une explosion. Par conséquent, le réenclenchement de la batterie de condensateurs doit être effectué après un délai de 3 minutes suivant la coupure du disjoncteur. Pour des raisons de sécurité, les condensateurs ne doivent pas être équipés de dispositifs de réenclenchement automatique, mais plutôt de dispositifs de déclenchement automatique à coupure de potentiel.

Dans certains postes de transformation, des dispositifs de commutation automatique pour alimentations de secours peuvent être installés. En cas de défaut, ce dispositif coupe l'alimentation défaillante et active l'alimentation de secours après un court délai. Durant cette opération, si la batterie de condensateurs est équipée d'une fonction de commutation automatique en cas de basse tension, elle peut se refermer brusquement, provoquant ainsi le défaut mentionné précédemment. Par conséquent, lors de l'utilisation de tels systèmes, la commutation de la batterie de condensateurs doit être soigneusement étudiée et faire l'objet d'une attention particulière.

13. Température de fonctionnement admissible
En conditions normales de fonctionnement, la température ambiante nominale autour du condensateur est généralement comprise entre 40 °C et -25 °C. Parallèlement, la température interne du diélectrique du condensateur doit être maintenue en dessous de 65 °C, avec un maximum de 70 °C, afin d'éviter toute surchauffe ou déformation. La température du boîtier du condensateur se situe entre celle du diélectrique et la température ambiante, et ne doit pas dépasser 55 °C. Pour garantir un fonctionnement sûr et stable du condensateur, il est indispensable d'assurer une bonne ventilation de la pièce où il est installé, afin que sa température de fonctionnement ne dépasse jamais la valeur admissible spécifiée.

14. Problème de bruit de décharge pendant le fonctionnement
Les condensateurs sont généralement silencieux en fonctionnement. Cependant, dans certaines conditions spécifiques, ils peuvent produire un bruit de décharge. Par exemple, si le boîtier d'un condensateur reste exposé aux intempéries pendant une période prolongée et que de l'eau de pluie s'infiltre entre ses deux parois, l'application d'une tension peut déclencher ce bruit. De plus, un manque d'huile à l'intérieur du condensateur peut entraîner le soulèvement de l'extrémité inférieure du boîtier au-dessus de la surface de l'huile, produisant ainsi un bruit de décharge. Enfin, des problèmes tels qu'une soudure défectueuse ou un décollement de la soudure à l'intérieur du condensateur, ainsi qu'un mauvais contact entre le noyau et l'enveloppe, peuvent provoquer un arc électrique et une tension flottante dans l'huile, générant finalement un bruit de décharge.

Face à ces problèmes liés aux bruits de décharge, des mesures appropriées doivent être prises. Plus précisément, la procédure à suivre varie selon les situations : premièrement, mettre le condensateur hors tension et le décharger ; ensuite, retirer la bague extérieure, la sécher et la remettre en place ; deuxièmement, ajouter de l’huile pour condensateur conforme aux spécifications ; si le bruit de décharge persiste, démonter le condensateur pour réparation ; enfin, après une nouvelle mise hors tension et décharge du condensateur, vérifier le contact entre le noyau et l’enveloppe afin d’en garantir le bon état.

15. Problème d'explosion
En fonctionnement, les condensateurs peuvent être exposés à divers risques, notamment la défaillance de leurs composants internes, l'endommagement de l'isolation de leur enveloppe, les fuites d'huile dues à une mauvaise étanchéité, le gonflement et la dissociation interne, la mise en charge, une température excessive, une ventilation insuffisante, une tension de fonctionnement trop élevée, un excès de composantes harmoniques et une surtension de commutation. Ces situations peuvent endommager le condensateur, voire provoquer son explosion. Pour prévenir de tels accidents, il est nécessaire de prendre une série de mesures préventives. Par exemple, en fonction du courant traversant chaque condensateur de phase, un fusible 1,5 à 2 fois plus rapide est installé afin de garantir une coupure rapide de l'alimentation en cas de défaillance, protégeant ainsi le condensateur. Parallèlement, un ampèremètre est installé sur l'armoire de compensation pour contrôler le courant de chaque phase et s'assurer que l'écart de courant ne dépasse pas ±5 %. Dès qu'un déséquilibre est détecté, le condensateur doit être immédiatement mis hors service et inspecté. De plus, l'élévation de température du condensateur doit être surveillée de près et son inspection renforcée afin de prévenir les phénomènes pouvant conduire à une explosion, tels que les fuites d'huile et le gonflement.