Choix d'un transformateur HTA/BT

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1 Choix d'un transformateur HTA/BT MELEC H.B Avril 2016 Version 2016

2 Table des matières Objectifs 3 Introduction 4 I - Éléments de choix des transformateurs 5 II - Détermination de la puissance apparente totale 6 III - Choix du transformateur 7 IV - Optimisation de la puissance consommée 9 V - Equipement de compensation d'énergie réactive 10 VI - Étude de cas Exercice : Puissance de la nouvelle presse Exercice : Caractéristiques de la presse à pulpe Exercice : Puissance apparente absorbée Exercice : Optimisation Exercice : Type de compensation Exercice : Générateur d'harmoniques Exercice : Puissance du générateur d'harmoniques Exercice : Type de batterie Exercice : Référence de la batterie Exercice : Puissance apparente après compensation Exercice : Vérification du transformateur VII - Fin 17 Ressources annexes 18 Contenus annexes 20

3 Objectifs Définir la puissance installée afin de choisir ou de vérifier la puissance d'un transformateur HTA/BT 3

4 Introduction Pour déterminer la puissance apparente S (en kva) d'un transformateur, il faut tenir compte de la puissance réelle consommée et des prévisions éventuelles d'extension. Sur-dimensionner un transformateur entraîne un investissement excessif et des pertes à vide inutiles. Sous-dimensionner le transformateur entraîne un fonctionnement quasi permanent à pleine charge et souvent en surcharge avec de graves conséquences (échauffement excessif, usure prématurée... ). 4

5 Éléments de choix des transformateurs Éléments de choix des transformateurs I Pour déterminer la puissance réellement utilisée (en kw) on doit tenir compte: du coefficient d'utilisation maximale (Ku) des récepteurs (car ils ne sont pas en général utilisés à leur puissance maximale), du coefficient de simultanéité (Ks) par groupe de récepteurs (car ils ne fonctionnent pas en général tous simultanément). du coefficient d extension ou de réserve (Ke) pour tenir compte de l éventuelle augmentation de la puissance de l'installation Coefficients Ku, Ks et Ke Si l'installation ne comprend qu'un seul transformateur, il serait prudent de prendre Ke de 1,25. 5

6 Détermination de la puissance apparente totale Détermination de la puissance apparente totale II Méthode Étape 1 : Calculer la puissance absorbée totale (Pt) Faire la somme de la puissance absorbé électrique (en W) de chaque d'équipement ou départ à partir des puissances utiles (Pu) et du rendement (η). P = Pu / η Étape 2 : Calculer la puissance réactive totale (Qt) Faire la somme de la puissance réactive (en Var) de chaque départ en utilisant le facteur de puissance Cos φ ou la Tan φ Q= P x Tan φ Étape 3 : Déterminer la puissance apparente totale (St) Calculer la puissance apparente totale (VA) à l'aide de Pt et de Qt St = (Pt 2 + Qt 2) Étape 4 : Appliquer les coefficients de corrections. Déterminer la puissance apparente corrigée (Stc) en tenant compte : du coefficient d'utilisation maximale(ku). du coefficient de simultanéité des récepteurs(ks). du coefficient de réserve du transformateur(ke). Stc = St x Ku x Ks xke Coefficients Ku, Ks et Ke Complément : Pour aller plus loin La compensation d'énergie réactive et ses avantages (cf. Doc_Tangente.pdf) 6

7 Choix du transformateur Choix du transformateur III Méthode Déterminer le type de refroidissement du transformateur Déterminer le type de comptage Choix technologique du type de transformateur 7

8 - Choix du transformateur Extrait Schneider Electric - Catalogue distribution électrique 2002 Pour en savoir plus sur la protection des transformateurs par le DGPT2 * p.20 Si l'installation ne comprend qu'un seul transformateur, il serait prudent de surcalibrer la puissance nécessaire de l'installation de l'ordre de 25 % Les puissances habituelles de transformateurs sont : kva. Choisir la puissance normalisée en utilisant les documentions fabricants. (exemple (cf. Extrait_MINERA.pdf)) Évaluer le courant de court-circuit : Le tableau ci-dessous donne la valeur du courant de court-circuit triphasé aux bornes d'un transformateur HTA/BT en fonction de sa puissance, d'un réseau triphasé 400V et d'une puissance de court-circuit du réseau haute tension de 500 MVA. Complément : Pour aller plus loin Transformateur immergé dans l'huile (NF C ) La démarche précédente est un méthode simplifiée de choix d'un transformateur HTA/BT, pour plus d'informations se reporter au document joint. Extrait du Guide de la distribution électrique basse tension et HTA (cf. Transfo_HTABT_PAPL.pdf) 8

9 - Optimisation de la puissance consommée Optimisation de la puissance consommée IV La problématique Si votre installation comporte de nombreux moteurs asynchrones qui consomment de l'énergie réactive (bobinages), vous devez relever le facteur de puissance au minimum à 0,93 ( Tang φ< 0,4 ) car plus le facteur de puissance est faible, plus la part d'énergie réactive consommé est importante. Le fournisseur d énergie vous facturera cette énergie réactive car elle lui coûte cher, puisqu'il fournit plus de courant pour une même puissance active P. C'est la raison pour laquelle, lorsque l'électricité est livrée en HTA, les distributeurs ont choisi de facturer la fourniture d'énergie réactive au même titre que la fourniture d'énergie active Le transformateur devra être sur dimensionner pour la même puissance active consommée Le réseau d'alimentation, les canalisations, les éléments de commutation et de protection seront également surdimensionnés. L'optimisation de la consommation peut être obtenue en diminuant la part d'énergie réactive (Q) consommée par l'installation pour la même puissance active (P), le facteur de puissance (Cos φ) va remonter et par la même atteindre la valeur maximum de la Tang φ (< 0,4 ) imposée par le fournisseur d'énergie Méthode : Optimisation L'ajout d'équipement de compensation (batterie de condensateur) va permette de limiter la quantité d'énergie réactive dans l'installation et de baisser le courant consommé. L implantation des équipements de compensation peut se réaliser : Soit au TGBT pour une compensation globale d'une installation ( exemple * p.18) Soit sur les départs les plus producteurs d'énergie réactive pour une compensation local afin de diminuer le courant en ligne Détermination du nombre de kvar à prévoir en cas de compensation 9

10 Equipement de compensation d'énergie réactive Equipement de compensation d'énergie réactive V Les nombreux moteurs qui constituent une installation sont de part leurs constitutions consommateurs d'énergie réactive de type inductif (bobinage). L'ajout de condensateur dans une installation (énergie réactive capacitive) va permettre de baisser la valeur global de l'énergie réactive totale (Qt) d'une installation. Triangle des puissances avant et après compensation Les condensateurs placés judicieusement "allègent" la partie amont de l'installation. Exemples de raccordement de condensateur de compensation 10

11 Equipement de compensation d'énergie réactive Visuels Batteries de compensation 11

12 Étude de cas Étude de cas VI Exercice : Puissance de la nouvelle presse. 13 Exercice : Caractéristiques de la presse à pulpe 13 Exercice : Puissance apparente absorbée. 13 Exercice : Optimisation 14 Exercice : Type de compensation 14 Exercice : Générateur d'harmoniques 14 Exercice : Puissance du générateur d'harmoniques 14 Exercice : Type de batterie 15 Exercice : Référence de la batterie 15 Exercice : Puissance apparente après compensation 15 Exercice : Vérification du transformateur 16 Objectifs S'assurer que le transformateur d'alimentation est toujours adapté après modification de l'installation Choisir une nouvelle batterie de condensateurs. L'étude de cas est extrait de l'épreuve E2 Bacpro Eleec 2013 La sucrerie de Pithiviers le Vieil est une entreprise qui n'est en production que pendant la période de maturité des betteraves, c'est-à-dire pendant une campagne de 80 jours par an (de fin septembre à début décembre). Durant ces campagnes, elle fonctionne 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Il ne doit alors y avoir aucune interruption sous peine d'immobiliser irrémédiablement la production. Hors de la période de campagne, les personnels réalisent toutes les opérations de maintenance préventive nécessaires à l'obtention de l'objectif de zéro défaut durant la campagne. Lorsque l'usine est à l'arrêt, le personnel modifie et améliore certains secteurs de la ligne de production. Dans le cadre d'une augmentation de la production journalière, il est nécessaire de rajouter une presse à pulpes, repérée P7. De plus, la batterie de condensateurs existante au PCB doit être recyclée. Il faudra s'assurer que le transformateur d'alimentation des presses à pulpes est toujours adapté, et choisir une nouvelle batterie de condensateurs. Pour compenser les variations de teneur en sucre des betteraves, la presse P2 est commandée par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse. 12

13 Étude de cas Schéma synoptique simplifié de l'installation 1. Exercice : Puissance de la nouvelle presse. Quelle est la puissance absorbée par la nouvelle presse. 60 kw 70 kw 80 kw 2. Exercice : Caractéristiques de la presse à pulpe Calculer les valeurs suivantes pour la nouvelle presse P7 Pa= 80 kw «ne pas tenir compte des chiffres après la virgule» Cos φ = 0.81 Tan φ = Q = «arrondir au supérieur à 3 chiffres après la virgule» 58 kvar «arrondir à l'unité supérieure» 3. Exercice : Puissance apparente absorbée. Schéma synoptique simplifié de l'installation Calculer la puissance apparente absorbée par l'ensemble de l'installation. Tableau des puissances existantes Puissance absorbé totale -> P totale = 927 kw Puissance réactive totale -> Q totale = 616 kvar «arrondir à l'unité supérieure» Puissance active totale -> S totale = 1113 kva «arrondir à l'unité» Facteur de puissance global -> Cos φ Global = «arrondir à 4 chiffres après la virgule» 13

14 Étude de cas 4. Exercice : Optimisation Dans le souci d'une politique d'économie d'énergie, l'entreprise s'impose un facteur de puissance minimum de 0,97. Calculer la puissance réactive que la batterie de condensateurs devra fournir. La puissance réactive que devra fournir la batterie de condensateur est de l'unité inférieure» 5. Exercice : Type de compensation 384 kvar «arrondir à Préciser le type de compensation à choisir Compensation fixe ou automatique : Dans le cas de la compensation globale ou par ateliers, le critère de Qc/Sn permet de choisir entre un équipement de compensation fixe ou automatique. Le seuil de 15 % est une valeur indicative conseillée pour éviter les effets de la surcompensation à vide : Qc/Sn 15 % : compensation fixe Qc/Sn > 15 % : compensation automatique. Documentation : Choix du type de batterie de compensation Fixe Automatique 6. Exercice : Générateur d'harmoniques Cliquez sur la presse qui de part son alimentation génère des harmoniques 7. Exercice : Puissance du générateur d'harmoniques Calculer sa puissance apparente absorbée du générateur d'harmoniques La puissance apparente absorbée par le générateur d'harmoniques est de 217 kva 14

15 Étude de cas 8. Exercice : Type de batterie Déterminer le type de batterie à utiliser Types d'équipement de compensation: Les équipements de compensation existent en trois types adaptés au niveau de pollution harmonique du réseau. Le rapport Gh/Sn permet de déterminer la version appropriée Synoptique de l'installation - p.12 Documentation : Choix du type de batterie de compensation Standard H SAH 9. Exercice : Référence de la batterie Préciser sa référence ainsi que sa puissance. Compensation calculé de 384kVA. Batterie de type H Extrait de catalogue Référence : Puissance : 420 kvar 10. Exercice : Puissance apparente après compensation Calculer la puissance apparente de l'installation avec la batterie de condensateurs à installer. Rappel : La valeur de la puissance réactive avant compensation est de 616 kvar La puissance apparente de l'installation avec la batterie de condensateurs à installer est de 948 kvar 15

16 Étude de cas 11. Exercice : Vérification du transformateur Vérifier si le transformateur peut être conservé Schéma synoptique simplifié de l'installation Oui Non 16

17 Fin Fin VII Ce cours est terminé, merci de l'avoir suivi. Vous pouvez télécharger une version Pdf (cf. Modules_papier_Dim_transfo_HTA_BT.pdf) 17

18 Ressources annexes Ressources annexes 18

19 Ressources annexes > Synoptique d'un réseau de distribution 19

20 Contenus annexes Contenus annexes > Le DGPT2 Rôle Les transformateurs sont des maillons très importants du réseau de distribution électrique. Ils assurent l'interface entre le fournisseur d'électricité et le consommateur qui est généralement un industriel. Il convient donc : de protéger le transformateur côté «primaire» et, ce faisant, de protéger l'installation en amont. Cela évite également de continuer à alimenter un défaut important. de pouvoir délester le transformateur sur le «secondaire» lorsque celui-ci est utilisé au-delà de ses performances ou qu'un défaut entraîne une élévation importante de température. Le DGPT2 standard a été conçu pour remplir ces fonctions. Au niveau du transformateur, surveillance : du Dégagement Gazeux... D G de la Pression de cuve... P de la Température... T2 (2 seuils) d'où le nom de l'appareil : D G P T 2 20

21 Contenus annexes Fonctions Le dégagement gazeux ou baisse importante de niveau. Le dégagement gazeux a pour origine la pyrolyse du diélectrique. Celle-ci est généralement due à de petits amorçages causés par des ruptures d'isolant. La baisse importante de niveau est généralement due à une fuite sur le transformateur (robinet de purge mal fermé, par exemple). La pression de cuve En cas de court-circuit franc dans le transformateur, l'arc électrique formé provoque une onde de choc instantanée. La surpression dans la cuve devient alors très forte et déforme celle-ci (quelquefois jusqu'à l'explosion). La température du diélectrique Son élévation peut être due à : un défaut interne provoquant un échauffement un dépassement de la puissance nominale du transformateur (chaleur importante dissipée par effet Joule) Photo DGPT2 Exemple de notice DGPT2 (cf. notice dgpt2.pdf) 21