Bienvenue. Power Survey International

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1 Bienvenue

2 Power Survey - Profile de l entreprise Établi depuis 1948 Manufacturier de produits basse et moyenne tension: Système de correction de facteur de puissance Système de filtration harmonique Boitier pour équipement électrique de dimension spécial Autre produits à venir. Vente partout au Canada, États Unis, Mexique, Amérique du sud, moyen Orient et ailleurs dans le monde

3 Agenda Produits disponibles par marché chez Power Survey Explication du Facteur de Puissance Application pour condensateur PowerCap Application pour banque de condensateur automatique PowerVar Application pour filtre harmonique: Filtre PowerCap Filtre PowerVar Marché Potentiel Référence

4 Produits disponible chez Power Survey Marché Industriel et commercial Condensateur statique PowerCap Banque de condensateur automatique - PowerVar Filtre Harmonique fixe - PowerCap Filtre Harmonique automatique PowerVar Filtre Étude d harmonique au chantier Simulation / Analyse de réseau électrique Marché Hydro «Utilité» Banque de condensateur Moyenne Tension Filtre Harmonique Moyenne Tension Type «Pad Mount»

5 Pourquoi installer des condensateurs? Augmenter le FP/efficacité du réseau électrique Fournisseur d électricité charge une pénalité au client si FP<90% Amortissement (Payback) moyen de notre équipement entre 2 ans

6 Installation de condensateur Pourquoi? Economies de $$ via les pénalitées du facteur de puissance, Normalement en moins de 2 ans Hydro-Québec requiert un minimum de 90% ou 95% ATTENTION - nouvelle tarification du G-9 Pénalité double en 2008 Pénalité: triple en 2009 Amélioration de la tension, Reduction de pertes provenant des cables et transformateurs, Augmentation de la capacité des cables, Augmentation de la capacité du transformateur

7 Diagramme de phase du courant et de la tension Courant résistif Courant inductif Courant capacitif I I V V V I

8 Sinusoïde de courant et tension Le courant du condensateur est en avance par rapport a la tension Le courant résistif est en phase par rapport a la tension

9 Facteur de puissance Angle de phase PF=Cos , , V I

10 Facteur de puissance Angle de phase Q (kvar) varie selon l angle de phase De cette figure: Q c Q L Q Mathématiquement: 2 P 1 S 2 Q Q L Q c P( Tan Tan 2) 1 S 1 Q C Calcul simple: Q c P* K

11 Formule de puissance réactive (kvar) P 2 1 S 2 Q Q L S 1 Q C tg kvar kw FP Cos kvar kw * tg 1 kvar tg kw Cos 1 FP kvar kw * tg Cos 1 FP kvar kw tg 1 1 cos FP tg cos FP 1 2

12 Introduction Qu est-ce que le facteur de puissance (FP): F.P. = Puissance active = KW Puissance apparente KVA KVA = (kw)² + (kvar)²

13 Réseau électrique sans condensateur Puissance active (kw) Puissance réactive (kvar) Puissance Apparente (kva) Fournisseur d électricité Charge motrice

14 Réseau électrique avec condensateur Puissance active (kw) Puissance réactive (kvar) Puissance Apparente (kva) Fournisseur d électricité Charge motrice Power Cap

15 Facteur de Puissance & Buck de bière!!

16 Facteur de puissance versus charge motrice Moteur Haute CAUSES efficacité OF POOR lorsque POWER FACTOR utilisé a pleine charge Kvar est presque identique si utilisé sans ou pleine charge POWER FACTOR VS MOTOR LOAD POWER FACTOR MOTOR LOAD (%)

17 Méthode de compensation Condensateur connecté au moteur Motor starter M C

18 Méthode de compensation Condensateur fixe connecté a un CCM (centre de controle de moteur) ou CDP (centre de distribution de puissance) Motor starter Motor starter M M C

19 Compensation au moteur Regle du pouce de Power Survey: Kvar = 1/3 X HP Kvar = 40% X kw Selection d un condensateur requiert les spécification du moteur en HP et RPM: Utilisé la table suivante

20 Charte de calibre de condensateur sur moteur

21 Sélection de PowerCap

22 Sélection de la réactance: Back to back switching Besoin Le courant transitoire du condensateur doit être 10kA due aux spécifications des composantes (fusibles, vacuum switches, Icc capacitif du disjoncteur, etc) Courant transitoire du condensateur Courant transitoire du condensateur lorsque énergisé Back to back switching Condensateur chargé se déchargeant dans un condensateur nouvellement énergisé

23 PowerCap Calibre 2 kvar 10 Mvar Tension du réseau Option 208v 35,000v (35kV) Autre tension disponible Contacteur - BT (semi-automatique) Fusible externe Indicateur de fusible brulé Boitier EEMAC 3R

24 Facture d électricité

25 Sur la facture nous avons: Exemple FP = 68.5% Puissance active = 426 Kw Calcul mathématique: kvar kw tg 1 1 cos FP tg cos FP 1 2 The solution: kvar = 426kW {tg (cosˉ¹.685) - tg(cosˉ¹.92)} kvar = 426kW {tg (46.76) - tg(23.07)} kvar = 271 kvar

26 Logiciel Tarif Action - Optimisation

27 Solution pour augmenter le FP à 92% Proposé une banque de condensateur automatique: Type: PowerVar Puissance requise: 426 kvar Puissance suggéré: 450 kvar Nombre d étape: 5 Puissance par étape: 90

28 Données requises Les 12 dernières factures d électricité d Hydro-Québec Listes de moteurs (HP, vitesse et type de démarreurs) Schéma uniligne incluant: Détails de la charge non linéaire Données du transformateur (KVA, Z% ) Distortion harmonique totale. si possible

29 PowerVar Capacité 50 kvar 20 Mvar Tension de réseau 208v 35,000v Autres tension disponible Option EEMAC 12 & 3R Disjoncteur principal Sectionneur principal Sectionneur fusible principal Sectionneur de mise a la terre Indicateur de fusible brulé Indicateur de vie de condensateur

30 Contrôleur de Facteur de Puissance Power Survey (Standard) Indication du FP et nombre d étape Séquence d énergization - FIFO Sélection manuel et automatique Jusqu à 12 étapes Alarme si harmonique en surcharge Mesure de puissance et harmonique

31 Installation d un PowerCap et/ou PowerVar

32 Agenda Produits disponibles par marché chez Power Survey Explication du Facteur de Puissance Application pour condensateur PowerCap Application pour banque de condensateur PowerVar Application pour filtre harmonique: Filtre PowerCap Filtre PowerVar Marché Potentiel Références Et Maintenant..

33 Les harmoniques!! Sources fréquentes générants des harmoniques: Drive AC & CC (moteur à vitesse variable) Soudeuse Équipement avec thyristor Redressement de AC à CC

34 Harmoniques Par définition: C est un courant ou tension d une fréquence multiple de la fondamentale(60hz) 5e harmonique = 5 * 60 Hz = 300 Hz Ce n est pas un phénomene transitoire

35 Les Harmoniques et une Rivière! Conditions idéales Eau propre Réseau électrique sans harmonique Ligne Pompe Moteur Condensateur

36 Les Harmoniques et une Rivière! Conditions non-idéales Eau pollué Réseau électrique pollué Filtre en série Réacteur en série Pompe à eau Protection de l installation Condensateur

37 Condensateur et harmonique Règle du pouce! Attention! Est-ce que la charge non linéaire dépasse 20% de la charge totale? Si non, ex. (100 HP de drive versus 1000HP total): nous proposerons un PowerCap ou PowerVar Si oui, ex. (500 HP de drive versus 1000 HP total): nous proposerons un Filtre PowerCap ou un Filtre PowerVar dûe au haut taux d`harmonique

38 PowerCap Filtre & PowerVarFiltre Capacité 50 kvar 20 Mvar Tension de réseau 208v 35,000v Autres tension disponible Option EEMAC 12 & 3R Disjoncteur principal Sectionneur principal Sectionneur fusible principal Sectionneur de mise a la terre Indicateur de fusible brulé Indicateur de vie de condensateur

39 Spectrum Harmonique typique Valeur typique d une drive 6 pulse HARMONIC ORDER CURRENT ( % OF FUNDAMENTAL ) 1 100% 3 0% % % 9 0% % % %

40 Effet de la distortion harmonique Distortion en courant Equipement qui surchauffe et pertes additionnales Transformateurs (eddy losses) Cables (skin effect) Condensateur (faible impédance) Resultat de la distortion en tension

41 Effet de la distortion harmonique Distortion en tension Distortion du courant d une charge linéaire Augmentation du a une crete de tension (stress d isolation) Mauvaise opération d appareil électronique Drives PLC Disjoncteur (Trip électronique)

42 IEEE guideline Situation maximale de distortion en tension (THDv)

43 IEEE guideline Distortion en courant maximal en fonction de la charge et selon la puissance du réseau (Isc/IL)

44 Effect de distortion harmonique Résonnance parallel Arrive Occurs lorsque la réactance inductive du réseau et la réactance du condensateur son égaux (5e, 7e, etc) Ceci crée une amplification du courant harmonique entre le condensateur et la réactance du réseau Conséquences Augmentation de la distortion harmonique en courant aux borne du condensateur et transformateur Augmentation de la distortion en tension sur tout le réseau Résultats Fusibles brulés Défaillance, dégradation prématuré, surchauffe de condensateur et transformateur

45 Effets de distortion harmonique Résonnance série C est le résultat d une combination série entre le condensateur et de l inductance de ligne/réseau Ceci crée une amplification de la distortion harmonique en tension au borne du condensateur et transformateur Conséquences Augmentation de la tension et stress d isolation Augmentation du courant Résultats Fusibles brulés Dégradation, défaillance ou surchauffe de condensateur et transformateur

46 Z (Ohm) Différent type de filtre Filtre passe bande syntoniser a la 4.8 th harmonique: Crée une faible impédance seulement a cette fréquence Filtre harmonique le plus utilisé TYPICAL BANDPASS FILTER Z filter w ith AC Load Z Load FREQUENCY (Hz)

47 Z (Ohm) Différent type de filtre Filtre passe-haut syntoniser a la 12e harmonique Crée une faible impédance continue apres la fréquence de syntonisation Absorbe les oscillations hautes fréquences de type `notch` Non recommandé lorsque syntonisé a une fréquence inférieure a la 5e harmonique car la R crée beaucoup de perte en 60HZ (voir filtre type C) Normalement installé en complément a un filtre passe bande TYPICAL HIGHPASS FILTER Z filter w ith AC Load Z Load FREQUENCY (Hz)

48 Z (Ohm) Harmonic filter type Filtre type C syntonisé a la 2e harmonique: Performance caractéristique similaire au filtre type passe haut Utilisé pour des fréquence de syntonisation a basse fréquence La R ne consomme aucune perte a ses paramètres nominal Normalement utilisé pour des applications de fournaises a arc ou cycloconvertisseur ce qui évite l amplification des harmoniques d ordre de bas niveau TYPICAL C-TYPE FILTER Z filter w ith AC Load Z Load FREQUENCY (Hz)

49 Condensateur en présence d harmonique Résonnance parallel entre la réactance du réseau (transformateur + impédance d H-Q) et le condensateur Important: la fréquence naturel du circuit oscillatoire ne doit pas correspondre a une fréquence harmonique généré pas une charge non linéaire

50 Calcul de la résonance harmonique parallel Caractéristiques des équipements du réseau électrique: Transformateur: 2000 KVA, 5.8% Condensateur: 700 kvar a installer Drives: Méthode de calcul simple Fr = {KVAsc / kvar} Fr = {(2000 KVA /.058)/700 kvar} Fr = 7.02e harmonique charge non linéaire consiste a 50% de la charge total Une résonnance est présente exactement sur la 7e harmonique: Haut potentiel de probleme harmonique

51 Impedance (mohm) Calculation of parallel harmonic resonance Simulation de réponse en fréquence Low voltage impedance Impedance without filter Impedance with filter 10,000 1, Harmonics

52 Eliminating harmonic current resonance Filtre passe bande: Condensateur en série avec une réactance Absorbes le courant harmonique Contrôle la résonnance parallel Augmentation de la tension au borne du condensateur du a la réactance: (fréquence nominale/fréquence de syntonisation)²

53 Z (Ohm) Eliminating harmonic current resonance Simulation d un filtre passe bande syntoniser a la 4.8e harmonique TYPICAL BANDPASS FILTER Z filter w ith AC Load Z Load FREQUENCY (Hz)

54 Problème d harmonique potentiel: Oui/Non? Règle du pouce de Power Survey: Calcul de la fréquence de résonnance: Fr = NE devrait pas être près de la 5e, 7e, 11e & 13e harmonique Fr > 15e devrait être OK Fr = Entre la 8e & 15e; faible potentiel de problème Fr < 8e; haut potentiel de problème Comparons la charge non linéaire versus la charge total connecté Charge non linéaire vs charge total > 20 % Attention Charge non linéaire vs charge total < 20 % Devrait être OK

55 Passage du courant harmonique

56 Projet du centre de ski Lake Louise

57 Projet du centre de ski Lake Louise Simulation avec le logiciel ETAP

61 Harmonic filter components ratings - Capacitor Capacitor Assemblies Rated in uf for harmonic filter application (not in kvar) Standard capacitor rating: Voltage o Minimum 110% of Vn Current* o o Minimum 130% of In for LV Minimum 170% of In for MV * Filter application capacitor must withstand (Irms = {I1² + I2² + I3² + I4² + I5²..} Current of an individual harmonic could be greater than I1 Tolerances should be kept to minimum (0 3%) because it will be added to L tolerance Internally fused MV capacitor Internal fuse operation causes less detuning Externally fused MV Capacitor Internal fault takes out the complete capacitor unit which can result in severe detuning and/or unbalance conditions when few units in // External fuse can be made of 50 ka current limiting and be equipped with an indicator transient and short time over voltage rating per IEEE 1036 Operating temperature; especially for Metal enclosed construction Capacitor lifetime are affected by over temperature

62 Harmonic filter components ratings - Capacitor Capacitor Assemblies Floating Y Mostly for MV application Limits the fault current across a shorted capacitor Easy unbalance protection Grounded Y (solidly grounded system) Most common on utility distribution system ( small banks ) Possible high fault current Delta Require that both capacitor bushings be fused if using single phase units Difficult unbalance protection

63 Condensateur avec fusible interne et externe

64 Harmonic filter components ratings - Reactor Reactor Assemblies Rated in uhy (not in kvar or %) and tolerance ( 0-3% ) Calculation: Ftuned = 1/{(2π (LC)} L = {1/ 2πf}² * {1/C} Rating: Irms according to current to be absorbed by filter (Irms = {I1² + I2² + I3² + I4² + I5²..} Current of an individual harmonic could be greater than I1 Iron core ( single phase or three phase ) More compact design and does not require magnetic clearance More practical and cost effective with small banks where uhy value is high and space limited. Three phase reactor construction might show a slightly different B phase inductance, if fine tuning is required single phase reactors should be considered. Air core Magnetic clearance makes it non practical for metal enclosed design Usually more practical for large banks where current is high and uhy value is less BIL rating for coil to ground and across the coil Q Factor should be specified at tuning frequency and at the fundamental ( most reactor are only tested at 60 Hz ). Tolerance on Q Factor is typically of ±20% Taps are often practical for either fine tuning or provision for expansion

65 Réactance à noyau de fer avec diverses connections de syntonisation

66 Harmonic filter components ratings - Resistor Resistor Assemblies Rated in Ohms with tolerance ( ±5% ) Continuous current spectrum for loss determination Overload RMS current and duration Cold resistance value BIL

67 Résistance instasllé sur le dessus du boitier

68 Harmonic filter/capacitor bank components ratings Vacuum switch Vacuum switches MV application Voltage rating: 5kV, 15kV, 25 kv and 34.5kV Current ratings: 200A, 400A, 600A Configuration in single pole available for 15 and 25 kv design Position indicator standard, no visible contact Optional manual operator Oil filled switch (old design) generation not recommended unless used as a cut-out Contactors LV application Voltage rating: 600V and below Current ratings: Multiple current rating up to 800A Configuration in 3 phase Closing time: msec Opening time: 8 12 msec

69 Contacteur sous vide (MT) & Contacteur BT

70 Harmonic filter/capacitor bank components ratings Main & Ground switch Main switch (LV & MV application) Rating: Minimum of 135% of Irms (could be up to 165% of In) MV switches usually has very low capacitive breaking current capability Vacuum switch is then used to open the capacitor circuit Used as an isolation switch and/or visible opening It can be fused for short circuit protection Kirk key interlock for safety reasons is normally provided between: vacuum switch main switch ground switch cubicle doors Ground Switch (MV application) Ground switch is provided as a safety features and insure full discharge of capacitors Breaker (LV application) Rating: Minimum of 135% of Irms (LV application) Requires to know the short circuit capacity of network If it operate (trips) only needs to switch it back to ON

71 Disjoncteur principal (BT) & interrupteur MT

72 Harmonic filter/capacitor bank components ratings Fuse Main fuse protection Rating: Usually 165% of In for capacitor application Up to 250% of Irms for harmonic filter application Provides short circuit protection only Does not protect against overload Stage fuse protection Rating: Usually 165% of In for capacitor application Up to 250% of Irms for harmonic filter application Stages or branches should be protected individually against short circuit MV fuses always have a visual trip indication and can be equipped with a remote trip contact.

73 Fusible BT & MT et indicateur de fusible brûlé

74 Safety Capacitor / Filter protection Overcurrent protection Relays used for overcurrent protection have to be true RMS style Electromechanical relays cannot be used. Tripping signal must be sent to either: main breaker vacuum switches never to a load break with shunt trip. Thermal sensors imbedded in the reactors can also be used to detect filter overloading. Over voltage current relaying Over voltage protection is rarely provided as it is usually part of the bus protection Unbalance and detuning protection On loss of capacitance unbalance occurs through: neutral voltage sensing on floating Y capacitor where loss of capacitance will happens in large portion ( i.e. externally fused capacitors ) Neutral current sensing used in a double floating Y configuration

75 NT.C au neutre sur un neutre flottant Y-Y

76 Safety Capacitor / Filter protection Power Survey Capacitor Life Indicator Continuously monitor the current drawn from the capacitor When current is above 70% of its rated value a LED will stay ON. When current falls below 70% of its rated value the LED will switch OFF. It also monitors the capacitor fuse The percentage value can be adjusted to a different level. An output relay can also be added for remote application to a PLC, contactor, etc. This equipment is often used on harmonic filtering system.

77 Projet en service Application Soufflerie - NASA Langley Virginia Générateur d harmonique 18, kV - 12 Pulse drive Filtre harmonique fourni kv 2 Mvar - 2 e Filtre harmonique passe bande 2 Mvar - 3 e Filtre harmonique passe bande 7.4 Mvar - 11 e Filtre harmonique passe haut

78 Projet en service NASA Langley Virginia Wind Tunnel

79 Projet en service Client Tennessee Valley Authority - TVA Filtre harmonique fourni kv 5.2 Mvar 5 e Filtre harmonique passe bande 4 Mvar 7 e Filtre harmonique passe bande 2.3 Mvar - 11 e Filtre harmonique passe bande 2 Mvar - 13 e Filtre harmonique passe bande

80 Projet en service Tennessee Valley Authority - TVA

81 Project in service Application Soufflerie Hypersonique US Air Force (Arnold Base) Générateur d harmonique 2 X 80, kV - 12 Pulse drive Filtre harmonique fourni 2 X kv 2 Mvar - 3 e Filtre harmonique Type-C 14 Mvar e Filtre harmonique passe haut 14 Mvar e Filtre harmonique passe haut

82 Projet en service US Air Force Arnold Base

83 Projet en service Client Falconbridge zinc Mine Thunder Bay, Ontario Filtre harmonique fourni Type rack kv 1.9 Mvar 4.9 e Filtre harmonique passe bande(fixe) 1.9 Mvar 4.9 e Filtre harmonique passe bande (automatique)

84 Projet en service FALCONBRIDGE Thunder Bay Ontario

85 Filtre harmonique de Power Survey Capacité 50 kvar 20 Mvar Tension de réseau 208v 35,000v Autre tension disponible Option Boitier EEMAC 12 & 3R Disjoncteur principal Sectionneur principal Sectionneur fusible principal Sectionneur de mise à la terre (Application MT) Indicateur de vie des condensateurs Indicateur de fusible brulé

86 Référence/standard pour les condensateurs et filtres harmonique IEEE 1531 IEEE 18 Guide for Application and Specification of Harmonic Filters Standard for Shunt Power Capacitors IEEE C37.99 IEEE 519 IEEE 1036 Guide for Protection of Shunt Capacitor Banks Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems Guide for Application of Shunt Power Capacitors IEEE C Application Guide for Capacitance Current Switching

88 Marché potentiel - Industriel Clients industriel Type FP typique Imprimerie 70% Plastique 70% Automobile 65% Scierie 75% Pâtes & papier 70% Cimenterie 70% Alimentation 80% Etc

89 Marché Potentiel - Commercial Clients commercial Type FP typique Édifice à bureau 85% Centre d achat 80% Épicerie 80% Aréna 75% Station pompage 75% Hôpital 80% Etc

91 Références Imprimerie Québécor Nortel Kruger Johnson & Johnson NASA Stade Olympique US Air Force Arnold Base Aéroport de Boston Logan Aéroport JFK Chrysler Hyundai 3 M Lafarge US Navy Shell Good Year Bowater Etc

93 Processus: Système automatique Distributeur: Fournit les 12 dernières factures d électricités consécutives de ses clients Power Survey: Analyse les factures d électricité Fournit l expertise technique si requis Fournit une proposition complète au distributeur

94 Agenda Produits disponibles par marché chez Power Survey Explication du Facteur de Puissance Application pour condensateur PowerCap Application pour banque de condensateur PowerVar Application pour filtre harmonique: Filtre PowerCap Filtre PowerVar Marché Potentiel Références Et Maintenant.. Boitier pour équipement électrique

95 Formule pratique

96 Formule pratique

97 Fabrication de panneau Dimension: Non standard Approbation: CSA & UL Type de boitier: EEMAC 1, 12, 3R, & 4x Type de matériel Acier doux, Acier inoxidable (Stainless steel 304 & 316) Aluminium