creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable

Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ?

Synergrid, la fédération des gestionnaires de réseaux électricité et gaz en Belgique

Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 2

1. Introduction

L’électricité est omniprésente dans notre vie, tant au niveau

privé qu’au niveau professionnel. Rien de tel pour s’en ren-

dre compte que de vivre une coupure d’alimentation!

Dans l’industrie, vu la modernisation des processus – avec la

prolifération des automates et de l’électronique de manière

générale – les perturbations électriques ont des conséquen-

ces de plus en plus nombreuses. Non seulement la présence

d’alimentation électrique est essentielle, mais la qualité de

l’énergie devient un élément critique.

Un creux de tension, même relativement faible, peut engen-

drer des problèmes très importants. Pour les industriels et

les chefs d’entreprise, cela se traduit par des arrêts de pro-

duction, la mise au rebut de produits ou de matières premiè-

res, voire la prestation éventuelle d’heures supplémentaires

nécessaires au redémarrage des processus. Pour estimer

précisément les coûts d’une perturbation électrique, il faut

aussi prendre en compte d’autres aspects : l’insatisfaction

des clients (à cause des retards de livraison, par exemple),

les risques pour la sécurité du personnel et des outils de

production, la perte de données, etc. Mais globalement, des

solutions existent pour limiter les dégâts dus aux creux de

tension; toutefois, leur acceptabilité au plan technico-finan-

cier ne pourra être établie qu’après une estimation aussi

correcte que possible des coûts induits.

Les gestionnaires de réseaux électriques (transport et distri-

bution) sont bien conscients de l’impact croissant des per-

turbations de l’alimentation électrique chez les utilisateurs.

Dans leurs missions quotidiennes, ils s’attachent à garantir

une qualité maximale à la fourniture électrique via leurs ré-

seaux. Mais ils ne sont pas maîtres de tout… Le phénomène

des creux de tension relève en fait de la responsabilité de

toutes les parties intéressées : les gestionnaires de réseaux,

mais aussi les fabricants d’équipements, les bureaux d’étu-

des, les utilisateurs du réseau, etc.

En publiant cette brochure, Synergrid – la fédération des

gestionnaires de réseaux – entend aider les utilisateurs à

mieux appréhender la problématique des creux de tension.

Après avoir défini le phénomène, nous en aborderons les

causes avant d’étudier les conséquences possibles des

creux de tension sur des équipements industriels types. En-

fin, nous proposerons quelques pistes de solutions permet-

tant de réduire la sensibilité des processus.


2. Le phénomène du « creux de tension »

Définition

Avant toute chose, il est bon de définir ce que l’on entend

par creux de tension. Il s’agit en fait d’une chute brutale

de l’amplitude de la tension. La norme EN 501601 fixe la

diminution de la tension à une valeur résiduelle située entre

5 % et 90 % de la tension de référence2. La durée d’un creux

peut varier de 10 ms à plusieurs secondes.

La figure ci-après montre un exemple d’évolution de la forme

d’onde de la tension U(t) lors d’un creux de tension, ainsi que

l’évolution de sa valeur efficace Urms3.

La profondeur du creux correspond à la chute maximale de

la valeur efficace de la tension (exprimée en %). La durée du

creux de tension est mesurée par le temps entre le passage

de la valeur efficace sous la limite de 90 % (Uref –10 %) et le

retour au-dessus de cette même limite.

Par convention, en cas de creux polyphasé, le creux com-

mence dès que la tension sur une des phases est inférieure

à 90 % de sa valeur de référence et se termine dès que la

tension est revenue au-dessus de cette valeur pour toutes

les phases.

De cette définition, on déduit aisément les trois paramètres

principaux caractérisant les creux de tension : leur durée,

leur profondeur et le nombre de phases touchées4. Les creux

de tension sont généralement représentés dans des graphi-

ques durée / tension résiduelle5 (voir Figure 3 - Somme des

creux enregistrés sur 39 sites durant l’année 2007, répartis

par type).

Creux de tension ou coupure : quelle différence ?

On distingue généralement les creux de tension, les coupures

de courte durée et les coupures de longue durée. Générale-

ment, tous ces phénomènes sont provoqués par les mêmes

incidents : les courts-circuits. La localisation sur le réseau

électrique par rapport à l’endroit du court-circuit détermine

les conséquences sur l’alimentation électrique au point de

raccordement. Lors d’un court-circuit, la partie du réseau

incriminée est isolée par le fonctionnement de protections.

Un point de raccordement sera uniquement affecté par une

coupure s’il fait partie du tronçon isolé6. Typiquement, cela

intervient lorsque le court-circuit se produit sur le câble ou la

ligne d’alimentation du point de raccordement concerné ou

sur une installation du voisinage.

U(t)

Urms

UrefUref - 10%

∆U

∆t

t

t

Figure 1 | Exemple de creux de tension

1 | EN 50160: Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution

2 | Tension de référence: on parlera de tension nominale en basse tension et de tension déclarée pour les niveaux de tension supérieurs.

3 | Valeur efficace: la valeur efficace (aussi dite RMS ou Root Mean Square) d’un courant ou d’une tension, variable au cours du temps, correspond à la valeur du courant continu ou de la tension continue produisant un échauffement identique dans une résistance.

4 | Il existe d’autres caractéristiques (citons par exemple le saut de phase).

5 | Une tension résiduelle de 70 % correspond à une profondeur de 30 %.

6 | Le maillage dans les réseaux de tension de 30 kV à 380 kV permet d’éviter une grande partie des interruptions de l’alimentation de la clientèle.


Deux cas de figure sont possibles :

La tension ne peut pas être rétablie immédiatement : dans ce cas, les équipes du gestionnaire de réseau doivent se rendre sur place afin de réalimenter au plus vite les clients concernés, après isolation auto-matique du tronçon défectueux (la réalimentation peut nécessiter un temps assez long – plusieurs dizaines de minutes, voire plusieurs heures). On parle dans ce cas d’une coupure de longue durée. Le court-circuit se produit généralement, sur un réseau câblé (souter-rain) ou aérien, lorsque le défaut est toujours présent lors des éventuelles tentatives de réenclenchement automatique7.

La tension est rétablie rapidement via un automa-tisme. C’est le cas lors du réenclenchement automa-tique7 des protections, ce qui permet de réalimenter les clients après un défaut transitoire; dans ce cas, la durée de la coupure est limitée et liée à la combi-naison du temps nécessaire à la disparition du court-circuit et des délais de réenclenchement successifs (typiquement 500 ms, 3 s, 30 s pour les réseaux de 6 kV à 15 kV8).

Dès lors, quand est-on confronté à un creux de tension ? En fonction d’un certain nombre de paramètres, un court-circuit entraîne, dans un rayon d’action électrique don-né – en dehors du tronçon isolé –, un creux de tension d’amplitude variable (voir ci-après). Par conséquent, il est logique également que le réenclenchement automatique puisse entraîner des creux successifs rapprochés (avec des intervalles types de 300 ms, 3 s et 30 s).

La protection contre les coupures, qui entraînent la dis-parition complète de la tension et ont une durée généra-lement longue, exige des moyens plus importants que la protection contre les conséquences des creux de tension. Fort heureusement, les coupures sont beaucoup moins fréquentes. Seule la problématique des creux de tension sera abordée dans la suite de cette brochure.

Caractéristiques des creux de tension

Comme expliqué ci-avant, les creux de tensions présentent

des durées et des profondeurs très variables et peuvent

concerner une ou plusieurs phases. À des fins d’illustration,

39 points de mesures représentatifs ont été sélectionnés sur

les réseaux de 6 kV à 15 kV ; les creux de tension enregis-

trés au cours de l’année 2007 ont été analysés.

On distingue trois catégories de creux en fonction du nombre

de phases concernées (voir aussi Figure 2) :

Type I : Chute principalement d’une des tensions

phase-neutre

Type II : Chute principalement d’une tension

phase-phase

Type III : Les tensions sur les trois phases sont

touchées de manière équivalente

Les types I et II sont typiquement causés par des courts-

circuits mono- ou biphasés. Le type III est la conséquence de

courts-circuits triphasés.

7 | Afin de limiter la durée de l’interruption, l’automatisme de la protection tente de refermer le circuit d’alimentation. Cette technique est uniquement utilisée dans des réseaux aériens; des causes fugitives y sont à l’origine d’une bonne partie des courts-circuits.

8 | Sur les lignes 70 kV à 380 kV, il n’y a qu’une seule tentative de réenclenchement automatique.


Type 1 Type II Type III

Figure 2 | Les trois principaux types de creux de tension

Figure 3 | Somme des creux enregistrés sur 39 sites pour l’année 2007, répartis par type

La durée de la plupart des creux de tension est directe-ment liée au temps de réaction de la protection qui isole le court-circuit : dans les réseaux de 30 kV à 380 kV, elle est généralement de 100 à 600 ms mais dans certains cas, elle peut dépasser 1 s; dans les réseaux de 6 kV à 15 kV, l’ordre de grandeur type est de 300 ms à 1 s. La grande majorité des creux de tension mesurés a donc une durée inférieure à une seconde. Il faut noter que les temps de réaction des protections sont fixés sur base de règles de sélectivité.

Les graphiques de la Figure 3 montrent, pour l’ensemble des sites sélectionnés et pour chaque type de creux, la durée (en abscisse) et la profondeur (en ordonnée) des creux de tension enregistrés. À titre d’exemple, les cour-bes de sensibilité types des contacteurs sont aussi men-tionnées (courbes bleues). La courbe de gauche carac-térise les contacteurs les plus sensibles ; celle de droite, les moins sensibles (voir aussi le paragraphe concernant les contacteurs au Chapitre 3). Si le creux se situe dans la partie inférieure droite d’une de ces courbes, il provo-quera l’ouverture du contacteur concerné et donc pertur-bera l’installation.

On remarque que la durée de la très grande majorité des creux est inférieure à 1 seconde.

Les creux de type I (chute de tension entre une phase et le neutre) sont les plus fréquents, tandis que les creux de type III sont les plus sévères.

On constate aussi directement que le choix d’un matériel moins sensible peut fortement améliorer la situation.

Creux de type 1 Creux de type II Creux de type III

Durée du creux (s)Durée du creux (s)Durée du creux (s)

Ten

sio

n ré

sidu

elle

(%

Uno

m)

Ten

sio

n ré

sidu

elle

(%

Uno

m)

Ten

sio

n ré

sidu

elle

(%

Uno

m)


Causes et propagation

Contrairement à bien des idées reçues, les creux de tension

ne sont pas tous provoqués par le réseau électrique. Ce

type de perturbations fait inévitablement partie intégrante

de la vie d’un réseau et il est évident que sa bonne gestion

et son entretien régulier diminuent les risques de perturba-

tion. Cependant, un réseau parfait et insensible aux facteurs

externes n’existe pas et il serait totalement illusoire de pro-

mettre à un utilisateur du réseau qu’il ne subira jamais de

creux de tension.

Le phénomène est rarement local. En effet, lorsqu’un creux

de tension se produit dans le réseau électrique, on note les

phénomènes suivants : peu ou pas d’affaiblissement dans

la direction aval, mais bien en amont (vers les niveaux de

tension supérieurs). Lors de la transition vers un autre ni-

veau de tension, le creux changera également de type (à

l’exception du type III). La façon dont un creux de tension

se propage sur un niveau de tension donné dépend de la

position par rapport à la source et de la structure du réseau

(radial ou maillé), qui est déterminée dans une grande me-

sure par la fonction qu’il remplit.

En tant qu’industriel ou chef d’entreprise, il faut être bien

conscient que l’on peut être touché par un creux de tension

à la suite d’un court-circuit provoqué dans une entreprise

voisine.

La figure ci-contre montre, pour un point donné d’un ré-

seau, les différentes zones dans lesquelles un court-circuit

provoquera un creux de tension plus ou moins profond. La

zone rouge est la plus critique. Ces zones peuvent s’étendre

sur des dizaines (voire parfois des centaines) de kilomètres

à la ronde.

La plupart des creux de tension proviennent de courts-cir-

cuits provoqués par des phénomènes météorologiques (im-

pacts de foudre, arrachement de lignes lors de tempêtes…),

par l’endommagement de câbles électriques lors de travaux

de voirie, par la présence d’animaux ou encore par des dé-

faillances de matériel. Les causes des creux de tension sont

donc diverses et multiples.

Un utilisateur peut également perturber son propre réseau,

sans qu’il ne soit question de court-circuit! L’enclenchement

d’un important transformateur ou le démarrage d’un gros

moteur peut, dans certaines circonstances, générer une

chute de tension supérieure à 10 % dans une installation.

Le nombre de creux peut évoluer fortement, non seulement

d’une semaine à l’autre, mais également d’une année sur

l’autre. La figure 5 ci-dessous compare l’évolution en 2005,

2006 et 2007 du nombre de creux par semaine (exprimé

en % du nombre total) pour une sélection de sites identique

à celle des paragraphes précédents.

Figure 4 | Étendue des creux


2005

2006

2007

Selection of measurement points

Weeks

Num

ber

of d

ips

(% o

f to

tal)

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 5102468

10121416

02468

10121416

02468

10121416

Figure 5 | Répartition dans le temps des creux enregistrés sur 39 sites pour les années 2005 à 2007

Il est impossible de prédire le nombre de perturbations ou

leur moment d’apparition. On peut toutefois constater que

certaines périodes de l’année connaissent plus de pertur-

bations que d’autres, notamment les périodes d’orages. Cet

effet saisonnier est particulièrement notable sur les réseaux

aériens pour les tensions de 30 kV à 380 kV.

Immunité des appareils aux creux de tension

Chaque appareil alimenté par une source électrique est im-

munisé, dans une certaine mesure, contre les creux de ten-

sion. Cette immunité, fonction de la durée et de la profondeur

des creux de tension, est habituellement exprimée selon un

système de gradation, comme indiqué au Tableau 1.

Les exigences d’immunité ne sont évidemment pas iden-

tiques pour tous les types d’appareils. La criticité de l’ap-

plication pour laquelle un appareil est utilisé constitue un

paramètre important. C’est le cas, par exemple, pour les

équipements utilisés en milieu hospitalier. Il existe aussi,

pour certains appareils, des normes spécifiques9 qui défi-

nissent les exigences d’immunité contre les creux de ten-

sion. Le comportement de ces appareils est généralement

évalué sur base de la gradation suivante :

3. Impact des creux de tension sur les installations

Sélection de points de mesure

Semaines

No

mbr

e de

cre

ux (

% d

u to

tal)


a) À l’intérieur des limites fixées par le fabricant ou déterminées par l’acheteur, le fonctionnement de l’appareil peut être considéré comme normal.

b) L’appareil ne remplit plus sa fonction provisoirement ou subit une perte de puissance temporaire, mais reprend ensuite son fonctionnement normal sans intervention d’un opérateur.

c) L’appareil ne remplit plus sa fonction provisoirement ou subit une perte de puissance temporaire ; l’intervention d’un opérateur est nécessaire pour rétablir le fonctionnement normal.

d) L’appareil est endommagé au niveau hardware ou software, ou subit une perte de données, entraînant un déficit irrémédiable de fonction ou de puissance.

Tableau 1 | Aperçu des critères d’évaluation de l’immunité d’un appareil aux creux de tension

Il peut s’avérer nécessaire d’évaluer l’immunité au cas

par cas dans la mesure où de nombreux types d’appareils

(les régulateurs de vitesse par exemple) sont utilisés aussi

bien dans des applications critiques que non-critiques. Si

la question du critère d’immunité n’est pas explicitement

évoquée, il est fort probable, dans un marché concurrentiel,

que les produits proposés soient des produits standard ne

satisfaisant qu’aux exigences minimales (critère c), alors

que des alternatives intéressantes sont disponibles moyen-

nant un surcoût limité. Dans le cas d’un processus critique,

il est essentiel de prendre en compte l’impact potentiel des

creux de tension dès la phase de projet. Dans la mesure où

les normes internationales en font aussi mention, les critè-

res d’évaluation du Tableau 1 peuvent être repris dans le

cahier des charges de tout équipement ou installation. Pour

le critère a, les exigences d’immunité en termes de profon-

deur et de durée de creux doivent être spécifiées.

La normalisation internationale reconnaît donc que, sous

l’effet de creux de tension et en fonction de leur sévérité

(profondeur et/ou durée), le bon fonctionnement des appa-

reils peut être perturbé. Dans de nombreux cas, une immu-

nité totale (100 %) n’est pas envisageable, pour des raisons

technico-économiques. Il s’avère généralement nécessaire

de prendre des mesures complémentaires afin de gérer les

creux de tension. Les paragraphes suivants traitent plus

abondamment de ces aspects et peuvent servir de point de

départ pour l’évaluation de toute installation.

Améliorer l’immunité d’une installation

Des mesures correctives peuvent être prises pour limiter

l’impact des creux de tension sur une installation ; c’est

ce qu’on nomme l’immunisation. À ce stade, il convient

d’opérer une distinction entre les mesures spécifiques (ou

« locales ») au niveau de l’appareil et les mesures globa-

les qui protègent toute l’installation (Figure 6). Il existe des

solutions techniques permettant de protéger globalement

chaque processus mais, pour la plupart des installations, un

investissement dans une solution d’immunisation globale

n’est pas justifié économiquement.

9 | S’il n’existe pas de norme spécifique, la norme générale est d’application (EN61000-6-1 et EN61000-6-2).

Contrôleurs Réseau

Actuateurs

A B C

PQ Monitor Client BT PQ Monitor BT

A Adaptation au niveau de l'appareilB Adaptation pour tout le processusC Protection globale de l'entreprise

Figure 6 | Mesures locales et globales pour l’immunisation contre les creux de tension


La Figure 7 explique comment évaluer le coût d’investis-

sement nécessaire pour renforcer l’immunité d’une instal-

lation par rapport aux économies futures (coûts évités par

la réduction du nombre d’interruptions du processus). Il

convient tout d’abord de définir les processus les plus cri-

tiques de l’installation. Le niveau de criticité d’un processus

peut être évalué de différentes manières : sécurité, durée de

remise en service et perte de matières premières coûteuses

ne sont que certains des aspects à prendre en compte.

Ensuite, les appareils ou composants les plus sensibles uti-

lisés dans ces processus critiques doivent être localisés.

Comme le montre la Figure 9, chaque processus peut être

scindé en une partie ‘puissance’ et une partie ‘contrôle’. La

question fondamentale est de savoir si l’on peut se conten-

ter d’une immunisation au niveau du contrôle/commande.

Selon certains auteurs, jusqu’à 70% des arrêts de proces-

sus sont dus à un problème lié à l’appareillage de contrôle.

De plus, immuniser la partie ‘contrôle’ nécessite générale-

ment des investissements limités par rapport aux méthodes

d’immunisation du circuit de puissance.

Si le problème ne se situe pas au niveau du système de

contrôle/commande, il convient de vérifier quelles adapta-

tions du circuit de puissance peuvent accroître la fiabilité

de l’installation.

Enfin, il faut quantifier les adaptations et investissements

nécessaires par rapport aux coûts évités grâce à l’amélio-

ration de la fiabilité. À ce stade, il est essentiel de disposer

d’informations sur la nature et le nombre de creux auxquels

on peut statistiquement s’attendre. Pour obtenir ces infor-

mations, il est recommandé d’effectuer des mesures au

point de raccordement de l’installation. Ces mesures peu-

vent éventuellement être réalisées par le client lui-même

ou par un prestataire de services spécialisés. Si cela n’est

pas possible, l’utilisateur pourra se référer aux données de

mesures à caractère plus général disponibles auprès du

gestionnaire de réseau. Celles-ci proviennent de différents

points de mesure.

Lorsque le résultat de cette analyse technico-économique

est positif, l’adaptation du processus pourra être envisa-

gée. La Figure 8 présente l’exemple d’une telle analyse.

Par rapport à la situation actuelle (‘0’), les coûts totaux des

différentes solutions envisagées (de A à E) montrent que la

solution A est de loin la meilleure : les coûts d’investisse-

ment sont les plus faibles, de même que les coûts résiduels

de ‘Power Quality’ (qualité de l’énergie électrique). Bien en-

tendu, le choix ne s’avère pas toujours aussi évident.

La réalisation d’une analyse détaillée est souvent une tâche

assez ardue. Il faut parvenir à identifier les appareils ou instal-

lations qui sont à l’origine de l’interruption du processus. Il est

donc fondamental de considérer chaque partie du processus

et de disposer des connaissances suffisantes pour pouvoir

proposer une solution appropriée. L’expérience joue ici un rôle

primordial. En plus des experts du processus proprement dit,

le support de spécialistes externes est souvent requis.

Déterminer les processus critiques dans l’entreprise

Détecter les appareils les plus sensibles dans chaque processus critique

Analyser le coût d’investissement p/raux coûts évités par la réduction du nombre d'arrêts

Nombre et nature des creux de tension(mesurés par l’entreprise ou via le gestionnaire de réseau)

Suffit-il de protéger la partie

contrôle/commande ?

Définir la stratégie d’immunisationde la partie ‘contrôle/commande’

Définir la stratégie d’immunisationdans le circuit de puissance

oui non

Figure 7 | Plan d’actions

pour l’immunisation des processus

050

100150

200250300350400

450

0 A B C D E

Coûts de protection

Coûts de PQ

Figure 8 | Analyse technico-économique

des techniques de protection (A à E).


La Figure 9 donne la structure schématique d’une partie

d’installation. Une distinction est faite entre le circuit de

puissance et la partie ‘contrôle’ (ou contrôle/commande).

Le processus est géré au moyen d’actuateurs (ou action-

neurs) comme des moteurs ou des régulateurs de vitesse.

Les actuateurs sont reliés au réseau électrique via des

contacteurs et des systèmes de protection. Dans la partie

‘contrôle’, on trouve notamment l’automate programmable

(PLC en anglais). Les paramètres du processus sont me-

surés par des sondes et interprétés par le processeur de

l’automate, qui commande ensuite les actuateurs et/ou la

connexion des contacteurs.

Les problèmes d’immunisation et les solutions possibles

sont analysés succinctement ci-après, tout d’abord en ce

qui concerne la partie ‘contrôle’ et ensuite pour ce qui tou-

che aux actuateurs qui sont très sensibles aux creux de

tension.

Appareillage de contrôle

L’appareillage de contrôle comprend notamment les auto-

mates programmables (PLC), des processeurs, des modu-

les de communication des données (‘bus’), un appareillage

de visualisation, des relais et des sondes de mesure. Ce

sont généralement des appareils alimentés en monophasé,

avec une puissance limitée par rapport aux actuateurs. La

perte d’un seul des éléments de la partie ‘contrôle’ à cause

d’un creux de tension peut avoir des conséquences extrê-

mes. La déperdition de l’information provenant d’une sonde

peut, par exemple, être interprétée par un automate de ma-

nière telle que les actuateurs soient mis à l’arrêt alors qu’ils

auraient peut-être pu supporter le creux de tension sans

difficulté. Dans d’autres situations, l’interruption volontaire

de certains actuateurs peut se justifier lors de la détection

d’un creux, avec remise en service de façon contrôlée après

le rétablissement de la tension. En d’autres termes, le main-

tien en service, à tout moment, de l’appareillage de contrôle

est essentiel, de même que la mise en place réfléchie d’un

système de réglage. L’aperçu ci-après propose quelques

techniques permettant de bien protéger la partie ‘contrôle’.

Réseau Contacteur Actuateur Processus

SondesPLCAlimentation

Programmation

Figure 9 | Schéma type d’une installation, avec distinction entre la partie ‘contrôle’ et la partie ‘puissance’.


Suggestions de protection de l’appareillage de contrôleUtiliser des alimentations en courant continu plutôt qu’en alternatif : les alimentations CC disposent par définition d’une réserve d’énergie. Elles sont donc typiquement moins sensibles

aux creux (p.ex. les contacteurs avec enroulement d’excitation à cc).

Prévoir des alimentations conditionnées pour l’appareillage de contrôle : la puissance installée d’un appareillage de contrôle monophasé est généralement faible. Le coût de la protection à

prévoir est donc souvent justifiable. Pour ce faire, on utilise généralement des systèmes de type UPS (ou ASI, pour

alimentation sans interruption). Il convient de noter que la fiabilité d’une unité UPS dépend en grande partie de la

situation des batteries. Un bon entretien et le remplacement de ces batteries en temps opportun revêt donc un

caractère essentiel. C’est également vrai pour les automates programmables : il est capital de remplacer la batterie

de secours à temps de manière à ne pas perdre le programme.

Utiliser des techniques de programmation adaptées : pour les processus basés sur des actions séquentielles, il est préférable de ne pas utiliser la mémoire vive pour les

variables d’action. De cette manière, si le contrôleur doit être redémarré, l’étape à laquelle se trouvait le processus

avant le creux est connu et le processus peut être redémarré rapidement.

Dans les installations existantes, les circuits de puissance et

de contrôle ne sont pas toujours strictement séparés. Il n’est

donc pas toujours évident d’alimenter tout l’appareillage de

contrôle à partir d’une unité de type UPS.

Actuateurs

Les actuateurs (appelés aussi actionneurs) constituent le

cœur de la partie opérative de toute installation. Parmi ceux-

ci, on trouve les moteurs couplés au réseau, les entraîne-

ments à vitesse variable et les contacteurs. Des éléments

supplémentaires peuvent y être ajoutés en fonction de la

nature du processus, comme par exemple des redresseurs

pour électrolyse.

Le comportement des appareils les plus courants est abor-

dé ci-après, de même que les mesures qui peuvent être

prises pour diminuer la sensibilité aux creux de tension de

leurs composants. Il est important de signaler que, pour un

même type d’appareil, il existe parfois des différences de

comportement notables selon les marques. Dans le cas

d’installations très sensibles, il peut donc s’avérer très utile

de déterminer la sensibilité exacte des actionneurs via des

tests ou de donner au fournisseur toutes les indications re-

quises quant au comportement souhaité de l’appareil10.

Moteurs à induction couplés au réseau

Les moteurs à induction couplés au réseau sont parmi les

plus gros consommateurs d’énergie électrique dans l’in-

dustrie. Dans la plupart des cas, ils sont peu sensibles aux

creux de tension. Ils ne se déconnectent pas immédiate-

ment lors de la survenue d’un creux, mais leur point de

fonctionnement change (Figure 10) ; la tension plus basse

entraîne une diminution du couple maximal (proportionnelle

au carré de la tension) et l’abaissement de la vitesse de

rotation du moteur à induction (wdip

au lieu de wnom

). La vi-

tesse à laquelle le nouveau point de fonctionnement est at-

teint dépend du couple de charge et de la lenteur ou inertie

10 | IEC 61000-34, IEC 61800


de l’entraînement. Si le ralentissement qui en résulte n’en-

traîne pas de conséquence néfaste sur le fonctionnement

normal du processus, il peut être toléré. Des creux avec une

tension résiduelle de 70 % ne posent généralement aucun

problème. Si le ralentissement n’est pas envisageable, il est

alors préférable d’arrêter l’entraînement.

Lors du rétablissement de la tension d’alimentation à la fin

du creux, le moteur est soumis à une réaccélération jusqu’à

son point de fonctionnement initial. Au cours de cette accé-

lération, des courants élevés circulent dans le moteur, com-

parables au courant de démarrage. Dans beaucoup d’ap-

plications, des mesures sont prises pour éviter les courants

de démarrage élevés. En effet, ceux-ci créent une charge

thermique pour le moteur et entraînent en outre des chutes

de tension en amont.

Dans le cas de moteurs très puissants, cela peut entraîner

un creux de tension. Les démarrages très lourds se font

souvent sans charge (p.ex un compresseur) ou s’effectuent

via un démarrage en étoile-triangle ou une alimentation

électronique de puissance. Lors d’un creux de tension de

courte durée, ces techniques de démarrage ne sont pas ac-

tives. Par conséquent, des courants très importants circu-

lent et peuvent être erronément interprétés par la protection

du moteur (détection locked-rotor). Celle-ci se déconnecte

alors du réseau et stoppe l’entraînement avec, dans le pire

des cas, l’arrêt de l’application toute entière.

MoteUrs à indUction coUPlés aU réseaU

conséquences d’un creux Mesures correctives à prendre

Ralentissement du moteur

Couple maximal plus faible

Courants élevés lors du rétablissement de la tension

d’alimentation : nouvelle chute de tension

Déconnecter les moteurs non critiques. Développer une

procédure de redémarrage séquentielle

Activation de la protection du moteur (courants élevés)

Retarder le déclenchement lors de la détection d’un

creux

Moteurs à vitesse variable

Les onduleurs électroniques de puissance sont utilisés lors-

que la vitesse de l’entraînement doit pouvoir varier de façon

souple ou pour économiser de l’énergie. Lors de l’appari-

tion d’un creux, les onduleurs électroniques de puissance

sont le maillon faible du système d’entraînement. Un on-

duleur standard pour moteur à courant alternatif utilise un

redresseur à diodes, un bus continu avec stockage limité

d’énergie dans un condensateur, et un inverseur qui délivre

la tension alternative adaptée au moteur (Figure 11). Lors

d’un creux, il n’y a pas d’énergie transmise du réseau vers

le bus continu. La tension de ce circuit chute et la protection

de l’onduleur déconnecte l’appareil. À la figure 12, la ligne

pointillée reproduit la forme typique d’une courbe de tolé-

rance. Le système d’entraînement doit alors être à nouveau

redémarré, soit manuellement, soit automatiquement.

De nombreux régulateurs de vitesse disposent d’options

pour limiter les conséquences de creux. Elles sont succinc-

tement présentées ci-après.

T

Couple moteur avant le creux

Couple moteur pendant le creux

Couple de charge Nouveau point defonctionnement

Point de fonctionnementnormal

dip nom

Figure 10 | Impact d’un creux

sur la caractéristique couple (T)-vitesse de

rotation (w) d’un moteur à induction

Tableau 2 | Conséquences et mesures en cas

de creux pour les moteurs à induction

couplés au réseau


démarrage « en vol » : il s’agit du redémarrage rapide

de l’entraînement après un déclenchement consécutif à un

creux; la vitesse du moteur, que celui-ci soit encore en rota-

tion ou non, est déterminée de manière à éviter les courants

de moteur élevés.

réserve cinétique : si la vitesse de rotation de l’appli-

cation peut être réduite et s’il y a suffisamment d’énergie

cinétique disponible dans les parties tournantes, cette éner-

gie peut être extraite des parties tournantes lors de l’appa-

rition d’un creux en freinant le moteur (Figure 12 - Réserve

cinétique). De cette manière, l’onduleur reste actif et est

capable de faire à nouveau accélérer le moteur de façon

contrôlée après le rétablissement de la tension.

redresseur actif : des développements récents permettent

le remplacement d’un redresseur à diodes par un redres-

seur actif (Figure 12). Cela permet de maintenir à niveau la

tension du bus continu lors de chutes de la tension d’ali-

mentation. L’application ne subit alors aucune nuisance liée

au creux. Pour pouvoir transmettre la même puissance dans

une telle situation, un courant plus élevé doit être extrait,

ce qui peut entraîner une chute de tension supplémentaire.

Un redresseur actif permet généralement de soutenir des

creux ayant une tension résiduelle de 60 %. Un redresseur

actif surdimensionné permet même de supporter des creux

plus profonds.

Les entraînements à courant continu sont aussi sensibles

aux creux de tension. Un pont à thyristors à l’entrée d’un tel

entraînement doit être commandé en synchronisation avec le

réseau. Le synchronisme peut être perdu lors d’un creux de

tension. De tels systèmes sont particulièrement sensibles lors

de la réinjection d’énergie (fonctionnement en onduleur).

RST

Réseau

dcL

chargeR

C

T1 T2 T3

acmoteur

redresseur Bus continu inverseur

Figure 11 | Schéma d’un onduleur pour réglage de vitesse

Figure 12 | Impact de la réserve

cinétique ou de l’utilisation d’un

redresseur actif sur la courbe

de tolérance d’un entraînement

à vitesse variable


entraînements à courant alternatif à vitesse variableconséquences d’un creux Mesures correctives à prendre

Activation de la protection de sous-tension entraînant le déclenchement (surtout les creux de Type III)

Redémarrer l’onduleur:

• Sur moteur tournant

• Sur moteur à l’arrêt

Abaisser la limite de sous-tension et placer des inductances

Utiliser un onduleur avec une plus grande capacité du bus continu

Utiliser un redresseur actif

Freiner la charge entraînée (réserve cinétique)

Ralentissement du moteur Utiliser un onduleur avec rétroaction de la vitesse ou des variateurs à contrôle vectoriel de flux

Déclenchement par détection de perte de phase (Creux de Type I et II)

Retarder la détection de perte de phase > 500 ms si possible

Déclenchement suite à des courants de moteurs élevés après rétablissement de la tension d’alimentation (Onduleurs U/f)

Utiliser des variateurs à contrôle vectoriel de flux

Perte du système de réglage de l’onduleur Alimenter séparément le système de réglage via une unité UPS

Oscillations de la tension du bus continu lors du rétablissement de la tension avec rupture des diodes du bus continu

Placer judicieusement des inductances de lissage

Tableau 3 | Conséquences et mesures correctives pour des entraînements à vitesse réglable

Contacteurs

Des contacteurs sont utilisés pour connecter les actuateurs

au système d’alimentation. Les contacteurs classiques com-

prennent un enroulement d’excitation alimenté en courant

alternatif ou continu. Le contact mécanique du contacteur

se ferme lors de l’excitation. Les contacteurs sont alimentés

en monophasé.

Suite à un creux de tension, les contacteurs peuvent s’ouvrir

de façon incontrôlée, ce qui peut mener à l’arrêt du processus

et à des situations dangereuses. Pour éviter ce type de pro-

blème, deux solutions sont possibles: maintenir les contac-

teurs continuellement en position fermée, ou bien ouvrir les

contacteurs de façon contrôlée en cas de détection d’un

creux. Cette dernière solution est notamment mise en œu-

vre pour le redémarrage sous contrôle de puissants moteurs

connectés au réseau. Si les contacteurs ne peuvent pas être

ouverts, il est préférable d’opter pour une excitation en cou-

rant continu, voire pour une solution plus drastique, à savoir le

recours à une unité UPS pour garantir l’alimentation.

La Figure 13 présente des courbes de tolérance pour des

contacteurs avec bobinage à courant alternatif. La zone

grise est délimitée d’une part, par les meilleurs contacteurs,

et d’autre part, par les contacteurs de qualité médiocre.

On observe une grande dispersion du comportement d’un

contacteur à l’autre. Il est donc indiqué, pour des processus

critiques, d’interroger les fournisseurs sur le comportement

de leurs appareils lors de creux de tension.

Tension (pu)

Passe

Echec

L'immunité du contacteurvarie d'un fournisseur à l'autre

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Tim, (ms)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Figure 13 | Courbe de tolérance pour des

contacteurs disponibles sur le marché

Temps (ms)


Les relais de sous-tension appartiennent aussi au groupe

des contacteurs. Ils remplissent une fonction de sécurité

lorsque la tension d’alimentation est trop basse. Ils peu-

vent déconnecter une machine lors d’un creux de tension

de courte durée, alors que ce creux ne pose pas forcément

de problème pour d’autres appareils.

Procédure de redémarrage

Dans de nombreux cas, une protection complète ne se justifie

pas d’un point de vue financier. Les méthodes qui ont été

évoquées ci-avant doivent permettre de réduire le nombre

d’arrêts des installations. Quoi qu’il en soit, des arrêts inter-

viennent irrémédiablement en cas de creux profonds et longs.

Afin de relancer l’installation après un tel arrêt, il est néces-

saire de disposer d’une procédure identifiant, étape par éta-

pe, les actions à prendre ainsi que les différents intervenants.

Ainsi, il ne serait pas opportun de vouloir faire redémarrer

une machine qui requiert de l’air comprimé, sans remise en

service préalable de l’installation qui comprime l’air.

Solution d’immunisation globale

Si des parties importantes d’une installation sont sensibles

aux creux, un dispositif d’immunisation peut être installé. La

plage de puissance d’un tel appareillage peut facilement at-

teindre 1 MW. Il faut établir une distinction entre les systèmes

UPS statiques et les systèmes UPS rotatifs. La capacité de

cet appareillage à compenser des creux dépend en grande

mesure de la quantité d’énergie présente dans le dispositif

d’immunisation. Les systèmes statiques sont plutôt utilisés

pour les petites plages de puissance.

Comme indiqué à plusieurs reprises dans cette brochure, il

est important de mesurer les creux de tension. Les gestion-

naires de réseau procèdent au suivi de la qualité de la tension

de leurs réseaux. Cela leur permet notamment de disposer

d’informations globales sur les creux de tension, informations

qui ont par exemple servi à rédiger cette brochure.

Vu la manière dont ces creux de tension se propagent (voir

aussi le paragraphe ‘Causes et propagation’ au Chapitre 2),

les mesures de creux ne donnent pas toujours une image

précise de ce qui se produit exactement chez un utilisateur

du réseau. Pour évaluer correctement l’impact des creux de

tension et l’efficacité des mesures d’immunisation, il est for-

tement recommandé aux utilisateurs de mesurer les creux de

tension au niveau de leur installation. En cas de conséquen-

ces néfastes sur un processus, le coût de ces évaluations est

généralement tout à fait négligeable par rapport à la contribu-

tion qu’elles peuvent apporter dans le processus d’immuni-

sation, y compris lorsqu’elles sont confiées en sous-traitance

à des prestataires de service externes. En outre, ces mesures

apportent aussi une information sur les éventuels creux de

tension dont l’origine se situe en interne.

Afin de pouvoir comparer et interpréter correctement les

résultats de mesure, il est recommandé d’utiliser un appa-

reillage conforme à la norme européenne EN 61000-4-3011

(Classe A ou S). Les paramètres de mesure les plus adéquats

sont basés sur la norme européenne EN 50160.

Et pour disposer d’une analyse détaillée, ces mesures peu-

vent évidemment être complétées par d’autres, comme par

exemple des mesures de fluctuation de la tension (comme

indiqué à la Figure 1) ou l’évaluation de la qualité de l’énergie

électrique.

4. Mesurer les creux de tension

11 | EN 61000-4-30 : 2009 = IEC 61000-4-30 : 2009


Les creux de tension enregistrés peuvent être analysés

individuellement, et plus spécifiquement en fonction des

conséquences (ou de l’absence de conséquence) qu’ils ont

sur le processus concerné. Même l’absence d’impact sur

le processus peut fournir une information intéressante pour

préciser le niveau d’immunité des installations.

Vu le caractère stochastique de ces perturbations, il convient

d’effectuer ce type de mesures sur une longue période afin

de disposer de statistiques de creux de tension fiables. Le

tableau ci-dessous montre par exemple que, pour pouvoir

limiter l’incertitude statistique à 20 %, il faut réaliser des

mesures durant 20 ans si le nombre de creux s’élève en

moyenne à cinq par an. L’incertitude sera évidemment plus

élevée si la période de mesure est plus courte.

e = 50 % e = 20 % e = 10 %

µ = 2 creux/an 8 ans 50 ans 200 ans

µ = 5 creux/an 3,2 ans 20 ans 80 ans

µ = 10 creux/an 1,6 ans 10 ans 40 ans

Tableau 4 | Période de mesure statistique (avec e = incertitude et µ= fréquence moyenne de creux)


Même lorsque les réseaux sont correctement exploités et

entretenus, des creux de tension d’origines très diverses

peuvent se produire ; leurs conséquences sur les processus

sont aussi de nature très variable : risque pour le personnel,

coûts de matériel, coûts de redémarrage, risque de perte

d’image… Etant donné le caractère inévitable et l’influence

potentiellement néfaste des creux de tension, il est essentiel

de prendre cette problématique au sérieux et la contribution

de tous les acteurs est essentielle.

Le gestionnaire de réseau doit naturellement développer,

équiper et entretenir ses réseaux de manière adéquate et

mettre à disposition des informations générales sur les creux

de tension.

L’utilisateur du réseau, quant à lui, est le mieux placé pour es-

timer la criticité de ses processus et il doit prendre en compte

l’impact potentiel des creux de tension lors du développe-

ment de ses installations ou lorsqu’il établit un cahier des

charges et des spécifications techniques.

Les fabricants/fournisseurs connaissent leurs produits et

ont dès lors la responsabilité d’informer correctement leurs

clients, notamment sur le comportement de ces produits en

cas de creux de tension. En outre, leurs appareils standard

peuvent souvent être équipés d’options permettant d’amélio-

rer leur immunité moyennant un surcoût limité. Ces options

constituent autant d’alternatives utiles qu’il convient donc de

proposer aux clients.

Les bureaux d’études doivent pour leur part prendre en

compte, dès la phase de conception d’un processus, l’impact

néfaste potentiel des creux de tension sur son bon fonction-

nement. Ils peuvent préciser les critères d’immunité dans le

cahier des charges, prendre des mesures complémentaires

d’immunisation pour les systèmes de réglage ou de contrôle/

commande, ou encore prévoir des procédures de redémar-

rage, etc.

En raison de la nature même des creux de tension et de la

diversité des installations, il n’existe pas de solutions « clé en

main ». Mais en la matière, une règle d’or s’impose : mieux

vaut prévenir que guérir. Une approche préventive, prenant

en compte l’impact des creux de tension dès la phase de

conception, est préférable à une approche curative. Bien en-

tendu, les mesures d’immunisation à caractère curatif peu-

vent aussi avoir un effet très favorable.

Que l’on opte pour une approche préventive ou curative, il

est fondamental d’opérer de manière structurée. Une évalua-

tion personnalisée, tant de la nécessité que de la méthode

d’immunisation des installations, s’impose. Le responsable

du processus doit procéder à une évaluation précise de

l’impact des creux de tension sur le fonctionnement de son

installation. Une information sur la nature des creux pouvant

se produire est également requise afin de pouvoir dégager

une analyse financière correcte. Les gestionnaires peuvent

mettre à disposition des informations globales sur les creux

se produisant sur leurs réseaux. Idéalement, l’utilisateur du

réseau complétera ces informations par des mesures réali-

sées à son niveau.

Les informations et conseils communiqués dans cette bro-

chure permettent une première estimation des mesures per-

mettant d’assurer ou d’améliorer la fiabilité des processus.

Pour une analyse plus détaillée de la problématique, nous

renvoyons le lecteur intéressé vers la brochure détaillée édi-

tée par le CIGRE (le Conseil International des Grands Réseaux

Électriques). Des prestataires de services spécialisés peuvent

également apporter leur aide dans ce domaine.

5. Conclusion

La présente brochure est une initiative de Synergrid

et a été réalisée en collaboration avec Laborelec et Howest (Hogeschool West-Vlaanderen).

creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable

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