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n°169la conception desréseauxindustriels enhaute tension

Georges THOMASSET

Diplômé ingénieur de l’Institutd’Electrotechnique de Grenoble(IEG) en 1971.Depuis, il a réalisé des études deconception de réseaux industrielscomplexes au sein de la DirectionTechnique dans la SociétéMerlin Gerin.Après avoir dirigé le bureau d'études«distribution publique MoyenneTension et installationshydroélectriques» il est, depuis1984, responsable du servicetechnique de l'unité industrie dudépartement de réalisationd'ensembles.

CT169 édition octobre 1993

Cahier Technique Merlin Gerin n° 169 / p.2

lexique

la publication CEI 71 précise desgammes de tensions les plus élevéespour le matériel :gamme A = 1 kV < U < 52 kV,gamme B = 52 kV ≤ U < 300 kV,gamme C = U ≥ 300 kV.Une révision est prévue, elle retientseulement deux gammes :gamme I = 1 kV < U ≤ 245 kV,gamme II = U ≥ 245 kV. le distributeur national d'énergie enFrance, EDF, utilise maintenant leclassement du décret cité ci-dessus.

plan de protection d’un réseau :organisation globale des protectionsélectriques regroupant : le système deprotection retenu, le choix desappareils et de leurs réglages.

récepteurs "à temps zéro" :récepteurs pour lesquels aucuneabsence d'alimentation n’est tolérée.

réseau privé : réseau électriquealimentant un ou plusieurs sitesd'utilisation (usines) appartenantgénéralement à un même propriétaire.

flicker : fluctuations périodiques deluminance d'une source lumineuse, ou«papillotement».

HTA et HTB : domaines de tensiondéfinis par le décret français du14 novembre 1988.Remarque :Les niveaux de tensions font l'objet dedifférents classements selon lesdécrets, les normes, et autresspécifications particulières telles cellesde certains distributeurs d'énergie, ainsien ce qui concerne les tensionsalternatives supérieures à 1 000 V : le décret français du 14 novembre1988 définit deux domaines detension :HTA = 1 kV < U ≤ 50 kV,HTB = U > 50 kV. le CENELEC (Comité Européen deNormalisation Electrotechnique) danssa circulaire du 27 juillet 1992 précise :MT = 1 kV < U ≤ 35 kV,HT = U > 35 kV.

réseau public: réseau électriqueappartenant à un distributeur nationalou local d'énergie et desservantplusieurs consommateursindépendants.

stabilité dynamique d’un réseau :faculté qu’a un réseau, comportantplusieurs machines synchrones, dereprendre un fonctionnement normal àla suite d’une perturbation brutale ayantentraîné une modification provisoire(cas d’un court-circuit) ou définitive(ouverture d’une ligne) de saconfiguration.

structure d'un réseau : pland'ensemble d'un réseau, souventreprésenté sous la forme d'un schémaunifilaire, qui précise la dispositionrelative (interconnexions, séparationsde circuits,…) des différentes sourceset des utilisations.

usine : regroupement (en un lieu) deplusieurs utilisations d'énergie.

annexe 1 : extension d'un réseau hypothèses p. 19

calcul approché de la réactance p. 19de limitation

annexe 2 : moyens informatiques logiciels de calculs p. 20

système expert d'évaluation de la p. 20qualité de conception d'un réseauélectrique

annexe 3 : principe général de la compensation p. 20

annexe 4 : choix du schéma des liaisons à la terre pour un réseauindustriel HT p. 21annexe 5 : chute de tension dans un réseau p. 22

annexe 6 : les étapes de conception d'un réseau industriel p. 22

annexe 7 : bibliographie p. 24

industriel existant

annexes

utilisés pour les études de réseaux


sommaire

1. besoins et principales contraintes les besoins à satisfaire p. 4les contraintes principales p. 5

2. conception des réseaux bilan de puissance, coefficients p. 7industriels - principales règles d'utilisation et de simultanéité

choix des tensions p. 7

compensation de l'énergie p. 7réactivesources de sécurité et de p. 7remplacementproduction autonome d'énergie p. 8électriquefractionnement des sources p. 8

schéma général électrique p. 8

3. validation et optimisation choix du schéma des liaisons à p. 9technico-économique la terre (régime de neutre)

définition des canalisations p. 9électriquesétude de la coordination de p. 9l'isolementdéfinition d'un système de p. 9protectioncalcul des intensités des p. 10courants de court-circuitcalcul des variations de tension p. 11en régimes normal et perturbéchoix du mode de démarrage p. 11des moteursstabilité dynamique des réseaux p. 12

synthèse p. 13

4. choix de la structure et structures types des réseaux p. 14

exemple concret d'une structure p. 16

choix des équipements p. 16

exploitation optimale p. 16

5. conclusion p. 18

annexes voir page ci-contre

Soumis à une concurrence toujoursplus âpre, les industriels doiventpratiquer une gestion très rigoureuse etavoir une disponibilité importante deleur outil de production.Les réseaux électriques livrent l'énergienécessaire à l'outil de production. Lacontinuité d'alimentation des récepteursélectriques est recherchée dès laconception du réseau, et en particulierlors des choix préliminaires du schémaunifilaire.La réduction des coûts de réalisation etd'exploitation d'une installationélectrique, avec un fonctionnement sûret sans défaillance, sont des conditionsessentielles de rentabilité. Cetteoptimisation technico-économiquedépend d'une analyse préalable,détaillée et globale, à savoir : des besoins et contraintesspécifiques au type d'industrieenvisagée, de l'intégration des limites etcontraintes du réseau de distributionpublic, des normes et usages locaux, des spécificités du personnelutilisateur, exploitant et demaintenance.La présente étude se limite aux étudesde conception des installationsindustrielles Haute Tension -HTA etHTB- de forte puissance ayant commecaractéristiques principales : de puissance installée de l'ordre de10 MVA, avec une production autonomed'énergie électrique (éventuelle), alimentées à partir d'un réseaunational de transport ou de distribution(≥ 20 kV), comportant une distribution privée enMoyenne Tension.

la conception des réseaux industriels enhaute tension

à satisfaire

exploitation optimale des réseaux


Le coût minimal de l'installationélectrique.Le coût minimal de l'installationélectrique n'est pas nécessairement larecherche du coût minimal initial maisla somme de trois coûts : le coût de l'investissement initial, les coûts d'exploitation et demaintenance, les coûts de pertes de production liés àla conception et au plan de protection(système de protection retenu, choix desappareils et des réglages) du réseau.

L'optimisation de l'énergie électriqueLorsqu'une usine comporte desgénérateurs d'énergie électrique, il estnécessaire de gérer au mieux l'énergiefournie par le distributeur et l'énergieproduite localement.Un système de contrôle-commandepeut optimiser le coût de l'énergieconsommée dans l'usine en fonction : du contrat souscrit avec ledistributeur (tarification selon l'instant,heure, jour et saison) ; de la disponibilité des générateurs del'usine ; des impératifs du processus industriel.

Les évolutions et extensions futuresdu réseauIl y a lieu d'apprécier avec le plus grandsoin, lors de la conception d'un réseauindustriels, les évolutions futures desusines, surtout si des extensions sontprévisibles.Les éventuelles et futures modificationssont à prendre en compte : dans le dimensionnement desorganes principaux d'alimentation(câbles, transformateurs, appareils decoupure), dans la conception du schéma dedistribution, et dans le calcul des surfacesréservées aux locaux électriques.Cette anticipation conduit à unemeilleure flexibilité de la gestion del'énergie.

La rénovation des réseauxLes consommations d'énergieélectrique augmentent avec lesextensions nécessaires pour lesnouvelles fabrications et les nouvelles

1. besoins et principales contraintes à satisfaire

électriques sont à prendre en comptepour éviter l'incendie et limiter les effetsdestructeurs: les surintensités (court-circuit etsurcharge), les surtensions.

Les solutions retenues doivent assurerau minimum : l'élimination rapide du défaut, et lacontinuité d'alimentation des partiessaines du réseau (sélectivité), la fourniture des informations sur lanature du défaut initial, pour uneintervention efficace.

La continuité d'alimentation desrécepteursLa continuité d'alimentation desrécepteurs est nécessaire pour desraisons de : sécurité des personnes, exemple :éclairage ; maintien de l'outil de production,exemple : tréfilerie de verre ; productivité ; confort d'exploitation, exemple :procédure simplifiée de redémarraged'une machine, d'un atelier.

Selon leurs impératifs defonctionnement, les récepteurs serépartissent en trois familles : les récepteurs "ordinaires", les récepteurs "essentiels", les récepteurs "à temps zéro" pourlesquels aucune absenced'alimentation n’est tolérée.

La facilité d'exploitation du réseauAfin de mener à bien leurs tâches avecsûreté et fiabilité, les exploitants duréseau doivent avoir à leurdisposition : un réseau facile à conduire afin d'agiravec certitude en cas d'incident ou demanœuvre ; des appareils et équipements d’undimensionnement suffisant, à faibleentretien et facilement réparables(maintenabilité) ; des moyens de contrôle-commandeperformants facilitant la conduite duréseau par la centralisation en tempsréel et en un lieu unique de toutes lesinformations relatives à l'état du"process électrique", en régime normalet perturbé.

Les réseaux électriques industrielsdoivent assurer, aux coûts optimauxd'investissement, d'exploitation et depertes de production, l'alimentation detous les récepteurs de l'usine en tenantcompte : des besoins à satisfaire : la sécurité des personnes, la sécurité des biens, la continuité d'alimentation, la facilité d'exploitation du réseau, le coût minimal de l'installation, l'optimisation de l'énergie électrique(coût / qualité), les évolutions et extensions futuresdu réseau, la rénovation du réseau ; des contraintes imposées liées : au processus industriel, au processus électrique, au distributeur d'énergie, au climat et à la géographie du site, aux normes, prescriptions et usageslocaux.Il est évident que tous les besoins nepourront pas être satisfaits de façonoptimale : le concepteur doit rechercherle meilleur compromis.

les besoins à satisfaireLa sécurité des personnesMême si des normes ou règlesn'existent pas dans tous les pays, ilconvient de respecter certaines notionsévidentes : interdiction d'accéder aux piècesmises sous tension (protection contreles contacts directs), système de protection contrel'élévation du potentiel des massesmétalliques (protection contre lescontacts indirects), interdiction des manœuvres desectionneur de ligne en charge, interdiction de mise à la terre soustension, élimination rapide des défauts.

La sécurité des biensLes installations électriques ne doiventpas être soumises à des contraintesqu'elles ne pourraient pas supporter.Le choix des matériels et équipementsest donc capital. Deux grandeurs


machines toujours plus puissantes. Desrénovations et/ou des restructurationsde réseaux sont alors obligatoires.

Une étude de rénovation d'un réseaudoit être menée avec plus d'attentionqu'une étude d'une nouvelle installationcar d'autres contraintes existent, etnotamment : tenues électrodynamique etdiélectrique insuffisantes de certainsappareils ou équipements existants ; capacité à alimenter de grosrécepteurs (courants de démarrage,stabilité dynamique,…) ; surface et hauteur des locauxélectriques existants non modifiables ; situation géographique deséquipements et des récepteursimposée.Exemple d'une rénovation avecadjonction d'un nouveautransformateur : l'installation d'uneréactance triphasée entre l'ancienneinstallation et le nouveautransformateur permet de ne pas tropaugmenter l'intensité du courant decourt-circuit et donc de conserver leséquipements existants (cf. annexe 1).

La qualité des étudesLes études de conception et de détailsdoivent être menées avec méthode etrigueur. Ainsi l'obtention de lacertification ISO 9001, conduit à mettreen place des procédures décrivant lesétapes essentielles des études deconception et de détail dans le but deles maîtriser et de satisfaire au mieuxles besoins du client.Le Département de Réalisationsd'Ensembles de la Société Merlin Gerina obtenu la certification ISO 9001 en1992.

les contraintes principalesContraintes liées au processusindustrielOutre le besoin d'une forte continuitéd'alimentation nécessaire à certainsprocessus industriels, ces mêmesprocessus imposent aussi descontraintes : l'alimentation et surtout le démarragedes très gros moteurs entraînant desbroyeurs, concasseurs, ventilateurs,pompes, bandes transporteurs (causenotamment de chute de tensionimportante au démarrage) ; l'alimentation des fours à arc dontl'arc souvent instable provoque des

chutes de tension non équilibrées,brèves mais répétées (ayant pourconséquence le flicker), et peutproduire des harmoniques ; l'alimentation des dispositifsélectroniques de forte puissance(redresseurs, thyristors, ...) quigénèrent sur le réseau desdéformations importantes de l'onde detension (harmoniques) et dégradent lefacteur de puissance ; c’est le cas pourdes chaînes d'électrolyse, des foursélectriques à courant continu, et desmoteurs à vitesse variable.

De plus, certains processus industrielspolluent leur environnement : ilsproduisent des substances (poussières,gaz) parfois corrosives pouvant bloquerles mécanismes ou réduire lesperformances des appareils électriques(ex : tenue diélectrique) ou encoreprovoquer des explosions en présenced'arc électrique.

Contraintes liées au processusélectriqueAu cours de l'étude il faut tenir comptedes diverses conditions"électrotechniques" auxquelles doitsatisfaire tout réseau électrique enparticulier : limitation de l'intensité des courantsde court-circuit et de leur durée, démarrage ou redémarrage des grosmoteurs sans chute de tensionexcessive, stabilité des alternateurs à la suited'un incident.

Contraintes imposées par le réseaupublic de distribution d'énergieélectrique puissance de court- circuitLa valeur de la puissance de court-circuit du réseau amont alimentant leréseau privé est un élément décisifquant au choix : de la structure du réseau privé dedistribution, de la puissance maximale desrécepteurs, de certains récepteurs sensibles auxchutes de tension. schéma des liaisons à la terre(régime du neutre) du réseau publicIl est souvent conservé pour le réseauprivé, mais parfois non compatible aveccertains récepteurs. Il faut alors créerun réseau particulier avec :

un type de protection électriquecontre les défauts phase/terre, un mode particulier d'exploitation duréseau (recherche et/ou élimination dudéfaut par les agents d'exploitationdans le cas du régime de neutre isolé).

micro coupures ou baissesimportantes fugitives de tensions monoou polyphasées.La présence de tels phénomènes peutentraîner des perturbations, voire desarrêts de production et des destructionsde machines. Ainsi elle peutprovoquer : des erreurs de fonctionnement et/oudes pertes d'informations des systèmesinformatiques de process industriels(calculateurs, automates industriels),de gestion ou de calculs scientifiques ; la destruction mécanique d'unmoteur, de son accouplement et/ou dela machine entraînée. Cela arrive lorsd’une micro-coupure (réalimentationd’un moteur encore en mouvement), eneffet le couplage peut se réaliser enopposition de phase entre la tension duréseau et la tension résiduelle restituéepar le moteur, le courant absorbé par lemoteur est alors très important, de 4 à15 fois le courant nominal, et engendredes efforts électrodynamiquesexcessifs.

les surtensions d'origine externe, enparticulier les coups de foudre(cf. Cahier Technique n°168).

valeur et qualité de la tensiond'alimentation : la valeur de la tension d'alimentationimpose en partie l'organisation destensions du réseau privé. En effet, sil'alimentation est réalisée en HauteTension, il peut être intéressant deconserver cette valeur de tension pourla distribution principale d'une usine ; la qualité de la tension d'alimentation.Différentes variations de tensionpeuvent gêner voir empêcher le bonfonctionnement des équipements deproduction. Le tableau de la figure 1présente ces défauts, leurs causes etconséquences ainsi que les principauxremèdes.

Remarques :En terme de qualité de l'alimentation, ilfaut que les variations de la fréquencesoient acceptables ± 2 % et que lestaux d'harmoniques de tension soientinférieurs à 3 %.


variations de la tension quelques % 5 à 25 % 5 à 25 % 100 %

durée 1/100 à 1 s 0,5 à 20 s 20 s à 1 heure 0,1 à 0,3 s ou de 10 à 30 s

périodicité OUI NON NON NON

causes présence de four démarrage des gros absence de régulation système deélectrique à arc moteurs de la tension aux postes réenclenchement rapide

défaut mono ou source ou/et lent des lignes HTpolyphasé

conséquences variation de l'éclairage à risque d'instabilité du surcharge des moteurs suspension momentanée deincandescence (Flicker) réseau risque important l'alimentation de tous les

d'instabilité du réseau récepteurs

principaux remèdes employer des adapter le mode de équiper les prévoir des disjoncteur-compensateurs statiques démarrage transformateurs de shuntd'énergie réactive accroître la rapidité du régleurs en charge

plan de protection

fig. 1 : les variations de tension, leurs causes, leurs conséquences et les principaux remèdes.

Pour apprécier la qualité de l'énergieélectrique fournie et si nécessairel'augmenter, un grand distributeurnational européen, a installé plus de2000 appareils enregistreurs surl'alimentation de gros sites industriels.Ces appareils mesurent : les tensions et intensités efficaces, les puissances actives et réactives, les coupures brèves et longues, les creux de tension, les tensions et intensitésharmoniques, le déséquilibre de tension.Ils détectent aussi les signaux destélécommandes de 175 et 188 Hz.

Contraintes climatiques etgéographiquesPour définir au mieux lescaractéristiques des équipements etdes appareils, selon les typesd'installations, il convient de connaître : les températures moyennes etmaximales journalières, le taux d'humidité à la températuremaximale, la vitesse maximale des vents, la présence de givre, de glace, devents de sable, l'environnement (atmosphèrecorrosive ou risque d'explosion), l'altitude,

le niveau kéraunique de la région(fréquence des coups de foudre), les difficultés d'accès (pour letransport des matériels, mais aussipour la maintenance).

Respect des normes et usageslocauxSur ce point il faut particulièrementconnaître : les normes d'appareillage etd'installation nationales et/ouinternationales, les réglementation et prescriptionparticulières au complexe industriel, les usages locaux.


2. conception des réseaux industrielsprincipales règles

L'objet de ce chapitre est d'expliquercomment la conception d'un réseauindustriel prend en compte l'ensembledes obligations (besoins et contraintes)décrites au chapitre précédent.Les usines étant conçues pourfonctionner d'une manière continue, austade de l'étude toute interruption del'alimentation en énergie électrique doitdonc être évaluée et ses conséquencesexaminées, afin de déterminer lesmesures à prendre.La méthode proposée dans ce chapitrecomporte deux phases :- 1- la recherche de l'adéquationtechnique entre les besoins et lescontraintes (voir chapitre II),- 2- l'optimisation technico-économiquepar la maîtrise de certains calculs et lesconcepts présentés ci-après.L'annexe 2 liste, sans être exhaustive,les principaux logiciels de calcul utiliséspar les ingénieurs spécialistes d'étudesde réseaux.

bilan de puissance,coefficients d'utilisation etde simultanéitéC'est la première étape essentielle del'étude de la conception d'un réseau.Elle doit cerner et localisergéographiquement les valeurs despuissances.

Bilan de puissanceIl faut : distinguer les puissances actives,réactives et apparentes ; grouper les puissances par zonesgéographiques (3 à 8 zones) suivantl'étendue du site ; identifier par zone les récepteurs"ordinaires" - "essentiels" - "à tempszéro".

Coefficients d'utilisation et desimultanéité (cf. fig. 2)

choix des tensionsLe choix des tensions est déterminépar la fonction à réaliser : transport,

distribution ou utilisation. Ainsi, en HT,la tension de distribution n'est pasnécessairement identique à la tensiond'utilisation : par exemple, dans uneusine la tension de 20 kV peut être unevaleur optimale pour la distribution, euégard aux puissances et aux distancesdes ateliers par rapport au posteprincipal, et cela bien que la puissancede ses dix plus gros moteurs imposeune tension d'utilisation de 6,6 kV.

compensation de l'énergieréactiveLe distributeur local d'énergie imposegénéralement au point de livraison duclient une valeur minimale du facteurde puissance (cos ϕ).Pour satisfaire cette exigence, unecompensation de l'énergie réactive estsouvent nécessaire, elle peut êtreréalisée soit : au niveau de la sous station (ou dutableau principal) : compensationglobale ; au niveau des récepteurs :compensation répartie .Le principe général de compensationavec des condensateurs est présentéen annexe 3.Remarque : une forte compensationavec des batteries de condensateursfixes peut entraîner des surtensions.Un cas particulier est le phénomèned'auto-excitation des machinesasynchrones : les condensateursassociés à un moteur asynchrone(compensation répartie) peuventdonner lieu à des surtensions trèsimportantes lors d'une rupture de la

tension d'alimentation. Ce phénomèneest susceptible de se produire pour unecompensation supérieure à 90 % ducourant magnétisant, courant peudifférent du courant à vide du moteur.

sources de sécurité et deremplacementL'installation de source de sécurité sefait pour des raisons de protection despersonnes (normes et texteslégislatifs), par exemple pour lebalisage des voies d'évacuation.L'installation de source deremplacement est décidée pourmaintenir en service l'outil deproduction ou pour disposer d'une plusgrande souplesse d'exploitation.

production autonomed'énergie électriqueUne usine peut être dotée de moyensautonomes de production d'énergieélectrique pour alimenter desrécepteurs à "temps zéro", pour desraisons tarifaires, ou lorsque le procédéde fabrication de l'usine rend disponiblede l'énergie (thermique ou mécanique)par exemple sous forme de vapeur.Si le réseau public a une puissance decourt-circuit et une qualité de tension etde fréquence suffisantes, il estpréférable de faire fonctionner enparallèle les sources autonomes et leréseau public, car ce dernier aide àstabiliser le comportement desalternateurs de l'usine (tension etvitesse). Dans ces cas d'exploitation,

moteurs éclairage prisechauffage de courant

coefficient d'utilisation 0,75 1 (**)

coefficient de simultanéité 0,70 (*) 1 0,1 à 0,3

* Dépend du process** Dépend de leur destination

fig. 2 : ordre de grandeur des coefficients d'utilisation et de simultanéité.


un système de répartition despuissances actives et réactives entreles différents alternateurs et le réseaupublic est à prévoir.Lors d'incidents électriques graves surle réseau privé, ou sur le réseau publicà proximité de l'usine, une instabilitépeut se produire. Il peut être nécessairede procéder, dans un délaiextrêmement court (environ0,2 secondes), à une séparation duréseau public (îlotage des circuitsalimentés par les alternateurs) pour nepas risquer l'arrêt total des installations.Cette séparation s'accompagne, engénéral, d'un délestage des récepteursnon essentiels du réseau privé, ceciafin d'éviter sa surcharge.

fractionnement dessourcesCertains récepteurs provoquent desperturbations importantes sur le réseaude distribution privé. Le fractionnementdes sources (cf. fig. 3) permet d'isolerces récepteurs polluants et offre enplus deux avantages : avoir une meilleure sélectivité entreles protections, ce qui accroît lacontinuité d'alimentation des autresrécepteurs ;

M M M

récepteursnormaux

récepteurs"sensibles"

récepteurs "polluants"

éclairageinformatique

moteurs deforte puissance

moteur àvitesse variable

fig. 3 : le fractionnement des sources et un moyen de séparer les récepteurs «polluants» desautres récepteurs.

permettre l'adaptation du schémades liaisons du réseau à la terre(régime de neutre) aux utilisations.

schéma général électriqueA partir des différents élémentsprécédemment décrits dans cechapitre, le concepteur de réseauétablit une pré-structure qu'il affine en

fonction des contraintes du siteindustriel pour obtenir le "schémaunifilaire général de principe" de ladistribution électrique de l'usine : c'estle point de départ de l'optimisationtechnico-économique du réseau.Le chapitre suivant présentesimplement les différents choixpossibles et les calculs nécessaires àla recherche de la solution optimale.


3. validation et optimisation technico-économique

choix du schéma desliaisons à la terre (régimede neutre)Les normes et règlements imposentdes protections contre les contactsdirects et indirects pour touteinstallation électrique. En général lesdispositifs de protection assurent unecoupure automatique de l'alimentation(au premier ou au deuxième défautphase terre selon le schéma desliaisons à la terre retenu). Il existe aussides protections particulières adaptéesà certaines situations spécifiques.Un schéma des liaisons à la terre desréseaux en Haute Tension, peut êtrechoisi en fonction des critèresprésentés dans l’annexe 4.Mais, très souvent, il est intéressant defaire cohabiter dans un même réseauindustriel différents schémas, chacund'eux pouvant avoir un avantageprépondérant.

définition des canalisationsélectriquesLes canalisations électriques sont unepart importante de l'investissement del'installation électrique. Il est doncimportant, pour des raisons de sécuritéet de coût, de : choisir au mieux le bon type decanalisations (câble), et de calculer au plus juste sasection minimale, mais en tenant biencompte des courants de court-circuit etde démarrage, des chutes de tensions,des pertes, …

étude de la coordination del'isolementLa coordination de l'isolement permetde réaliser le meilleur compromistechnico-économique dans laprotection des personnes et desmatériels contre les surtensionspouvant apparaître sur les installationsélectriques, que ces surtensions aientpour origine le réseau ou la foudre.Trois types de surtensions peuventprovoquer un claquage et donc un

défaut d'isolement avec ou non unedestruction de matériel : surtensions à fréquence industrielle(50 à 500 Hz), surtensions de manœuvre, surtensions atmosphériques (coupde foudre).

La coordination de l'isolement participeà l'obtention d'une plus grandedisponibilité de l'énergie électrique. Samaîtrise nécessite : de connaître le niveau dessurtensions pouvant exister sur leréseau ; de définir un degré de performancerecherché ou plus explicitement un tauxde défaillance acceptable de l'isolation ; d'installer des dispositifs deprotection tout à la fois adaptés auxcomposants du réseau (niveaud'isolement) et aux types desurtensions ; de choisir les divers composants duréseau à partir de leur niveau de tenueaux surtensions qui doit satisfaire auxcontraintes précédemment définies.

Le Cahier Technique n° 151 décrit lesperturbations de tension, les moyensde les limiter ainsi que les dispositionsnormatives pour permettre unedistribution sûre et optimisée del'énergie électrique, cela grâce à lacoordination de l'isolement.

définition d'un système deprotectionLorsqu'un défaut apparaît sur unréseau électrique, plusieurs organes deprotection situés dans différentes zonesdu réseau peuvent détectersimultanément cette anomalie. Leurdéclenchement sélectif vise à isoler leplus rapidement possible la partie duréseau affecté par le défaut etuniquement cette partie, en laissantsous tension toutes les parties sainesde ce réseau. Le concepteur doit avanttout choisir un système de protectionqui lui permet de définir les unités deprotection les mieux adaptés. Il doit enoutre définir un plan de déclenchementqui consiste à déterminer les réglagesdes relais en courant et en

temporisation afin d'obtenir la bonnesélectivité du déclenchement.

Différentes techniques de sélectivitésont habituellement mises en œuvre,elles exploitent ou associent différentesdonnées et variables que sont lecourant, le temps, des informationslogiques, les dispositionsgéographiques,…

Sélectivité par le courant ouampèremétrique.Utilisée (en Basse Tension) lorsquel'intensité des courants de court-circuitdiminue fortement avec la distanceséparant la source du point de court-circuit considéré ou entre l'amont etl'aval d'un transformateur.

Sélectivité par le temps ouchronométriqueUtilisée en Basse Tension et trèssouvent en Haute Tension. Lesdéclenchements des appareils deprotection (disjoncteurs) sont d'autantplus différés que les appareils sontproches de la source. Pour s'affranchirdes régimes transitoires des courants,la durée minimale au point le pluséloigné de la source (immédiatementen amont de l'utilisation) est de 0,2 svoire 0,1 s si le réglage en courant esthaut, avec une durée maximale de 1 sà l'origine du réseau privé.Les retards peuvent être à tempsconstant ou à temps dépendants de lavaleur du courant de court-circuit.

Sélectivité par émissiond'informations logiques, ousélectivité logiqueElle est assurée par un ordre «d’attentelogique» d’une durée limitée, émis parla première unité de protection situéejuste en amont du défaut et devantcouper le circuit, vers les autres unitésde protection situées plus en amont.Cette technique mise au point etbrevetée par Merlin Gerin est détailléedans le Cahier Technique n° 2.Le retard au déclenchement est faibleet constant quelle que soit la positiondu défaut dans le réseau, ce quifavorise la stabilité dynamique duréseau et minimise les effetsdestructeurs d'un défaut ainsi que lescontraintes thermiques.


Sélectivité à l'aide de protectiondirectionnelle ou différentielleCette sélectivité permet une protectionspécifique d'une portion ou d'unélément déterminé du réseau.Exemples : transformateurs, câbles enparallèle, réseau bouclé, etc.

Sélectivité à l'aide de protection dedistanceElle est conçue à partir d'un«découpage» du réseau en zones. Lesunités de protection localisent dansquelle zone est situé le défaut par lecalcul de l'impédance du circuitconsidéré.Cette technique est peu utilisée sauf sile réseau privé HT est très étendu.

Un exemple d'un système de protectionutilisant plusieurs techniques desélectivité est décrit par la figure 4.

Nota : dans ce paragraphe, les critèresde choix des systèmes protection, desrelais et les valeurs de réglage desprotections ne sont pas abordés. Denombreux ouvrages traitent ces sujets,par exemple les Cahiers Techniquesn°2 et 158.

calcul des intensités descourants de court-circuitLa connaissance des différentesvaleurs des intensités des courants decourt-circuit est nécessaire dans larecherche de l'optimum technico-économique pour déterminer : les valeurs de pouvoir de fermetureet de coupure, fonction des Iccmaximales crête et efficace ; les tenues aux effortsélectrodynamiques des équipements etappareils électriques, fonction des Iccmaximales crête ; les réglages dans les études desélectivité des déclenchements desprotections, fonctions des Icc efficacesmaximales et minimales ).Le Cahier Technique n° 158, après unrappel des phénomènes physiques àprendre en compte fait le point sur lesméthodes de calcul prévues par lesnormes.

En présence de machines tournantes(alternateurs ou moteurs)l'établissement d'un courant de court-circuit peut être décomposé en troistemps ou «régimes» :

fig. 4 : système de protection utilisant plusieurs techniques de sélectivité, ampèremétrique,chronométrique et logique.

0,5s

0,5s

0,2s

0,2s

0,2s

fil pilote

fil pilote

sélectivité parémission d'informations

sélectivité parle temps

sélectivité parle courant

sélectivité parémission d'informations

régime subtransitoire, régime transitoire, régime permanent.Les régimes subtransitoires ettransitoires sont liés à l'extinction duflux emmagasiné dans les machines

tournantes synchrones ouasynchrones.Dans ces deux régimes il faut aborderla notion de composante asymétriqueappelée aussi composante continuedont l'amortissement dépend du


rapport R/X du réseau amont et del'instant du défaut par rapport à laphase de la tension.Enfin il convient de tenir compte de lacontribution des moteurs à l'intensité ducourant de court-circuit. En effet, lorsd'un court-circuit triphasé, les machinesasynchrones ne sont plus alimentéespar le réseau et le flux magnétique deces machines ne peut pas disparaîtrebrutalement.L'extinction de ce flux donne naissanceà un courant subtransitoire puistransitoire qui augmente la valeur del'intensité du courant de court-circuit duréseau.La valeur totale de l'intensité ducourant de court-circuit est alors lasomme vectorielle de deux courants decourt-circuit : celui de la source et celuides machines.

calcul des variations detension en régimes normalet perturbéEn régime normalLe calcul des variations de tension enrégime normal est une étape decontrôle qui permet de vérifier lestensions tout au long du réseau.Si les valeurs des tensions sont tropfaibles, le concepteur vérifie que : les flux de puissance active etréactive sont normaux, les canalisations électriques sontbien dimensionnées, les puissances des transformateurssont suffisantes, le principe de compensation del'énergie réactive est judicieux, la structure du réseau retenue estbonne.

En régime perturbéLe calcul des variations de tension enrégime perturbé est nécessaire pourvérifier si les phénomènes ci-après neconduisent pas à des chutes ou desélévations de tension excessives : démarrage d'un gros moteur(cf. fig. 5), fonctionnement dégradé du réseau(2 transformateurs en exploitation aulieu des 3 prévus pour la marchenormale, par exemple), exploitation des réseaux à vide, avecou sans compensation de l'énergieréactive.

L'annexe 5 indique l'expression etprésente le diagramme vectoriel de lachute de tension dans un réseau.

choix du mode dedémarrage des moteursLe mode de démarrage retenu (étoile-triangle, auto-transformateur,résistances ou réactancesstatoriques,…), doit évidemmentpermettre de disposer d'un coupled'accélération -Ca- suffisant (engénéral Ca > 0,15 Cn) , mais aussi neprovoquer que des chutes de tensionacceptables (< 15 %).

Rappel : l'équation qui régit l'étatd'équilibre du moteur avec lamécanique qu'il entraîne est :

C'm - Cr = J dωdt

C'm = couple du moteur sous tensionréelle d'alimentation (Ur),Cr = couple résistant de la mécaniqueentraînée,J = inertie de toutes les massesentraînées,dω/dt = accélération angulaire,

C'm = Cm . UrUn

2

Cm = couple du moteur sous tensionnominale (Un).

fig. 5 : exemple, pour l'installation d'un moteur de 1 200 kW alimenté par une ligne 60 kV de30 km de longueur, de détermination de la valeur des variations de tension lors de sondémarrage. A noter que la séparation de l'alimentation du «réseau usine» et du moteur apermis de n'avoir que 250 V de chute de tension sur le «réseau usine». xx kV = tension lors du démarrage du moteur

1200 kW = 5 nI

4,5 kV4,75 kV Un = 5 kVUn = 5 kV

réseau usine

moteur en cours de démarrage

57 kVUn = 60 kV

Un = 60 kV

ligne

30

km

I

Dem I

Dem I

Dem I

Dem


Ca = C'm - CrCa = couple d'accélération.La courbe représentant Ca en fonctionde la vitesse est donnée par la figure 6ci-après.

Le tableau de la figure 7 montre lesmodes de démarrages les plus usités(pour plus de détails consulter le CahierTechnique n°165).

stabilité dynamique desréseauxEn régime non perturbé, l'ensembledes machines tournantes (moteurs etalternateurs) faisant partie del'installation forme un système stableavec le réseau public d'alimentation.Cet équilibre peut être affecté par unincident sur l'un des réseaux (public ouprivé) tel que : fluctuation importante decharges, modification du nombre detransformateurs, de lignes ou desources d'alimentation, défautpolyphasé, etc.Il se produit donc soit une instabilitépassagère dans le cas d'un réseaubien étudié, soit une rupture de stabilité

si le phénomène perturbateur est trèsgrave ou si le réseau a une faiblecapacité de reprise (puissance decourt-circuit trop faible par exemple).

Comportement des moteursasynchrones lors d'un défauttriphaséVoici à titre d'exemple l'étude ducomportement des moteursasynchrones lors d'un défaut triphasé(cf. fig. 8).Après élimination du défaut, soit les moteurs ont des couplessupérieurs aux couples résistants : ilspeuvent réaccélérer et retrouver leurétat stable ; soit les moteurs ont des couplesinférieurs aux couples résistants : ilspoursuivent alors leur ralentissementen absorbant des courants importantsqui sont détectés par les protectionsdes moteurs et/ou du réseau,lesquelles provoquent ledéclenchement de leur disjoncteurassocié.

La reprise des moteurs, donc lastabilité dynamique du réseau, estfavorisée par :

un plan de délestage adapté(déclenchement des moteurs ordinaireset non essentiels en cas de défautsgraves) ;

besoins de caractéristiques mode de avantagesl'application de l'application démarrage inconvénients

process permanent machines nécessitant direct simplicité,ou quasi-permanent un fort couplage investissement réduit.démarrage ≤ 1/jour de démarrage au démarrage :

couple important,démarrages moteurs à faible appel direct appel de courant important,fréquents > 1/jour de courant ou de faible fortes contraintes

puissance mécaniques.

pompes, machines démarrant statorique réduction et deventilateurs sous faible couple par l'appel de courant aucompresseurs réactance démarragedémarrages (ajustage possible).fréquents

optimisation des lorsque l'intensité au statorique par optimisation du couple (réduit)caractéristiques de démarrage doit être auto- et de l'appel de courant audémarrage réduite tout en transformateur démarrage

conservant le couple (ajustage possible).nécessaire audémarrage

optimisation des démarrages rotorique faible appel de courant etcaractéristiques les plus difficiles fort couple de démarrage.de démarrage àfort couple

0

CCn

couple

1

0vitesse ω

Cm

C'm

Cr

CnCa

0,6

C'm = couple du moteur sous tension réelled'alimentation (Ur),Cr = couple résistant de la mécaniqueentraîné,Cm = couple du moteur sous tensionnominale (Un),Ca = couple d'accélération.

fig. 6 : représentation des différents couplesd'un moteur selon sa vitesse, avec unebaisse de tension de l'ordre de 15 % (d'oùC'm ≈ 0,7 Cm) et un couple résistant Cr ≈ 0au démarrage.A noter qu'une telle baisse de tension nepermettrait pas le lancement de ce moteuravec un Cr > 0,6.Cn au démarrage, caralors Cr > C’m. fig. 7 : modes de démarrage les plus couramment usités.

fig. 8 : comportement des moteursasynchrones lors d'un défaut triphasé.

défaut triphasé

chute de tension

augmentation du courant

absorbé par les moteurs

diminution du couple moteur(selon le carré de la tension)

ralentissementde tous les

moteurs


un réseau puissant (alternateurscorrectement régulés et faible chute detension) ; des systèmes de protection rapidesqui diminuent la durée deralentissement des moteurs (sélectivitélogique par exemple) ; une structure du réseau adaptéeavec : une séparation et un regroupementsur des circuits distincts des récepteursordinaires et non essentiels d'une part,des récepteurs essentiels et à tempszéro d'autre part, qui facilitent ledélestage, des liaisons d'impédance minimalepour les récepteurs essentiels et àtemps zéro pour limiter les chutes detension.

La durée du retour à la vitesse normaledes moteurs est fonction : de leur couple accélérateur, donc dela chute de tension, de l'inertie des masses tournantes.

Des logiciels de calcul permettent desimuler le comportement dynamiqued'un réseau électrique et ainsi faciliterles choix. En particulier dans ladétermination des procédures deséparation des sources (îlotages), desplans de délestage des charges nonessentielles, des systèmes deprotection à retenir (sélectivité logiquepour obtenir des durées très courtes dedéclenchement). L'ensemble de cesdispositions contribue au maintien de lastabilité dynamique du réseau lorsd'une perturbation.

En résumé :Si la perturbation est faible (court-circuitbiphasé éloigné de l'utilisation), lastabilité est rétablie par l'action desrégulateurs de vitesse et de tension.Lorsque le risque d'instabilité estimportant, il faut prévoir une protectionqui, dans un délai très court (de 0,2 à0,3 s), élimine le défaut et/ou undispositif qui fractionne le réseau pourle soulager (délestage) afin de ne pasrisquer l'arrêt total de l'installation(cf. fig. 9).

synthèseToute la réflexion décrite dans cechapitre est résumée sous la formed'un logigramme dans l'annexe 6.

M1 M2 M3 M4 M5

circuit délesté

Gω(rad/s)

300

250

0,15 1 2 3 t (s)

alternateur

moteur M1, avec délestage

moteur M1, sans délestage

élimination du court-circuit

G

fig. 9 : présentation du comportement dynamique d'un réseau avec et sans délestage.


Différentes structures de réseau sontpossibles, les plus courantes sontprésentées dans ce chapitre avec leursprincipaux domaines d'emploi.Le choix d'une structure de réseau,toujours déterminant sur le plan de ladisponibilité de l'énergie est souventdifficile.Comparer rapidement, pour différentesstructures, l'indisponibilité de la tensionen un point particulier du réseaus'avère être la méthode la plusrationnelle, et l'emploi d'un systèmeexpert très intéressant (cf. annexe 2).

structures types desréseauxBoucle ouverte ou fermée dite «encoupure d’artère»(cf. fig. 10)Préconisée pour les réseaux trèsétendus, avec des extensions futuresimportantes. Son exploitation en boucleouverte est recommandée.

Radial doubles dite «en doubledérivation » (manuelle ouautomatique)(cf. fig. 11)Préconisée pour les réseaux trèsétendus avec des extensions futureslimitées et nécessitant une bonnecontinuité d'alimentation.

Radial dite «en simple alimentation»ou «en antenne»(cf. fig. 12 page ci-contre)Préconisée lorsque les exigences decontinuité d'alimentation sont faibles.Elle est très souvent retenue pour lesréseaux des cimenteries.

Double alimentation(cf. fig. 13 page ci-contre)Préconisée lorsqu'une bonne continuitéd'alimentation est demandée oulorsque les équipes d'exploitation et demaintenance sont peu nombreuses.Elle est très souvent retenue dans lesdomaines de la sidérurgie et de lapétrochimie.

4. choix de la structure et exploitationoptimale des réseaux

fig. 10 : schéma d'un réseau en boucle.

fig. 11 : schéma d'un réseau en double dérivation.

HT

BTBTBT

HT

BT

BT

BT


G

fig. 15 : schéma d'un réseau avec un groupe de production d'énergie.

sourceprincipale

source deremplacement

utilisation prioritaire(réseau secouru)

utilisation non prioritaire

G

fig. 16 : schéma d'un réseau avec une source de remplacement et délestage.

Avec source de remplacement etdélestage(cf. fig. 16)C'est le cas typique d'un réseauindustriel où une très grande continuitéd'alimentation est demandée avec uneseule alimentation du distributeurpublic.

BT

sous tableau HT

BT

HT

fig. 12 : schéma d'un réseau en simplealimentation.

HT

HT

BT

fig. 13 : schéma d'un réseau en doublealimentation.

Double jeux de barres(cf. fig. 14)Préconisée lorsqu'une très grandecontinuité d'alimentation est demandéeou lorsqu'il y a de très fortes variations

de charges : les charges pouvant êtreréparties sur l'un ou l'autre des jeux debarres, sans interruption d'alimentation.

Avec groupes de production d'énergie(cf. fig. 15)C'est la structure la plus simple maistrès souvent rencontrée.

fig. 14 : schéma d'un réseau en double jeux de barres.

départs

arrivées

jeu de barres B

jeu de barres A


exemple concret d'unestructureLe schéma de la figure 17 a été étudiéet réalisé pour une mine polymétalliqueau Maroc. Il regroupe différentesstructures de réseaux abordéesprécédemment ; ainsi, l'alimentationdes différents ateliers est réalisée parune boucle, ou une double antenne, ouune source principale et une source deremplacement.

choix des équipementsQuelle que soit la structure choisie, leséquipements prévus doivent satisfaire : aux normes en vigueur ; aux caractéristiques du réseau : tensions, courants nominaux, courant de court-circuit (pouvoir defermeture, pouvoir de coupure, tenueélectrodynamique et thermique) ; aux fonctions souhaitées (coupuresur défaut, coupure en service normal,commande fréquente, isolement descircuits,…) ; aux exigences de continuitéd'alimentation (appareil fixe,déconnectable, débrochable) ;“ aux qualifications des agentsd'exploitation et de maintenance(présence de verrouillages,d'asservissement électriques plus oumoins complets, technique de coupureavec ou sans entretien) ; aux exigences de la maintenance etdes extensions éventuelles (réserve,modularité,…).

Nota : A ce stade de l'étude l'ensembledes caractéristiques du réseau sont lerésultat de calculs souvent effectués àl'aide de logiciels de calcul scientifique.

exploitation optimalePar exploitation optimale d’unedistribution électrique, il fautcomprendre la recherche : d’une meilleure continuitéd'alimentation, d’un coût minimal de l'énergieconsommée, d’une optimisation des moyensd'exploitation et de maintenancecontribuant à la maîtrise defonctionnement du réseau, ceci enrégimes établi et transitoire, et enprésence d’un défaut.La solution est dans la mise en œuvred’un système de Gestion Technique de

fig. 17 : structure du réseau électrique d'une mine marocaine (Merlin Gerin).

G

concassagecarreau

63 kV

10 MVA2 MVA10 MVA

source de remplacement

5 kVBT BT

20 kV

niveau - 300puits N° 1

5 kV

traitement broyeurs

niveau - 500puits N° 2


la distribution Electrique -GTE- pourl’ensemble du réseau.

Les systèmes de GTE actuellementproposés par les constructeurs, telMerlin Gerin, exploitent toutes lesperformances des microprocesseurs.Ainsi ces composants, intégrés dansles centrales de gestion locale etcentralisée comme dans les appareilsde protection et de contrôle-commandeinstallés sur les lieux mêmes de laconsommation, sont à l’origine duconcept de «l’intelligencedécentralisée». L’expression«intelligence décentralisée» signifieque, à leur niveau, les centrales et lesappareils remplissent leur mission defaçon autonome (sans interventionhumaine), et ne sollicitent le niveau«supérieur» qu’en cas d’anomalie. Parle superviseur, le gestionnaire ou

exploitant du réseau est toujoursinformé des changements.Ces propos permettent de comprendretoute l’importance qu’il y a à bien définirl’architecture du réseau.

Description d’un système de GTE(cf. fig. 18)Un système de GTE est organisé selonquatre niveaux : niveau 0 : capteurs (de position, degrandeurs électriques, …) etactionneurs (déclencheur, bobine,…) ; niveau 1 : unités de protection et decontrôle-commande, par exemple d'unecellule HT ; niveau 2 : conduite locale, parexemple poste HT/BT d'une usine outableau BT d'un atelier ; niveau 3 : téléconduite de l'ensembledu réseau privé.

Tous ces matériels et particulièrementceux des niveaux 1 à 3 sont reliés pardes bus (réseaux par lesquelstransitent les informations).

Les missions des systèmes de GTE gérer l'approvisionnement et laconsommation de l'énergie enfonction : de la puissance souscrite, de la tarification du distributeur, des disponibilités de la centrale deproduction privée, des impératifs des processusindustriels.

maintenir la continuité d'alimentationen réalisant : la protection rapide et sélective(système de sélectivité logique parexemple), la permutation automatiqued'alimentation,

fig. 18 : exemple d'architecture d'un système de Gestion Technique de la distribution Electrique.

niveau 3téléconduite de l'ensemble du réseau électrique privé (système superviseur et consignateurs d'états)

niveau 2gestion locale des réseaux «poste-usine»(centrale de gestion de réseaux)

niveau 1unités de protection et contrôle-commande(cellules HT, TGBT d'atelier)

niveau 0capteurs et actionneurs(déclencheurs, fins de course, transformateurs de mesure, …)

poste de contrôle-commanden°1

poste de contrôle-commanden°2

part 2 déclenché : défaut terre…art 2 : Surcharge 150A. Délest en co

I 1 = 136 A

épart Atelier Soudure : Intensité 23A

I 1 = 96 ADéf A1


un délestage/relestage performant etparamétrable depuis l'interface homme/machine avec la définition des critèresde délestage (plan de délestage/relestage), le redémarrage séquentiel desateliers, la fonction réglage de la tension, duCos ϕ , etc.... la sauvegarde des récepteursessentiels lors d’une ruptured'alimentation du distributeur ou desalternateurs locaux de production.

permettre un dialogue homme -machine : visualisation des différents états duréseau et de ses équipements par dessynoptiques animés en temps réel(unifilaires, schémas de détails,courbes, etc....), télécommande des appareils demaœuvre, consignation des états et desmesures, enregistrement chronologique desdéfauts et alarmes (10 ms), archivage des événements,

comptage, statistiques, historique.Toutes ces informations permettentnotamment d’organiser la maintenancepréventive.

élaborer des procédures «GuideOpérateur», qui, par exemple : interdisent certains démarrages demoteurs en fonction de la puissancedisponible de la centrale de production,de l'heure, ou du degré de priorité desmoteurs, interdisent certains modesd'alimentation des tableaux HauteTension (bouclage de sources), proposent le schéma de secours lemieux adapté face à un défaut graved'un départ principal ou d'ungénérateur, proposent des messagesd'exploitation et des opérations demaintenance (électriques, mécaniques,etc.).

Avantages d’un système de GTEL'évolution des systèmes de protectionet de contrôle-commande numériquesdu niveau 1 d'une part, et

l'augmentation rapide du rapportperformances/coût des matériels etlogiciels du niveau 2 d'autre part,permettent aux industriels de bénéficierd'avantages techniques etéconomiques, en particulier : une sûreté de fonctionnementmaîtrisée, une plus large gamme de fonctionsaccessibles, notamment des fonctionsde consignation d'état, de maintenancepréventive et de conduite, une mise en œuvre facilitée et uneexploitation plus efficace.La richesse des fonctions offertes parces systèmes, les possibilités nouvellesd'auto-contrôle voire d’auto-diagnosticet de surveillance ainsi que laconvivialité des interfaces de dialogueavec l'opérateur, rendent naturellementplus efficace et plus intéressant le rôlede l'exploitant. Ainsi, il est capable demieux apprécier le fonctionnement deson réseau et d'optimiser, outre laconduite, la maintenance et lerenouvellement de ses équipementsélectriques.

qui s'avère le plus économique comptetenu de l'investissement initial, descoûts d'exploitation et des pertes deproduction.Les meilleures conditions d'exploitationpermettent d'obtenir une continuitéd'alimentation des récepteurscompatibles avec les exigences desinstallations, ceci pour obtenir uneproductivité et une sécurité maximaledes personnes et des biens.

Les nouvelles générations d'appareilset d'équipements électriques sontconçues pour dialoguer, au travers debus de communication numériques,avec un ou plusieurs postes deconduite. Et c'est l'ensemble de deuxréseaux, réseau d'énergie et réseaud'informations, d'un coûtd'investissement acceptable, quipermet la satisfaction optimale desbesoins des utilisateurs.

Une conception de réseau électriquebien maîtrisée permet d'assurer, aumoindre coût et dans les meilleuresconditions d'exploitation, unfonctionnement optimal en régimepermanent et en régime perturbé duréseau.Le meilleur coût n'est pasnécessairement celui qui correspond àun investissement initial minimal, maisplutôt de concevoir le réseau électrique

5. conclusion


L'extension d'un réseau industrielexistant avec l'ajout d'un transfomateurdevant pouvoir être raccordé enparallèle sur le transformateur existantprésente l'inconvénient d’accroîtrel'intensité des courants de court-circuit,et ainsi de devoir augmenter : les pouvoirs de coupure et defermeture des appareils en place, la tenue aux effortsélectrodynamiques de l'ancienneinstallation.

La mise en place d'une réactancetriphasée entre l'ancienne et la nouvelleinstallation supprime ces difficultés(cf. fig. 19).

hypothèses l'intensité du courant de court-circuitde l'installation existante : 17 kA (Icc1), l'intensité du courant de court-circuitsur le jeu de barres existant doit êtrelimité à 21 kA (Icc2),“ XTr = 0,63 Ω.

calcul approché de laréactance de limitation(les résistances sont négligées)Le courant traversant la réactance doitêtre égal en première approximation(Icc1 et Icc2 en phase) à :

fig. 19 : extension d'un réseau industriel existant avec ajout d'un transfomateurcomplémentaire.

ancienne installation nouvelle installation

nouveautransformateur20 MVAUcc = 12%

36 MVAUcc = 12%

17 kAI cc 1

X = 0,81 Ω

4 kA21 kA

réactancede limitation

10 kV 10 kV

21 - 17 = 4 kA = IccLΙccL = Intensité limitée par la réactance

= VX

X = valeur de la réactance totale(transformateur 20 MVA et réactancede limitation)

X = VIccL

= 10000

3 x 4000= 1,44 Ω

X = Xréact + XTrXTr = 0,63X réact = 1,44 - 0,63X réact = 0,81 Ω

annexe 1 : extension d'un réseau industrielexistant


Voici une liste des principaux logicielsutilisés dans les différents services dela société Merlin Gerin chargésd'étudier et/ou de concevoir desréseaux électriques.

logiciels de calculs répartitions des puissances. intensité des courants de court-circuit, chutes de tension, stabilité dynamique d'un réseau, courants et tensions harmoniques,

surtensions de foudre et demanœuvre, enclenchement de transformateur etde condensateur, indisponibilité d'une alimentationélectrique.

système expert d'évaluationde la qualité de conceptiond'un réseau électriqueUn système expert dénommé ADELIAa été developpé et est exploité par

Merlin Gerin. Il permet de comparerrapidemment pour différents schémas,l'indisponibilité de la tension en un pointparticulier du réseau.Il présente l'avantage de requérir moinsde calculs que la méthode des graphesde Markov, et d'autre part de fournir àla fois des renseignements qualitatifs(graphe des combinaisonsd'évènements conduisant à ladéfaillance du système), et desrésultats quantitatifs (calculs del'indisponibilité du réseau).

Le principe de compensation avec descondensateurs peut être représenté parles deux figures ci-après. la figure 20 présente la compositionvectorielle des différents courants etpour un courant actif donné, laréduction du courant total dans lesconducteurs.Ia = courant actif consomméIt1 = courant total avant compensationIr1 = courant réactif fourni au travers dutransformateur avant compensationIt2 = courant total après compensationIrc = courant réactif fourni par lecondensateurIr2 = courant réactif fourni par letransformateur après compensation(Ir2 = Ir1 - Irc) la figure 21 illustre l'échange locald'énergie réactive entre le récepteur etle condensateur. Le courant total fournipar le réseau It2 est réduit, lerendement de l'installation se trouve

annexe 2 : moyens informatiques utiliséspour les études de réseaux

annexe 3 : principe général de lacompensation

avantcompensation

apréscompensation

puissancerenduedisponible

puissanceréactivedébitée partransformateur

puissanceréactivefournie parcondensateur

puissanceactive

fig. 20 : composition vectorielle desdifférents courants, et l'effet de lacompensation.

fig. 21 : diagramme traduisant l'échanged'énergie dans le circuit d'alimentation d'unrécepteur et montrant l'intérêt de lacompensation.

donc amélioré puisque les pertes pareffet Joule sont proportionnelles aucarré du courant.

It1

Irc

It2

Ir1

Ir2

Iaϕ1 ϕ2


Le choix d’un schéma des liaisons à laterre (régime de neutre) pour un réseauindustriel en Haute Tension faitintervenir les critères suivants : la politique générale, la législation en vigueur, les contraintes liées au réseau, les contraintes liées à l’exploitationdu réseau,

les contraintes liées à la nature desrécepteurs, etc...Cinq schémas peuvent être envisagés : neutre «direct» à la terre, neutre mis à la terre par uneréactance, neutre mis à la terre par uneréactance accordée,

neutre mis à la terre par unerésistance, neutre isolé.Chacun d’eux présentent desavantages et des inconvénients qu’ilconvient de bien connaître avantd’arrêter son choix, ils sont regroupésdans le tableau suivant (cf. fig. 22).

fig. 22 : avantages et inconvénients des différents schémas de liaison à la terre possibles pour un réseau industriel HT.

schéma de liaison du neutre avantages inconvénients en pratique

direct à la terre facilite la détection provoque des courants élevés pas utilisédes défauts à la terre de défaut à la terre (dangereuxet la sélectivité des pour le personnel avecprotections, risques de dégats matériels limite les surtensions importants)

mis à la terre par limite les courants nécessite des protections plus applicable sansune réactance des défauts à la terre complexes que la liaison directe précaution particulière

à la terre, que si l'impédance de peut provoquer des surtensions limitation est faible parsévères selon les configurations rapport à la résistancede l'installation homopolaire du circuit

mis à la terre par favorise l’auto-extinction nécessite des protections parfois employé dansune réactance accordée du courant des défauts complexes (dispositifs directionnels les pays de l'Est(bobine de Petersen) à la terre difficiles à mettre en œuvre) pas utilisé en France

mis à la terre par limite les courants le plus intéressant pour uneune résitance des défauts à la terre, distribution industrielle : il réunit

facilite leur détection et tous les avantagesla sélectivité des protections, limite les surtensions

isolé de la terre limite les courants risques de surtensions le non déclenchementdes défauts à la terre nécessite l'emploi de au premier défaut à la

matériel sur-isolés (tension terre nécessite :composée entre phase et terre l'obtention d'une dérogationlors d'un défaut franc à la terre), (législation française) protections souhaitables que la capacité entre lescontre ces surtensions, conducteurs actifs du réseau et la surveillance de l'isolement terre n’entraîne pas un courant deobligatoire (législation française), défaut à la terre dangereux pour le sélectivité complexe entre les personnel et les machines.protections de défaut à la terre

annexe 4 : choix du schéma des liaisons àla terre pour un réseau industriel HT


fig. 23 : diagramme vectoriel de la chute de tension dans un réseau.

La chute de tension dans un réseaupeut se calculer par l'expression :∆V = R.I.cos ϕ + X.I.sin ϕLe schéma électrique et le diagrammevectoriel correspondant à cetteéquation sont donnés par la figure 23.

V

F

EθCD

B

Aϕ

I

ϕVa

Vd

XI

RI

RL

réce

pteu

r

VaVd

sourceω

I

câble

AD = RI cos ϕDE = BC sin ϕ + CF sin ϕDE = BF sin ϕ = XI sin ϕ

Ce logigramme comporte deuxboucles : la première, d'analyse et de choix,part des «Besoins et contraintes àsatisfaire» et conduit à l'organisation

annexe 5 : chute de tension dans un réseau(expression mathématique et diagramme vectoriel)

annexe 6 : les étapes de conception d'unréseau industriel

d'une structure de réseau dans un«Schéma unifilaire général», la seconde vise l'optimisation decette structure.

boucle d'analyse et de choix conduisant à l'organisation d'une structure

boucle d'optimisation de cette structure


Besoinset contraintes

à satisfaire

NON

Besoins majeurssatisfaits

et/oucontraintesmaîtrisées

Bilan des puissances$ active$ réactiveà partir des coefficients$ d'utilisation$ de simultanéité

nominal

Choix du mode de démarrage des moteursIl dépend :$ de la chute de tension admissible sur le réseau$ des couples résistants et moteurs$ de l'inertie des masses tournantes

Nota : les valeurs maximales des chutes de tension et durées de démarrage couramment rencontrées sont :$ chutes de tension =10 à 15 % de U$ durées de démarrage :£ pompe = 0,5 à 2 s£ broyeur = 5 à 10 s£ bande transporteuse = 5 à 30 s£ ventilateur = 10 à 200 s

Choix des tensionsSelon :$ la fonction à réaliser:£ transport£ distribution£ utilisation$ les puissances disponibles et à fournir$ les distances séparant les sources des récepteurs$ les pratiques et habitudes locales

Compensation de l'énergie réactiveAvec comme principaux critères de choix du type de compensation :$ longueur et section de la canalisation électrique$ augmentation souhaitée de la puissance active disponible

Sources de sécurité$ normes$ textes législatifs

Sources de remplacement$ maintien de l'outil de production$ confort d'alimentation

Production autonome d'énergie électriqueSi l'industriel :$ peut disposer de vapeur produite par le process$ peut disposer de combustibles à faible coût$ ne peut pas obtenir du distributeur public une énergie de bonne qualité ou de forte puissance.

Fractionnement des sourcesPour circonscrire les zones perturbées par :$ les démarrages des gros moteurs$ les systèmes électroniques de puissances$ etc...

Calcul des variations de tensionen régimes normal et perturbé

Calcul des intensités des courants de court-circuit

Définition d'un système de protection

Définition des canalisations électriquesPrincipaux paramètres à retenir :$ courant normal permanent (ou équivalent)$ mode de pose$ exposition solaire$ température du sol$ température de l'air$ conductivité du sol$ chute de tension admissible en régimes permanent et perturbé$ tenue au courant de court-circuit$ tenue des écrans de câble aux défauts monophasés et/ou polyphasés$ tension de contact$ etc...

Etude de la coordination de l'isolement

Choix du ou des schémas des liaisons à la terre parmi les schémas possibles suivants :$ neutre isolé$ neutre directement mis à la terre$ neutre mis à la terre par l'intermédiaired'une réactanceou d'une bobine d'extinction de Petersen$ neutre mis à la terre par l'intermédiaire d'une résistance

OUI

Schémaunifilairegénéral


Cahiers Techniques Merlin Gerin Protection des réseaux par lesystème de sélectivité logique,Cahier Technique n° 2F. SAUTRIAU

Mise à la terre du neutre dans unréseaux industriel haute tension,Cahier Technique n° 62F. SAUTRIAU

Gestion de l'énergie dans lesprocessus industriels,Cahier Technique n° 133C.G. POUZOLS

Surtensions et coordination del'isolement,Cahier Technique n° 151D. FULCHIRON

Calcul des courants de court-circuit,Cahier Technique n° 158R. CALVAS, B. DE METZ NOBLAT,A. DUCLUZAUX, et G. THOMASSET

La foudre et les installationsélectriques HT,Cahier Technique n° 168B. DE METZ NOBLAT

Publications diverses Les surtensions lors de l’éliminationde courts-circuits sur les réseaux dontle neutre est mis à la terre par uneréactance.Bulletin de la Société Française desElectriciens, 8e série, Tome 1, n°4(avril 1960)LE VERRE

Réal. : Sodipe - Valence -DTE - 12/93 - 3500 - Imp. : Leostic - Seyssinet - Pariset

annexe 7 : bibliographie

ct169 réseaux.pdf

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