conception des réseaux industriels

8/2/2019 conception des rseaux industriels

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n169

la conception desrseaux

industriels enhaute tension

Georges THOMASSET

Diplm ingnieur de lInstitutdElectrotechnique de Grenoble(IEG) en 1971.Depuis, il a ralis des tudes deconception de rseaux industrielscomplexes au sein de la DirectionTechnique dans la Socit

Merlin Gerin.Aprs avoir dirig le bureau d'tudesdistribution publique MoyenneTension et installationshydrolectriques il est, depuis1984, responsable du servicetechnique de l'unit industrie dudpartement de ralisationd'ensembles.

CT169 dition octobre 1993


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Cahier Technique Merlin Gerin n 169 / p.2

lexique

s la publication CEI 71 prcise desgammes de tensions les plus levespour le matriel :gamme A= 1 kV < U < 52 kV,

gamme B = 52 kV U < 300 kV,gamme C = U 300 kV.Une rvision est prvue, elle retientseulement deux gammes :gamme I = 1 kV < U 245 kV,gamme II = U 245 kV.s le distributeur national d'nergie enFrance, EDF, utilise maintenant leclassement du dcret cit ci-dessus.

plan de protection dun rseau :organisation globale des protectionslectriques regroupant : le systme deprotection retenu, le choix desappareils et de leurs rglages.

rcepteurs " temps zro" :rcepteurs pour lesquels aucuneabsence d'alimentation nest tolre.

rseau priv : rseau lectriquealimentant un ou plusieurs sitesd'utilisation (usines) appartenantgnralement un mme propritaire.

flicker : fluctuations priodiques deluminance d'une source lumineuse, oupapillotement.

HTA et HTB : domaines de tensiondfinis par le dcret franais du14 novembre 1988.

Remarque :

Les niveaux de tensions font l'objet dediffrents classements selon lesdcrets, les normes, et autresspcifications particulires telles cellesde certains distributeurs d'nergie, ainsien ce qui concerne les tensionsalternatives suprieures 1 000 V :

s le dcret franais du 14 novembre1988 dfinit deux domaines detension :

H T A = 1 k V < U 50 kV,HTB = U > 50 kV.

s le CENELEC (Comit Europen deNormalisation Electrotechnique) danssa circulaire du 27 juillet 1992 prcise :MT = 1 kV < U 35 kV,

HT = U > 35 kV.

rseau public: rseau lectrique

appartenant un distributeur national

ou local d'nergie et desservant

plusieurs consommateurs

indpendants.

stabilit dynamique dun rseau :

facult qua un rseau, comportant

plusieurs machines synchrones, de

reprendre un fonctionnement normal

la suite dune perturbation brutale ayant

entran une modification provisoire(cas dun court-circuit) ou dfinitive

(ouverture dune ligne) de sa

configuration.

structure d'un rseau : plan

d'ensemble d'un rseau, souvent

reprsent sous la forme d'un schma

unifilaire, qui prcise la disposition

relative (interconnexions, sparations

de circuits,) des diffrentes sources

et des utilisations.

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

annexe 1 : extension d'un rseau hypothses p. 19

calcul approch de la ractance p. 19

de limitation

annexe 2 : moyens informatiques logiciels de calculs p. 20

systme expert d'valuation de la p. 20

qualit de conception d'un rseaulectrique

annexe 3 : principe gnral de la compensation p. 20

annexe 4 : choix du schma des liaisons la terre pour un rseauindustriel HT p. 21

annexe 5 : chute de tension dans un rseau p. 22

annexe 6 : les tapes de conception d'un rseau industriel p. 22

annexe 7 : bibliographie p. 24

industriel existant

annexes

utiliss pour les tudes de rseaux


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sommaire

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

les contraintes principales p. 5

2. conception des rseaux bilan de puissance, coefficients p. 7

industriels - principales rgles d'utilisation et de simultanit

choix des tensions p. 7

compensation de l'nergie p. 7

ractive

sources de scurit et de p. 7

remplacement

production autonome d'nergie p. 8

lectrique

fractionnement des sources p. 8

schma gnral lectrique p. 8

3. validation et optimisation choix du schma des liaisons p. 9technico-conomique la terre (rgime de neutre)

dfinition des canalisations p. 9lectriques

tude de la coordination de p. 9

l'isolement

dfinition d'un systme de p. 9

protection

calcul des intensits des p. 10

courants de court-circuit

calcul des variations de tension p. 11

en rgimes normal et perturb

choix du mode de dmarrage p. 11

des moteurs

stabilit dynamique des rseaux p. 12synthse p. 13

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

exemple concret d'une structure p. 16

choix des quipements p. 16

exploitation optimale p. 16

5. conclusion p. 18

annexes voir page ci-contre

Soumis une concurrence toujoursplus pre, les industriels doiventpratiquer une gestion trs rigoureuse etavoir une disponibilit importante deleur outil de production.Les rseaux lectriques livrent l'nergiencessaire l'outil de production. Lacontinuit d'alimentation des rcepteurslectriques est recherche ds laconception du rseau, et en particulierlors des choix prliminaires du schmaunifilaire.La rduction des cots de ralisation etd'exploitation d'une installationlectrique, avec un fonctionnement sret sans dfaillance, sont des conditionsessentielles de rentabilit. Cetteoptimisation technico-conomiquedpend d'une analyse pralable,dtaille et globale, savoir :s des besoins et contraintesspcifiques au type d'industrieenvisage,s de l'intgration des limites etcontraintes du rseau de distributionpublic,s des normes et usages locaux,s des spcificits du personnelutilisateur, exploitant et demaintenance.La prsente tude se limite aux tudesde conception des installations

industrielles Haute Tension -HTA etHTB- de forte puissance ayant commecaractristiques principales :s de puissance installe de l'ordre de10 MVA,s avec une production autonomed'nergie lectrique (ventuelle),s alimentes partir d'un rseaunational de transport ou de distribution( 20 kV),s comportant une distribution prive enMoyenne Tension.

la conception des rseaux industriels enhaute tension

satisfaire

exploitation optimale des rseaux


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Le cot minimal de l'installationlectrique.

Le cot minimal de l'installationlectrique n'est pas ncessairement larecherche du cot minimal initial maisla somme de trois cots :sle cot de l'investissement initial,sles cots d'exploitation et demaintenance,sles cots de pertes de production lis la conception et au plan de protection(systme de protection retenu, choix des

appareils et des rglages) du rseau.

L'optimisation de l'nergie lectrique

Lorsqu'une usine comporte desgnrateurs d'nergie lectrique, il estncessaire de grer au mieux l'nergiefournie par le distributeur et l'nergieproduite localement.Un systme de contrle-commandepeut optimiser le cot de l'nergieconsomme dans l'usine en fonction :sdu contrat souscrit avec ledistributeur (tarification selon l'instant,heure, jour et saison) ;sde la disponibilit des gnrateurs del'usine ;sdes impratifs du processus industriel.

Les volutions et extensions futuresdu rseau

Il y a lieu d'apprcier avec le plus grandsoin, lors de la conception d'un rseauindustriels, les volutions futures desusines, surtout si des extensions sontprvisibles.Les ventuelles et futures modificationssont prendre en compte :sdans le dimensionnement desorganes principaux d'alimentation

(cbles, transformateurs, appareils decoupure),sdans la conception du schma dedistribution,set dans le calcul des surfacesrserves aux locaux lectriques.Cette anticipation conduit unemeilleure flexibilit de la gestion del'nergie.

La rnovation des rseaux

Les consommations d'nergielectrique augmentent avec lesextensions ncessaires pour lesnouvelles fabrications et les nouvelles

1. besoins et principales contraintes satisfaire

lectriques sont prendre en comptepour viter l'incendie et limiter les effetsdestructeurs:sles surintensits (court-circuit etsurcharge),sles surtensions.

Les solutions retenues doivent assurerau minimum :sl'limination rapide du dfaut, et lacontinuit d'alimentation des partiessaines du rseau (slectivit),sla fourniture des informations sur la

nature du dfaut initial, pour uneintervention efficace.

La continuit d'alimentation desrcepteursLa continuit d'alimentation desrcepteurs est ncessaire pour desraisons de :sscurit des personnes, exemple :clairage ;smaintien de l'outil de production,exemple : trfilerie de verre ;sproductivit ;sconfort d'exploitation, exemple :procdure simplifie de redmarrage

d'une machine, d'un atelier.

Selon leurs impratifs defonctionnement, les rcepteurs serpartissent en trois familles :sles rcepteurs "ordinaires",sles rcepteurs "essentiels",sles rcepteurs " temps zro" pourlesquels aucune absenced'alimentation nest tolre.

La facilit d'exploitation du rseauAfin de mener bien leurs tches avecsret et fiabilit, les exploitants durseau doivent avoir leurdisposition :sun rseau facile conduire afin d'agiravec certitude en cas d'incident ou demanuvre ;sdes appareils et quipements dundimensionnement suffisant, faibleentretien et facilement rparables(maintenabilit) ;sdes moyens de contrle-commandeperformants facilitant la conduite durseau par la centralisation en tempsrel et en un lieu unique de toutes lesinformations relatives l'tat du"process lectrique", en rgime normalet perturb.

Les rseaux lectriques industrielsdoivent assurer, aux cots optimauxd'investissement, d'exploitation et depertes de production, l'alimentation detous les rcepteurs de l'usine en tenantcompte :sdes besoins satisfaire :sla scurit des personnes,sla scurit des biens,sla continuit d'alimentation,sla facilit d'exploitation du rseau,sle cot minimal de l'installation,

sl'optimisation de l'nergie lectrique

(cot / qualit),sles volutions et extensions futuresdu rseau,sla rnovation du rseau ;sdes contraintes imposes lies :sau processus industriel,sau processus lectrique,sau distributeur d'nergie,sau climat et la gographie du site,saux normes, prescriptions et usageslocaux.Il est vident que tous les besoins nepourront pas tre satisfaits de faon

optimale : le concepteur doit rechercherle meilleur compromis.

les besoins satisfaire

La scurit des personnesMme si des normes ou rglesn'existent pas dans tous les pays, ilconvient de respecter certaines notionsvidentes :sinterdiction d'accder aux picesmises sous tension (protection contreles contacts directs),ssystme de protection contre

l'lvation du potentiel des massesmtalliques (protection contre lescontacts indirects),sinterdiction des manuvres desectionneur de ligne en charge,sinterdiction de mise la terre soustension,slimination rapide des dfauts.

La scurit des biens

Les installations lectriques ne doiventpas tre soumises des contraintesqu'elles ne pourraient pas supporter.Le choix des matriels et quipementsest donc capital. Deux grandeurs


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machines toujours plus puissantes. Desrnovations et/ou des restructurationsde rseaux sont alors obligatoires.

Une tude de rnovation d'un rseaudoit tre mene avec plus d'attentionqu'une tude d'une nouvelle installationcar d'autres contraintes existent, etnotamment :s tenues lectrodynamique etdilectrique insuffisantes de certainsappareils ou quipements existants ;s capacit alimenter de grosrcepteurs (courants de dmarrage,stabilit dynamique,) ;s surface et hauteur des locauxlectriques existants non modifiables ;s situation gographique desquipements et des rcepteurs

impose.Exemple d'une rnovation avecadjonction d'un nouveautransformateur : l'installation d'uneractance triphase entre l'ancienneinstallation et le nouveautransformateur permet de ne pas tropaugmenter l'intensit du courant decourt-circuit et donc de conserver lesquipements existants (cf. annexe 1).

La qualit des tudes

Les tudes de conception et de dtailsdoivent tre menes avec mthode etrigueur. Ainsi l'obtention de la

certification ISO 9001, conduit mettreen place des procdures dcrivant lestapes essentielles des tudes deconception et de dtail dans le but deles matriser et de satisfaire au mieuxles besoins du client.Le Dpartement de Ralisationsd'Ensembles de la Socit Merlin Gerina obtenu la certification ISO 9001 en1992.

les contraintes principales

Contraintes lies au processus

industrielOutre le besoin d'une forte continuitd'alimentation ncessaire certainsprocessus industriels, ces mmesprocessus imposent aussi descontraintes :s l'alimentation et surtout le dmarragedes trs gros moteurs entranant desbroyeurs, concasseurs, ventilateurs,pompes, bandes transporteurs (causenotamment de chute de tensionimportante au dmarrage) ;s l'alimentation des fours arc dontl'arc souvent instable provoque des

chutes de tension non quilibres,

brves mais rptes (ayant pour

consquence le flicker), et peut

produire des harmoniques ;

s l'alimentation des dispositifs

lectroniques de forte puissance

(redresseurs, thyristors, ...) qui

gnrent sur le rseau des

dformations importantes de l'onde de

tension (harmoniques) et dgradent le

facteur de puissance ; cest le cas pour

des chanes d'lectrolyse, des fours

lectriques courant continu, et des

moteurs vitesse variable.

De plus, certains processus industriels

polluent leur environnement : ils

produisent des substances (poussires,

gaz) parfois corrosives pouvant bloquerles mcanismes ou rduire les

performances des appareils lectriques

(ex : tenue dilectrique) ou encore

provoquer des explosions en prsence

d'arc lectrique.

Contraintes lies au processuslectrique

Au cours de l'tude il faut tenir compte

des diverses conditions"lectrotechniques" auxquelles doit

satisfaire tout rseau lectrique en

particulier :

s limitation de l'intensit des courantsde court-circuit et de leur dure,

s dmarrage ou redmarrage des gros

moteurs sans chute de tension

excessive,

s stabilit des alternateurs la suite

d'un incident.

Contraintes imposes par le rseau

public de distribution d'nergielectrique

s puissance de court- circuitLa valeur de la puissance de court-circuit du rseau amont alimentant le

rseau priv est un lment dcisifquant au choix :

s de la structure du rseau priv dedistribution,

s de la puissance maximale desrcepteurs,

s de certains rcepteurs sensibles auxchutes de tension.

s schma des liaisons la terre(rgime du neutre) du rseau public

Il est souvent conserv pour le rseaupriv, mais parfois non compatible aveccertains rcepteurs. Il faut alors crer

un rseau particulier avec :

s un type de protection lectriquecontre les dfauts phase/terre,s un mode particulier d'exploitation durseau (recherche et/ou limination du

dfaut par les agents d'exploitationdans le cas du rgime de neutre isol).

s micro coupures ou baissesimportantes fugitives de tensions monoou polyphases.La prsence de tels phnomnes peutentraner des perturbations, voire desarrts de production et des destructionsde machines. Ainsi elle peutprovoquer :s des erreurs de fonctionnement et/oudes pertes d'informations des systmesinformatiques de process industriels

(calculateurs, automates industriels),de gestion ou de calculs scientifiques ;

s la destruction mcanique d'unmoteur, de son accouplement et/ou dela machine entrane. Cela arrive lorsdune micro-coupure (ralimentationdun moteur encore en mouvement), eneffet le couplage peut se raliser enopposition de phase entre la tension durseau et la tension rsiduelle restituepar le moteur, le courant absorb par lemoteur est alors trs important, de 4 15 fois le courant nominal, et engendredes efforts lectrodynamiques

excessifs.s les surtensions d'origine externe, enparticulier les coups de foudre(cf. Cahier Technique n168).

s valeur et qualit de la tensiond'alimentation :

s la valeur de la tension d'alimentationimpose en partie l'organisation destensions du rseau priv. En effet, sil'alimentation est ralise en HauteTension, il peut tre intressant deconserver cette valeur de tension pourla distribution principale d'une usine ;

s

la qualit de la tension d'alimentation.Diffrentes variations de tensionpeuvent gner voir empcher le bonfonctionnement des quipements deproduction. Le tableau de la figure 1prsente ces dfauts, leurs causes etconsquences ainsi que les principauxremdes.

Remarques :

En terme de qualit de l'alimentation, ilfaut que les variations de la frquencesoient acceptables 2 % et que lestaux d'harmoniques de tension soientinfrieurs 3 %.


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

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

priodicit OUI NON NON NON

causes prsence de four s dmarrage des gros absence de rgulation systme delectrique arc moteurs de la tension aux postes renclenchement rapide

s dfaut mono ou source ou/et lent des lignes HTpolyphas

consquences variation de l'clairage s risque d'instabilit du s surcharge des moteurs suspension momentane deincandescence (Flicker) rseau s risque important l'alimentation de tous les

d'instabilit du rseau rcepteurs

principaux remdes employer des s adapter le mode de quiper les prvoir des disjoncteur-compensateurs statiques dmarrage transformateurs de shuntd'nergie ractive s accrotre la rapidit du rgleurs en charge

plan de protection

fig. 1 : les variations de tension, leurs causes, leurs consquences et les principaux remdes.

Pour apprcier la qualit de l'nergielectrique fournie et si ncessairel'augmenter, un grand distributeurnational europen, a install plus de2000 appareils enregistreurs surl'alimentation de gros sites industriels.Ces appareils mesurent :s les tensions et intensits efficaces,s les puissances actives et ractives,s les coupures brves et longues,s les creux de tension,s les tensions et intensits

harmoniques,s le dsquilibre de tension.Ils dtectent aussi les signaux destlcommandes de 175 et 188 Hz.

Contraintes climatiques etgographiques

Pour dfinir au mieux lescaractristiques des quipements etdes appareils, selon les typesd'installations, il convient de connatre :s les tempratures moyennes etmaximales journalires,s le taux d'humidit la tempraturemaximale,s la vitesse maximale des vents,s la prsence de givre, de glace, de

vents de sable,s l'environnement (atmosphrecorrosive ou risque d'explosion),s l'altitude,

s le niveau kraunique de la rgion

(frquence des coups de foudre),

s les difficults d'accs (pour le

transport des matriels, mais aussi

pour la maintenance).

Respect des normes et usageslocaux

Sur ce point il faut particulirement

connatre :

s les normes d'appareillage et

d'installation nationales et/ou

internationales,

s les rglementation et prescriptionparticulires au complexe industriel,

s les usages locaux.


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2. conception des rseaux industrielsprincipales rgles

L'objet de ce chapitre est d'expliquercomment la conception d'un rseauindustriel prend en compte l'ensembledes obligations (besoins et contraintes)dcrites au chapitre prcdent.Les usines tant conues pourfonctionner d'une manire continue, austade de l'tude toute interruption del'alimentation en nergie lectrique doitdonc tre value et ses consquences

examines, afin de dterminer lesmesures prendre.La mthode propose dans ce chapitrecomporte deux phases :- 1- la recherche de l'adquationtechnique entre les besoins et lescontraintes (voir chapitre II),- 2- l'optimisation technico-conomiquepar la matrise de certains calculs et lesconcepts prsents ci-aprs.L'annexe 2 liste, sans tre exhaustive,les principaux logiciels de calcul utilisspar les ingnieurs spcialistes d'tudesde rseaux.

bilan de puissance,coefficients d'utilisation etde simultanitC'est la premire tape essentielle del'tude de la conception d'un rseau.Elle doit cerner et localisergographiquement les valeurs despuissances.

Bilan de puissance

Il faut :s distinguer les puissances actives,

ractives et apparentes ;s grouper les puissances par zonesgographiques (3 8 zones) suivantl'tendue du site ;s identifier par zone les rcepteurs"ordinaires" - "essentiels" - " tempszro".

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

choix des tensionsLe choix des tensions est dterminpar la fonction raliser : transport,

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

une tension d'utilisation de 6,6 kV.

compensation de l'nergieractiveLe distributeur local d'nergie imposegnralement au point de livraison duclient une valeur minimale du facteurde puissance (cos ).Pour satisfaire cette exigence, unecompensation de l'nergie ractive estsouvent ncessaire, elle peut treralise soit :s au niveau de la sous station (ou du

tableau principal) : compensationglobale ;s au niveau des rcepteurs :compensation rpartie.Le principe gnral de compensationavec des condensateurs est prsenten annexe 3.Remarque : une forte compensationavec des batteries de condensateursfixes peut entraner des surtensions.Un cas particulier est le phnomned'auto-excitation des machinesasynchrones : les condensateursassocis un moteur asynchrone(compensation rpartie) peuventdonner lieu des surtensions trsimportantes lors d'une rupture de la

tension d'alimentation. Ce phnomneest susceptible de se produire pour unecompensation suprieure 90 % ducourant magntisant, courant peudiffrent du courant vide du moteur.

sources de scurit et deremplacementL'installation de source de scurit se

fait pour des raisons de protection despersonnes (normes et texteslgislatifs), par exemple pour lebalisage des voies d'vacuation.L'installation de source deremplacement est dcide pourmaintenir en service l'outil deproduction ou pour disposer d'une plusgrande souplesse d'exploitation.

production autonomed'nergie lectriqueUne usine peut tre dote de moyensautonomes de production d'nergielectrique pour alimenter desrcepteurs "temps zro", pour desraisons tarifaires, ou lorsque le procdde fabrication de l'usine rend disponiblede l'nergie (thermique ou mcanique)par exemple sous forme de vapeur.Si le rseau public a une puissance decourt-circuit et une qualit de tension etde frquence suffisantes, il estprfrable de faire fonctionner enparallle les sources autonomes et lerseau public, car ce dernier aide stabiliser le comportement desalternateurs de l'usine (tension etvitesse). Dans ces cas d'exploitation,

moteurs clairage prisechauffage de courant

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

coefficient de simultanit 0,70 (*) 1 0,1 0,3

* Dpend du process

** Dpend de leur destination

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


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un systme de rpartition des

puissances actives et ractives entre

les diffrents alternateurs et le rseau

public est prvoir.

Lors d'incidents lectriques graves sur

le rseau priv, ou sur le rseau public

proximit de l'usine, une instabilit

peut se produire. Il peut tre ncessaire

de procder, dans un dlai

extrmement court (environ

0,2 secondes), une sparation du

rseau public (lotage des circuits

aliments par les alternateurs) pour ne

pas risquer l'arrt total des installations.

Cette sparation s'accompagne, en

gnral, d'un dlestage des rcepteurs

non essentiels du rseau priv, ceci

afin d'viter sa surcharge.

fractionnement dessourcesCertains rcepteurs provoquent des

perturbations importantes sur le rseau

de distribution priv. Le fractionnement

des sources (cf. fig. 3) permet d'isoler

ces rcepteurs polluants et offre en

plus deux avantages :

s avoir une meilleure slectivit entre

les protections, ce qui accrot la

continuit d'alimentation des autres

rcepteurs ;

M M M

rcepteurs

normaux

rcepteurs

"sensibles"

rcepteurs "polluants"

clairage

informatique

moteurs de

forte puissance

moteur

vitesse variable

fig. 3 : le fractionnement des sources et un moyen de sparer les rcepteurs polluants des

autres rcepteurs.

s permettre l'adaptation du schmades liaisons du rseau la terre(rgime de neutre) aux utilisations.

schma gnral lectriqueA partir des diffrents lmentsprcdemment dcrits dans cechapitre, le concepteur de rseautablit une pr-structure qu'il affine en

fonction des contraintes du siteindustriel pour obtenir le "schmaunifilaire gnral de principe" de ladistribution lectrique de l'usine : c'estle point de dpart de l'optimisationtechnico-conomique du rseau.Le chapitre suivant prsentesimplement les diffrents choixpossibles et les calculs ncessaires la recherche de la solution optimale.


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3. validation et optimisation technico-conomique

choix du schma desliaisons la terre (rgimede neutre)Les normes et rglements imposentdes protections contre les contactsdirects et indirects pour touteinstallation lectrique. En gnral lesdispositifs de protection assurent unecoupure automatique de l'alimentation(au premier ou au deuxime dfautphase terre selon le schma des

liaisons la terre retenu). Il existe aussides protections particulires adaptes certaines situations spcifiques.Un schma des liaisons la terre desrseaux en Haute Tension, peut trechoisi en fonction des critresprsents dans lannexe 4.Mais, trs souvent, il est intressant defaire cohabiter dans un mme rseauindustriel diffrents schmas, chacund'eux pouvant avoir un avantageprpondrant.

dfinition des canalisationslectriquesLes canalisations lectriques sont unepart importante de l'investissement del'installation lectrique. Il est doncimportant, pour des raisons de scuritet de cot, de :s choisir au mieux le bon type decanalisations (cble),s et de calculer au plus juste sasection minimale, mais en tenant biencompte des courants de court-circuit etde dmarrage, des chutes de tensions,des pertes,

tude de la coordination del'isolementLa coordination de l'isolement permetde raliser le meilleur compromistechnico-conomique dans laprotection des personnes et desmatriels contre les surtensionspouvant apparatre sur les installationslectriques, que ces surtensions aientpour origine le rseau ou la foudre.Trois types de surtensions peuventprovoquer un claquage et donc un

dfaut d'isolement avec ou non unedestruction de matriel :s surtensions frquence industrielle(50 500 Hz),s surtensions de manuvre,s surtensions atmosphriques (coupde foudre).

La coordination de l'isolement participe l'obtention d'une plus grandedisponibilit de l'nergie lectrique. Samatrise ncessite :s de connatre le niveau des

surtensions pouvant exister sur lerseau ;s de dfinir un degr de performancerecherch ou plus explicitement un tauxde dfaillance acceptable de l'isolation ;s d'installer des dispositifs deprotection tout la fois adapts auxcomposants du rseau (niveaud'isolement) et aux types desurtensions ;s de choisir les divers composants durseau partir de leur niveau de tenueaux surtensions qui doit satisfaire auxcontraintes prcdemment dfinies.

Le Cahier Technique n 151 dcrit lesperturbations de tension, les moyensde les limiter ainsi que les dispositionsnormatives pour permettre unedistribution sre et optimise del'nergie lectrique, cela grce lacoordination de l'isolement.

dfinition d'un systme deprotectionLorsqu'un dfaut apparat sur unrseau lectrique, plusieurs organes deprotection situs dans diffrentes zonesdu rseau peuvent dtectersimultanment cette anomalie. Leurdclenchement slectif vise isoler leplus rapidement possible la partie durseau affect par le dfaut etuniquement cette partie, en laissantsous tension toutes les parties sainesde ce rseau. Le concepteur doit avanttout choisir un systme de protectionqui lui permet de dfinir les units deprotection les mieux adapts. Il doit enoutre dfinir un plan de dclenchementqui consiste dterminer les rglagesdes relais en courant et en

temporisation afin d'obtenir la bonneslectivit du dclenchement.

Diffrentes techniques de slectivitsont habituellement mises en uvre,elles exploitent ou associent diffrentesdonnes et variables que sont lecourant, le temps, des informationslogiques, les dispositionsgographiques,

Slectivit par le courant ouampremtrique.Utilise (en Basse Tension) lorsque

l'intensit des courants de court-circuitdiminue fortement avec la distancesparant la source du point de court-circuit considr ou entre l'amont etl'aval d'un transformateur.

Slectivit par le temps ouchronomtriqueUtilise en Basse Tension et trssouvent en Haute Tension. Lesdclenchements des appareils deprotection (disjoncteurs) sont d'autantplus diffrs que les appareils sontproches de la source. Pour s'affranchirdes rgimes transitoires des courants,la dure minimale au point le plusloign de la source (immdiatementen amont de l'utilisation) est de 0,2 svoire 0,1 s si le rglage en courant esthaut, avec une dure maximale de 1 s l'origine du rseau priv.Les retards peuvent tre tempsconstant ou temps dpendants de lavaleur du courant de court-circuit.

Slectivit par missiond'informations logiques, ouslectivit logiqueElle est assure par un ordre dattentelogique dune dure limite, mis parla premire unit de protection situejuste en amont du dfaut et devantcouper le circuit, vers les autres unitsde protection situes plus en amont.Cette technique mise au point etbrevete par Merlin Gerin est dtailledans le Cahier Technique n 2.Le retard au dclenchement est faibleet constant quelle que soit la positiondu dfaut dans le rseau, ce quifavorise la stabilit dynamique durseau et minimise les effetsdestructeurs d'un dfaut ainsi que lescontraintes thermiques.


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Slectivit l'aide de protectiondirectionnelle ou diffrentielle

Cette slectivit permet une protection

spcifique d'une portion ou d'un

lment dtermin du rseau.

Exemples : transformateurs, cbles en

parallle, rseau boucl, etc.

Slectivit l'aide de protection de

distance

Elle est conue partir d'un

dcoupage du rseau en zones. Les

units de protection localisent dansquelle zone est situ le dfaut par le

calcul de l'impdance du circuit

considr.

Cette technique est peu utilise sauf si

le rseau priv HT est trs tendu.

Un exemple d'un systme de protectionutilisant plusieurs techniques de

slectivit est dcrit par la figure 4.

Nota : dans ce paragraphe, les critresde choix des systmes protection, desrelais et les valeurs de rglage desprotections ne sont pas abords. Denombreux ouvrages traitent ces sujets,par exemple les Cahiers Techniques

n2 et 158.

calcul des intensits des

courants de court-circuitLa connaissance des diffrentesvaleurs des intensits des courants decourt-circuit est ncessaire dans larecherche de l'optimum technico-conomique pour dterminer :

s les valeurs de pouvoir de fermetureet de coupure, fonction des Icc

maximales crte et efficace ;

s les tenues aux effortslectrodynamiques des quipements etappareils lectriques, fonction des Iccmaximales crte ;

s les rglages dans les tudes deslectivit des dclenchements desprotections, fonctions des Icc efficacesmaximales et minimales ).

Le Cahier Technique n 158, aprs unrappel des phnomnes physiques prendre en compte fait le point sur lesmthodes de calcul prvues par les

normes.

En prsence de machines tournantes(alternateurs ou moteurs)l'tablissement d'un courant de court-circuit peut tre dcompos en trois

temps ou rgimes :

fig. 4 : systme de protection utilisant plusieurs techniques de slectivit, ampremtrique,

chronomtrique et logique.

0,5s

0,5s

0,2s

0,2s

0,2s

fil pilote

fil pilote

slectivit parmission d'informations

slectivit parle temps

slectivit parle courant

slectivit parmission d'informations

s rgime subtransitoire,

s rgime transitoire,

s rgime permanent.

Les rgimes subtransitoires et

transitoires sont lis l'extinction du

flux emmagasin dans les machines

tournantes synchrones ou

asynchrones.

Dans ces deux rgimes il faut aborder

la notion de composante asymtrique

appele aussi composante continue

dont l'amortissement dpend du


11/24


rapport R/X du rseau amont et de

l'instant du dfaut par rapport la

phase de la tension.Enfin il convient de tenir compte de la

contribution des moteurs l'intensit ducourant de court-circuit. En effet, lorsd'un court-circuit triphas, les machines

asynchrones ne sont plus alimentes

par le rseau et le flux magntique de

ces machines ne peut pas disparatre

brutalement.

L'extinction de ce flux donne naissance

un courant subtransitoire puis

transitoire qui augmente la valeur de

l'intensit du courant de court-circuit du

rseau.

La valeur totale de l'intensit du

courant de court-circuit est alors lasomme vectorielle de deux courants de

court-circuit : celui de la source et celui

des machines.

calcul des variations detension en rgimes normalet perturb

En rgime normalLe calcul des variations de tension enrgime normal est une tape decontrle qui permet de vrifier les

tensions tout au long du rseau.Si les valeurs des tensions sont tropfaibles, le concepteur vrifie que :s les flux de puissance active etractive sont normaux,s les canalisations lectriques sontbien dimensionnes,s les puissances des transformateurssont suffisantes,s le principe de compensation del'nergie ractive est judicieux,s la structure du rseau retenue estbonne.

En rgime perturb

Le calcul des variations de tension enrgime perturb est ncessaire pourvrifier si les phnomnes ci-aprs neconduisent pas des chutes ou deslvations de tension excessives :s dmarrage d'un gros moteur(cf. fig. 5),s fonctionnement dgrad du rseau(2 transformateurs en exploitation aulieu des 3 prvus pour la marchenormale, par exemple),s exploitation des rseaux vide, avecou sans compensation de l'nergieractive.

L'annexe 5 indique l'expression et

prsente le diagramme vectoriel de la

chute de tension dans un rseau.

choix du mode dedmarrage des moteursLe mode de dmarrage retenu (toile-

triangle, auto-transformateur,

rsistances ou ractances

statoriques,), doit videmment

permettre de disposer d'un couple

d'acclration -Ca- suffisant (en

gnral Ca > 0,15 Cn) , mais aussi ne

provoquer que des chutes de tension

acceptables (< 15 %).

Rappel : l'quation qui rgit l'tatd'quilibre du moteur avec lamcanique qu'il entrane est :

C 'm- C r = J

d

dtC'm = couple du moteur sous tensionrelle d'alimentation (Ur),Cr = couple rsistant de la mcaniqueentrane,J = inertie de toutes les massesentranes,d/dt = acclration angulaire,

C'm = Cm .Ur

Un

2

Cm = couple du moteur sous tensionnominale (Un).

fig. 5 : exemple, pour l'installation d'un moteur de 1 200 kW aliment par une ligne 60 kV de

30 km de longueur, de dtermination de la valeur des variations de tension lors de son

dmarrage. A noter que la sparation de l'alimentation du rseau usine et du moteur a

permis de n'avoir que 250 V de chute de tension sur le rseau usine.

xx kV = tension lors du dmarrage du moteur

1200 kW

= 5 nI

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

rseau usine

moteur en cours

de dmarrage

57 kVUn = 60 kV

Un = 60 kV

ligne30km

I

DemI

DemI

DemI

Dem


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Ca = C'm - Cr

Ca = couple d'acclration.

La courbe reprsentant Ca en fonctionde la vitesse est donne par la figure 6

ci-aprs.

Le tableau de la figure 7 montre les

modes de dmarrages les plus usits

(pour plus de dtails consulter le CahierTechnique n165).

stabilit dynamique desrseauxEn rgime non perturb, l'ensembledes machines tournantes (moteurs etalternateurs) faisant partie del'installation forme un systme stable

avec le rseau public d'alimentation.Cet quilibre peut tre affect par unincident sur l'un des rseaux (public ou

priv) tel que : fluctuation importante de

charges, modification du nombre detransformateurs, de lignes ou de

sources d'alimentation, dfaut

polyphas, etc.

Il se produit donc soit une instabilitpassagre dans le cas d'un rseau

bien tudi, soit une rupture de stabilit

si le phnomne perturbateur est trsgrave ou si le rseau a une faiblecapacit de reprise (puissance decourt-circuit trop faible par exemple).

Comportement des moteursasynchrones lors d'un dfauttriphas

Voici titre d'exemple l'tude ducomportement des moteursasynchrones lors d'un dfaut triphas(cf. fig. 8).

Aprs limination du dfaut,

s soit les moteurs ont des couplessuprieurs aux couples rsistants : ilspeuvent racclrer et retrouver leurtat stable ;

s soit les moteurs ont des couples

infrieurs aux couples rsistants : ilspoursuivent alors leur ralentissementen absorbant des courants importantsqui sont dtects par les protectionsdes moteurs et/ou du rseau,lesquelles provoquent ledclenchement de leur disjoncteurassoci.

La reprise des moteurs, donc la

stabilit dynamique du rseau, est

favorise par :

s un plan de dlestage adapt(dclenchement des moteurs ordinaireset non essentiels en cas de dfautsgraves) ;

besoins de caractristiques mode de avantagesl'application de l'application dmarrage inconvnients

process permanent machines ncessitant direct simplicit,ou quasi-permanent un fort couplage investissement rduit.dmarrage 1/jour de dmarrage au dmarrage :

scouple important,dmarrages moteurs faible appel direct sappel de courant important,frquents > 1/jour de courant ou de faible sfortes contraintes

puissance mcaniques.

pompes, machines dmarrant statorique rduction et deventilateurs sous faible couple par l'appel de courant aucompresseurs ractance dmarragedmarrages (ajustage possible).frquents

optimisation des lorsque l' intensit au statorique par optimisation du couple (rduit)caractristiques de dmarrage doit tre auto- et de l'appel de courant audmarrage rduite tout en transformateur dmarrage

conservant le couple (ajustage possible).ncessaire audmarrage

optimisation des dmarrages rotorique faible appel de courant etcaractristiques les plus difficiles fort couple de dmarrage.de dmarrage fort couple

0

CCn

couple

1

0vitesse

Cm

C'm

Cr

CnCa

0,6

C'm = couple du moteur sous tension relled'alimentation (Ur),Cr = couple rsistant de la mcaniqueentran,Cm = couple du moteur sous tensionnominale (Un),Ca = couple d'acclration.

fig. 6 : reprsentation des diffrents couplesd'un moteur selon sa vitesse, avec unebaisse de tension de l'ordre de 15 % (d'oC'm 0,7 Cm) et un couple rsistant Cr 0au dmarrage.A noter qu'une telle baisse de tension nepermettrait pas le lancement de ce moteuravec un Cr > 0,6.Cn au dmarrage, caralors Cr > Cm. fig. 7 : modes de dmarrage les plus couramment usits.

fig. 8 : comportement des moteurs

asynchrones lors d'un dfaut triphas.

dfaut triphas

chute de tension

augmentation

du courant

absorb par

les moteurs

diminution du

couple moteur

(selon le carr

de la tension)

ralentissement

de tous les

moteurs


13/24


s un rseau puissant (alternateurscorrectement rguls et faible chute detension) ;

s des systmes de protection rapides

qui diminuent la dure deralentissement des moteurs (slectivitlogique par exemple) ;s une structure du rseau adapteavec :s une sparation et un regroupementsur des circuits distincts des rcepteursordinaires et non essentiels d'une part,des rcepteurs essentiels et tempszro d'autre part, qui facilitent ledlestage,s des liaisons d'impdance minimalepour les rcepteurs essentiels et temps zro pour limiter les chutes de

tension.

La dure du retour la vitesse normaledes moteurs est fonction :s de leur couple acclrateur, donc dela chute de tension,

s de l'inertie des masses tournantes.

Des logiciels de calcul permettent desimuler le comportement dynamiqued'un rseau lectrique et ainsi faciliterles choix. En particulier dans ladtermination des procdures desparation des sources (lotages), desplans de dlestage des charges nonessentielles, des systmes deprotection retenir (slectivit logiquepour obtenir des dures trs courtes dedclenchement). L'ensemble de cesdispositions contribue au maintien de lastabilit dynamique du rseau lors

d'une perturbation.

En rsum :

Si la perturbation est faible (court-circuitbiphas loign de l'utilisation), la

stabilit est rtablie par l'action des

rgulateurs de vitesse et de tension.

Lorsque le risque d'instabilit estimportant, il faut prvoir une protectionqui, dans un dlai trs court (de 0,2

0,3 s), limine le dfaut et/ou un

dispositif qui fractionne le rseau pourle soulager (dlestage) afin de ne pas

risquer l'arrt total de l'installation

(cf. fig. 9).

synthseToute la rflexion dcrite dans ce

chapitre est rsume sous la forme

d'un logigramme dans l'annexe 6.

M1 M2 M3 M4 M5

circuit dlest

G

(rad/s)

300

250

0,15 1 2 3 t (s)

alternateur

moteur M1, avec dlestage

moteur M1, sans dlestage

limination du court-circuit

G

fig. 9 : prsentation du comportement dynamique d'un rseau avec et sans dlestage.


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Diffrentes structures de rseau sont

possibles, les plus courantes sont

prsentes dans ce chapitre avec leursprincipaux domaines d'emploi.

Le choix d'une structure de rseau,

toujours dterminant sur le plan de la

disponibilit de l'nergie est souventdifficile.

Comparer rapidement, pour diffrentes

structures, l'indisponibilit de la tensionen un point particulier du rseaus'avre tre la mthode la plus

rationnelle, et l'emploi d'un systme

expert trs intressant (cf. annexe 2).

structures types desrseaux

Boucle ouverte ou ferme dite encoupure dartre

(cf. fig. 10)Prconise pour les rseaux trstendus, avec des extensions futuresimportantes. Son exploitation en boucle

ouverte est recommande.

Radial doubles dite en doubledrivation (manuelle ouautomatique)

(cf. fig. 11)

Prconise pour les rseaux trstendus avec des extensions futureslimites et ncessitant une bonne

continuit d'alimentation.

Radial dite en simple alimentationou en antenne

(cf. fig. 12 page ci-contre)

Prconise lorsque les exigences decontinuit d'alimentation sont faibles.Elle est trs souvent retenue pour lesrseaux des cimenteries.

Double alimentation

(cf. fig. 13 page ci-contre)

Prconise lorsqu'une bonne continuitd'alimentation est demande oulorsque les quipes d'exploitation et demaintenance sont peu nombreuses.

Elle est trs souvent retenue dans lesdomaines de la sidrurgie et de laptrochimie.

4. choix de la structure et exploitationoptimale des rseaux

fig. 10 : schma d'un rseau en boucle.

fig. 11 : schma d'un rseau en double drivation.

HT

BTBTBT

HT

BT

BT

BT


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G

fig. 15 : schma d'un rseau avec un groupe de production d'nergie.

sourceprincipale

source deremplacement

utilisation

prioritaire

(rseau secouru)

utilisation

non prioritaire

G

fig. 16 : schma d'un rseau avec une source de remplacement et dlestage.

Avec source de remplacement etdlestage(cf. fig. 16)C'est le cas typique d'un rseau

industriel o une trs grande continuitd'alimentation est demande avec uneseule alimentation du distributeurpublic.

BT

sous tableau HT

BT

HT

fig. 12 : schma d'un rseau en simple

alimentation.

HT

HT

BT

fig. 13 : schma d'un rseau en double

alimentation.

Double jeux de barres(cf. fig. 14)Prconise lorsqu'une trs grandecontinuit d'alimentation est demande

ou lorsqu'il y a de trs fortes variations

de charges : les charges pouvant tre

rparties sur l'un ou l'autre des jeux de

barres, sans interruption d'alimentation.

Avec groupes de production d'nergie(cf. fig. 15)

C'est la structure la plus simple mais

trs souvent rencontre.

fig. 14 : schma d'un rseau en double jeux de barres.

dparts

arrives

jeu de barres B

jeu de barres A


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exemple concret d'unestructureLe schma de la figure 17 a t tudi

et ralis pour une mine polymtalliqueau Maroc. Il regroupe diffrentesstructures de rseaux abordesprcdemment ; ainsi, l'alimentationdes diffrents ateliers est ralise parune boucle, ou une double antenne, ouune source principale et une source deremplacement.

choix des quipementsQuelle que soit la structure choisie, lesquipements prvus doivent satisfaire :s aux normes en vigueur ;s

aux caractristiques du rseau :s tensions, courants nominaux,s courant de court-circuit (pouvoir defermeture, pouvoir de coupure, tenuelectrodynamique et thermique) ;s aux fonctions souhaites (coupuresur dfaut, coupure en service normal,commande frquente, isolement descircuits,) ;s aux exigences de continuitd'alimentation (appareil fixe,dconnectable, dbrochable) ;s aux qualifications des agentsd'exploitation et de maintenance(prsence de verrouillages,d'asservissement lectriques plus oumoins complets, technique de coupureavec ou sans entretien) ;s aux exigences de la maintenance etdes extensions ventuelles (rserve,modularit,).

Nota : A ce stade de l'tude l'ensembledes caractristiques du rseau sont lersultat de calculs souvent effectus l'aide de logiciels de calcul scientifique.

exploitation optimalePar exploitation optimale dunedistribution lectrique, il fautcomprendre la recherche :s dune meilleure continuitd'alimentation,s dun cot minimal de l'nergieconsomme,s dune optimisation des moyensd'exploitation et de maintenancecontribuant la matrise defonctionnement du rseau, ceci enrgimes tabli et transitoire, et enprsence dun dfaut.La solution est dans la mise en uvredun systme de Gestion Technique de

fig. 17 : structure du rseau lectrique d'une mine marocaine (Merlin Gerin).

G

concassagecarreau

63 kV

10 MVA2 MVA10 MVA

source de remplacement

5 kVBT BT

20 kV

niveau - 300

puits N1

5 kV

traitement broyeurs

niveau - 500

puits N2


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la distribution Electrique -GTE- pourlensemble du rseau.

Les systmes de GTE actuellementproposs par les constructeurs, telMerlin Gerin, exploitent toutes lesperformances des microprocesseurs.Ainsi ces composants, intgrs dansles centrales de gestion locale etcentralise comme dans les appareilsde protection et de contrle-commandeinstalls sur les lieux mmes de laconsommation, sont lorigine duconcept de lintelligencedcentralise. Lexpressionintelligence dcentralise signifieque, leur niveau, les centrales et lesappareils remplissent leur mission defaon autonome (sans intervention

humaine), et ne sollicitent le niveausuprieur quen cas danomalie. Parle superviseur, le gestionnaire ou

exploitant du rseau est toujours

inform des changements.

Ces propos permettent de comprendre

toute limportance quil y a bien dfinir

larchitecture du rseau.

Description dun systme de GTE

(cf. fig. 18)

Un systme de GTE est organis selon

quatre niveaux :

s niveau 0 : capteurs (de position, degrandeurs lectriques, ) et

actionneurs (dclencheur, bobine,) ;

s niveau 1 : units de protection et de

contrle-commande, par exemple d'unecellule HT ;

s niveau 2 : conduite locale, par

exemple poste HT/BT d'une usine ou

tableau BT d'un atelier ;s niveau 3 : tlconduite de l'ensemble

du rseau priv.

Tous ces matriels et particulirementceux des niveaux 1 3 sont relis pardes bus (rseaux par lesquelstransitent les informations).

Les missions des systmes de GTEs grer l'approvisionnement et laconsommation de l'nergie enfonction :s de la puissance souscrite,s de la tarification du distributeur,s des disponibilits de la centrale deproduction prive,s des impratifs des processusindustriels.

s maintenir la continuit d'alimentationen ralisant :s la protection rapide et slective(systme de slectivit logique par

exemple),s la permutation automatiqued'alimentation,

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

niveau 3

tlconduite de l'ensembledu rseau lectrique priv(systme superviseur etconsignateurs d'tats)

niveau 2gestion locale desrseaux poste-usine(centrale de gestion derseaux)

niveau 1units de protection etcontrle-commande(cellules HT, TGBT d'atelier)

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

poste de contrle-commanden1

poste de contrle-commanden2

part 2 dclench : dfaut terreart 2 : Surcharge 150A. Dlest en co

I 1 = 136 A

part Atelier Soudure : Intensit 23A

I 1 = 96 ADf A1


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s un dlestage/relestage performant etparamtrable depuis l'interface homme/machine avec la dfinition des critresde dlestage (plan de dlestage/

relestage),s le redmarrage squentiel desateliers,s la fonction rglage de la tension, duCos , etc....s la sauvegarde des rcepteursessentiels lors dune ruptured'alimentation du distributeur ou desalternateurs locaux de production.

s permettre un dialogue homme -machine :s visualisation des diffrents tats durseau et de ses quipements par dessynoptiques anims en temps rel

(unifilaires, schmas de dtails,courbes, etc....),s tlcommande des appareils demauvre,s consignation des tats et desmesures,s enregistrement chronologique desdfauts et alarmes (10 ms),s archivage des vnements,

s comptage, statistiques,s historique.Toutes ces informations permettentnotamment dorganiser la maintenance

prventive.s laborer des procdures GuideOprateur, qui, par exemple :s interdisent certains dmarrages demoteurs en fonction de la puissancedisponible de la centrale de production,de l'heure, ou du degr de priorit desmoteurs,s interdisent certains modesd'alimentation des tableaux HauteTension (bouclage de sources),s proposent le schma de secours lemieux adapt face un dfaut graved'un dpart principal ou d'un

gnrateur,s proposent des messagesd'exploitation et des oprations demaintenance (lectriques, mcaniques,etc.).

Avantages dun systme de GTEL'volution des systmes de protectionet de contrle-commande numriquesdu niveau 1 d'une part, et

l'augmentation rapide du rapportperformances/cot des matriels etlogiciels du niveau 2 d'autre part,permettent aux industriels de bnficier

d'avantages techniques etconomiques, en particulier :s une sret de fonctionnementmatrise,s une plus large gamme de fonctionsaccessibles, notamment des fonctionsde consignation d'tat, de maintenanceprventive et de conduite,s une mise en uvre facilite et uneexploitation plus efficace.La richesse des fonctions offertes parces systmes, les possibilits nouvellesd'auto-contrle voire dauto-diagnosticet de surveillance ainsi que la

convivialit des interfaces de dialogueavec l'oprateur, rendent naturellementplus efficace et plus intressant le rlede l'exploitant. Ainsi, il est capable demieux apprcier le fonctionnement deson rseau et d'optimiser, outre laconduite, la maintenance et lerenouvellement de ses quipementslectriques.

qui s'avre le plus conomique comptetenu de l'investissement initial, descots d'exploitation et des pertes deproduction.Les meilleures conditions d'exploitationpermettent d'obtenir une continuitd'alimentation des rcepteurscompatibles avec les exigences desinstallations, ceci pour obtenir une

productivit et une scurit maximaledes personnes et des biens.

Les nouvelles gnrations d'appareilset d'quipements lectriques sontconues pour dialoguer, au travers debus de communication numriques,avec un ou plusieurs postes deconduite. Et c'est l'ensemble de deuxrseaux, rseau d'nergie et rseaud'informations, d'un cotd'investissement acceptable, qui

permet la satisfaction optimale desbesoins des utilisateurs.

Une conception de rseau lectriquebien matrise permet d'assurer, aumoindre cot et dans les meilleuresconditions d'exploitation, unfonctionnement optimal en rgimepermanent et en rgime perturb durseau.Le meilleur cot n'est pasncessairement celui qui correspond

un investissement initial minimal, maisplutt de concevoir le rseau lectrique

5. conclusion


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L'extension d'un rseau industrielexistant avec l'ajout d'un transfomateurdevant pouvoir tre raccord enparallle sur le transformateur existantprsente l'inconvnient daccrotrel'intensit des courants de court-circuit,et ainsi de devoir augmenter :s les pouvoirs de coupure et defermeture des appareils en place,sla tenue aux efforts

lectrodynamiques de l'ancienneinstallation.

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

hypothsess l'intensit du courant de court-circuitde l'installation existante : 17 kA (Icc1),s l'intensit du courant de court-circuitsur le jeu de barres existant doit trelimit 21 kA (Icc2),

XTr = 0,63 .

calcul approch de laractance de limitation(les rsistances sont ngliges)

Le courant traversant la ractance doittre gal en premire approximation(Icc1 et Icc2 en phase) :

fig. 19 : extension d'un rseau industriel existant avec ajout d'un transfomateur

complmentaire.

ancienne installation nouvelle installation

nouveau

transformateur

20 MVA

Ucc = 12%

36 MVA

Ucc = 12%

17 kA

Icc 1 X = 0,81

4 kA

21 kA

ractance

de limitation

10 kV 10 kV

21 - 17 = 4 kA = IccL

ccL = Intensit limite par la ractance

=V

X

X = valeur de la ractance totale

(transformateur 20 MVA et ractancede limitation)

X =V

IccL=

10000

3 x 4000= 1,44

X = Xract + XTrXTr = 0,63X ract = 1,44 - 0,63X ract = 0,81

annexe 1 : extension d'un rseau industrielexistant


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Voici une liste des principaux logicielsutiliss dans les diffrents services dela socit Merlin Gerin chargsd'tudier et/ou de concevoir desrseaux lectriques.

logiciels de calculss rpartitions des puissances.s intensit des courants de court-circuit,s chutes de tension,s

stabilit dynamique d'un rseau,s courants et tensions harmoniques,

s surtensions de foudre et demanuvre,s enclenchement de transformateur etde condensateur,s indisponibilit d'une alimentationlectrique.

systme expert d'valuationde la qualit de conceptiond'un rseau lectrique

Un systme expert dnomm ADELIAa t developp et est exploit par

Merlin Gerin. Il permet de comparer

rapidemment pour diffrents schmas,

l'indisponibilit de la tension en un point

particulier du rseau.

Il prsente l'avantage de requrir moins

de calculs que la mthode des graphes

de Markov, et d'autre part de fournir

la fois des renseignements qualitatifs

(graphe des combinaisons

d'vnements conduisant la

dfaillance du systme), et des

rsultats quantitatifs (calculs del'indisponibilit du rseau).

Le principe de compensation avec descondensateurs peut tre reprsent parles deux figures ci-aprs.

s la figure 20 prsente la compositionvectorielle des diffrents courants etpour un courant actif donn, larduction du courant total dans lesconducteurs.Ia = courant actif consomm

It1 = courant total avant compensation

Ir1 = courant ractif fourni au travers dutransformateur avant compensation

It2 = courant total aprs compensation

Irc = courant ractif fourni par le

condensateurIr2 = courant ractif fourni par letransformateur aprs compensation(Ir2 = Ir1 - Irc)

s la figure 21 illustre l'change locald'nergie ractive entre le rcepteur etle condensateur. Le courant total fournipar le rseau It2 est rduit, lerendement de l'installation se trouve

annexe 2 : moyens informatiques utilisspour les tudes de rseaux

annexe 3 : principe gnral de lacompensation

avant

compensation

aprs

compensation

puissance

rendue

disponible

puissanceractive

dbite par

transformateur

puissanceractive

fournie par

condensateur

puissance

active

fig. 20 : composition vectorielle des

diffrents courants, et l'effet de la

compensation.

fig. 21 : diagramme traduisant l'change

d'nergie dans le circuit d'alimentation d'un

rcepteur et montrant l'intrt de la

compensation.

donc amlior puisque les pertes par

effet Joule sont proportionnelles au

carr du courant.

It1

Irc

It2

Ir1

Ir2

Ia1 2


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Le choix dun schma des liaisons laterre (rgime de neutre) pour un rseauindustriel en Haute Tension faitintervenir les critres suivants :s la politique gnrale,s la lgislation en vigueur,s les contraintes lies au rseau,s les contraintes lies lexploitationdu rseau,

s les contraintes lies la nature desrcepteurs,s etc...Cinq schmas peuvent tre envisags :s neutre direct la terre,s neutre mis la terre par uneractance,s neutre mis la terre par uneractance accorde,

s neutre mis la terre par unersistance,s neutre isol.Chacun deux prsentent desavantages et des inconvnients quilconvient de bien connatre avantdarrter son choix, ils sont regroupsdans le tableau suivant (cf. fig. 22).

fig. 22 : avantages et inconvnients des diffrents schmas de liaison la terre possibles pour un rseau industriel HT.

schma de liaison du neutre avantages inconvnients en pratique

direct la terre sfacilite la dtection provoque des courants levs pas utilisdes dfauts la terre de dfaut la terre (dangereuxet la slectivit des pour le personnel avecprotections, risques de dgats matrielsslimite les surtensions importants)

mis la terre par limite les courants sncessite des protections plus applicable sansune ractance des dfauts la terre complexes que la liaison directe prcaution particulire

la terre, que si l'impdance despeut provoquer des surtensions limitation est faible parsvres selon les configurations rapport la rsistancede l'installation homopolaire du circuit

mis la terre par favorise lauto-extinction ncessite des protections sparfois employ dansune ractance accorde du courant des dfauts complexes (dispositifs directionnels les pays de l'Est(bobine de Petersen) la terre difficiles mettre en uvre) spas utilis en France

mis la terre par slimite les courants le plus intressant pour uneune rsitance des dfauts la terre, distribution industrielle : il runit

sfacilite leur dtection et tous les avantages

la slectivit des protections,slimite les surtensions

isol de la terre limite les courants srisques de surtensions le non dclenchementdes dfauts la terre sncessite l'emploi de au premier dfaut la

matriel sur-isols (tension terre ncessite :compose entre phase et terre s l'obtention d'une drogationlors d'un dfaut franc la terre), (lgislation franaise)s protections souhaitables s que la capacit entre les

contre ces surtensions, conducteurs actifs du rseau et las surveillance de l'isolement terre nentrane pas un courant deobligatoire (lgislation franaise), dfaut la terre dangereux pour les slectivi t complexe entre les personnel et les machines.protections de dfaut la terre

annexe 4 : choix du schma des liaisons la terre pour un rseau industriel HT


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

La chute de tension dans un rseaupeut se calculer par l'expression :V = R .I.cos + X.I.sin Le schma lectrique et le diagrammevectoriel correspondant cettequation sont donns par la figure 23.

V

F

E

CD

B

A

I

Va

Vd

XI

RI

RL

rcepteur

VaVd

source

I

cble

AD = RI cos

DE = BC sin + CF sin

DE = BF sin = XI sin

Ce logigramme comporte deuxboucles :s la premire, d'analyse et de choix,

part des Besoins et contraintes satisfaire et conduit l'organisation

annexe 5 : chute de tension dans un rseau(expression mathmatique et diagramme vectoriel)

annexe 6 : les tapes de conception d'unrseau industriel

d'une structure de rseau dans unSchma unifilaire gnral,s la seconde vise l'optimisation de

cette structure.

boucle d'analyse et de choix

conduisant l'organisation d'une

structure

boucle d'optimisation de cettestructure


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Besoinset contraintes

satisfaire

NON

Besoins majeurssatisfaits

et/oucontraintesmatrises

Bilan des puissances$ active$ ractive partir des coefficients$ d'utilisation$ de simultanit

nominal

Choix du mode de dmarrage des moteursIl dpend :$ de la chute de tension admissible sur le rseau$ des couples rsistants et moteurs$ de l'inertie des masses tournantes

Nota : les valeurs maximales des chutes de tension etdures de dmarrage couramment rencontres sont :$ chutes de tension =10 15 % de U$ dures de dmarrage : pompe = 0,5 2 s broyeur = 5 10 s bande transporteuse = 5 30 s ventilateur = 10 200 s

Choix des tensionsSelon :$ la fonction raliser: transport distribution utilisation$ les puissances disponibles et fournir$les distances sparant les sourcesdes rcepteurs$ les pratiques et habitudes locales

Compensation de l'nergieractiveAvec comme principaux critres dechoix du type de compensation :$ longueur et section de lacanalisation lectrique$ augmentation souhaite de lapuissance active disponible

Sources de scurit$ normes$ textes lgislatifs

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

Production autonome d'nergielectriqueSi l'industriel :$ peut disposer de vapeur produitepar le process$ peut disposer de combustibles faible cot$ ne peut pas obtenir du distributeurpublic une nergie de bonne qualitou de forte puissance.

Fractionnement des sourcesPour circonscrire les zonesperturbes par :$ les dmarrages des gros moteurs$ les systmes lectroniques depuissances$ etc...

Calcul des variations de tensionen rgimes normal et perturb

Calcul des intensits descourants de court-circuit

Dfinition d'un systme de protection

Dfinition des canalisations lectriquesPrincipaux paramtres retenir :$ courant normal permanent (ou quivalent)$ mode de pose$ exposition solaire$ temprature du sol$ temprature de l'air$ conductivit du sol$ chute de tension admissible en rgimes permanentet perturb$ tenue au courant de court-circuit$

tenue des crans de cble aux dfauts monophasset/ou polyphass$ tension de contact$ etc...

Etude de la coordination de l'isolement

Choix du ou des schmas des liaisons la terreparmi les schmas possibles suivants :$ neutre isol$ neutre directement mis la terre$ neutre mis la terre par l'intermdiaired'une ractanceou d'une bobine d'extinction de Petersen$ neutre mis la terre par l'intermdiaire d'une rsistance

OUI

Schmaunifilairegnral


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Cahiers Techniques Merlin Gerin

s Protection des rseaux par lesystme de slectivit logique,Cahier Technique n 2F. SAUTRIAU

s Mise la terre du neutre dans unrseaux industriel haute tension,Cahier Technique n 62F. SAUTRIAU

s Gestion de l'nergie dans lesprocessus industriels,

Cahier Technique n 133C.G. POUZOLS

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

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

s La foudre et les installationslectriques HT,Cahier Technique n 168B. DE METZ NOBLAT

Publications diverses

s Les surtensions lors de lliminationde courts-circuits sur les rseaux dontle neutre est mis la terre par uneractance.Bulletin de la Socit Franaise desElectriciens, 8e srie, Tome 1, n4(avril 1960)LE VERRE

annexe 7 : bibliographie

conception des réseaux industriels

Documents

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