Sûreté de fonctionnement et tableaux électriques BT

..........................................................................Collection Technique

Cahier technique n° 156

Sûreté de fonctionnement ettableaux électriques BT

P. Romanet-Perroux

■ Merlin Gerin ■ Modicon ■ Square D ■ Telemecanique

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettentégalement de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partirdu site Schneider.Code : http://www.schneider-electric.comRubrique : maîtrise de l’électricité

Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contactezvotre agent Schneider.

La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique »du groupe Schneider.

Avertissement

L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrectedes informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et nesaurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni deconséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémascontenus dans cet ouvrage.

La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée aprèsaccord de la Direction Scientifique et Technique, avec la mention obligatoire :« Extrait du Cahier Technique Schneider n° (à préciser) ».

Philippe Romanet-Perroux

Ingénieur diplômé de l'Institut National Polytechnique de Grenoble, etde l'Ecole Supérieure des Affaires, est entré chez Merlin Gerin en1983.Après avoir réalisé des études de réseaux électriques, il a participé audéveloppement de produits, puis a été chef de projet au sein del’activité Alimentation Sans Interruption. Il est actuellementresponsable du support technique pour l’activité Equipements etSystèmes Basse Tension.

n° 156Sûreté de fonctionnement ettableaux électriques BT

CT 156 édition octobre 1998

Cahier Technique Schneider n° 156 / p.2

Lexique

Appareil intelligent : appareil qui possède desmoyens propres de traitement et une certaineautonomie de fonctionnement par rapport ausystème informatique auquel il est connecté.

ASI : alimentation sans interruption, souventappelé onduleur.

BT : basse tension.

Bus médium : liaisons permettant d'échangerdes informations numérisées entre différentséléments qui lui sont raccordés.

CEI : commission électrotechniqueinternationale.

Centrale de tableau : produit destiné à regrou-per l'ensemble des informations disponiblesdans le tableau et son environnement direct, àréaliser des traitements sur ces informations et àcommuniquer avec un système de conduite, afinde rendre un tableau BT intelligent.

ES et EDS : ensemble de série et ensembledérivé de série sont des équipements BT définispar des normes qui leurs imposent différentescaractéristiques techniques, règles deconception et d'essais.

GTB : gestion technique du bâtiment.

GTC : gestion technique centralisée.

GTE : gestion technique de l’électricité.

GTP : gestion technique de process.

HT : haute tension.

IP : degré de protection des tableaux bassetension.

MCC : Motor Control Center ; tableau BTregroupant les éléments de contrôle-commandede plusieurs moteurs (et, d’une manièregénérale, le contrôle commande de tous lesactionneurs présents sur un process).

MT : moyenne tension.

MTBF (Mean Time Between Failure) : tempsmoyen entre deux défaillances d’un systèmeréparable.

MTTR (Mean Time To Repair) : durée moyennede réparation.

PE : conducteurs de protection.

Protocole : séquence des règles à suivre pourétablir et entretenir des échanges d’informationspar bus entre des stations.

Réseau de communication : équivalent auterme bus de communication ; le mot bus estpréféré au terme réseau, celui-ci étant souventutilisé pour parler de réseau électrique.

TGBT : tableau général basse tension.

TGI : Tableau à Gestion Intégrée (ou TableauGénéral basse tension Intelligent) ; équipementqui réunit l’appareillage électrotechnique de ladistribution de puissance, et une centrale detableau ; l’ensemble étant relié par des bus decommunication afin de réaliser lecontrôle-commande de la distribution électrique.


Sûreté de fonctionnement et tableauxélectriques BT

Sommaire1 Introduction p. 4

2 Fonctionnalités des tableaux 2.1 Le tableau et ses fonctions p. 5

2.2 La garantie fonctionnelle du tableau p. 8

3 Un niveau de sûreté fonction du besoin 3.1 Les caractéristiques de la sûreté de fonctionnement p. 10

3.2 Les concepts de sûreté industrielle p. 13

3.3 Les niveaux de sûreté requis p. 20

4 Le tableau, perspectives d'avenir 4.1 La Gestion Technique de l'Electricité p. 23

4.2 La GTE apporte un « plus » sûreté p. 23

4.3 La technologie p. 24

4.4 Le tableau « intelligent » p. 25

5 Conclusion p. 27

Annexe : bibliographie p. 28


1 Introduction

Ce Cahier Technique traite de la sûreté desréseaux Basse Tension - BT - de l’industrie et dutertiaire. Son but est d’apporter des éléments deréponse à la question « quelle doit êtrel’installation face au besoin de disponibilité enénergie électrique ? »

Le sujet est abordé ici sous l’angle destableaux BT.Il traite les problèmes suivants :c quelles sont leurs fonctions permettant de palliertoute défaillance du système de distribution BT ?c comment les utiliser ?c avec quel appareillage ?c dans quel environnement réseau (nombre desources et de récepteurs, type de schéma deliaison du neutre à la terre ou régime deneutre) ?

Tout ceci en tenant compte d'une réalité : lestableaux BT sont le centre de la maîtrise del'énergie électrique.

Ce document permet aux exploitants comme auxconcepteurs d'installations électriques de :v visualiser les points auxquels ils doivents'intéresser, ceux-ci ayant été développés àpartir de choix techniques dans le sous chapitre« les concepts de sûreté industrielle ». Cesdéveloppements se réfèrent à des niveaux defiabilité calculés sur des cas concrets, ilsaboutissent à des réponses en terme de type dematériels. Une synthèse en est faite dans lesous chapitre « les niveaux de sûreté requis »,v constater l’importance croissante de l’apportde la Gestion Technique de l'Electricité - GTE -dans la sûreté au niveau du tableau BT.


2 Fonctionnalités des tableaux

Le tableau électrique est le point de passageindispensable du courant électrique.Il intègre des appareils qui assurent :v la distribution de l’énergie électrique et laprotection des circuits,v la protection des personnes,v le contrôle et la commande de l’installation.

Les récents développements de cette partiecontrôle-commande font du tableau le centrevital de l’installation : de sa sûreté dépend lasûreté de l’ensemble d’une installation ; de son« évolutivité » dépend la survie de toute l’activitéindustrielle ou tertiaire qu’il alimente.Cette sûreté de fonctionnement de la distributionélectrique se décline en :c probabilité très faible de panne (fiabilité),c pas de panne dangereuse (sécurité),c bon état de fonctionnement le plus souventpossible (disponibilité),c réparation rapide (maintenabilité),...et cela durant toute l’existence de l’installation.Ces notions de sûreté de fonctionnement etd’évolutivité sont à prendre en compte lors de laphase de conception du tableau.

La gestion de l’installation doit être décentralisée(voir Cahier Technique n°186). Lesautomatismes de délestage et relestage, depermutation, les appareils de mesures, deprotection..., sont placés au plus proche del’utilisation, cela permettant :v une modularité optimale obtenue par ladisposition des différents éléments,v une fiabilité accrue car une défaillance localene doit pas paralyser l’ensemble de l’installation,v une convivialité certaine pour l’exploitant depar les possibilités de contrôle et de commandelocales sur les tableaux divisionnaires, ainsi

qu’au niveau central par la supervision : ledialogue entre ces différents niveaux de ladistribution est aujourd’hui grandement facilitépar les bus de communication.

Conséquence de cette décentralisation, unepartie de « l’intelligence » est intégrée auxdifférents tableaux BT d’une installation quirassemblent tous les organes actifs, entre letransformateur et l’utilisation terminale(cf. fig. 1 ).Ainsi se trouve conçu un système de tableauxregroupant :v le TGBT (Tableau Général Basse Tension),v les MCC (tableaux de commande moteurs),v les tableaux divisionnaires,v les coffrets de distribution terminale.

Fig. 1 : l’intelligence est maintenant intégrée dans lestableaux BT (Digibloc - Merlin Gerin).

2.1 Le tableau et ses fonctions

Un certain nombre de constituants ouspécificités du « tableau » réalisent et/ougarantissent ses finalités, en terme fonctionnel.

c L’architecture du réseau BTElle se traduit par un découpage en différentstableaux, coffrets..., répartis géographiquement,ce qui réalise le plan de l’installation.Ensuite, différentes zones sont définies au seindu tableau :v appareillage,v jeu de barres,

v raccordement,v auxiliaires.Les distances d’isolement et de sécuritéminimales doivent déjà être respectées.

c Les unités fonctionnellesElles permettent de réaliser les fonctions électriquescorrespondant aux besoins de l’utilisateur. Chaqueunité rassemble l’appareillage destiné à couvrir unefonction, par exemple la protection d’un départ oud’un ensemble de départs, la commande d’unmoteur, l’arrivée du courant dans le tableau...


c L’enveloppeElle matérialise le volume électrique. Elle assuresimultanément :- la protection des matériels électriques qu’ellecontient contre les influences externes,- la protection des personnes contre les chocsélectriques (contacts direct et indirect).v Protection du matérielElle est assurée contre la pénétration des corpsétrangers solides et des liquides par l’étanchéitéplus ou moins grande de l’enveloppe.v Protection des personnesElle est assurée par :- l’interconnexion de toutes les partiesmétalliques (charpentes, enveloppes, y comprisla porte), qui sont reliées à la terre via lesconducteurs de protection - PE -,- la minimisation des orifices (aérations,passages des câbles...) qui ne doivent paspermettre de toucher une partie sous tension,directement ou à l’aide d’outils (tournevis parexemple),- l’utilisation éventuelle d’écrans afin d’éviter toutcontact avec des parties actives lorsque la porteest ouverte.

v Degrés de protection (IP)Les normes CEI 60529 (1989-11), ouNF C 20-010 (1992-10) définissent les différentsdegrés de protection des personnes (contre lescontacts directs) et du matériel (cf. fig. 2 ) aumoyen de deux chiffres et de deux lettres. Larésistance aux chocs qui était caractérisée par le3ème chiffre de l’IP s’exprime maintenant par unindice séparé IKx selon la norme européenneEN 50102 (1995), ou française NF C 20-015(1995-06).v AdaptabilitéL’enveloppe doit être adaptée aux volumes del’appareillage à loger ainsi qu’au gabarit deslocaux et des voies d’accès. L’associationd’unités fonctionnelles permet d’obtenir lestableaux désirés.Selon le cas, les raccordements se font par lehaut ou le bas, l’avant ou l’arrière.

c Les cloisonnements internesPour une sûreté accrue, les cellules peuvent êtredivisées par des cloisons et des écrans(métalliques ou non).Les matériels sont installés et câblés dans letableau de telle sorte que leur bon

Elément Chiffre Signification pour la protection Signification pour la protectionou lettre du matériel des personnes

Premier chiffre Contre la pénétration de corps solides étrangers : Contre l'accès aux parties dangereuses avec :caractéristique 0 (non protégé) (non protégé)

1 de diamètre u 50 mm dos de la main2 de diamètre u 12,5 mm doigt3 de diamètre u 2,5 mm outil4 de diamètre u 1,0 mm fil5 protégé contre la poussière fil6 étanche à la poussière fil

Deuxième chiffre Contre la pénétration de l'eau avec effets -caractéristique nuisibles :

0 (non protégé)1 gouttes d'eau verticales2 gouttes d'eau (15° d'inclinaison)3 pluie4 projection d'eau5 projection à la lance6 projection puissante à la lance7 immersion temporaire8 immersion prolongée

Lettre additionnelle - Contre l'accès aux parties dangereuses avec :(en option) A dos de la main

B doigtC outilD fil

Lettre supplémentaire Information supplémentaire spécifique à : -(en option) H matériel à haute tension

M mouvement pendant l'essai à l'eauS stationnaire pendant l'essai à l'eauW intempéries

Fig. 2 : les élements définissant un degré de protection IP selon les normes CEI 60529 et NF C 20-010.


fonctionnement ne soit pas compromis par leursinfluences mutuelles, par exemple champsélectromagnétiques, vibrations ou arcs quipeuvent se produire. Le cloisonnement permetde s’affranchir de la majeure partie de cesinfluences, alors qu’une ventilation appropriéerépond au problème thermique.Les écrans et les cloisons contribuent aussi à :v la protection contre les contacts avec desparties actives appartenant aux unitésfonctionnelles adjacentes,v la limitation du risque d’amorçage,v la protection contre le passage de corpssolides d’une unité fonctionnelle à une autre.

Les niveaux de sûreté correspondants sontmesurés dans la suite de ce document.

Ces cloisonnements sont souvent liés àl’architecture du tableau et délimitent ainsi lesdifférentes zones : appareillages, jeu de barres,raccordement et auxiliaires.Cette séparation des différents éléments oufonctions du tableau (cf. fig. 3 ) est définie dansles normes CEI 60439-1 (1992-11) ouNF C 63-421 (1994-10).v Forme 1 : aucune séparation,v Forme 2 : séparation du jeu de barres desunités fonctionnelles,v Forme 3 : idem forme 2, mais avec séparationdes unités fonctionnelles entre elles, mais nonles bornes de départ,v Forme 4 : idem forme 3 avec séparation desbornes de départ entre elles.Nota : chacune des formes 2, 3 et 4 estsubdivisée en deux, avec des indices a et b.

c Les liaisons électriques internesConstituées par des conducteurs (jeux de barreset câbles) au sein de l’enveloppe, ellesmatérialisent la distribution du courantconformément au schéma de l’installation.v Leurs sections et leur nombre varient enfonction des courants nominaux. Mais leurscaractéristiques dépendent aussi d’autresparamètres à prendre en compte pour leurréalisation, tel le courant assigné de tenue aucourt-circuit d’un tableau qui est égal à la valeurefficace du courant que peut supporter le tableaupendant une seconde (cf. norme CEI 60439-1).v Leurs supports doivent eux aussi « tenir » lesefforts électrodynamiques correspondants etrésister aux contraintes thermiques. Il faut deplus qu’ils respectent les longueurs minimales delignes de fuites.v En ce qui concerne les circuits de commande,leur cœxistence avec le circuit de puissance sefait en ménageant des zones de passagespécifiques et en employant une connectiqueappropriée. De même, les auxiliaires (à partir duchoix d’une forme 3) sont isolés des autresunités ; ils sont donc soumis à un environnementmoins contraignant sur le plan thermique etélectromagnétique.

Fig. 3 : les « formes » définies par les normesCEI 60439-1, EN 60439-1 et NF C 63-421 délimitentles différentes zones dans un tableau.

c Les raccordements de l’appareillageCette fonction de base a une influence sur ladisponibilité et la maintenabilité. Deux facteursqui dépendent du mode d’installation del’appareillage : fixe, débrochable oudéconnectable.Rappelons que :v un appareil est dit fixe lorsque des outils sontnécessaires pour le déconnecter du réseau,v un appareil débrochable sur socle, ou surchâssis (pour un appareil lourd), peut êtredéplacé jusqu’à une position pour laquelle estétablie une distance de sectionnement entre seséléments de connexion amont et aval,v un appareil déconnectable a son raccordementamont débrochable et son raccordement avalfixe.

Forme 1 Forme 2b

Forme 4bForme 3b


De même, ces modes d’installation sont liés à latechnologie des tableaux qui peut être fixe,débrochable (à tiroirs) ou déconnectable(cf. fig. 4 ).

Un exemple : un équipement débrochable peutêtre réalisé soit avec un tableau à tiroirs

comportant des appareils fixes, soit avec untableau fixe comportant des appareilsdébrochables (sur socle ou sur châssis).

Fig. 4 : les différents montages possibles de l’appareillage dans un tableau BT.

2.2 La garantie fonctionnelle du tableau

La conception d’un tableau se réfère à desnormes régissant globalement le domaine de labasse tension, et plus spécifiquement à desnormes relatives aux ensembles (armoires, pupi-tres...). Le respect de ces normes est la garantieminimale d’un niveau de qualité et de sûreté.Les normes CEI 60439-1, EN 60439-1 etNF C 63-421 définissent les dispositionsconstructives, les caractéristiques techniques etles essais à effectuer pour la conception et lesréalisations d’ensembles dits « types » :c les équipements fabriqués conformément auxtypes sont appelés « Ensemble de Série » - ES -,c les équipements qui en dérivent (par exemplepar le calcul) sont appelés « Ensembles Dérivésde Série » - EDS -.Un point sur les normes est fait dans le CahierTechnique n° 145 qui traite des étudesthermiques des tableaux électriques BT.

La maîtrise des transferts thermiques au seind’un tableau permet d’avoir l’assurance de nepas atteindre les températures limites des

matériels installés. Ce problème est résolu parune amélioration de la ventilation etéventuellement par un choix technique del’appareillage. Le problème étant traité, la fiabilitéreste à son niveau nominal.Ces études thermiques font d’ailleurs partie d’unensemble de travaux, actuellement conduits parles services techniques Merlin Gerin, destinés àmaîtriser les caractéristiques techniques destableaux BT, notamment sur les sujets suivants :c les connexions de puissance (définition d’uncertain nombre de paramètres en fonction descourants),c les tenues mécaniques et thermiques aucourt-circuit évoquées précédemment (voirCahiers Techniques n°158 et n°162),c l’installation du contrôle-commande (aumoyen d’études et d’essais),c la sûreté des réseaux basse tension au traversdes tableaux (voir Cahier Technique n°184).

Outre ces différents travaux, pour valider lathéorie, et garantir le fonctionnement de

Eléments :

Appareillage

Tableau BT

Technologie appareillage

Fixe

Technologie tableau

Platine déconnectable(ou sectionnable)

Tiroir

Fixe

Débrochablesur socle

Débrochablesur chariotou châssis

Déconnectable


l’ensemble réalisé, les tableaux sont soumis à denombreux essais, (cf. normes précitées) :c vérification des limites d’échauffement,c vérification des propriétés diélectriques,c tenue aux courts-circuits,c continuité du circuit de protection,c distances d’isolement et lignes de fuites,

c fonctionnement mécanique,c degré de protection.De même, pour satisfaire aux besoins, ainsi qu’àla permanence du niveau de qualité souhaité,l’étude, l’industrialisation et la fabricationdes tableaux BT doivent se faire dans le respectde directives, méthodologies et contrôles Qualité(cf. fig. 5 ).

Fig. 5 : un équipement BT en cours d’essais « …pour satisfaire aux besoins, ainsi qu’à la permanence du niveaude qualité souhaité » (service équipements BT, Merlin Gerin).


3 Un niveau de sûreté fonction du besoin

La diminution de l’occurrence des pannes et destemps d’interruptions améliore la productivité desentreprises.De plus, les utilisateurs réclament aujourd’hui« un niveau de sûreté sur mesure », en fait uneinstallation adaptée à leurs besoins. Ces besoinspeuvent se décliner en terme de disponibilité, de

fiabilité, de sécurité, de maintenabilité. La notiond’optimisation est capitale, il s’agit de répondreau juste niveau exigé et au meilleur prix. Pourrendre possible cette adéquation, les construc-teurs, les installateurs et les prescripteurs sedoivent de maîtriser les paramètres de sûreté defonctionnement d’une installation.

3.1 Les caractéristiques de la sûreté de fonctionnement

c Les grandeurs de la sûreté de fonctionnementLes notions de sûreté de fonctionnement (lafiabilité, la maintenabilité, la disponibilité et lasécurité) ne sont pas indépendantes (cf. schémafigure 6 ).

v La fiabilité est l’aptitude d’un système à fonc-tionner correctement le plus longtemps possible.

Le MTTF (Mean Time To Failure) temps moyende bon fonctionnement avant la première défail-lance est un moyen de caractériser la fiabilité.

v La disponibilité est le pourcentage de tempspendant lequel le système fonctionnecorrectement. Le MTBF (Mean Time BetweenFailure) temps moyen entre deux défaillancesd’un système réparable est un moyen decaractériser la disponibilité.

v La maintenabilité est l’aptitude d’un systèmeà être réparé rapidement. Le MTTR (Mean TimeTo Repair) la durée moyenne de réparation estun moyen de caractériser la maintenabilité.v La sécurité est l’aptitude d’un système à nepas mettre les personnes en danger.

c La sûreté de fonctionnement appliquée auxensemblesUne étude de sûreté comporte les 4 étapessuivantes (cf. figure 7 ) :v expression et analyse du besoinRecherche des critères de sûreté représentatifsdes préoccupations du client (disponibilité,

sécurité...), des points du réseau où ces critèresseront analysés (points stratégiques du réseau).(voir Cahiers Techniques n°144 et n°184) ;

v analyse fonctionnelleDescription du rôle du réseau et de ses élémentsconstitutifs ;

v analyses dysfonctionnelles :- recherche des modes de défaillance de chacundes éléments constitutifs du réseau et de leursconséquences sur le système (analyse desmodes de défaillances),- modélisation des dysfonctionnements dusystème.Un modèle est une représentation graphique descombinaisons des défaillances possibles dusystème qui conduisent aux dysfonctionnementsauxquels on s’intéresse ;

v analyse de l’architecture au travers d’uneanalyse qualitative et/ou quantitative :- recherche des points faibles du réseau,- recherche de l’impact de la politique demaintenance sur ses performances,- étude du compromis coût performances parcomparaisons d’architecture, de politiques demaintenance.

Deux types d’analyses peuvent être réalisées,en fonction des attentes du client, des donnéesd’entrées disponibles (voir Cahier Techniquen°184) :

Fig. 6 : notions de fiabilité et de disponibilité.

Bon fonctionnement Bon fonctionnementRéparation

Disponibilité

Attente (1)

(1) : temps de détection de la panne, puis temps de préparation de l'intervention.

Premièredéfaillance

Deuxièmedéfaillance

Débutd'intervention

Remiseen marche

Temps0

IndisponibilitéFiabilité


Fig. 7 : phases chronologiques de réalisation d’une étude de sûreté de fonctionnement.

Fig. 8 : exemple de réseau de distribution électrique.

Analyse du besoin client

Critères àévaluer

Points du réseau où lescritères seront évalués

Spécificationsdu système

Analyse fonctionnelle du système

Fonctions et composantsconcernés

Analyse des modes de défaillance

Défaillances possiblesdu système

Recherche de données

- Taux de défaillance des composants- Temps de réparation- Fréquences fonctionnelles

Modélisation

Légende

Evaluation descritères de sûreté

Analysequalitative

Phase d'étude

Les conclusionsde la phase

Données nécessaires à la réalisation

de la phase

Données nécessaires à la réalisation de la

phase suivante

T1 GE

m1

Q1

v1

B1B1

m3

Q3

v3

C3

R3

Utilisation U3

B1

m4

Q4

v4

B1

v2

Q2

m2

B1

Q5

Branched'arrivée 2

Branched'arrivée 1

J de B principal - B1 -

Réseau du distributeur

- étude rapide ou préétude, c’est une étude pes-simiste qui permet de faire rapidement des choixtechniques, de comparer des architectures,- étude détaillée, c’est une étude qui permetd’obtenir des quantifications, moins pessimistes,proches des performances réelles du réseauanalysé.

c Exemple d’analyse quantitative d’une architecture

v Ce qui est primordial pour l’installationconsidérée est la disponibilité de l’énergieélectrique de l’utilisation U3 de la figure 8 .

v Les analyses dysfonctionnelles nous ontconduit à l’élaboration d’un arbre de défaillance,


Fig. 9 : arbre de défaillance associé au schéma de la figure 8.

et

ou

Disjoncteur Q3défectueux

Absence d'énergie surl'utilisation U3

Défaut sur le J de B B1

Défaut surle câble C3

Pinced'embrochage

aval v3défectueuse

Récepteur R3défectueux

Transformateur T1défectueux

Absence MTsur le réseau 1


Pinced'embrochage

amont m3défectueuse

Pinced'embrochage

aval v1défectueuse

Pinced'embrochage


Indisponibilité« maintenabilité fixe »

Indisponibilité d'arrivée(au dessus du

jeu de barres principal)

Indisponibilité entre le jeu de barres principal

et l'utilisation

Indisponibilité due aux remontées de

courts-circuits

Pas de tensionsur la branche

d'arrivée 1

Pas de tensionsur la branche

d'arrivée 2

ou

G.E.défectueux


Pinced'embrochage

aval v2défectueuse

Pinced'embrochage


ou

Court-circuitsur la branche 4

ou

ou

Câbledéfectueux

et


Réparation de Q5-> arrêt de l'arrivée

Court-circuitsur la branche 5


représentation graphique des défaillances quiconduisent à l’événement indésirable, absenced’énergie sur U3 (cf. figure 9 ).Les défaillances qui conduisent à l’événementindésirable peuvent être classées en quatregroupes :- indisponibilité d’arrivéeChaque arrivée peut alimenter seule l’ensembledu réseau BT dont l’utilisation dépend. Legroupe électrogène est là pour suppléer auxpertes du réseau du distributeur ;- indisponibilité entre le jeu de barre principal B1et l’utilisation. Elle somme les indisponibilités deséléments rencontrés sur la ligne amont, depuisle jeu de barre principal jusqu’au point U1 ;- indisponibilité due aux remontées de court-circuit. On appelle remontée de court-circuit, toutcourt-circuit se produisant sur un départ parallèleau départ considéré et dont l’interruption sefaisant au niveau supérieur de ces départsconduit à leurs mises hors tension ;Il faut donc additionner toutes les probabilités decourt-circuit en descendant sur chaque départparallèle, jusqu’au premier organe de protection.En aval, une remontée de court-circuit n’estpossible que s’il y a cumul d’un court-circuit etnon réaction de protection, ce qui correspond àune probabilité négligeable.- indisponibilité « maintenabilité fixe »La maintenabilité fixe est le terme employé poursignifier que le temps de réparation dépend dumode d’installation (fixe ou débrochable) etinfluence l’exploitation des autres départs.

Exemple (cf. fig.8 ) : l’utilisation de U3 est gênéepar la réparation de Q5 qui monté en fixenécessite l’arrêt de l’alimentation d’arrivée, alorsque la réparation de Q4, débrochable, peut sefaire J de B sous tension; donc sansrépercussion sur l’utilisation de U3.

Les résultatsLes résultats présentés ci-dessous sont ceux quicorrespondent à des valeurs habituellementrencontrées de fiabilité et de MTTR pour tous leséléments du réseau.Les résultats sont présentés sous forme de partd’indisponibilité de chacun des quatre groupesde défaillances définies ci-dessus.- Arrivée 49%- Entre JdB et utilisation 44%- Remontée de court circuit 1%- Maintenabilité fixe 6%

La politique de maintenance influence aussi lesperformances du système, ainsi si en moyennele temps de remise en fonctionnement suite àune panne passe de 48 heures à 24 heures,alors le nombre d’heures d’indisponibilité par anen U3 est divisé par deux.De cette analyse se dégage les différents pointsqui peuvent être pris en compte lors d’uneanalyse quantitative.

Le chapitre suivant traite les points déterminésprécédemment ainsi que ceux qui sontclassiquement analysés de manière qualitative.

3.2 Les concepts de sûreté industrielle

Une conception de réseau doit répondre auxexigences spécifiques du client. Dans toutsystème, il suffit souvent d’un élément faible pourque la sûreté de l’ensemble soit remise en cause.

Ainsi pour ne pas se retrouver au volant d’uneformule 1 à « pédales », il est souhaitable demesurer l’importance de divers choix techniquesen ce qui concerne la sûreté et :v le schéma (arrivée, utilisation terminale,schéma de liaison à la terre),v les connexions,v les arcs électriques,v les « options tableau » (forme, raccordement,appareillage fixe ou débrochable, IP...),

v les départs moteur en tiroir,v les auxiliaires de contrôle commande.

La sûreté par le schémaL’élément le plus prépondérant pour le tracéd’un réseau électrique est le schéma d’arrivée.D’autres éléments viennent en deuxièmeposition tels que les utilisations terminales, lenombre de disjoncteurs en maintenabilité fixe, leschéma de liaison du neutre à la terre.

c Le schéma d’arrivéeLa disponibilité de l’arrivée se répercute surtoutes les utilisations, critiques ou non, il s’avèreimportant dans la mesure du possible, de retenir


une configuration d’arrivée cohérente avec lebesoin aval (cf. fig 10 ).

La solution retenue dépendra de l’environnementétudié. Par exemple :

- dans certaines régions il est possible d’obtenirdeux arrivées moyenne tension prises sur deuxpostes différents. Ceci réduit le mode commundû à l’indisponibilité de la HT ;

- en région isolée cette solution peut être nonenvisageable, dans ce cas il peut être proposéune production autonome tel un secours pargroupe électrogène ;

- certains secteurs industriels (chimie,pétrochimie, papeterie...) de part leur fabricationdisposent d’énergie (souvent sous forme devapeur) qu’ils exploitent pour entraîner desgroupes turbo-alternateurs. Le réseau dedistribution public est alors utilisé en soutien.

Nota : dans le cas où l’arrivée considérée nepeut supporter les coupures brèves, le recours àdes ASI peut s’avérer indispensable. Mais il nefaut pas oublier que ce type d’appareil est limitépar l’autonomie de sa batterie, en général15 minutes.

v Partage en départ prioritaire et non prioritaireLa recherche d’une bonne disponibilité del’énergie conduit presque toujours, suivantl’importance de l’exploitation, à scinder lesutilisations en deux types :- les prioritaires,- les non prioritaires.En cas de surcharge ou de défaillance de lasource principale, les non prioritaires sont alorsdélestés et les prioritaires conservent leur

puissance utile à partir d’une source secondaire(deuxième arrivée MT, groupe électrogène,...).

v Dispositifs de basculementEn cas de défaillance, le basculement peut sefaire sur des sources de réserves non utiliséesen marche normale, ou sur les sources desdéparts non prioritaires, avec délestage de cesderniers.Ainsi, trois types de permutations sontenvisageables (voir Cahier Technique n° 161) :- synchroneLa source principale et la source deremplacement sont ou ont la possibilité dedevenir synchrones, ce qui permet de réaliser unbasculement, sans rupture d’alimentation desrécepteurs. Ce procédé est utilisé dans lesinstallations à haut niveau de sûreté ;- à temps mortC’est le type de permutation le plus répandu.Avec des durées de permutations qui varient de0,4 à 30 secondes, il est très utilisé dansl’industrie et le tertiaire ;- pseudo-synchroneUn dispositif de permutation rapide (60 à300 ms) est mis en œuvre, par exemple, dansles secteurs suivants :- la chimie,- la pétrochimie,- les centrales thermiques.

c L’utilisation terminaleDans le cas du réseau pris en exemple(cf. figure 8 ) l’indisponibilité due à l’utilisationterminale est de 5% (cf. figure 11a ).Suivant les caractéristiques des récepteursemployés la part d’indisponibilité qui leurincombe peut varier de 5% à 70%.

Fig. 10 : schéma simplifié d’un réseau.

Réseau du distributeur

GTR

Inverseur de source

Non secouru

SecouruDélestage

A.S.I.

Relestable

Indisponibilité :

Types :

Quelquesheures

Non prioritaires

Quelquessecondes

Essentiels

Aucune(haute qualité)

Vitaux

Quelquesminutes

Prioritaires


Il faut donc bien définir les caractéristiquestechniques des récepteurs vis-à-vis des conditionsd’emploi, ainsi que les procédures de maintenancedestinées à prévenir toute défaillance.La plupart des défauts électriques des moteurssont dus à des défauts phase/masse quiapparaissent au moment du démarrage moteur.Le contrôle de l’isolement d’un moteur à l’arrêt,notamment avec le Vigilohm SM 21 Merlin Gerin,permet :v de programmer une maintenance préventive,v d’éviter une détérioration irréversible du moteur.

c Les schémas de liaison du neutre à la terre (voirégalement les Cahiers Techniques n°172 et n°173)Les trois schémas de liaison du neutre à la terresont :v le schéma de liaison TT (neutre à la terre etconducteurs de protection électrique à la terre),v le schéma de liaison TN (neutre à la terre etconducteurs de protection électrique au neutre),v le schéma de liaison IT (neutre isolé etconducteurs de protection électrique à la terre).Le schéma de liaison du neutre à la terre a uneinfluence sur la disponibilité, et sur la mainte-nabilité du fait de la coupure ou non du circuit au

premier défaut (dans le cas de schémas TN etTT). De plus, le courant de défaut à la terredépend de ce schéma de liaison et il conditionnel’ampleur des dommages portés à l’installation etsurtout aux récepteurs (cf. fig. 12 ).Les résultats d’une étude de fiabilité sontprésentés sur l’histogramme de la figure 11b .Le schéma de liaison IT, avec un dispositif derecherche rapide (automatique) du premierdéfaut, est celui qui offre la meilleuredisponibilité, car il permet :v de ne pas interrompre l’exploitation (continuitédu cycle de production en cours),v la réparation du défaut pendant une phase denon fonctionnement,v la préparation de l’intervention de dépannagependant la production d’où un gain demaintenabilité.Par ailleurs, le schéma de liaison IT est àconseiller dans les cas suivants :v présence de récepteurs sensibles auxcourants de défauts importants,v risques d’incendie importants,v utilisation de groupe de secours (pour éviter ladétérioration de l’alternateur par un défaut interne),

Fig. 12 : le choix du schéma de liaison du neutre à la terre affecte directement la sûreté et la fiabilité del’installation.

Fig. 11 : l’indisponibilité d’une arrivée peut représenter une large part de l’indisponibilité totale, ici 50%.

a) Répartition de l’indisponibilité sur un départ b) Indisponibilité sur un départ en fonction du schémade liaison du neutre à la terre

Défaillance de l'arrivée dont :c 98 % dus au manque de HT publique,c 2 % dus à la défaillance du réseau MT,c environ 0 % dû aux disjoncteurs.

Défaillance de l'utilisationterminale (câbles et moteurs).

50 %

5 %

45 %

Défaillance de la distribution BTet des appareils de commande.

ITTT TN

Indisponibilité

Schéma de liaisondu neutre à la terre

N.B. : en régime IT, l'indisponibilité est calculée enconsidérant la réparation obligatoire au premier défaut.

Schéma TT TN IT

Action lors d'un défaut Mise hors tension Mise hors tension c Poursuite de l'exploitationd'isolement immédiate immédiate c Recherche du défaut

c Préparation avant misehors tension

Importance du courant Quelques dizaines Plusieurs kiloampères Quelques dizainesde défaut (conditionne les d'ampères (courant de court-circuit) de milliampères (1er défaut)dégâts à l'installation)


v nécessité d’un haut niveau de sûreté(disponibilité + sécurité), exemple : en salled’opération en milieu médical où il est mêmeobligatoire.Nota : en schéma de liaison IT, la probabilité demise hors tension, consécutive à un deuxièmedéfaut (s’il se produit pendant le temps de larecherche et de la suppression du premier défaut),est plus faible qu’en schéma de liaison TN ou TTpuisqu’il faut la présence simultanée du premier etdu deuxième défauts, sur des phases différentes.Il a été vu précédemment que l’étude du schémade liaison est importante. Ce dernier étant figé, ilreste à choisir les matériels (tableau etappareillage), ceci en recherchant une certainehomogénéité dans les fiabilités des différentsmaillons qui composent l’indisponibilité finale.

La sûreté et les connexionsUn tableau étant constitué d’un grand nombre deconnexions, il est important de s’intéresser auxdéfaillances qu’elles entraînent.Il y a défaillance d’une connexion lorsqu’elle nevéhicule plus l’énergie électrique pour laquelle ellea été dimensionnée. Dans ce cas, il se produit unéchauffement local qui peut provoquer ladestruction de l’appareil et/ou des câbles.L’importance de bien maîtriser les problèmes deconnexions, est illustrée par la figure 13 . Lamajorité des causes d’indisponibilité est due à desdéfaillances diverses (arrivée, appareillage,...). Lapart due aux connexions n’est pas négligeable.Il convient de distinguer les connexions réaliséesen usine de celles réalisées sur site, ces dernièresétant statistiquement les plus défaillantes.Dans la pratique, il s’avère que la sûreté peutêtre notablement améliorée par :v des surfaces de contact bien dimensionnées(recouvrement),

v un état soigné de ces surfaces (planéité,propreté),v un couple de serrage adapté aux matériaux.

La sûreté et les arcs électriquesc Indisponibilité due aux arcsDe multiples causes peuvent engendrer la créationd’arcs dans le tableau, par exemple l’intrusion depetits animaux (rongeurs, voire reptiles), l’intro-duction d’objets oubliés lors de travaux de mainte-nance, un échauffement qui dégénère, ou bienencore des dépôts de poussières conductrices.Les dégâts, dûs aux arcs électriques, sontsouvent importants. Ils entraînent des tempsd’arrêt pouvant atteindre quelques centainesd’heures pour un tableau « ordinaire ». Alors quepour un tableau « amélioré », ce pourcentagedevient négligeable puisque ces arrêts sontlimités au seul temps de remise en ordre de ladistribution (serrage de câbles, nettoyage dessurfaces carbonisées...), soit environ une heure.Pour éviter une telle indisponibilité, il convientd’agir sur les trois points suivants :v les risques d’apparition d’arc,v la durée de l’arc,v la propagation des arcs électriques dans letableau.Outre que ces actions conduisent à réduire lestemps de réparation, elles visent aussi àdiminuer l’importance des dégâts dus aux arcs.

c Eviter l’apparition d’arcs électriquesMieux vaut prévenir que guérir, et donc agir surla cause de création d’arcs électriques, ainsi :v les amorçages par claquage diélectriquen’existent pas si :- les matériaux sont bien choisis,- les lignes de fuites et les distances d’isolementsont respectées ;

Fig. 13 : les indisponibilités dues aux connexions représentent une part non négligeable des causesd’indisponibilité du système.

Arrivées

20 départs

Indisponibilitédue aux connexions.

Indisponibilité due à :l'arrivée MT, le transformateur,l'appareillage…


v l’introduction d’objets, ou corps étrangers, dontles poussières conductrices, et l’intrusion depetits animaux sont à l’origine de nombreux arcsélectriques dans les armoires BT. Pour les éviterles enveloppes doivent être bien pensées :- étude de forme,- choix de l’IP,- adjonction de filtre...v lors de la coupure (cas d’un court-circuit oud’une surcharge), des gaz ionisés sous pressions’échappent de l’appareil de protection. Ilspeuvent provoquer un amorçage par exemplesur un jeu de barres se trouvant à proximité. Cerisque est supprimé par une architecture bienpensée et/ou des écrans judicieusementdisposés ;v une connexion défectueuse peut conduiresouvent à la création d’un arc. Pour l’éviter, lesconnexions doivent être notammentcorrectement serrées (cf. § « la sûreté et lesconnexions »).

c Limiter la durée de l’arcIl convient de réduire au maximum le temps del’arc afin de limiter les dégâts qu’il occasionne.Pour cela différentes solutions peuvent êtreretenues.v Régler au retard minimum les « courtsretards » (protection contre les courts-circuits),tout en permettant la sélectivité. Car ces tempsdits de « court retard », destinés à réaliser unesélectivité chronométrique, temporisent ledéclenchement des disjoncteurs sur court-circuitet ainsi prolongent la vie de l’arc.A noter que lorsque la sélectivité logique peutêtre mise en œuvre, elle est la meilleure solution

puisqu’elle permet une sélectivité absolue avecdes retards minimaux quel que soit l’étage de ladistribution.v Employer des appareils limiteurs.Ces appareils coupent très vite les courants decourt-circuit. Ils limitent ainsi le courant dedéfaut. Cela a pour effet de réduire la durée del’arc et donc de limiter les effets thermiques.v Choisir une protection à temps de« retombée » important (l’appareil garde enmémoire les défauts furtifs).L’arc a la particularité d’être un défaut fugitif,pour deux raisons :- de par les dispositions mises en œuvre dans letableau, un arc peut rapidement s’éteindre. Mais,les gaz ionisés qu’il a générés peuvent amenerdes réamorçages sur d’autres parties soustension. Plusieurs séquences d’extinction et deréamorçage sont donc possibles ;- par ailleurs, son impédance varie en fonctionde sa vitesse de déplacement et des obstaclesqu’il rencontre.Cependant, à chaque apparition toutl’équipement subit différentes contraintes quipeuvent s’additionner.La réponse au problème est dans des systèmes deprotection qui intègrent le défaut dans le temps :lorsqu’un défaut apparaît puis disparaît (ou passeen dessous du seuil avant le déclenchement del’appareil de protection), cette « information » entemps et en intensité doit être conservée au niveaude la protection pour obtenir un déclenchement sile défaut se répète, ou a de brèves valeurs decourant élevées. Ainsi un disjoncteur BT peutgarder en mémoire le court-circuit, et ne se« réinitialiser » que progressivement (cf. fig. 14 ).

Fig. 14 : un disjoncteur Masterpact de type « ouvert » équipé d’une unité de contrôle STR68 conservemomentanément en mémoire les courts-circuits.


c Empêcher la propagation dans le tableauLes lois de la physique font que l’arc s’éloignede la source et se déplace rapidement. Afin deréduire les conséquences au niveau del’exploitation, l’arc ne doit pas s’étendre à tout letableau. Il convient de maîtriser l’arc pendanttoute sa durée de vie en :

v cloisonnant fortement les différentes zones dutableau ; cloisons et traversées isolantes évitentà l’arc de se propager, de lui-même ou par sesgaz ionisés ;

v créant des pièges à arcs rendant possible sonextinction tels que :- des matériaux isolants qui englobent le jeu debarres,- des géométries de jeu de barres qui allongentl’arc.

La sûreté et les « options » tableauLa forme, le type de raccordement (par l’avantou par l’arrière), le mode d’installation desappareils (fixe ou débrochable), et le degré deprotection sont autant d’options possibles dansla réalisation et/ou l’achat d’un tableau BT.Ces choix influencent la disponibilité de l’energieélectrique au niveau d’un départ.

Reprenons, en effet, les formes évoquées endébut de ce Cahier Technique (cf. fig. 3 ).Comparons la forme 1, « ouvertures nonbouchées » à une forme 2, « ouvertures d’accèsdes câbles bouchées ».L’expression raccourcie « ouvertures d’accèsdes câbles bouchées », signifie que l’utilisateur a

pris soin de faire passer les câbles à travers unetôle de fond munie de passe-câbles.

Nota : cette disposition est prise dans l’emploid’une forme au moins égale à la forme 2.

Par cet exemple, il est aisé de comprendre qu’unchoix judicieux de la forme améliore ladisponibilité, car il affecte :- la probabilité d’apparition de défaut (intrusionde rongeurs impossible),- la propagation d’arc (présence d’uncloisonnement).

Pour une bonne disponibilité, il est doncintéressant de prévoir un cloisonnement destableaux BT (forme 3) et encore plus au niveaudes connexions des câbles extérieurs (forme 4)puisque, comme vu précédemment, elles sont àl’origine de la plupart des défauts (cf. § « lasûreté et les connexions »).

c Raccordement avant ou arrièreLa place réservée aux équipements électriqueslors de la conception des locaux, conditionnebien souvent le type de raccordement du tableauà réaliser. Cette contrainte n’est pas sansinfluence sur la disponibilité.

Un tableau à raccordement avant est souventdifficilement accessible. Cela entraînant destemps de réparation importants en comparaisonà la double accessibilité obtenue avec unraccordement arrière (cf. fig.15 ).

A noter que l’indisponibilité d’un tableau àraccordement avant est d’autant plusimportante que les appareils sont montés « en

Fig. 15 : un bon compromis, niveau de maintenabilité/surface occupée, peut être obtenu avec un tableau àraccordement par l’avant en prévoyant derrière un passsage technique réduit.

a) Tableau àraccordement avant,tableau accolé au mur

b) Tableau àraccordement avantavec passagetechnique réduit

c) Tableau àraccordement arrièreavec l’indispensablepassage technique

Passagetechniqueréduit

Passagetechnique


fixe » et nécessitent un outillage pour êtredémontés.Pour améliorer la maintenabilité d’un tableau àraccordement avant, prévu pour être adossé àun mur, il convient de prévoir un passagetechnique réduit à l’arrière.

c Fixe ou débrochableLa disponibilité peut être améliorée par le choixd’un appareil débrochable. Outre le fait que samaintenance est plus rapide, il faut aussiconsidérer qu’elle n’influence pas les départsvoisins.En effet, le débrochage se fait hors charge(circuit ouvert), mais sous tension, il n’est doncpas nécessaire de couper en amont etd’interrompre ainsi l’alimentation des autresdéparts qui lui sont parallèles.Cependant, l’option débrochable peut ne pasprésenter d’avantages, dans le cas où desindisponibilités sont prépondérantes (sourceinsuffisamment fiable, câble d’alimentationunique et à risques,…) ou lorsqu’une maintena-bilité très facile n’influence pas d’autres départs.Par contre dans le cas d’un tableau àraccordement avant de forme 2, l’intérêt d’utiliserdes disjoncteurs « débrochables » est évident.

c Degré de protection (cf. fig. 2 )Seuls les deux premiers chiffres caractéristiquesde l’IP (pénétration des corps solides et desliquides) sont vus dans ce paragraphe.

Le premier chiffre indique la taille maximale desobjets ou des particules susceptibles d’entrer dansle tableau et limite, de ce fait, la taille des accèsaux parties sous tension. Ce chiffre (de 1 à 6) estd’autant plus élevé que la taille est petite.Le deuxième chiffre concerne les liquides etindique un niveau d’étanchéité minimal obtenupar :

v des auvents, casquettes, ou chicanes contreles projections verticales et/ou horizontales deliquides,

v des joints et des dispositifs appropriéspermettant d’aller jusqu’à une étanchéité totalepour des enveloppes pouvant être immergées.

En conclusion, plus les deux premiers chiffrescaractéristiques de l’IP sont élevés, meilleuresera la protection.

Cependant tous les appareils électriqueschauffent et la plupart ont une limite thermique.Aussi une étanchéité surabondante est contraireà une bonne ventilation du tableau. Elle peutdonc être néfaste au bon fonctionnement de cetappareillage.Ceci, à moins qu’il soit prévue une extractionde calories et/ou un choix approprié desappareils.L’environnement plus ou moins contraignant etla qualification des intervenants sur le tableaufixent le choix du degré de protection. Lesniveaux de protection requis, par type de locaux,sont rappelés par la figure 16 .

Fig. 16 : exemples de degré de protection minimum (selon NF C 15-100 et guide pratique UTE C 15-103).

Secteurs d'emploi Exemples Degré IP

Locaux (ou emplacements) Chambre 20domestiques Salle d'eau (volume 0) 27Locaux techniques Service électrique 20

Laveur de conditionnement d'air 24Chambre froide 25

Chaufferies et locaux annexes Soute à fuel 20(puissance > 70 kW) Soute à charbon 60

Chaufferie à charbon 61Garages et parcs de stationnement Atelier 21(surface > 100 m2) Zone de lavage 25Bâtiments à usage collectif Bureau 20

Salle de sport 21Grande cuisine 25

Locaux (ou emplacements) Entrepôt d'alcool 23dans les exploitations agricoles Poulailler 35

Entrepôt fourrage 50Etablissements industriels Electrolyse 03

Fabrication carton 33Carrière 55

Locaux commerciaux et annexes Exposition-galerie d'art 20Droguerie (réserves) 33Boulangerie (terminal de cuisson) 50Ebénisterie-menuiserie 50


La sûreté et le départ moteur en tiroirDans les industries à process, de nombreuxtableaux MCC dits « à tiroirs débrochables »sont utilisés (cf. fig. 17 ).Une bonne continuité d’exploitation esthabituellement demandée dans le cas de lacommande moteur. Le tiroir est la solutionpuisqu’il permet une maintenance aisée etrapide : un départ défectueux est remplacéimmédiatement par un équipement identique, letableau restant sous tension.Un tiroir correspondant à un départ moteur peutêtre constitué d’une association fusibles- contacteur - relais thermique, ou d’uneassociation disjoncteur - contacteur - relaisthermique.En terme de disponibilité ces deuxconfigurations sont sensiblement équivalentesen fonctionnement normal, mais diffèrentnotablement en cas de défaillance ducontacteur.

En effet, près de 20 % des pannes de cesdéparts sont dues aux contacteurs (contactsrestant collés). Avec comme inconvénientsupplémentaire l’extraction du tiroir ducontacteur défaillant. Il est alors nécessaired’ouvrir le circuit de puissance ; ce qui restepossible avec une association disjoncteur- contacteur, cela étant obtenue par l’ouverturedu disjoncteur. Dans l’autre cas (associationfusibles - contacteur) il faut interrompre latension au niveau de l’interrupteur général… ettous les autres départs moteurs sont alorsindisponibles.

La sûreté et les auxiliaires de contrôle-commandeLes défaillances des auxiliaires de commandesont celles des relais, de la connectique, ou deleur alimentation.La mise en œuvre du câblage fil à fil de cesauxiliaires est longue et soumise à des erreursde la part des monteurs d’où des pannespotentielles.

Pour y remédier, Merlin Gerin a standardisétoute cette connectique au travers de produits(Digibloc, Digipact,...). Ce sont des cartes ou desmodules de contrôle-commande reliés par desnappes de connexion ou par des liaisonsnumériques standardisées. Ces élémentscentralisent des informations et permettent deréaliser différents schémas de commande.Les modifications de ces schémas sontsimplement effectuées par paramétrage descartes, ou par association de nouveauxmodules.

De ce fait, plusieurs avantages sont obtenus :c gain de temps lors de la mise en œuvre,c meilleure fiabilité en supprimant les erreurs decâblage,c temps de réparation réduit au temps dechangement de la carte ou du module,c facile évolution du système.

Fig. 17 : vue de détail d’un tableau BT de type MCC àtiroirs (modèle MB400 - Merlin Gerin).

3.3 Les niveaux de sûreté requis

Pour la construction de réseaux BT, il estpossible d’utiliser de nombreuses optionstechniques qui procurent des niveaux de sûretédifférents. Mais lesquelles retenir ? Chacuned’elle a l’influence voulue quand elle se greffesur l’échelon pour lequel elle a été définie.A titre d’exemple l’emploi d’une forme 4 est trèsutile, à condition de s’être affranchi des défautsmajeurs de l’installation.La bonne réaction dans la conception d’unréseau BT ne sera donc pas de choisir etd’installer au hasard, une panoplie de matérielsperformants, fiables, convaincu que « au moinslà on est tranquille ».

En fait chaque application ou domaine d’emploide l’énergie électrique BT demande un niveaude sûreté adapté. Il dépend par exemple dusecteur d’activité et des impératifs d’exploitation(cf. fig.18 ) :c le tertiaire est constitué par les petitscommerces, les écoles..., jusqu’aux grandessurfaces, grandes banques, immeubles debureaux, grands hôpitaux,c l’industrie regroupe notamment toutes lesusines (automobile, aéronautique, textile,…) ;elle a des besoins de distribution (protection etarchitecture du réseau), et des besoins liés au


Secteurs d'activité

Tertiaire IndustrieCommerces Hopitaux Ateliers Usines Fabrications à process

Le problème à traiter :

Types de schémasd'arrivée

Impératifs Nombreux récepteurs Continuité de service Circuits de terre Continuité de service Continuité de serviced'exploitation mobiles et portatifs, pour certains incertains (chantiers), pour certains pour la majorité de

modifications secteurs, alimentation par secteurs, l'exploitation.fréquentes risques d'incendies, un réseau public. présence de groupes risques de dégâts

Schémas de liaison de la distribution, présence de groupes de secours. importants lorsdu neutre préconisés alimentation par de secours. de défauts d'isolement

un réseau public. TT (moteurs,IT automatisme).

IT risques d'incendie.TT

IT

Nombreux auxiliaires Ambiance et/ou récepteurs favorisant le risque(machines outils), de défaut d'isolement.récepteurs à faibleisolement.

Sous-réseau TN

TN

Les solutions à retenir :

Type d'appareillage Fixe ou déconnectable ou débrochable Fixe ou déconnectable ou débrochable Fixe

Type de tableaux Fixe Fixe ou à platines déconnectables A tiroirs débrochablesou à tiroirs débrochables

Forme de tableau Forme 1 à Forme 4 Forme 2 à Forme 4

Degré de protection IP(deux premiers chiffres) 2 à 5 2 à 5 3 à 5

Appareillage à cadence Association fusibles - contacteur de faiblecommande à cadence Association disjoncteur - contacteurmoteur élevée

Technologie des Traditionnelle Standardisée Traditionelle Standardiséeauxiliaires de (fil à fil) (modules etcontrôle-commande connectiques)

Fig. 18 : les secteurs d’activité et les impératifs d’exploitation amènent à choisir des schémas de liaison du neutre à la terre ; les solutionsretenues dépendent entre autres des formes utilisées et des degrés de protection demandés.

process (commande moteur, asservissement), leprocess étant très important dans lesproductions continues de la pétrochimie, lescimenteries, l’agro-alimentaire...

En quoi ces secteurs sont-ils représentatifs debesoins différents ?Des accidents tels que BHOPAL (décembre1984), TCHERNOBYL (avril 1986) etPASADENA (octobre 1989) ont montré les

risques considérables encourus par les hommeset l’environnement. D’où la fréquente question« est-ce sûr ? » .En fait, cette question « est-ce sûr ? » n'a pas desens. La défaillance ayant toujours uneprobabilité, aussi petite soit-elle, de se produire, labonne question est donc : « est-ce assez sûr ? ».

Pour tous les secteurs cela se traduit par lechoix d'un niveau acceptable de probabilité de


défaillance dangereuse (en terme de sécurité),et de sûreté (en terme économique) :

c dans les télécommunications, France -Telecoma une probabilité d'indisponibilité d'1 h/sièclepour les centraux téléphoniques (λ < 10-6 h-1),

c dans le transport aérien, deux conditions desûreté sont fixées pour que :v toute panne « globale catastrophique » soitextrêmement improbable (λ < 10-9 h-1),v que toute panne « critique » soit extrêmementrare (λ < 10-7 h-1) ; ce chiffre peut être comparéà la probabilité (λ < 10-6) qu'un être humain a deperdre la vie dans l'heure qui vient ;

c dans les banques, des ruptures d'alimentationsprovoquent si ce n'est des écritures perdues,des enregistrements d'opérations erronées. Lescoûts de pistage et de reprise des erreurs sontalors des éléments de référence ;

c dans les hôpitaux, c'est la sécurité despersonnes qui peut immédiatement être touchéepar une défaillance. En particulier, les sallesd'opérations et de réanimation sont étudiéespour être des lieux à haut niveau de sûreté ;

c en milieu industriel les défaillances ont aussiune influence importante en terme de continuitéde service. Dans un article de Y. Lafarge, parudans le journal « Le Monde », sont cités deuxexemples :v pour BSN, 10 minutes d'arrêt provoque laperte de production de 20 000 pots,

v pour Peugeot, sur une production de 1 650véhicules par jour, 1 heure de panne informatiqueentraîne 100 voitures de moins fabriquées, soitun manque à gagner de 4 millions de francs.Cela permet de comprendre l'intérêt que peutporter un industriel à la disponibilité de l'énergieélectrique, puisqu'elle soutient toute l'activité deson entreprise.

Ainsi donc que ce soit dans le domaine tertiaireou industriel, les défaillances peuvent avoir desrépercussions économiques, entraîner desnuisances voire des dangers. Tout cela pouvantaffecter notre vie quotidienne pour laquelle unbon service dans 99 % des cas (λ = 10-2 ) setraduirait par :c pas d'électricité ou d'eau pendant quelquesdizaines d'heures chaque année ;c le téléphone et la télévision seraient en panneplus de 10 minutes par semaine ;c 400 lettres par heure n'arriveraient jamais àdestination.

Au travers de ces exemples imagés, lesrépercussions du choix d'un niveau de sûretésont évidentes. Le tableau de la figure 18 , sansêtre exhaustif, donne les choix les plusimportants pour un réseau BT et pour lesdifférents secteurs d'activité. Pour préciser ceschoix, il est nécessaire de définir le besoin et demettre en œuvre les concepts de sûreté vus dansle chapitre précédent.


4 Le tableau, perspectives d’avenir

L’évolution de la technologie du tableauélectrique est fortement influencée par ledéveloppement de la GTE (Gestion Techniquede l’Electricité). C’est pourquoi dans ce CahierTechnique sont examinées les implications de laGTE pour la sûreté de fonctionnement.

Il est démontré dans les paragraphes suivantsqu’elle apporte à l’installation, un supplément desûreté, ceci par intégration du traitement del’information dans le tableau BT qui devient« intelligent ».

4.1 La Gestion Technique de l’Electricité

La GTE est déjà utilisée pour la GestionTechnique des Bâtiments -GTB-, laquelleremplace et démocratise la Gestion TechniqueCentralisée -GTC-. Dans tous les types debâtiments industriels, tertiaires et mêmedomestiques, il est fait appel à la GTB qui permetla surveillance et le contrôle-commande defonctions et des utilités qui sont généralement :c le chauffage et la climatisation,c la sécurité incendie,c la protection contre les intrusions,c les contrôles d’accès, et d’horaires de travail,c les ascenseurs, l’éclairage...,c la gestion tarifaire de l’énergie.

La GTB, et la GTE correspondent à une gestionde plus en plus décentralisée pour des raisonsde disponibilité, convivialité et modularité (déjàévoquées dans le chapitre 1).Le rôle de la GTE est la gestion de la distributionde l’énergie électrique. Elle vient en complémentdes fonctions traditionnelles réalisées au niveaudes équipements électriques, (protections,automatismes réflexes, basculement dessources et auxiliaires de secours), en autorisantde nombreuses fonctions du domaine contrôle-commande électrique.A titre d’exemple :c réalimentation automatique et progressive desdéparts après défaut,

c ajustement des consommations auxpossibilités de fourniture en énergie du moment(délestage, relestage, démarrage ou arrêt desgroupes),c optimisation des sources en fonction desconsommations pour tirer le meilleur parti descontrats de fourniture en énergie à tarificationsdifférenciées,c optimisation du fonctionnement des batteriesde condensateurs,c participation à la sélectivité (coordination desprotections).

Elle permet également :c le contrôle-commande local et à distance(signalisations, alarmes, commandes etmodifications des réglages,...),c la supervision (représentation graphique del’état du réseau, mémoire des événements etpilotage de l’installation).

La GTE est d’autant plus nécessaire que lebesoin de disponibilité et plus généralement desûreté est important.

La GTE s’est développée avec la généralisationde l’emploi du microprocesseur, quisimultanément, permet l’ouverture vers une« intelligence » plus grande et répartie.

4.2 La GTE apporte un « plus » sûreté

La GTE repose, lors d’une défaillance, sur deuxprincipes :c la distribution électrique peut rester en l’état.Elle n’est pas remise en cause par la panne d’unmodule de gestion, ceci est facilité, entre autres,par l’emploi d’appareils bistables de commandede puissance tels que interrupteurs, télérupteurset disjoncteurs ;c les systèmes de protection contrôle-commanderestent indépendamment actifs. De cettemanière, il est possible de continuer uneopération en marche dégradée. Ce principe

sauvegarde l’objectif premier de sûreté même sicertaines fonctions de confort sont momenta-nément perdues. Ainsi même si la supervisionest défaillante, une fonction de protection peutcontinuer à remplir sa mission et une centrale detableau peut rester opérationnelle.

De plus, le fonctionnement de la GTE renforcela sûreté du réseau BT.

c En terme de fiabilité :v la GTE réduit le risque majeur de défaillancesque représentent les interventions humaines,


v par une information complète elle supprime lesrisques d’erreurs de gestion du réseau.

c En terme de maintenabilitéEn complément à la fiabilité obtenue grâce à uneconception rigoureuse, les produits doivent êtrerendus « sûrs » par la maîtrise de leurmaintenance.Elle se décompose en deux parties :

v la maintenance préventive est destinée àprévenir les problèmes et donc de limiter lerisque d’arrêt dû à un défaut (elle prévient ledéfaut),

v la maintenance curative est destinée àremettre rapidement en état de « marche » lesystème (elle localise le défaut).

La maintenance préventive est privilégiée à lamaintenance curative, car elle évite lesproblèmes en cours d’exploitation. Elle n’estpossible qu’à la condition de bien connaître lavie des produits et d’être capable de détecterune panne potentielle. Ainsi, les expériences etles essais des matériels sont-ils primordiauxpour la connaissance des éléments précurseursdes défaillances. La GTE permet d’exploiter aumieux ce savoir.

v Un système de maintenance préventive est misen place pour limiter les interventions de dépan-nage. Ceci est obtenu par des dispositifs de :- comptage du nombre de manœuvres,- mesures de résistance d’isolement....

v Un système de maintenance curative réalisé àpartir d’un dispositif de localisation de panne.

v Deux systèmes, la télémaintenance et/ou letélédiagnostic, améliorent fortement l’exploitationdu tableau :- la télémaintenance permet de conserver lasurveillance sans la nécessité d’avoir sur placeune salle de contrôle, et en permanence sur le

site une équipe d’entretien. Le report à distanced’informations concernant les défaillances évitedes visites trop rapprochées des différents pointsde fourniture de l’électricité ;- le télédiagnostic permet d’effectuer undiagnostic à distance grâce à la transmission partélécommunication des paramètres quantifiables.Il réduit évidemment les temps d’intervention,surtout dans le cas où ce sont des servicesextérieurs qui sont chargés de la gestion et del’entretien de l’installation. Ainsi la maîtrise de lapanne est obtenue dès leur première intervention.

c En terme de disponibilitéLa disponibilité résulte bien sûr de la fiabilité etde la maintenabilité, mais aussi de :

v la prévention des surcharges avec commesolution le délestage et le relestage pour éviterun déclenchement,

v la gestion des sources (basculement, couplageet démarrage de groupes),

v la sélectivité des différents étages deprotection qui, comme expliqué précédemment,a un rôle important dans la disponibilité d’uneinstallation.

c En terme de sécurité

v la sécurité des personnes est garantie par desappareils de protection réflexes (placés au plusprès du défaut) qui, tout en participant ausystème de gestion, ont un fonctionnementindépendant en présence d’un défaut.

v les interventions sont moins nombreuses, oudifférées dans le temps. Elles se font donc sansêtre soumises à l’urgence.

v une protection supplémentaire est donnée aupersonnel d’exploitation par la signalisation desétats des appareils jusque dans les zonesd’intervention, ainsi que par l’avertissement dedéfaillances potentielles.

4.3 La technologie

Toute « l’intelligence » du contrôle-commandedoit être organisée avec suffisamment deprécautions pour qu’elle donne un bon niveau desûreté de fonctionnement. En particulier, ellenécessite la mise en œuvre :v d’une électronique performante,v de réseaux de communication par bus fiables,v de logiciels, reconnus fiables, pilotantl’ensemble.

c L’électronique utilisée est aujourd’hui de plusen plus fiable, car soutenue par sesdéveloppements multiples dans les domainesspatiaux, militaires, nucléaires et grand public.La maîtrise de ses niveaux de fiabilité est aisée,les lois statistiques de fiabilité associées auxcomposants s’appliquant parfaitement, et lescalculs de fiabilité d’ensembles étant biencontrôlés.

Le soutien des points critiques se fait par laredondance de tout ou partie des modulesélectroniques ou par l’emploi de composantsfiabilisés.

c Ce sont les bus qui ont permis ledéveloppement des systèmes intelligentsdécentralisés, ils en sont la véritable colonnevertébrale. Les liaisons « série », qui constituentces bus, permettent en effet le transfert dedonnées vers de multiples points au travers d’unseul câble (coaxial ou paire torsadée). Leurfiabilité a récemment évoluée avec maintenant lapossibilité de les isoler des perturbationsextérieures de type électromagnétiques, et parl’utilisation de protocoles incluant un contrôle deséchanges d’informations. Ce sujet est développédans le Cahier Technique n° 147 « Initiation auxréseaux de communications numériques ».


c La sûreté du système passe aussi par celledes logiciels pilotant l’ensemble. Là, pas derévolution, mais une course systématique à larigueur à tous les niveaux, de leur conception à

leur mise en service (méthodes de spécification,de développement, outils particuliers,procédures très poussées de vérification et detests).

4.4 Le tableau « intelligent »

Le tableau « intelligent » intègre une partieimportante de la GTE (cf. fig. 19 ), notamment :v l’appareillage électrotechnique « intelligent »,v des systèmes spécifiques (ex. contrôled’isolement),v la centrale qui pilote le tableau,v les bus numériques.

Grâce à l’emploi de microprocesseurs,l’intelligence est décentralisée et répartiejusqu’au niveau des appareils (disjoncteurs,

interrupteurs,…). Ceux-ci, en plus de leurfonction de base, traitent diversesinformations, et dialoguent avec la centrale,permettant ainsi :

c la « séquentialité » des actions, (séquentialitélogique et dans le temps),

c une capacité de calcul et de traitement denombreuses informations numériques provenantde ces appareils, des capteurs, et des systèmesspécifiques,

Fig. 19 : schéma d’ensemble du contrôle-commande d’une installation électrique et ses liaisons (BUS).

Poste de livraison

Surveillancecommandes etparamétrages parl'exploitant.

Contrôle-commandedu tableau.

Fonctions autonomeset mesures,et contrôle-commandeau niveau des départs.

Console deconfiguration

Centralede tableau

Tableau BT

G

VAR

VAR

Poste deconduite


c la télétransmission par bus de communicationqui permet le dialogue de contrôle-commandeavec l’exploitant et/ou le système de supervision,

c le contrôle et la commande, tant locale qu’àdistance, ainsi que la supervision (les ordressont transmis par le bus).Le tableau électrique devient ainsi « intelligent »et suivant le degré de complexité de l’installationà gérer, la GTE sera mise en œuvre avec uneintégration « d’intelligence » plus ou moinsimportante : une distribution d’énergie électriquedans le petit tertiaire peut ne nécessiter qu’unevisualisation de mesures et d’états en face avantdu tableau. Alors que dans un grand immeuble,il faudra prévoir des télécommandes (éclairage,secours,...).

La GTE est aujourd’hui mise en œuvre en MT etBT à l’aide de constituants variés. De plus enplus standardisés et conviviaux pour l’électricien,ces constituants seront l’objet de gammes deplus en plus riches.

Conçus pour fonctionner ensemble, les différentsconstituants du tableau intelligent par leurcohérence, tant au niveau « hard » qu’au niveau« soft », donnent une plus grande facilité demise en œuvre et d’utilisation.

Un tableau « intelligent » bien conçu dans saglobalité et constitué de produits cohérents,rationalisés et de série, permet d’obtenir uneGTE efficace, et donc une réelle maîtrise del’énergie électrique avec plus de sûreté.


5. Conclusion

La distribution de l’énergie électrique, doitrépondre à des exigences croissantes de :

c sûreté de fonctionnement,

c « évolutivité » d’installation,

c convivialité d’exploitation.

Ceci amène les concepteurs à prévoir desinstallations « intelligentes », indépendantes,communicantes, modulables, fiables et demaintenance facile.La réponse à tous ces critères est ladécentralisation. Les fonctions de base(protection et commande) sont assurées au plusprès de l’utilisation. Seule la supervision a uneposition « centrale ». Elle joue un rôle importantdans le pilotage de la distribution en terme derelations homme/système.La décentralisation se retrouve dans la conceptionde chaque produit, dans leurs liens (définis entreeux) et dans l’architecture qui les rassemble.

Tous ces éléments (l’appareillage fortepuissance, le contrôle-commande et les liaisonsélectriques) sont intégrés dans le tableau BT,c’est pourquoi son rôle est vital pour toute ladistribution, il doit en effet garantir la sûreté defonctionnement de l’ensemble sachant que :

c le schéma d’arrivée et la fiabilité desrécepteurs terminaux sont les points qui peuventle plus handicaper la sûreté de fonctionnement,

c le schéma de liaison du neutre influence ladisponibilité des utilisations terminales : il doitdonc être bien adapté à l’exploitation,

c les connexions ont une importance prépon-dérante sur la fiabilité du tableau : leurs étudeset leurs réalisations doivent donc être soignées,

c la technologie du tableau, forme, degré deprotection, raccordement,..., sont à adapter à

l’environnement dans lequel est situél’équipement, (niveau de pollution des locaux,qualification des intervenants,...),

c un appareillage débrochable est utilisé quand ilpermet d’obtenir le supplément de sûreté voulu,

c le départ moteur en tiroir est surtout utilisédans le process pour la souplesse etl’amélioration de la disponibilité qu’il apporte,

c les auxiliaires dont la connectique et la miseen œuvre sont standardisées fiabilisent lecontrôle-commande d’une installation.

La sûreté est l’affaire de tous, du concepteur(bureau d’étude), de l’installateur (mise enœuvre respectant les recommandations duconstructeur, et les règles de l’art), des servicesd’entretien (surveillance et maintenancepréventive des points critiques).

Ce Cahier Technique montre comment atteindreles objectifs de sûreté, et comment, par le choixd’options, notamment technologiques, répondreau niveau de sûreté demandé.

Le tableau BT « intelligent », lié à la GestionTechnique de l’Electricité, répond toutparticulièrement aux critères de sûreté et deconvivialité. Il est la réponse aux attentes dumoment et à celles de l’avenir. Suivant lacomplexité de l’installation, l’intégration« d’intelligence » est plus ou moins importante.

La réalisation de tableaux à gestion intégrée,mais à intelligence décentralisée, répartie, estaujourd'hui grandement facilitée par l'existencede modules, matériels et logiciels standardiséset pérennes. En cela, le contrôle-commanderejoint la notion de tableau ensemble de série etse démarque fortement des automatismes desprocess industriels.


Normesc NF C 12-101 (1988-11) : protection destravailleurs dans les bâtiments qui mettent enœuvre des courants électriques.

c NF C 15-100 (1991-05 + deux additifs) ;parties communes avec CEI 60 364-1 à 5 : règlepour les installations électriques BT.

c NF C 20-010 (1992-10) ; CEI 60 529 (1989-11) :classification des degrés de protection procuréspar les enveloppes.

c NF C 20-015 (1995-06) ; EN 50102 (1995) :degrés de protection procurés par lesenveloppes de matériels électriques contre lesimpacts mécaniques externes.

c NF C 20-030 (1996-08) + add. 1 nonéquivalent à CEI 60 536 (1976-01) : protectionscontre les chocs électriques, règles de sécurité.

c NF C 20-040 (1996-08) non équivalent àCEI 60 664-1 (1992-10) : lignes de fuites etdistances d’isolement dans l’air.

c NF C 63-421 (1994-10), EN 60 439-1(1994-01) ; CEI 60 439-1 (1992-11) : ensemblesd’appareillage à basse tension.

Cahiers Techniques Merlin Gerin

c Méthode de développement d’un logiciel desûreté,Cahier Technique n° 117R. GALERA, A. JOURDIL

c Introduction à la conception de la sûreté,Cahier Technique n° 144P. BONNEFOI

c Etude thermique des tableaux électriques BT,Cahier Technique n° 145Ch. KILINDJIAN

c Initiation aux réseaux de communicationnumériques,Cahier Technique n° 147E. KOENIG

c Distribution électrique à haute disponibilité,Cahier Technique n° 148G. GATINE, A. LONCHAMPT

Annexe : bibliographie

c Calcul des courants de court-circuit,Cahier Technique n° 158B. de METZ-NOBLAT, G. THOMASSET

c Permutation automatique des alimentationsdans les réseaux HT et BT,Cahier Technique n° 161G. THOMASSET

c Les efforts électrodynamiques sur les jeux debarres en BT,Cahier Technique n° 162CH. KILINDJIAN, J.P. THIERRY

c Les schémas des liaisons à la terre en BT(régimes du neutre),Cahier Technique n° 172R. CALVAS, B. LACROIX

c Les schémas des liaisons à la terre dans lemonde et évolution,Cahier Technique n° 173R. CALVAS

c Etudes de sûreté des installations électriques,Cahier Technique n° 184S. LOGIACO

c Tableau général BT intelligent,Cahier Technique n° 186A. JAMMES

Publications diversesc Les automates programmables sont-ils plusfiables que les relais ?Revue J3E - octobre 1990F. SAGOT

c An experience of a critical softwaredevelopmentIEEE Fault tolerant computing symposium 20 -90/26-28 juneNew CastleC. SAYET, E. PILAUD (Merlin Gerin)

c Risque et sécurité dans le domaine dutransportRevue Maintenance - novembre 1990J-C. LIGERON

c Les Cahiers Gimelecv les tableaux électriques basse tensionv les tableaux à gestion intégrée (TGI)

Schneider Direction Scientifique et Technique,Service Communication TechniqueF-38050 Grenoble cedex 9Télécopie : (33) 04 76 57 98 60

Réalisation : Sodipe - ValenceImpression : CLERC Fontaine - 2000- 100 FF-

© 1

998

Sch

neid

er

10-9862653

Sûreté de fonctionnement et tableaux électriques BT

Documents

Transcript of Sûreté de fonctionnement et tableaux électriques BT