13 Méthodologie Et Exemple Application

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Guide de conception des rseaux lectriques industriels T & D 6 883 427/A

13. Mthodologie de conception

d'un rseau lectrique

et exemple d'application

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13. METHODOLOGIE DE CONCEPTION D'UN RESEAU ELECTRIQUE ET

EXEMPLE D'APPLICATION

La rentabilit d'une installation industrielle est directement lie la disponibilit de l'outil de

production.

Les rseaux lectriques livrent l'nergie ncessaire au fonctionnement de l'outil de production.

Ainsi, la continuit d'alimentation des rcepteurs est recherche ds la conception du rseau

et en particulier lors des choix prliminaires du schma unifilaire.

La conception d'un rseau lectrique a pour objectif de dterminer l'installation lectrique

satisfaisant les exigences du processus industriel au moindre cot d'investissement,

d'exploitation et de dfaillance.

La mthodologie de conception d'un rseau comporte six grandes tapes.

n recueil des donnes (tape 1)

Il s'agit :

- de l'identification des problmes, des besoins satisfaire et des contraintes imposes

- de recueillir les lments ncessaires la conception du rseau et la dfinition desmatriels.

n laboration du premier schma unifilaire (tape 2)

Il s'agit d'laborer un schma unifilaire prliminaire qui rponde aux besoins et aux

contraintes, et qui tienne compte de l'ensemble des donnes.

n tudes techniques et validation du schma unifilaire (tape 3)

Il s'agit d'une tude de validation et d'optimisation technico-conomique de l'architecture

envisage prenant en compte l'ensemble des donnes et hypothses. Elle ncessite des

calculs de rseaux (courants de court-circuit, flux de puissance, ...).

n choix des quipements (tape 4)

Le schma unifilaire tant valid, il s'agit de choisir et dimensionner les quipements partir

des rsultats des calculs effectus l'tape prcdente et des donnes recueillies l'tape 1.

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n choix et rglage des dispositifs de protection (tape 5)

Il s'agit de dfinir les dispositifs de protection permettant la dtection et l'limination des

dfauts et de dterminer leurs rglages.

n choix et mise en place d'un systme de contrle commande (tape 6)

Il s'agit de choisir l'architecture du systme de contrle commande qui permettra aux

exploitants de conduire et surveiller le rseau et dans lequel seront implants les

automatismes optimisant le cot et la disponibilit de l'nergie :

- les transferts de sources

- les dlestages / relestages

- les reconfigurations automatiques de boucles de distribution

- ...

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13.1. Recueil des donnes (tape 1)

Il faut recueillir le maximum de donnes qui vont permettre de concevoir le rseau et de dfinir

les matriels.

13.1.1. Conditions d'environnement

Les caractristiques des quipements et des matriels sont donnes pour des conditions

d'environnement standards. La connaissance des paramtres relatifs aux conditions relles du site

permet au concepteur d'introduire des facteurs de correction ou de dclassement pour les matriels.

Parmi les conditions d'environnement, le concepteur s'intressera :

- aux risques d'explosion en prsence de gaz ou de produits inflammables dansl'atmosphre, ce qui dtermine le degr de protection des quipements

- aux risques de sisme

- l'altitude

- aux tempratures moyennes et maximales

- la rsistivit du sol

- la prsence de givre, de vent et de neige

- au niveau kraunique de la rgion pour la protection de l'installation contre les dangers dela foudre (voir 5.1.3)

- la pollution atmosphrique (poussire, corrosion, taux d'humidit)

- aux rglementations sur les sites (tablissement recevant du public, immeuble de grandehauteur, ...).

13.1.2. Classement des rcepteurs

Il s'agit de lister les rcepteurs de l'installation en les classant par type :

- moteur- clairage- chauffage- ...

pour lesquels on doit connatre :

- les puissances nominales (active, ractive et apparente)- les puissances rellement absorbes- le cos- le rendement- les transitoires de fonctionnement (dmarrage des moteurs, ...)

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- les niveaux de perturbation mis et tolrs (harmoniques, dsquilibres, flicker, coupures, ...).

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13.1.3. Attachement gographique ou fonctionnel des rcepteurs

Il y a lieu de recenser les rcepteurs en fonction du plan de masse de l'usine et de leurs rles

respectifs dans le processus industriel.

En effet, de par leur position gographique dans l'usine, ou de par leur attachement un

ensemble fonctionnel, les rcepteurs engendrent un premier degr de regroupement naturel

des charges.

A titre d'exemple, citons :

- une unit chimique

- un atelier de production

- une chaudire

- une station de pompage

- ...

Ces regroupements tant effectus, il y a lieu de dterminer les conditions d'environnement

lies au fonctionnement de ces rcepteurs.

Nota : des regroupements de rcepteurs peuvent tre imposs afin d'effectuer des sous-comptagesde l'nergie.

13.1.4. Conditions de fonctionnement des rcepteurs

Pour effectuer un bilan de puissance, il est ncessaire de prciser les conditions de

fonctionnement des diffrents rcepteurs.

On distingue trois cas de fonctionnement principaux :

- les rcepteurs dont le fonctionnement est permanent pendant toute la dure d'exploitation

des installations

- les rcepteurs dont le fonctionnement est intermittent par rapport la dure d'exploitation

- les rcepteurs qui ne fonctionnent pas en marche normale et qui sont en secours des

rcepteurs dont le fonctionnement est vital pour la scurit et ventuellement pour leprocessus industriel.

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13.1.5. Perturbations gnres et tolres par les rcepteurs

Certains rcepteurs provoquent des perturbations sur le rseau interne, voire mme sur le

rseau du distributeur.

Le concepteur doit donc recenser le niveau des perturbations provoques par chaque

rcepteur (voir 3) afin de prvoir les moyens de les rduire un niveau acceptable pour

l'ensemble de l'installation lectrique.

Il faut donc recenser le niveau de perturbation tolr par les quipements lectriques. Ces

niveaux ne sont pas toujours connus ou fournis par les constructeurs. Par contre, la norme

CEI 1000-2-4 dfinit le niveau de compatibilit lectromagntique sur les rseaux industriels

(voir tableau 3-1). Elle fournit le niveau de perturbations gnralement acceptable par les

quipements moyenne et basse tension.

13.1.6. Extensions futures

La connaissance exacte des possibilits d'extensions de tout ou partie de l'installation permet

au concepteur d'en tenir compte notamment :

- pour le dimensionnement des liaisons, des transformateurs, des disjoncteurs...

- pour le choix de la structure du rseau de distribution

- pour l'estimation des superficies des locaux.

13.1.7. Classement des rcepteurs par importance

Les consquences d'une coupure d'alimentation vis vis de la scurit des personnes et des

biens et de la production, peuvent tre graves.

Ainsi, il est important de dfinir pour chaque catgorie de rcepteurs le temps maximal de

coupure et de choisir en consquence le mode de ralimentation appropri.

On peut classer les rcepteurs, en trois grandes familles :

- les rcepteurs n'acceptant aucune coupure

- les rcepteurs ncessitant des temps de reprises incompatibles avec l'intervention humaine

- les rcepteurs temps de reprise compatible avec l'intervention humaine.

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Pour la premire catgorie de rcepteurs, il est ncessaire de disposer d'une source autonome

trs fiable :

- une alimentation statique sans interruption (ASI) (voir 1.6.3)

- un groupe tournant (voir 4.1.2).

C'est le cas des rcepteurs tels que :

- automatisme de conduite de process

- systmes informatiques.

Pour la deuxime catgorie, le temps maximal de coupure peut varier de quelques diximes de

secondes quelques dizaines de secondes. Sous cette catgorie, on distingue :

- les rcepteurs que ne tolrent que les coupures brves ou la permutation rapide dessources ; ce qui correspond au temps ncessaire pour le basculement sur un cble de

secours ou une source autonome permanente ( )t s< 1- les rcepteurs qui tolrent des coupures compatibles avec les renclenchements lents ou le

dmarrage automatique d'une source de secours (systme de dlestage - relestageautomatique : t s< 20 ).

Pour la troisime catgorie, le temps de coupure est gnralement suprieure la minute ce

qui reste compatible avec une intervention manuelle pour la reconfiguration du rseau ou le

dmarrage d'une source de secours.

13.1.8. Contraintes du rseau public

Au point de raccordement, le rseau public impose certaines contraintes qui peuvent tre

dcisives pour les choix prliminaires de la structure du rseau interne l'usine.

n puissance de court-circuit et tension d'alimentation disponibles par le distributeur

La puissance de court-circuit requise au point de raccordement dpend de la puissance de

l'installation, de la puissance des gros rcepteurs et des perturbations gnres et tolres

par l'installation.

La puissance de court-circuit dpend fortement du niveau de la tension de raccordement.

Elle est, de ce fait, un lment dterminant dans le choix de la structure du rseau interne de

l'usine.

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n caractristique de l'alimentation du distributeur

Les caractristiques principales de la tension fournie par un rseau public de distribution

moyenne et basse tension dans des conditions normales d'exploitation sont dfinies par la

norme EN 50160.

L'objet de cette norme est de dfinir et de dcrire les valeurs caractrisant la tension

d'alimentation fournie telles que (voir tableau 4-1) :

- la frquence- l'amplitude- la forme de l'onde- la symtrie des tensions triphases.

En France, les caractristiques de la tension fournie par les rseaux de distribution publique

HTB et HTA sont dfinies dans le contrat Emeraude liant EDF aux utilisateurs. Ce contrat

stipule les engagements de EDF sur la qualit de l'nergie et les engagements des utilisateurs

sur les perturbations mises (harmoniques - voir 8.3.2.2, flicker, dsquilibre).

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13.2. Elaboration d'un premier schma unifilaire (tape 2)

A partir du recueil des donnes, un premier schma unifilaire de distribution peut tre tabli.

13.2.1. Bilan de puissance

C'est la premire tape essentielle de l'tude de conception d'un rseau. Elle doit cerner et

localiser gographiquement les valeurs des puissances actives et ractives.

Selon l'tendu du site, les puissances installes et leurs rpartitions, l'installation sera divise

en plusieurs zones gographiques (3 8 zones).

Le bilan des puissances actives et ractives sera alors fait pour chaque zone en appliquant,

aux puissances installes, les facteurs d'utilisation propre chaque rcepteur (voir 6.1.2.) et

le facteur de simultanit pour le groupement de plusieurs rcepteurs ou circuits

(voir tableaux 6-1 et 6-2).

13.2.2. Choix des niveaux de tension

n choix de la tension d'alimentation du distributeur

Le choix de la tension d'alimentation dpend :

- de la puissance de l'installation

- de la puissance de court-circuit minimale requise

- des perturbations gnres et tolres par l'installation

- des niveaux de tension disponibles proximit du site.

Le tableau 1-1 indique les niveaux de tensions d'alimentation usuellement choisis en France

en fonction de la puissance souscrite.

n choix des tensions

Le choix des tensions l'intrieur du site dpend :

- de l'tendu du site et de la rpartition des puissances

- de l'existence ou non des rcepteurs MT tels que moteurs, fours...

Le choix de deux ou trois niveaux de tension rsulte d'une tude d'optimisation

technico-conomique qui tient compte des avantages et des inconvnients de chaque

variante.

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En gnral, l'exprience acquise montre que :

- pour des puissances jusqu'10 MVA, on choisit deux niveaux de tension (MT, BT)

- pour des puissances de plus de 10 MVA, le choix de trois niveaux de tension peut s'avrerplus conomique (HT, MT, BT).

13.2.3. Sources d'nergie

La source principale d'nergie est gnralement constitue par le rseau de distribution

publique.

Pour des raisons de scurit ou de continuit de service, la source principale d'une installation

industrielle est souvent accompagne d'une source de remplacement.

Les diffrentes sources de remplacement envisageables sont dtailles ci-aprs.

n deuxime alimentation du distributeur

Cette solution trouve tout son intrt lorsque cette deuxime alimentation est issue d'un poste

source diffrent de celui qui alimente la premire.

Elle peut nanmoins rester intressante dans le cas o les deux alimentations sont issues d'un

mme poste source si les dparts sont affects des jeux de barres ou des transformateurs

diffrents.

n source autonome permanente

Cette solution peut s'imposer pour des raisons de scurit ou de continuit de service en

fonction du niveau de qualit disponible sur le rseau de distribution publique. Elle peut

galement se justifier conomiquement :

- l'usine dispose de combustible rsiduel cot marginal (usine d'incinration, papeterie,sidrurgie, ptrochimie)

- l'usine produit de la vapeur pour le processus industriel qui peut tre rcupre pourproduire de l'nergie lectrique (chauffage urbain).

Gnralement, les sources autonomes permanentes sont exploites couples avec le rseau

de distribution publique. Le schma de raccordement doit nanmoins permettre un

dcouplage rapide des sources et un quilibrage des charges respectivement affectes

chacune d'entre elles.

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Le raccordement peut s'effectuer n'importe quel niveau de la structure du rseau de

distribution, en fonction des critres suivants :

- puissance de la source autonome par rapport la puissance totale

- prsence de cette source lie des besoins particuliers localiss ou non

- concentration ou dispersion des rcepteurs sauvegarder, ...

Les gnrateurs de ces sources autonomes peuvent tre entrans par :

- turbine gaz avec ou sans chaudire de rcupration

- turbine vapeur contre-pression

- turbine vapeur condensation

- moteur diesel

- ...

n source de secours

Cet quipement permet de secourir les parties vitales de l'installation en cas de panne du

distributeur. Il est aussi utilis pour rduire la facture d'nergie par son utilisation pendant les

priodes o le cot du kWh est lev (jours EJP par exemple).

D'une faon gnrale, ces sources ne fonctionnent pas couples au rseau du "distributeur".

Selon l'tendue des installations et les puissances secourir, elle peuvent tre, soit installes

localement proximit des rcepteurs, soit centralises de manire viter la multiplication des

sources. Dans ce dernier cas, ces sources sont raccordes au niveau MT, voire mme HT, de

la distribution. Les alternateurs de ces sources de secours peuvent tre entrans par des

moteurs diesels ou par des turbines gaz.

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n sources d'alimentation des auxiliaires des postes

Ce sont les rcepteurs lis la distribution lectrique tels que :

- relais de protection

- dispositifs effectuant les commandes d'ouverture et de fermeture des disjoncteurs, desinterrupteurs et des sectionneurs

- bobines de contact des contacteurs

- appareillage li au contrle commande du poste

- appareils de climatisation des locaux lectriques ou des tableaux et rsistancesanti-condensation

- ventilateur des locaux lectriques

- clairage des locaux lectriques

- arorfrigrant et changeurs de prise des transformateurs.

Ces rcepteurs doivent tre aliments par des sources spcifiques dont le niveau de fiabilit

est important.

En cas de perte de ces sources, deux principes de fonctionnement sont utiliss :

- dclenchement du poste ; ce principe rend prioritaire la scurit des biens et des personnes

- non dclenchement ; ce principe rend prioritaire la continuit de service.

La surveillance de l'tat de ces sources est indispensable.

Elles proviennent en gnral :

- d'un transformateur auxiliaire spcifique au poste lectrique

- de batteries d'accumulateurs

- d'une alimentation sans interruption (ASI).

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13.2.4. Choix des rgimes de neutre

n choix des rgimes de neutre des rseaux MT

Le choix du rgime de neutre en moyenne tension est un compromis entre les paramtres

suivants (voir 2.12.2) :

- la continuit de service

- le niveau des surtensions gnres

- le niveau d'isolement phase - terre du matriel

- les contraintes thermiques lies la valeur du courant de dfaut la terre

- la complexit des protections

- les contraintes d'exploitation et de maintenance

- l'tendue du rseau.

n choix des schmas de liaison la terre des rseaux BT

Le choix du schma de liaison la terre en basse tension est un compromis entre les

paramtres suivants (voir 2.11.2) :

- la continuit de service

- le niveau des surtensions gnres

- le risque d'incendie d'origine lectrique

- le niveau des perturbations lectromagntiques

- les contraintes de conception et d'exploitation.

Le nombre de rseaux basse tension peut tre important (plusieurs dizaines) ; il faut pour

chacun d'eux dterminer le schma de liaison la terre le plus appropri.

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13.2.5. Choix de la structure du rseau

Le choix d'une structure de rseau est une tape dterminante pour la disponibilit de

l'nergie.

Parmi les diffrentes structures possibles, il est important de baser ce choix notamment sur les

exigences de continuit de service, sur la limitation des perturbations (creux de tension,

dsquilibres, harmoniques, flicker) et sur les contraintes d'exploitation et de maintenance.

Les diffrentes structures sont dtailles dans le paragraphe 1.

n structure du poste de livraison HT/MT

Suivant l'importance de l'installation et la continuit de service exige, les schmas suivants

sont utiliss :

- simple antenne (voir fig. 1-2)

- double antenne (voir fig. 1-3)

- double antenne - double jeu de barres (voir fig. 1-4).

n structure du rseau MT

La distribution en MT l'intrieur du site est ralise en fonction de la continuit de service

souhaite pour chaque zone.

Ainsi, on distingue :

- l'alimentation en simple antenne (voir fig. 1-17). Elle est utilise lorsque la continuit deservice exige est faible. Elle est souvent retenue pour les rseaux de cimenterie.

- l'alimentation en double antenne (avec ou sans couplage - voir fig 1-18 et 1-19). Elle estsouvent utilise (avec couplage) en sidrurgie et en ptrochimie pour sa bonne continuitde service.

- l'alimentation en boucle (ouverte ou ferme - voir fig. 1-20-a et 1-20-b). Elle est bienadapte aux rseaux tendus avec des extensions futures importantes. La boucle fermeest plus performante que la boucle ouverte. Elle est, par contre, plus onreuse.

- l'alimentation en double drivation (voir fig. 1-21). Elle est bien adapte aux rseauxtendus avec des extensions futures limites et ncessitant une trs bonne continuit deservice.

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n structure des rseaux BT

Suivant le niveau de sret de fonctionnement exig, les tableaux BT peuvent tre aliments

par plusieurs sources, un groupe de secours ou une alimentation sans interruption (voir 1.6).

Les parties de l'installation devant tre alimentes avec un schma de liaison la terre

particulier doivent tre alimentes travers un transformateur spcifique (voir 2). Les

rcepteurs sensibles ou fortement perturbateurs peuvent imposer un transformateur spcifique

pour les alimenter (voir 3).

13.2.6. Gestion de l'nergie - Choix de la tarification optimale

Les distributeurs d'nergie lectrique proposent une tarification adapte la fois leur cot de

production et aux spcificits des utilisateurs.

L'utilisateur connat souvent mal ses besoins rels en nergie et son contrat avec le

distributeur est parfois mal adapt ses besoins.

Une tude d'optimisation tarifaire s'avre toujours rentable et permet de gagner jusqu' 10

20 % de la facture d'nergie si une vritable "gestion de l'nergie" est mise en oeuvre,

notamment avec l'aide d'un systme de contrle - commande performant (voir 12).

n composante de la tarification

Les distributeurs d'nergie lectrique proposent leurs clients des contrats de fourniture dont

les caractristiques gnrales sont bases sur des principes identiques (voir 11).

Le cot de l'nergie est compos :

- d'une prime fixe qui est fonction de la puissance souscrite (puissance ne pas dpasser).Plus la puissance souscrite est basse plus la prime fixe est faible.

- de la consommation d'nergie active en kWh.

- d'ventuelles pnalits de dpassement apparaissant lorsque la puissance consomme estsuprieure la puissance souscrite.

- de la consommation d'nergie ractive en kvarh, si celle-ci dpasse le seuil deconsommation non factur par le distributeur pendant certaines priodes tarifaires(voir 11.4.4).

Les diffrents lments du cot de l'nergie varient suivant le mois de l'anne, le jour de la

semaine et les heures de la journe, ce sont les priodes tarifaires.

n compensation de l'nergie ractive

Pour s'affranchir des cots lis une consommation excessive d'nergie ractive, le

concepteur dtermine les compensations mettre en place (voir 7).

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n courbes de charge

Les courbes de charges journalires et saisonnires reprsentant les variations de puissance

active et ractive de l'installation permettent :

- d'optimiser la tarification et la compensation de l'nergie ractive

- de dcider la mise en service ou non de l'alimentation de secours, notamment en priodede pointe (effacement en jour de pointe EJP)

- de dterminer les puissances dlester et les dures de dlestage en fonction de lapriode tarifaire.

n identification des charges dlestables

Il s'agit d'identifier les rcepteurs pouvant tre dlests sans consquence pour le processus

industriel et la dure possible de ce dlestage.

n intrt d'installer un groupe EJP

Les allures des courbes de charge et les possibilits de dlestage permettent de dterminer

l'intrt ou non d'installer un groupe EJP.

Il faut faire une simulation du cot de l'nergie et comparer :

- une tarification classique sans groupe EJP

- une tarification EJP en faisant fonctionner le groupe de production pendant les priodes EJP.

L'cart de cot de l'nergie permettra de dterminer l'opportunit ou non d'investir dans l'achat

d'un groupe EJP.

Le concepteur devra intgrer les cots de maintenance du groupe.

Il faut ajouter que le groupe EJP peut aussi, dans certains cas, assurer une fonction de

secours de l'installation. L'investissement sera alors d'autant plus intressant.

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n intrt d'installer une centrale de cognration

Dans les installations consommant simultanment de l'nergie lectrique et thermique, une

centrale de cognration peut s'avrer trs rentable. En effet, rcuprer l'nergie thermique

produite par un groupe diesel amliore fortement le rendement nergtique. Celui-ci peut

atteindre 80 90 % au lieu de 35 40 % sans systme de rcupration.

Dans certains cas, une partie de l'nergie lectrique est revendue au distributeur.

Une tude technico-conomique doit tre effectue, elle doit tenir compte, notamment :

- des cots d'achat et de vente au distributeur d'nergie lectrique

- des cots d'investissement et de maintenance de la centrale de cognration

- des gains raliss par la rcupration d'nergie thermique

- de l'intrt de bnficier d'une source de remplacement.

Les centrales de cognration sont en plein dveloppement des les grosses installations du

secteur tertiaire telles que les hpitaux, aroports, htels,...

Nota : un autre type de cognration existe, il s'agit des usines d'incinration et des centrales dechauffage urbain. Elles possdent une nergie thermique moindre cot qui peut tre utilisepour produire de l'nergie lectrique.

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13.3. Etudes techniques et validation du schma unifilaire (tape 3)

Dans cette tape de l'tude de conception, il s'agit de valider par des calculs la structure

dfinie prcdemment.

C'est une tape itrative dans la mesure o certains paramtres dj dfinis peuvent tre

modifis pour satisfaire certaines conditions ou dispositions normatives.

Dans ce cas, les calculs qui en dpendent seront chaque fois revus en consquence.

13.3.1. Calcul des courants nominaux

Sur la base du bilan de puissance effectu au paragraphe 13.3.1., seront dtermins les

courants nominaux qui transitent dans chaque canalisation, transformateurs et autres

lments du rseau.

13.3.2. Choix des transformateurs

Le choix du transformateur est fait sur la base de la puissance maximale qui correspond la

journe la plus charge de l'anne. Cette puissance est le rsultat d'un bilan de puissance, en

tenant compte des coefficients d'utilisation et de simultanit (voir 13.3.1).

Une mthode plus prcise permet de dterminer la puissance du transformateur en se basant

sur les courbes de charge de l'installation et les courbes de surcharge des transformateurs

(voir CEI 76-2).

Nota : il est parfois intressant d'installer une gamme de transformateurs de mme puissance afin defaciliter la maintenance et l'interchangeabilit.

13.3.3. Choix des gnrateurs

La puissance des gnrateurs sera dtermine en fonction de la puissance de remplacement

ncessaire ou de la puissance dlester pendant les priodes EJP.

Pour une utilisation toujours couple au rseau de distribution publique, il peut s'avrer

intressant d'installer une gnratrice asynchrone (voir 4.3)

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13.3.4. Dtermination des sections des conducteurs

La mthode dtaille de dtermination des sections des conducteurs est prsente dans le

paragraphe 6.

La mthode consiste :

- calculer le courant maximal d'emploi

- dterminer le facteur de correction global relatif au mode de pose et aux conditionsd'installation

- dterminer la section ncessaire l'chauffement en rgime normal

- vrifier la contrainte thermique en cas de court-circuit en fonction du dispositif de protection

- vrifier les chutes de tension en rgime normal et pendant le dmarrage de gros moteurs

- vrifier, pour la basse tension, les longueurs maximales des canalisations pour la protectiondes personnes contre les contacts indirects, en fonction du dispositif de protection

- vrifier la tenue thermique des crans de cble lors d'un dfaut phase - terre en MT

- dterminer les conditions de mise la terre des crans de cbles en MT

- dterminer les sections des conducteurs de neutre, de protection et d'quipotentialit.

La section retenir est la section minimale vrifiant toutes ces conditions.

Il peut tre utile de dterminer la section conomique sur la base d'un bilan conomique

(investissement, pertes joules - voir 6.3).

13.3.5. Etude des circuits de terre et des prises de terre

Les valeurs des impdances des circuits de terre et des prises de terre dterminent les

niveaux de surtension qui peuvent apparatre sur les quipements lectriques (voir 5 et 2).

Il est notamment intressant de raliser des zones quipotentielles en fond de fouille qui

rduisent les surtensions entre les quipements et la terre.

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13.3.6. Calcul des courants de court-circuit (voir 4 du Guide des protections)

L'installation lectrique doit tre protge contre les courts-circuits et ceci sauf exception,

chaque fois qu'il y a une discontinuit lectrique, ce qui correspond le plus gnralement un

changement de section des conducteurs. L'intensit du courant de court-circuit doit tre

calcule chaque tage de l'installation pour les diffrentes configurations possibles du

rseau; ceci pour pouvoir dterminer les caractristiques du matriel qui doit supporter ou qui

doit couper ce courant de dfaut.

Pour choisir convenablement les appareils de coupure (disjoncteurs ou fusibles) et rgler les

fonctions de protection, trois valeurs du courant de court-circuit doivent tre connues :

n la valeur efficace du courant de court-circuit maximal (court-circuit triphas symtrique)

Elle dtermine :

- le pouvoir de coupure des disjoncteurs et fusibles

- la contrainte thermique que doivent supporter les matriels.

Il correspond un court-circuit proximit immdiate des bornes aval de l'appareil de coupure.

Il doit tre calcul avec une bonne marge de scurit (valeur maximale).

n la valeur crte du courant de court-circuit maximal (valeur de la premire crte de la

priode transitoire)

Elle dtermine :

- le pouvoir de fermeture des disjoncteurs et des interrupteurs

- la tenue lectrodynamique des canalisations et de l'appareillage.

n le courant de court-circuit minimal

Il est indispensable au choix de la courbe de dclenchement des disjoncteurs et des fusibles

ou au rglage des seuils des protections maximum de courant, en particulier quand :

- la longueur des cbles est importante ou lorsque la source a une impdance internerelativement leve (gnrateurs ou onduleurs)

- la protection des personnes repose sur le fonctionnement des dispositifs de protection maximum de courant phase, c'est essentiellement le cas en basse tension pour lesschmas de liaison la terre du neutre TN ou IT.

L'utilisation de logiciels de calcul* conformes la norme CEI 909 est d'une utilit prcieuse

pour la rapidit et la fiabilit des rsultats.

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(*) SELENA (Schneider ELEctrical Network Analysis)

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13.3.7. Dmarrage des moteurs

Le dmarrage est un point dlicat de l'exploitation des moteurs lectriques. Les dispositifs de

dmarrage doivent pouvoir rsoudre la plupart des cas qui se prsentent au concepteur

d'installation :

- couple rsistant lev

- appel limit d'intensit

- dmarrages frquents.

Lors de la mise sous tension, l'impdance prsente par le moteur est trs faible. Il peut

s'ensuivre un violent appel de courant (4 10 fois le courant nominal) si aucun dispositif

particulier ne vient le limiter.

Le rseau d'alimentation n'tant jamais de puissance infinie, cet appel de courant peut

provoquer une chute de tension sur le rseau susceptible de perturber les autres utilisateurs.

Cette chute de tension peut aussi conduire faire travailler le moteur dans des zones de

fonctionnement proscrire, du fait de l'chauffement excessif en rsultant, ou d'une mise en

vitesse trop lente de la machine entrane, voire d'un ralentissement et d'un arrt du moteur

sous tension.

La puissance de court-circuit du rseau est un paramtre trs important. Un moteur dmarre

plus vite, s'chauffe moins et provoque une moindre chute de tension si la puissance de

court-circuit au point de raccordement du moteur est leve. On peut considrer qu'elle est

leve si elle est suprieure 100 fois la puissance du moteur.

Le paragraphe 3.3.4. explicite les diffrents modes de dmarrage des moteurs et les

caractristiques du courant et du couple.

910




13.3.8. Etude de la stabilit dynamique du rseau

La stabilit dynamique d'un rseau est la facult pour celui-ci de reprendre un fonctionnement

normal la suite d'une perturbation brutale.

L'tat du rseau est dtermin par la rpartition des charges et les valeurs du courant et

tension en rgime permanent.

Cet tat est soumis des variations par suite des fluctuations de charge, des incidents

lectriques et des modifications de branchement. La modification progressive ou brusque d'un

ou plusieurs paramtres change l'tat du rseau. Celui-ci peut voluer vers un nouveau rgime

permanent ou bien son comportement peut devenir instable. Il lui est alors impossible de

retrouver un rgime permanent acceptable. Cela se traduit par la perte du synchronisme des

machines synchrones et le ralentissement des moteurs asynchrones pouvant aller jusqu'

l'arrt.

Par exemple, lorsqu'un court-circuit se produit dans un rseau comportant un nombre plus ou

moins grand de machines synchrones (alternateurs et moteurs) et asynchrones (gnratrices

et moteurs), l'ensemble des machines dbite dans ce court-circuit, les moteurs ralentissent et

les gnrateurs acclrent (les gnrateurs ne sont plus en mesure de fournir leur puissance

active mais restent par contre entrans par les turbines ou les moteurs Diesel).

Une tude de stabilit (voir 9) consiste donc analyser le comportement lectrique et

mcanique des machines entre le moment o la perturbation apparat et celui o la

perturbation tant limine, le rseau revient ou ne revient pas des conditions normales de

fonctionnement.

Mme pour un rseau simple, le nombre de paramtres intervenant est trop grand pour que

l'on puisse estimer intuitivement l'influence de tel ou tel facteur et prvoir approximativement

les consquences de la variation de l'un d'eux.

L'tude est ralise par des calculs sur ordinateur car le volume de calcul ne permet pas de

rsolution "manuelle".

Le logiciel MGSTAB dvelopp par Schneider Electric pour effectuer les calculs, permet un

traitement direct et conomique de tous les cas de rseaux industriels, sans limitation du

nombre de liaisons et de machines.

911




13.3.9. Compensation de l'nergie ractive (voir 7)

En gnral, les distributeurs d'nergie lectrique pnalisent financirement les consommateursdont la valeur de tg est leve.

Par exemple, en France :

- les clients souscrivant une puissance suprieure 250 kVA payent l'nergie ractive au-delde 40 % de l'nergie active consomme (pendant certaines priodes).

- les clients souscrivant une puissance comprise entre 36 et 250 kVA payent une prime fixequi dpend de la puissance apparente souscrite. La compensation d'nergie ractivepermet de rduire la prime fixe en diminuant la puissance apparente souscrite.

Ainsi, la compensation de la puissance ractive permet de faire des conomies sur la facture

d'nergie. De plus, elle permet de rduire les pertes joule et les chutes de tension dans les

conducteurs et les transformateurs.

n recherche de la compensation optimale

Aprs avoir effectu le calcul de la puissance ractive globale installer (voir 7.6.), il faut

dterminer les emplacements optimaux des condensateurs et le type de batterie (fixe ou

automatique) afin d'obtenir un retour d'investissement le plus court possible.

Il faut tout d'abord dterminer la valeur de la puissance ractive et si possible la courbe de

charge aux diffrents endroits susceptibles de recevoir des condensateurs. A partir de ces

courbes, on obtient des renseignements sur les puissances ractives minimales, moyennes et

maximales appeles ces diffrents endroits.

Le mode de compensation dpend de la valeur de la puissance ractive minimale consomme

par l'installation compare la puissance globale installer.

o cas o la puissance ractive minimale consomme par l'installation est suprieure la

puissance de compensation envisage

La compensation peut tre globale car il n'y a pas de risque de surcompensation en

fonctionnement normal, qui provoquerait des lvations anormales de la tension.

Cependant, lors de l'arrt de l'installation, il faut dconnecter les condensateurs afin de ne pas

provoquer de surtensions permanentes sur le rseau de distribution publique, dues une

surcompensation.

912




o cas o la puissance ractive minimale consomme par l'installation est infrieure la

puissance de compensation envisage

Lorsque la puissance ractive consomme est minimale, avec une compensation globale il y

aurait une surcompensation qui provoquerait une lvation anormale de la tension. Par

exemple, la surcompensation aux bornes d'un transformateur ne doit pas dpasser 15 % de

sa puissance nominale.

Pour viter une surcompensation, on peut :

- installer une batterie en gradins avec rgulation automatique qui permet d'pouser lacourbe de charge

- installer en tte d'installation une compensation gale la puissance minimale consommeet compenser localement les rcepteurs ou les secteurs forte consommation de puissanceractive, dans la mesure o la commande des condensateurs est asservie au rcepteur ouau secteur.

- dans le cas d'une installation contenant plusieurs transformateurs HTA/BT, reporter unepartie de la compensation d'un transformateur sur un autre transformateur.

o critres de choix

La compensation peut tre :

- effectue en MT et/ou en BT ; il est plus conomique d'installer des condensateursmoyenne tension pour des puissances suprieures environ 800 kvar.

- globale, par secteur, individuelle.

- effectue par batterie fixe ou en gradins manoeuvrables automatiquement ; dans le cas ola batterie en gradins est choisie, il peut tre prfrable d'installer des gradins depuissances diffrentes afin d'obtenir un meilleur ajustement. Par exemple, avec des gradinsde 800, 400, 200 et 100 kvar on peut obtenir toutes les puissances de 0 1 500 kvar parpas de 100 kvar.

Pour dterminer la solution optimale, les critres suivants doivent tre pris en compte :

- suppression des cots d'nergie ractive (tarif vert) ou abaissement de la puissancesouscrite (tarif jaune)

- diminution des pertes Joule dans les conducteurs et dans les transformateurs

- tension rgulire en tout point de l'installation

- cot d'investissement, d'installation et de maintenance de chaque solution.

913




n enclenchement des batteries de condensateurs et protections

L'enclenchement des batteries de condensateurs provoque des surintensits et des

surtensions importantes dans le rseau. Celles-ci sont contraignantes pour les appareils de

manoeuvre des condensateurs et pour les protections (surtout en MT).

Ces problmes sont tudis dans le paragraphe 10.6. du Guide des protections.

n problmes lis aux condensateurs en prsence d'harmoniques

En prsence d'harmoniques, l'installation de condensateurs risque de provoquer une

amplification des courants et des tensions harmoniques et des problmes qui en rsultent.

Dans ce cas, une tude s'avre ncessaire.

Ces problmes sont tudis dans le paragraphe 8.

914




13.3.10. Etude des harmoniques (voir 8)

Les rcepteurs non linaires tels que fours arc, clairages, convertisseurs, redresseurs, ...

absorbent des courants non sinuso daux qui traversent les impdances du rseau et

provoquent ainsi une dformation de la sinuso de de tension d'alimentation. La dformation

de la forme d'onde est caractrise par l'apparition de frquences harmoniques de tension.

Les perturbations gnralement constates sont :

- chauffement ou claquage de condensateurs

- chauffement de moteurs ou de transformateurs

- dysfonctionnement de rgulateurs, convertisseurs, contrleurs permanents d'isolement,relais de protection, ...

Une tude d'harmoniques a pour objectif de dfinir les moyens permettant de rduire les

perturbations des niveaux acceptables :

- pour les quipements du site, un taux global de distorsion < 5 10 %- pour le rseau de distribution publique (voir tableau 8-23 pour le cas de la France).

Les moyens gnralement mis en oeuvre sont :

- l'installation de batteries de condensateurs avec inductances antiharmoniques qui rduisentles phnomnes de rsonance entre les condensateurs et l'inductance de l'alimentation

- l'installation de filtres shunt qui rduisent les tensions harmoniques en "pigeant" lescourants harmoniques

- l'augmentation de la puissance de court-circuit au niveau des charges perturbatrices

- l'loignement lectrique entre les charges perturbatrices et les quipements sensibles

- l'installation de filtres actifs

- le confinement des harmoniques.

Une tude d'harmoniques est gnralement indispensable en prsence de condensateurs qui

amplifient le taux de distorsion par le phnomne de rsonance.

L'tude des harmoniques consiste :

- dterminer les harmoniques de tension prexistants sur la source d'alimentation

- dfinir les puissances et les valeurs d'harmoniques de courants pour chaque rcepteur non linaire

- calculer les taux de distorsion en tension, en diffrents points de l'installation et pour toutesles configurations possibles du rseau

915




- simuler les solutions envisages dans le cas du dpassement des limites acceptables parles quipements ou par le rseau de distribution publique.

913




13.3.11. Coordination de l'isolement dans une installation lectrique industrielle

La coordination de l'isolement d'une installation consiste dterminer les caractristiques

d'isolement ncessaires aux divers constituants du rseau, en vue d'obtenir une tenue

homogne aux tensions normales, ainsi qu'aux diffrentes surtensions (voir 5).

Son but final est de permettre une distribution sre et optimise de l'nergie lectrique.

Cette optimisation permet de trouver le meilleur rapport conomique entre les diffrents

paramtres dpendant de cette coordination :

- cot de l'isolement du matriel

- cot des protections contre les surtensions

- cot des dfaillances (perte de l'exploitation et destruction de matriel), en tenant comptede leur probabilit d'occurrence.

Le cot du surisolement du matriel tant trs lev, il ne peut pas tre dimensionn pour

supporter les contraintes de toutes les surtensions tudies au paragraphe 5.2.

S'affranchir des effets nfastes des surtensions suppose une premire dmarche qui consiste

s'attaquer leurs phnomnes gnrateurs, ce qui n'est pas toujours vident. En effet, si

l'aide de techniques de coupure appropries les surtensions de manoeuvre de l'appareillage

peuvent tre limites, il est impossible d'empcher les coups de foudre.

La rduction des risques des surtensions, par consquent du danger qu'elles reprsentent

pour les personnes et le matriel, est d'autant meilleure si certaines mesures de protection

sont respectes :

- limitation des rsistances de prise de terre du poste pour la rduction des surtensions lorsd'un dfaut la terre

- rduction des surtensions de manoeuvre par le choix d'appareils de coupure appropris

- coulement la terre des chocs de foudre par un premier crtage (parafoudre ou clateurl'entre des postes) avec limitation des rsistances de prises de terre et des impdancesdes pylnes

- limitation de la tension rsiduelle du premier crtage par le parafoudre HT transmise aurseau aval, en prvoyant un deuxime niveau de protection au secondaire dutransformateur

- protection des quipements sensibles en BT (informatiques, tlcommunications,automatismes, ...) en leur associant des filtres sries et/ou des limiteurs de surtensions.

914




13.3.12. Etude de la sret de fonctionnement

En raison de l'accroissement des cots gnrs par une perte d'alimentation, les concepteurs

et les exploitants de rseaux lectriques ont besoin de s'appuyer sur un ensemble de

mthodes d'valuation qualitative et quantitative de la sret de fonctionnement du rseau

(voir 10).

Au niveau de la conception, il est important de disposer de mthodes permettant :

- d'valuer la sret de fonctionnement pour rpondre un cahier des charges

- de choisir des solutions adaptes

- de raliser la continuit de service au cot minimum

- de dterminer la politique de maintenance optimale.

Schneider Electric a dvelopp deux logiciels permettant d'effectuer des tudes de sret de

fonctionnement.

o Adlia

C'est un systme expert capable de construire l'arbre de dfaillance d'un rseau lectrique

partir du schma et d'en faire les analyses qualitative et quantitative.

o Micro Markov

C'est un logiciel qui dtermine la fiabilit d'un rseau lectrique par la mthode des graphes

de Markov.

L'tude de sret d'un rseau lectrique permet :

- de quantifier la continuit de service par le calcul de l'indisponibilit

- de chiffrer le risque de perte de la production ( comparer avec les cots

d'investissements).

915




13.4. Choix du matriel (tape 4)

La structure du rseau tant choisie et valide, les matriels lectriques prvus doivent

satisfaire.

n aux normes en vigueur

n aux caractristiques du rseau

Il s'agit notamment :

- des tensions de service qui doivent tre compatibles avec la tension la plus leve pour lematriel

- des surtensions susceptibles d'apparatre dans le rseau qui doivent tre compatibles avec lestensions de tenue du matriel (frquence industrielle, choc de manoeuvre, choc de foudre)

- des courants nominaux

- des courants de court-circuit qui doivent tre compatibles avec le pouvoir de coupure, lepouvoir de fermeture, la tenue thermique et lectrodynamique du matriel.

n aux fonctions associes chaque quipement

- coupure sur court-circuit (disjoncteur, fusible)- manoeuvre en rgime nominal (interrupteur)- manoeuvres frquentes (contacteurs...)- hors charge (sectionneurs).

n aux exigences de la continuit de service

Ce qui dtermine le choix du type de matriel :

- appareil fixe- appareil dbrochable pour faciliter l'entretien ou le remplacement.

n aux qualifications du personnel

Le niveau de qualification des agents d'exploitation et de maintenance dtermine :

- la ncessit ou non de verrouillages et d'asservissements pour viter les fausses manoeuvres- le choix d'un matriel avec ou sans entretien.

n aux exigences lies aux extensions futures

Cela dtermine les rserves prvoir et peut conduire au choix de matriels modulaires.

916




13.5. Dtermination du plan de protection (tape 5)

Le rle fondamental des protections d'un rseau lectrique industriel est d'assurer la scurit

des personnes et des biens et, d'amliorer la continuit d'alimentation des rcepteurs.

Le fonctionnement normal d'une installation peut tre perturb par un certain nombre

d'incidents :

- surcharges

- courts-circuits

- fausses manoeuvres

- dtrioration des isolants.

C'est le rle des protections d'viter les consquences de ces incidents, en permettant :

- de limiter les contraintes thermiques, et mcaniques auxquelles sont soumis les matriels

- de prserver la stabilit du rseau

- de rduire la dure des perturbations lectromagntiques causes aux circuits voisins.

Le systme de protection est un ensemble cohrent qui dpend de la structure du rseau et

du schma de liaison la terre. Il doit assurer une slectivit en isolant le plus rapidement

possible la partie du rseau en dfaut tout en prservant les parties saines (voir Guide de

protection des rseaux industriels).

917




13.6. Choix d'un systme de contrle-commande (tape 6)

Les installations industrielles ncessitent une gestion optimale de leur rseau lectrique afin

de garantir la disponibilit de l'nergie et rduire la facture d'nergie.

Un systme de contrle-commande (voir 12) permet l'optimisation de cette gestion grce aux

fonctions d'automatismes telles que :

- transfert de sources

- reconfiguration de boucle

- dlestage/relestage

- programmation horaire ou tarifaire

- gestion des groupes de production interne ...

Il permet de plus de surveiller l'tat du rseau lectrique, de commander les quipements

distance et de prvoir les oprations de maintenance.

n conduire le rseau distance

La conduite distance du rseau permet au personnel d'exploitation :

- de visualiser l'tat du rseau lectrique

- de surveiller les diffrentes mesures

- d'effectuer les commandes distance

- d'tre inform des incidents survenant sur l'installation lectrique.

n amliorer l'efficacit et la rapidit de diagnostic et d'intervention sur le rseau

L'efficacit et la rapidit de diagnostic et d'intervention sur le rseau sont amliores grce

l'intgration des fonctions suivantes :

- gestion des automatismes de dlestage/relestage et de transfert de sources

- gestion des automatismes de racclration des moteurs moyenne tension

- gestion des groupes de production interne

- chronologie fine

- oscilloperturbographie.

918




n optimiser le cot de l'nergie

Le cot de l'nergie lectrique est optimis grce aux fonctions suivantes :

- programmation tarifaire

- programmation horaire

- gestion des groupes de production interne

- compensation de l'nergie ractive

- comptage et sous-comptage de l'nergie.

n optimiser la maintenance

Le comptage du nombre de manoeuvres effectues par les appareils de coupure et le

comptage du nombre d'heures de fonctionnement des appareils permet d'optimiser les

oprations de maintenance.

919




13.7. Exemple d'application

On se propose d'tudier l'alimentation lectrique d'une installation industrielle de production

dont le plan de masse est reprsent sur la figure 13-1.

L'analyse du cahier des charges et du dossier technique de l'affaire fait ressortir les

contraintes et les donnes de base ncessaires l'tude de conception.

L'objectif n'est pas de prsenter une tude dtaille, mais de mettre en vidence des

mthodes de rsolution de problmes lis la conception.

C'est la raison pour laquelle certaines tapes ne sont pas abords d'une manire dtaille.

13.7.1. Description de l'installation

L'installation industrielle alimenter est une usine de production qui s'tend sur une superficie

de 26 hectares, elle est constitue de plusieurs btiments :

- une unit de rception-prparation

- un processus de production

- une unit de stockage

- une unit d'expdition

- un atelier de rparation

- une unit d'puration d'eau

- un btiment administratif

situs l'intrieur du site et de deux btiments l'extrieur du site :

- une unit d'extraction

- une station de pompage.

920




921




13.7.2. Recueil des donnes

Seule les donnes utiles aux parties tudies sont prsentes.

n puissance des rcepteurs

Un bilan de puissance a t effectu dont les rsultats sont donns dans le tableau 13-3.

Les caractristiques des moteurs MT sont donnes dans le tableau 13-1 :

Unit Nombre Rendement cos Pm (kW)(1)

P (kW)

(1)

Q (kvar) S (kVA) C

CN

max I

I

d

n

C

C

d

N

C

CN

max

Production2 0,95 0,9 450 474 229 526 2,4 5,7 0,75 2,4

2 0,93 0,78 165 177 142 227 2,3 5,0 1,25 2,3

Rception-

prparation1 0,93 0,78 165 177 142 227 2,3 5,0 1,25 2,3

Stockage 1 0,93 0,78 165 177 142 227 2,3 5,0 1,25 2,3

(1) Pm : puissance mcanique

P : puissance lectrique

Tableau 13-1 : caractristiques des moteurs MT

n quipements perturbateurs

Au niveau de l'unit de production, sont installs deux variateurs de vitesse pour moteurs

asynchrones dont les caractristiques sont prsentes dans le tableau 13-2.

Type P (kW) cos S (kVA) Fp Q (kvar) Fd ( )U Vn NombreATV 52 V 110 0,85 204 0,54 68 0,63 400 2

Tableau 13-2 : caractristiques des variateurs de vitesse

922




n contraintes imposes par le processus industriel

o temps de coupure tolr

Le temps de coupure tolr est dfini comme suit :

- aucune coupure n'est tolre pour quelques moteurs vitaux, la commande du process etl'clairage de scurit ; soit une puissance totale de 250 kVA

- l'unit de production tolre une coupure de 10 s

- l'usine dispose d'une autonomie en matire premire et en capacit de stockage de8 heures, une coupure longue est donc autorise sur les units de rception - prparation,stockage et expdition.

o charge dlestable

Les charges qui peuvent tre dlestes en cas de dfaillance du rseau public, sans

incidence sur la production, reprsentent :

- 50 % de l'unit de rception-prparation

- 60 % de l'unit de stockage

- 60 % de l'unit d'expdition.

n contraintes du rseau de distribution

- puissance de court-circuit gale 200 MVA sur un rseau arien 20 kV

- courant de dfaut la terre limit 300 A

- continuit de service moyenne :

. coupures brves : 50 100 par an

. coupures longues : 10 20 par an.

- les autres caractristiques sont conformes la norme EN 50160 (voir tableau 4-1).

923




13.7.3. Elaboration d'un premier schma unifilaire

n bilan des puissances (voir tableau 13-3)

Le bilan des puissances actives et ractives est indiqu pour chaque unit sur la base des

puissances installes aprs application des facteurs d'utilisation et de simultanit. Pour la

dtermination de la puissance totale de l'installation, on applique un facteur de simultanit

global de 0,9 la somme des puissances de chaque unit.

P (kW) Q (kvar) S (kVA) cosProcess de Variateurs 220 136 408 0,85

production Moteurs 300 225 375 0,80

Eclairage 30 69 75 0,40

Chauffage 300 0 300 1,00

Total 850 430 953 0,89

Rception Moteurs 150 113 188 0,80

Prparation Eclairage 30 69 75 0,40

Chauffage 150 0 150 1,00

Total 330 182 377 0,88

Stockage Moteurs 120 90 150 0,80

Eclairage 45 103 113 0,40

Chauffage 100 0 100 1,00

Total 265 193 328 0,81

Expdition Moteurs 192 144 240 0,80

Eclairage 24 55 60 0,40

Chauffage 100 0 100 1,00

Total 316 199 373 0,85

Btiment Eclairage 30 69 75 0,40

administratif Chauffage 300 0 300 1,00

Total 330 69 337 0,98

Atelier de Moteurs 80 60 100 0,80

rparation Eclairage 20 46 50 0,40

Chauffage 60 0 60 1,00

Total 160 106 192 0,83

Epuration Moteurs 80 60 100 0,80

d'eau Eclairage 3 7 8 0,40


Total 173 67 186 0,93

Extraction Moteurs 128 96 160 0,80

Eclairage 6 14 15 0,40


Total 184 110 214 0,86

Station de

pompage Total 160 120 200 0,80

Moteurs MT 2 x 474 2 x 229 2 x 526 0,90

4 x 177 4 x 142 4 x 227 0,90

Total 1 656 1 026 1 948 0,85

Total installation

Facteur de simultanit global 0,9

Bilan au point de livraison

4 424

x 0,9

______

3 982

2 502

x 0,9

______

2 252

5 082

x 0,9

______

4 575

0,87

Tableau 13-3 : bilan des puissances de l'usine

924




n choix des tensions

o tension d'alimentation du distributeur

La tension 20 kV du rseau de distribution publique convient la puissance appele par l'usine

qui avoisine 5 MVA. La puissance de court-circuit de 200 MVA est gale 400 fois la

puissance du plus gros rcepteur. Les ventuelles perturbations gnres par les rcepteurs

ne perturberont probablement pas le rseau de distribution publique.

o tensions de distribution

Le choix d'une tension de distribution MT de 5,5 kV dcoule :

- de la prsence de 6 moteurs MT rpartis sur le site (voir tableau 13-2)

- des puissances appeles par chaque unit

- de l'tendue du site, comprenant des distances variant entre 300 m et 1 000 m.

Concernant la basse tension, une tension triphase de 400 V est suffisante pour l'alimentation

des plus gros rcepteurs.

n sources d'nergie

o source principale

L'alimentation de l'usine sera assure par 2 lignes 20 kV normale/secours issues de deux

sources diffrentes (du mme poste source mais de deux transformateurs distincts).

o source de remplacement

En cas de dfaillance du rseau public, l'alimentation de l'usine sera assure par une source

de remplacement raccorde au jeu de barres 5,5 kV du poste de livraison. Cette source

alimentera, ilote du rseau public, les charges non dlestable en priode d'orage ou

d'indisponibilit des lignes 20 kV.

Elle sera couple au rseau public en priode d'EJP, afin d'effectuer des conomies sur la

facture d'nergie.

o source de scurit

Pour assurer la scurit des personnes et des biens, on prvoit une alimentation sans

interruption (ASI) pour les rcepteurs vitaux suivants :

- 200 kVA pour le systme de contrle commande de la production- 50 kVA d'clairage de scurit.

925




L'alimentation de cet ASI sera secourue par un groupe lectrogne de 250 kVA qui dbite sur

le tableau BT de l'unit de production, afin de pallier l'autonomie limite des batteries

d'accumulateurs (10 30 min.).

n choix des rgimes de neutre

o en moyenne tension

La prsence de moteurs MT impose une limitation du courant de dfaut la terre 30 A sur le

rseau 5,5 kV. On opte pour un neutre mis la terre par rsistance de limitation.

o en basse tension

- processus de production : les exigences sur la continuit de service imposent le choix duneutre isol. Pour l'clairage, on utilise un transformateur BT/BT pour passer au schma deliaison la terre TT.

- pour le reste de l'installation, on opte pour le schma TT, notamment pour ne pasendommager les moteurs en cas de dfaut la terre.

n structure du rseau

Les donnes et les lments dtermins prcdemment permettent d'tablir un premier

schma unifilaire du rseau (voir fig. 13-2).

o poste de livraison

Le poste de livraison est aliment par 2 lignes 20 kV relies deux transformateurs

20 kV/5,5 kV dbitant sur un jeu de barres 5,5 kV avec couplage.

o rseau interne

- processus de production ; cette partie de l'installation sera alimente en double antenneavec couplage sur la MT et la BT

- les units de rception-prparation, de stockage et d'expdition seront alimentes ensimple antenne

- le reste des units sera aliment en boucle ouverte (coupure d'artre) en raison desdistances importantes.

926




M M MM

250 kVA= 4 %Ucc

station de

pompage

N146

400 kVA= 4 %Ucc

btiment

N142

250 kVA= 4 %Ucc

atelier

de rparation

N138

250 kVA= 4 %Ucc

puration

d'eau

N134

430 m

C11

430 m

C10

310 m

C09

550 m

C08

N1

3 x 1500 kVA

3 x 1200 kW20 / 5,5 kV

2 x 5 MVA

= 7,5 %Ucc

JDB 1 (5,5 kV)

360 mC06

JDB 22

C05 260 m C01 260 m C02 C03

530 m

C04 C07500 m

JDB 2 JDB 23 JDB 24

400 kVA= 4 %Ucc

250 kVA= 4 %Ucc

extraction

N130

rception

prparation

production stockage expdition250 kVAJDB 3

N37 N79

= 200 MVAScc

U n = 20 kV

5500 / 400 V2 x 1250 kVA

= 6,5 %Ucc

N53

JDB 121 JDB 131 JDB 141 JDB 161 JDB 151

distributeur distributeur

2 x 400 kVA

= 4 %UccM M

165 kW 450 kW 165 kW 450 kW 165 kW 165 kW

G4

ASI

G1 G2 G3

Figure 13-2 : schma unifilaire de l'installation

927




13.7.4. Etudes techniques et validation du schma unifilaire

n choix des transformateurs

A dfaut de connatre les courbes de charge de l'installation, les transformateurs sont choisis

sur la base du bilan de puissance de l'installation.

Les caractristiques des transformateurs sont donnes sur la figure 13-2.

n choix des alternateurs

La puissance secourir est dtermine partir du bilan de puissance au point de livraison

auquel on soustrait les charges dlestables en leur appliquant le facteur de simultanit

global :

[ ][ ][ ]

P kW

Q k

S kVA

= =

= =

= =

3 982 0 9 330 0 6 265 0 5 316 0 5 3542

2 252 0 9 182 0 6 193 0 5 199 0 5 1977

4 575 0 9 377 0 6 328 0 5 373 0 5 4056

, , , ,

, , , , var

, , , ,

On choisit trois alternateurs 1 500 kVA dont les caractristiques sont donnes dans le

tableau 13-4 :

Type ( )U Vn ( )P kW ( )Q kvar ( )S kVA ( )Xd'' % cos nLSA 545A 5500 3 x 1200 = 3600 3 x 900 = 2700 3 x 1500 = 4500 18,4 0,8

Tableau 13-4 : caractristiques des alternateurs

n calcul des courants de court-circuit

Les calculs des courants de court-circuit sont effectus l'aide du logiciel SELENA de

Schneider pour les diffrentes configurations de source :

- rseau aliment seulement par le distributeur

- rseau aliment seulement par les alternateurs

- rseau aliment par les alternateurs coupls au distributeur.

La mthode de calcul utilise est conforme la norme CEI 909.

928




n dtermination des sections de conducteurs

L'tude est limite aux canalisations 5,5 kV.

o caractristiques des canalisations

Les canalisations sont constitues de 3 cbles unipolaires 6/10 (12) kV en cuivre isols au PR,

poss directement dans des caniveaux ferms dans une temprature de 30 C. Les

canalisations ne comportent pas de groupement de plusieurs circuits.

La canalisation correspond au mode de pose L4 (voir tableau 6-23).

La colonne (3) des tableaux de courant admissible doit tre utilise.

Les facteurs de correction appliquer sont :

- mode de pose f0 0 8= ,

- temprature ambiante (voir tableau 6-24) : f 1 1=

- groupement de plusieurs circuits (voir tableau 6-28) : f5 1= .

Le facteur de correction global est : f = 0 8, .

o unit de production : canalisations C01 et C02

dtermination du courant maximal d'emploi IB

Les canalisations C01 et C02 peuvent se secourir mutuellement, elles doivent donc pouvoir

alimenter la totalit du jeu de barres sur JDB2. Le tableau 13-5 donne le bilan de puissancesur JDB2 en supposant que le transformateur a un cos , = 0 85 .

P (kW) Q (kvar) S (kVA) cos

Moteur de 450 kW 2 x 474 2 x 229 2 x 526 0,9

Moteur de 165 kW 2 x 177 2 x 142 2 x 227 0,78

Transformateur de 1 250 kVA 2 x 1 063 2 x 658 2 x 1 250 0,85

Total JDB2 3 428 2 058 3 998 0,86

Tableau 13-5 : bilan de puissance sur le jeu de barres JDB2

929




Le courant maximal d'emploi est donc :

I AB =

=

3 998

3 5 500420

Le courant quivalent que le cble doit pouvoir vhiculer dans les conditions standards

d'installation est :

II

fAz

B= = 525

Le tableau 6-31 (colonne (3), PR, cuivre) donne une section minimale S mm12180= qui a un

courant admissible I A0 550= .

vrification de la contrainte thermique

Les calculs effectus par le logiciel SELENA nous donne le courant de court-circuit maximal

au niveau de JDB1 :

I kAcc = 8 77,

On suppose que le temps d'limination maximal du court-circuit est t = 1 seconde.

La section des conducteurs satisfaisant la contrainte du court-circuit est :

SI t

k

cc2

k = 143 : valeur du coefficient correspondant un conducteur en cuivre isol au PR (voir tableau 6-35)

d'o S mm2261

La section minimale est donc S mm2270= .

section retenir

S mm= 180 2

930




o unit de rception-prparation : canalisation C05

dtermination du courant maximal d'emploi

Le tableau 13-6 donne le bilan de puissance sur le jeu de barres JDB22 en supposant que letransformateur a un cos , = 0 85 .

P (kW) Q (kvar) S (kVA) cos

Moteur de 165 kW 177 142 227 0,78

Transformateur de 400 kVA 340 210 400 0,85

Total JDB22 517 352 625 0,83

Tableau 13-6 : bilan de puissance sur le jeu de barres JDB22

Le courant maximal d'emploi est donc :

I AB =

=

625

3 550066

Le courant quivalent que le cble doit pouvoir vhiculer dans les conditions standards

d'installation est :

II

fAz

B= = 83

Le tableau 6-31 (colonne (3), PR, cuivre) donne une section minimale S mm1210= qui a un

courant admissible I A0 93= .

vrification de la contrainte thermique

On suppose que le temps d'limination maximal du court-circuit est le mme que pour les

canalisations C01 et C02 ( t = 1 seconde), la section minimale vrifiant la contrainte thermique

est donc S mm2270= .

section retenir

S mm2270=

931




o autres canalisations 5,5 kV

Les courants maximaux d'emploi sont infrieures ou gales celui de la canalisation C05.

La section est donc impose par la contrainte thermique en cas de court-circuit.

Les sections retenir sont donc : S mm= 70 2 .

o chutes de tensions

Les chutes de tension en rgime normal sont infrieures 1 %, en tout point du rseau 5,5 kV.

Elles ne sont donc pas contraignantes.

o tenue thermique des crans de cbles

Le courant de dfaut la terre est limit 30 A, ce qui n'impose aucune contrainte

(voir tableau 6-37 6-39).

n compensation de l'nergie ractive

La puissance ractive compenser est calcule de faon limiter tg 0 0 4= , au point delivraison.

o dtermination de la puissance ractive totale compenser

Le bilan des puissances du tableau 13-3 donne les puissances totales suivantes :

P kW= 3 982

Q k= 2 252 var

S kVA= 4 575

cos , , = =0 87 0 567tg

On en dduit :

( ) ( )Q P tg tgC = = 0 3 982 0 567 0 4, ,

Q kC = 665 var

932




o choix de l'emplacement des condensateurs

On suppose que l'nergie ractive minimale appele par l'usine est 150 kvar ; cette puissance

sera installe au poste de livraison ct 5,5 kV, sur JDB1.

L'unit de production est le plus gros consommateur d'nergie et les moteurs MT et BT ont

une courbe de charge trs irrgulire. On installe donc des batteries de condensateurs en

gradins sur les jeux de barres alimentant les moteurs, qui seront commands par un relais

varmtrique de faon pouser la courbe de charge :

- 6 x 50 = 300 kvar sur JDB 2- 4 x 30 = 120 kvar sur JDB 3.

Le reste de la compensation est effectu par des batteries fixes :

- 50 kvar sur l'unit de rception-prparation

- 50 kvar sur l'unit de stockage.

Le tableau 13-7 donne un rcapitulatif de l'emplacement des batteries de condensateurs.

Emplacement Poste

de

Unit de production Rception-

prparation

Stockage Total

livraison MT BT

Q kC ( var) 150 300 120 50 50 670

Tableau 13-7 : emplacement des batteries de condensateurs

La puissance compenser n'est pas trs importante et est essentiellement situe en MT. Les

longueurs des liaisons MT tant assez faibles, les pertes joule dues la puissance ractive

sont presque ngligeables. Il n'est donc pas utile de faire un calcul d'optimisation conomique.

933

n tude des harmoniques

Lalimentation sans interruption de puissance 250 kVA est munie dun filtre dentre quirduit les valeurs des courants harmoniques suffisamment pour quelles soient ngligeables.

Ltude consiste dterminer les taux de distorsion en courant et en tension gnrales parles variateurs de vitesse pour diffrentes configurations du rseau et de dterminer lesmoyens de les rduire un niveau acceptable.

On se limitera la branche du rseau reliant le poste de livraison aux gnrateursdharmoniques ; le reste du rseau est modlis par des charges (P,Q) relies aux jeux debarres JBD 1, JBD 2 et JBD 3 (voir fig.13-3).

Les deux variateurs de vitesse sont identiques et sont raccords sur le jeu de barres JBD 3.Les valeurs des courants harmoniques quils gnrent sont donnes dans le tableau 13-8.

rang 1 5 7 11 13 17 19 23 25

courant (%) 100 85 72 41 27 8 5 6 5

Tableau 13-8 courants harmoniques gnrs par les variateurs ATV-52V

Les simulations ont t ralises laide du logiciel harmonic de Schneider pourdiffrentes configurations des sources :

- EDF, usine alimente par le distributeur seul

- EJP, usine alimente par les groupes de secours, les condensateurs restant connects

- EDF+EJP, usine alimente par les deux sources en parallle, les condensateurs restantconnects.

Nota : pour des raisons pdagogiques et afin deffectuer des comparaisons, lescondensateurs restent connects lorsque les groupes de production fonctionnent. Dans lapratique, ceux-ci fournissent tout ou partie de la puissance ractive afin damliorer lastabilit du rseau (voir 9).

934

TR21

BB 15.5 kV

BB 2

BB 3400 V

5.5 kV

TR22

C2

C3

C1

VV

ATV - 52V variator

Q kc = 150 var

180

260

mm Cu

L m

=

P kW

Q k=

=

1830

1080 var

Q kc = 300 var

P kW

Q k

=

=

1302

742 var

Q kc = 120 var P kW

Q k

=

=

630

294 var

P kW Q k= = 2 110 2 68; var

G1 G2 G3

utility

U kV S MVAsc= =20 200R

X= 0.1

3 1500

18 5

=

kVA

Xd" . %

S MVA

U

n

sc

=

=

5

7 5. %

S kVA

U

n

sc

=

=

1250

5.5 %

Pour chaque cas, 4 simulations diffrentes ont t ralises :

- A : rseau avant compensation (sans condensateurs).

- B : rseau avec compensation dfinie dans le tableau 13-7.

935

- C : rseau avec compensation modifi pour dplacer la rsonance vers un rang loigndes courants harmoniques de valeur leve. Pour raliser cette modification, on installe50 Kvar au lieu 120 Kvar sur JBD 3 ; la diffrence est installe sur J

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13 Méthodologie Et Exemple Application