Cahier technique n 213 ° Les calculs sur les réseaux

Cahier technique n 213 ° Les calculs sur les réseaux
Collection Technique ..........................................................................
Cahier technique n° 213
Les calculs sur les réseaux
électriques BT et HT
B. de METZ-NOBLAT
Building a New Electric World *
Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titres
édités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent une
information plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogues
et notices techniques.
Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvelles
techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les
installations, les systèmes et les équipements.
Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les
domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des
automatismes industriels.
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n° 213
Les calculs sur les réseaux
électriques BT et HT
Benoît de METZ-NOBLAT
Ingénieur ESE, il a travaillé dans le Groupe Saint-Gobain puis est
entré chez Merlin Gerin en 1986.
Il est maintenant dans le groupe de compétences ‘’Réseaux
Electriques’’ où sont réalisés des calculs et des études sur les
phénomènes électriques concernant le fonctionnement des réseaux
et leur interaction avec les matériels et équipements.
CT 213 édition décembre 2004
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.2
Les calculs sur les réseaux électriques
BT et HT
Ce Cahier Technique a pour objectif de donner un aperçu général sur les
principaux calculs électrotechniques que requièrent les études d’ingénierie
d’un système électrique pour tous les niveaux de tension.
Il complète les autres Cahiers Techniques consacrés aux réseaux
électriques, et qui développent des sujets ciblés sur la connaissance, la
compréhension ou le fonctionnement des matériels et des installations.
Ainsi tout lecteur - investisseur, concepteur, exploitant - peut saisir
l’importance de ces calculs pour une bonne maîtrise de l’usage d’un
réseau électrique, et leur impact sur son coût final de possession.
Sommaire
1 Introduction
2 La vie d'un réseau électrique
3 Moyens d'étude
4 Les calculs de réseau
p. 4
2.1 Le cycle de vie d'un réseau électrique
p. 5
2.2 Les phénomènes électriques dans les réseaux
2.3 La nature des réseaux et leur exploitation
p. 6
p. 6
2.4 Les calculs nécessaires
2.5 Tableau de synthèse
p. 6
p. 7
3.1 Méthodologie
p. 8
3.2 Rôle de l’expert
p. 10
4.1 Sûreté de fonctionnement
p. 11
4.2 Régime permanent
4.3 Court-circuit
p. 13
p. 15
4.4 Protection
4.5 Stabilité
p. 17
p. 18
4.6 Harmoniques
4.7 Surtensions
p. 21
p. 23
4.8 Compatibilité électromagnétique
4.9 Mesures pour expertise
p. 26
p. 28
5 Synthèse : Risques principaux pour l’utilisateur - Réponses apportées par les études
p. 31
6 Conclusion
p. 33
Annexe 1 : Historique
p. 34
Annexe 2 : Les logiciels
p. 35
Annexe 3 : Données nécessaires
p. 36
Bibliographie
p. 37
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.3
1 Introduction
Les réseaux électriques sont depuis longtemps
l’objet d'études dans le but de maîtriser leur bon
usage pour les process qu’ils alimentent : les
principaux aspects abordés sont la conception,
l'exploitation et l’évolution.
A noter que, dans ce document, le vocable
« process » est utilisé avec son sens général
« d’application » pour l’utilisateur d’électricité
(tertiaire, infrastructure, industrie, gestionnaire
de réseau).
L’importance donnée à ces études est
cependant croissante dans le contexte mondial
récent.
c Depuis quelques années, l’environnement du
monde électrique et ses modes d’organisation
changent rapidement.
v Avec la libéralisation du marché de l’électricité,
les règles économiques sont modifiées : les
consommateurs peuvent faire jouer la
concurrence et les sociétés de distribution
peuvent élargir leurs marchés.
v Les utilisateurs se recentrent sur leur métier et
se séparent de leurs activités secondaires telles
celles nécessaires au fonctionnement d’un
réseau : par exemple sous-traitance de la
maintenance ou de l’exploitation des installations
à des entreprises de service spécialisées.
v L’évolution des technologies a plusieurs effets.
D’une part l’électronique numérique et les
réseaux informatiques ouvrent de nouvelles
perspectives et imposent de nouvelles
contraintes : elles rendent les process plus
sensibles à la qualité d’énergie, permettent de
mieux instrumenter et contrôler les réseaux
électriques, et autorisent des actions à distance.
Par ailleurs la tendance à la multiplicité des
sources d’énergie (cogénération, énergies
renouvelables) et des charges non linéaires peut
avoir à terme un impact important sur
l’architecture des réseaux et leur exploitation :
perturbations en tension, protection,
réglementation.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.4
c L’électricité est considérée maintenant comme
un produit à part entière, ce qui implique des
nécessités de qualité.
Le consommateur veut disposer d’une énergie
électrique ajustée à son besoin. Les process
ayant des exigences extrêmement variables en
sécurité et en qualité, l’électricité fournie doit
répondre correctement aux impératifs du cahier
des charges.
A tous les niveaux de la chaîne électrique
(production, transport, distribution) les
fournisseurs d’énergie doivent satisfaire les
clients utilisateurs selon des engagements
contractuels personnalisés.
c Les critères écologiques sont devenus
incontournables : choix et consommation de
matières (impact minimum sur l’environnement)
et d’énergie (recherche du meilleur rendement).
c Les aspects économiques sont plus que
jamais au centre des préoccupations.
L’utilisateur doit optimiser le coût global de
possession de son réseau électrique. Ce coût
recouvre l’ensemble des dépenses nécessaires
à l’usage de l’électricité : investissement,
exploitation, maintenance, achat d’énergie.
Afin de comprendre pourquoi les calculs sont
indispensables pour réussir les études
d’ingénierie, ce CT aborde successivement :
v les aspects de la vie d'un réseau électrique,
utiles à la compréhension du sujet traité,
v l’approche méthodologique des calculs en
ingénierie électrique,
v les principaux calculs à envisager selon les
types de réseau et les applications qu’ils
recouvrent.
A noter que les calculs présentés ici ne
constituent qu’un élément dans l’ensemble des
processus de l’ingénierie électrique.
-A
nti
ci
Prévisio
ns
Plusieurs aspects de la vie d'un réseau
électrique seront développés dans ce chapitre,
afin que le lecteur se situe pour ses propres
installations et s’implique au bon niveau
relativement au sujet traité :
c le cycle de vie, c'est-à-dire la succession des
phases de la vie d'un réseau électrique depuis
sa conception jusqu’à ses évolutions (cf. fig. 1 ) ;
c les types de phénomènes électriques qui
peuvent apparaître et qui caractérisent le
fonctionnement du système ;
c la nature des réseaux et leur exploitation, qui
déterminent très directement les impacts des
évènements sur les constituants électriques ;
c finalement les calculs nécessaires à
l'élaboration de solutions techniquement et
économiquement viables, et qui constituent un
des critères du choix final de l'utilisateur.
pa
2 La vie d'un réseau électrique
Evolution
tio
n
Nouvelle
conception
Conception
Réalisation
Fin de vie
Réseau
Process
Fonctionnement
Exploitation
Maintenance
Fig. 1 : schéma du cycle de vie d’un réseau électrique.
2.1 Le cycle de vie d'un réseau électrique
Le cycle de vie d’un réseau électrique (cf. fig. 1 )
comporte quatre phases typiques principalement
concernées par les calculs abordés dans ce
document.
c Conception et réalisation
C’est l’ensemble des opérations qui aboutissent
à la construction d’une installation prête à
l’utilisation. Les études définissent les choix de
base dont l’architecture du réseau, les
dimensionnements des équipements, les
protections…
A ce stade il est important de faire les calculs qui
aident aux choix et conditionnent les
performances attendues.
c Fonctionnement et exploitation
C’est la phase opérationnelle d’utilisation des
installations pour l’alimentation du process,
pendant laquelle se produisent sur le réseau
tous les évènements normaux et les incidents :
modes d’exploitation ordinaires, dégradés ou en
sécurité.
Les protections et les automatismes servent à
pallier les perturbations et situations critiques ;
elles ont été définies à partir des calculs
préalables en prévoyant tous les incidents
graves possibles.
c Maintenance
Les performances du réseau sont maintenues
par les opérations de maintenance préventives
(en anticipation) ou curatives (sur incidents).
Il arrive que des mesures et des calculs
complémentaires soient nécessaires pour
résoudre des difficultés nouvelles imprévisibles.
c Evolution
L’adaptation des installations électriques aux
besoins évolutifs du process se traduit par des
opérations généralement assez lourdes de
rénovation, modifications, et extensions.
Cette étape nécessite aussi des calculs à la
mesure des changements envisagés, et prenant
en compte le retour d’expérience.
La maîtrise des calculs à faire lors de ces étapes
du cycle de vie d’un réseau implique une bonne
compréhension des phénomènes électriques
susceptibles de s’y produire.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.5
2.2 Les phénomènes électriques dans les réseaux
Un réseau électrique est un système composé
de différents objets (composants, matériels et
équipements électriques) qui s’influencent
mutuellement. Le fonctionnement du système
dans le temps et dans l’espace est le résultat de
toutes ces interactions, conformément aux lois
de l’électricité. Celles-ci sont décrites par un
ensemble d’équations qui relient entre elles les
grandeurs de tensions, courants, impédances,
temps.
La classification des phénomènes électriques
selon le critère des temps de réaction du
système (constantes de temps) définit des
comportements typiques qui sont à traiter
spécifiquement :
c en discontinu : suspension momentanée
d’alimentation,
c à dynamique lente : évolution habituelle des
régimes de marche,
c stationnaire : régime stable permanent,
c à dynamique rapide : influence du régime
variable des machines tournantes,
c électromagnétique conduit : influence de la
propagation filaire des ondes,
c électromagnétique rayonné : manifestation du
rayonnement.
Les principaux évènements associés à ces
classes de phénomènes auront des effets in fine
très divers sur le réseau et le process :
c interruption et coupure de la fourniture
d’énergie électrique,
c creux et variations de tension,
c courants transitoires,
c harmoniques,
c courts-circuits,
c oscillations électromécaniques,
c surtensions de manœuvre, de commutation,
d’arc et de transitoire de rétablissement,
c surtension de foudre,
c couplage entre courant fort et courant faible.
Les effets listés se manifestent quantitativement
en fonction de la nature des réseaux et des
exigences d’exploitation.
2.3 La nature des réseaux et leur exploitation
Certains paramètres propres à l’installation
électrique du système étudié vont orienter et
déterminer les calculs nécessaires à effectuer.
c Type de source :
v puissance de court-circuit,
v régulations de vitesse et de tension,
v pollution harmonique,
v normale/secours ;
c Type de récepteur :
v puissances (active/réactive, installée/
absorbée),
v caractéristiques de fonctionnement (mise en
service, sensibilité aux perturbations),
v déséquilibre des phases,
v pollueurs harmoniques,
v impératifs de process suivant les charges
(normales / essentielles / vitales) ;
c Schéma du réseau :
v niveau(x) de tension,
v structure (radiale, boucle, alimentations
double/simple, jeux de barres double/simple),
v configurations (normale/secours, redondance),
v schémas des liaisons à la terre -SLT-,
v longueurs des liaisons,
v compensation de réactif,
v type des appareils de manœuvre,
v contraintes de maintenance ;
c Normes, réglementations et usages locaux.
C’est à partir de cette analyse que se dégagent
les types d’étude apportant une solution
quantitative aux problèmes à résoudre.
2.4 Les calculs nécessaires
L’objectif des calculs est d’analyser et prévoir les
réactions du système aux diverses sollicitations ;
leur portée touche l’élaboration de l’architecture,
les choix des caractéristiques des matériels et
les règles d’exploitation.
Dans les chapitres suivants sont développés les
aspects de :
c sûreté de fonctionnement,
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.6
c régime permanent,
c court-circuit,
c protection,
c stabilité,
c harmoniques,
c surtensions,
c compatibilité électromagnétique -CEM-,
c mesures pour expertise et audit.
2.5 Tableau de synthèse
Le tableau de la figure 2 résume sur une double
échelle temps / fréquence, les informations
développées aux paragraphes précédents :
v classes de phénomènes,
Temps
Fréquence
10 s
0,1 Hz
1s
1 Hz
0,1 s
10 Hz
10 ms
100 Hz
v évènements électriques,
v exploitation et nature des réseaux,
v types de calcul.
1 ms
1 kHz
0,1 ms
10 kHz
0,01 ms
100 kHz
1 µs
1 MHz
Classe de phénomènes
Discontinu
Dynamique lent
Dynamique rapide
Stationnaire
Electromagnétique conduit
Electromagnétique rayonné
Evènements électriques
Interruptions de fourniture, coupures
Creux, variation tension
Courants transitoires
Oscillations électromécaniques
Harmoniques, flicker
Court-circuit
Surtensions de manoeuvre,
de commutation, d'arc TTR
Surtensions de foudre
Couplages courants forts/faibles
Nature et exploitation du réseau
Fiabilité du système et des composants
Régulation fréquence/tension système
Exploitation des charges
Protection de surcharge, délestage
Contrôle des machines tournantes
(vitesse et tension)
Protection au court-circuit
Ensembles d'électroniques de puissance
Fonctionnement des appareillages
Type de calcul
Sûreté de fonctionnement
Stabilité dynamique
Load-flow
Harmonique
Court-circuit, protection, SLT
Transitoire de manoeuvre
Transitoire atmosphérique
C.E.M.
Temps
Fréquence
10 s
0,1 Hz
1s
1 Hz
0,1 s
10 Hz
10 ms
100 Hz
1 ms
1 kHz
0,1 ms
10 kHz
0,01 ms
100 kHz
1 µs
1 MHz
Fig. 2 : synthèse du fonctionnement d’un réseau électrique.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.7
3 Moyens d'étude
Outre l’aspect essentiel des compétences
humaines, les moyens mis en œuvre pour
effectuer les calculs de réseau constituent un
aspect essentiel des études, à plusieurs titres :
c démarche méthodologique exhaustive,
assurant en final des résultats valides,
c adaptation des outils aux besoins, variables
selon les types de calculs et les applications,
c investissement dans les outils et leur
maintenance à coût minimum.
En annexe 1, un panorama historique montre
l'évolution radicale des moyens utilisés qui ont
beaucoup changé, depuis l'origine jusqu'à nos
jours, à cause des technologies disponibles et
de leur coût décroissant.
Le processus global de mise en œuvre des
calculs suit une démarche scientifique classique,
donc simple sur le principe mais précise et
rigoureuse dans son exécution. Dans ce
paragraphe seront successivement abordés les
étapes de la méthode, puis les outils actuels de
simulation numérique.
qualitative des phénomènes importants pour
l'application.
Ce chapitre présente la démarche de mise en
œuvre des calculs et les outils de technique
numérique actuellement employés, puis montre
l’importance du rôle de l’expert.
3.1 Méthodologie
Les étapes
La figure 3 décrit sous forme schématique les
différentes étapes du calcul des systèmes
électriques.
c Besoin
La finalité du calcul est de prévoir le
comportement quantitatif d'un système réel afin
de le dimensionner ou de connaître son
fonctionnement ou de maîtriser son exploitation.
c Analyse qualitative
L'analyse a priori du système par l'expérience et
le savoir-faire, permet d'établir une liste
Système réel
c Phénomènes & évènements étudiés
Cette étape consiste à sélectionner, à partir de
l'analyse précédente, les phénomènes sur
lesquels seront faits les calculs.
c Analyse quantitative
La mise en œuvre de l'outil numérique de
quantification comporte :
v De la modélisation
Modéliser un réseau électrique, c'est représenter
chaque élément et toutes les interconnections
entre ces éléments, par les équations traduisant
les comportements électrique, magnétique et
mécanique ; cette formalisation doit être adaptée
aux phénomènes qui sont étudiés.
v De la simulation
Simuler un réseau électrique, c'est résoudre
simultanément toutes les équations du modèle ;
Besoin
Prédiction quantitative
Analyse
qualitative
Phénomènes
& évènements à
étudier
Retour
d'expérience
(mesures)
Boucle de calcul
Boucle de validation
Fig. 3 : les différentes étapes du calcul des systèmes électriques.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.8
Analyse quantitative
= modélisation + simulation
Comparaison
la variable principale peut être l'espace, le
temps, la fréquence. La mise en œuvre de la
simulation sur ordinateur se fait par l'exécution
d'un programme de calcul.
calcul et exploiter les résultats sous forme de
valeurs, tableaux et courbes (cf. fig. 4 ).
Le tableau de l’annexe 2 récapitule les logiciels
adaptés aux différents calculs.
c Prédiction quantitative
Les simulations balayent les cas de figure et les
paramètres à explorer ; l'exploitation des
résultats et leur mise en forme aboutissent à la
prédiction souhaitée.
c La banque de données
Chaque élément électrotechnique est décrit par
ses modèles et par les valeurs physiques qui les
caractérisent : l'ensemble de ces données et leur
accessibilité constituent la base de données.
Le tableau de l’annexe 3 récapitule les
principales données nécessaires aux différents
calculs.
c Retour d’expérience, mesures et validation
C’est la vérification que la quantification a été
bien faite : pertinence des modèles et de la
résolution numérique. En effet la comparaison
de la prédiction à la mesure est une opération de
validation qui justifie le principe de la méthode.
Elle peut être demandée comme une garantie
des résultats annoncés.
L'outil numérique
Il est maintenant généralisé. Il se compose de
plusieurs éléments.
c Le matériel
La machine qui exécute les calculs est un
ordinateur, la plupart du temps de type microordinateur PC, dont les capacités de vitesse de
calcul et de mémoire sont maintenant
suffisantes.
c Le logiciel
L'ensemble des équations du système est résolu
par un programme développé spécifiquement.
L'IHM -Interface Homme Machine - permet de
renseigner les modèles, lancer l'exécution du
L'investissement de l’outil porte essentiellement
sur le logiciel et sa maintenance, la partie
matérielle étant négligeable à cause de la
généralisation des PC.
La plupart des logiciels sont disponibles sur le
marché, fournis par des distributeurs d’énergie,
des fabricants de matériel électrique, des
ingénieries électriques, des écoles ou des
universités.
Evaluation
Cette méthode permet de confirmer les
phénomènes prévus a priori et de les quantifier.
Elle met également en évidence, dans certaines
circonstances, des phénomènes mal identifiés.
Un point particulièrement délicat est la validation
expérimentale des résultats qui doit se faire à
bon escient : mesure(s) à faire selon le type
d’étude ou exploitation des oscilloperturbographes,
et leur interprétation.
Fig 4 : exemple d’écran IHM permettant la saisie et affichant le résultat (source Schneider Electric).
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.9
3.2 Rôle de l’expert
La méthode est éprouvée par l’expérience de
nombreuses années de pratique.
Mais bien qu’elle soit considérée comme robuste
au regard de l’usage qui en est prévu, sa
maîtrise nécessite des connaissances, le savoirfaire et de l’expérience qui restent l’affaire
d’ingénieurs spécialistes.
Ainsi, ces experts sont à même de :
c trier toutes les données disponibles… pour
retenir celles qui sont pertinentes,
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.10
c connaître les ordres de grandeur… pour
détecter les incohérences des données,
c connaître les outils et les modèles… pour
choisir les mieux adaptés,
c faire les approximations nécessaires… pour
simplifier les calculs sans altérer les résultats,
c vérifier et interpréter les résultats… pour
proposer des solutions efficaces.
4 Les calculs de réseau
Le contexte général de ce CT concerne
l’ensemble des réseaux électriques et recouvre
donc toutes les applications :
c sur les réseaux publics, industriels, tertiaires,
et résidentiels,
c de la basse à la haute tension.
Ce chapitre décrit les études listées
précédemment, en abordant systématiquement
les points suivants :
c les objectifs poursuivis,
c les phénomènes électriques en cause et leurs
origines,
c leurs manifestations, ainsi que les remèdes
proposés,
c les apports de l'étude et les livrables fournis,
c un exemple d’application extrait d’études
réelles réalisées par les services de
Schneider Electric.
L'objectif étant de sensibiliser le lecteur, la place
consacrée à chaque exemple est limitée : pour
des explications techniques plus détaillées, on
se reportera à la bibliographie et particulièrement
aux Cahiers Techniques traitant de ces différents
sujets.
Les risques pour l'utilisateur et les réponses
apportées par les études sont ensuite réunis, en
synthèse, dans le chapitre suivant.
4.1 Sûreté de fonctionnement
La sûreté de fonctionnement est devenue au fil
des années un besoin étendu à tous les process
vulnérables aux coupures d’énergie.
La notion de sûreté de fonctionnement est
définie par les grandeurs de :
c disponibilité d’énergie,
c fréquence annuelle des coupures,
c maintenabilité.
Objectifs
L’étude du comportement d’un réseau en sûreté
de fonctionnement a pour but de :
c concevoir l’architecture optimale du réseau
pour répondre aux besoins en fourniture
d’énergie des récepteurs de l’installation selon
les impératifs de continuité imposés par le
process grâce à :
v une meilleure maîtrise des risques induits par
les coupures d’énergie électrique,
v un enrichissement des critères d’aide à la
décision afin de choisir entre plusieurs solutions ;
c prévoir les situations dégradées d’exploitation,
d’en quantifier la probabilité et de définir un
niveau de confiance associé à la fourniture
d’énergie électrique.
Phénomènes et origines
La présence d’énergie électrique est
normalement caractérisée par :
c La fiabilité pendant une durée DT, exprimée
par le temps moyen entre deux pannes -MTBF-,
ou le temps moyen jusqu’à la première panne
-MTTF-,
c La disponibilité à l’instant T,
c Le temps moyen d’une panne jusqu’à sa
réparation -MTTR-.
La fourniture de l’énergie électrique dépend
essentiellement de :
c la structure topologique du réseau électrique
pour tous les régimes de marche possibles et
pendant leurs changements d’état : modes
normaux, dégradés, de secours ultime,
c l’exploitation normale du système lorsque les
différents scénarios de marche se déroulent
correctement,
c l’organisation de la maintenance,
c la prévision des perturbations accidentelles.
Effets et remèdes
Les défaillances de fonctionnement d’un réseau
se manifestent, d’un point de vue électrique,
sous les principales formes suivantes :
c Les coupures d’énergie provenant des
distributeurs d’énergie : les réseaux de
distribution sont eux-mêmes objets de
défaillances ou de perturbations (défaillance
matérielle, perturbation atmosphérique…). Elles
se traduisent par des creux de tension, des
coupures brèves ou longues au niveau des
postes d’arrivée. Selon la topologie du réseau et
les moyens mis en œuvre, ces perturbations
peuvent se propager jusqu’aux récepteurs.
c Les défauts d’isolement : les courts-circuits
provoquent, vis-à-vis des récepteurs, des creux
ou coupures de tension qui dépendent :
v des protections mises en place et de leur
sélectivité,
v de l’éloignement « électrique » du récepteur
par rapport au défaut,
v de la topologie du réseau offrant ou non des
moyens de reconfiguration en redondance active
ou passive.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.11
c Les déclenchements intempestifs : ils
provoquent une coupure d’alimentation des
récepteurs placés en aval.
c Les défauts de manœuvre lorsque
l’appareillage ne réalise pas un changement
d’état demandé (non-ouverture ou non-fermeture
sur sollicitation). Ces défaillances n’engendrent
généralement pas directement de perturbation
au niveau des récepteurs. Par contre ce sont
souvent des défaillances non détectées qui
conduisent à un dysfonctionnement du réseau
lorsqu’un autre phénomène arrive tel que :
v perte de la protection et/ou de la sélectivité,
v perte des moyens de reconfiguration, du
secours.
Les effets de creux de tension ou de coupure
d’énergie dépendent de la sensibilité du
récepteur.
Certains récepteurs, tels les équipements
informatiques, sont sensibles à des creux de
tension ou à des coupures très brèves (quelques
dizaines de ms) alors que d’autres équipements
peuvent accepter des coupures plus longues
sans perturber le process.
Il est donc impératif de caractériser les
équipements par leur niveau de sensibilité.
Par ailleurs, la durée réelle de perte du récepteur
ou du process n’est pas toujours proportionnelle
à la durée de la coupure électrique. Dans
certains cas, la remise en service peut dépendre
de bien plus de paramètres que le simple retour
de l’énergie électrique (remise en condition
d’une salle blanche, paramétrage de machine
outils, process chimique…).
Il est donc nécessaire de juger la criticité des
récepteurs, conséquence de leur arrêt.
L’ensemble des moyens classiques mis en
œuvre pour se prémunir contre toutes ces
perturbations sont :
c les sources autonomes (groupes électrogènes,
turbines à gaz,…),
c la multiplicité des arrivées du réseau de
distribution aussi indépendantes que possible,
c la mise en œuvre de systèmes de
désensibilisation (onduleur, no-break…),
c des systèmes permettant une ré-alimentation
soit par reconfiguration du réseau (inverseur de
source, réseau en boucle,…), soit par une source
secondaire d’énergie au plus près du récepteur,
c la mise en place de moyens pour détecter la
panne au plus vite (périodicité de la maintenance
préventive courte, test automatique…).
Les apports d’une étude
Une étude de sûreté de fonctionnement permet
de maîtriser le risque associé à des événements
redoutés lors de la conception d’une architecture
de réseau électrique par :
c la détermination de la criticité des récepteurs
puis, en fonction de leur niveau de sensibilité,
des événements redoutés pour l’installation
électrique. Il s’agit d’identifier les points critiques
du réseau et d’y associer des critères de
performances en terme de sûreté ;
c l’analyse quantitative d’une ou plusieurs
architectures de base selon les indices de
sûreté ;
c la justification, en final, des choix de systèmes
de secours et/ou de désensibilisation, de
redondance, de maintenance préventive en
regard des besoins du client.
Exemple
Ce cas est extrait d’une étude d’amélioration du
réseau électrique d’un site de l’industrie
automobile (cf. fig. 5 ). Son but était de diminuer
l’importance (durée et nombre) des coupures
dues à des défaillances ou des actions de
maintenance.
c Objectif du calcul
Faire une analyse de criticité et une
quantification de l’existant, puis proposer des
améliorations.
Schéma d'une boucle de distribution HT/BT
Barres 5,5 kV - 2000 A
Barres 5,5 kV - 2000 A
Postes
Transformateurs
5,5 kV/380 V
5,5 kV
alimentés
en boucle
ouverte
Transformateurs
de secours
Disjoncteurs
BT 2500 A
Interupteurs
assurant le secours
Départs ateliers usine
Analyse par arbre de défaillance
Indice
Actuel Futur Gain
Indisponibilité Heures/an
6,9
Fig. 5 : améliorations conseillées réalisées (en vert) du réseau électrique d’un site de l’industrie automobile, schéma et résultats
(source Schneider Electric).
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.12
0,7
90 %
c Résultats du calcul
Le calcul a permis de définir les modifications de
topologie apportant les gains souhaités en
sûreté (cf. schéma de la figure 5 ).
Une indisponibilité annuelle inférieure à une
heure a été obtenue, et la maintenance des
équipements électriques peut se faire sans
coupure du process.
4.2 Régime permanent
Tout fonctionnement correct d'un réseau
électrique en exploitation normale stable résulte
d’une bonne conception globale du système.
La notion de régime permanent est précisée,
relativement aux normes d’alimentation et
d’installation, par :
c la fréquence nominale des signaux électriques,
dite fréquence industrielle,
c l’amplitude et la phase des ondes de tension et
de courant, et leur évolution dans le temps,
c les puissances transitées active et réactive
(fournies, consommées, perdues) et les énergies
correspondantes.
Objectifs
L'étude du comportement en régime permanent
a pour but de :
c concevoir les réseaux : dimensionnement de
base des installations et des matériels, conduite
et gestion du système ;
c prendre en compte les situations à risque,
ayant pour origine possible des
dysfonctionnements de l’installation ou des
problèmes propres aux matériels électriques
(usure, vieillissement).
Phénomènes et origines
Les phénomènes à analyser sont l’ensemble des
échanges normaux d’énergies active et réactive
à fréquence industrielle entre sources et
consommateurs au travers des liaisons
électriques, dans les conditions prévisibles
d’exploitation du process alimenté et du système
électrique :
c circulation des courants,
c répartition des tensions,
c puissances active et réactive associées.
Le bon fonctionnement des réseaux en régime
permanent dépend de :
c l’exploitation normale du système,
conséquence de la marche et des impératifs du
process et du réseau : sources et
consommateurs en service, variations de tension
des alimentations, modes dégradés et de
secours ;
c la structure du réseau électrique pour les
différents régimes de marche : topologie,
dimensions des liaisons, niveaux de tension.
Effets et remèdes
Les dysfonctionnements éventuels se
manifestent d'un point de vue électrique sous les
trois principales formes suivantes.
c Alimentation des utilisateurs par des tensions
hors tolérance
La tension des réseaux d’alimentation est
normalisée ; par exemple la norme EN50160
autorise une fourchette ± 10 % de la tension
nominale. L’ensemble du réseau subit alors la
conséquence de ces variations (i10 %)
Le calcul des régimes permanents doit donc
étudier les combinaisons des valeurs extrêmes
de tension et de consommation.
c Chutes de tension dans les liaisons ou les
transformateurs
Elles sont dues aux courants et dépendent des
puissances transitées, active (P) et réactive (Q),
ainsi que de l’impédance traversée, parties
résistive (R) et inductive (X), selon la loi de
variation relative ∆U/U = (R P + X Q)/U2.
La chute de tension se traduit par différentes
perturbations :
v des variations de tension, dans des limites de
± 10 % de la valeur nominale, au gré de
l’évolution des charges et des sources
connectées ;
v des fluctuations de tension, suite de variations
de tension à des fréquences provoquant le
papillotement de la lumière (flicker) : ces
fluctuations sont dues à certaines charges
variables typiques de grande puissance, comme
les soudeuses ou les fours à arc ;
v un déséquilibre de tension du système triphasé à
cause de charges mono ou biphasées importantes.
Les chutes de tension provoquent :
v des échauffements supplémentaires dans les
circuits électriques donc des pertes,
v des déclenchements et ralentissements de
machines,
v des dysfonctionnements des charges
sensibles et des dispositifs de protection,
v la gêne physiologique de l’effet flicker.
La limitation des chutes de tension est rendue
possible de plusieurs façons :
v par diminution de R et de X, en jouant
pratiquement sur la tension de court-circuit des
transformateurs, la section des liaisons voire leur
longueur (implantation des charges) ;
v par augmentation du niveau de tension
nominale donc diminution des courants, ce qui
provoque une réduction très importante des
pertes (loi quadratique).
c Propagation instantanée à tout le réseau, du
niveau de tension des sources et des chutes de
tension
Cet effet a une incidence sur chaque élément,
mais quantitativement de façon inégale selon la
topologie du système.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.13
Le calcul des régimes permanents permet de
prévoir la répartition des tensions et de proposer
des solutions de limitation de la propagation
par :
v une augmentation de puissance de courtcircuit des sources,
v une utilisation de régleurs en charge ou à vide
des transformateurs,
v un équipement de compensation réactive, ce
qui équivaut à une chute de tension négative
(condensateurs, compensateur électromécanique
-machine synchrone- ou statique -SVC-),
v un rééquilibrage de charges monophasées sur
les trois phases.
Les apports d’une étude
Cette étude vise à assurer une bonne
conception de l’installation électrique prenant en
compte des évolutions futures et recouvrant tous
les cas de fonctionnement du process par :
c une critique pertinente des choix de base,
c le calcul des bilans des régimes permanents,
c la prise en compte des différents schémas
d’exploitation du réseau électrique y compris les
structures de secours,
c Objectif du calcul
Seule la première étape de cette étude est
présentée ici. Il s’agit du bilan de puissance de
l’installation nécessaire pour dimensionner les
sources d’alimentation.
Noter que dans le cas spécifique de la BT, les
puissances apparentes -pondérées par des
coefficients d’utilisation et de simultanéité- sont
sommées algébriquement, les pertes dans les
canalisations sont négligées, les nœuds sont à
tension nominale.
c Résultats du calcul
La figure 6 montre le schéma unifilaire analysé,
ainsi que la fenêtre des données et des résultats
(caractéristiques des charges individuelles
accessibles pour chaque tableau) d’où la
puissance totale calculée de source 275 kVA.
G2
TRA
GE
C1
C2
Q1
Q2
RA
TGBT
Q5
Q4
Bureaux
C5
Q3
Atelier
C4
CAP
C3
L5
R3
x2
B5
Exemple
Ce cas est extrait d’une étude relative à la
conception d’un site tertiaire, à l’aide du logiciel
dédié « ECODIAL » développé par
Schneider Electric conformément au guide
UTE 15-500.
G
T1
RB
B1
c une optimisation économique (balance entre
l’investissement et les pertes d’énergie).
Q6
T Atelier
Q7
Q8
Machine
Q9
Eclair
C6
C7
L6
Mot Var
C8.1
K9
D7
V8
C9
E7
C8.2
Eclair
Moteur
x4
Mot Var
M9
M
x2
x4
M8
M
x5
Fig. 6 : conception d’un site tertiaire, à l’aide du logiciel dédié « ECODIAL », schéma et vue de l’écran du bilan de puissance
(source Merlin Gerin - Schneider Electric).
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.14
Ce bilan de puissance permet de choisir les
bonnes puissances, du transformateur
d’alimentation et du groupe électrogène de
secours.
Les valeurs des courants dans les liaisons sont
mémorisées pour être utilisées dans l’étape
ultérieure de dimensionnement des
équipements.
Tout fonctionnement d'un réseau électrique peut
être sujet à l’apparition de défauts se manifestant
souvent par des courants élevés de « courtcircuit », avec de lourdes conséquences qu’il est
nécessaire de savoir gérer au mieux.
c aboutissant à un nouvel équilibre final rendant
le système totalement ou partiellement
inexploitable, plus vulnérable ou perturbé.
4.3 Court-circuit
Un court-circuit est une liaison accidentelle entre
conducteurs, précisée par :
c son type, qui définit les éléments incriminés :
monophasé (entre une phase et la terre ou le
neutre), triphasé (entre trois phases), biphasé
isolé (entre deux phases), biphasé terre (entre
deux phases et la terre),
c son régime d’établissement : évolution de la
forme de son courant dans le temps,
c son intensité : valeurs maximales et minimales
c sa durée, variable, car le défaut peut être
fugitif ou permanent,
c son origine, interne au niveau d’un équipement
ou externe entre liaisons.
Objectifs
L'étude du comportement d'un réseau en régime
de court-circuit a pour but :
c d’identifier les situations à risque, origines
possible de :
v danger pour les personnes,
v destructions de matériel par contraintes
électrodynamiques, suréchauffements et
surtensions,
v dysfonctionnements de l’exploitation pouvant
aller jusqu’à la perte totale du réseau à cause
des creux de tension et des coupures
d’alimentation ;
c aider à faire des choix de base de conception
pour limiter les effets néfastes des défauts, en ce
qui concerne :
v les systèmes de liaisons à la terre des
installations,
v le dimensionnement approprié des matériels,
v le réglage des protections, déterminé à partir
du calcul des courants de défaut.
Phénomènes et origines
Le phénomène à étudier est un déséquilibre
brutal du régime permanent initial :
c par l’établissement de forts courants et de
chutes de tension aux points de localisation des
défauts,
c et son extension à l’ensemble du réseau,
Les origines des courts-circuits dans les réseaux
sont des perturbations accidentelles : liaison
indésirable entre conducteurs, claquage
diélectrique d’isolant par surtensions, faits
mécaniques (rupture de câble, chute de
branche, animal), ou erreurs humaines. Leurs
effets varient selon la structure du réseau : SLT,
sources éloignées (réseau de distribution) ou
rapprochées (proximité d’un générateur).
Effets et remèdes
Les courts-circuits se manifestent d'un point de
vue électrique directement en fonction de la
surintensité et indirectement par des variations
de potentiel.
c Directement sur les éléments de l’installation
selon les phases successives de l’établissement
du courant :
v valeur de crête de la première demialternance, qui est le pic maximal instantané,
v valeur efficace de la composante alternative,
v valeur de la composante apériodique, qui
dépend de l’instant d’apparition du défaut et des
caractéristiques du réseau ; selon qu’elle est
nulle ou non, le régime est dit respectivement
symétrique ou dissymétrique.
La composante continue s’ajoute à la
composante alternative.
Les effets portent sur les matériels, ce sont :
v les efforts électrodynamiques sur les jeux de
barres et le long des cheminements des câbles,
v l’échauffement résultant du passage de
courant dans les liaisons et l’appareillage,
v la capacité de fonctionnement (F+O) d’un
appareil en cas de fermeture d’un circuit en
court-circuit.
Ces effets sont maîtrisés par un dimensionnement
adéquat des matériels :
v la tenue électrodynamique des liaisons, qui
caractérise leur résistance mécanique ;
v le couple courant / durée admissible, qui
caractérise la tenue thermique ;
v les pouvoirs de coupure et de fermeture sur
court-circuit qui définissent la capacité des
disjoncteurs à tenir ces contraintes.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.15
c Indirectement par des creux ou des coupures
de tension et par l’élévation du potentiel des
masses métalliques dont les effets sont :
v dysfonctionnements d’appareils sensibles :
ouverture de contacteurs, blocage de variateurs
de vitesse,
v perturbation du comportement dynamique des
machines tournantes (cf. § 4.5),
v destruction diélectrique de matériels (cf. § 4.7),
v tensions de contact pour les personnes.
Ces effets sont contrés par la maîtrise :
v des régimes dynamiques (cf. § 4.5)
v des surtensions (cf. § 4.7)
v de l’élimination des défauts grâce à la mise en
œuvre d’un système de protection adapté, objet
du § 4.4 suivant.
Exemple
Ce cas est extrait d’une étude de conception
d’une centrale électrique, dont on souhaitait
dimensionner les éléments du poste.
c Objectif du calcul
Vérifier que le disjoncteur de protection aura la
capacité de couper le courant de court-circuit
produit par un défaut situé à proximité de
l’alternateur, par exemple sur le jeu de barres
du poste. Le problème est dans la détermination
du régime d’établissement du courant le plus
défavorable (instant du premier passage à zéro).
c Résultats du calcul
Le courant triphasé est asymétrique
(cf. fig. 7 ) : superposition d’un régime
sinusoïdal amorti et d’un régime apériodique,
d’où les courants caractéristiques (crête, coupé,
permanent).
Les contraintes maximales appliquées à
l’installation permettent de choisir le disjoncteur
conformément à la norme CEI 62271-100.
Les apports d’une étude
Une telle étude vise à prévoir les contraintes
inhérentes à l’apparition de défauts :
c calcul des courants et des tensions,
c pour les différents types de défauts,
c pour les configurations d’exploitation donnant
les valeurs maximales et minimales.
Courant crête
Ces résultats permettent ensuite de définir les
liaisons électriques (ex. : les sections et les
fixations des jeux de barres).
Courant coupé
Courant permanent
20
15
10
5
0
-5
-10
0
40
20
80
60
120
100
160
140
200
180
240
220
280
260
320
300
360
340
400
380
440
420
480
460
500
Courant total
Composante continue
Fig. 7 : étude pour le poste d’une centrale électrique, simulation du courant de court-circuit triphasé asymétrique
produit par un défaut situé à proximité de l’alternateur.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.16
4.4 Protection
Tout réseau électrique en mode de
fonctionnement anormal ne doit pas porter
atteinte aux personnes et aux biens.
c destruction de matériel,
c dysfonctionnement du réseau électrique donc
du process.
La protection d’un réseau est l’ensemble des
dispositions permettant la détection des
situations anormales et d’y pallier de façon
fiable, sélective et rapide.
Ces effets sont maîtrisés :
c tout d’abord, par des choix fondamentaux
concernant :
v les schémas des liaisons à la terre, dits
régimes de neutre : isolé (IT), à la terre (TT ou
TN), impédant, compensé,
v les dispositifs de coupure : disjoncteur, fusible,
sectionneur-fusible, discontacteur,
v les principes de sélectivité : ampèremétrique,
chronométrique, énergétique, logique,
directionnelle, différentielle,
c puis, par la coordination des dispositifs de
protection à partir des résultats de l’étude de
court-circuit (réglages des relais et
déclencheurs, filiation entre disjoncteurs BT).
Dans la pratique, cela se traduit par :
v la mise hors tension de la partie en défaut le
plus rapidement possible
v le maintien sous tension de la partie saine,
et si possible
v le secours par la protection amont
avec pour principe de réglage des protections le
déclenchement pour le plus petit courant de
défaut et le non-déclenchement pour le plus
grand courant normal.
Les principaux fonctionnements anormaux sont
décrits dans les sous-chapitres précédents.
Objectifs
Le calcul du système de protection a pour but :
c d’identifier les situations anormales
d’exploitation pouvant conduire à des accidents
humains, des destructions de matériels ou à la
perte d’alimentation de consommateurs,
c de déterminer les mesures à prendre, assurant
ainsi la protection des personnes, des matériels
et la disponibilité de l’énergie. Ces mesures
aboutissent aux opérations nécessaires
suivantes :
v définition du système de protection,
v choix, emplacement et association des
dispositifs de coupure et de protection,
v détermination des réglages des unités de
protection.
Phénomènes et origines
Les phénomènes électriques à étudier sont ceux
présents :
c pendant le fonctionnement à fréquence
industrielle, lors d’anomalies d’exploitation
relatives aux grandeurs nominales de
puissances (ex : surcharge), courant, tension,
fréquence…,
c lors de défauts, de court-circuit ou de
surtension.
Les protections doivent être adaptées selon :
c l’exploitation ordinaire du système qui peut
dériver vers des conditions anormales :
surcharges, baisse de tension, … ;
c les perturbations accidentelles envisagées :
défauts de court-circuit, erreurs humaines ;
c l’architecture du réseau (radiale, boucle
ouverte ou fermée).
Effets et remèdes
Un système de protection défectueux se révèle
d’un point de vue électrique par des : chutes de
tension dans tout le réseau, surtensions,
surcharges, courants de court-circuit, avec
comme effets principaux qui en découlent :
c accident sur les personnes,
Les apports d’une étude
Une telle étude a pour finalité un bon
fonctionnement de l’installation électrique dont
les paramètres influents sont :
c les défauts du réseau de distribution (défauts
phases, les défauts et fuites à la terre, les
surcharges),
c les défauts propres aux machines en service
sur le site (tournantes, informatiques,…),
c les configurations d’exploitation : sources,
charges, modes de secours, extensions futures,
c les dispositifs de la chaîne de protection :
capteurs, relais/déclencheurs, appareillage de
coupure,
c le plan de protection et les réglages des unités
de protection.
Exemple
Ce cas est extrait d’une étude de conception de
réseau d’un site pétrochimique.
c Objectif du calcul
Choisir les fonctions de protection de l’un des
transformateurs HT/BT de l’installation, et
déterminer leurs réglages dans le cas d’un courtcircuit triphasé maximal côté BT.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.17
c Résultats du calcul
La partie du schéma considérée est représentée
avec son système de protection et le tableau
récapitule les valeurs de réglage préconisées
des fonctions de protection (cf. fig. 8 ).Les
courbes temps/courant BT de la figure 9
montrent que la sélectivité est assurée entre
l’amont et l’aval du transformateur
6 kV
A1 49
A2 50/51
B 50/51
Relais Code
ANSI
Type
Seuil
Tempo
A1
49
Thermique
120 %
105 min
A2
50/51
max de courant
Temps constant
1400 A
0,5 s
A2
50/51
max de courant
Temps constant
3300 A
0,1 s
B
50/51
max de courant
Temps constant
12000 A 0,25 s
C
50/51
max de courant
Temps constant
3200 A
400 V
C 50/51
M
0,04 s
Fig. 8 : étude de sélectivité pour un site pétrochimique, schéma et types de relais de protection choisis pour un
transformateur HT/BT.
1000
t (s)
0
1
1
100
10
1
3
2
0,1
4
I (A)
0
0,01
1000
10000
1e+005
1e+006
(O) : courant de défaut triphasé maxi du départ BT
A1 (1) : thermique, A2 (2) : max de courant, B (3) : max de courant, C (4) : max de courant départ BT.
Fig. 9 : diagramme de sélectivité des dispositifs de protection placés en amont et en aval du transformateur.
4.5 Stabilité
La stabilité concerne essentiellement les
réseaux de forte puissance, en haute tension et
de structure topologique généralement étendue
et complexe pouvant avoir un ou plusieurs sites
de production d'énergie.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.18
Tout fonctionnement correct d'un réseau
électrique alternatif est le résultat d'un ajustement
permanent de l'équilibre entre production et
consommation d'énergie dans le temps et dans
l'espace, manifestant ainsi sa stabilité.
La notion de stabilité d'un réseau est précisée par :
c la stabilité statique, ou petits mouvements : le
système reprend son état initial suite à une
perturbation normale de faible amplitude,
c la stabilité/instabilité transitoire : le système
passe d'un état stable à un autre / ou diverge,
suite à une perturbation brutale (perte de charge
ou de source, démarrage de moteur de forte
puissance),
c la stabilité dynamique : le fonctionnement du
système est maîtrisé lorsque les conséquences
nuisibles de toute perturbation sont limitées (par
exemple avec la sauvegarde des consommateurs
vitaux) par la mise en œuvre de dispositions
adaptées (par exemple par un plan de délestage
des charges).
Objectifs
L'étude du comportement dynamique d'un
réseau a pour but d'identifier les situations à
risque, origines possibles d'instabilité transitoire,
et de déterminer les dispositions à prendre pour
les contrer au mieux, assurant ainsi sa stabilité
dynamique. Ces dispositions portent sur :
c l'élimination dans un temps acceptable des
incidents électriques par le système de
protection,
c l'optimisation des modes d'exploitation,
c le dimensionnement approprié des installations.
Phénomènes et origines
Les phénomènes d’instabilité se manifestent
dans tout le réseau par :
c les oscillations électromécaniques des
machines autour de leur position d'équilibre
synchrone, donnant lieu à des variations de leur
vitesse et de la fréquence industrielle nominale
(50 ou 60 Hz),
c les oscillations de transits de courants dans les
liaisons entre sources et/ou charges, impliquant
des échanges de puissances active et réactive,
et donnant lieu à des chutes de tension.
Les instabilités ont trois origines possibles.
c Les perturbations accidentelles
Dans cette catégorie se trouvent les courtscircuits, les creux de tension, les coupures et les
pertes de source électrique, les déclenchements
intempestifs, les pannes de composants, les
erreurs d'origine humaine….
c L'exploitation normale du réseau
Ce sont des conséquences du fonctionnement et
des impératifs du process telles que : les
variations de charges, le démarrage de gros
moteurs, les manœuvres de transfert et la
gestion des jeux de barres…
c La structure du réseau électrique
Elle comprend la topologie, les régulations des
sources (alternateurs et transformateurs), ainsi
que les protections et les automatismes du
réseau électrique.
Effets et remèdes
Ces instabilités se manifestent d'un point de vue
électrique sous les principales formes suivantes
de dysfonctionnement.
c Dérive en fréquence
Un déséquilibre de puissance active entre la
production et les consommations se traduit par
une variation de fréquence de l'ensemble du
système. Elle peut dépasser les limites admises
(par exemple +/- 2 %) au-delà desquelles les
groupes de production sont séparés du réseau.
La situation peut alors dégénérer jusqu'à
l'écroulement du système.
Cette évolution peut être évitée par du délestage
automatique et progressif des charges, et la
sollicitation des réserves tournantes de
puissance (démarrage de groupes, régulation
des groupes à puissance maximale).
c Dérive de tension
Les chutes de tension sont dues aux transits de
puissance - principalement réactive - dans les
liaisons et les transformateurs, ou aux courants
très élevés.
Ce phénomène cumulatif (la baisse du plan de
tension conduit à l'augmentation du courant et
réciproquement) peut aboutir à un écroulement
ou un dysfonctionnement du système.
Ce risque est limité par la mise à disposition de
puissance réactive suffisante et bien répartie
(régulation du réactif des sources, condensateurs
de compensation, régleurs en charge des
transformateurs, emplacement des sources de
réactif), d’un délestage des charges, d’un
changement du mode de démarrage des
moteurs.
c Surcharge en cascade
Les éliminations de liaisons suite à leurs
échauffements ou détériorations provoquent des
reports de charge sur d'autres ouvrages. Ici
aussi il peut y avoir un phénomène cumulatif.
Il est donc normalement prévu que toute perte
d'un ouvrage est tolérée par le système (règle
d'exploitation dite du N-1) en agissant sur la
topologie d'exploitation du réseau, la protection
des surcharges ou la mise en service de
nouvelles sources.
c Perte de synchronisme
Les courts-circuits ont comme conséquence la
désynchronisation entre alternateurs (c'est une
désolidarisation électrique), qui peut aller jusqu'à
la nécessité de déconnexion de certaines
machines. L'apparition résultante d'oscillations
en courant et en tension dans le réseau, et
l'élimination d'éléments (charges ou sources) par
leurs protections, peut conduire à la perte du
réseau.
Cette situation est évitée par un bon contrôle des
régulations des alternateurs, un plan de
protection efficace et un plan de délestage
judicieux des charges.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.19
Les apports d’une étude
Une étude aborde systématiquement les
principaux phénomènes à risque, en s'adaptant
aux particularités de chaque scénario à
envisager prenant en compte les réactions du
process :
c court-circuit triphasé (éventuellement bi ou
monophasé),
c perte de liaison, de source ou de charge,
c démarrage de moteurs,
c partage, délestage et prise de charges,
c couplage et modes de régulation électromécanique des sources (réseaux publics, turbines et
alternateurs).
Pour être complète, l'étude doit inclure :
c l'analyse de contingence : prise en compte
des incidents d’exploitation normatifs du
système (par exemple règle du N-1 en
exploitation, courts-circuits à différents niveaux
de tension, …), voire exceptionnels,
c la simulation du fonctionnement des
protections et des automatismes (actions et
chronologie),
c l'analyse de sensibilité aux paramètres
déterminants (par exemple temps d'élimination
de défaut, caractéristiques des moteurs,
coefficients de réglage des régulateurs
d'alternateurs…).
Exemple
Ce cas est extrait d'une étude de conception
d’un site d'industrie lourde.
L'installation, comporte plusieurs sources
alimentant les consommations -moteurs et
charges passives- par deux jeux de barres
prioritaire/non prioritaire (cf. fig. 10 ).
EDF
F
O
F
O
G1
G2
B1
non prioritaire
prioritaire
Déclenchement des protections 300 ms
V
Déclenchement des protections 350 ms
V
défaut
défaut
3000
2000
2000
1000
1000
sec
1
2
3
4
5
6
0
La tension se rétablit : process bien réalimenté
Ω
Ωο
1
sec
1
2
3
4
5
6
0
La tension ne se rétablit pas : process mal réalimenté
Ω
Ωο
1
défaut
0,95
0,95
0,90
0,90
0,85
défaut
0,85
sec
0,80
0
1
2
3
4
5
La pompe réaccélère : le process continue
6
sec
0,80
0
1
2
3
4
5
La pompe cale : le process est perdu
Fig. 10 : étude de stabilité pour un site d'industrie lourde, schéma et courbes significatives suite à un
déclenchement.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.20
6
Il a été constaté lors d’un court-circuit au
secondaire d'un transformateur connecté à
l'alimentation de la distribution publique :
v une chute de tension résultante qui a
provoqué, entre autres, le ralentissement des
moteurs,
v à l'élimination du défaut, que les courants
absorbés par les moteurs ont atteint des valeurs
de démarrage. Ils ont induit des chutes de
tension très importantes et des couples de
réaccélération insuffisants pour certains moteurs
qui ont calé ou rampé.
En fait ces moteurs ne peuvent réaccélérer que
si la durée de défaut est suffisamment brève.
c Objectif de l'étude
Le court-circuit est normalement éliminé par les
protections du transformateur qui commandent
l'ouverture de ses disjoncteurs amont et aval. La
question est de déterminer le temps maximal
d'élimination du défaut garantissant la stabilité
dynamique du réseau.
c Résultats de l'étude
L’examen des courbes de tension et de vitesse
montre que la stabilité du réseau est assurée,
lors d’un court-circuit triphasé au secondaire du
transformateur, par le réglage du déclenchement
des protections inférieur à 300 ms.
4.6 Harmoniques
La question des harmoniques concerne
essentiellement les réseaux électriques
alimentant des équipements polluants dont la
puissance relative à la source est suffisamment
importante, ainsi que des condensateurs
c le dimensionnement approprié des
installations,
Tout fonctionnement de réseau électrique
alternatif s'accompagne de fait d'une
déformation des ondes sinusoïdales de tension
et de courant, dues à la nature des équipements
ou des sources.
Les différents phénomènes électriques liés à la
présence d’harmoniques se manifestent à tout le
réseau selon des mécanismes interdépendants :
La notion de pollution harmonique d'un réseau
est quantifiée par la déformation du signal
traduite en une décomposition spectrale en
amplitude et en phase : onde fondamentale (50
ou 60 Hz) et rangs d'harmoniques (entiers et
continus). En sont déduits :
c effets de la pollution dans l'environnement
immédiat des sources polluantes,
c le taux global de distorsion harmonique (THD)
des grandeurs de tension et de courant, qui est
une mesure de la valeur efficace de la pollution
relativement au fondamental ;
c les lois de composition de grandeurs
harmoniques relativement aux amplitudes et aux
phases.
Objectifs
L'étude du comportement harmonique d'un
réseau a pour but :
c d'identifier les situations à risque, origines
possibles de dysfonctionnements ou
d'échauffements de certains équipements, de
vieillissement prématuré de matériel, de
perturbations électromagnétiques ou
mécaniques ;
c puis de déterminer les précautions à prendre
pour contenir au mieux ces situations, assurant
ainsi une pollution acceptable au regard de la
normalisation (équipement, installation,
alimentation).
Ces précautions portent sur :
c l'identification des pollueurs,
c l'estimation de solutions de filtrage,
c l'optimisation des architectures d'exploitation.
Phénomènes et origines
c génération des sources harmoniques de
courant et/ou de tension par les pollueurs,
c propagation des harmoniques à l'ensemble du
réseau et effets étendus à tous les récepteurs,
c composition des différentes pollutions en tout
point du réseau et à chaque instant,
c amplification possible de la pollution par effet
de résonance (circuit bouchon) en présence de
capacités (ligne longue, condensateurs de
compensation de l'énergie réactive).
La présence d’harmoniques a plusieurs causes :
c l'exploitation normale du réseau, conséquence
du fonctionnement et des impératifs du process :
marche des charges polluantes à différents
régimes, mise en service ou arrêt des autres
consommateurs,
c la structure du réseau électrique : niveaux de
tension, séparation des pollueurs et des charges
vulnérables, puissance relative des sources, des
pollueurs et des condensateurs.
Effets et remèdes
Cette pollution se manifeste, d'un point de vue
électrique, sous les principales formes suivantes
de dysfonctionnement.
c Les sources directes de pollution
Les pollueurs en courant représentent la grande
majorité des générateurs d'harmoniques. Ce
sont des charges dites non linéaires : le courant
qu’elles absorbent n'a pas la même forme que la
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.21
tension d'alimentation et son spectre
harmonique est propre à chaque charge.
On distingue les charges passives (soudeuses,
fours à arc, lampes) et les charges d'électroniques
de puissance dont l'emploi est croissant
(variateurs de vitesse, redresseurs et
gradateurs, alimentation sans interruption -ASI-,
appareils avec alimentation à découpage).
Les gammes concernées, de tension et de
puissance, de ces charges sont très larges :
elles vont des petits appareils domestiques (BT,
quelques dizaines de W) jusqu'aux gros
consommateurs industriels (THT, de plusieurs
dizaines de MW).
Les pollueurs en tension ont pour cause la
conception des bobinages et des circuits
magnétiques des matériels (machines
tournantes, transformateurs).
La limitation de la génération harmonique au
niveau des sources de pollution est possible
dans une certaine mesure : montages
dodécaphasés, convertisseurs à prélèvement
sinusoïdal, inductances de lissage, filtrage
intégré.
c Les effets directs de la pollution sur les
charges électriques
v Les courants harmoniques génèrent une
puissance parasite qui se traduit en
échauffements supplémentaires et en énergie
perdue.
Cet inconvénient peut être évité en surdimensionnant les équipements selon des facteurs de
déclassement définis par les normes relatives
aux matériels.
v La déformation des tensions par les
harmoniques perturbe le fonctionnement des
appareils électroniques (par ex. décalage du
passage à zéro de l'onde de référence).
v Les harmoniques ont également des impacts
mécaniques (bruits, vibrations) et
électromagnétiques (action des courants forts
sur les courants faibles) domaine de la
compatibilité électromagnétique -CEM-.
c Les effets de transmission se traduisent par la
propagation des harmoniques, leur amplification
et leur sommation.
v Les pollueurs de courant injectent leurs
harmoniques dans tout le réseau en fonction des
impédances traversées. Il en résulte une
déformation harmonique des tensions en tout point
du réseau. En conséquence tous les récepteurs
sont alimentés par des tensions déformées.
v De plus la présence de condensateurs peut
donner lieu à une amplification de la pollution par
l’effet de résonance (circuit bouchon constitué
par la capacité en parallèle avec les inductances
du réseau).
v Dans son environnement immédiat, chaque
pollueur subit les effets néfastes de ses propres
harmoniques.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.22
Enfin en tout point du réseau, la composition
vectorielle des différents harmoniques intervient
à chaque instant : en pratique la sommation se
calcule selon une méthode normalisée qui tient
compte d'un effet de foisonnement (CEI 60871).
c Les critères de risque sont quantifiés par des
normes et des réglementations basées sur la
valeur des distorsions. Globalement il est admis
que la situation devient préoccupante à partir d'un
THD en tension de 5% et toujours source de
difficultés au-delà de 10%. Ainsi, les distributeurs
s'engagent à fournir une tension limitée en THD,
et les utilisateurs doivent restreindre leur réjection
en courants harmoniques.
En pratique, les situations à risques sont
évaluées selon des critères de puissance
appliqués aux pollueurs et aux condensateurs.
c Plusieurs méthodes existent pour limiter les
risques :
v augmenter la puissance de court-circuit des
sources,
v séparer les charges sensibles des réseaux
pollueurs,
v installer des inductances antiharmoniques (les
condensateurs sont protégés des surcharges
harmoniques),
v installer des filtres passifs (les harmoniques
indésirables sont piégés dans des circuits à
faible impédance),
v installer des filtres actifs (les harmoniques
indésirables sont neutralisés par injection
d'harmoniques en opposition de phase).
Les apports d’une étude
Il s’agit de garantir un bon fonctionnement de
l'installation pendant l'activité des pollueurs
d'harmoniques par :
c le calcul des distorsions tenant compte des
spectres pollueurs (amplitudes et phases, lois de
composition et de propagation),
c le calcul optimal du filtrage,
c le calcul du surdimensionnement des matériels
(contraintes harmoniques stationnaires et
transitoires),
c l'analyse des schémas d'exploitation du réseau
dans ses différents modes d’exploitation
(normaux et dégradés de connexion des
sources, des pollueurs, des charges),
c l'analyse de sensibilité aux paramètres
influents (par exemple fourchette de variation
des valeurs des éléments électriques du réseau
fonction de la précision, de la température…).
Exemple
Le cas est extrait d'une étude de conception d’un
site sidérurgique qui comporte un four à arc à
courant continu ainsi qu'un condensateur de
compensation de réactif (cf. fig. 11 ). Ce four
génère des harmoniques de rang entier
(redresseur) superposés à un spectre continu
(arc instable).
Réseau 225 kV
Pccn = 6000 MVA
Pcc Min = 4800 MVA
225 kV/63 kV
s = 170 MVA
Ucc = 12.5 %
JdB 63 kV
Câble 63 kV
L = 1000 m
S = 1000 mm2
Filtres harmoniques
Four à arc
140 MVA
Impédance vue de la charge
Ohm
Amp
150
Sans filtre
Filtre amorti
30
100
20
50
10
rang
5
10
harmonique
spectre en courant généré par le four
rang
2
4
6
8
harmonique
spectre d'impédance vue du jeu de barres 63 kV
Fig. 11 : étude de présence d’harmoniques pour un site sidérurgique, schéma et spectres.
c Objectif de l'étude :
Le condensateur forme un circuit bouchon avec
l'inductance du système (antirésonance de
rang 3), d'où un THD en tension prohibé
de18.5%, il faut donc déterminer le filtrage
ramenant le THD à une valeur acceptable.
c Résultats de l'étude
Le montage du condensateur en trois filtres
résonants amortis (accordés sur les rangs 3, 5, 7)
modifie l’allure du spectre d’impédance du
réseau et permet alors de ramener le THD en
tension à la valeur acceptable de 3%.
La question des surtensions concerne
l’ensemble des réseaux électriques dont la
vulnérabilité est différente selon leur topologie, le
niveau de tension, les types de matériels
employés, et les modes d’exploitation.
Tout fonctionnement d’un réseau électrique
alternatif est sujet à l’apparition de perturbations
en tension se traduisant par des valeurs de
crête, ou maximales, hors des limites d’un
gabarit relatif à une norme ou à une
spécification.
La notion de surtension dans un réseau est
quantifiée par l’amplitude et la forme de l’onde
ainsi que par la durée de la perturbation :
c coefficient de surtension, rapport de
l’amplitude crête de la tension atteinte à la valeur
efficace de la tension de service,
c surtension permanente de forme sinusoïdale
(à fréquence industrielle), de longue durée
(supérieure à 1 heure),
c surtension temporaire de forme sinusoïdale
(autour de la fréquence industrielle), de durée
4.7 Surtensions
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.23
relativement longue (comprise entre 1,5 fois la
période industrielle et 1 heure),
c surtension transitoire de forme oscillatoire ou
non et généralement vite amortie, de courte
durée (inférieure à la période industrielle) ; cette
catégorie regroupe les surtensions à front lent
(type choc de manœuvre), à front rapide (type
choc de foudre), à front très rapide.
Objectifs
L'étude du comportement d'un réseau eu égard
aux surtensions a pour buts :
c d'identifier les situations à risque, pouvant
avoir pour conséquences :
v des destructions de matériel par claquage
diélectrique, contraintes électrodynamiques et
vieillissement,
v des dysfonctionnements de dispositifs
d’électroniques.
c de déterminer les dispositions à prendre pour
limiter leurs effets au minimum, assurant ainsi
une tenue efficace des matériels du réseau.
Ces dispositions portent sur :
c la conception des installations (SLT),
c l’estimation de dispositifs de protection (type,
emplacement et dimensionnement),
c le dimensionnement approprié des matériels,
c des conseils sur l’exploitation.
Phénomènes et origines
Les phénomènes observés sont des échanges
oscillatoires amortis d’énergie entre circuits
électriques (selfs, capacités, résistances) mis en
présence instantanément lors d’une discontinuité
locale (ex. : manœuvre d’un appareil). Selon le
classe de
surtension
basse fréquence
permanente
type de surtension ils se manifestent sur le
réseau par :
c leur formation au point de discontinuité,
c leur propagation vers le reste du réseau, en
suivant les lois de réflexion, réfraction et
superposition des ondes transmises, et avec une
atténuation fonction des fréquences en jeu
(amortissement d’autant plus fort que la
fréquence est élevée).
c la combinaison éventuelle de différents types
de surtensions, susceptible d’accroître les
contraintes.
Les surtensions affectant les réseaux ont
plusieurs origines :
c l’exploitation normale du réseau : manœuvres
de charges, mises en/hors service de circuits
inductifs ou capacitifs (câbles, lignes,
condensateurs, transformateurs, moteurs),
fonctionnement propre des appareils de
coupure ;
c la structure du réseau électrique : schémas
des liaisons à la terre, niveaux de tension,
longueurs des liaisons ;
c les perturbations accidentelles : défauts et leur
élimination, déclenchements intempestifs, coups
de foudre.
Ces surtensions se classifient, d'un point de vue
électrique, selon leurs principales formes
(cf. fig. 12 ) :
c à fréquence industrielle, qui peuvent avoir
différentes causes telles que : défaut
d’isolement, dissymétrie de charges,
surcompensation d’énergie réactive,… ;
c de choc de manœuvres, consécutifs à un
enclenchement ou un déclenchement
transitoire
temporaire
à front lent
à front rapide
à front très rapide
Tp
T1
Tf
forme
Tt
Tt
T2
T2
gamme des formes
(fréquence, front de
montée, durée)
f = 50 ou 60 Hz
Tt u 3 600 s
10 < f < 500 Hz
5000 > Tp > 20 µs 20 > T1 > 0,1 µs
3 600 u Tt u 0,03 s 20 ms u T2
300 µs u T2
forme normalisée
f = 50 ou 60 Hz
Tt (*)
48 i f i 62 Hz
Tt = 60 s
essai de tenue
normalisé
(*)
Essai à fréquence Essai de choc
industrielle de
de manœuvre
courte durée
(*) à spécifier par le Comité de produit concerné
Fig. 12 : les différentes formes de surtensions.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.24
Tp = 250 µs
T2 = 2 500 µs
Tt
100 > Tf > 3 ns
0,3 > f1 > 100 MHz
30 > f2 > 300 kHz
3 ms u Tt
T1 = 1,2 µs
T2 = 50 µs
(*)
Essai de choc
de foudre
(*)
-manœuvres courantes lors de l’exploitation
normale du réseau électrique- d’un équipement,
tel que transformateur, moteur, réactance,
condensateur ou liaison câble/ligne ;
c de choc sur défauts et lors de leur élimination :
le défaut est considéré comme une manœuvre
involontaire ou inévitable, suivie d’une deuxième
manœuvre lors de son élimination ;
c de choc de foudre, consécutif à des décharges
atmosphériques : un coup de foudre est une
décharge brutale de courant pouvant atteindre
plusieurs milliers d’ampères.
Effets et remèdes
Les surtensions ont, selon leurs formes, des
effets différents et les remèdes pour les éviter
doivent donc leur être adaptés.
c A fréquence industrielle
v Un défaut d’isolement dans un réseau génère
une surtension dont le coefficient peut
théoriquement atteindre 1,7 (défaut monophasé
en cas de neutre isolé).
De même, la coupure du fil de neutre génère des
surtensions par déplacement du point neutre.
v La dissymétrie des charges d’un réseau
triphasé peut déséquilibrer le système jusqu’à
saturer les transformateurs et gêner le
fonctionnement des moteurs.
v La surcompensation d’énergie réactive due
aux condensateurs shunt en cas de faible
charge élève la tension.
v Une ligne à vide se comporte comme une série
de cellules LC de gain supérieur à 1 (effet
Ferranti), d’où en son extrémité une surtension
permanente dont l’amplitude devient sensible
au-delà de 300 km (1,05 p.u.) ; cet effet est
amplifié sur déconnexion de la charge en
extrémité d’une ligne longue.
v La ferrorésonance, oscillation non linéaire
entre un condensateur et une inductance
saturable, peut donner lieu à des surtensions sur
des montages particuliers : transformateur de
tension en série avec un disjoncteur ouvert ou
entre phase et neutre dans un réseau IT, …
Tous ces risques sont limités par des
précautions de conception et d’exploitation : par
exemple répartition symétrique des charges,
contrôle de la mise en service des
condensateurs, relais de tension sur les arrivées.
c Le choc de manœuvres
Les surtensions produites dépendent des
conditions de charge ou à vide, avec ou sans
charge résiduelle, selon une certaine périodicité
et tenant compte du comportement physique réel
de l’appareil de manœuvre : préamorçage, tenue
à la tension transitoire de rétablissement
(réamorçage, réallumage), arrachement de
courant.
v Sur enclenchement d’un condensateur au
maximum de la tension du réseau, le coefficient
de surtension atteint 2 ; au déclenchement, ce
coefficient peut atteindre 3.
v Lors de la manœuvre de transformateur ou de
moteur, le coefficient de surtension peut
atteindre 2, de plus le front raide des transitoires
provoque des contraintes particulièrement fortes
sur les premières spires des bobinages de ces
machines.
v Lors de la manœuvre de ligne, le coefficient de
surtension peut dépasser 3, c’est le cas d’un
réenclenchement d’une ligne longue avec
charge résiduelle piégée (charge capacitive).
Les surtensions de manœuvres ont des effets de
destruction diélectrique des matériels et de
dysfonctionnement des systèmes.
Les dispositifs de protection préconisés agissent
en limitant et amortissant les oscillations
d’énergie entre les circuits : résistance
d’insertion dans les disjoncteurs ou contacteurs,
contrôle des instants de manœuvre par
synchroniseur, parasurtenseurs RC, voire même
parafoudres.
c Le choc sur défauts (lors de leur apparition ou
élimination)
L’apparition d’un défaut conduit généralement à
un coefficient de surtension inférieur à 2, et ce
sont plutôt les surintensités qui sont à craindre
(voir le sous-chapitre 4.3 ).
L’élimination d’un défaut provoque une
surtension inférieure à 2.5 (cas le plus sévère du
défaut monophasé en cas de neutre isolé), il y a
superposition du transitoire et du régime
temporaire lié au défaut.
c Le choc de foudre
La décharge brutale de courant peut atteindre
des centaines de kiloampères, à laquelle est
associée une tension fonction des impédances
traversées. Ce courant peut se décharger :
v sur une ligne ou une structure métallique, en
se propageant les ondes de tension résultantes
créent l’amorçage d’isolateurs et des
surtensions ;
v au sol avec une élévation de potentiel, en se
propageant celle-ci induit des montées en
tension des prises de terre des installations.
Les courants de foudre ont des effets thermiques
et mécaniques (efforts électrodynamiques), alors
que les surtensions de foudre ont des effets de
destruction diélectrique des matériels et de
dysfonctionnement des systèmes.
Les dispositifs de protection agissent de deux
manières :
v tout d’abord ils évitent l’impact direct de la
foudre sur les ouvrages électriques et le dérivent
vers le sol (paratonnerres, câbles de garde et
puits de terre) ;
v ensuite ils écoulent vers la terre les courants
de foudre conduits dans le réseau pour limiter
les surtensions et éviter les destructions
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.25
diélectriques (éclateurs, parafoudres,
varistances, qualité des terres…en HT/MT/BT).
Les apports d’une étude
Une étude destinée à prévenir une installation
des effets néfastes des surtensions, comporte
les étapes suivantes :
c appréciation qualitative des phénomènes à
risque dépendant du réseau considéré,
c calcul des niveaux de surtensions générées et
connaissance de leur transmission au système,
c analyse de sensibilité aux paramètres
influents,
c définition des dispositifs de protections,
c détermination de l’isolement des matériels
selon les normes en vigueur.
normalisation en coordination d’isolement, a pu
ainsi être définie par le choix simultané des
parafoudres dans le poste et du niveau de
protection des équipements, selon le schéma de
la figure 13.
Ligne foudroyée
Parafoudre P1
Câble
Parafoudre P2
Exemple
Blindé
Le cas choisi est extrait d’une étude relative à la
conception d’un poste de distribution HT qui doit
être protégé efficacement contre les surtensions
dues à la foudre se déchargeant sur sa ligne
d’arrivée.
c Objectif du calcul
Le dimensionnement des équipements face à
une surtension de foudre. Il doit répondre aux
recommandations de la norme de coordination
de l'isolement CEI 60071-1 et 2, qui quantifie la
valeur de risque : le temps moyen entre deux
défauts destructifs est dans une fourchette de
250 à 1000 ans.
c Résultats du calcul
La simulation statistique des impacts de foudre
sur la ligne selon le modèle électro-géométrique
donne la distribution des surtensions se
propageant dans le poste, et a permis d’en
déduire une estimation probabiliste du risque
résultant (cf. tableau de la figure 13 ).
La protection optimale du poste vis-à-vis des
chocs de foudre, quantifiée selon la
Parafoudre P3
Transformateur
Risque sur :
Parafoudres Câble
Poste Blindé Transformateur
installés
(LIWL* 650 kV) (LIWL 650 kV) (LIWL 650 kV)
P1
1454 ans
425 ans
299 ans
P1+ P3
2053 ans
812 ans
592 ans
10E 9 ans
2,7 10E 6 ans
P1+ P2 + P3 10E 9 ans
(*) LIWL : abréviation anglaise « lightning impulse withstand
level », en français « niveau de tenue au choc de foudre ».
Fig. 13 : étude des surtensions de foudre pour la
conception d’un poste de distribution HT, schéma et
estimations du risque.
4.8 Compatibilité électromagnétique
La Compatibilité ElectroMagnétique - CEM concerne l’ensemble des équipements,
systèmes et installations électriques et
électroniques.
La notion de CEM est précisée dans les normes
internationales comme la capacité d’un dispositif,
appareil, système ou installation à fonctionner
normalement dans son environnement
électromagnétique sans être lui-même
perturbateur.
Objectifs
L'étude du comportement CEM d'un réseau a
pour buts :
c d’identifier les situations susceptibles de
provoquer et de subir des dysfonctionnements
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.26
au système en exploitation afin d’en évaluer, les
conséquences,
c d’apporter les remèdes appropriés en s’appuyant
sur les textes normatifs et les règles de l’art
propres à limiter les effets dans les installations.
Phénomènes et origines
Les phénomènes étudiés sont l’ensemble des
perturbations électromagnétiques :
c résultant de l’interaction entre divers éléments
d’un réseau : la source émettrice origine, le
couplage par le transmetteur, la victime
perturbée dans son bon fonctionnement normal,
c sur un spectre dont l’enveloppe spectrale,
dépendant de la forme d’onde, s’étend du continu
au GHz voire au-delà,
c caractérisées en amplitude et énergie,
c selon les modes de conduction et/ou de
rayonnement.
Les émissions électromagnétiques ont plusieurs
origines :
c l’exploitation normale du réseau, puisque les
tensions et les courants peuvent être des
sources naturelles de perturbations,
c la structure du réseau et la mise en œuvre des
installations, qui peuvent favoriser la
transmission des perturbations.
Effets et remèdes
La transmission de ces perturbations
électromagnétiques se fait par différents types
de couplage :
c capacitif (de tension) entre conducteurs
proches : proximité de câbles, …
c inductif (de courant) entre conducteurs :
coexistence de courants forts et faibles, …
c effet d’antenne (rayonnement
électromagnétique) : câble de sortie d’une
électronique à découpage HF,…
c galvanique par impédance commune de
circuits, par exemple un fil conducteur unique
pour l’alimentation d’un appareil de mesure et
l’acquisition des données.
Les effets pratiques constatés portent
essentiellement sur :
c le dysfonctionnement des éléments du
système électrique et du process commandés
par des dispositifs sensibles ;
c l’échauffement et/ou la destruction de
composants électroniques, analogiques et
numériques.
Tous ces effets sont maîtrisés par l’ensemble
des règles de l’art du domaine qui consistent à :
c réduire le niveau des perturbations émises par
les sources,
c minimiser les modes de couplage,
c et diminuer la vulnérabilité des victimes
(durcissement), en jouant, dans les bandes de
fréquence concernées, sur :
v la prise en compte du régime de neutre,
v le câblage : choix des câbles, séparation du
cheminement entre câbles de puissance et
câbles de signaux (courants faibles),
v les blindages : types d’écran (conducteur ou
ferromagnétique), modes de raccordement des
terminaisons, traitement des boucles de masses,
v la mise en œuvre de filtres électriques adaptés
aux signaux à atténuer.
Les apports d’une étude
La bonne conception d’une l’installation
électrique impose une étude pour :
c identifier les sources de perturbations, les
couplages et les victimes,
c définir les moyens à mettre en œuvre pour
obtenir un système répondant aux normes.
Exemple
Ce cas est extrait de l’étude relative à un site
industriel dont les ensembles d’acquisition de
mesures / vidéo étaient perturbés lors de
l’utilisation des bancs d’essais du process.
c Objectif
Définir l’action à entreprendre pour retrouver une
utilisation normale de la chaîne de métrologie.
c Résultats
Les schémas des liaisons à la terre du banc
d’essais (TN-C) et du système d’acquisition
(TN-C-S) sont différents (cf. fig. 14 ). Ainsi, les
courants de fuite 50 Hz et harmoniques générés
par le variateur de vitesse du banc se rebouclent
vers l’alimentation par deux chemins possibles :
par le banc d’essais et par le système
Banc
process
Variateur
a.c.
Distribution (TN-C)
Moteur
d.c.
i 50 Hz + harmoniques
i 50 Hz + harmoniques
PEN
PEN
TGBT
TN-C
TN-S
N
Onduleur
a.c.
d.c.
PEN
PE
Ph
N
Système
d'acquisition
i 50 Hz + harmoniques
Fig. 14 : étude CEM pour des ensembles d’acquisition de mesures / vidéo placés à proximité de bancs d’essais,
schéma montrant le cheminement des courants de fuite et harmoniques.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.27
d’acquisition, avec des intensités au prorata des
admittances.
La recommandation de protéger le système
d’acquisition de son environnement a été suivie
en créant un isolement galvanique dans ses
propres liaisons. Cette solution s’est avérée
pratique, efficace et peu onéreuse.
4.9 Mesures pour expertise
Ce sous-chapitre complète les précédents en
soulignant l’importance des mesures pour suivre
l’évolution d’un réseau électrique et améliorer
son efficacité.
Ces mesures sont souvent indispensables
lorsqu’une expertise s’avère nécessaire :
c soit pendant l’exploitation normale du système,
à la mise en service d’une installation ou lors
d’une évolution importante, pour vérifier que le
réseau électrique fonctionne conformément aux
prévisions faites lors de sa conception ;
c soit à la suite d’incidents électriques
inexpliqués tels que destruction de matériels,
perte partielle ou totale d’énergie.
Même le fonctionnement d’un réseau bien conçu
peut être l’objet d’incidents ou de dysfonctionnements incompréhensibles, les mesures
électriques sont alors un outil de base pour
établir un diagnostic.
Des mesures pour expertiser un réseau
électrique
Elles ont pour finalité :
c de contrôler les grandeurs électrotechniques
après mise en service des installations,
c de suivre l’évolution des consommations et de
la qualité de l’énergie,
c d’identifier et expliquer les incidents
électriques importants ou répétitifs du système,
c de préconiser les dispositions à prendre pour y
remédier,
c de valider les modèles utilisés dans les
simulations de réseaux.
Phénomènes étudiés
Les phénomènes, dont l’étude nécessite des
mesures, recouvrent l’ensemble des sujets
abordés dans les sous-chapitres précédents.
Les dispositions envisagées pour remédier à
leurs effets résultent :
c des observations faites par la visite in situ des
installations,
c de l’exploitation de mesures électriques avec
l’instrumentation à demeure ou par campagne
ponctuelle,
c de la mise en œuvre de calculs électrotechniques,
c de la vérification du respect des normes et des
règles de l’art.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.28
Les apports d’une expertise
Une expertise vise à assurer le maintien ou
l’amélioration des conditions d’exploitation d’un
réseau électrique, à différents niveaux de
complexité et d’exigences par :
c la maîtrise générale du système à partir de
vérifications de base essentiellement
qualitatives : sécurité des personnes et des
biens, pérennité des équipements, bilans de
puissance, plan de protection, instrumentation
minimale,
c l’atteinte de performances satisfaisantes du
système en référence à des critères quantitatifs
définis : analyse de sûreté, analyse des risques
électrotechniques, dimensionnement des
réseaux et des équipements,
c l’optimisation globale du système : qualité de
l’énergie, contrat et consommation, maintenance
et pièces de rechange, hiérarchisation de
l’urgence des actions proposées,
c la prise en compte de l’existant et des
évolutions futures prévues.
Nota : les développements des moyens
d’échanges des informations avec les NTIC
(Nouvelles Technologies de l’Information et de la
Communication) ouvrent de nouvelles
perspectives telles que l’oscilloperturbographie
(cf. Fig. 15 et 16 ), le télédiagnostic et la
télésurveillance des réseaux électriques dans
différents domaines (tertiaire et industrie)
(cf. Fig. 17 ).
Un exemple d’expertise
Cet exemple est extrait de l’expertise du réseau
électrique d’une industrie micro-électronique
réalisée pour établir un bilan après plusieurs
années de fonctionnement.
c Objectif de l’audit
Rechercher les points faibles éventuels de
l’installation électrique du site pouvant dégrader
la qualité de fourniture d’énergie.
c Résultats de l’audit
Les aspects propres au réseau électrique et à
ses composants ont fait apparaître la nécessité
d’améliorations relatives à l’architecture du
réseau, au plan de protection et à la fatigue des
transformateurs HT/BT.
Le tableau de la figure 18 (en page 30) résume
cette expertise.
Fig. 15 : relais de protection numérique SEPAM série 40 (marque Merlin Gerin - Schneider Electric).
Fig. 17 : appareil de télémesure PM70 (marque
Merlin Gerin - Schneider Electric).
Fig. 16 : exemple d’oscillogramme d’un défaut enregistré par un relais SEPAM.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.29
Objet
Item
Mesures Diagnostic
Action requise
Priorité
Schéma du réseau
Architecture du réseau
Non
Dans plusieurs postes, sur défaut
jeu de barres BT, pas de
redondance prévue pendant
la réparation.
Faire une étude de disponibilité
pour améliorer l’architecture.
Non urgent
Défaut majeur
Non
Après défaut sur une boucle HT, la Vérifier le mode de fonctionnement Non urgent
réalimentation des sous-stations
des ASI.
implique des opérations manuelles. Etudier le besoin de générateurs BT.
Pas de générateur BT pour
alimenter les tableaux critiques.
Mise à la terre
Non
Le SLT en HT est isolé pour assurer Envisager la possibilité d’un SLT
une bonne continuité de service,
impédant
mais avec le vieillissement du
réseau le nombre de défauts terre
augmente.
A étudier
Protection 130 kV
Non
Dans certaines configurations, les
protections en courant peuvent
donner lieu à la perte totale du
réseau HT.
Réviser le plan de protection en
utilisant des fonctions différentielles
ou directionnelles.
Vérifier la sélectivité des protections
entre l’usine et le distributeur.
Urgent
Protection 15 kV
Non
La sélectivité est partielle dans les
cas suivants :
c temporisation insuffisante entre
départ et arrivée des liaisons,
c pour une partie du réseau, le
temps d’élimination sur défaut BT
peut atteindre plusieurs secondes.
Reprendre l’étude de détermination
des réglages des protections du
réseau HT à partir du calcul des
courants de court-circuit ; envisager
l’utilisation de la sélectivité logique.
Urgent
Comportement
Choc de foudre côté HT
diélectrique des
transformateurs HT/BT
Non
Transformateurs équipés de
parafoudres.
Aucune action requise
Choc de foudre côté BT
Non
Pas de parafoudre sur les
charges BT.
Etudier la protection foudre du
réseau BT.
Choc de manœuvre
sur ouverture de
disjoncteur HT
Non
Le réglage de la protection maximum Aucune action requise
de courant accepte les courants
d’appel à l’enclenchement : pas de
risque d’ouverture intempestive.
Contraintes de
résonance interne en
haute fréquence
Oui
Pas de surtension HF mesurée.
Aucune action requise
Contraintes
harmoniques en HT
Oui
THD négligeable.
Aucune action requise
Contraintes
harmoniques en BT
Oui
THD négligeable.
Aucune action requise
Choc de manœuvre sur
ouverture de batterie
de condensateurs
Oui
Les contacteurs des condensateurs Envisager la mise en place de
ne sont pas équipés de résistance résistances d’insertion pour
d’insertion
diminuer les courants d’appel.
Oui
Pas de surcharges.
Aucune action requise
Valeurs harmoniques négligeables.
Surtension permanente
en HT
Oui
Valeurs négligeables.
Aucune action requise
Contraintes
harmoniques en HT
Oui
Valeurs négligeables.
Aucune action requise
Courant continu en BT
Non
Phénomène non pris en compte.
Plan de protection
Comportement
Surcharge et courants
thermique des
harmoniques
transformateurs HT/BT
SLT : Système des liaisons à la terre.
Fig. 18 : bilan établi après expertise pour un réseau électrique d’industrie micro-électronique.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.30
Non urgent
Non urgent
A vérifier
5 Synthèse : Risques principaux pour l’utilisateur Réponses apportées par les études
Risques principaux pour l’utilisateur
Sûreté de fonctionnement Accident pour les personnes.
Destruction de biens.
Cf. s/chap 4.1
Arrêt de production.
Perte d’informations (système informatique…).
Coûts supplémentaires : de changement éventuel de
matériels, de réparation et d’arrêt de production
(pertes de production et remise en marche du
process).
Régime permanent
Cf. s/chap 4.2
Perturbations de fonctionnement (endommagement
des charges sensibles, variation des couples moteurs,
vibrations mécaniques, voire arrêt de production).
Gêne visuelle (flicker).
Echauffements anormaux des liaisons, des circuits
magnétiques d’où pertes d’énergie et causes possibles
d’incendie et de vieillissement accéléré.
Coûts supplémentaires : de changement éventuel de
matériels (besoin de surdimensionnement), de
réparation et d’arrêt de production (pertes de
production et remise en marche du process).
Réponses apportées par les études
Quantifier la fréquence d’occurrence de l’événement
redouté.
Quantifier la disponibilité de l’énergie électrique.
Déterminer les points faibles de la solution qui devront
être améliorés si nécessaire.
Déterminer d’éventuelles redondances superflues.
Comparer diverses architectures.
Préconiser des maintenances préventives.
Préconiser des stocks de pièces de rechange.
Une vérification du dimensionnement du système en
accord avec les normes électriques :
c le choix des niveaux de tension dans l’arborescence
du réseau,
c les tolérances des sources en tension et puissance
de court-circuit,
c la localisation et la répartition de la compensation
réactive,
c les matériels : appareillages de coupure, section des
câbles, caractéristiques des transformateurs et des
moteurs…
Le calcul des régimes permanents du système (‘’loadflows’’) dans les différents cas d’exploitation :
c de la répartition des tensions aux nœuds et des
courants dans les liaisons, en amplitude et en phase,
c des chutes de tension,
c des puissances transitées et des pertes associées.
Une optimisation des contrats de fourniture d’énergie.
Des conseils d’exploitation (choix des prises de
transformateurs, plan de délestage et de reprise, mise
en service des condensateurs…).
La mise à jour des données du réseau.
Court-circuit
Cf. s/chap 4.3
Tensions de contact dangereuses pour les personnes.
Détériorations de matériels électriques dues à la
surintensité (échauffements et incendie).
Arrêt de production.
Perturbations de service dues aux creux de tension
(dysfonctionnement d’appareils sensibles).
Coûts supplémentaires (réparations, arrêt de
production…).
Les valeurs des courants de court-circuit calculées
conformément aux normes d’installation (CEI60909 et
guide UTE C15105), nécessaire au calcul des
protections du système.
Le dimensionnement de l’appareillage et du matériel
(disjoncteurs, fusibles, transformateurs, tableaux,
capteurs, câbles, canalisations, circuits de terre) sur
les critères de pouvoirs de coupure et de fermeture et
de tenues thermique et électrodynamique au courtcircuit.
Protection
Cf. s/chap 4.4
Accident pour les personnes.
Destructions de matériels électriques et de machines.
Mise hors service de parties saines du réseau.
Arrêt de production.
Maintien en service de parties en défaut du réseau d’où
l’instabilité du système électrique.
Une définition générale du système de protection et
des principes mis en œuvre : schéma de liaison à la
terre, fonctions de protection et secours, sélectivités
adoptées, coordination entre les différents niveaux de
tension.
La caractérisation des capteurs : emplacement,
rapport, classe de précision.
La caractérisation des dispositifs de coupure : type,
emplacement.
La caractérisation des unités de protection : réglages
des déclencheurs et des relais
Les courbes ou tableaux montrant la cohérence des
sélectivités entre elles.
Dysfonctionnements du process avec pertes d’exploitation
et coûts de réparation.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.31
Risques principaux pour l’utilisateur
Réponses apportées par les études
Stabilité
Cf. s/chap 4.5
Défaillances mécaniques (rupture d'arbre de machines
tournantes et de réducteurs, déformation de
bobinages) suite à des à-coups de couple brutaux.
Destructions ou usures prématurées de matériels
électriques suite à des échauffements anormaux par
surintensité (transformateurs et liaisons, moteurs lors
de déséquilibre d'alimentation ou qui rampent en
réaccélération).
Dysfonctionnements, suite à des variations de tension,
de charges telles que équipements sensibles
(variateurs de vitesse, informatique, systèmes de
sécurité, mesure), organes de commande
(contacteurs, disjoncteurs) et éclairage.
Arrêt de production.
Coûts supplémentaires (réparations, arrêt de
production…).
Validation de la puissance de court-circuit des sources.
La répartition optimale des charges (schémas
d'exploitation),
Amélioration du système de protection (principe,
réglages selon les temps critiques d'élimination des
défauts).
Choix de méthode de démarrage des moteurs.
Plan de délestage des charges et de découplage des
sources,
Détermination des séquences de reprise et/ou de
transferts de charges.
Automatisation des transfert des sources.
Optimisation du fonctionnement des dispositifs de
régulation et de leurs réglages.
Harmoniques
Cf. s/chap 4.6
Destructions ou vieillissements accélérés de matériels
par surcharge thermique (échauffements dûs aux
courants harmoniques, harmonique 3 dans les
conducteurs de neutre) ou claquage diélectrique
(surtensions dues aux tensions harmoniques).
Identification des pollueurs.
Perturbations mécaniques harmoniques : vibrations et
fatigue de moteurs, bruits acoustiques anormaux de
transformateurs et tableaux.
Dysfonctionnements de dispositifs provoqués par les
harmoniques de tension/courant (équipements
électroniques de puissance), déclenchements
intempestifs de protections, perturbations des
systèmes à courant faible (télécommunications,
mesure et comptage).
Surcoûts :
c la dégradation du rendement énergétique de
l'installation à cause des pertes d'énergie
supplémentaires (joule, fer, effet de peau et de
proximité),
c l’investissement supplémentaire dû à la nécessité de
surdimensionner les équipements (déclassement) ou
d'installer des filtres.
Surtensions
Cf. s/chap 4.7
Perturbations de service ( creux de tension et
coupures brèves).
Destructions de matériels électriques par claquage
diélectrique.
Arrêt de production.
Vieillissements accélérés et échauffements de
matériels dus aux contraintes non destructives mais
répétées.
Dysfonctionnements d’équipements sensibles
(électronique de puissance, systèmes à courant
faible).
Coûts supplémentaires (réparations, arrêt de
production…).
Evaluations des niveaux de distorsion harmonique
(THD de tension et de courant) ainsi que les
répartitions spectrales.
Validation de la structure du réseau électrique :
puissance de court-circuit des sources, confinement
des équipements perturbateurs, séparation des
réseaux sensibles, compensation de l'énergie réactive.
Préconisation d’action directe sur les pollueurs : par
exemple transformation d’un pont hexaphasé en pont
dodécaphasé.
Préconisation d’action sur la pollution :
dimensionnement des solutions de filtrage (type de
filtre, spécification des éléments).
Préconisation de déclassement des matériels.
Définition des solutions optimales d’atténuation basées
sur la mise en œuvre simultanée, cohérente et
sélective, de plusieurs protections : paratonnerres,
câbles de garde, parafoudres, parasurtenseurs,
éclateurs, varistances, diodes, selfs de choc,
résistances d’insertion, synchroniseurs.
Dimensionnement et localisation des dispositifs
préconisés.
Détermination de l’isolement des matériels en accord
avec les dispositifs de protection : sélection du niveau
de tenue diélectrique basée sur les normes de
coordination de l’isolement (CEI 60664 en BT et CEI
60071 en HT).
Conception du système des liaisons à la terre.
Conseils d’exploitation.
CEM
Cf. s/chap 4.8
Détériorations de matériels électriques et électroniques
par échauffement ou claquage.
Dysfonctionnements d’éléments électriques, pouvant
avoir une incidence sur tout le réseau.
Dysfonctionnements des machines du process.
Coûts supplémentaires (réparations, arrêt de
production…).
Mesures pour expertise
Cf. s/chap 4.9
De nombreuses réponses apportées par les études nécessitent des mesures qui peuvent être effectuées sur site,
soit en permanence (cas de la télésurveillance par exemple), soit lors de campagnes particulières.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.32
Un état des lieux CEM ( compréhension sur les modes
de perturbation).
Aide à la spécification des cahiers des charges des
systèmes électriques.
Conseils sur le montage des installations : coexistence
des câbles, SLT, masses, …
Application des normes CEM.
6 Conclusion
Le coût optimal de possession d’un système est
le résultat du meilleur compromis entre le service
rendu à l’exploitant pour le besoin de son process
et la dépense totale consentie.
Pour un réseau électrique, le coût de possession
prend en compte les différentes phases de la vie
du système : conception, réalisation, exploitation,
maintenance et évolution.
De ce fait, dans la chaîne de réalisation d’un
projet, tous les acteurs sont concernés
(investisseurs, concepteurs et utilisateurs) et les
études d’ingénierie électrique constituent une
étape indispensable dans l’ensemble des
processus visant à une bonne utilisation finale de
l’énergie électrique. Elles peuvent être aussi
considérées comme un investissement rentable
puisque à même d’améliorer l’efficacité de
l’installation.
Ce Cahier Technique met en évidence l’étendue
des calculs requis pour l’exécution de ces
études.
Ceux-ci concernent tous les types de réseaux en
basse et haute tension, pour les applications de
tous les domaines (industriel, tertiaire,
résidentiel, fourniture d’énergie). Ils permettent
tout à la fois la prévision des phénomènes
électriques se produisant lors du fonctionnement
des systèmes, et l’analyse de l’impact sur le
dimensionnement des installations et
l’exploitation du réseau ; ceci avec la prise en
compte des évènements et paramètres influents,
dans les modes normaux et dégradés.
Les différents tableaux de synthèse ont
démontré l’importance des moyens et des
compétences nécessaires (voir aussi les
annexes suivantes). Enfin, les exemples donnés
montrent que la pertinence des solutions
trouvées est aussi le résultat de l’expérience
cumulée par de nombreuses expertises.
Expérience que seules de grandes sociétés de
l’électricité (distribution d’énergie ou fabrication
de matériels) peuvent réunir.
N.B. Une information plus détaillée est aussi
disponible dans la collection des Cahiers
Techniques dont les ouvrages traitent
spécifiquement différents sujets abordés dans ce
document (cf. Bibliographie).
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.33
Annexe 1 : Historique
L'ensemble des lois de l'électricité qui régissent
le fonctionnement des réseaux électriques a été
établi précédemment à la généralisation des
réseaux et donc au besoin de faire des calculs.
Le développement au cours du temps des outils
propres au calcul prédictif du comportement des
réseaux électriques peut se résumer
sommairement en quatre étapes, dont les
périodes se recouvrent.
d'onde), un réseau artificiel (ex. essai de
protections), un micro-réseau (ex. stabilité
dynamique)
c Le calcul "à la main", de 1925 à 1960
C'est l’époque de la découverte du
fonctionnement des réseaux électriques d’après
les phénomènes constatés et mesurés sur les
installations. La méthode analytique est utilisée
en fonction de la compréhension physique a
priori : le problème est mis en équation à partir
des lois de l'électricité, la résolution numérique
est faite manuellement (règle à calcul, tables
numériques), et les hypothèses sont confirmées
par la bonne correspondance entre mesure et
calcul. L'extrapolation prédictive se pratique
beaucoup par l'utilisation d'abaques faisant
varier les paramètres déterminants.
Parallèlement se développent des règles de l'art
basées sur l'expérience.
c Les simulateurs numériques, depuis 1970
A l’époque où les réseaux commençaient à être
optimisés et où sont apparues des pannes
majeures sur les grands réseaux de l’industrie et
de la distribution publique, les exigences de
calcul se sont accrues. Les simulateurs
numériques ont alors été une réponse avec
l'avènement de l'informatique.
c Les simulateurs à modèle réduit, de 1950 à 1990
Par suite de leur extension et complexification
croissantes, les réseaux deviennent de
véritables systèmes électriques aux interactions
multiples. De plus la notion de qualité de
l'électricité apparaît progressivement. Le besoin
de prédiction devient plus important et plus
global car il s'agit de prévoir de nombreuses
situations d'exploitation, normales ou perturbées,
avec certitude et précision.
Le simulateur répond assez bien à ces
exigences. C'est un outil de laboratoire coûteux
en investissement et en utilisation, apanage des
grands distributeurs électriques. Le principe du
simulateur est de constituer un modèle à échelle
réduite du réseau, reproduisant le comportement
du système en temps réel.
Selon l'application envisagée, le simulateur peut
être un analyseur de transitoire (ex. propagation
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.34
Pour accroître leurs capacités et performances,
ces simulateurs ont été complétés par des
simulateurs analogiques à dispositifs
électroniques propres à modéliser certains
éléments (par ex. régulateurs), donnant ainsi
naissance aux simulateurs hybrides.
v Dans un premier temps des codes de calcul
sont exploités sur de gros ordinateurs centraux ;
les programmes sont en général écrits par les
entreprises pour leur propre besoin.
v Puis vers 1990, simulation numérique et
décentralisation se généralisent avec les microordinateurs PC. La commercialisation des
programmes se développe, et l'utilisateur
dispose aujourd'hui d'un grand choix pour de
multiples applications.
Nota : Le principe du simulateur numérique est
de constituer un modèle numérique par la
description des lois du réseau, puis de simuler le
fonctionnement en résolvant les équations avec
un programme informatique adapté. Il a
l'avantage d’une grande souplesse à traiter tous
types de réseaux et de nombreux phénomènes,
mais il n'est pas temps réel.
c Les ateliers numériques, depuis 1990.
C'est la généralisation de la simulation
informatique comme outil universel de calcul
(réseau virtuel) avec des possibilités de bases
de données globales et de traitement en temps
réel pour le développement de produits,
l'apprentissage des opérateurs, l'optimisation de
la conduite…
Annexe 2 : Les logiciels
Ce tableau indique les principaux logiciels
disponibles dans le commerce, et l’utilisation qui
en est faite pour les calculs.
Type de calcul
Sûreté de
Régime
Courtfonctionnement permanent circuit
Protection
Type de logiciel
Analyse fonctionnelle
c
c
AMDEC
c
c
Arbre de défaillance
c
Graphe de Markoff
c
Réseau de Pétri
c
Load-flow
c
Optimisation de flux
de charge
c
Dimensionnement de
câbles
c
Stabilité
Harmonique Surtensions CEM
dynamique
c
c
c
c
c
c
Court-circuit
c
c
c
Sélectivité
c
c
c
Dimensionnement et
protection de câbles BT
Calcul du réseau de
terre
Stabilité statique
c
c
c
c
c
c
c
Stabilité transitoire
Démarrage moteur
c
Harmonique
c
c
c
c
Transitoires de
tension/courant
c
c
c
Protection foudre
Interférence CEM
c
Logiciel généraliste
EMTP
c
c
Acquisition de données
(mesures)
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.35
c
c
c
Surtensions
c
Harmonique
c
Stabilité
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
Lignes, câbles, jeux de barres, blindés
v résistance, inductance, capacitance linéiques
v longueur, éléments en parallèle, modes de pose
v données géométriques des pylônes et structures
v caractéristiques des isolateurs, éclateurs,…
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
Transformateurs
v tensions (primaire, secondaire, tertiaire)
v puissance, couplage & prises de réglage
v tensions de court-circuit & pertes
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
Charges actives
v tension et puissance assignées
v facteur de puissance
v caractéristiques des moteurs (vitesse, inertie, glissement, Cd/Cn,
Cmax/Cn, Id/In,…)
v caractéristiques des équipements électroniques de puissance
(type de montage,..)
v facteurs de foisonnement, utilisation, charge
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
Charges non linéaires
v caractéristiques U, I (parafoudre,
v spectre harmonique généré tension / courant
Protections
v caractéristiques des capteurs tension/courant
v fonctions de protection et plages de réglage
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.36
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
Appareillage de coupure
v type et calibre des fusibles
v caractéristiques des disjoncteurs (pouvoir de coupure et de
fermeture, TTR,…)
c
c
c
c
Charges passives, condensateurs, inductances
v tension et puissance assignées
v facteur de puissance
v type de charge (impédance cste, courant cst, puissance cste)
v facteurs de foisonnement, utilisation, charge
Mesures
Générateurs
v tension, puissance, facteur de puissance
v impédances & constantes de temps
v caractéristiques mécaniques (inertie, nombre de pôles)
v fonctions de transfert régulation turbine et excitation
c
c
CEM
Sources d’alimentation
v tension & fréquence (nominales/mini/maxi)
v puissance de court-circuit (nominale/mini/maxi)
v tensions harmoniques préexistantes
v réglage des protections
c
c
c
Protection
Pour tout constituant
v tension & puissance assignées
v impédances (directe, inverse, homopolaire)
v tenue au court-circuit
v tenue tension transitoire manœuvre & foudre
v types de protection
Court-circuit
Données générales
v schéma unifilaire du réseau
v configurations d’exploitation
v schémas de liaison à la terre
Régime
permanent
Informations requises
Sûreté de
fonctionnt
Ce tableau présente un aperçu général des données
nécessaires à l’exécution des différents calculs.
Type de
calcul
Annexe 3 : Données nécessaires
c
c
c
c
c
c
c
c
Bibliographie
Cahiers techniques Schneider Electric
c Stabilité dynamique des réseaux électriques
c Analyse des réseaux triphasés en régime
industriels
Cahier Technique n° 185 B. de METZ-NOBLAT, G. JEANJEAN
perturbé à l'aide des composantes symétriques
Cahier technique n° 18 B. de METZ-NOBLAT
c Les perturbations électriques en BT
Cahier Technique n° 141 R. CALVAS
c Introduction à la conception de la sûreté
Cahier Technique n° 144 E. CABAU
c La CEM : la compatibilité électromagnétique
Cahier Technique n° 149 J. DELABALLE
c Surtensions et coordination de l'isolement
Cahier Technique n° 151 D. FULCHIRON
c Perturbations harmoniques dans les réseaux
c La ferrorésonance
Cahier Technique n° 190 P. FERRACCI,
c La qualité de l'énergie électrique
Cahier Technique n° 199 P. FERRACCI
Ouvrages divers
c Les Techniques de l’Ingénieur
c Les cahiers de l’ingénierie édités par Electricité
de France
Normes
c CEI 60071-1 : Coordination de l'isolement -
Partie 1 : définitions, principes et règles.
pollués, et leur traitement
Cahier Technique n° 152 C. COLLOMBET, J. SCHONEK, J.-M. LUPIN
c CEI 60071-2 : Coordination de l'isolement -
c Coupure en BT par limitation du courant
c CEI 60364, NF C 15-100 : installations
Cahier Technique n° 163 P. SCHUELLER
électriques à basse tension.
c La sélectivité énergétique en BT
Cahier Technique n° 167 M. SERPINET, R. MOREL
c La foudre et les installations électriques HT
Cahier technique n° 168 B. de METZ-NOBLAT
c La conception des réseaux industriels en haute
tension
Cahier Technique n° 169 G. THOMASSET
c Flicker ou scintillement des sources lumineuses
Cahier Technique n° 176 R. WIERDA
c Etudes de sûreté des installations électriques
Cahier Technique n° 184 S. LOGIACO
Partie 2 : Guide d'application.
c CEI 60871-1 : Condensateurs shunt pour
réseaux à courant alternatif de tension assignée
supérieure a 1000 V Partie 1 : Généralités - Caractéristiques
fonctionnelles, essais et valeurs assignées Règles de sécurité - Guide d'installation et
d'exploitation.
c CEI 62271-100 : Appareillage à haute tension -
Partie 100 : Disjoncteurs à courant alternatif à
haute tension.
c NF C02-160 / NF EN 50160 : Caractéristiques
de la tension fournie par les réseaux publics de
distribution.
c UTE C15-500 : Guide pratique - Détermination
des sections des conducteurs et choix des
dispositifs de protection à l'aide de logiciels de
calcul.
Cahier Technique Schneider Electric n° 213 / p.37
Direction Scientifique et Technique,
Service Communication Technique
F-38050 Grenoble cedex 9
Télécopie : 33 (0)4 76 57 98 60
© 2004 Schneider Electric
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Edition : Schneider Electric
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