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n°169 la conception des réseaux industriels en haute tension Georges THOMASSET

n°169 la conception des réseaux industriels en haute tension Georges THOMASSET Diplômé ingénieur de l’Institut d’Electrotechnique de Grenoble (IEG) en 1971. Depuis, il a réalisé des études de conception de réseaux industriels complexes au sein de la Direction Technique dans la Société Merlin Gerin. Après avoir dirigé le bureau d'études «distribution publique Moyenne Tension et installations hydroélectriques» il est, depuis 1984, responsable du service technique de l'unité industrie du département de réalisation d'ensembles. CT169 édition octobre 1993 Cahier Technique Merlin Gerin n° 169 / p.2 lexique I la publication CEI 71 précise des gammes de tensions les plus élevées pour le matériel : gamme A = 1 kV < U < 52 kV, gamme B = 52 kV ≤U < 300 kV, gamme C = U ≥300 kV. Une révision est prévue, elle retient seulement deux gammes : gamme I = 1 kV < U ≤245 kV, gamme II = U ≥245 kV. I le distributeur national d'énergie en France, EDF, utilise maintenant le classement du décret cité ci-dessus. plan de protection d’un réseau : organisation globale des protections électriques regroupant : le système de protection retenu, le choix des appareils et de leurs réglages. récepteurs "à temps zéro" : récepteurs pour lesquels aucune absence d'alimentation n’est tolérée. réseau privé : réseau électrique alimentant un ou plusieurs sites d'utilisation (usines) appartenant généralement à un même propriétaire. flicker : fluctuations périodiques de luminance d'une source lumineuse, ou «papillotement». HTA et HTB : domaines de tension définis par le décret français du 14 novembre 1988. Remarque : Les niveaux de tensions font l'objet de différents classements selon les décrets, les normes, et autres spécifications particulières telles celles de certains distributeurs d'énergie, ainsi en ce qui concerne les tensions alternatives supérieures à 1 000 V : I le décret français du 14 novembre 1988 définit deux domaines de tension : HTA = 1 kV < U ≤50 kV, HTB = U > 50 kV. I le CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) dans sa circulaire du 27 juillet 1992 précise : MT = 1 kV < U ≤35 kV, HT = U > 35 kV. réseau public: réseau électrique appartenant à un distributeur national ou local d'énergie et desservant plusieurs consommateurs indépendants. stabilité dynamique d’un réseau : faculté qu’a un réseau, comportant plusieurs machines synchrones, de reprendre un fonctionnement normal à la suite d’une perturbation brutale ayant entraîné une modification provisoire (cas d’un court-circuit) ou définitive (ouverture d’une ligne) de sa configuration. structure d'un réseau : plan d'ensemble d'un réseau, souvent représenté sous la forme d'un schéma unifilaire, qui précise la disposition relative (interconnexions, séparations de circuits,…) des différentes sources et des utilisations. usine : regroupement (en un lieu) de plusieurs utilisations d'énergie. annexe 1 : extension d'un réseau hypothèses p. 19 calcul approché de la réactance p. 19 de limitation annexe 2 : moyens informatiques logiciels de calculs p. 20 système expert d'évaluation de la p. 20 qualité de conception d'un réseau électrique annexe 3 : principe général de la compensation p. 20 annexe 4 : choix du schéma des liaisons à la terre pour un réseau industriel HT p. 21 annexe 5 : chute de tension dans un réseau p. 22 annexe 6 : les étapes de conception d'un réseau industriel p. 22 annexe 7 : bibliographie p. 24 industriel existant annexes utilisés pour les études de réseaux Cahier Technique Merlin Gerin n° 169 / p.3 sommaire 1. besoins et principales contraintes les besoins à satisfaire p. 4 les contraintes principales p. 5 2. conception des réseaux bilan de puissance, coefficients p. 7 industriels - principales règles d'utilisation et de simultanéité choix des tensions p. 7 compensation de l'énergie p. 7 réactive sources de sécurité et de p. 7 remplacement production autonome d'énergie p. 8 électrique fractionnement des sources p. 8 schéma général électrique p. 8 3. validation et optimisation choix du schéma des liaisons à p. 9 technico-économique la terre (régime de neutre) définition des canalisations p. 9 électriques étude de la coordination de p. 9 l'isolement définition d'un système de p. 9 protection calcul des intensités des p. 10 courants de court-circuit calcul des variations de tension p. 11 en régimes normal et perturbé choix du mode de démarrage p. 11 des moteurs stabilité dynamique des réseaux p. 12 synthèse p. 13 4. choix de la structure et structures types des réseaux p. 14 exemple concret d'une structure p. 16 choix des équipements p. 16 exploitation optimale p. 16 5. conclusion p. 18 annexes voir page ci-contre Soumis à une concurrence toujours plus âpre, les industriels doivent pratiquer une gestion très rigoureuse et avoir une disponibilité importante de leur outil de production. Les réseaux électriques livrent l'énergie nécessaire à l'outil de production. La continuité d'alimentation des récepteurs électriques est recherchée dès la conception du réseau, et en particulier lors des choix préliminaires du schéma unifilaire. La réduction des coûts de réalisation et d'exploitation d'une installation électrique, avec un fonctionnement sûr et sans défaillance, sont des conditions essentielles de rentabilité. Cette optimisation technico-économique dépend d'une analyse préalable, détaillée et globale, à savoir : I des besoins et contraintes spécifiques au type d'industrie envisagée, I de l'intégration des limites et contraintes du réseau de distribution public, I des normes et usages locaux, I des spécificités du personnel utilisateur, exploitant et de maintenance. La présente étude se limite aux études de conception des installations industrielles Haute Tension -HTA et HTB- de forte puissance ayant comme caractéristiques principales : I de puissance installée de l'ordre de 10 MVA, I avec une production autonome d'énergie électrique (éventuelle), I alimentées à partir d'un réseau national de transport ou de distribution (≥ 20 kV), I comportant une distribution privée en Moyenne Tension. la conception des réseaux industriels en haute tension à satisfaire exploitation optimale des réseaux Cahier Technique Merlin Gerin n° 169 / p.4 Le coût minimal de l'installation électrique. Le coût minimal de l'installation électrique n'est pas nécessairement la recherche du coût minimal initial mais la somme de trois coûts : I le coût de l'investissement initial, I les coûts d'exploitation et de maintenance, I les coûts de pertes de production liés à la conception et au plan de protection (système de protection retenu, choix des appareils et des réglages) du réseau. L'optimisation de l'énergie électrique Lorsqu'une usine comporte des générateurs d'énergie électrique, il est nécessaire de gérer au mieux l'énergie fournie par le distributeur et l'énergie produite localement. Un système de contrôle-commande peut optimiser le coût de l'énergie consommée dans l'usine en fonction : I du contrat souscrit avec le distributeur (tarification selon l'instant, heure, jour et saison) ; I de la disponibilité des générateurs de l'usine ; I des impératifs du processus industriel. Les évolutions et extensions futures du réseau Il y a lieu d'apprécier avec le plus grand soin, lors de la conception d'un réseau industriels, les évolutions futures des usines, surtout si des extensions sont prévisibles. Les éventuelles et futures modifications sont à prendre en compte : I dans le dimensionnement des organes principaux d'alimentation (câbles, transformateurs, appareils de coupure), I dans la conception du schéma de distribution, I et dans le calcul des surfaces réservées aux locaux électriques. Cette anticipation conduit à une meilleure flexibilité de la gestion de l'énergie. La rénovation des réseaux Les consommations d'énergie électrique augmentent avec les extensions nécessaires pour les nouvelles fabrications et les nouvelles 1. besoins et principales contraintes à satisfaire électriques sont à prendre en compte pour éviter l'incendie et limiter les effets destructeurs: I les surintensités (court-circuit et surcharge), I les surtensions. Les solutions retenues doivent assurer au minimum : I l'élimination rapide du défaut, et la continuité d'alimentation des parties saines du réseau (sélectivité), I la fourniture des informations sur la nature du défaut initial, pour une intervention efficace. La continuité d'alimentation des récepteurs La continuité d'alimentation des récepteurs est nécessaire pour des raisons de : I sécurité des personnes, exemple : éclairage ; I maintien de l'outil de production, exemple : tréfilerie de verre ; I productivité ; I confort d'exploitation, exemple : procédure simplifiée de redémarrage d'une machine, d'un atelier. Selon leurs impératifs de fonctionnement, les récepteurs se répartissent en trois familles : I les récepteurs "ordinaires", I les récepteurs "essentiels", I les récepteurs "à temps zéro" pour lesquels aucune absence d'alimentation n’est tolérée. La facilité d'exploitation du réseau Afin de mener à bien leurs tâches avec sûreté et fiabilité, les exploitants du réseau doivent avoir à leur disposition : I un réseau facile à conduire afin d'agir avec certitude en cas d'incident ou de manœuvre ; I des appareils et équipements d’un dimensionnement suffisant, à faible entretien et facilement réparables (maintenabilité) ; I des moyens de contrôle-commande performants facilitant la conduite du réseau par la centralisation en temps réel et en un lieu unique de toutes les informations relatives à l'état du "process électrique", en régime normal et perturbé. Les réseaux électriques industriels doivent assurer, aux coûts optimaux d'investissement, d'exploitation et de pertes de production, l'alimentation de tous les récepteurs de l'usine en tenant compte : I des uploads/Industriel/ conception-des-reseaux-industriels.pdf