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.......................................................................... Cahier technique n° 199 La qualité de l’énergie électrique Ph. Ferracci Collection T echnique 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. Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partir du site Schneider Electric. Code : http://www.schneider-electric.com Rubrique : Le rendez-vous des experts Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contactez votre agent Schneider Electric. La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique » de Schneider Electric. Avertissement L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrecte des informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et ne saurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni de conséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémas contenus dans cet ouvrage. La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée après accord de la Direction Scientifique et Technique, avec la mention obligatoire : « Extrait du Cahier Technique Schneider Electric n° (à préciser) ». n° 199 La qualité de l’énergie électrique CT 199(e) édition octobre 2001 Philippe FERRACCI Diplômé de l’École Supérieure d’Électricité en 1991, a soutenu une thèse sur le régime du neutre compensé, en collaboration avec la Direction des Études et Recherches d’EDF. En 1996, il a rejoint Schneider Electric où il mène des études avancées dans les domaines de l’électrotechnique et des réseaux électriques. Cahier Technique Schneider Electric n° 199 / p.2 Cahier Technique Schneider Electric n° 199 / p.3 La qualité de l’énergie électrique L’une des propriétés particulières de l’électricité est que certaines de ses caractéristiques dépendent à la fois du producteur / distributeur d’électricité, des fabricants d’équipements et du client. Le nombre important de protagonistes et l’utilisation d’une terminologie et de définitions parfois approximatives expliquent en partie la complexité du sujet. Ce Cahier Technique a pour objectif de faciliter les échanges sur ce sujet entre spécialistes et non-spécialistes, et entre client, constructeur, installateur, concepteur et distributeur. Sa terminologie claire doit permettre d’éviter les confusions. Il décrit les phénomènes principaux qui dégradent la Qualité de l’Energie Electrique (QEE), leurs origines, les conséquences sur les équipements et les solutions principales. Il propose une méthodologie de mesure de la QEE selon les différents objectifs. Illustré par des exemples pratiques de mise en œuvre de solutions, il démontre que seul le respect des règles de l’art et la mise en œuvre d’une méthodologie rigoureuse (diagnostics, études, solutions, mise en œuvre, maintenance préventive) permettent une qualité d’alimentation personnalisée et adaptée au besoin de l’utilisateur. Sommaire 1 Introduction 1.1 Contexte p. 4 1.2 Objectifs de la mesure de la qualité de l’énergie p. 5 2 Dégradation de la QEE : 2.1 Généralités p. 6 origines - caractéristiques - définitions 2.2 Creux de tension et coupures p. 6 2.3 Harmoniques et interharmoniques p. 8 2.4 Surtensions p. 10 2.5 Variations et fluctuations de tension p. 10 2.6 Déséquilibres p. 11 2.7 Résumé p. 11 3 Effets des perturbations sur les charges 3.1 Creux de tension et coupures p. 12 et procédés 3.2 Harmoniques p. 13 3.3 Surtensions p. 15 3.4 Variations et fluctuations de tension p. 15 3.5 Déséquilibres p. 15 3.6 Résumé p. 15 4 Niveau de qualité de l’énergie 4.1 Méthodologie d’évaluation p. 16 4.2 La CEM et les niveaux de planification p. 18 5 Solutions pour améliorer la QEE 5.1 Creux de tension et coupures p. 19 5.2 Harmoniques p. 23 5.3 Surtensions p. 25 5.4 Fluctuations de tension p. 26 5.5 Déséquilibres p. 26 5.6 Résumé p. 26 6 Etudes de cas 6.1 Filtrage hybride p. 27 6.2 Compensation automatique en temps réel p. 28 6.3 Protection contre la foudre p. 30 7 Conclusion p. 31 Bibliographie p. 32 Cahier Technique Schneider Electric n° 199 / p.4 1 Introduction 1.1 Contexte La qualité de l’électricité est devenue un sujet stratégique pour les compagnies d’électricité, les personnels d’exploitation, de maintenance ou de gestion de sites tertiaires ou industriels, et les constructeurs d’équipements, essentiellement pour les raisons suivantes : c la nécessité économique d’accroître la compétitivité pour les entreprises, c la généralisation d’équipements sensibles aux perturbations de la tension et/ou eux-mêmes générateurs de perturbations, c l’ouverture du marché de l’électricité. La nécessité économique d’accroître la compétitivité pour les entreprises c La réduction des coûts liés à la perte de continuité de service et à la non-qualité Le coût des perturbations (coupures, creux de tension, harmoniques, surtensions atmosphériques...) est élevé. Ces coûts doivent prendre en compte le manque à produire, les pertes de matières premières, la remise en état de l’outil de production, la non- qualité de la production, les retards de livraison. Le dysfonctionnement ou l’arrêt de récepteurs prioritaires tels que les ordinateurs, l’éclairages et systèmes de sécurité peuvent mettre en cause la sécurité des personnes (hôpitaux, balisage des aéroports, locaux recevant du public, immeubles de grande hauteur…). Ceci passe aussi par la détection par anticipation des problèmes par une maintenance préventive, ciblée et optimisée. On constate de plus un transfert de responsabilité de l’industriel utilisateur vers le constructeur d’appareillage pour assurer la maintenance des sites ; le constructeur devient fournisseur du produit électricité. c La réduction des coûts liés au surdimensionnement des installations et aux factures énergétiques D’autres conséquences plus insidieuses de la dégradation de la QEE sont : v la réduction du rendement énergétique de l’installation, ce qui alourdit la facture énergétique, v la surcharge de l’installation, d’où son vieillissement prématuré avec le risque accru de panne qui conduit à un surdimensionnement des équipements de distribution. Et donc, les utilisateurs professionnels de l’électricité expriment le besoin d’optimiser le fonctionnement de leurs installations électriques. La généralisation d’équipements sensibles aux perturbations de la tension et / ou eux- mêmes générateurs de perturbations Du fait de leurs multiples avantages (souplesse de fonctionnement, excellent rendement, performances élevées…) on constate le développement et la généralisation des automatismes, des variateurs de vitesse dans l’industrie, des systèmes informatiques, des éclairages fluo-compact dans le tertiaire et le domestique. Ces équipements ont la particularité d’être à la fois sensibles aux perturbations de la tension et générateurs de perturbations. Leur multiplicité au sein d’un même procédé exige une alimentation électrique de plus en plus performante en termes de continuité et de qualité. En effet, l’arrêt temporaire d’un élément de la chaîne peut provoquer l’arrêt de l’outil de production (fabrication de semi-conducteurs, cimenterie, traitement de l’eau, manutention, imprimerie, sidérurgie, pétrochimie…) ou de services (centres de calcul, banques, télécommunications…). En conséquence, les travaux de la CEI sur la compatibilité électromagnétique (CEM) conduisent à des normes et recommandations de plus en plus contraignantes (limitations des niveaux d’émission des perturbations…). L’ouverture du marché de l’électricité Les règles du jeu du secteur électrique ont ou vont évoluer en profondeur : ouverture à la concurrence de la production d’électricité, production décentralisée, possibilité pour les (gros) consommateurs d’électricité de choisir leur fournisseur. Ainsi en 1985, la commission européenne a établi que l’électricité était un produit (directive 85/374) : ce qui rend nécessaire de bien en définir les caractéristiques essentielles. Par ailleurs dans le contexte de la libéralisation du marché de l’énergie, la recherche de la compétitivité par les compagnies d’électricité fait que la qualité est un facteur différentiateur. Sa garantie peut être, pour un industriel, un critère de choix d’un fournisseur d’énergie. Cahier Technique Schneider Electric n° 199 / p.5 1.2 Objectifs de la mesure de la qualité de l’énergie Selon les applications, les paramètres à mesurer et la précision de la mesure ne sont pas les mêmes. Application contractuelle Des relations contractuelles peuvent s’établir entre fournisseur d’électricité et utilisateur final, mais aussi entre producteur et transporteur ou entre transporteur et distributeur dans le cadre d’un marché dérégulé. Une application contractuelle nécessite que les termes soient définis en commun et acceptés par les différentes parties. Il s’agit alors de définir les paramètres de mesure de la qualité et de comparer leurs valeurs à des limites prédéfinies voire contractuelles. Cette application implique souvent le traitement d’un nombre important de données. Maintenance corrective Malgré le respect des règles de l’art (conception de schéma, choix des protections, du régime de neutre et mise en place de solutions adaptées) dès la phase de conception, des dysfonction- nements peuvent apparaître en cours d’exploitation : c les perturbations peuvent avoir été négligées ou sous-estimées, c l’installation a évolué (nouvelles charges et / ou modification). C’est généralement suite à ces problèmes qu’une action de dépannage est engagée. L’objectif est souvent d’obtenir des résultats aussi rapidement que possible, ce qui peut conduire à des conclusions hâtives ou infondées. Des systèmes de mesure portatifs (sur des temps limités) ou des appareils fixes (surveillance permanente) facilitent le diagnostic des installations (détection et archivage uploads/Industriel/ 3361-ct199.pdf