الديمقراطية الشعبية الجمهورية الجزائريـة République Algérienne Démocratique et Populaire –0– وزارة التعليم العالي والبحث العلمي Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique –0– جامعة طاهري محمد بشار Université TAHRI Mohammed Béchar Faculté de Technologies Département de Génie Électrique كلية التكنولوجيا قسم الهندسة الكهربائية Polycopié pédagogique Réseaux électriques industriels –0– Cours –0– Destiné aux étudiants en Licence, Master et Ingénieur Réseaux électriques. Réalisé par : ABDERRAHMANI Abdesselam Maitre de conférences « B » –0– Année universitaire 2018/2019 –0– قسم الهندسة الكهربائية- كلية التكنولوجيا-جامعة طاهري محمد بشار Préface Ce polycopié s'adresse à tous ceux qui étudient l'électrotechnique dans les collèges techniques et les universités quel que soit leur degré de spécialisation : étudiants de licence, Master et doctorat ou élèves en école d'ingénieurs. À cet égard, les sociétés d’électricité et autres ingénieurs de l’industrie trouveront ce manuel très utile dans leur travail quotidien. Les textes présentés dans ce polycopié ont été inspirés de certains guides et catalogues techniques. Tout commentaire ou proposition ou critique constructive permettant l’amélioration des textes ainsi élaborés sera recueillie avec grand intérêt. Email : Site i [email protected] [email protected] https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam قسم الهندسة الكهربائية- كلية التكنولوجيا-جامعة طاهري محمد بشار Sommaire Préface ............................................................................................................................................... i Sommaire .........................................................................................................................................ii Liste des figures ............................................................................................................................... v Liste des tableaux ........................................................................................................................... vi Liste des abréviations....................................................................................................................vii Introduction générale ..................................................................................................................... 1 I.1- Introduction .............................................................................................................................. 3 I.2- Organisation du réseau ............................................................................................................ 3 I.2.A- Production d’énergie ...................................................................................................................... 4 I.2.B- Transport et distribution ................................................................................................................. 5 I.3- Structure générale d'un réseau de distribution ..................................................................... 5 I.3.A- La source d'alimentation ................................................................................................................ 6 I.3.B- Les postes de livraison HTB/HTA ................................................................................................. 7 I.3.C- Les réseaux HTA ........................................................................................................................... 8 I.3.D- Les postes de livraison HTA/BT ................................................................................................. 10 I.3.E- Les réseaux BT ............................................................................................................................. 11 II.1- Introduction .......................................................................................................................... 14 II.2- Les types de régime de neutre ............................................................................................. 14 II.2.A- Neutre isolé................................................................................................................................. 14 II.2.B- Neutre directe à la terre............................................................................................................... 15 II.2.C- Neutre mise à la terre par résistance ........................................................................................... 16 II.2.D- Neutre mise à la terre par réactance faible ................................................................................. 17 II.2.E- Neutre mise à la terre par réactance accordée ............................................................................. 18 II.3- Schémas des liaisons à la terre utilisés en basse tension ................................................... 18 II.3.A- Schéma TT (neutre à la terre) ..................................................................................................... 19 II.3.B- Schéma TN (Mise au neutre) ...................................................................................................... 19 II.3.C- Schéma IT (Neutre isolé ou impédant) ....................................................................................... 20 II.4- Tensions de contact ............................................................................................................... 20 II.5- Particularités des dispositifs différentiels résiduels ........................................................... 21 II.5.A- Description, principe général...................................................................................................... 21 II.5.B- Recommandations d'emploi ........................................................................................................ 21 II.6- Régimes de neutre utilisés en haute tension ....................................................................... 22 II.6.A- Principes et schémas utilisés en haute tension............................................................................ 22 ii Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam قسم الهندسة الكهربائية- كلية التكنولوجيا-جامعة طاهري محمد بشار III.1- Les types de perturbation ................................................................................................... 25 III.2- Les remèdes contre les perturbations................................................................................ 25 III.2.A- Choix du mode d'éclairage ........................................................................................................ 25 III.2.B- Alimentation sans interruption (ASI) ........................................................................................ 25 III.2.C- Modification du perturbateur..................................................................................................... 25 III.2.D- Adjonction d'un volant d'inertie ................................................................................................ 25 III.2.E- Convertisseur tournant............................................................................................................... 25 III.2.F- Modification du réseau .............................................................................................................. 25 III.2.G- La capacité – série ..................................................................................................................... 26 III.2.H- La réactance série ...................................................................................................................... 26 III.2.I- La réactance shunt saturée .......................................................................................................... 26 III.2.J- La réactance de découplage (auto-transfo spécial) ..................................................................... 27 III.2.K- Le compensateur synchrone ...................................................................................................... 27 III.2.L- Le compensateur statique .......................................................................................................... 27 III.3- Les perturbations d’un récepteur moteur ........................................................................ 28 III.3.A- Entraînement à vitesse variable ................................................................................................. 28 III.3.B- Démarrage des moteurs électriques ........................................................................................... 29 III.3.C- Freinage des moteurs asynchrones ............................................................................................ 29 III.3.D- Effets des perturbations sur les moteurs.................................................................................... 29 III.4- Les perturbations des autres récepteurs ........................................................................... 30 IV.1- L'alimentation par les réseaux de distribution publique ................................................. 32 IV.2- Les alternateurs (générateurs synchrones) ....................................................................... 33 IV.2.A- Caractéristiques et comportement des alternateurs ................................................................... 33 IV.2.B- Fonctionnement en moteur synchrone ...................................................................................... 34 IV.3- Les génératrices asynchrones ............................................................................................. 34 IV.3.A- Génératrice asynchrone couplée à un réseau de puissance infinie ............................................ 34 IV.3.B- Génératrice asynchrone alimentant un réseau indépendant ...................................................... 35 IV.3.C- Avantages comparés des alternateurs et des génératrices asynchrones .................................... 35 IV.4- Les alimentations sans interruption (ASI) ........................................................................ 35 V.1- Introduction ........................................................................................................................... 37 V.2- Les surtensions ...................................................................................................................... 37 V.2.A- Origine des surtensions .............................................................................................................. 37 V.2.B- Classification des surtensions ..................................................................................................... 37 V.2.C- Conséquences des surtensions .................................................................................................... 38 V.3- Les dispositifs de protection contre les surtensions ........................................................... 39 V.3.A- Principe de la protection............................................................................................................. 39 V.3.B- Protection des installations BT ................................................................................................... 41 V.4- Coordination de l'isolement dans une installation électrique industrielle....................... 41 iii Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam قسم الهندسة الكهربائية- كلية التكنولوجيا-جامعة طاهري محمد بشار VI.1- Les câbles ............................................................................................................................. 44 VI.1.A- Type de câbles .......................................................................................................................... 44 VI.1.B- Constitution générale d’un câble ............................................................................................... 44 VI.2- Détermination des sections de conducteurs en basse tension .......................................... 47 VI.2.A- Introduction............................................................................................................................... 47 VI.2.B- Principe de la méthode .............................................................................................................. 47 VI.2.C- Logigramme du choix de la section des canalisations .............................................................. 48 VI.2.D- Détermination du courant maximal d’emploi « IB » ................................................................. 48 VI.2.E- Choix du dispositif de protection .............................................................................................. 50 VI.2.F- Courants maximal admissibles dans les canalisations « I0 » .................................................... 50 VI.2.G- Section d'une canalisation BT ................................................................................................... 54 VI.2.H- Section des conducteurs de neutre, de protection (PE), d'équipotentialité ............................... 55 VI.2.I- Chute de tension ......................................................................................................................... 57 VI.3- Détermination des sections de conducteurs en moyenne tension .................................... 61 VI.3.A- Détermination du courant maximal d'emploi ............................................................................ 61 VI.3.B- Courants admissibles dans les canalisations ............................................................................. 61 VI.3.C- Section d'une canalisation S1..................................................................................................... 63 VI.3.D- Déterminer la section S2 ........................................................................................................... 67 VI.3.E- Déterminer la section S3 ........................................................................................................... 68 VI.3.F- Détermination de la section minimale d'un câble moyenne tension .......................................... 70 VII.1- Facteur de puissance.......................................................................................................... 75 VII.1.A- Définition................................................................................................................................. 75 VII.1.B- Amélioration du cos ϕ d'une installation ................................................................................. 75 VII.1.C- Facteur de puissance et cos ϕ en présence d'harmoniques ....................................................... 76 VII.2- Principe de la compensation ............................................................................................. 76 VII.3- Inconvénients d'un mauvais facteur de déphasage......................................................... 77 VII.4- Avantages dus à l'amélioration du facteur de puissance ............................................... 77 VII.5- Les batteries de condensateur........................................................................................... 80 VII.5.A- Choix d'une batterie de condensateur ...................................................................................... 80 VII.5.B- Moyens de compensation ........................................................................................................ 80 VII.6- Différentes possibilités d’implantation des batteries condensateurs ............................ 81 VII.6.A- Compensation globale ............................................................................................................. 81 VII.6.B- Compensation partielle (par secteur) ....................................................................................... 82 VII.6.C- Compensation locale (individuelle) ......................................................................................... 82 Bibliographie ................................................................................................................................. 83 iv Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam قسم الهندسة الكهربائية- كلية التكنولوجيا-جامعة طاهري محمد بشار Liste des figures Figure I-1 : Organisation du réseau...................................................................................................... 4 Figure I-2 : Structure générale d'un réseau de distribution .................................................................. 6 Figure I-3 : Poste de livraison HTB ..................................................................................................... 7 Figure I-4 : Réseau radiale ................................................................................................................... 8 Figure I-5 : Réseau bouclé ouverte ...................................................................................................... 9 Figure I-6 : Poste de livraison HTA à comptage BT ......................................................................... 10 Figure I-7 : Poste de livraison HTA à comptage HT ......................................................................... 11 Figure I-8 : Alimentation des tableaux BT avec une seule source d'alimentation ............................. 11 Figure I-9 : Alimentation des tableaux BT par une double alimentation........................................... 12 Figure I-10 : Alimentation un transformateur et un alternateur ......................................................... 12 Figure II-1 : Défaut à la terre dans un réseau ..................................................................................... 14 Figure II-2 : Neutre isolé .................................................................................................................... 14 Figure II-3 : Neutre directe à la terre ................................................................................................. 15 Figure II-4 : Neutre mise à la terre par résistance .............................................................................. 16 Figure II-5 : Solutions de protection terre .......................................................................................... 17 Figure II-6 : Neutre mise à la terre par réactance faible .................................................................... 17 Figure II-7 : Neutre mise à la terre par réactance de compensation .................................................. 18 Figure II-8 : A- Schéma TT ............................................................................................................... 19 Figure II-9 : Schéma TNC ................................................................................................................. 19 Figure II-10 : Schéma TNS ................................................................................................................ 19 Figure II-11 : Schéma IT .................................................................................................................... 20 Figure II-12 : Disjoncteur Différentiel ............................................................................................... 21 Figure II-13 : Définition des régimes du neutre en haute tension ...................................................... 23 Figure III-1 : Capacité en série .......................................................................................................... 26 Figure III-2 : Réactance série ............................................................................................................. 26 Figure III-3 : Réactance shunt saturée ............................................................................................... 26 Figure III-4 : Réactance de découplage ............................................................................................. 27 Figure III-5 : Réactance shunt saturée ............................................................................................... 27 Figure III-6 : Réactance shunt saturée ............................................................................................... 27 Figure III-7 : Système de transmission de mouvement...................................................................... 28 Figure IV-1 : Alimentation ISA (Tableau BT secouru par un onduleur)........................................... 35 Figure V-1 : Paratonnerres ................................................................................................................. 39 Figure V-2 : Cages de Faraday .......................................................................................................... 39 Figure V-3 : Câbles de garde ............................................................................................................. 39 Figure V-4 : Un éclateur MT avec tige anti-oiseaux ......................................................................... 40 Figure V-5 : Structure d’un parafoudre ZnO en enveloppe porcelaine ............................................. 40 Figure V-6 : Différents niveaux de tensions présents sur des réseaux............................................... 41 Figure VI-1 : Câble ............................................................................................................................ 44 Figure VI-2 : Câble unipolaire ........................................................................................................... 44 Figure VI-3 : Câble multipolaire ........................................................................................................ 44 Figure VI-4 : Le logigramme de choix de la section du câble ........................................................... 48 Figure VI-5 : Les courants d’une canalisation ................................................................................... 50 v Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam قسم الهندسة الكهربائية- كلية التكنولوجيا-جامعة طاهري محمد بشار Figure VI-6 : Exemple de quatre câbles jointifs ................................................................................ 52 Figure VI-7 : Exemple de trois couches de câble .............................................................................. 52 Figure VI-8 : Les modes de pose de deux câbles ............................................................................... 62 Figure VI-9 : Le logigramme de choix de la section du câble MT .................................................... 70 Figure VII-1 : Diagramme de Fresnel des puissances en cas de compensation ................................ 76 Figure VII-2 : Diagramme de Fresnel des courants en cas de compensation ................................... 77 Figure VII-3 : Principe de la compensation fixe ............................................................................... 80 Figure VII-4 : Principe de la compensation automatique .................................................................. 81 Figure VII-5 : Compensation globale ................................................................................................ 81 Figure VII-6 : Compensation par secteur ........................................................................................... 82 Figure VII-7 : Compensation individuelle ......................................................................................... 82 Liste des tableaux Tableau I-1 : La norme NF C 15-100 (La norme française) ................................................................ 3 Tableau I-2 : La norme CEI (Commission Électrotechnique Internationale) ...................................... 3 Tableau II-1 : Durée maximale de maintien de la tension de contact présumé ................................. 20 Tableau III-1 : Perturbations générées et remèdes ............................................................................. 30 Tableau III-2 : Sensibilité aux perturbations...................................................................................... 30 Tableau IV-1 : Caractéristiques principales de la tension MT et BT fournie par un réseau public de distribution .............................................................................................................. 32 Tableau IV-2 : Valeurs maximales des tensions harmoniques au point de livraison des réseaux MT et BT ........................................................................................................................ 33 Tableau VI-1 : Classe de souplesse d’un câble .................................................................................. 45 Tableau VI-2 : Facteur de simultanéité .............................................................................................. 49 Tableau VI-3 : Courant conventionnel de déclenchement ................................................................. 50 Tableau VI-4 : Le courant de la canalisation dans les conditions standards ...................................... 50 Tableau VI-5 : Lettre de sélection et facteur de correction de mode de pose « K1 »......................... 51 Tableau VI-6 : Facteurs de correction K2 (influence de la température) ........................................... 51 Tableau VI-7 : Facteurs de correction K3 (influence de la nature du sol) ......................................... 52 Tableau VI-8 : Facteurs de correction K41 (influence de la disposition horizontale) ........................ 52 Tableau VI-9 : Facteurs de correction K42 (influence de la disposition de couche) .......................... 52 Tableau VI-10 : Facteur de correction Kn (conducteur Neutre chargé) ............................................. 53 Tableau VI-11 : Détermination de la section d’un câble non enterrée .............................................. 54 Tableau VI-12: Détermination de la section d’un câble enterrée ...................................................... 55 Tableau VI-13: Section du câble Neutre ............................................................................................ 55 Tableau VI-14: Section des conducteurs de protection entre transformateur HTA/BT et tableau principal BT ............................................................................................................ 56 Tableau VI-15: Section du conducteur PE ......................................................................................... 56 Tableau VI-16: Section des conducteurs d'équipotentialité ............................................................... 57 Tableau VI-17: chutes de tension admissibles dans les réseaux BT .................................................. 57 Tableau VI-18: chute de tension selon le type de circuit ................................................................... 57 Tableau VI-19: Valeur de résistance et réactance du câble BT ......................................................... 57 vi Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam قسم الهندسة الكهربائية- كلية التكنولوجيا-جامعة طاهري محمد بشار Tableau VI-20: Lettre de sélection et facteur de correction mode pose ............................................ 61 Tableau VI-21: Facteurs de correction pour l’influence mutuelle des câbles enterrés ...................... 62 Tableau VI-22: Facteurs de correction pour l’influence mutuelle câbles posés dans l'air ................. 62 Tableau VI-23: Facteurs de correction pour des résistivités thermiques du sol ................................ 62 Tableau VI-24: Détermination de la section d’un câble tripolaires à champ non radial de tension assignée inférieure ou égale à 6/6 (7,2) kV ............................................................. 63 Tableau VI-25: Détermination de la section d’un câble constitués par trois câbles unipolaires de tension assignée inférieure ou égale à 6/10 (12) kV ............................................... 64 Tableau VI-26: Détermination de la section d’un câble constitués par trois câbles unipolaires de tension assignée supérieure à 6/6 (7,2) kV et inférieure ou égale à 18/30 (36) kV.65 Tableau VI-27: Détermination de la section câbles tripolaires à champ radial de tension assignée inférieure ou égale à 6/10 (12) kV .......................................................................... 66 Tableau VI-28: Détermination de la section câbles tripolaires à champ radial de tension assignée supérieure à 6/6 (7,2) kV et inférieure ou égale à 18/30 (36) kV ........................... 67 Tableau VI-29: valeurs du coefficient k ............................................................................................ 67 Tableau VI-30: Câbles unipolaires ou tripolaires à champ radial à isolants PR ou EPR .................. 68 Tableau VI-31: Câbles unipolaires ou tripolaires à champ radial à isolants PE ................................ 69 Tableau VI-32: Câbles tripolaires à ceinture à isolant PVC de tension assignée 6/6 (7,2 kV).......... 69 Tableau VII-1: Des puissances avant et après compensation ............................................................ 76 Tableau VII-2: Les courants avant et après compensation ................................................................ 77 Liste des abréviations BT MT HT JB NF NO TC TT CPI ASI vii : Basse tension : Moyenne tension : Haute tension : Jeu de barre : Normal ferme : Normal ouvert : Transformateur de courant : Transformateur de tension : Contrôleur permanent d'isolement : Alimentation sans interruption Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Introduction générale Introduction générale Les réseaux publics d’électricité sont constitués d’un vaste ensemble de lignes, de câbles et de postes électriques, qui comprennent les transformateurs permettant de passer d’un niveau de tension à un autre et, plus généralement, l’ensemble des équipements nécessaires à la gestion et la surveillance des réseaux électriques. Avec la transition énergétique, les missions et défis des réseaux électriques évoluent. Pour atteindre ces objectifs, on peut agir sur : • La conception des ouvrages (structure, dimensionnement et fiabilité des ouvrages et du matériel, niveau d’automatisation...) ; • Les règles d’exploitation, qui, une fois l’ouvrage réalisé, déterminent la façon de l’utiliser. Objectif : Dans le cadre de ce cours, nous nous intéressons principalement à l'étude des réseaux de distribution. En fait référence aux conditions d’exploitation rencontrées en Algérie, lorsque les réseaux sont exploités par la SONELGAZ. Organisation : Chapitre 01 : Les architectures de réseaux électriques Le choix des modes de distribution de l’électricité de par le monde dépend de deux principaux critères : un critère géographique et humain et un critère historique. Le chapitre présentera les architectures des réseaux de distribution en détaillant les différentes structures utilisées et les différentes règles adoptées. Chapitre 02 : Les régimes de neutre Dans une installation haute ou basse tension, le neutre peut ou non être relié à la terre. On parle alors de régime du neutre. Le chapitre 2 sera consacré aux différents régimes du neutre et le choix de liaisons du neutre à la terre dans une installation électrique. Chapitre 03 : Les récepteurs et leurs contraintes d'alimentation Ce chapitre aborde les différents types de perturbations affectant les réseaux industriels ainsi les remèdes contre celui-ci. Chapitre 04 : Les sources d'alimentation Le chapitre 4 se concentrera sur la source d’alimentation des réseaux de distribution actuels. Chapitre 05 : Les surtensions et la coordination de l'isolement Ce chapitre a pour but de faire mieux connaître les perturbations de tension, les moyens de les limiter ainsi que les dispositions normatives pour permettre une distribution sûre et optimisée de l’énergie électrique, cela grâce à la coordination de l’isolement. Chapitre 06 : Détermination des sections de conducteurs En raison de leurs spécificités respectives, les conducteurs BT et MT sont traités dans des parties différentes dans ce chapitre. Chapitre 07 : La compensation de l'énergie réactive Ce chapitre prend en compte l'ensemble des exigences techniques concernant la compensation d'énergie réactive et leurs modes de raccordements. 1 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques Sommaire Ch. I I.1- Introduction ........................................................................................................................ 3 I.2- Organisation du réseau ...................................................................................................... 3 I.2.A- Production d’énergie ............................................................................................................... 4 I.2.B- Transport et distribution .......................................................................................................... 5 I.2.B.1- Le réseau de transport et d’interconnexion........................................................... 5 I.2.B.2- Le réseau de répartition ........................................................................................ 5 I.2.B.3- Le réseau de distribution HT ................................................................................ 5 I.2.B.4- Le réseau de distribution BT ................................................................................ 5 I.3- Structure générale d'un réseau de distribution ............................................................... 5 I.3.A- La source d'alimentation .......................................................................................................... 6 I.3.B- Les postes de livraison HTB/HTA .......................................................................................... 7 I.3.C- Les réseaux HTA ..................................................................................................................... 8 I.3.C.1- Les réseaux à architecture radiale ......................................................................... 8 I.3.C.2- Les réseaux bouclés .............................................................................................. 9 I.3.D- Les postes de livraison HTA/BT ........................................................................................... 10 I.3.D.1- Les postes de livraison HTA à comptage BT ..................................................... 10 I.3.D.2- Les postes de livraison HTA à comptage HT..................................................... 11 I.3.E- Les réseaux BT ...................................................................................................................... 11 I.3.E.1- Modes d'alimentation des tableaux BT ............................................................... 11 a) L’alimentation des tableaux BT avec une seule source d'alimentation ................... 11 b) L’alimentation des tableaux BT par une double alimentation ................................. 12 I.3.E.2- Les tableaux BT secourus par des alternateurs ................................................... 12 2 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques Les architectures de réseaux électriques I.1- Introduction Dans la plupart des pays, les installations électriques doivent répondre à un ensemble de réglementations nationales ou établies par des organismes privés agréés. Il est essentiel de prendre en considération ces contraintes locales avant de démarrer la conception de l’installation. Les niveaux de tension sont définis par : Tableau I-1 : La norme NF C 15-100 (La norme française) Domaine de tension Tension alternative [V] Valeurs usuelles Très basse tension TBT 𝑈 ≤ 50 𝑉 12 – 24 – 48 𝑉 BTA 50 < 𝑈 ≤ 500 𝑉 230 – 400 𝑉 Basse tension BTB 500 < 𝑈 ≤ 1000 𝑉 690 𝑉 HTA1 1 < 𝑈 ≤ 40 𝑘𝑉 5,5 – 6,6 – 10 – 15 – 20 – 33 𝑘𝑉 Haute tension A HTA2 40 < 𝑈 ≤ 50 𝑘𝑉 40,5 𝑘𝑉 HTB1 50 < 𝑈 ≤ 130 𝑘𝑉 63 – 90 𝑘𝑉 HTB2 Haute tension B 130 < 𝑈 ≤ 350 𝑘𝑉 150 – 225 𝑘𝑉 HTB3 350 < 𝑈 ≤ 500 𝑘𝑉 400 𝑘𝑉 La tension nominale des réseaux existants à 220/380 V doit évoluer vers la valeur recommandée 230/400 V. Tableau I-2 : La norme CEI (Commission Électrotechnique Internationale) Domaine de tension Tension Valeurs usuelles Basse tension BT 100 < 𝑈 ≤ 1000 V 400 – 690 – 1000 𝑉 Moyenne tension MT 1 < 𝑈 ≤ 35 kV 3,3 – 6,6 – 11 – 22 – 33 𝑘𝑉 Haute tension HT 35 < 𝑈 ≤ 230 kV 45 – 66 – 110 – 132 – 150 – 220 𝑘𝑉 I.2- Organisation du réseau Un réseau électrique est un ensemble d’infrastructures énergétiques plus ou moins disponibles permettant d’acheminer l’énergie électrique des centres de production vers les consommateurs d’électricité. Il est constitué de lignes électriques exploitées à différents niveaux de tension, connectées entre elles dans des postes électriques. Les postes électriques permettent de répartir l’électricité et de la faire passer d'une tension à l'autre grâce aux transformateurs. Un réseau électrique doit aussi assurer la gestion dynamique de l'ensemble production - transport - consommation, mettant en œuvre des réglages ayant pour but d'assurer la stabilité de l'ensemble. 3 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques Centrale de production HTA Transport Poste d'émergence HTA/HTB Réseau de transport HTB Poste de répartition/interconnexion HTB HTB Réseau de répartition HTB Distribution Poste Source HTB/HTA Poste privé HTB/HTA Réseau de distribution HTA Poste privé HTA/BT Comptage BT Réseau privé HTA, BT Poste privé HTA Comptage HTA Réseau privé BT HTA Réseau privé HTA, BT Poste de distribution publique HTA/BT Abonnés BT Réseau de distribution publique BT BT Figure I-1 : Organisation du réseau I.2.A- Production d’énergie Une centrale de production est composée de 1 ou plusieurs générateurs, 1 ou plusieurs transformateurs de puissance élévateurs et d’un certain nombre de fonctions auxiliaires (soutirage, excitation si génératrice synchrone, démarrage etc…). La production doit en tout instant être capable de satisfaire la demande (consommation+ pertes), elle doit donc prévoir des moyens de production pour couvrir l’extrême pointe de la demande, même si cette dernière n’existe que quelques minutes par an. Il existe cinq principaux types de centrales pour produire de l'énergie électrique : • Les centrales hydrauliques ; • Les centrales thermiques ; • Les centrales nucléaires ; • Les centrales solaires ou photovoltaïques ; • Les centrales éoliennes. 4 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques I.2.B- Transport et distribution I.2.B.1- Le réseau de transport et d’interconnexion Le transport de l’énergie de son lieu de production vers les postes d’interconnexion s’effectue par le réseau d’énergie électrique en très haute tension HTB (225 ou 400 kV) quelques fois 800 kV, avec des lignes en triphasé de type aérien. Ce réseau est maillé afin de permettre l’interconnexion entre les centrales débitant simultanément pour couvrir la consommation. Il assure aussi, par interconnexion, des échanges entre les pays. I.2.B.2- Le réseau de répartition La finalité de ce réseau est avant tout d’acheminer l’électricité du réseau de transport vers les grands centres de consommation. La structure de ces réseaux est généralement de type aérien (parfois souterrain à proximité de sites urbains). Les tensions sur ces réseaux sont comprises entre 25 kV et 275 kV. I.2.B.3- Le réseau de distribution HT La finalité de ce réseau est d’acheminer l’électricité du réseau de répartition aux points de moyenne consommation (postes de distribution publique MT/BT et postes de livraison aux abonnés à moyenne consommation). La structure est de type aérien ou souterrain. Les tensions sur ces réseaux sont comprises entre quelques kilovolts et 40 kV. I.2.B.4- Le réseau de distribution BT La finalité de ce réseau est d’acheminer l’électricité du réseau de distribution HT aux points de faible consommation dans le domaine public avec l’accès aux abonnés BT. Il représente le dernier niveau dans une structure électrique. Ce réseau permet d’alimenter un nombre très élevé de consommateurs correspondant au domaine domestique. Sa structure, de type aérien ou souterrain, est souvent influencée par l’environnement. Les tensions sur ces réseaux sont comprises entre 100 et 440 V. Le réseau de transport HTB en ALGERIE : - 220 kV (et bientôt 400kV) réseau national - 63 et 90 kV réseau régional - 30 et 10 kV distribution HTA. I.3- Structure générale d'un réseau de distribution Un réseau de distribution comporte : • Un étage HTB alimenté par une ou plusieurs sources. • Un ou plusieurs transformateurs HTB / HTA ; • Un étage principal HTA composé d'un ou plusieurs jeux de barres ; • Des récepteurs HTA ; • Des transformateurs HTA / BT (pour les Postes de Distribution Publique) ; • Des tableaux et des réseaux basse tension • Des réceptrices basses tensions. 5 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques Source d'alimentation HT Étage HTB HTB Centrale de production Étage de distribution HTA Réseaux HTA Poste privé HTA P-DP BT Poste Privé BT Tableau BT Abonnés BT Figure I-2 : Structure générale d'un réseau de distribution I.3.A- La source d'alimentation L'alimentation des réseaux industriels peut être réalisée, soit : • En HTB supérieure à 50 kV. • En HTA entre 1 kV et 50 kV. • En BTA. 6 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques I.3.B- Les postes de livraison HTB/HTA Ils concernent généralement les puissances supérieures à 10 MVA. Les schémas électriques des postes de livraison HTB sont les suivants : Alimentation simple antenne Alimentation double antenne Alimentation double antenne - double jeu de barres Figure I-3 : Poste de livraison HTB 7 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques I.3.C- Les réseaux HTA Les principales structures de réseaux HTA permettant d'alimenter les tableaux secondaires et les transformateurs HTA / BT. La complexité détermine la disponibilité de l'énergie électrique et le coût d'investissement. Le choix de l'architecture sera donc fait pour chaque application sur le critère de l'optimum technico-économique. On distingue essentiellement les types suivants : I.3.C.1- Les réseaux à architecture radiale Radial en simple antenne Radial en double antenne sans couplage ▪ Les postes sont alimentés par une seule ▪ Le poste est alimenté par 2 sources sans source, il n'y a pas de solution de dépannage couplage, l'une en secours de l'autre ▪ Cette structure est préconisée lorsque ▪ La disponibilité est bonne les exigences de disponibilité sont faibles. Radial en double antenne avec couplage Radial en double dérivation ▪ Le poste est alimenté par 2 sources avec ▪ Les postes 1 et 2 peuvent être dépannés et couplage. En fonctionnement normal, être alimentés par l'une ou l'autre des sources Les disjoncteurs de couplage sont ouverts. indépendamment ▪ Chaque ½ de barres peut être dépanné et être ▪ Une très bonne disponibilité. alimenté par l'une ou l’autre des sources Figure I-4 : Réseau radiale Réseaux électriques industriels 8 https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques I.3.C.2- Les réseaux bouclés En boucle ouverte Figure I-5 : Réseau bouclé ouverte • Les têtes de boucle en A et B sont équipées de disjoncteurs. • Les appareils de coupure des postes 1, 2 et 3 sont des interrupteurs. • Les jeux de barre peuvent être alimentés par l'une ou l'autre des sources. • En fonctionnement normal, la boucle est ouverte au point déterminé par l’exploitation. • En état d’incident, suite défaut sur un câble ou la perte d'une source une autre configuration de boucle pour alimente tous les postes. En boucle fermée Le même schéma en boucle ouverte sauf que Q11 [NF]. • Les jeux de barre peuvent être alimentés par l'une ou l'autre des sources. • Tous les appareils de coupure de la boucle sont des disjoncteurs. • En fonctionnement normal, la boucle est ouverte au point déterminé par l’exploitation. • En état d’incident, suite défaut sur un câble ou la perte d'une source une autre configuration de boucle pour alimente tous les postes. La configuration en boucle (ouverte ou fermée) Cette reconfiguration engendre une coupure d'alimentation de quelques secondes si un automatisme de reconfiguration de boucle est installé. La coupure est d'au moins plusieurs minutes ou dizaines de minutes si la reconfiguration de boucle est effectuée manuellement par le personnel d'exploitation. 9 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques I.3.D- Les postes de livraison HTA/BT Ils concernent généralement les puissances comprises entre 250 kVA et 10 MVA. I.3.D.1- Les postes de livraison HTA à comptage BT Lorsque le poste de livraison comporte un seul transformateur HTA/BT de puissance inférieure ou égale à 1250 kVA. Alimentation en simple dérivation Alimentation en coupure d'artère Alimentation en double dérivation Figure I-6 : Poste de livraison HTA à comptage BT 10 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques I.3.D.2- Les postes de livraison HTA à comptage HT Ils comportent plusieurs transformateurs ou un seul, de puissance totale supérieure à 1250 kVA et peuvent comporter des départs HTA. Figure I-7 : Poste de livraison HTA à comptage HT Le comptage HT est réalisé grâce au TT (transformateur de tension) et au TC (transformateur de courant). I.3.E- Les réseaux BT I.3.E.1- Modes d'alimentation des tableaux BT a) L’alimentation des tableaux BT avec une seule source d'alimentation • Les tableaux Tab-1, 2,3 bénéficient d'une seule source d'alimentation. Le réseau est dit de type radial arborescent. • En cas de perte de la source d'alimentation d'un tableau, celuici est hors service jusqu'à l'opération de réparation. Figure I-8 : Alimentation des tableaux BT avec une seule source d'alimentation 11 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre I : Les architectures de réseaux électriques b) L’alimentation des tableaux BT par une double alimentation Sans couplage Avec couplage Figure I-9 : Alimentation des tableaux BT par une double alimentation I.3.E.2- Les tableaux BT secourus par des alternateurs • En fonctionnement normal, Q3 est fermé et Q1 est ouvert. Le tableau Tab-1 est alimenté par le transformateur. En cas de perte de la source normale, on réalise les étapes suivantes : ▪ Fonctionnement du dispositif normal/secours, ouverture de Q3. ▪ Délestage éventuel d'une partie des récepteurs des circuits prioritaires, afin de limiter l'impact de charge subi par l'alternateur. ▪ Démarrage de l'alternateur. ▪ Fermeture de Q1 lorsque la fréquence et la tension de l'alternateur sont à l'intérieur des plages requises. Figure I-10 : Alimentation un transformateur et un alternateur 12 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre Sommaire Ch. II II.1- Introduction ......................................................................................................................14 II.2- Les types de régime de neutre .........................................................................................14 II.2.A- Neutre isolé ............................................................................................................................ 14 a) Avantages...................................................................................................................15 b) Inconvénients .............................................................................................................15 c) Type de protection .....................................................................................................15 d) Application ................................................................................................................15 II.2.B- Neutre directe à la terre .......................................................................................................... 15 a) Avantages...................................................................................................................15 b) Inconvénients .............................................................................................................16 c) Type de protection .....................................................................................................16 d) Application ................................................................................................................16 II.2.C- Neutre mise à la terre par résistance ....................................................................................... 16 a) Avantages...................................................................................................................16 b) Inconvénients .............................................................................................................16 c) Type de protection .....................................................................................................16 d) Application ................................................................................................................17 II.2.D- Neutre mise à la terre par réactance faible ............................................................................. 17 a) Avantages...................................................................................................................17 b) Inconvénients .............................................................................................................17 c) Type de protection .....................................................................................................17 d) Application ................................................................................................................17 II.2.E- Neutre mise à la terre par réactance accordée......................................................................... 18 a) Avantages...................................................................................................................18 b) Inconvénients .............................................................................................................18 c) Type de protection .....................................................................................................18 d) Application ................................................................................................................18 II.3- Schémas des liaisons à la terre utilisés en basse tension ...............................................18 II.3.A- Schéma TT (neutre à la terre)................................................................................................. 19 II.3.B- Schéma TN (Mise au neutre).................................................................................................. 19 II.3.B.1- Schéma TNC (Mise au neutre confondus) ..........................................................19 II.3.B.2- Schéma TNS (Mise au neutre séparés) ...............................................................19 II.3.C- Schéma IT (Neutre isolé ou impédant) ................................................................................... 20 II.4- Tensions de contact...........................................................................................................20 II.5- Particularités des dispositifs différentiels résiduels.......................................................21 II.5.A- Description, principe général ................................................................................................. 21 II.5.B- Recommandations d'emploi ................................................................................................... 21 II.6- Régimes de neutre utilisés en haute tension ...................................................................22 II.6.A- Principes et schémas utilisés en haute tension ....................................................................... 22 13 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre Les régimes de neutre II.1- Introduction Le type de mise à terre du point neutre des réseaux va permettre de maitriser plus au moins bien certaines perturbations et d’en limiter les effets. La connexion du neutre à la terre peut être réalisée de 5 façons différentes : ▪ 𝑍𝑛 = ∞ : neutre isolé, pas de liaison Ph 1 intentionnelle Ph 2 ▪ 𝑍𝑛 = 𝑅 ↗ : est une résistance de valeur plus Ph 3 ou moins élevée N I𝑁 ▪ 𝑍𝑛 = 𝑗𝐿𝜔 ↙ : est une réactance, de valeur 𝐼𝑓 faible en général ZN 𝑍𝑓 𝐶 𝐶 𝐶 2 3 1 ▪ 𝑍𝑛 : est une réactance de compensation, destinée à compenser la capacité du réseau ▪ 𝑍𝑛 = 0 : le neutre est relié directement à la 𝑰𝑪 terre. Figure II-1 : Défaut à la terre dans un réseau 𝐼𝑓 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝑁 (II-1) 𝐼𝑓 : Courant de défaut ; 𝐼𝐶 : Courant capacitif ; 𝐼𝑁 : Courant du neutre ; 𝑍𝑘 : Impédance de défaut ; Ces types vont agir sur trois notions {sécurité -service – couts} via six critères : Sécurité Protection simple Service Continuité de service Coûts Surtensions Compétence du personnel Phénomènes transitoires Energie du défaut En particulier, deux considérations techniques importantes sont contradictoires : -Réduire le niveau des surtensions- Réduire le courant de défaut à la terre (𝐼𝑘1 ) II.2- Les types de régime de neutre II.2.A- Neutre isolé • Il n'existe aucune liaison électrique entre le point neutre et la terre, à l'exception des appareils de mesure ou de protection. • Neutre fortement impédant : une impédance de valeur élevée est intercalée entre le point neutre et la terre. 𝐼𝑓 = 𝐼𝐶1 = 𝐼𝐶2 + 𝐼𝐶3 (𝐼𝑁 = 0); 𝐶 = 𝐶1 = 𝐶2 = 𝐶3 𝐼𝐶2 = 𝑗𝜔𝐶𝑣2 𝐼𝐶3 = 𝑗𝜔𝐶𝑣3 𝐼𝑓 = 3𝑗𝜔𝐶𝑉 𝐼𝑁 CPI Ph 1 Ph 2 Ph 3 N 𝐼𝑓 𝑍𝑓 𝐶1 𝐶2 𝐶3 * CPI : Contrôleur Permanent d’Isolement 𝐼𝐶 Figure II-2 : Neutre isolé 14 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre a) Avantages Continuité de service Energie du défaut Le premier défaut ne présente pas de danger. Le courant de phase masse est très faible et aucune tension dangereuse n’est à craindre. Mais il doit être signalé et recherché pour être éliminé. b) Inconvénients Surtensions Compétence du personnel Phénomènes transitoires • La difficulté de la mise en œuvre de protection sélectives au premier défaut en raison des très faibles courants. • Le 2ème défaut provoque un court-circuit entre phase. • La coupure est obligatoire au deuxième défaut. • Des surtensions importantes et des phénomènes transitoires entrainant un surcoût de l’isolement ou un vieillissement prématuré des matériels. c) Type de protection • Contrôleur permanent d'isolement (CPI) : surveille en permanence le niveau d'isolement du réseau et signale son passage en dessous d'un seuil préréglé. • Protection à maximum de tension résiduelle (ANSI 59) : Cette protection permet la détection d'un défaut d'isolement par la mesure du déplacement du point neutre. • Protection maximum de courant terre directionnelle (ANSI 67N) : Cette protection permet la détection du départ en défaut. La discrimination se fait par comparaison de l'angle de déphasage entre la tension résiduelle et les courants résiduels, d'une part du départ en défaut et d'autre part de chaque départ sain. ANSI: American National Standard Institute. d) Application Ce régime de neutre est utilisé lorsque la coupure au premier défaut d’isolement est préjudiciable au bon fonctionnement d’une exploitation ou à la sécurité des personnes (Domain industrielle). II.2.B- Neutre directe à la terre Dans ce type de schéma, dit de “neutre à la terre” : Le neutre de l’installation est directement relié à la terre. 𝑉 𝑉𝑁𝑇 = 0; 𝐼𝑓 = 𝐼𝑁 = ; 𝑍𝑓 Ph 1 Ph 2 Ph 3 N IN 𝐼𝑓 𝑍𝑓 𝐶1 𝐶2 𝐶3 𝐼𝐶 Figure II-3 : Neutre directe à la terre a) Avantages Surtensions Protection simple Compétence du personnel Phénomènes transitoires • Pas de surtension parce qu’il périme leur écoulement. • Pas de protection compliquée {protection classique de surtension}. 15 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ avec un simple relais Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre b) Inconvénients Energie du défaut Continuité de service Le courant de défaut est élevé ce qui peut entrainer maximum de perturbation et une dégradation de matériel. Il n’est pas de continuité de service au premier défaut. c) Type de protection Un relais à maximum de courant de terre temporisé. d) Application Cette solution est celle employée pour les réseaux de distribution publique basse tension. II.2.C- Neutre mise à la terre par résistance Une résistance est intercalée volontairement entre le point neutre et la terre. L’impédance résistive limite le courant de défaut à la terre Ik, tout en permettant un bon écoulement des surtensions. 𝑉 𝐼𝑓 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝑁 = 3𝑗𝜔𝐶𝑉 + 𝑅𝑁 |𝐼𝑓 | = |𝑉|√9𝜔 2 𝐶 2 1 + 2 𝑅𝑁 Ph 1 Ph 2 Ph 3 N IN 𝐼𝑓 RN 𝑍𝑓 𝐶1 𝐶2 𝐶3 𝐼𝐶 Figure II-4 : Neutre mise à la terre par résistance a) Avantages Surtensions Protection simple Energie du défaut • Un bon compromis avec un courant de défaut modérer • Des surtensions faibles. • Les protections sont simples, sélectives. b) Inconvénients Continuité de service • La continuité de service est dégradée, il y une coupure de réseau dès le premier défaut. • La résistance mise à la terre est onéreuse car la dissipation thermique de celle-ci est importante d’où un cout d’achat élevé. c) Type de protection La détection d'un courant de défaut 𝐼𝑘 faible nécessite des protections différentes de celles de surintensité phases. Ces protections "de terre" détectent le courant de défaut : Soit directement dans la liaison du neutre à la terre Soit 3 capteurs(3TC) de courant de phase alimentant les protections Soit un capteur tore pour les mesures plus précises. 16 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre Ph 1 Ph 2 Ph 3 𝑅𝑁 51G Ph 1 Ph 2 Ph 3 Ph 1 Ph 2 Ph 3 𝑅𝑁 51G 51N 𝑅𝑁 Figure II-5 : Solutions de protection terre d) Application Réseau HTA de la distribution publique et industrielle. II.2.D- Neutre mise à la terre par réactance faible Une réactance est intercalée volontairement entre le point neutre et la terre. 𝑉 I𝑁 𝐼𝑓 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝑁 = 3𝑗𝜔𝐶𝑉 − 𝑗𝜔𝐿𝑁 LN 1 |𝐼𝑓 | = |𝑉|√9𝜔 2 𝐶 2 + 2 2 𝜔 𝐿𝑁 Ph 1 Ph 2 Ph 3 N 𝐼𝑓 𝑍𝑓 𝐶1 𝐶2 𝐶3 𝑰𝑪 Figure II-6 : Neutre mise à la terre par réactance faible a) Avantages Energie du défaut • Ce type de régime limite l'amplitude des courants de défaut ; il est simple à protéger même si le courant de limitation est très supérieur au courant capacitif du réseau. • La réactance est peu onéreuse car la dissipation thermique est réduite {faible résistance}. b) Inconvénients Continuité de service Surtensions • La continuité de service est dégradée, il y une coupure de réseau dès le premier défaut. • Des surtensions sont possibles lors de la coupure. c) Type de protection Utilisé est la directionnelle terre. • Le réglage de la protection se situe au niveau de 10 à 20 % du courant de défaut maximum. • La protection est moins contraignante que dans le cas de la mise à la terre par résistance, d'autant plus que 𝐼𝐿𝑁 est important puisque 𝐼𝐶 est inférieur au courant limité. d) Application Les réseaux de distribution publique HTA > 40 kV. 17 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre II.2.E- Neutre mise à la terre par réactance accordée On appelle aussi neutre mis à la terre par bobine d'extinction de Petersen. Une Ph 1 réactance accordée sur les capacités du Ph 2 réseau est volontairement intercalée entre le Ph 3 N point neutre et la terre de sorte qu'en présence I𝑁 𝐼𝑓 d'un défaut à la terre, le courant dans le défaut LN 𝑍𝑓 𝐶 𝐶2 𝐶 3 1 est nul. Le courant dans le défaut est nul, lorsque l'accord est parfait. 𝑰𝑪 1 Figure II-7 : Neutre mise à la terre par réactance de 3𝜔𝐶 = ⇒ 3𝜔2 𝐶𝐿𝑁 = 1 𝜔𝐿𝑁 compensation a) Avantages Energie du défaut Continuité de service • Le courant de défaut est limité même si la capacité phase-terre est grande. • La continuité de service est maintenue en cas de défaut permanent b) Inconvénients Surtensions • Le coût élevé de la réactance ; • Les risques de surtensions transitoires sur le réseau sont importants ; • La mise en œuvre des protections sélectives est délicate. c) Type de protection Protection à maximum de courant de terre directionnelle plus sophistiquée {protection à neutre compensé). d) Application Réseaux MT de distribution publique avec un courant capacitif élevé (réseau de ville utilisant des câbles enterrés). II.3- Schémas des liaisons à la terre utilisés en basse tension Pour les réseaux BT, les normes définissent trois types de schémas de liaison à la terre, communément appelés régimes de neutre caractérisés par deux lettres : La première lettre : Situation de l’alimentation par rapport à la terre. • T : liaison d’un point avec la terre ; • I : isolation de toutes les parties actives par rapport à la terre ou liaison d’un point avec la terre à travers une impédance ; La deuxième lettre : Situation des masses de l’installation par rapport à la terre : • T : masses reliées directement à la terre ; • N : masses reliées au neutre de l’installation, lui-même relié à la terre. 18 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre II.3.A- Schéma TT (neutre à la terre) • La neutre de l’installation est directement reliée à la terre. • Les masses de l’installation sont aussi reliées à la terre. • L’ensemble des utilisations doit être équipé d’une protection différentielle instantanée. Ph 1 Ph 2 Ph 3 N DDR PE Masse DDR : Dispositifs à courant Différentiel Résiduel. Figure II-8 : A- Schéma TT Ce régime se rencontre dans les cas suivants : domestique, petit tertiaire, petits ateliers, établissements scolaires avec salle de travaux pratiques, etc. II.3.B- Schéma TN (Mise au neutre) II.3.B.1- Schéma TNC (Mise au neutre confondus) • Le neutre et le conducteur de protection sont confondus en un seul conducteur appelé PEN • Ce type de schéma est interdit pour des sections de conducteurs inférieurs à 10 𝑚𝑚² cuivre et 16 𝑚𝑚² aluminium et ne pas comprendre d’installations mobiles (câbles souples) ; • Le conducteur PEN (Protection et Neutre) ne doit jamais être sectionné. II.3.B.2- Schéma TNS (Mise au neutre séparés) • Le conducteur de neutre et le conducteur de protection sont séparés. • En TN, ce schéma est obligatoire pour des sections inférieures à 10 𝑚𝑚² cuivre ou 16 𝑚𝑚² aluminium, ainsi que pour les canalisations mobiles. N Ph 1 Ph 2 Ph 3 PEN PE Masse Figure II-9 : Schéma TNC Ph 1 Ph 2 Ph 3 N PE Masse Figure II-10 : Schéma TNS Il est également interdit que TNC soit en aval d'un schéma TNS. 19 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre II.3.C- Schéma IT (Neutre isolé ou impédant) • Le neutre est isolé ou relié à la terre par une assez forte impédance (1500 à 2000 V). • Ce régime se rencontre par exemple, dans les hôpitaux (salles d’opération) ou dans les circuits de sécurité (éclairage) et dans les industries où la continuité d’exploitation est primordiale ou lorsque le faible courant de défaut, réduit considérablement les risques d’incendie ou d’explosion. Ph 1 Ph 2 Ph 3 N PE CPI Masse Figure II-11 : Schéma IT II.4- Tensions de contact Toute personne entrant en contact avec une pièce sous tension est soumise à une différence de potentiel : il y a donc pour elle un risque d'électrisation (on entend par électrisation, le fait de recevoir un choc électrique n'entraînant pas la mort). On distingue deux sortes de contacts : le contact direct et le contact indirect. ▪ Contact direct : C'est le contact d'une personne avec une partie active d'un matériel sous tension. Le contact peut avoir lieu avec une phase ou avec le neutre. ▪ Contact indirect : C'est le contact d'une personne avec une masse d'un récepteur mise accidentellement sous tension à la suite d'un défaut d’isolement. Le tableau fixant les temps théoriques maximum de coupure de l'alimentation en fonction de la tension de contact présumée, à laquelle est soumise une personne. Locaux secs Locaux humides Tension de Temps de coupure maximal Tension de Temps de coupure maximal contact présumée du dispositif de protection (s) contact présumée du dispositif de protection (s) (V) (V) AC DC AC DC < 50 5 5 25 5 5 75 0,60 5 50 0,48 5 90 0,45 5 75 0,30 2 120 0,34 5 90 0,25 0,80 150 0,27 1 110 0,18 0,50 220 0,17 0,40 150 0,12 0,25 280 0,12 0,30 230 0,05 0,06 350 0,08 0,20 280 0,02 0,02 500 0,04 0,10 Tableau II-1 : Durée maximale de maintien de la tension de contact présumé 20 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre II.5- Particularités des dispositifs différentiels résiduels II.5.A- Description, principe général Appareil assurant la protection des personne et capable d’interrompre automatiquement un défaut d'isolement en cas de fuite à la terre du courant (par le PE) appelé courant résiduel Le DDR (Dispositif Différentiel à courant Résiduel) peut être soit un disjoncteur soit un interrupteur. Figure II-12 : Disjoncteur Différentiel L'avantage d'un disjoncteur différentiel par rapport à un interrupteur différentiel c'est qu'il assure également la protection du matériel contre les défauts de surintensités. II.5.B- Recommandations d'emploi • Déséquilibre des courants capacitifs : Les charges et les canalisations monophasées entraînent naturellement des déséquilibres des courants capacitifs qui peuvent provoquer le fonctionnement des DDR à haute sensibilité (≤ 30 𝑚𝐴). • Déclenchement par sympathie : Lors d'un défaut d'isolement le courant capacitif se répartit dans les départs sains et peut ainsi provoquer le déclenchement des dispositifs différentiels installés sur ces départs. La solution consiste à limiter la longueur des canalisations et le nombre de récepteurs placés en aval d'un dispositif différentiel haute sensibilité. On retiendra que le courant capacitif d'un départ ne doit pas dépasser le quart du seuil de réglage du DDR qui assure sa protection. 21 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre II.6- Régimes de neutre utilisés en haute tension II.6.A- Principes et schémas utilisés en haute tension Les réseaux de distribution publique et les réseaux privés industriels ou tertiaires, on rencontre tous les principes de mise à la terre du point neutre. À savoir : Le neutre mis directement à la terre ; Le neutre isolé ; Le neutre mis à la terre par résistance ; Le neutre mis à la terre par réactance ; Le neutre mis à la terre par bobine d’extinction de Petersen partiellement ou totalement accordée. Ils sont définis par un code à trois lettre (norme NFC 13 200) : • La première lettre précise la situation du point neutre par rapport à la terre : ▪ T : le neutre relié directement à la terre ; ▪ I : le neutre isolé ou relié à la terre par l’intermédiaire d’une impédance ; • La deuxième lettre précise la situation des masses : ▪ N : les masses sont reliées directement au point neutre mis à la terre ; ▪ T : les masses sont reliées directement à la terre, indépendamment de la mise à la terre éventuelle du neutre. • La troisième lettre précise les liaisons éventuelles entre les masses du poste, le point neutre et les masses de l’installation : ▪ R : les masses du poste d’alimentation sont reliées à une prise de terre commune au neutre et aux masses de l’installation ; ▪ N : les masses du poste d’alimentation sont reliées à une prise de terre du neutre, les masses de l’installation étant reliées à une prise de terre séparée ; ▪ S : les masses du poste d’alimentation, le neutre et les masses de l’installation sont reliées à des prises de terre séparées. 22 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre II : Les régimes de neutre TNR (2) (1) (3) ITR (2) TTN (2) (1) (3) (1) (3) (3) ITN (2) TTS (2) (1) (1) (3) ITS (2) (1) (3) Figure II-13 : Définition des régimes du neutre en haute tension 23 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre III : Les récepteurs et leurs contraintes d'alimentation Sommaire Ch. III III.1- Les types de perturbation ............................................................................................... 25 III.2- Les remèdes contre les perturbations ........................................................................... 25 III.2.A- Choix du mode d'éclairage.................................................................................................... 25 III.2.B- Alimentation sans interruption (ASI) .................................................................................... 25 III.2.C- Modification du perturbateur ................................................................................................ 25 III.2.D- Adjonction d'un volant d'inertie ............................................................................................ 25 III.2.E- Convertisseur tournant .......................................................................................................... 25 III.2.F- Modification du réseau .......................................................................................................... 25 III.2.G- La capacité – série................................................................................................................. 26 III.2.H- La réactance série.................................................................................................................. 26 III.2.I- La réactance shunt saturée ...................................................................................................... 26 III.2.J- La réactance de découplage (auto-transfo spécial) ................................................................ 27 III.2.K- Le compensateur synchrone.................................................................................................. 27 III.2.L- Le compensateur statique ...................................................................................................... 27 III.3- Les perturbations d’un récepteur moteur .................................................................... 28 III.3.A- Entraînement à vitesse variable ............................................................................................ 28 III.3.B- Démarrage des moteurs électriques ...................................................................................... 29 III.3.C- Freinage des moteurs asynchrones ........................................................................................ 29 III.3.D- Effets des perturbations sur les moteurs ............................................................................... 29 a) Creux de tension ........................................................................................................ 29 b) Coupures brèves ........................................................................................................ 29 c) Déséquilibre des tensions........................................................................................... 29 d) Harmoniques de tension ............................................................................................ 29 III.4- Les perturbations des autres récepteurs ....................................................................... 30 24 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre III : Les récepteurs et leurs contraintes d'alimentation Les récepteurs et leurs contraintes d'alimentation III.1- Les types de perturbation Les perturbations affectant les réseaux industriels peuvent être groupées en quatre catégories : Les variations de l'amplitude de tension ▪ Réseau de distribution public : Dans la plupart des réseaux publics, la variation de fréquence n'excède pas 1 Hz. ▪ Source autonome de production : Des variations de charge importantes provoquent des variations de fréquence. Variations de l'amplitude ▪ Creux de tension et coupures brèves. ▪ Fluctuations de tension (flicker). Les modifications de la forme d'onde (les harmoniques). Les dissymétries du système triphasé (les déséquilibres). III.2- Les remèdes contre les perturbations Différents remèdes sont envisageables pour limiter le phénomène perturbation : III.2.A- Choix du mode d'éclairage Il existe des sources lumineuses plus ou moins sensibles au flicker, la solution évidente et la première à considérer est de bien les choisir. Les lampes fluorescentes ont une sensibilité aux variations de tension deux à trois fois plus faible que les lampes à incandescence. Elles s'avèrent donc être le meilleur choix vis à vis du flicker. III.2.B- Alimentation sans interruption (ASI) L'investissement d'une telle installation peut être relativement faible, mais cette solution n'est qu'un remède local. III.2.C- Modification du perturbateur Lorsque le démarrage direct et fréquent d'un moteur est la cause du flicker, un mode de démarrage réduisant la surintensité peut être adopté. III.2.D- Adjonction d'un volant d'inertie Dans certains cas particuliers, un moteur avec charge variable ou un alternateur dont la puissance de la machine d'entraînement est variable peuvent provoquer des fluctuations de tension. Un volant d'inertie sur l'arbre les réduit. III.2.E- Convertisseur tournant Un groupe moteur - générateur réservé à l'alimentation de la charge fluctuante est une solution valable si la puissance active de cette charge est relativement constante, mais son prix est élevé. III.2.F- Modification du réseau Selon la structure du réseau, deux méthodes sont envisageables : ▪ Eloigner (électriquement), voire isoler, la charge perturbatrice des circuits d'éclairage. ▪ Augmenter la puissance de court-circuit du réseau en diminuant son impédance. 25 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre III : Les récepteurs et leurs contraintes d'alimentation III.2.G- La capacité – série Source Cette solution présente un avantage supplémentaire, car elle assure en plus une production d'énergie réactive. Par contre, elle comporte aussi un inconvénient, car il faut protéger les condensateurs contre les courts-circuits en aval. Capacité série Réseau sensible au Flick Générateur De flicker Figure III-1 : Capacité en série III.2.H- La réactance série Source Elle comporte souvent un dispositif de réglage hors tension (prises boulonnées) et une possibilité de court-circuitage. Son inconvénient est que la réactance est traversée par le courant de charge, elle consomme donc de l'énergie réactive. Utilisée pour les fours à arcs. Réactance série Générateur De flicker Réseau sensible au Flick Figure III-2 : Réactance série III.2.I- La réactance shunt saturée Une telle réactance raccordée au plus près de la source de flicker peut réduire d'un facteur 10 les fluctuations supérieures à la tension nominale, mais elle est inopérante pour les fluctuations inférieures parce que l'inductance ne sature pas. Ces réactances présentent des inconvénients : • Elles consomment du courant réactif • Elles produisent des harmoniques • Leur prix est plutôt élevé. 26 Source Réactance shunt saturée Générateur De flicker Réseau sensible au Flick Figure III-3 : Réactance shunt saturée Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre III : Les récepteurs et leurs contraintes d'alimentation III.2.J- La réactance de découplage (auto-transfo spécial) Source Ce procédé est très efficace, puisqu'il peut réduire les fluctuations d'un facteur 10. Mais il exige une configuration appropriée du réseau. Une impédance est insérée dans l'alimentation de la charge perturbatrice. Grâce à un autotransformateur spécial connecté à cette impédance, on ajoute la tension opposée à la perturbation au niveau du réseau sensible au flicker. Il n'y a pas d'atténuation du flicker en amont du dispositif. Réactance de découplage série Réseau sensible au Flick Générateur De flicker Figure III-4 : Réactance de découplage III.2.K- Le compensateur synchrone Compensateur synchrone Source Cette solution conduit à une réduction des fluctuations de 2 à 10 % et jusqu'à 30 % avec des systèmes modernes de contrôle électroniques. Générateur De flicker Réseau sensible au Flick Figure III-5 : Réactance shunt saturée III.2.L- Le compensateur statique Cet équipement SVC (Static Var Compensator) est destiné à faire une compensation en temps réel de la puissance réactive. Son emploi permet également une réduction du flicker de 25 % à 50 %. Il comporte des inductances de compensation, une batterie fixe de condensateurs shunts montés en filtre et un dispositif électronique à base de thyristors. 27 Source SVC Générateur De flicker Réseau sensible au Flick Figure III-6 : Réactance shunt saturée Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre III : Les récepteurs et leurs contraintes d'alimentation III.3- Les perturbations d’un récepteur moteur III.3.A- Entraînement à vitesse variable L'entraînement à vitesse variable d'une machine réceptrice peut s'effectuer selon deux types de procédés, fondamentalement différents : • Le premier consiste à agir sur la transmission entre le moteur tournant à vitesse fixe et l'organe entraîné à vitesse variable : c'est le cas des systèmes mécaniques, hydrauliques et électromagnétiques • Le second s'obtient en faisant fonctionner le moteur à vitesse variable à l'aide de solutions électriques ou électroniques. Solutions mécaniques, hydrauliques et électromagnétiques Il faut noter que le rendement de ces dispositifs diminue rapidement avec la vitesse. • Les variateurs à courroies ou à chaînes : Ce sont des organes simples et peu coûteux qui peuvent transmettre des puissances. Engrenages (Roues dentées) Roue dentée et vis sans fin Roues de friction Chaine et roues dentée Manivelle bielle manivelle Courroie et poulie Figure III-7 : Système de transmission de mouvement. • Les boîtes de vitesses : Ce sont des dispositifs coûteux qui possèdent un bon rendement et qui autorisent une puissance transmise élevée. Mais ils ne permettent pas une variation continue de la vitesse. • Les accouplements glissants : Ces dispositifs sont caractérisés par la dissipation d'une partie de la puissance par glissement au niveau de l'accouplement. ▪ Les systèmes à friction sont basés sur le principe d'une transmission métal sur métal dans l'huile. ▪ Les variateurs hydrauliques, en particulier les dispositifs dont le fonctionnement repose sur une circulation d'huile entre deux parties tournantes jouant respectivement le rôle de pompe et de turbine, Solutions électriques • Le réglage de la vitesse d'un moteur asynchrone à rotor bobiné par rhéostat est un procédé incompatible avec un bon rendement (utilisé que dans les cas particuliers). • Le réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage par changement de polarité, consiste à connecter différemment les bobines du stator. • Installer deux moteurs de vitesses différentes sur le même arbre. Solutions électroniques 28 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre III : Les récepteurs et leurs contraintes d'alimentation III.3.B- Démarrage des moteurs électriques Lors de la mise sous tension, l'impédance présentée par le moteur est très faible. Il peut s'ensuivre un violent appel de courant (4 à 10 fois le courant nominal) si aucun dispositif particulier ne vient le limiter. Le réseau d'alimentation n'étant jamais de puissance infinie, cet appel de courant peut provoquer une chute de tension sur le réseau susceptible de perturber les autres utilisateurs. Cette chute de tension peut aussi conduire à faire travailler le moteur dans des zones de fonctionnement à proscrire, du fait de l'échauffement excessif en résultant, ou d'une mise en vitesse trop lente de la machine entraînée, voire d'un ralentissement et d'un arrêt du moteur sous tension. III.3.C- Freinage des moteurs asynchrones Le couple de freinage de l'ensemble moteur et machine entraînée est égal au couple développé par le moteur augmenté du couple résistant de la machine entraînée. III.3.D- Effets des perturbations sur les moteurs À l'heure actuelle, plus de la moitié de l'énergie consommée en milieu industriel est utilisée par les moteurs, d'où l'importance de leur comportement face aux perturbations. a) Creux de tension Lors de l'apparition d'un creux de tension, le couple moteur proportionnel au carré de la tension, subit une diminution brutale qui provoque le ralentissement du moteur. Ce ralentissement, fonction de l'amplitude et de la durée du creux, dépend essentiellement du moment d'inertie des masses tournantes et du couple résistant. Lors de la réapparition de la tension du réseau, chaque moteur absorbe un courant d'autant plus proche de son courant de démarrage sous pleine tension, la somme des appels de courant de tous les moteurs au moment du redémarrage peut provoquer le déclenchement des protections. Ces surintensités peuvent également conduire à des chutes de tension dans les impédances amont. b) Coupures brèves Si, au moment de la réapparition de la tension du réseau, la tension se trouve en opposition de phase avec une tension rémanente dont l'amplitude a peu décru, il se produit alors une surintensité élevée pouvant atteindre deux fois la pointe de démarrage du moteur, soit 12 à 15 fois son intensité nominale. Les conséquences peuvent être importantes pour le moteur : ▪ Échauffements supplémentaires (pouvant engendrer des ruptures d'isolation) ; ▪ À-coups de couple dangereux pouvant conduire à des contraintes mécaniques anormales. c) Déséquilibre des tensions Les charges monophasées non équilibrées sur les trois phases et les récepteurs triphasés ne fonctionnant pas de façon symétrique créent des déséquilibres de tension. En présence d'un système de tension inverse, le stator induit donc dans le rotor des courants de fréquence égale au double de la fréquence du réseau. Ces courants provoquent des échauffements supplémentaires et des couples pulsatoires pouvant entraîner des contraintes mécaniques et des bruits anormaux. Le système homopolaire n'exerce aucune influence car l'impédance homopolaire du moteur est infinie d) Harmoniques de tension L'effet des harmoniques sur l'appareillage électrique peut être un dysfonctionnement, un échauffement excessif ou des vibrations mécaniques pouvant entraîner sa destruction. 29 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre III : Les récepteurs et leurs contraintes d'alimentation III.4- Les perturbations des autres récepteurs Flicker Harmoniques Déséquilibre Rayonnement Moteurs A, B, F * A, B, D Fours à arc A, B, F A, B, D Fours à induction ** A, B, H * A, B, D A, B, G, H * A, B, D A, B, G, H Fours à résistances A, B, F Machines à souder par résistance A, B, F A, B, G, H Machines à souder par arcs A, B, F A, B, G, H Equipements H. F. Chaudières A, B, D A, B, F Energie Creux de réactive tension C A, B E C A, B *E C C E C E A, B Electronique de puissance A, B, D Eclairage A, B, D Eclairage à induction E C E (*) pour une alimentation par l'intermédiaire d'un système d'électronique de puissance (**) si moteurs monophasés A: augmentation de la puissance de court-circuit du réseau B: séparation du récepteur du reste de l'installation (transformateur particulier, ...) C: installation de condensateurs D: installation de filtres anti-harmoniques E: blindage F: installation d'un équipement de réduction du flicker G: installation d'un pont de Steinmetz dans le cas d'une machine monophasée Tableau III-1 : Perturbations générées et remèdes Creux de tension Flicker Harmoniques Moteurs X X Électronique de puissance X X Électronique sensible X X* (*) dans le cas d'un ballast avec compensation du réactif Tableau III-2 : Sensibilité aux perturbations 30 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Déséquilibres X X Abderrahmani Abdesselam Chapitre IV : Les sources d'alimentation Sommaire Ch. IV IV.1- L'alimentation par les réseaux de distribution publique............................................. 32 IV.2- Les alternateurs (générateurs synchrones) ................................................................... 33 IV.2.A- Caractéristiques et comportement des alternateurs ............................................................... 33 IV.2.A.1- Alternateur débitant sur un réseau de puissance "infinie" ................................. 34 IV.2.A.2- Alternateur débitant sur un réseau indépendant ................................................ 34 IV.2.B- Fonctionnement en moteur synchrone .................................................................................. 34 IV.3- Les génératrices asynchrones ......................................................................................... 34 IV.3.A- Génératrice asynchrone couplée à un réseau de puissance infinie ....................................... 34 IV.3.B- Génératrice asynchrone alimentant un réseau indépendant .................................................. 35 IV.3.C- Avantages comparés des alternateurs et des génératrices asynchrones ................................ 35 IV.4- Les alimentations sans interruption (ASI) .................................................................... 35 31 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre IV : Les sources d'alimentation Les sources d'alimentation IV.1- L'alimentation par les réseaux de distribution publique Les caractéristiques principales de la tension fournie par un réseau public de distribution moyenne et basse tension dans des conditions normales d'exploitation sont de définir et de décrire les valeurs caractérisant la tension d'alimentation fournie telles que : La fréquence 50 𝐻𝑧 ± 1 % L’amplitude Alimentation à basse tension Alimentation à moyenne tension 𝑈𝑛 ± 10% 𝑈𝑛 ± 10% • Variation • Variations rapides • Creux de tension Généralement < 5 % 𝑑𝑒 𝑈𝑛 mais pouvant atteindre 10 % Généralement < 4 % 𝑑𝑒 𝑈𝑛 mais pouvant atteindre 6 % ▪ Profondeur : ▪ Profondeur : 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 10 % 𝑒𝑡 99 % 𝑑’𝑈𝑛. 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 10 % 𝑒𝑡 99 % 𝑑𝑒 𝑈𝑛 ▪ Durée : ▪ Durée : 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 10 𝑚𝑠 𝑒𝑡 1 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 10 𝑚𝑠 𝑒𝑡 1 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑒 ▪ Nombre : ▪ Nombre : À 1 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑖𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑟 𝑎𝑛 • Coupures brèves À 1 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑖𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑟 𝑎𝑛 ▪ Tension au point de livraison ▪ Tension au point de livraison < 1 % 𝑑𝑒 𝑈𝑛 < 1 % 𝑑𝑒 𝑈𝑛 ▪ Durée : ▪ Durée : Jusqu’à 3 min. Jusqu’à 3 min. ▪ Nombre : ▪ Nombre : À 𝑝𝑙𝑢𝑠𝑖𝑒𝑢𝑟𝑠 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑖𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑎𝑟 𝑎𝑛 • Coupures longues À 𝑝𝑙𝑢𝑠𝑖𝑒𝑢𝑟𝑠 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑖𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑎𝑟 𝑎𝑛 ▪ Tension au point de livraison ▪ Tension au point de livraison < 1 % 𝑑𝑒 𝑈𝑛 < 1 % 𝑑𝑒 𝑈𝑛 ▪ Durée : ▪ Durée : 𝑆𝑢𝑝é𝑟𝑖𝑒𝑢𝑟𝑒 à 3 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑒𝑠 𝑆𝑢𝑝é𝑟𝑖𝑒𝑢𝑟𝑒 à 3 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑒𝑠 ▪ Nombre : ▪ Nombre : 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 10 𝑒𝑡 50 𝑝𝑎𝑟 𝑎𝑛 • Flicker 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 10 𝑒𝑡 50 𝑝𝑎𝑟 𝑎𝑛 ▪ La mesure de l'intensité ▪ La mesure de l'intensité 𝑃𝑙𝑡 ≤ 1 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑎𝑛𝑡 95 % du temps de chaque période d'une semaine 𝑃𝑙𝑡 ≤ 1 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑎𝑛𝑡 95 % du temps de chaque période d'une semaine • Surtensions temporaires phases et terre. ▪ En général, l'amplitude peut ▪ Pour les réseaux à neutre à la terre atteindre la valeur de la tension direct ou par une impédance, entre phases. la surtension ne doit pas dépasser ▪ La surtension suite un défaut côté 1,7 𝑈𝑛 amont d'un transformateur ne ▪ Pour les réseaux à neutre isolé ou dépasse généralement pas avec bobine, la surtension ne doit la valeur de 1,5 𝑈𝑛 pas dépasser 2 𝑈𝑛 ▪ Amplitude généralement < 6 kV • Surtensions crête transitoires entre ▪ Temps de montée variant de moins phases et terre de quelques µs à plusieurs ms • Déséquilibre de la ▪ La composante inverse de la ▪ La composante inverse de la tension sont inférieures à 2 %. tension sont inférieures à 2 %. tension fournie Tableau IV-1 : Caractéristiques principales de la tension MT et BT fournie par un réseau public de distribution 32 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre IV : Les sources d'alimentation La forme de l'onde ; Harmoniques impairs non Harmoniques impairs Harmoniques pairs multiples de 3 multiples de 3 Rang Tension % Rang Tension % Rang Tension % 5 6 3 5 2 2 7 5 9 1,5 4 1 11 3,5 15 0,5 6 à 24 0,5 13 3 21 0,5 17 2 19 1,5 23 1,5 Tableau IV-2 : Valeurs maximales des tensions harmoniques au point de livraison des réseaux MT et BT La puissance de court-circuit C’est la puissance de court-circuit au point de livraison du site : Un2 (IV-1) 𝑆𝑐𝑐 = √3. 𝑈𝑛 . 𝐼𝑐𝑐 = 𝑍 𝑈𝑛 , 𝑉𝑛 : tensions composée et simple du réseau 𝑍 : impédance équivalente au réseau amont vue du point de livraison 𝐼𝑐𝐶 : valeur du courant de court-circuit triphasé au point de livraison Une puissance de court-circuit élevée présente l'avantage de rendre le réseau moins sensible aux perturbations produites par les utilisateurs telles que flicker, harmoniques, pointes de courant des démarrages des moteurs, .... Elle présente, par contre, l'inconvénient de nécessiter un appareillage susceptible de véhiculer ou couper un courant de court-circuit élevé. IV.2- Les alternateurs (générateurs synchrones) IV.2.A- Caractéristiques et comportement des alternateurs • L’amplitude de la force électromotrice interne E est proportionnelle au courant continu d'excitation 𝐼𝑓 circulant dans le rotor si on néglige la saturation. • L'angle de phase δ, appelé angle interne caractérise le décalage angulaire entre l'axe magnétique du rotor (ou E) et la référence constituée par la tension V aux bornes du stator. Il existe une corrélation étroite entre δ et l'échange d'énergie entre le rotor et le stator, c'est-à-dire l'énergie transformée de la forme mécanique à la forme électrique. • Dans le cas particulier, l'angle de phase 𝜑 est compris entre 0 𝑒𝑡 𝜋⁄2 . • L'alternateur fournit au circuit extérieur triphasé Une puissance active : (IV-2) 𝑃 = 3. 𝑉. 𝐼. cos 𝜑 Une puissance réactive : (IV-3) 𝑄 = 3. 𝑉. 𝐼. sin 𝜑 Ainsi, lorsque la tension aux bornes de l'alternateur est constante (cas d'exploitation normale), On obtient alors : 3. 𝐸. 𝑉 𝑃= . sin δ 𝑋𝑑 (IV-4) 𝑋𝑑 Réactance synchrone Il apparaît la relation liant l'angle interne de la machine δ avec la puissance active fournie. Celle-ci représente la puissance transformée de la forme mécanique à la forme électrique. 33 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre IV : Les sources d'alimentation La puissance réactive : 3. 𝐸. 𝑉 3. 𝑉 2 (IV-5) 𝑄= . cos δ − 𝑋𝑑 𝑋𝑑 Le couple électromagnétique résistant 𝐶𝑟 s'obtient en divisant l'expression de P par 𝜔⁄𝑝 : 𝑝 3. 𝐸. 𝑉 𝑃= . . sin δ 𝜔 𝑋𝑑 (IV-6) 𝑝 : nombre de pair de pôle. IV.2.A.1- Alternateur débitant sur un réseau de puissance "infinie" Pour faire débiter l'alternateur sur le réseau de distribution ou de transport, la fréquence et la tension sont imposées, on dispose de deux moyens d'action : ▪ Augmenter la puissance mécanique fournie par la machine d'entraînement ▪ Modifier le courant d'excitation 𝐼𝑓 . • Réglage de la puissance active : Si on augmente la puissance mécanique en laissant 𝐼𝑓 constant, la puissance électrique augmente alors de la même quantité, sinon il y aurait accélération et la machine ne tournerait plus à la vitesse de synchronisme /𝑝 , indispensable à son fonctionnement. • Réglage de la puissance réactive : maintenant on laisse constante la puissance mécanique, et on fait varier le courant d'excitation 𝐼𝑓 . IV.2.A.2- Alternateur débitant sur un réseau indépendant Lorsque l'alternateur n'est pas couplé au réseau de distribution, et débite sur un réseau indépendant, la fréquence et la tension ne sont pas imposées par le réseau. Il faut ajuster la vitesse pour que la fréquence soit correcte, en agissant sur la puissance mécanique. Cette action est réalisée par un régulateur de vitesse. IV.2.B- Fonctionnement en moteur synchrone Le fonctionnement de la machine synchrone est parfaitement réversible. Si l'on alimente l'induit (stator) par un système de courants triphasés et l'inducteur (rotor) par un courant continu, on peut transformer l'énergie électrique en énergie mécanique, à condition que la machine tourne à la vitesse de synchronisme 𝜔/𝑝 IV.3- Les génératrices asynchrones IV.3.A- Génératrice asynchrone couplée à un réseau de puissance infinie Lorsque la GA est couplée au réseau de distribution ou de transport, celui-ci impose sa tension et sa fréquence. Par ailleurs, il fournit à la GA l'énergie réactive dont elle a besoin quel que soit son régime de fonctionnement. • Puissance active et rendement : La puissance électrique nominale fournie, sera à peu près égale à la puissance électrique absorbée en moteur, c'est-à-dire à la puissance mécanique nominale du moteur divisé par son rendement. • Couplage : Pour coupler une GA sur le réseau, on l'accélère progressivement jusqu'à sa vitesse de synchronisme 𝑁𝑠 puis on met le stator sous tension. A cette vitesse, le couple de la machine est nul et le courant est minimal en régime établi. • Découplage : Le découplage involontaire par protection se traduit généralement par un passage en survitesse du groupe machine d'entraînement-génératrice, à moins que l'ensemble ne puisse être freiné très rapidement. À cause de ces survitesses, appelées également emballements, 34 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre IV : Les sources d'alimentation on n'utilise pratiquement jamais de GA bipolaires (vitesse de synchronisme 3 000 tr/min à 50 Hz). Les GA tétrapolaires ne sont employées qu'à faible puissance ou lorsque le groupe comporte un frein mécanique à manque de courant. • Compensation de la puissance réactive. IV.3.B- Génératrice asynchrone alimentant un réseau indépendant Ce type d'utilisation des GA est moins courant et réservé en pratique aux machines de faible ou moyenne puissance (mais restant inférieure à100 kW environ). Le problème est double : • La GA, par nature, ne fournit pas d'énergie réactive, contrairement à l'alternateur. De plus, il faudra lui fournir son énergie d'excitation. • Comme pour toute source autonome d'énergie, il faudra stabiliser la tension et la fréquence du réseau. IV.3.C- Avantages comparés des alternateurs et des génératrices asynchrones • Connexion à un réseau de puissance "infinie" : Pour des puissances pas très importantes, jusqu'à quelques MW, la génératrice asynchrone ne présente que des avantages par rapport à l'alternateur : ▪ Meilleure fiabilité : construction plus simple et généralement plus robuste. ▪ Simplicité et sécurité d'utilisation : couplage plus facile, appareillage plus simple, aucun risque d'alimentation inopinée d'une portion de réseau. Le seul avantage de l'alternateur est sa capacité à fournir de l'énergie réactive. • Alimentation d'un réseau indépendant : Les GA peuvent être utilisées pour alimenter un réseau indépendant lorsqu'il s'agit d'installations simples. En revanche, lorsque le réseau à alimenter devient plus complexe, en particulier lorsque son cos 𝜑 varie constamment, l'alternateur devient alors mieux adapté. IV.4- Les alimentations sans interruption (ASI) Figure IV-1 : Alimentation ISA (Tableau BT secouru par un onduleur) 35 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre V : Les surtensions et la coordination de l'isolement Sommaire Ch. V V.1- Introduction....................................................................................................................... 37 V.2- Les surtensions .................................................................................................................. 37 V.2.A- Origine des surtensions .......................................................................................................... 37 V.2.B- Classification des surtensions ................................................................................................ 37 V.2.B.1- Classification selon la durée ............................................................................... 37 V.2.B.2- Classification selon les formes de tensions normalisées ..................................... 38 a) Surtensions à fréquence industrielle .......................................................................... 38 b) Surtensions de manœuvre .......................................................................................... 38 c) Surtensions atmosphériques (foudre)......................................................................... 38 V.2.C- Conséquences des surtensions................................................................................................ 38 V.3- Les dispositifs de protection contre les surtensions ....................................................... 39 V.3.A- Principe de la protection ........................................................................................................ 39 V.3.A.1- 1er niveau de protection ...................................................................................... 39 a) Paratonnerres ............................................................................................................. 39 b) Cages maillées ou de Faraday ................................................................................... 39 c) Câbles de garde .......................................................................................................... 39 V.3.A.2- 2ème niveau de protection .................................................................................. 40 a) Les éclateurs .............................................................................................................. 40 b) Les parafoudres.......................................................................................................... 40 V.3.A.3- 3ème niveau de protection .................................................................................. 41 V.3.B- Protection des installations BT............................................................................................... 41 V.4- Coordination de l'isolement dans une installation électrique industrielle .................. 41 36 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre V : Les surtensions et la coordination de l'isolement Les surtensions et la coordination de l'isolement V.1- Introduction La coordination de l'isolement est une discipline qui permet de réaliser le meilleur compromis technico-économique dans la protection des personnes et des matériels contre les surtensions pouvant apparaître sur les installations électriques, que ces surtensions aient pour origine le réseau ou la foudre. Les surtensions électriques sont une hausse soudaine de tension qui entraîne l'endommagement des appareils et équipements reliés à l'installation électrique. Différents types de surtension peuvent apparaître dans les réseaux industriels. Il faut donc installer des dispositifs permettant de diminuer leur amplitude et choisir le niveau d'isolement des équipements adéquat. V.2- Les surtensions Ce sont des perturbations qui se superposent à la tension nominale d’un circuit (la valeur de crête dépasse la valeur de crête correspondant à la tension la plus élevée pour le matériel). Elles peuvent apparaître : • Entre phases ou entre circuits différents, et sont dites de mode différentiel, • Entre les conducteurs actifs et la masse ou la terre et sont dites de mode commun. V.2.A- Origine des surtensions Les surtensions peuvent être d'origine interne ou externe. • Origine interne : Ces surtensions sont causées par un élément du réseau considéré et ne dépendent que des et de du réseau lui-même. • Origine externe : Ces surtensions sont provoquées ou transmises par des éléments externes au réseau, dont on peut citer à titre d'exemple : ▪ Surtension provoquée par la foudre. ▪ Propagation d’une surtension HT à travers un transformateur vers un réseau interne d’usine. V.2.B- Classification des surtensions Les surtensions sont classées selon leur durée et leur forme. V.2.B.1- Classification selon la durée Surtension temporaire : Surtension à fréquence industrielle de durée relativement longue (de quelques périodes à quelques secondes). Un court-circuit d'une des phases d'un réseau triphasé à la terre (défaut d'isolement d'un câble HT par exemple) peut produire une surtension temporaire sur les autres phases (phénomène non négligeable en haute tension). Les systèmes de régulation de tension des alternateurs peuvent aussi créer des surtensions temporaires lors de phénomènes transitoires. La ferrorésonance est une surtension transitoire ou temporaire. Surtension transitoire Surtension de courte durée ne dépassant pas quelques millisecondes, oscillatoire ou non, généralement fortement amortie. Les surtensions transitoires sont divisées en : ▪ Surtension à front lent ▪ Surtension à front rapide ▪ Surtension à front très rapide. 37 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre V : Les surtensions et la coordination de l'isolement V.2.B.2- Classification selon les formes de tensions normalisées Les formes d'ondes normalisées utilisées pour effectuer les essais des matériels : a) Surtensions à fréquence industrielle Sous cette appellation de fréquence industrielle sont regroupées les surtensions ayant des fréquences inférieures à 500 Hz. Les surtensions à fréquence industrielle ont généralement pour origine : • Un défaut à la terre ; • Une résonance ou une Ferro-résonance ; • Une rupture du conducteur neutre ; • Un défaut d'un régulateur de tension d'un alternateur ou d'un régleur en charge de transformateur ; • Une surcompensation de l'énergie réactive suite à un défaut d'un régulateur var-métrique ; • Un délestage de charge, notamment lorsque la source d'alimentation est un alternateur. Rappel : les fréquences industrielles les plus fréquentes sont : 50, 60 et 400 Hz. b) Surtensions de manœuvre Lors des manœuvres de mise sous tension ou de mise hors tension de récepteurs, des surtensions transitoires apparaissent sur le réseau. Ces surtensions sont d'autant plus dangereuses si le courant coupé est inductif ou capacitif. L'amplitude, la fréquence et la durée d'amortissement de ce régime transitoire dépendent des caractéristiques du réseau considéré et des caractéristiques mécaniques et diélectriques de l'appareil de coupure. C’est une tension de choc ayant une durée jusqu'à la crête de 250 µs et une durée de descente jusqu'à la mi- valeur de 2500 µs. c) Surtensions atmosphériques (foudre) L’orage est un phénomène naturel connu de tous, spectaculaire et dangereux. Les réseaux aériens sont les plus affectés par les surtensions et surintensités d’origine atmosphérique. Une particularité des coups de foudre est leur polarisation : ils sont généralement négatifs (nuage négatif et sol positif). Environ 10 % sont de polarité inverse, mais ce sont les plus violents. C’est une tension de choc ayant une durée de front montant de 1,2 µs et une durée de descente jusqu'à la mi- valeur de 50 µs. V.2.C- Conséquences des surtensions Les conséquences peuvent être très diverses suivant la nature des surtensions, leur amplitude et leur durée. Elles sont résumées dans ce qui suit : • Claquage du diélectrique isolant des équipements ; • Dégradation du matériel par vieillissement ; • Perte de l'alimentation suite aux coupures longues ; • Perturbation des circuits de contrôle - commande et de communication ; • Contraintes électrodynamiques (destruction ou déformation de matériel) et thermiques (fusion d'éléments, incendie, explosion) ; • Danger pour l'homme et les animaux. 38 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre V : Les surtensions et la coordination de l'isolement V.3- Les dispositifs de protection contre les surtensions V.3.A- Principe de la protection La protection des installations et des personnes contre les surtensions est d'autant meilleure qu'un écoulement des perturbations vers la terre est assuré, et ceci le plus près possible des sources de perturbation. Cela impose la mise en œuvre de prises de terre de faible impédance. Ainsi, on distingue 3 niveaux de protection contre les surtensions : V.3.A.1- 1er niveau de protection L'objectif est d'éviter l'impact direct sur les ouvrages en captant la foudre et en l'orientant vers des lieux d'écoulement privilégiés, au moyen de : a) Paratonnerres Dont le principe est basé sur la distance d'amorçage ; une tige placée en haut de la structure à protéger capte la foudre et l'écoule à travers le réseau de terre. Figure V-1 : Paratonnerres b) Cages maillées ou de Faraday Ce principe est utilisé pour les bâtiments sensibles (matériel informatique...). Des feuillards sont disposés à l’extérieur du bâtiment, de façon symétrique. Les conducteurs de descente sont reliés à la terre. Cette meilleure équipotentialité du bâtiment et la division des courants de foudre réduit fortement les champs électromagnétiques Figure V-2 : Cages de Faraday c) Câbles de garde Ce sont des câbles tendus au-dessus de l’ouvrage à protéger. Pour protéger les réseaux électriques on installe au-dessus des conducteurs des câbles de garde. Ces câbles peuvent contenir des fibres optiques et servent ainsi de support de communication. Figure V-3 : Câbles de garde 39 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre V : Les surtensions et la coordination de l'isolement V.3.A.2- 2ème niveau de protection Son but est d'assurer que le niveau d'isolement au choc des éléments du poste n'est pas dépassé. Il est réalisé en HT au moyen d'éléments assurant l'écoulement de l'onde de foudre à la terre tels que : a) Les éclateurs Utilisés en MT et HT, ils sont placés sur les points des réseaux particulièrement exposés et à l’entrée des postes MT/BT. Leur rôle est de constituer un point faible maîtrisé dans l’isolement du réseau, afin qu’un amorçage éventuel se produise systématiquement là. Le premier et le plus ancien des appareils de protection est l’éclateur à pointes. Il était constitué de deux pointes en vis-à-vis, appelées électrodes, dont l’une était reliée au conducteur à protéger et l’autre à la terre. Les modèles actuels les plus courants sont basés sur ce même principe mais comportent deux cornes » permettant d’allonger l’arc, de faciliter le rétablissement de qualités diélectriques par déionisations de l’intervalle d’amorçage Figure V-4 : Un éclateur MT avec et d’aboutir, dans certains cas, à l’extinction. tige anti-oiseaux La distance entre les deux électrodes permet d’ajuster le niveau de protection. b) Les parafoudres Leur avantage est de ne pas présenter de courant de suite et d’éviter que le réseau soit mis en courtcircuit, puis hors tension après amorçage. Différents modèles ont été conçus : parafoudre à filet d’eau, parafoudre à gaz. Les types les plus répandus sont : • Les parafoudres à résistances variables et éclateurs : Ce type de parafoudre associe en série des éclateurs et des résistances non linéaires (varistances) capables de limiter le courant après le passage de l’onde de choc. Après l’écoulement de l’onde de courant de décharge, le parafoudre n’est plus soumis qu’à la tension du réseau. Celle-ci maintient un arc sur l’éclateur, mais le courant correspondant, dit « courant de suite », traverse la résistance dont la valeur est maintenant élevée. • Les parafoudres à oxyde de zinc (ZnO) : Ils sont constitués uniquement de varistances et remplacent de plus en plus les parafoudres à résistances variables et éclateurs. L’absence d’éclateur fait que le parafoudre à ZnO est continuellement conducteur mais, sous la tension nominale du réseau protégé, avec un courant de fuite à la terre très faible (inférieur à 10 mA). Figure V-5 : Structure d’un parafoudre ZnO en enveloppe porcelaine 40 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre V : Les surtensions et la coordination de l'isolement V.3.A.3- 3ème niveau de protection Utilisé en BT comme protection complémentaire des équipements sensibles (informatique, appareils de télécommunication, ...). Il est réalisé au moyen de : • Filtres série • Limiteurs de surtensions • Parafoudres BT. V.3.B- Protection des installations BT La protection des installations BT contre les surtensions est réalisée par la mise en place de matériels en parallèle ; 3 types d'appareils sont utilisés : • Les limiteurs de surtension situés au secondaire des transformateurs MT/BT (uniquement en schéma IT) ; ils protègent uniquement contre les surtensions à fréquence industrielle • Les parafoudres basse tension installés dans les tableaux électriques BT ou intégrés à l'intérieur des récepteurs • Les parasurtenseurs destinés à la protection des réseaux téléphoniques, des coffrets BT et des récepteurs. V.4- Coordination de l'isolement dans une installation électrique industrielle Les premiers réseaux électriques étaient technologiquement très rudimentaires et à la merci des conditions atmosphériques comme le vent ou la pluie : • Le vent, en faisant varier les distances entre les conducteurs, était à l’origine d’amorçages, • La pluie favorisait les fuites de courant à la terre. Ces problèmes ont conduit à : ▪ Utiliser des isolateurs, ▪ Déterminer des distances d’isolement, ▪ Relier les masses métalliques des appareils à la terre. La coordination de l’isolement a pour rôle de déterminer les caractéristiques d’isolement nécessaires et suffisantes des divers constituants des réseaux en vue d’obtenir une tenue homogène aux tensions normales, ainsi qu’aux surtensions de diverses origines. Son but final est de permettre une distribution sûre et optimisée de l’énergie électrique. Cette optimisation permet de trouver le meilleur rapport économique entre les différents paramètres dépendant de cette coordination : • Coût de l’isolement, • Coût des protections, • Coût des défaillances (perte d’exploitation et réparation) compte-tenu de leurs probabilités. En effet si, à l’aide de techniques appropriées, les surtensions de manœuvre de l’appareillage peuvent être limitées, il est impossible d’agir sur la foudre. Il est donc nécessaire de localiser le point de plus faible tenue par lequel s’écoulera le courant engendré par la surtension, et de doter tous les autres éléments du réseau d’un niveau de tenue diélectrique supérieur. 1 ≤ √3 2 À fréquence industrielle Coefficient de surtension 4 Manœuvre Électrostatiques Foudre Figure V-6 : Différents niveaux de tensions présents sur des réseaux 41 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs Sommaire Ch. VI VI.1- Les câbles ......................................................................................................................... 44 VI.1.A- Type de câbles ...................................................................................................................... 44 VI.1.A.1- Câble unipolaire................................................................................................. 44 VI.1.A.2- Câble multipolaire ............................................................................................. 44 VI.1.B- Constitution générale d’un câble .......................................................................................... 44 VI.1.B.1- Âme.................................................................................................................... 44 a) Caractéristiques électriques ....................................................................................... 44 b) Caractéristiques mécaniques...................................................................................... 45 c) Classe de souplesse .................................................................................................... 45 VI.1.B.2- Enveloppe isolante ............................................................................................. 46 a) Propriétés électriques ................................................................................................. 46 b) Propriétés physiques et chimiques ............................................................................. 46 c) Propriétés mécaniques ............................................................................................... 46 d) Matériaux employés .................................................................................................. 46 e) Couleurs des conducteurs .......................................................................................... 46 VI.2- Détermination des sections de conducteurs en basse tension ...................................... 47 VI.2.A- Introduction .......................................................................................................................... 47 VI.2.B- Principe de la méthode.......................................................................................................... 47 VI.2.C- Logigramme du choix de la section des canalisations .......................................................... 48 VI.2.D- Détermination du courant maximal d’emploi « IB » ............................................................. 48 a) Facteur tenant compte du facteur de puissance et du rendement « a » ...................... 49 b) Facteur d'utilisation des appareils « b » ..................................................................... 49 c) Facteur de simultanéité « c » ..................................................................................... 49 d) Facteur tenant compte des prévisions d'extension « d » ............................................ 49 VI.2.E- Choix du dispositif de protection .......................................................................................... 50 VI.2.E.1- Courant nominal ou de réglage « In » ................................................................ 50 VI.2.E.2- Courant conventionnel de déclenchement « Id »................................................ 50 VI.2.E.3- Pouvoir de coupure « Ip »................................................................................... 50 VI.2.F- Courants maximal admissibles dans les canalisations « I0 » ................................................ 50 a) Influence du mode de pose « K1 » ............................................................................. 51 b) Influence de la température « K2 » ............................................................................ 51 c) Influence de la nature du sol « K3 » ........................................................................... 52 d) Influence mutuelle des circuits « K4 » ....................................................................... 52 e) Conducteur Neutre chargé « Kn » .............................................................................. 53 f) Facteur de tolérance « KT » ........................................................................................ 53 g) Facteurs de correction supplémentaires « KS » ......................................................... 53 VI.2.G- Section d'une canalisation BT .............................................................................................. 54 VI.2.H- Section des conducteurs de neutre, de protection (PE), d'équipotentialité ........................... 55 VI.2.H.1- Section du conducteur neutre ............................................................................ 55 42 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.2.H.2- Section des conducteurs de protection (PE) ...................................................... 56 a) Section des conducteurs de protection entre transformateur HTA/BT et tableau BT 56 b) Section des conducteurs de protection des masses basse tension : (PE) ................... 56 VI.2.H.3- Section des conducteurs d'équipotentialité ........................................................ 57 VI.2.I- Chute de tension ..................................................................................................................... 57 VI.3- Détermination des sections de conducteurs en moyenne tension................................ 61 VI.3.A- Détermination du courant maximal d'emploi ....................................................................... 61 VI.3.B- Courants admissibles dans les canalisations ......................................................................... 61 VI.3.B.1- Modes de pose « K1 » ........................................................................................ 61 VI.3.B.2- Influence mutuelle des circuits « K2 » ............................................................... 62 VI.3.B.3- Influence de température « K3 » ........................................................................ 62 VI.3.B.4- Facteurs de correction pour des résistivités thermiques du sol différent de 1 K.m/W................................................................................................................................ 62 VI.3.C- Section d'une canalisation S1 ................................................................................................ 63 VI.3.C.1- Câbles tripolaires à champ non radial (U≤6/6 (7.2) kV) ................................... 63 VI.3.C.2- Câbles constitués par trois câbles unipolaires (U≤6/10 (12) kV) ...................... 64 VI.3.C.3- Câbles constitués par trois câbles unipolaires (6/6 (7,2) kV<U≤18/30 (36) kV) ............................................................................................................................................ 65 VI.3.C.4- Câbles tripolaires à champ radial (U≤6/10 (12) kV) ......................................... 66 VI.3.C.5- Câbles tripolaires à champ radial (6/6 (7,2) kV<U≤18/30 (36) kV) ................ 67 VI.3.D- Déterminer la section S2....................................................................................................... 67 VI.3.E- Déterminer la section S3 ....................................................................................................... 68 VI.3.E.1- Câbles unipolaires ou tripolaires à champ radial à isolants PR ou EPR ............ 68 VI.3.E.2- Câbles unipolaires ou tripolaires à champ radial à isolants PE ......................... 69 VI.3.E.3- Câbles tripolaires à ceinture à isolant PVC de tension assignée 6/6 (7,2 kV) ... 69 VI.3.F- Détermination de la section minimale d'un câble moyenne tension...................................... 70 43 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs Détermination des sections de conducteurs VI.1- Les câbles Un conducteur isolé est un ensemble formé d'une âme conductrice et de son enveloppe isolante. L'enveloppe isolante est souvent recouverte d'une coloration soit monochrome, soit bicolore en fonction des demandes des clients ou normalisation. Isolateur Âm e Figure VI-1 : Câble VI.1.A- Type de câbles VI.1.A.1- Câble unipolaire Un câble unipolaire est un conducteur isolé comportant en plus une ou plusieurs gaines de protection. Le câble unipolaire est souvent Gaine de protection Âme utilisé à partir d'une section. En effet, lorsque la section est relativement importante, il devient Isolateur plus difficile de cintrer un ensemble de Figure VI-2 : Câble unipolaire conducteur. De même, le refroidissement d'un câble unipolaire est meilleur. La différence avec un conducteur est aussi une protection accrue contre les agressions externes au câble (écrasement, chocs, produits chimique …). VI.1.A.2- Câble multipolaire Un câble multipolaire est un ensemble de conducteurs électriquement distincts mais comportant une protection commune. Âme Gaine commune Isolateur Figure VI-3 : Câble multipolaire VI.1.B- Constitution générale d’un câble VI.1.B.1- Âme a) Caractéristiques électriques L'âme conductrice doit présenter une résistivité très faible ; pour éviter les pertes par effet joules, on emploie : • Cuivre : 𝜌 = 17.241 × 10−3 Ω × 𝑚𝑚2 × 𝑚−1 (valeur de résistivité à 20 °C.) • Aluminium : 𝜌 = 28.264 × 10−3 Ω × 𝑚𝑚2 × 𝑚−1 • Almélec : 𝜌 = 32.6.× 10−3 Ω × 𝑚𝑚2 × 𝑚−1 • Acier : 𝜌 = 150 × 10−3 Ω × 𝑚𝑚2 × 𝑚−1 44 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs b) Caractéristiques mécaniques L'âme des conducteurs doit être assez souple, pour suivre les tracés compliqués des canalisations. L'âme est massive lorsqu'elle est constituée d'un conducteur unique. On dit qu'elle est câblée lorsqu'elle est formée de plusieurs brins assemblés en torons. Les brins des âmes câblées sont répartis en couches successives. • Une couche = 1 + 6 = 7 brins • Deux couches = 1 + 6 + 12 = 19 brins • Trois couches = 1 + 6 + 12 + 18 = 37 brins c) Classe de souplesse La souplesse d'un câble dépend du nombre de brins pour une même section conductrice. La souplesse des câbles est définie en 6 classes : les âmes les plus rigides étant en classe 1, les plus souples en classe 6. Section nominale [𝑚𝑚²] 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 800 1000 Âme des câbles Nombre de brin × diamètre d'un brin [mm] Classe 1 Classe 2 Classe 3 1×1,38 1×1,38 7×0,50 1×1,78 7×0,67 7×0,67 1×2,25 7×0,85 1×2,76 7×1,04 1×3,57 7×1,35 12×1,04 1×4,50 7×1,70 19×1,04 1×5,65 7×2,140 19×1,35 1×6,60 7×2,52 19×1,53 7×2,93 19×1,78 27×1,53 19×2,14 37×1,53 19×2,52 37×1,78 19×2,85 37×2,25 61×1,60 19×3,20 37×2,25 61×1,78 37×2,52 91×1,60 37×2,85 61×2,25 37×3,20 61×2,52 61×2,85 61×3,20 127×2,52 127×2,85 127×3,20 Section nominale [𝑚𝑚²] 0,5 0,75 1 1,5 2,5 4 6 10 16 20 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 Âme des câbles Nombre de brin × diamètre d'un brin [mm] Classe 4 Classe 5 Classe 6 7×0,30 16×0,20 28×0,15 11×0,30 24×0,20 42×0,15 14×0,30 32×0,20 56×0,15 12×0,40 30×0,25 85×0,15 20×0,40 50×0,25 140×0,15 20×0,50 56×0,30 228×0,15 30×0,50 84×0,30 189×0,20 49×0,50 80×0,40 324×0,20 56×0,60 126×0,40 513×0,20 84×0,60 196×0,40 783×0,20 98×0,67 276×0,40 1107×0,20 144×0,67 396×0,40 702×0,30 192×0,67 475×0,40 909×0,30 266×0,67 360×0,50 342×0,67 475×0,50 1702×0,30 266×0,85 608×0,50 2109×0,30 330×0,85 756×0,50 2590×0,30 420×0,85 925×0,50 3360×0,30 518×0,85 1221×0,50 4270×0,30 672×0,85 1525×0,50 854×0,85 1769×0,55 Tableau VI-1 : Classe de souplesse d’un câble 45 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.1.B.2- Enveloppe isolante L'enveloppe isolante est la matière entourant l'âme, elle est destinée à assurer son isolation. Elle doit posséder des propriétés bien précises. a) Propriétés électriques • Très forte résistivité ; • Pertes diélectriques faibles ; • Rigidité diélectrique élevée. b) Propriétés physiques et chimiques • Bonne résistance à la chaleur et au froid ; • Tenue au vieillissement ; • Résistance à l'humidité, à la corrosion et au feu. c) Propriétés mécaniques Des essais de résistance à la traction, à la torsion, à la flexion permettent de contrôler les qualités mécaniques d) Matériaux employés Actuellement, les matières synthétiques ont remplacé les produits tels que les papiers imprégnés ou les caoutchoucs naturels, voire les tissus : • Le polychlorure de vinyle (PVC) ou le polyéthylène. • Le caoutchouc butyle vulcanisé. • Le polyéthylène réticulé chimiquement (PRC), qui associe les bonnes propriétés électriques du polyéthylène aux propriétés thermique du caoutchouc butyle. e) Couleurs des conducteurs Les conducteurs sont repérés par des couleurs : • Conducteur de protection Double coloration Vert/jaune. • Conducteur de neutre Bleu clair. • N'importe quelle couleur peut être utilisée pour les conducteurs de phases à l'exception du vert et du jaune. Les conducteurs de phase sont repérés par la couleur noire ou brune et éventuellement bleu clair dans les câbles multiconducteurs, et ceci uniquement dans le cas où le câble, où la canalisation ne comporterait pas de conducteur de neutre. Par contre, le conducteur vert/jaune d'un câble assurant une liaison ne comportant pas de conducteur de protection doit être abandonnée. Dans le cas où le neutre serait également utilisé comme conducteur de protection (mise au neutre des masses), il doit être repéré comme un conducteur de protection. Attention : Le repérage des conducteurs ne doit être considéré que comme une présomption et il est toujours nécessaire de vérifier la polarité des conducteurs avant toute intervention. 46 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.2- Détermination des sections de conducteurs en basse tension VI.2.A- Introduction Le bilan de puissance c'est la première étape essentielle de l'étude de conception d'un réseau. Elle doit cerner et localiser géographiquement les valeurs des puissances actives et réactives. Selon l'étendu du site, les puissances installées et leurs répartitions, l'installation sera divisée en plusieurs zones géographiques. Le bilan des puissances actives et réactives sera alors fait pour chaque zone en appliquant, aux puissances installées, les facteurs d'utilisation propre à chaque récepteur. VI.2.B- Principe de la méthode Le choix de la section des canalisations et du dispositif de protection doit satisfaire plusieurs conditions nécessaires à la sécurité de l'installation. • La canalisation doit : ▪ Véhiculer le courant maximal d'emploi et ses pointes transitoires normales ▪ Ne pas générer des chutes de tension supérieures aux valeurs admissibles. • Le dispositif de protection doit : ▪ Protéger la canalisation contre toutes les surintensités jusqu'au courant de court-circuit ▪ Assurer la protection des personnes contre les contacts indirects. Le principe de la méthode de détermination de la section du câble peut être décrite par les étapes suivantes : 1ère étape : • Détermine le courant maximal d'emploi 𝐼𝐵 ⟹ déduit le courant assigné 𝐼𝑛 du dispositif de protection. • Calcule le courant de court-circuit maximal 𝐼𝑐𝑐 du dispositif de protection. 2ème étape : • Détermine le facteur global de correction« 𝐾 ». • On choisit la section adéquate du conducteur. 3ème étape : • Vérification de la chute de tension maximale. • Vérification de la tenue des conducteurs à la contrainte thermique en cas de court-circuit • Pour les schémas TN et IT, vérification de la longueur maximale relative à la protection des personnes contre les contacts indirects. La section du conducteur satisfaisant toutes ces conditions est alors retenue. 47 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.2.C- Logigramme du choix de la section des canalisations 1- Calcul du courant D’emploi (𝐼𝐵 𝑒𝑛 𝐴). Bilan de puissance 2- Choix du courant assigne du dispositif de la protection (𝐼𝑛 𝑜𝑢 𝐼𝑟 𝑒𝑛 𝐴). Courant de court-circuit 3- Détermination du courant admissible « 𝐼𝑎 » Choix du type de protection Fusible – 4- Calcule du courant maximal admissible équivalant 𝐼0 Facteurs de correction 5- Section minimale d’une canalisation 6-Vérification de la chute de Schéma IT ou TN Schéma TT Vérification de la longueur maximale de la canalisation 7- Confirmation des choix Figure VI-4 : Le logigramme de choix de la section du câble VI.2.D- Détermination du courant maximal d’emploi « I B » Le courant maximal d'emploi ( 𝐼𝐵 ) est défini selon la nature de l'installation alimentée par la canalisation. Il correspondant à la plus grande puissance transportée en service, en tenant compte des facteurs d'utilisation et de simultanéité de l'installation. En courant continu 𝑃 𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏é𝑒 (𝑒𝑛 𝑊) { } 𝑈 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑒 (𝑒𝑛 𝑉 ) ( VI-1) 𝑆 𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑎𝑝𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏é𝑒 (𝑉𝐴) { } 𝑈 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑢𝑥 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟𝑠 (𝑒𝑛 𝑉 ) ( VI-2) 𝐼𝐵 = En courant alternatif • En monophasé 𝐼𝐵 = • En triphasé 𝐼𝐵 = 48 𝑆 𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑎𝑝𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏é𝑒 (𝑉𝐴) } 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑝ℎ𝑎𝑠𝑒𝑠 (𝑒𝑛 𝑉 ) √3𝑈 { Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ ( VI-3) Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs Influence des harmoniques Lorsque des courants harmoniques de valeur importante circulent dans le conducteur, il faut en tenir compte. Pour le choix de la section, on prendra donc : ∞ 𝐼𝑒𝑓𝑓 = √∑ 𝐼𝑝2 𝑝=1 𝐼1 : Valeur de courant à 50 Hz (ou 60 Hz) 𝐼𝑝 : Valeur du courant harmonique de rang p a) Facteur tenant compte du facteur de puissance et du rendement « a » La puissance apparente d'un récepteur est : 𝑆 = 𝑃𝑢 × 𝑎 {𝑃: 𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒 (𝑒𝑛 𝑘𝑊)} 1 𝑎= 𝜂 × 𝑐𝑜𝑠 𝜑 • 𝜂 : Le rendement. • 𝑐𝑜𝑠 𝜑 : Facteur de puissance. ( VI-4) b) Facteur d'utilisation des appareils « b » Dans une installation industrielle, on suppose que les récepteurs ne seront jamais utilisés à pleine puissance, qui varie généralement de 0,3 à 1. À défaut de précision, on peut prendre : • 𝑏 = 0,75 Pour les moteurs ; • 𝑏 = 1 Pour l'éclairage et le chauffage. c) Facteur de simultanéité « c » Dans une installation industrielle, les récepteurs (d'un atelier par exemple) alimentés par une même canalisation, ne fonctionnent pas simultanément dans tous les cas. Bâtiment administratif Armoire de distribution industrielle Utilisation Eclairage Chauffage et conditionnement d'air Prises de courant 𝑐 1 1 0.1 à 0.2 Nombre de circuits 1 2 et 3 4 et 5 5à9 10 et plus 𝑐 1 0.9 0.8 0.7 0.6 Tableau VI-2 : Facteur de simultanéité d) Facteur tenant compte des prévisions d'extension « d » La valeur du facteur 𝑑 doit être estimée suivant les conditions prévisibles d'évolution de l'installation ; il est au moins égal à 1. À défaut de précision, la valeur 1,2 est souvent utilisée. Le courant maximal d'emploi est alors : 𝑃 ( VI-5) 𝐼𝐵 = × 𝑎 × 𝑏 × 𝑐 × 𝑑 𝑈 1000 Facteur de conversion des puissances en intensités : e {𝑒 = 230 ≈ 0.35 (2𝐶), 1000 𝑒 = 1.7.×400 ≈ 1.4(3𝐶)} 49 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.2.E- Choix du dispositif de protection Récepteur Réseau Canalisation 𝐼𝐵 𝐼𝑎 𝐼𝑛 𝐼𝑐𝑐 1.45 × 𝐼𝑎 𝐼𝑑 Protection 𝐼𝑝 Figure VI-5 : Les courants d’une canalisation VI.2.E.1- Courant nominal ou de réglage « In » Il doit être compris entre le courant d'emploi et le courant admissible 𝐼𝑎 de la canalisation : ( VI-6) 𝐼𝐵 < 𝐼𝑛 𝑜𝑢 𝐼𝑟 < 𝐼𝑎 En prenant le courant 𝐼𝑟 proche de 𝐼𝐵 pour les disjoncteurs réglables VI.2.E.2- Courant conventionnel de déclenchement « Id » Il doit satisfaire la relation suivante : 𝐼𝑑 ≤ 1.45 × 𝐼𝑛 Protection Courant de déclanchement Disjoncteur domestique Disjoncteur industriel Fusible 𝐼𝑑 = 𝑘𝑓 × 𝐼𝑛 ( VI-7) 𝐼𝑑 = 1.45 × 𝐼𝑛 𝐼𝑑 = 1.30 × 𝐼𝑛 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝑘𝑓 = 1.6 à 1.9 𝑠𝑒𝑙𝑜𝑛 𝑙𝑒𝑠 𝑓𝑢𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 Tableau VI-3 : Courant conventionnel de déclenchement VI.2.E.3- Pouvoir de coupure « Ip » Il doit être supérieur à l'intensité de court-circuit maximale triphasée : 𝐼𝑃 ≥ 𝐼𝑐𝑐−𝑇𝑟𝑖 ( VI-8) VI.2.F- Courants maximal admissibles dans les canalisations « I 0 » C'est le courant maximal que la canalisation peut véhiculer en permanence sans préjudice pour sa durée de vie. Le courant admissible 𝐼0 par la canalisation dans les conditions standards est déterminé par le tableau selon le mode de protection : Protégée par un fusible Protégée par un Disjoncteur 𝐼𝑛 ≤ 10 𝐴 10 𝐴 < 𝐼𝑛 ≤ 25 𝐼𝑛 > 25 𝐴 𝐼𝑎 = 1,31 × 𝐼𝑛 𝐼𝑎 = 1,21 × 𝐼𝑛 𝐼𝑎 = 1,1 × 𝐼𝑛 𝐼𝑎 = 𝐼𝑛 Tableau VI-4 : Le courant de la canalisation dans les conditions standards Calculer le courant maximal admissible par la canalisation en fonction de ses conditions d'installation : ( VI-9) 𝐼0 = 𝐼𝑎 ⁄𝐾 Avec « 𝐾 » est le facteur de correction globale. ( VI-10) 𝐾 = 𝐾1 × 𝐾2 × 𝐾3 × 𝐾4 × 𝐾𝑛 50 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs a) Influence du mode de pose « K1 » Les principaux modes de pose utilisés dans les réseaux industriels sont indiqués : • Son numéro et sa lettre de sélection associés • Les facteurs de correction à appliquer. Type d’éléments conducteurs Conducteurs et câbles multiconducteurs Câbles multiconducteurs Câbles mono ou multiconducteurs Mode de pose Lettre Dans des caniveaux ouverts ou ventilés Dans des vides de construction ou caniveaux fermés ou faux-plafonds Dans des goulottes Dans des conduits dans des vides Fixés sur un mur Fixés à un plafond Sur chemin de câbles ou tablettes non perforées Chemins de câbles ou tablettes perforés Sur des corbeaux Sur des échelles à câbles Dans des conduits ou dans des conduits profilés enterrés Enterré B C E, F D 𝑲𝟏 1 0.95 0.9 0,865 1 0.95 1 1 1 1 0.8 1 Tableau VI-5 : Lettre de sélection et facteur de correction de mode de pose « K1 » b) Influence de la température « K2 » ( VI-11) 𝜃𝑝 − 𝜃0 𝐾2 = √ 𝜃𝑝 − 𝜃1 Températures du sol (°C) 𝜃0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Canalisations enterrées 𝜃1 = 20°𝐶 PVC PR et EPR 𝜃𝑝 = 70 °𝐶 𝜃𝑝 = 90 °𝐶 1,10 1,07 1,05 1,04 0,95 0,96 0,89 0,93 0,84 0,89 0,77 0,85 0,71 0,80 0,63 0,76 0,55 0,71 0,45 0,65 0,60 0,53 0,46 0,38 Canalisations non enterrées 𝜃1 = 30°𝐶 Caoutchouc PVC PR et EPR (𝜃𝑝 = 60 °𝐶) 𝜃𝑝 = 70 °𝐶 𝜃𝑝 = 90 °𝐶 1,29 1,22 1,15 1,22 1,17 1,12 1,15 1,12 1,08 1,07 1,06 1,04 0,93 0,82 0,71 0,58 - 0,94 0,87 0,79 0,71 0,61 0,50 - 0,96 0,91 0,87 0,82 0,76 0,71 0,65 0,58 0,50 0,41 Tableau VI-6 : Facteurs de correction K2 (influence de la température) 70−10 Exemple : 𝐾2 = √70−20 = 1.09 ≅ 1.10 51 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs c) Influence de la nature du sol « K3 » La résistivité thermique du sol dépend de la nature et de l'humidité du terrain. Le facteur de correction à appliquer selon la résistivité du sol est donné par le tableau : Observations Résistivité thermique Facteur de du terrain Km/W correction Humidité Nature du terrain 0,40 0,50 0,70 0,85 1,00 1,20 1,5 2,00 2,50 3,00 1,25 1,21 1,13 1,05 1,00 0,94 0,86 0,76 0,70 0,65 Pose immergée Terrain très humide Terrain humide Terrain dit normal Terrain sec Marécages sable Argile et calcaire Terrain sec Cendres et mâchefer Tableau VI-7 : Facteurs de correction K3 (influence de la nature du sol) d) Influence mutuelle des circuits « K4 » Les câbles disposés horizontalement (jointifs) « K41 » Lorsque la distance horizontale entre câbles voisins est supérieure à deux fois leur diamètre extérieur, aucun facteur de réduction n'est nécessaire. Lettre de sélection B, C, F Murs C Plafond Tablettes E, F Échelles Figure VI-6 : Exemple de quatre câbles jointifs Nombre de câbles multiconducteurs ou groupes de câbles non-conducteurs jointifs 1 2 3 4 5 6 7 8 9 12 16 20 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,80 0,85 0,85 0,88 0,88 0,70 0,79 0,76 0,82 0,82 0,65 0,75 0,72 0,77 0,80 0,60 0,73 0,69 0,75 0,80 0,55 0,72 0,67 0,73 0,79 0,55 0,72 0,66 0,73 0,79 0,50 0,71 0,65 0,72 0,78 0,50 0,70 0,64 0,72 0,78 0,45 0,40 0,40 Pas de facteur de réduction supplémentaire Tableau VI-8 : Facteurs de correction K41 (influence de la disposition horizontale) Les câbles disposés en plusieurs couches « K42 » Lorsque les câbles sont disposés en plusieurs couches, les facteurs de correction doivent être appliqués. Figure VI-7 : Exemple de trois couches de câble Nombres de couches Factures de correction 2 0,80 3 0,73 4 ou 5 0,70 6à8 0,68 9 et plus 0,66 Tableau VI-9 : Facteurs de correction K42 (influence de la disposition de couche) (VI-12) 𝐾4 = 𝐾41 × 𝐾42 52 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs e) Conducteur Neutre chargé « Kn » 𝐼ℎ3 𝐼ℎ3 < 15 % 15% < 𝐼ℎ3 < 33 % Où N’est pas défini 𝐾𝑛 1 Conducteur neutre 𝑆𝑁 = 𝑆𝑝ℎ (Neutre non chargé (16%)) 𝑆𝑁 = 𝑆𝑝ℎ = 𝑆𝑝ℎ𝑜 × 0.84 1 0,84 In=1,73 fois le courant calculé Câbles multipolaires : 33 % < 𝐼ℎ3 0.84 1.45 𝑆𝑁 = 𝑆𝑝ℎ = 𝑆𝑝ℎ𝑜 × 1.45 0,84 Câbles unipolaires : 𝑆𝑁 = 𝑆𝑝ℎ𝑜 × 1.45 , 0,84 𝑆𝑝ℎ = 𝑆𝑝ℎ𝑜 × 1 0,84 Tableau VI-10 : Facteur de correction Kn (conducteur Neutre chargé) f) Facteur de tolérance « KT » La tolérance de (+5%) admise par la norme (N’est pas défini 𝐾𝑇 = 1) g) Facteurs de correction supplémentaires « KS » N’est pas défini 𝐾𝑆 = 1 53 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.2.G- Section d'une canalisation BT Les sections des conducteurs de circuits doivent être déterminées en fonction de courant admissible. Caoutchouc ou Butyle ou PR ou éthylène PR 𝑰𝟎 PVC Lettre de sélection Section cuivre (mm²) Section aluminium (mm²) B C E F 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 2,5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 PVC3 PVC2 PVC3 PR3 PVC2 PVC3 15,5 21 28 36 50 68 89 110 134 171 207 239 17,5 24 32 41 57 76 96 119 144 184 223 259 299 341 403 464 18,5 25 34 43 60 80 101 126 153 196 238 276 319 364 430 497 PVC3 19,5 27 36 48 63 85 112 138 168 213 258 299 344 392 461 530 16,5 22 28 39 53 70 86 104 133 161 186 18,5 25 32 44 59 73 90 110 140 170 197 227 259 305 351 19,5 26 33 46 61 78 96 117 150 183 212 245 280 330 381 21 28 36 49 66 83 103 125 160 195 226 261 298 352 406 PR2 PR3 PVC2 22 30 40 51 70 94 119 147 179 229 278 322 371 424 500 576 656 749 855 23 31 39 54 73 90 112 136 174 211 245 283 323 382 440 526 610 711 PR2 PR3 PR2 PVC2 PR3 23 24 26 31 33 36 42 45 49 54 58 63 75 80 86 100 107 115 127 138 149 158 169 185 192 207 225 246 268 289 298 328 352 346 382 410 395 441 473 450 506 542 538 599 641 621 693 741 754 825 868 946 1005 1088 25 26 28 33 35 38 43 45 49 59 62 67 79 84 91 98 101 108 122 126 135 149 154 164 192 198 211 235 241 257 273 280 300 316 324 346 363 371 397 430 439 470 497 508 543 600 663 694 770 808 899 PR2 161 200 242 310 377 437 504 575 679 783 940 1083 1254 121 150 184 237 289 337 389 447 530 613 740 856 996 Tableau VI-11 : Détermination de la section d’un câble non enterrée 54 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs Caoutchouc ou PVC 3 conducteurs 2 conducteurs 𝑰𝟎 Section cuivre [mm²] Section aluminium [mm²] 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 26 34 44 56 74 96 123 147 174 216 256 290 328 367 424 480 57 74 94 114 134 167 197 224 254 285 328 371 32 42 54 67 90 116 148 178 211 261 308 351 397 445 514 581 68 88 114 137 161 200 237 270 304 343 396 447 Butyle ou PR ou éthylène PR 3 conducteurs 2 conducteurs 31 41 53 66 87 113 144 174 206 254 301 343 387 434 501 565 67 87 111 134 160 197 234 266 300 337 388 440 37 48 63 80 104 136 173 208 247 304 360 410 463 518 598 677 80 104 133 160 188 233 275 314 359 398 458 520 Tableau VI-12: Détermination de la section d’un câble enterrée VI.2.H- Section des conducteurs de neutre, de protection (PE), d'équipotentialité VI.2.H.1- Section du conducteur neutre Type de circuit Circuit monophasé Circuit triphasé : Cuivre 𝑆𝑝ℎ ≤ 16 𝑚𝑚2 Aluminium 𝑆𝑝ℎ ≤ 25 𝑚𝑚2 Circuit triphasé : Cuivre 𝑆𝑝ℎ > 16 𝑚𝑚2 Aluminium 𝑆𝑝ℎ > 25 𝑚𝑚2 Section de neutre 𝑆𝑁 = 𝑆𝑝ℎ 𝑆𝑁 < 𝑆𝑝ℎ Voir tableau du coefficient 𝐾𝑛 Tableau VI-13: Section du câble Neutre 55 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.2.H.2- Section des conducteurs de protection (PE) Dans une installation basse tension, les conducteurs de protection assurent l'interconnexion des masses d'utilisation et l'écoulement à la terre des courants de défaut d'isolement. a) Section des conducteurs de protection entre transformateur HTA/BT et tableau BT Le tableau donne les valeurs des sections des conducteurs de protection (𝑒𝑛 𝑚𝑚²) en fonction de la puissance nominale du transformateur HTA/BT et du temps de fonctionnement t (en seconde) de la protection HTA. Lorsque la protection est assurée par un fusible, la section à prendre en compte correspond à t = 0,2 s Puissance du Nature des Conducteurs Conducteurs Conducteurs transformateur conducteurs nus isolés au PVC isolés au PR (𝒌𝑽𝑨) Tension BT 127/220 230/400 ≤ 63 ≤ 100 100 160 125 200 160 250 200 315 250 400 315 500 400 630 500 800 630 1 000 Cuivre Aluminium 0,2s 0,5s 0,2s 0,5s 0,2s 0,5s 0,2s 0,5s 0,2s 0,5s 0,2s 0,5 s 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 35 25 25 50 25 25 35 25 35 50 25 35 50 25 25 50 25 35 70 35 50 70 25 35 50 Section des conducteurs 35 50 70 35 50 95 35 50 70 de protection 50 70 95 50 70 95 35 50 95 𝑆𝑃𝐸 (𝑚𝑚2) 50 70 120 70 95 120 50 70 95 70 95 150 70 95 150 70 95 120 70 120 150 95 120 185 70 95 150 95 120 185 95 120 185 95 120 150 t (s) Tableau VI-14: Section des conducteurs de protection entre transformateur HTA/BT et tableau principal BT b) Section des conducteurs de protection des masses basse tension : (PE) La section du conducteur PE est défini en fonction de la section des phases (pour le même métal conducteur) comme suit : Schéma de liaison de terre Type de circuit Section PE IT et TN-S Inclus 𝑆𝑝ℎ ≤ 16 𝑚𝑚2 16 𝑚𝑚2 < 𝑆𝑝ℎ ≤ 35 𝑚𝑚2 𝑆𝑝ℎ > 35 𝑚𝑚2 Séparé TN-C Cuivre Aluminium Cuivre Aluminium TT 𝑆𝑃𝐸 = 𝑆𝑝ℎ 𝑆𝑃𝐸 = 16 𝑚𝑚2 𝑆𝑃𝐸 = 𝑆𝑝ℎ ⁄2 2,5 𝑚𝑚² Avec protection mécanique 4 𝑚𝑚² Sans protection mécanique 10 𝑚𝑚² 16 𝑚𝑚² 25 𝑚𝑚² 35 𝑚𝑚² Tableau VI-15: Section du conducteur PE 56 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.2.H.3- Section des conducteurs d'équipotentialité Les conducteurs d'équipotentialité permettent de mettre au même potentiel, ou à des potentiels voisins, des masses et des éléments conducteurs. Type de circuit Section de conducteurs d'équipotentialité 𝑺𝑳 6 𝑚𝑚2 ≤ 𝑆𝐿 = 𝑆𝑃𝐸−𝑚𝑎𝑥 (𝑆𝐿−𝑚𝑎𝑥 = 25 𝑐𝑢𝑖𝑣𝑟𝑒 = 35 𝐴𝐿) Principale Supplémentaire Entre deux masses Entre une masse et une structure 𝑆𝐿 = 𝑆𝑃𝐸 (De la masse le plus grande) 𝑆𝐿 = 𝑆𝑃𝐸 ⁄2 (Même condition PE séparé) Tableau VI-16: Section des conducteurs d'équipotentialité VI.2.I- Chute de tension L’impédance d’une canalisation est faible mais non nulle : lorsqu’elle est traversée par le courant d’emploi, il y a chute de tension entre son origine et son extrémité. Or le bon fonctionnement d’un récepteur est conditionné par la tension à ses bornes. Il est donc nécessaire de limiter les chutes de tension en ligne par un dimensionnement correct des canalisations d’’alimentation. La limite maximale de la chute de tension varie d’un pays à l’autre. Les valeurs typiques des installations BT sont données par le tableau suivant : Type d’installation Alimentation depuis le réseau BT de distribution publique Alimentation par un poste privé MT/BT Éclairage 3% 6% Autres usages 5% 8% Tableau VI-17: chutes de tension admissibles dans les réseaux BT Lorsque la chute de tension est supérieure aux valeurs du tableau ci‐dessus il est nécessaire d’augmenter la section de certains circuits afin de revenir dans les domaines de tolérance. Chute de tension Circuit (𝒆𝒏 𝑽) Monophasé : deux phases ∆𝑈 = 2 × 𝐼𝑏 × (𝑅 𝑐𝑜𝑠 𝜃 + 𝑋 × 𝑠𝑖𝑛 𝜃 ) Monophasé : phase et neutre Triphasé équilibré ∆𝑈 = √3 × 𝐼 × (𝑅 × 𝑐𝑜𝑠 𝜃 + 𝑋 × 𝑠𝑖𝑛 𝜃) (𝒆𝒏 %) ∆𝑈 𝑈 ∆𝑈 𝑉 ∆𝑈 𝑈 Tableau VI-18: chute de tension selon le type de circuit Résistance de ligne avec 𝜌 résistivité du conducteur en service normal 𝑙 • 𝜌 = 22.5 𝛺 𝑚𝑚²/𝑘𝑚 Pour le cuivre 𝑅= 𝜌× 𝑆 • 𝜌 = 36 𝛺 𝑚𝑚²/𝑘𝑚 Pour l'aluminium Réactance de la ligne avec 𝜆 réactance linéique des conducteurs 𝜆 = 0.08 × 10−3 𝛺/𝑚 Pour les câbles tripolaires 𝑋 = 𝜆 .𝑙 Pour les câbles unipolaires serrés en nappe −3 𝜆 = 0.09 × 10 𝛺/𝑚 Pour les câbles unipolaires serrés en triangle 𝜆 = 0.15 × 10−3 𝛺/𝑚 Pour les câbles unipolaires espacés Tableau VI-19: Valeur de résistance et réactance du câble BT Circuits alimentant des moteurs : La chute de tension est calculée en remplaçant le courant d'emploi IB par le courant de démarrage du moteur. 57 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs Un réseau triphasé220/380 𝑉, en câble cuivre multiconducteurs dans un conduit enterré à 30°C, isolé en PVC de longue 300 𝑚 alimente une usine BT de puissance 300 𝑘𝑊~𝜂 = 98% (Nous notons un coefficient de simultanéité 𝐾𝑢 = 0.4). Schéma de liaison de terre TN-S, la protection réseau est assuré par disjoncteur. • Déterminer la section : ▪ Du câble BT destiné à équiper le départ, si on admet une chute de tension autorisée est de 6 % et facteur de puissance F. P=0.9. ▪ Des conducteurs neutres et protection. • Si la chute de tension est limitée à 5% quel sera la section du câble. Solution Section minimale de phase ▪ La puissance l’usine est de : 𝑃 = 300 𝑘𝑊 ▪ Le courant maximal d’emploi « IB » 𝑃 𝐼𝐵 = ×𝑎×𝑏×𝑐×𝑑 √3 × 𝑈 1 1 Facteur tenant compte du facteur de puissance et du 𝑎= = = 1.1338 𝜂 𝑐𝑜𝑠 𝜑 0.98 × 0.9 rendement « a » : Facteur d'utilisation des appareils « b » : 𝑏=1 Facteur de simultanéité « c » 𝑐 = 0.4 Facteur tenant compte des prévisions d'extension « d » 𝑑=1 3 300 × 10 𝐼𝐵 = × 1.13 × 0.4 = 206.7 ≈ 207 √3 × 380 • Choix du dispositif de protection Le courant nominal doit vérifier la condition𝐼𝑛 ≥ 𝐼𝑏 . On choisit le courant 𝐼𝑛 = 250 𝐴 . Le calibre disjoncteur est 250 A Si le disjoncteur est réglable 𝐼𝑟 = 210 𝐴 • Le courant admissible par la canalisation 𝐼𝑎 Le circuit est protégé par disjoncteur donc 𝐼𝑎 = 𝐼𝑟 = 210 𝐴 • Le courant maximal admissible par la canalisation 𝐼0 • L’influence de mode de pose : D’après le tableau B-4, Pour câble utilisé multiconducteurs enterrés sans protection mécanique la lettre de sélection est « D61 ». 𝐾1 = 0.8. • L’influence mutuelle des circuits ▪ D’après le tableau B-5, pour la disposition horizontale 𝐾21 = 1. ▪ D’après le tableau B-6, pour la disposition verticale 𝐾22 = 1. ▪ 𝐾2 = 1 ▪ L’influence de température : D’après le tableau B-7, pour un câble enterre a 30 °𝐶, avec un isolant PVC, 𝐾3 = 0.89. ▪ L’influence de la nature de sol : D’après le tableau B-8 pour un Terrain sec 𝐾4 = 1. ▪ L’influence des harmoniques : D’après le tableau B-5, pour Ih3 non défini en a 𝐾𝑛 = 0.84. 58 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs Donc : 𝐾 = 𝐾1 × … × 𝐾4 = 0.8 × 0.89 = 0.712 Le courant équivaut que la canalisation doit pouvoir véhiculer dans les conditions standards d'installation est : 𝐼𝑎 210 𝐼0 = = = 294.94 𝐴 𝐾 0.712 Détermination de la section minimale d’une canalisation enterrée (Tableau B-11) La sélection dans le tableau conducteur en Al et isolant PVC en cuivre, 𝐼0 = 294.94 𝐴 donne une section minimale : 𝑆 = 120 𝑚𝑚2 Vérification de la chute de tension ∆𝑈 = √3 × 𝐼𝑏 × (𝑅 × 𝑐𝑜𝑠 𝜃 + 𝑋 × 𝑠𝑖𝑛 𝜃) 𝜌 = 22.5 × 10−3 Ω × 𝑚𝑚2 × 𝑚−1 𝑙 300 𝑅 = 𝜌 × = 22.5 × 10−3 × = 0.0563 𝛺, 𝑋 = 𝜆 × 𝑙 = 0.08 × 10−3 × 300 = 0.024 𝛺 𝑆 120 ∆𝑈 = √3 × 207 × (0.0563 × 0.9 + 0.024 × 0.435) = 21.8712 𝑉 𝛥𝑈 21.8712 = = 0.0576 = 5.76 % < 6% 𝑈 380 Section du conducteur neutre et protection • 𝑆𝑁 : Cuivre 𝑆𝑝ℎ = 120 𝑚𝑚2 > 16 𝑚𝑚2 et 𝐼ℎ3 non défini donc 𝑆𝑁 = 𝑆𝑝ℎ = 120 𝑚𝑚2 • 𝑆𝑃𝐸 : 𝑆𝑝ℎ > 35 𝑚𝑚2 ⟹ 𝑆𝑃𝐸 = 59 𝑆𝑃𝐻 2 = 120 2 = 60 𝑚𝑚2 𝑆𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑠é 𝑆𝑃𝐸 = 70 𝑚𝑚2 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs Chute de tension limitée à 5% La chute de tension 5.76>5% on passe à la section supérieur 𝑆 = 150 𝑚𝑚2 • Vérification de la chute de tension 𝑙 300 = 22.5 × 10−3 × = 0.0450 𝛺, 𝑋 = 𝜆 × 𝑙 = 0.08 × 10−3 × 300 = 0.024 𝛺 𝑆 150 ∆𝑈 = √3 × 207 × (0.0450 × 0.9 + 0.027 × 0.435) = 18.2461 𝑉 𝛥𝑈 17.92 = = 0.0472 = 4.72% 𝑈 380 Section du conducteur neutre et protection • 𝑆𝑁 : Cuivre 𝑆𝑝ℎ = 150 𝑚𝑚2 > 16 𝑚𝑚2 et 𝐼ℎ3 non défini donc 𝑆𝑁 = 𝑆𝑝ℎ = 150 𝑚𝑚2 𝑅= 𝜌× • 𝑆𝑃𝐸 : 𝑆𝑝ℎ > 35 𝑚𝑚2 ⟹ 𝑆𝑃𝐸 = 60 𝑆𝑃𝐻 2 = 150 2 = 75 𝑚𝑚2 𝑆𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑠é 𝑆𝑃𝐸 = 95 𝑚𝑚2 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.3- Détermination des sections de conducteurs en moyenne tension Les principes étables pour déterminer la section du câble MT sont : • Déterminer le courant maximal d'emploi 𝐼𝐵 des récepteurs à alimenter ; • Déterminer la section 𝑆1 satisfaisant l'échauffement de l'âme du câble, pour cela il faut : • Facteur de correction global K ; • Courants admissibles des différents ; • Déterminer la section 𝑆2 nécessaire à la tenue thermique du câble en cas de court-circuit triphasé ; • Déterminer la section 𝑆3 nécessaire à la tenue thermique de l'écran du câble en cas de court-circuit à la terre ; • Vérifier éventuellement la chute de tension dans la canalisation pour la section S (𝑆 = 𝑚𝑎𝑥(𝑆1 , 𝑆2 , 𝑆3 )) VI.3.A- Détermination du courant maximal d'emploi Le courant maximal d'emploi IB est déterminé sur la base de la somme des puissances des récepteurs alimentés. VI.3.B- Courants admissibles dans les canalisations C'est le courant maximal que la canalisation peut véhiculer en permanence sans préjudice pour sa durée de vie. Pour déterminer le courant admissible par une canalisation dans les conditions réelles d'installation, il faut déterminer les facteurs de correction. VI.3.B.1- Modes de pose « K1 » Mode de pose Conduits en montage apparent Conduits en montage encastré Pose sur chemins de câbles ou tablettes Pose sur corbeaux ou sur échelles à câbles Goulottes (fermées) Gouttières (goulottes ouvertes Conduits dans caniveaux ouverts ou ventilés Pose directe dans caniveaux ouverts ou ventilés Pose directe dans caniveaux fermés Pose directe dans des caniveaux remplis de sable Enterré directement (câbles armés) Enterré avec protection mécanique Enterré dans des fourreaux Câbles posés sur caniveau, enterré directement dans le sol avec, Lignes aériennes Tableau VI-20: Lettre de sélection et facteur de correction mode pose 61 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Lettre A B F G H J L S V 𝑲𝟏 0.9 0.9 1 1 0.9 1 0.8 0.9 0.8 0.8 1 1 0.8 0.8 1.1 Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.3.B.2- Influence mutuelle des circuits « K2 » 𝑎 𝑎 𝑎 Figure VI-8 : Les modes de pose de deux câbles Distance entre câbles "a" Nombre de circuits Nulle Un diamètre 0,125 m 0,25 m 0,5 m (câbles jointifs) de câble 2 0,75 0,80 0,85 0,90 0,90 3 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 4 0,60 0,60 0,70 0,75 0,80 5 0,55 0,55 0,65 0,70 0,80 6 0,50 0,55 0,60 0,70 0,80 Tableau VI-21: Facteurs de correction pour l’influence mutuelle des câbles enterrés Nombre de circuits ou de câbles multiconducteurs Disposition 2 3 4 6 >9 Sur tablettes horizontales non perforées 0,85 0,80 0,75 0,70 0,70 Sur tablettes horizontales perforées ou sur corbeaux 0,90 0,80 0,80 0,75 0,75 Tableau VI-22: Facteurs de correction pour l’influence mutuelle câbles posés dans l'air VI.3.B.3- Influence de température « K3 » Le même tableau BT. VI.3.B.4- Facteurs de correction pour des résistivités thermiques du sol différent de 1 K.m/W Résistivité du Ensemble de Câbles sol Humidité Nature du terrain trois câbles tripolaires (K.m/W) unipolaires 0,5 Terrain très humide 1,25 1,20 0,7 Terrain humide 1,14 1,10 0,85 Terrain dit normal 1,06 1,05 Argile 1 Terrain sec 1,00 1,00 et Sable Calcaire 1,2 0,93 0,95 1,5 Terrain très sec Cendres 0,85 0,88 et 2 0,75 0,79 Mâchefer 2,5 0,68 0,72 3 0,62 0,68 Tableau VI-23: Facteurs de correction pour des résistivités thermiques du sol 62 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.3.C- Section d'une canalisation S 1 Désignation du câble moyenne tension U0/U(Um) {U0 : est la tension assignée entre chacun des conducteurs et la terre, ou l’écran métallique} {U : est la tension assignée entre conducteurs} {Um : est la valeur maximale de la tension la plus élevée du réseau} VI.3.C.1- Câbles tripolaires à champ non radial (U≤6/6 (7.2) kV) Isolé PVC Section nominale Isolé EPR ou PR (1) (2) (3) Cuivre (1) (2) (3) 72 78 62 10 86 94 78 94 100 81 16 110 120 100 120 130 105 25 145 155 130 145 160 130 35 170 190 165 185 205 165 50 215 240 205 225 250 205 70 260 295 255 270 300 250 95 315 355 310 310 345 290 120 360 405 360 345 390 330 150 405 455 410 385 430 370 185 450 505 460 445 500 440 240 525 590 550 (1) (2) (3) Aluminium (1) (2) (3) 56 61 48 10 67 73 60 72 79 62 16 86 94 79 94 100 82 25 110 120 105 115 125 100 35 135 145 125 145 160 130 50 165 185 160 175 195 160 70 205 230 195 210 235 195 95 245 275 240 240 270 225 120 280 315 280 270 300 255 150 315 355 320 300 335 285 185 350 395 360 350 390 345 240 410 460 430 (*) A partir de 50 mm², les valeurs sont calculées pour des câbles à âme sectorale Tableau VI-24: Détermination de la section d’un câble tripolaires à champ non radial de tension assignée inférieure ou égale à 6/6 (7,2) kV 63 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.3.C.2- Câbles constitués par trois câbles unipolaires (U≤6/10 (12) kV) Section nominale Isolé PVC Isolé PE* Isolé EPR ou PR Cuivre (1) (2) (3) (1) (2) (3) (1) (2) (3) 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 800 1 000 1 200 1 400 1 600 Aluminium 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 800 1 000 1 200 1 400 1 600 80 105 135 160 190 235 285 320 360 410 475 540 610 680 770 850 930 980 1 030 1 080 (1) 62 80 105 125 150 180 220 250 280 320 370 420 480 540 620 700 780 840 890 940 89 115 150 180 215 265 320 365 410 470 540 610 700 780 880 980 1 070 1 130 1 190 1 250 (2) 69 89 115 140 170 205 250 285 320 365 425 485 550 630 720 810 900 970 1 030 1 080 71 95 125 150 180 230 280 320 370 425 500 580 670 760 870 990 1 110 1 210 1 290 1 360 (3) 55 73 96 115 140 175 215 250 285 330 390 455 530 610 710 820 940 1 030 1 110 1 180 86 110 140 170 200 245 295 335 375 425 490 550 600 700 790 870 950 1 000 1 050 1 100 (1) 67 86 110 130 160 190 230 260 290 330 385 435 495 560 640 720 800 860 910 950 97 125 160 195 230 285 340 385 435 490 570 640 690 810 920 1 010 1 100 1 160 1 220 1 280 (2) 76 97 125 150 180 220 265 300 335 380 445 500 580 650 750 840 930 1 000 1 060 1 110 76 100 130 160 190 240 295 340 385 445 530 600 700 790 920 1 040 1 160 1 260 1 350 1 420 (3) 59 78 100 125 150 185 230 265 300 345 410 470 550 640 750 860 980 1 080 1 160 1 230 99 125 165 195 230 285 340 385 430 485 560 630 720 800 910 1 000 1 100 1 160 1 220 1 280 (1) 77 98 125 150 180 220 260 300 335 380 440 500 570 640 740 830 920 990 1 050 1 100 110 145 185 225 265 325 390 445 500 560 650 730 840 940 1 060 1 170 1 270 1 350 1 420 1 480 (2) 87 110 145 175 205 250 300 345 385 440 510 580 660 750 860 970 1 070 1 150 1 230 1 290 93 120 160 200 235 295 360 420 475 550 650 740 860 990 1 140 1 300 1 450 1 570 1 680 1 770 (3) 72 95 125 150 185 230 280 325 370 425 510 580 680 790 920 1 070 1 220 1 340 1 450 1 530 (*) Pour les câbles dont l'isolation est en polyéthylène haute densité (PEHD), les valeurs sont à multiplier par : 1.05 pour les colonnes (1) et (2) 1.06 pour la colonne (3) Tableau VI-25: Détermination de la section d’un câble constitués par trois câbles unipolaires de tension assignée inférieure ou égale à 6/10 (12) kV 64 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.3.C.3- Câbles constitués par trois câbles unipolaires (6/6 (7,2) kV<U≤18/30 (36) kV) Isolé PE* Section nominale Isolé EPR ou PR (1) (2) (3)* Cuivre (1) (2) (3) 110 140 170 200 250 295 335 375 425 490 550 630 700 790 870 960 1 010 1 070 1 110 125 160 195 230 280 335 385 430 490 560 640 720 810 920 1 010 1 100 1 170 1 240 1 290 105 135 165 200 250 300 350 395 455 530 610 710 810 930 1 050 1 180 1 270 1 360 1 430 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 800 1 000 1 200 1 400 1 600 125 165 195 230 280 335 385 430 490 560 640 720 810 910 1 010 1 110 1 180 1 240 1 290 140 185 220 260 320 385 440 495 560 650 730 830 940 1 060 1 170 1 280 1 360 1 440 1 500 130 170 200 245 305 375 425 485 560 660 750 870 1 000 1 150 1 300 1 470 1 590 1 700 1 790 (1) (2) (3) Aluminium (1) (2) (3) 86 110 130 155 190 230 260 290 330 385 435 495 560 640 720 800 860 920 960 96 125 150 180 220 260 300 335 380 445 500 570 650 740 830 930 1 000 1 060 1 110 81 105 130 155 190 235 270 305 355 420 480 560 650 750 860 990 1 090 1 170 1 240 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 800 1 000 1 200 1 400 1 600 98 125 150 180 220 260 300 335 380 440 500 570 640 740 830 930 1 000 1 060 1 110 110 140 170 205 250 300 340 385 435 510 570 660 740 850 960 1 070 1 160 1 230 1 290 99 130 160 190 235 290 330 375 430 510 590 680 790 930 1 060 1 230 1 350 1 450 1 540 (*) Pour les câbles dont l'isolation est en polyéthylène haute densité (PEHD), les valeurs sont à multiplier par : 1.05 pour les colonnes (1) et (2) 1.06 pour la colonne (3) Tableau VI-26: Détermination de la section d’un câble constitués par trois câbles unipolaires de tension assignée supérieure à 6/6 (7,2) kV et inférieure ou égale à 18/30 (36) kV. 65 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.3.C.4- Câbles tripolaires à champ radial (U≤6/10 (12) kV) Section nominale Isolé PVC Isolé PE* Cuivre (1) (2) (3) (1) (2) (3) Isolé EPR ou PR (1) (2) (3) 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 80 100 130 160 185 230 275 310 345 390 450 500 87 115 145 175 205 255 305 345 385 435 500 560 71 90 120 145 175 215 260 300 340 385 450 520 85 110 140 165 195 240 285 325 365 410 475 530 94 120 155 190 220 270 320 365 415 465 530 605 75 98 125 155 185 230 275 315 365 410 485 560 97 125 160 190 225 275 330 370 420 470 540 610 110 140 180 215 250 310 370 420 475 535 610 690 92 120 155 190 225 280 340 385 445 510 590 680 Aluminium (1) (2) (3) (1) (2) (3) (1) (2) (3) 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 62 79 100 120 145 180 210 240 270 305 350 395 68 87 115 135 160 195 235 270 300 340 390 440 55 71 93 115 135 165 205 235 265 300 355 405 66 84 110 130 150 185 220 250 285 320 370 420 73 94 120 145 170 210 250 285 325 360 420 475 58 76 99 120 140 175 215 245 280 320 380 435 75 96 125 150 175 215 255 290 325 365 425 480 84 110 140 165 195 240 285 325 370 415 480 540 71 92 120 145 175 215 260 300 345 395 465 530 (*) Pour les câbles dont l'isolation est en polyéthylène haute densité (PEHD), les valeurs sont à multiplier par : 1.05 pour les colonnes (1) et (2) 1.06 pour la colonne (3) Tableau VI-27: Détermination de la section câbles tripolaires à champ radial de tension assignée inférieure ou égale à 6/10 (12) kV 66 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.3.C.5- Câbles tripolaires à champ radial (6/6 (7,2) kV<U≤18/30 (36) kV) Section nominale Isolé EPR ou PR Cuivre (1) (2) (3) 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 125 160 190 225 270 330 370 415 465 540 140 175 210 250 305 370 420 465 525 610 125 160 195 230 280 345 395 450 510 600 Aluminium (1) (2) (3) 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 96 125 145 175 210 255 290 320 360 420 105 135 165 195 235 285 325 360 410 475 95 125 150 175 220 265 305 345 395 470 Tableau VI-28: Détermination de la section câbles tripolaires à champ radial de tension assignée supérieure à 6/6 (7,2) kV et inférieure ou égale à 18/30 (36) kV VI.3.D- Déterminer la section S2 La section minimale du conducteur S2 satisfaisant l'échauffement en cas de court-circuit est déterminer par : 𝐼𝑐𝑐 ( VI-13) 𝑆2 ≥ √𝑡 𝑘 𝐼𝑐𝑐 : courant de court-circuit maximal. Il est calculé par la méthode des impédances. t : durée du court-circuit k : coefficient dont la valeur est donnée dans le tableau suivant : Isolants PVC / PE PR /EPR Conducteurs actifs 115 74 - en cuivre - en aluminium a b a b 143 95 52 115 75 - 176 116 64 143 94 - Conducteurs de protection - en cuivre - en aluminium 143 94 - en acier a conducteurs de protection non incorporés aux câbles b conducteurs de protection incorporés aux câbles Tableau VI-29: valeurs du coefficient k 67 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.3.E- Déterminer la section S3 Dans le cas d'un court-circuit phase-écran, la contrainte thermique résultant du passage du courant de défaut Id pendant un temps t, ne doit pas dépasser la tenue thermique de l'écran du câble. Id est le courant de défaut à la terre ; Le calcul de la surintensité admissible dans les écrans de câbles dépend de la constitution de cet écran et du type de câble. 𝐼𝑑 = 𝑉𝑁 𝑅𝑁 ( VI-14) 𝑉𝑁 : tension simple du réseau ; 𝑅𝑁 : résistance de limitation. La section est déterminée selon le type de câble dans les tableaux suivants : VI.3.E.1- Câbles unipolaires ou tripolaires à champ radial à isolants PR ou EPR Tension assignée 6/10 (12) kV 8,7/15(17,5) kV 12/20 (24) kV 18/30 (36) kV 2s Durée du court-circuit 0,5 s 1 s 2 s 0,5 s 1 s 2 s 0,5 s 1 s 2 s 0,5 s 1 s Section du conducteur 1100 900 650 1350 1000 800 1800 1400 1100 16 1200 950 700 1400 1050 800 1800 1400 1100 25 1400 1000 900 1650 1250 1000 1850 1400 1100 35 1600 1150 1000 1750 1350 1050 1950 1450 1150 2500 1950 1550 50 1750 1250 1050 1900 1450 1150 2100 1600 1250 2700 2050 1650 70 1850 1350 1100 2050 1550 1200 2200 1700 1300 2800 2150 1700 95 1900 1400 1150 2150 1650 1300 2500 1950 1550 3100 2400 1900 120 2150 1650 1300 2400 1850 1500 2600 2000 1600 3150 2450 1950 150 2400 1850 1450 2600 2000 1600 2750 2150 1700 3350 2600 2100 185 2700 2050 1650 2800 2150 1700 3100 2400 1950 3600 2750 2200 240 2800 2150 1750 3150 2450 1950 3300 2550 2050 3800 2950 2350 300 3050 2350 1800 3450 2650 2150 3650 2800 2250 4200 3300 2650 400 3400 2550 1950 3800 2950 2350 4100 3200 2550 4550 3550 2850 500 3750 3000 2300 4250 3300 2650 4450 3450 2800 4950 3850 3100 630 4400 3400 2600 4650 3600 2900 4850 3750 3000 5300 4150 3300 800 5100 3900 3050 5200 4050 3250 5350 4200 3350 5850 4550 3650 1 000 5350 4100 3300 5450 4250 3400 5650 4400 3550 6150 4800 3850 1 200 5600 4400 3550 5900 4550 3650 6050 4700 3800 6550 5100 4100 1 400 6000 4700 3800 6200 4850 3900 6400 5000 4000 6900 5350 4300 1 600 Tableau VI-30: Câbles unipolaires ou tripolaires à champ radial à isolants PR ou EPR 68 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.3.E.2- Câbles unipolaires ou tripolaires à champ radial à isolants PE Tension assignée 6/10 (12) kV 8,7/15 (17,5) kV 12/20 (24)kV 18/30 (36) kV 2s Durée du court-circuit 0,5 s 1 s 2 s 0,5 s 1 s 2 s 0,5 s 1 s 2 s 0,5 s 1 s Section du conducteur 800 650 490 1000 740 560 1200 870 660 16 900 700 510 1000 750 570 1200 870 660 25 1000 750 540 1100 800 600 1200 880 660 35 1100 800 580 1150 840 640 1250 1000 770 1750 1300 990 50 1300 920 700 1350 990 760 1450 1100 820 1750 1300 1000 70 1350 1000 750 1450 1050 820 1550 1150 880 2050 1550 1200 95 1450 1050 800 1500 1150 860 1650 1200 930 2150 1650 1230 120 1550 1100 840 1600 1200 910 1700 1300 1000 2250 1700 1300 150 1650 1150 900 1700 1250 970 2000 1500 1200 2350 1800 1400 185 1800 1450 1100 2000 1550 1200 2150 1650 1250 2650 2050 1600 240 2000 1550 1200 2150 1650 1300 2300 1750 1350 2800 2150 1700 300 2300 1750 1400 2600 2000 1550 2650 2050 1600 3000 2300 1800 400 2550 1900 1500 2900 2200 1750 3050 2350 1850 3400 2600 2050 500 2750 2050 1550 3000 2300 1800 3150 2400 1900 3500 2650 2050 630 3000 2250 1700 3300 2500 2000 3450 2600 2100 3700 2800 2200 800 3300 2400 1800 3500 2700 2100 3650 2800 2200 3950 3000 2400 1000 3550 2550 1900 3700 2850 2200 3850 2950 2300 4200 3200 2550 1200 3650 2750 2000 3900 3000 2350 4050 3100 2450 4350 3350 2650 1400 3750 2850 2100 4000 3100 2400 4150 3200 2500 4500 3400 2700 1600 Tableau VI-31: Câbles unipolaires ou tripolaires à champ radial à isolants PE VI.3.E.3- Câbles tripolaires à ceinture à isolant PVC de tension assignée 6/6 (7,2 kV) Durée du court-circuit Section du conducteur mm² 0,5 s 1s 2s 1 550 1 200 980 10 1 700 1 300 1 050 16 1 950 1 450 1 200 25 2 050 1 550 1 250 35 2 150 1 600 1 300 50 2 300 1 700 1 400 70 2 550 1 900 1 550 95 2 750 2 100 1 650 120 2 900 2 200 1 750 150 3 350 2 450 2 050 185 3 500 2 650 2 200 240 Tableau VI-32: Câbles tripolaires à ceinture à isolant PVC de tension assignée 6/6 (7,2 kV) 69 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs VI.3.F- Détermination de la section minimale d'un câble moyenne tension 3- section minimale d’une canalisation 1- Calcul du courant D’emploi (𝐼𝐵 𝑒𝑛 𝐴). Bilan de puissance 2- calcule du courant maximal admissible équivalant 𝐼0 𝐼𝐵 𝐼0 = 𝐾 Facteurs de correction 4- section minimale d’une canalisation 5- section minimale d’une canalisation 𝑆 = 𝑚𝑎𝑥 (𝑆1 , 𝑆2 , 𝑆3 ) 7- Vérification de la chute de tension 8- Confirmation des choix Figure VI-9 : Le logigramme de choix de la section du câble MT 70 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs On se propose de déterminer la section des conducteurs des canalisations d’un départ de distribution 10 kV. (FP=0.9) 𝐽𝐵1 𝐷𝑗1 𝐼𝑁𝐽𝐸𝐶𝑇 𝑃1: 400 𝑘𝑉𝐴 Câble 1 𝑃2: 630 𝑘𝑉𝐴 Câble 2 𝑃3: 400 𝑘𝑉𝐴 Câble 3 Câble 1 50 m Cuivre Unipolaire Caniveau fermé Câble 2 Câble 3 250m 200 m AL AL Unipolaire Multipolaire Enterrée directe Enterrée directe Terrain normal Terrain sec 35°C 25¨°C 30°C PR PE PR Le départ est alimenté par injecteur de Scc=400 MVA. La temporisation de la protection contre le court-circuit entre phases est : t = 0,2 s. La résistance de limitation est de 5𝛺 Solution • Détermination de la section 𝑆1 • Détermination du courant maximal d'emploi 𝐼𝐵 Poste 1 Poste 2 Puissance 400 𝑃 𝐼= 23.09 √3 × 𝑈 82.55 𝐼𝐵 (Câble) • Courant admissible-section 𝑆1 Lettre 1 𝐾1 𝐾2 𝐾3 𝐾4 K 𝐼0 𝑆1 Câble 1 L 0.8 1 (PR 35°C) 0.96 1 0.768 107.49 16 𝑚𝑚2 (à 120A) • Détermination de la section 𝑆2 630 Poste 3 400 36.37 59.46 23.09 23.09 Câble 2 S 1 1 (PE 25°C) 0.95 0.85 Câble 3 S 1 1 (PR 30°C) 0.93 1 OBS TB : C-01 TB: C-01 TB: C-02-03 TB: C-04 TB : C-05 0.8075 73.63 16 𝑚𝑚2 (à 81A) 0.93 24.83 10 𝑚𝑚2 (à 95A) TB : C-06 à 10 Puissance : 𝑆𝑐𝑐 = 200 MVA 𝑅𝐴 = 0 𝑋𝐴 = % × 𝑈 2 100 102 = × = 0.5 𝛺 𝑆𝐶𝐶 100 200 𝑋𝐴 = 100% Majorée coté source. 𝑍𝐴 = 𝑗0.5 71 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs 𝐼𝐶𝐶1 = 𝑈 104 = 11.547 𝑘𝐴 √3 × |𝑍𝐴 | √3 × 0.5 La section des conducteurs satisfaisant à la contrainte du court-circuit est : TB: C-11 𝐼𝑐𝑐 11.547 × 103 𝑆2 ≥ √0.2 = 36.11 𝛺 √𝑡 = k=143 𝑘 143 2 Normalisation de la section du câble 1 : 𝑆2 = 50 𝑚𝑚 𝜌 = 22.5 × 10−3 Ω × 𝑚𝑚2 × 𝑚−1 𝑙1 50 𝑅1 = 𝜌 × = 22.5 × 10−3 × = 0.0225 𝛺, 𝑋1 = 𝜆 × 𝑙1 = 0.09 × 10−3 × 50 = 0.0045 𝛺 𝑆1 50 𝑍𝑒𝑞 = 𝑍1 + 𝑍𝐴 = 0.0225 + 𝑗0.5045 𝛺 𝐼𝐶𝐶2 = 𝑈 = 104 = 11.432 𝑘𝐴 √3 × |𝑍𝑒𝑞 | √3 × 0.505 La section des conducteurs satisfaisant à la contrainte du court-circuit est : TB: C-11 𝐼𝑐𝑐 11.432 × 103 𝑆2 ≥ √0.2 = 69.08 𝛺 √𝑡 = k=74 𝑘 74 2 Normalisation de la section du câble 2: 𝑆2 = 70 𝑚𝑚 𝜌 = 36 × 10−3 Ω × 𝑚𝑚2 × 𝑚−1 𝑙2 250 𝑅2 = 𝜌 × = 36 × 10−3 × = 0.129 𝛺, 𝑋2 = 𝜆 × 𝑙2 = 0.09 × 10−3 × 250 = 0.0225 𝛺 𝑆2 70 𝑍𝑒𝑞 = 𝑍2 + 𝑍1 + 𝑍𝐴 = 0.2805 + 𝑗0.527 𝛺 𝐼𝐶𝐶2 = = 𝑈 √3 × |𝑍𝑒𝑞 | = 104 √3 × 0.597 = 9.67 𝑘𝐴 La section des conducteurs satisfaisant à la contrainte du court-circuit est : TB: C-11 𝐼𝑐𝑐 9.67 × 103 𝑆2 ≥ √0.2 = 46.01 𝛺 √𝑡 = k=94 𝑘 94 2 Normalisation de la section du câble 3 : 𝑆2 = 50 𝑚𝑚 𝜌 = 36 × 10−3 Ω × 𝑚𝑚2 × 𝑚−1 𝑙3 200 𝑅3 = 𝜌 × = 36 × 10−3 × = 0.144 𝛺, 𝑋3 = 𝜆 × 𝑙2 = 0.09 × 10−3 × 200 = 0.018 𝛺 𝑆2 50 • Détermination de la section 𝑆3 𝑆1 𝑆2 𝑆3 𝑆𝑚𝑎𝑥 72 𝑉𝑁 104 𝐼𝑑 = = ≅ 1100 𝐴 𝑅𝑁 √3 × 5 Câble 1 Câble 2 2 25 𝑚𝑚 (à 170A) 16 𝑚𝑚2 (à 81A) 50 𝑚𝑚2 (à 170A) 70 𝑚𝑚2 (à 81A) 16 𝑚𝑚2 16 𝑚𝑚2 𝐼𝑑 = 1100𝐴, 𝑃𝑅 𝐼𝑑 = 1100𝐴, 𝑃𝐸 2 50 𝑚𝑚 70 𝑚𝑚2 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Câble 3 16 𝑚𝑚2 (à 95A) 50 𝑚𝑚2 (à 95A) 16 𝑚𝑚2 𝐼𝑑 = 1100𝐴, 𝑃𝑅 50 𝑚𝑚2 Abderrahmani Abdesselam Chapitre VI : Détermination des sections de conducteurs • Vérification de la chute de tension 𝛥𝑈 𝑈 I R X Câble 1 82.55 0.0225 𝛺 0.0045 Câble 2 59.46 0.129 𝛺 0.0225 Câble 3 23.09 0.144 𝛺 0.018 𝛺 Câble 0.317 % 1.29% 0.55% 𝛥𝑈 0.317 % 1.607% 𝑈 Les valeurs trouvées sont élevées suite la puissance de court-circuit. 73 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ 2.15% Abderrahmani Abdesselam Chapitre VII : La compensation de l'énergie réactive Sommaire Ch. VII VII.1- Facteur de puissance ..................................................................................................... 75 VII.1.A- Définition ............................................................................................................................ 75 VII.1.B- Amélioration du cos ϕ d'une installation ............................................................................. 75 VII.1.C- Facteur de puissance et cos ϕ en présence d'harmoniques .................................................. 76 VII.2- Principe de la compensation ......................................................................................... 76 VII.3- Inconvénients d'un mauvais facteur de déphasage .................................................... 77 VII.4- Avantages dus à l'amélioration du facteur de puissance ........................................... 77 VII.4.A.1- Diminution de la facture d'électricité ............................................................... 77 VII.4.A.2- Optimisation des choix technico-économiques ................................................ 78 a) Diminution de la section des câbles ........................................................................... 78 b) Diminution des pertes en ligne .................................................................................. 78 c) Augmentation de la puissance active transportée ...................................................... 78 d) Réduction de la chute de tension ............................................................................... 78 VII.5- Les batteries de condensateur ...................................................................................... 80 VII.5.A- Choix d'une batterie de condensateur .................................................................................. 80 VII.5.B- Moyens de compensation .................................................................................................... 80 VII.5.B.1- Les batteries de condensateurs de type fixe. .................................................... 80 VII.5.B.2- Les batteries de condensateurs de type automatique : ...................................... 80 VII.6- Différentes possibilités d’implantation des batteries condensateurs ........................ 81 VII.6.A- Compensation globale ......................................................................................................... 81 VII.6.B- Compensation partielle (par secteur) ................................................................................... 82 VII.6.C- Compensation locale (individuelle) ..................................................................................... 82 74 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VII : La compensation de l'énergie réactive La compensation de l'énergie réactive VII.1- Facteur de puissance VII.1.A- Définition Par définition le facteur de puissance -autrement dit le cos, d'un appareil électrique- est égal au rapport de la puissance active P (kw) sur la puissance apparente S (kVA) et peut varier de 0 à 1. 𝑃 ( VII-1) 𝑐𝑜𝑠 = 𝑆 Il permet ainsi d'identifier facilement les appareils plus ou moins consommateurs d'énergie réactive. U • Un facteur de puissance égal à 1 ne conduira à aucune I 𝜔𝑡 consommation d'énergie réactive (résistance pure). • Un facteur de puissance inférieur à 1 conduira à une consommation d'énergie réactive d'autant plus importante 𝜑 qu'il se rapproche de 0 (inductance pure). Dans une installation électrique, le facteur de puissance pourra être différent d'un atelier à un autre selon les appareils installés et la manière dont ils sont utilisés (fonctionnement à vide, pleine charge, ...). A l'inverse du 𝑐𝑜𝑠 , on s'aperçoit facilement que la valeur du 𝑡𝑎𝑛 doit être le plus petit possible afin d'avoir le minimum de consommation d'énergie réactive. VII.1.B- Amélioration du cos ϕ d'une installation L'énergie réactive absorbée par les moteurs et les transformateurs varie peu entre le fonctionnement à vide et le fonctionnement en charge, alors que l'énergie active augmente avec la puissance fournie. À vide ou à faible charge, leur facteur de déphasage sera par conséquent très mauvais, il convient donc : • D’éviter la marche à vide des moteurs ; • D’éviter le surdimensionnement des moteurs et des transformateurs. Ces règles ne sont pas suffisantes dans la plupart des installations. Dans tous les cas la mise en place d'une batterie de condensateurs est un moyen souple et vite amorti de relever le facteur de déphasage. 75 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VII : La compensation de l'énergie réactive VII.1.C- Facteur de puissance et cos ϕ en présence d'harmoniques 𝑃 Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance active et la puissance 𝐹𝑝 = 𝑆 apparente : 𝑃1 Les facteurs de déphasage est le rapport entre la puissance active et la puissance 𝑐𝑜𝑠 𝜙1 = 𝑆1 apparente de la composante fondamentale : 𝐹𝑝 Facteur de déformation caractérise le lien entre le facteur de puissance et le 𝐹𝑑 = 𝑐𝑜𝑠 𝜙 facteur de déphasage : L'installation de condensateurs permet de compenser l'énergie réactive de la composante fondamentale et d'obtenir un cos ϕ à peu près égal à 1. Par contre, il n'est pas possible de compenser par des condensateurs l'énergie réactive due aux harmoniques. Il en résulte qu'en présence d'harmoniques, il est impossible d'obtenir un facteur de puissance égal à 1 en installant des condensateurs. Pour obtenir un facteur de puissance égal à 1, il faut éliminer les courants harmoniques par un filtre actif. Il faut noter que le distributeur d'énergie ne fait payer au client que l'énergie réactive due à la composante fondamentale. Il faudra donc calculer cosϕ1 (et non Fp) pour déterminer la puissance réactive des condensateurs qu'il faut installer pour réduire ou supprimer la facture d'énergie réactive. VII.2- Principe de la compensation Le condensateur est un récepteur constitué de deux parties conductrices (électrodes) séparées par un isolant. Ce récepteur à la propriété lorsqu'il est soumis à une tension sinusoïdale de déphaser son intensité, donc sa puissance (réactive capacitive), de 90° en avant sur la tension. A l'inverse, tous les autres récepteurs (moteur, transformateur, ...) déphasent leur composante réactive d’un angle ϕ en retard sur la tension. La composition vectorielle de ces intensités ou puissances réactives (inductive et capacitive) conduit à une intensité ou puissance résultante réactive inférieure à celle existant avant l'installation de condensateurs. Pour simplifier, on dit que les récepteurs inductifs (moteur, transformateur, ...) consomment de l'énergie réactive alors que les condensateurs (récepteurs capacitifs) produisent de l'énergie réactive. Compenser une installation consiste à installer une source d'énergie réactive de compensation qui permet d'améliorer de facteur de puissance de l'installation. La figure ci-dessous traduit la représentation vectorielle de la compensation. 𝑄𝑐 𝑆 𝑄 𝑆′ 𝜑 𝜑 ′ 𝑄′ 𝑃 Avant Après compensation compensation Puissance active P 𝑃 Puissance réactive 𝑄 𝑄′ Puissance apparente 𝑆 𝑆′ Facteur de puissance 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑐𝑜𝑠 𝜑 ′ Compensation 0 𝑄𝐶 Tableau VII-1: Des puissances avant et après compensation Figure VII-1 : Diagramme de Fresnel des puissances en cas de compensation 76 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VII : La compensation de l'énergie réactive 𝜃 𝜃′ 𝐼𝑎 𝐼 ′ 𝐼𝑟′ 𝐼 𝐼𝑟 𝐼𝑐 Avant Après compensation compensation Courant actif 𝐼𝑎 𝐼𝑎 Courant réactif 𝐼𝑟 𝐼𝑟′ Courant de ligne 𝐼 𝐼′ Déphasage 𝜃 𝜃′ Compensation 0 𝐼𝐶 Tableau VII-2: Les courants avant et après compensation Figure VII-2 : Diagramme de Fresnel des courants en cas de compensation Relation entre la puissance des condensateurs et l'amélioration du 𝒄𝒐𝒔 𝝋 Supposons qu'en un point du réseau de puissance active P et réactive Q, on désire améliorer 𝑐𝑜𝑠 𝜑 pour obtenir 𝑐𝑜𝑠 𝜑′ , ou passer de 𝑡𝑎𝑛 𝜑 à 𝑡𝑎𝑛 𝜑 ′ . 𝑄′ ( VII-2) 𝑡𝑎𝑛 𝜑′ = 𝑃 𝑄 ( VII-3) 𝑡𝑎𝑛 𝜑 = 𝑃 On installe des condensateurs de puissance réactive 𝑄𝐶 , on a alors : ( VII-4) 𝑄 ′ = 𝑄 − 𝑄𝐶 D’où : 𝑄′ 𝑄 − 𝑄𝐶 𝑄𝐶 𝑡𝑎𝑛 𝜑′ = = = 𝑡𝑎𝑛 𝜑 − 𝑃 𝑃 𝑃 ′ ( VII-5) 𝑄𝐶 = 𝑃(𝑡𝑎𝑛 𝜑 − 𝑡𝑎𝑛 𝜑) VII.3- Inconvénients d'un mauvais facteur de déphasage Le mauvais facteur de déphasage d'une installation entraîne de nombreux inconvénients : • Une diminution de la puissance active disponible au secondaire du transformateur alimentant l'installation • Une intensité en ligne plus élevée que celle nécessaire au travail réel fourni • Des pénalités pour consommation excessive d'énergie réactive. Les récepteurs consommant le plus d'énergie réactive sont : • Les moteurs à faible charge ; • Les fours à arc et induction ; • Les machines à souder ; • Les redresseurs de puissance. VII.4- Avantages dus à l'amélioration du facteur de puissance VII.4.A.1- Diminution de la facture d'électricité Pour les gros consommateurs, l'énergie réactive est facturée au-delà d'un seuil pendant certaines périodes. Le distributeur d'énergie électrique, propose des tarifs de facturation différents suivant la consommation. Dans les tarifs la diminution de la consommation d'énergie réactive, avec l'amélioration du facteur de puissance, est très sensible au niveau de la facturation. 77 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VII : La compensation de l'énergie réactive VII.4.A.2- Optimisation des choix technico-économiques a) Diminution de la section des câbles La puissance active transportée par un câble diminue lorsque le facteur de puissance s'éloigne de 1. Pour une même puissance active à fournir la diminution du facteur de puissance impose le choix de câbles de plus grande section. b) Diminution des pertes en ligne Un bon facteur de puissance permet une diminution des pertes en ligne à puissance active constante. Les pertes wattées (dues à la résistance des conducteurs) sont intégrées dans la consommation enregistrée par les compteurs d'énergie active (kWh) et sont proportionnelles au carré du courant transporté. On a alors : 𝑃 𝑆 × 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑆 𝑐𝑜𝑠 𝜑′ =1= ′ ⟺ ′= ′ 𝑃 𝑆 × 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑆 𝑐𝑜𝑠 𝜑 D’autre part en a : 2 𝑆 𝑉 × 𝐼∗ 𝑆2 𝐼2 𝐼 2 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑 ′ 𝑃𝐿′ 𝑅 × 𝐼 ′ 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑 = ⟹ = ⟹ = ⟹ = = 𝑆 ′ 𝑉 × 𝐼 ′∗ 𝐼 ′2 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑 𝑃𝐿 𝑅 × 𝐼 2 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑 ′ 𝑆 ′ 2 𝐼 ′2 𝑃𝐿 ′ 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑 ( VII-6) = 𝑃𝐿 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑′ Avant compensation Après compensation Perte ligne 𝑃𝐿 𝑃𝐿′ 𝑃𝐿 ′ 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑 = Facteur de puissance 𝑃𝐿 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑′ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑐𝑜𝑠 𝜑 ′ R : Résistance de la ligne. Les pertes sont donc inversement proportionnelles à 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑 c) Augmentation de la puissance active transportée La puissance active disponible au secondaire d'un transformateur est d'autant plus grande que le facteur puissance de l'installation est élevé. En effet, supposons qu'un câble (ou un transformateur) transporte une puissance active P, avec : 𝑃 = √3 × 𝑈 × 𝐼 × 𝑐𝑜𝑠 𝜑 Si on compense de façon à obtenir 𝑐𝑜𝑠 𝜑 ′ , à courant apparent constant (I constant), on pourra transporter une puissance active : 𝑃′ = √3 × 𝑈 × 𝐼 × 𝑐𝑜𝑠 𝜑′ D’où 𝑃 𝑐𝑜𝑠 𝜑 = ( VII-7) 𝑃′ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 ′ d) Réduction de la chute de tension L'amélioration du facteur de puissance diminue l'énergie réactive transportée et de ce fait diminue les chutes de tension en ligne. ∆𝑉 𝐼 × (𝑅 × 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝑋 × 𝑠𝑖𝑛 𝜑) 𝑅 × 3𝐼𝑉 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝑋 × 3𝐼𝑉 𝑠𝑖𝑛 𝜑 𝑅×𝑃+𝑋×𝑄 = = = 2 𝑉 𝑉 3𝑉 3𝑉 2 ∆𝑉 𝑅 × 𝑃 + 𝑋 × 𝑄 ( VII-8) = 𝑉 3𝑉 2 78 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VII : La compensation de l'énergie réactive Une canalisation souterraine HT 5,5 𝑘𝑉 de 1200 𝑚~𝑆𝑝ℎ = 70𝑚𝑚2 en aluminium transposte un courant de 66 𝐴 avec un facteur de puissance de 𝑐𝑜𝑠 𝜑 = 0,6. (Le prix 1kWh est de 5.47 DA) • Déterminer la puissance véhiculer par la canalisation ; • Calculer les pertes dans le câble ; ainsi le coût des pestes • Si en place un compensateur sur le réseau pour améliore le facteur de puissance à 0,95 ▪ Quel est le gain annuel. ▪ Quelle sera la puissance que la canalisation peut transporter. Solution • La puissance transporté 𝑃 = √3 × 𝑈 × 𝐼 × 𝑐𝑜𝑠 𝜑 = √3 × 5,5 × 66 × 0,6 = 377,24 𝑘𝑊 • Calcul des pertes La résistance du conducteur 𝑅 = 36.10−3 × 𝑙 𝑆𝑝ℎ = 36.10−3 × 1200 = 0.62 𝛺 70 Les pertes par effet Joule 𝑃𝐿 = 3 × 𝑅 × 𝐼 2 = 3 × 0.62 × 662 = 8.1 𝑘𝑊 Pour une durée de fonctionnement annuel de 8760 h, le coût annuel des pertes Joule est : 𝐶𝑜û𝑡 = 𝑃𝐿 × 𝑇 × 𝑃𝑟𝑖𝑥𝑢 = 8.1 × 8760 × 5.47 = 388129 𝐷𝐴/𝑎𝑛 • Les gains pour 𝑐𝑜𝑠 𝜑 ′ = 0.95 𝑃𝐿 ′ 𝑅 × 𝐼 ′2 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑 0,62 Le taux de perte est = = = = 0.4 𝑃𝐿 𝑅 × 𝐼 2 𝑐𝑜𝑠 2 𝜑′ 0.952 𝐺 = (1 − 0.4) × 𝐶𝑜û𝑡 L'installation des condensateurs permet donc un gain = 232877 𝐷𝐴/𝑎𝑛 ′ 𝑃 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑐𝑜𝑠 𝜑 0,95 ′ = ⟹ 𝑃 = 𝑃 × = 377,24 × = 597.3 𝑘𝑊 𝑃′ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 ′ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 0.6 L'installation des condensateurs permet donc de transporter une puissance active supérieure de : 597 − 377 = 58 % 377 Un réseau monophasé alimente une charge inductive de 10 MW avec un facteur de puissance de 0,6 en retard. Tracer le triangle Fresnel des puissances et déterminer la puissance du condensateur mise en parallèle pour que le F.P devienne 0,85. Solution 𝑃 = 10𝑀𝑊 𝑐𝑜𝑠 𝜑 = 0,6 ∴ 𝜑 = 53,13 𝑄 = 𝑃. 𝑡𝑎𝑛 𝜑 = 10. 𝑡𝑎𝑛 53,13 = 13,33 𝑀𝑉𝑎𝑟 𝑐𝑜𝑠 𝜑1 = 0,85 ∴ 𝜑1 = 31,79 𝑄1 = 𝑃. 𝑡𝑎𝑛 𝜑1 = 10. 𝑡𝑎𝑛 31,79 = 6,2 𝑀𝑉𝑎𝑟 𝑄1 = 𝑄 + 𝑄𝐶 ∴ 𝑄𝐶 = 𝑄1 − 𝑄 𝑄𝐶 = 𝑃. (𝑡𝑎𝑛 𝜑1 − 𝑡𝑎𝑛 𝜑) 𝑄𝐶 = −7,13 𝑀𝑉𝑎𝑟 79 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ 𝑄𝐶 𝑄 𝑄1 𝑆1 𝑆 𝜑 𝜑1 𝑃 Abderrahmani Abdesselam Chapitre VII : La compensation de l'énergie réactive VII.5- Les batteries de condensateur VII.5.A- Choix d'une batterie de condensateur Le choix d'une batterie de condensateurs s'effectue en fonction des critères suivants : • Rentabilité du matériel • Contraintes de l'installation (ateliers à facteurs de déphasage différents, de transformateurs...). nombre VII.5.B- Moyens de compensation La compensation peut se faire en basse tension ou en haute tension en utilisant des condensateurs. En basse tension la compensation est réalisée avec deux familles de produits : VII.5.B.1- Les batteries de condensateurs de type fixe. La puissance réactive fournie par la batterie est constante quelles que soient les variations du facteur de puissance et de la charge des récepteurs, donc de la consommation d’énergie réactive de l’installation. • La mise en œuvre de ces batteries peut être : • Manuelle : commande par disjoncteur ou par interrupteur • Semi-automatique : commande par contacteur directe : asservie aux bornes des récepteurs. • Ce type de batteries est généralement utilisé dans les cas : • D’installation électrique à charge constante fonctionnant 24h/24, • De compensation réactive interne des transformateurs, • De compensation individuelle de moteurs. Figure VII-3 : Principe de la compensation fixe VII.5.B.2- Les batteries de condensateurs de type automatique : La puissance réactive fournie par la batterie est modulable en fonction des variations du facteur de puissance et de la charge des récepteurs donc de la consommation d’énergie réactive de l’installation. Ils permettent d'adapter automatiquement la puissance réactive fournie par les batteries de condensateurs. Un relais varmétrique détecte le 𝑐𝑜𝑠𝜑 de l'installation et commande automatiquement l'enclenchement de gradins de condensateurs en fonction de la charge et du 𝑐𝑜𝑠𝜑 désiré. Ce type d'équipements permettant d'éviter le renvoi d'énergie réactive sur le réseau et les surtensions dangereuses lors des marches à faible charge de l'installation. Ces batteries sont également utilisées dans le cas : • D’installation électrique à charge variable, • De compensation de tableaux généraux (TGBT) ou gros départ D’installation d’une batterie dont la puissance est supérieure à 15 % de la puissance du transformateur. 80 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VII : La compensation de l'énergie réactive Figure VII-4 : Principe de la compensation automatique VII.6- Différentes possibilités d’implantation des batteries condensateurs Les condensateurs peuvent être installés à différents niveaux de l'installation. VII.6.A- Compensation globale La batterie de condensateurs est installée au départ de l'installation. Ce type de compensation convient pour une installation simple de moyenne puissance, elle permet : • De supprimer les pénalités pour consommation excessive d'énergie réactive. • D’ajuster le besoin réel de l'installation (kW) à la souscription de la puissance apparente (kVA). • De soulager le poste de transformation (une partie de l'énergie réactive est fournie par les condensateurs). Toutefois ce mode de compensation ne soulage pas les installations en aval car la totalité du courant réactif est présente dans les câbles jusqu'aux récepteurs. Figure VII-5 : Compensation globale 81 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Chapitre VII : La compensation de l'énergie réactive VII.6.B- Compensation partielle (par secteur) Les condensateurs sont installés aux départs de chaque atelier. Cette compensation est conseillée lorsque la puissance est importante ou lorsque les ateliers fonctionnent à des régimes différents. Ce type de compensation en plus des avantages de la compensation globale permet de soulager les câbles alimentant les différents ateliers. La totalité du courant réactif n'est plus présente que dans les câbles allant de l'armoire de distribution de l'atelier aux récepteurs. Figure VII-6 : Compensation par secteur VII.6.C- Compensation locale (individuelle) La batterie de condensateurs est raccordée directement à l'appareil. Cette compensation individuelle est à envisager lorsque la puissance du récepteur est importante par rapport à la puissance souscrite. Ce type de compensation est techniquement idéal, puisqu’il introduit l'énergie réactive à l'endroit où elle est consommée. Figure VII-7 : Compensation individuelle 82 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam Bibliographie Bibliographie [01]…. [02]…. [03]…. [04]…. [05]…. [06]…. 83 Schneider Electric « Guide de conception des réseaux électriques industriels » 1997. Schneider Electric « Guide de la distribution basse et moyenne tension » - Catalogue distribution électrique 2002. Schneider Electric « Étude d’une installation HTA », Compléments techniques distribution électrique BT et HTA - 2012 Schneider Electric « Guide de l'installation électrique 2010 » 2010 Jean Repérant, "Réseaux électriques industriels - Introduction", Tech. del’Ing., D5020, 2001 Jean Repérant, « Réseaux électriques industriels – Ingénierie », Tech. del’Ing., D5022, 2001 Réseaux électriques industriels https://sites.google.com/site/lmdelectrotechnique/ Abderrahmani Abdesselam
