Utilisation de 690 V comme basse tension pour les reseaux

UTILISATION DE 690 V COMME BASSE TENSION POUR LES RESEAUX DE DISTRIBUTION
INDUSTRIELS AFIN DE REDUIRE LES COÛTS D’INVESTISSEMENT ET AMELIORER LE
RENDEMENT DU RESEAU
P.F.Lionetto, R.Brambilla P.Vezzani E.Picatoste
FWI-Foster Wheeler Italiana Tecnimont Iberdrola
Milan - Italy Milan - Italy Madrid - Spain
RESUME
La tension la plus couramment utilisée dans les
installations industrielles européennes pour alimenter le
réseau de distribution Basse Tension (BT) est 400 V. Ce
niveau de tension est largement employé du fait qu’il
s’agit aussi du voltage de distribution du réseau
domestique, ce qui en rend les équipements, composants
et autres appareillages facilement disponibles sur le
marché.
Cependant, l’adoption d’un niveau de tension supérieur
(i.e. 690 V) offrirait un certain nombre d’avantages
rendant ce choix pratique et attractif ; le principal
avantage étant des économies d’investissement et une
amélioration globale du rendement du réseau.
Dans le but de vérifier les points listés ci-dessus, une
étude détaillée a été soigneusement accomplie durant
l’avant-projet du réseau de distribution d’une nouvelle
centrale à Cycle Combiné à Gazéification Intégrée
(IGCC), se caractérisant notamment par une
consommation interne de 180 MW dont 40% dédiés à la
seule alimentation de moteurs BT.
Le but de cette étude était de vérifier la réalité de
l’intérêt de substituer une tension de 690 V à
l’habituelle 400 V.
De nombreux facteurs sont à prendre en compte dans la
comparaison des deux alternatives ; en particulier les
aspects suivants :
• Taille et coût des moteurs à induction;
• Courants de charge et puovoir de coupure et de
fermeture maximaux des appareillages de
disjonction disponibles sur le marché;
• Baisse de tension des câbles;
• Section des câbles
• Dimensionnement et nombre de transformateurs
d’alimentation
• Pertes de puissance totales
L’article donne une vue génerale de l’approche utilisée
dans l’étude et presente une serie d’examples
concernant l’ensemble IGCC.
Un certain nombre de tableaux, pour chacun des
facteurs analisés, rendent aisée la comparaison des deux
solutions et facile l’étude des résultats.
L’étude permet d’identifier la taille et le nombre des
moteurs comme facteurs clé qui portent a remplacer le
niveau de tension 400V avec 690V, de manière à établir
le critère géneral à utiliser pour toute installation
specifique.

UTILISATION DE 690 V COMME BASSE TENSION POUR LES RESEAUX DE DISTRIBUTION
INDUSTRIELS AFIN DE REDUIRE LES COÛTS D’INVESTISSEMENT ET AMELIORER LE
RENDEMENT DU RESEAU
P.F.Lionetto, R.Brambilla P.Vezzani E.Picatoste
FWI-Foster Wheeler Italiana Tecnimont Iberdrola
Milan - Italy Milan - Italy Madrid - Spain
INTRODUCTION
La tension la plus couramment utilisée dans les
installations industrielles européennes pour alimenter le
réseau de distribution Basse Tension (BT) est 400 V. Ce
niveau de tension est largement employé du fait qu’il
s’agit aussi du voltage de distribution du réseau
domestique, ce qui en rend les équipements, composants
et autres appareillages facilement disponibles sur le
marché.
Le niveau de tension 400 V est habituellement associé
dans les unités industrielles au niveau 6000 V pour
alimenter les consommateurs à Moyenne Tension (MT),
typiquement des moteurs. L’utilisation de ces deux
niveaux de tension permet d’installer des équipements
et machineries éprouvés et standardisés susceptibles
d’être fournis par un grand nombre d’équipementiers.
Cependant, l’adoption d’un niveau de tension supérieur
(i.e. 690 V) offrirait un certain nombre d’avantages
rendant ce choix pratique et attractif ; le principal
avantage étant des économies d’investissement et une
amélioration globale du rendement du réseau.
De nombreux facteurs sont à prendre en compte dans la
comparaison des deux alternatives ; en particulier les
aspects suivants :
• Taille et coût des moteurs à induction
• Courants de charge et défauts de service maximaux
des appareillages de commutation disponibles sur le
marché
• Pertes de charge des câbles en fonctionnement
normal et au démarrage
• Section des câbles
• Dimensionnement et nombre de transformateurs
d’alimentation
• Pertes de puissance totales
Tous les points listés ci-dessus ont été soigneusement
étudiés durant l’avant-projet du réseau de distribution
d’une nouvelle centrale à Cycle Combiné à
Gazéification Intégrée (IGCC), se caractérisant
notamment par une consommation interne de 180 MW
dont 40% dédiés à la seule alimentation de moteurs BT.
Le but de cette étude était de vérifier la réalité de
l’intérêt de substituer une tension de 690 V à
l’habituelle 400 V, en tenant compte aussi d’une
possible moindre disponibilité des équipement sur le
marché. Ces résultats permettent de définir certaines
règles générales utiles pour les installations de tout type.
DESCRIPTION DE L’IGCC
L’installation considérée dans cette étude est une IGCC
de puissance 980 MW composée d’une part d’un cycle
combiné de deux turbines à gaz et d’une turbine à
vapeur et d’autre part des unités propres au traitement et
à la gazéification de résidus pétroliers lourds.
Le procés chimique est basé sur l’oxidation du charbon
avec oxygène pur et vapeur HP, ceci produisant syngas
riche en H2. L’oxygèene est obtenu en distillant l’air au
moyen du système cryogènique installé dans l’IGCC.
Le syngas sortant des gasificateurs est traité pour être
porté aux turbines à gas du cycle combiné. Les
auxiliaires de l’ensemble de l’installation requièrent
environ 180 MW. La majeure partie (130 MW) alimente
l’unité de séparation d’air, composée de deux trains
chacun formé de trois gros moteurs (compresseur d’air,
30 MW, compresseur d’azote, 25 MW ; Compresseur
d’oxygène, 10 MW).
Les consommateurs restants sont à répartir entre l’îlot
de gazéification, le cycle combiné et les auxiliaires et
utilités communs à l’ensemble du bloc IGCC. Le
tableau ci-dessous récapitule ces consommateurs par
taille des moteurs à induction.
Taille
moteur
[kW]
5.511304590160200250
Nombre
moteurs 63 38 30 16 24 10 2 8
Taille
moteur
[kW]
350 500 630 800 1200 1400 1800 2200
Nombre
moteurs 9132 4 2 3 2 4
Tableau n°1 – taille et nombre des moteurs prévus dans
l’IGCC étudiée
ANALYSE GENERALE DES FACTEURS CLES
Moteurs à induction
Un des facteurs clés entrant dans la comparaison des
réseaux 400 V et 690 V est le coût des moteurs à
induction.

Sur le marché européen, les moteurs 690 V de taille
0,18 kW à 1000 kW sont disponibles en packages
complets fermés et ventilés et jusqu’à 630 kW avec les
protections pour zones dangereuses type Eex-d, Ex-e ou
Ex-n (Ex-p pour les tailles supérieures).
La pratique habituelle est d’alimenter en 400 V les
moteurs en deçà de 160-200 kW et en 6000 V au-delà.
A parité de puissance, le coût d’un moteur 690 V est en
général du même ordre que celui d’un 400 V. Le coût
d’un moteur MT (i.e. 3,6 ou 6,0 kV) est en revanche
double ou triple de celui d’un moteur BT. On déduit
donc qu’alimenter en 690 V une partie des moteurs
habituellement alimentés en MT peut permettre une
économie d’investissement substantielle. Il convient
donc de déterminer la taille maximale du moteur
pouvant être alimenté en 690 V.
Tableaux de distribution et dispositifs de disjonction
Les tableaux BT sont généralement dimensionnés d’un
point de vue de résistance diélectrique pour les voltages
allant jusqu’à 690 V. De fait, les tableaux BT de
conception standard sont donc compatibles aussi bien
avec le 690 V qu’avec le 400 V.
En revanche, le pouvoir di coupure et le pouvoir de
fermeture des disjoncteurs, des départs moteur et de tout
dispositif de disjonction sont fortement dégrevés en
fonction de l’augmentation de la tension de
fonctionnement.
Cette réduction de pouvoir est en général de 65-70% du
pouvoir de fermeture et de coupure d’un 400 V dans le
cas des disjoncteurs de type boitier moulé, et de 15-25%
dans le cas des disjoncteurs.
En outre, pour le 690 V, les constructeurs certifient les
protections des moteurs (i.e. fusibles contacts,
disjoncteurs et limiteurs) pour seulement 50 kA et pour
des moteurs ne dépassant pas 350 kW. Des disjoncteurs
de pouvoir de coupure supérieure pourraient être
utilisés, mais ils sont disponibles pour des départs
moteur au-dessus de 300 kW.
Par conséquent, utiliser le 690 V revient à limiter le
courrant de court circuit à 50 kA. Une limitation de ce
type n’existe pas dans le cas des moteurs 400 V, bien
que dépasser les 50 kA soit déconseillé selon les bonnes
pratiques de l’ingénierie.
En ce qui concerne les départs moteur, différentes
solutions sont envisageables. Des combinaisons de
disjoncteurs de type boitier moulé et contacteurs sont
disponibles jusqu’à 315 kW et 335 kW pour des
tensions de respectivement 400 V et 690 V. Dans le
dernier cas, le disjoncteur doit être de type limiteur de
courant, ce qui engendre un surcoût d’environ 20%.
Une combinaison de fusibles-contacteurs représente une
solution plus économique que la précédente (surcoût
inférieur de 20% à 40% selon la puissance) tout en
offrant une protection de court-circuit au plus haut
niveau de fiabilité.
Dans le cas de moteurs de puissance supérieure à 355
kW alimentés en 690 V, il convient d’utiliser des
disjoncteurs motorisés.
Câbles
Les câbles BT dimensionnés pour 0,6 / 1 kV peuvent
être utilisés aussi bien pour le 400 V que le 690 V sans
affecter la résistance d’isolement. A puissance égale,
l’alimentation des moteurs en 690 V requérant l’usage
d’un courant plus faible (limite 400 V pour 200kW), il
est donc possible de réduire la section des câbles et les
pertes de charge associées sans variation des baisses de
tension. Comme solution alternative en cas
d’alimentation de moteurs plus éloignés, conserver la
même section de câble permet d’opérer avec les mêmes
baisses de tension.
La réduction de la section des câbles s’applique à partir
de moteurs de puissance supérieure à 5,5 kW, puisque
dans le cas des plus petits moteurs, le dimensionnement
des câbles est basé, pour le 400 V comme pour le 690
V, sur le principe du energie passante.
L’utilisation de 690 V au lieu 6000 V pour les moteurs
de puissance supérieure à 200 kW engendre
l’augmentation de la section des câbles. Les coûts
d’investissement et de fonctionnement sont donc plus
élevés, ceci dû en particulier au fait que le matériel de
conduction contribue plus lourdement que celui
d’isolement au coût global du câble.
Taille maximale des moteurs alimentés en 690 V
Le critère à utiliser pour déterminer la puissance
maximale des moteurs à alimenter en 690 V est celui du
maintien de la baisse de tension au démarrage et au
régime stabilisé. Pour le calcul, il convient de considérer
aussi l’impédance équivalente des transformateurs
d’alimentation.
Les calculs (tableau n°2, ci-dessous) considèrent un
câble de référence de 200 mètres et un courant de
démarrage de 6,5 fois le courant nominal.
La baisse de tension considerée au démarrage des plus
gros moteurs est de de 10%, avec una baisse de tension
aux bornes du moteur pas inferieure au 80% de la
tension nominale.
Ce tableau démontre que la puissance maximale des
moteurs à alimenter en 690 V se situe entre 630 et 800
kW. Les moteurs de puissance supérieure seront
alimentés en 6000 V.
Tension
Poste 400V 690V
kW 200 200 630 800
cable 2(3x185) 3x240 3(3x240) 4(3x240)
∆V moteur [%] 13.9 10.4 14.5 18.2
∆V barre [%] 5.3 3.7 8.56 10
Tableau n°2 – Baisse de tension au démarrage des moteurs
Transformateurs BT
Substituer 690 V aux 400 V standards offre la
possibilité d’élever la puissance nominale des
transformateurs. La valeur maximale demeure
néanmoins liée au pouvoir de coupure et pouvoir de

fermeture et dispositifs de disjonction des tableaux de
distribution, ainsi qu’aux départs moteurs. Considérant
la valeur de 50 kA comme valeur limite, contribution du
moteur inclue, le dimensionnement des transformateurs
BT ne devra pas dépasser 3-3,5 MVA avec une
impédance de court-circuit non inferieure à 6-7%.
En consequence, compte tenu qu’un grand nombre de
moteurs habituellement alimenté en 6000 V le sera en
690 V, le nombre de transformateurs BT augmentera
donc par rapport au nombre requis en 400 V. Si
l’architecture de l’ensemble du réseau prévoit
l’alimentation du réseau BT à partir du réseau 6000 V,
les transformateurs BT supplémentaires représenteront
une augmentation du coût d’investissement et également
une augmentation des pertes de charge sans permettre
de réduire la puissance nominale du transformateur MV.
Il est donc préférable, lorsque c’est possible,
d’alimenter directement le réseau BT 690 V à partir du
réseau primaire MT (i.e. 15 kV ou 33 kV).
CRITERES CLES APPLIQUES A
L’INSTALLATION IGCC
Les thèmes développés dans les paragraphes précédents
peuvent être considérés comme des règles générales
applicables à l’ensemble des installations industrielles,
lorsqu’il est nécessaire de comparer d’un point de vue
économique les deux alternatives i.e. 400 V et 690 V.
Cette même démarche appliquée à l’IGCC est résumée
ci-dessous.
Pour effectuer la comparaison économique des deux
alternatives, deux facteurs essentiels doivent être
évalués : les coûts d’investissement et les coûts de la
dissipation des câbles, lignes et transformateurs.
L’évaluation des coûts d’investissement doit inclure:
• Depart moteurs, chacun incluant: moteur, câbles,
cellule départ moteur et protections ;
• Transformateurs BT et câbles d’alimentation ;
• Tableaux de distribution BT composés chacun de
deux cellules arrivé et d’une cellule couplage.
Coût des départs moteurs
Les coûts des départs moteurs de 400 V, 690 V et
6000V sont répertoriés par taille de moteur dans le
tableau n°3. La combinaison des fusibles et contacteurs
a été prise en compte pour les moteurs 400V et 6000V
(moteurs jusqu’a 1200kW). Le même arrangement a été
considéré pour les moteurs 690V jusqu’à 250kW. Pour
les puissances supérieures, il a été considéré un
disjoncteur.
Le tableau n°3 montre que le coût des départs moteurs à
690V est de 20% à 60% plus economique que le
correspondant départ à 6000V.
En considerant en premier lieu l’ensemble des moteurs
de taille jusqu’à 800kW (i.e. les moteur de taille
majeure povant être alimentés en 690V), le coût global
de l’installation est montré dans le tableau n°4.
400 V 6000 V 690 V
Taille
Moteu
r[kW] Type de
cable Coût [M Type de
cable Coût [M Type de cable Coût [M
5.5 3x4 0.0016 - - 3x4 0.0016
11 3x6 0.0023 - - 3x4 0.0022
30 3x25 0.0043 - - 3x10 0.0037
45 3x35 0.0059 - - 3x16 0.0052
90 3x120 0.102 - - 3x70 0.0092
160 2(3x120) 0.0195 - - 3x150 0.0171
200 2(3x185) 0.0231 - - 3x240 0.0200
250 - - 3x25 0.0509 2(3x120) 0.0230
350 (*) - - 3x25 0.0569 2(3x150) 0.0333
500 (*) - - 3x25 0.0591 2(3x240) 0.0390
630 (*) - - 3x35 0.0657 3(3x240) 0.0453
800 (*) - - 3x70 0.079 4(3x240) 0.0619
Tableau N° 3 – Coût global d’investissement de chaque depart moteur
(combination de fusible & contacteur. (*) disjoncteur - 690V.
Taille
Moteur
[kW]
Total
moteurs Coût 400 V
[M
Coût
6000 V
[M
Coût
690 V
[M
5.5 63 0.100 - 0.100
11 38 0.0864 - 0.0836
30 30 0.1291 - 0.1127
45 16 0.0947 - 0.0831
90 24 0.2452 - 0.219
160 10 0.1949 - 0.1712
200 2 0.0461 - 0.040
250 8 - 0.4076 0.1840
350 9 - 0.512 0.300
500 13 - 0.768 0.510
630 2 - 0.132 0.091
800 4 - 0.316 0.2479
Tableau N° 4 – Coût global d’investissement du depart moteur jusqu’a
800 kW du reseau complet
Coût des transformateurs et des tableaux de
distribution
Attendu que toutes les unités composant l’IGCC sont
alimentées par un tableau de distribution à 33 kV
(circuit de distribution primaire), deux configurations
différentes doivent être considérées selon la tension i.e.
400 V ou 690 V. Dans le cas 400 V, il est nécessaire
d’ajouter un deuxième système de distribution MT
(6000 V) pour alimenter les moteurs de puissance
supérieure à 200 kW. Un tel système est inutile dans le
cas 690 V.
Fig.1 Schéma unifilaire de chaque unité de procè en considerant les
tensions de distribution 6kV et 400V.
Afin de comparer les deux configurations, il est
nécessaire d’identifier le nombre de transformateurs BT
et MT requis pour alimenter l’ensemble de l’installation.
400 V
6 kV
4.5 MVA
2 MVA 2 MVA
33 kV

Dans le cas de l’IGCC, chaque unité procédé est
alimentée par un nœud de charge spécifique. Ces nœuds
de charge sont ensuite raccordés au système sélectif
secondaire pour des raisons de fiabilité. Enfin, dans le
but de réduire les pertes de transformation, le réseau BT
est directement alimenté à partir du système primaire a
33 kV.
Fig.2 Schéma unifilaire de chaque unité de procès en considerant la
tension de distribution 690 V (et 6kV).
En outre, en considerant seulement les moteurs de taille
jusqu’à 800kW, la solution 400-6000V nesessite de
deux transformateurs BT (2MVA) et de deux
transformateurs MT (4,5MVA) pour chacune des unités
procés, en considérant des facteurs de contemporanéité
de 0,6 et d’utilisation de 0,9 (Fig. 1).
D’autre part, avec la solution 690V, douze
transformateurs BT (quatre pour chaque unité de
procés) sont nécessaires, chacun de taille 3.15MVA
(Fig.2).
400 V 6000 V 690 V
poste Chacun
[M N° Total
[M N° Total
[M N° Total [M
Depart
transfo.
33 kV 0.026 6 0.156 6 0.156 12 0.313
Transfo.
6 kV 0.046 - - 6 0.276 - -
Tableau
6 kV 0.055 - - 3 0.165 - -
Transfo.
400 V 0.019 6 0.114 - - - -
Tableau
400 V 0.054 3 0.162 - - - -
Transfo.
690 V 0.032 - - - - 12 0.384
Tableau
690 V 0.054 - - 6 0.324
Coût total des resaux 400 V & 6 kV. [M @1.029
Coût total du reseau 690 V [M @1.021
Tabelau N° 5 – Coût du reseau de distribution (seulement avec
moteurs jusqu’à 800 kW)
Le coût de chaque système transformateur est reporté
dans le tableau n°5 et recouvre :
• Transformateur BT (MT) ;
• Sortie BT (MT) du transformateur, barre (câble), 30
mètres de long ;
Arrivée transformateur 33kV, type câble, 300 mètres de
long, et disjoncteur 33 kV en cellule.
Le tableau n°5 présente en outre les coûts des tableaux
BT et MT, chacun composé de deux cellules pour
disjoncteurs arrivée et d’une cellule pou disjoncteur de
couplage.
Coût des pertes du réseau de distribution
Les pertes par dissipation des câbles et des
transformateurs doivent être estimées pour les deux
configurations. Elles peuvent être amorties sur la base
d’une période de cinq ans, 7000 heures d’opération par
an, un taux d’intérêt de 7% et un coût du kWh d’environ
0,0363 Euro. De cette manière, le coût des pertes du
réseau peut être ajouté au coût d’investissement du
réseau et des dèparts moteurs.
Les coûts des pertes des câbles et des transformateurs
sont présentés dans les tableaux n°6 et n°7.
Les pertes pour le système à 690V sont nettement plus
lourdes que celles du cas 400V-6000V, ceci du au pertes
plus grandes dans les câbles à 690V par aport aux câbles
à 6000V.
Coût des pertes des câbles
[M @
Taille
Moteu
r [kW]
Total
moteurs
400 V 6000 V 690 V
5.5 63 0.016 - 0.0054
11 38 0.0255 - 0.0128
30 30 0.0353 - 0.0291
45 16 0.0299 - 0.0221
90 24 0.0513 - 0.0293
160 10 0.0338 - 0.0181
200 2 0.0068 - 0.0037
250 8 - 0.0027 0.0222
350 9 - 0.0061 0.0317
500 13 - 0.0178 0.0605
600 2 - 0.00314 0.0123
800 4 - 0.0052 0.0245
Tableau N°6 – Pertes des câbles.
Pertes totales
[M 400 V 6000 V 690 V
Câble 0.1986 0.0349 0.272
Transformateur 0.044 0.094 0.130
Reseau de distribution (400 & 6000 V) [M 0.371
Reseau de distribution (690 V) [M0.402
Tableau N° 7 – Pertes totales du reseau
COÛT D’INVESTISSEMENT DE L’IGCC ENTIER
Sur la base des données présentées dans les tableaux n°1
à n°7, le bilan global des deux alternatives étudiées est
aisée. Leur comparaison est résumé dans le tableau n°8
ci-dessous.
33 kV
690 V
3.15 MVA
690 V
6 kV
3.15 MVA