Creux de tension : comment se protéger contre l`inévitable
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Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? Synergrid, la fédération des gestionnaires de réseaux électricité et gaz en Belgique 1. Introduction L’électricité est omniprésente dans notre vie, tant au niveau privé qu’au niveau professionnel. Rien de tel pour s’en rendre compte que de vivre une coupure d’alimentation! Dans l’industrie, vu la modernisation des processus – avec la prolifération des automates et de l’électronique de manière générale – les perturbations électriques ont des conséquences de plus en plus nombreuses. Non seulement la présence d’alimentation électrique est essentielle, mais la qualité de l’énergie devient un élément critique. Un creux de tension, même relativement faible, peut engendrer des problèmes très importants. Pour les industriels et les chefs d’entreprise, cela se traduit par des arrêts de production, la mise au rebut de produits ou de matières premières, voire la prestation éventuelle d’heures supplémentaires nécessaires au redémarrage des processus. Pour estimer précisément les coûts d’une perturbation électrique, il faut aussi prendre en compte d’autres aspects : l’insatisfaction des clients (à cause des retards de livraison, par exemple), les risques pour la sécurité du personnel et des outils de production, la perte de données, etc. Mais globalement, des solutions existent pour limiter les dégâts dus aux creux de tension; toutefois, leur acceptabilité au plan technico-financier ne pourra être établie qu’après une estimation aussi correcte que possible des coûts induits. Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 2 Les gestionnaires de réseaux électriques (transport et distribution) sont bien conscients de l’impact croissant des perturbations de l’alimentation électrique chez les utilisateurs. Dans leurs missions quotidiennes, ils s’attachent à garantir une qualité maximale à la fourniture électrique via leurs réseaux. Mais ils ne sont pas maîtres de tout… Le phénomène des creux de tension relève en fait de la responsabilité de toutes les parties intéressées : les gestionnaires de réseaux, mais aussi les fabricants d’équipements, les bureaux d’études, les utilisateurs du réseau, etc. En publiant cette brochure, Synergrid – la fédération des gestionnaires de réseaux – entend aider les utilisateurs à mieux appréhender la problématique des creux de tension. Après avoir défini le phénomène, nous en aborderons les causes avant d’étudier les conséquences possibles des creux de tension sur des équipements industriels types. Enfin, nous proposerons quelques pistes de solutions permettant de réduire la sensibilité des processus. 2. Le phénomène du « creux de tension » Définition à 90 % de sa valeur de référence et se termine dès que la Avant toute chose, il est bon de définir ce que l’on entend par creux de tension. Il s’agit en fait d’une chute brutale de l’amplitude de la tension. La norme EN 501601 fixe la diminution de la tension à une valeur résiduelle située entre 5 % et 90 % de la tension de référence2. La durée d’un creux peut varier de 10 ms à plusieurs secondes. les phases. tension est revenue au-dessus de cette valeur pour toutes De cette définition, on déduit aisément les trois paramètres principaux caractérisant les creux de tension : leur durée, leur profondeur et le nombre de phases touchées4. Les creux de tension sont généralement représentés dans des graphiques durée / tension résiduelle5 (voir Figure 3 - Somme des La figure ci-après montre un exemple d’évolution de la forme d’onde de la tension U(t) lors d’un creux de tension, ainsi que l’évolution de sa valeur efficace Urms3. U(t) t Urms creux enregistrés sur 39 sites durant l’année 2007, répartis par type). Creux de tension ou coupure : quelle différence ? On distingue généralement les creux de tension, les coupures Uref Uref - 10% de courte durée et les coupures de longue durée. Généralement, tous ces phénomènes sont provoqués par les mêmes ∆U ∆t incidents : les courts-circuits. La localisation sur le réseau t Figure 1 | Exemple de creux de tension La profondeur du creux correspond à la chute maximale de la valeur efficace de la tension (exprimée en %). La durée du creux de tension est mesurée par le temps entre le passage de la valeur efficace sous la limite de 90 % (Uref –10 %) et le retour au-dessus de cette même limite. électrique par rapport à l’endroit du court-circuit détermine les conséquences sur l’alimentation électrique au point de raccordement. Lors d’un court-circuit, la partie du réseau incriminée est isolée par le fonctionnement de protections. Un point de raccordement sera uniquement affecté par une coupure s’il fait partie du tronçon isolé6. Typiquement, cela intervient lorsque le court-circuit se produit sur le câble ou la ligne d’alimentation du point de raccordement concerné ou sur une installation du voisinage. Par convention, en cas de creux polyphasé, le creux commence dès que la tension sur une des phases est inférieure 1 | EN 50160: Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution 2 | Tension de référence: on parlera de tension nominale en basse tension et de tension déclarée pour les niveaux de tension supérieurs. 3 | Valeur efficace: la valeur efficace (aussi dite RMS ou Root Mean Square) d’un courant ou d’une tension, variable au cours du temps, correspond à la valeur du courant continu ou de la tension continue produisant un échauffement identique dans une résistance. 4 | Il existe d’autres caractéristiques (citons par exemple le saut de phase). 5 | Une tension résiduelle de 70 % correspond à une profondeur de 30 %. 6 | Le maillage dans les réseaux de tension de 30 kV à 380 kV permet d’éviter une grande partie des interruptions de l’alimentation de la clientèle. Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 3 Deux cas de figure sont possibles : La tension ne peut pas être rétablie immédiatement : dans ce cas, les équipes du gestionnaire de réseau doivent se rendre sur place afin de réalimenter au plus vite les clients concernés, après isolation automatique du tronçon défectueux (la réalimentation peut nécessiter un temps assez long – plusieurs dizaines de minutes, voire plusieurs heures). On parle dans ce cas d’une coupure de longue durée. Le court-circuit se produit généralement, sur un réseau câblé (souterrain) ou aérien, lorsque le défaut est toujours présent lors des éventuelles tentatives de réenclenchement automatique7. La tension est rétablie rapidement via un automatisme. C’est le cas lors du réenclenchement automatique7 des protections, ce qui permet de réalimenter les clients après un défaut transitoire; dans ce cas, la durée de la coupure est limitée et liée à la combinaison du temps nécessaire à la disparition du courtcircuit et des délais de réenclenchement successifs (typiquement 500 ms, 3 s, 30 s pour les réseaux de 6 kV à 15 kV8). Dès lors, quand est-on confronté à un creux de tension ? En fonction d’un certain nombre de paramètres, un courtcircuit entraîne, dans un rayon d’action électrique donné – en dehors du tronçon isolé –, un creux de tension d’amplitude variable (voir ci-après). Par conséquent, il est logique également que le réenclenchement automatique puisse entraîner des creux successifs rapprochés (avec des intervalles types de 300 ms, 3 s et 30 s). La protection contre les coupures, qui entraînent la disparition complète de la tension et ont une durée généralement longue, exige des moyens plus importants que la protection contre les conséquences des creux de tension. Fort heureusement, les coupures sont beaucoup moins fréquentes. Seule la problématique des creux de tension sera abordée dans la suite de cette brochure. Caractéristiques des creux de tension Comme expliqué ci-avant, les creux de tensions présentent des durées et des profondeurs très variables et peuvent concerner une ou plusieurs phases. À des fins d’illustration, 39 points de mesures représentatifs ont été sélectionnés sur les réseaux de 6 kV à 15 kV ; les creux de tension enregistrés au cours de l’année 2007 ont été analysés. On distingue trois catégories de creux en fonction du nombre de phases concernées (voir aussi Figure 2) : Type I : Chute principalement d’une des tensions phase-neutre Type II : Chute principalement d’une tension phase-phase Type III : Les tensions sur les trois phases sont touchées de manière équivalente Les types I et II sont typiquement causés par des courtscircuits mono- ou biphasés. Le type III est la conséquence de courts-circuits triphasés. 7 | Afin de limiter la durée de l’interruption, l’automatisme de la protection tente de refermer le circuit d’alimentation. Cette technique est uniquement utilisée dans des réseaux aériens; des causes fugitives y sont à l’origine d’une bonne partie des courts-circuits. 8 | Sur les lignes 70 kV à 380 kV, il n’y a qu’une seule tentative de réenclenchement automatique. Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 4 Type 1 Type II Type III Figure 2 | Les trois principaux types de creux de tension La durée de la plupart des creux de tension est directement liée au temps de réaction de la protection qui isole le court-circuit : dans les réseaux de 30 kV à 380 kV, elle est généralement de 100 à 600 ms mais dans certains cas, elle peut dépasser 1 s; dans les réseaux de 6 kV à 15 kV, l’ordre de grandeur type est de 300 ms à 1 s. La grande majorité des creux de tension mesurés a donc une durée inférieure à une seconde. Il faut noter que les temps de réaction des protections sont fixés sur base de règles de sélectivité. Durée du creux (s) Creux de type III Tension résiduelle (% Unom) Creux de type II Tension résiduelle (% Unom) Tension résiduelle (% Unom) Creux de type 1 Les graphiques de la Figure 3 montrent, pour l’ensemble des sites sélectionnés et pour chaque type de creux, la durée (en abscisse) et la profondeur (en ordonnée) des creux de tension enregistrés. À titre d’exemple, les courbes de sensibilité types des contacteurs sont aussi mentionnées (courbes bleues). La courbe de gauche caractérise les contacteurs les plus sensibles ; celle de droite, les moins sensibles (voir aussi le paragraphe concernant les contacteurs au Chapitre 3). Si le creux se situe dans la partie inférieure droite d’une de ces courbes, il provoquera l’ouverture du contacteur concerné et donc perturbera l’installation. Durée du creux (s) Durée du creux (s) Figure 3 | Somme des creux enregistrés sur 39 sites pour l’année 2007, répartis par type On remarque que la durée de la très grande majorité des creux est inférieure à 1 seconde. On constate aussi directement que le choix d’un matériel moins sensible peut fortement améliorer la situation. Les creux de type I (chute de tension entre une phase et le neutre) sont les plus fréquents, tandis que les creux de type III sont les plus sévères. Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 5 Causes et propagation Contrairement à bien des idées reçues, les creux de tension ne sont pas tous provoqués par le réseau électrique. Ce type de perturbations fait inévitablement partie intégrante de la vie d’un réseau et il est évident que sa bonne gestion et son entretien régulier diminuent les risques de perturbation. Cependant, un réseau parfait et insensible aux facteurs externes n’existe pas et il serait totalement illusoire de promettre à un utilisateur du réseau qu’il ne subira jamais de creux de tension. Le phénomène est rarement local. En effet, lorsqu’un creux de tension se produit dans le réseau électrique, on note les phénomènes suivants : peu ou pas d’affaiblissement dans la direction aval, mais bien en amont (vers les niveaux de tension supérieurs). Lors de la transition vers un autre niveau de tension, le creux changera également de type (à l’exception du type III). La façon dont un creux de tension se propage sur un niveau de tension donné dépend de la position par rapport à la source et de la structure du réseau (radial ou maillé), qui est déterminée dans une grande mesure par la fonction qu’il remplit. En tant qu’industriel ou chef d’entreprise, il faut être bien conscient que l’on peut être touché par un creux de tension à la suite d’un court-circuit provoqué dans une entreprise voisine. La figure ci-contre montre, pour un point donné d’un réseau, les différentes zones dans lesquelles un court-circuit provoquera un creux de tension plus ou moins profond. La zone rouge est la plus critique. Ces zones peuvent s’étendre sur des dizaines (voire parfois des centaines) de kilomètres à la ronde. Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 6 Figure 4 | Étendue des creux La plupart des creux de tension proviennent de courts-circuits provoqués par des phénomènes météorologiques (impacts de foudre, arrachement de lignes lors de tempêtes…), par l’endommagement de câbles électriques lors de travaux de voirie, par la présence d’animaux ou encore par des défaillances de matériel. Les causes des creux de tension sont donc diverses et multiples. Un utilisateur peut également perturber son propre réseau, sans qu’il ne soit question de court-circuit! L’enclenchement d’un important transformateur ou le démarrage d’un gros moteur peut, dans certaines circonstances, générer une chute de tension supérieure à 10 % dans une installation. Le nombre de creux peut évoluer fortement, non seulement d’une semaine à l’autre, mais également d’une année sur l’autre. La figure 5 ci-dessous compare l’évolution en 2005, 2006 et 2007 du nombre de creux par semaine (exprimé en % du nombre total) pour une sélection de sites identique à celle des paragraphes précédents. Nombre de creux total) Number of dips(% (% du of total) Sélection demeasurement points de mesure Selection of points 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2005 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2006 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2007 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 Weeks Semaines Figure 5 | Répartition dans le temps des creux enregistrés sur 39 sites pour les années 2005 à 2007 Il est impossible de prédire le nombre de perturbations ou leur moment d’apparition. On peut toutefois constater que certaines périodes de l’année connaissent plus de pertur- bations que d’autres, notamment les périodes d’orages. Cet effet saisonnier est particulièrement notable sur les réseaux aériens pour les tensions de 30 kV à 380 kV. 3. Impact des creux de tension sur les installations Immunité des appareils aux creux de tension Chaque appareil alimenté par une source électrique est immunisé, dans une certaine mesure, contre les creux de tension. Cette immunité, fonction de la durée et de la profondeur des creux de tension, est habituellement exprimée selon un système de gradation, comme indiqué au Tableau 1. Les exigences d’immunité ne sont évidemment pas identiques pour tous les types d’appareils. La criticité de l’application pour laquelle un appareil est utilisé constitue un paramètre important. C’est le cas, par exemple, pour les équipements utilisés en milieu hospitalier. Il existe aussi, pour certains appareils, des normes spécifiques9 qui définissent les exigences d’immunité contre les creux de tension. Le comportement de ces appareils est généralement évalué sur base de la gradation suivante : Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 7 a) À l’intérieur des limites fixées par le fabricant ou déterminées par l’acheteur, le fonctionnement de l’appareil peut être considéré comme normal. b) L’appareil ne remplit plus sa fonction provisoirement ou subit une perte de puissance temporaire, mais reprend ensuite son fonctionnement normal sans intervention d’un opérateur. c) L’appareil ne remplit plus sa fonction provisoirement ou subit une perte de puissance temporaire ; l’intervention d’un opérateur est nécessaire pour rétablir le fonctionnement normal. d) L’appareil est endommagé au niveau hardware ou software, ou subit une perte de données, entraînant un déficit irrémédiable de fonction ou de puissance. Tableau 1 | Aperçu des critères d’évaluation de l’immunité d’un appareil aux creux de tension Il peut s’avérer nécessaire d’évaluer l’immunité au cas par cas dans la mesure où de nombreux types d’appareils (les régulateurs de vitesse par exemple) sont utilisés aussi bien dans des applications critiques que non-critiques. Si la question du critère d’immunité n’est pas explicitement évoquée, il est fort probable, dans un marché concurrentiel, que les produits proposés soient des produits standard ne satisfaisant qu’aux exigences minimales (critère c), alors que des alternatives intéressantes sont disponibles moyennant un surcoût limité. Dans le cas d’un processus critique, il est essentiel de prendre en compte l’impact potentiel des creux de tension dès la phase de projet. Dans la mesure où les normes internationales en font aussi mention, les critères d’évaluation du Tableau 1 peuvent être repris dans le cahier des charges de tout équipement ou installation. Pour le critère a, les exigences d’immunité en termes de profondeur et de durée de creux doivent être spécifiées. La normalisation internationale reconnaît donc que, sous l’effet de creux de tension et en fonction de leur sévérité (profondeur et/ou durée), le bon fonctionnement des appareils peut être perturbé. Dans de nombreux cas, une immu- Contrôleurs A B nité totale (100 %) n’est pas envisageable, pour des raisons technico-économiques. Il s’avère généralement nécessaire de prendre des mesures complémentaires afin de gérer les creux de tension. Les paragraphes suivants traitent plus abondamment de ces aspects et peuvent servir de point de départ pour l’évaluation de toute installation. Améliorer l’immunité d’une installation Des mesures correctives peuvent être prises pour limiter l’impact des creux de tension sur une installation ; c’est ce qu’on nomme l’immunisation. À ce stade, il convient d’opérer une distinction entre les mesures spécifiques (ou « locales ») au niveau de l’appareil et les mesures globales qui protègent toute l’installation (Figure 6). Il existe des solutions techniques permettant de protéger globalement chaque processus mais, pour la plupart des installations, un investissement dans une solution d’immunisation globale n’est pas justifié économiquement. C Réseau Actuateurs PQ Monitor Client BT PQ Monitor BT A Adaptation au niveau de l'appareil B Adaptation pour tout le processus C Protection globale de l'entreprise Figure 6 | Mesures locales et globales pour l’immunisation contre les creux de tension 9 | S’il n’existe pas de norme spécifique, la norme générale est d’application (EN61000-6-1 et EN61000-6-2). Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 8 La Figure 7 explique comment évaluer le coût d’investissement nécessaire pour renforcer l’immunité d’une installation par rapport aux économies futures (coûts évités par la réduction du nombre d’interruptions du processus). Il convient tout d’abord de définir les processus les plus critiques de l’installation. Le niveau de criticité d’un processus peut être évalué de différentes manières : sécurité, durée de remise en service et perte de matières premières coûteuses ne sont que certains des aspects à prendre en compte. Ensuite, les appareils ou composants les plus sensibles utilisés dans ces processus critiques doivent être localisés. Comme le montre la Figure 9, chaque processus peut être scindé en une partie ‘puissance’ et une partie ‘contrôle’. La question fondamentale est de savoir si l’on peut se contenter d’une immunisation au niveau du contrôle/commande. Selon certains auteurs, jusqu’à 70% des arrêts de processus sont dus à un problème lié à l’appareillage de contrôle. De plus, immuniser la partie ‘contrôle’ nécessite généralement des investissements limités par rapport aux méthodes d’immunisation du circuit de puissance. Si le problème ne se situe pas au niveau du système de contrôle/commande, il convient de vérifier quelles adaptations du circuit de puissance peuvent accroître la fiabilité de l’installation. Déterminer les processus critiques dans l’entreprise Détecter les appareils les plus sensibles dans chaque processus critique oui Suffit-il de protéger la partie contrôle/commande ? Définir la stratégie d’immunisation de la partie ‘contrôle/commande’ non Définir la stratégie d’immunisation dans le circuit de puissance Analyser le coût d’investissement p/r aux coûts évités par la réduction du nombre d'arrêts Nombre et nature des creux de tension (mesurés par l’entreprise ou via le gestionnaire de réseau) Figure 7 | Plan d’actions pour l’immunisation des processus Enfin, il faut quantifier les adaptations et investissements nécessaires par rapport aux coûts évités grâce à l’amélioration de la fiabilité. À ce stade, il est essentiel de disposer d’informations sur la nature et le nombre de creux auxquels on peut statistiquement s’attendre. Pour obtenir ces informations, il est recommandé d’effectuer des mesures au point de raccordement de l’installation. Ces mesures peuvent éventuellement être réalisées par le client lui-même ou par un prestataire de services spécialisés. Si cela n’est pas possible, l’utilisateur pourra se référer aux données de mesures à caractère plus général disponibles auprès du gestionnaire de réseau. Celles-ci proviennent de différents points de mesure. 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Coûts de protection Coûts de PQ 0 A B C D E Figure 8 | Analyse technico-économique des techniques de protection (A à E). Lorsque le résultat de cette analyse technico-économique est positif, l’adaptation du processus pourra être envisagée. La Figure 8 présente l’exemple d’une telle analyse. Par rapport à la situation actuelle (‘0’), les coûts totaux des différentes solutions envisagées (de A à E) montrent que la solution A est de loin la meilleure : les coûts d’investissement sont les plus faibles, de même que les coûts résiduels de ‘Power Quality’ (qualité de l’énergie électrique). Bien entendu, le choix ne s’avère pas toujours aussi évident. La réalisation d’une analyse détaillée est souvent une tâche assez ardue. Il faut parvenir à identifier les appareils ou installations qui sont à l’origine de l’interruption du processus. Il est donc fondamental de considérer chaque partie du processus et de disposer des connaissances suffisantes pour pouvoir proposer une solution appropriée. L’expérience joue ici un rôle primordial. En plus des experts du processus proprement dit, le support de spécialistes externes est souvent requis. Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 9 La Figure 9 donne la structure schématique d’une partie d’installation. Une distinction est faite entre le circuit de puissance et la partie ‘contrôle’ (ou contrôle/commande). Le processus est géré au moyen d’actuateurs (ou actionneurs) comme des moteurs ou des régulateurs de vitesse. Les actuateurs sont reliés au réseau électrique via des contacteurs et des systèmes de protection. Dans la partie ‘contrôle’, on trouve notamment l’automate programmable (PLC en anglais). Les paramètres du processus sont mesurés par des sondes et interprétés par le processeur de l’automate, qui commande ensuite les actuateurs et/ou la connexion des contacteurs. Les problèmes d’immunisation et les solutions possibles sont analysés succinctement ci-après, tout d’abord en ce qui concerne la partie ‘contrôle’ et ensuite pour ce qui touche aux actuateurs qui sont très sensibles aux creux de tension. Appareillage de contrôle L’appareillage de contrôle comprend notamment les automates programmables (PLC), des processeurs, des modules de communication des données (‘bus’), un appareillage de visualisation, des relais et des sondes de mesure. Ce sont généralement des appareils alimentés en monophasé, avec une puissance limitée par rapport aux actuateurs. La perte d’un seul des éléments de la partie ‘contrôle’ à cause d’un creux de tension peut avoir des conséquences extrêmes. La déperdition de l’information provenant d’une sonde peut, par exemple, être interprétée par un automate de manière telle que les actuateurs soient mis à l’arrêt alors qu’ils auraient peut-être pu supporter le creux de tension sans difficulté. Dans d’autres situations, l’interruption volontaire de certains actuateurs peut se justifier lors de la détection d’un creux, avec remise en service de façon contrôlée après le rétablissement de la tension. En d’autres termes, le maintien en service, à tout moment, de l’appareillage de contrôle est essentiel, de même que la mise en place réfléchie d’un système de réglage. L’aperçu ci-après propose quelques techniques permettant de bien protéger la partie ‘contrôle’. EVgi^Zej^hhVcXZ Réseau Contacteur Actuateur Processus Alimentation PLC Sondes Programmation EVgi^ZXdcigaZ Figure 9 | Schéma type d’une installation, avec distinction entre la partie ‘contrôle’ et la partie ‘puissance’. Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 10 Suggestions de protection de l’appareillage de contrôle Utiliser des alimentations en courant continu plutôt qu’en alternatif : les alimentations CC disposent par définition d’une réserve d’énergie. Elles sont donc typiquement moins sensibles aux creux (p.ex. les contacteurs avec enroulement d’excitation à cc). Prévoir des alimentations conditionnées pour l’appareillage de contrôle : la puissance installée d’un appareillage de contrôle monophasé est généralement faible. Le coût de la protection à prévoir est donc souvent justifiable. Pour ce faire, on utilise généralement des systèmes de type UPS (ou ASI, pour alimentation sans interruption). Il convient de noter que la fiabilité d’une unité UPS dépend en grande partie de la situation des batteries. Un bon entretien et le remplacement de ces batteries en temps opportun revêt donc un caractère essentiel. C’est également vrai pour les automates programmables : il est capital de remplacer la batterie de secours à temps de manière à ne pas perdre le programme. Utiliser des techniques de programmation adaptées : pour les processus basés sur des actions séquentielles, il est préférable de ne pas utiliser la mémoire vive pour les variables d’action. De cette manière, si le contrôleur doit être redémarré, l’étape à laquelle se trouvait le processus avant le creux est connu et le processus peut être redémarré rapidement. Dans les installations existantes, les circuits de puissance et de contrôle ne sont pas toujours strictement séparés. Il n’est donc pas toujours évident d’alimenter tout l’appareillage de contrôle à partir d’une unité de type UPS. Actuateurs Les actuateurs (appelés aussi actionneurs) constituent le cœur de la partie opérative de toute installation. Parmi ceuxci, on trouve les moteurs couplés au réseau, les entraînements à vitesse variable et les contacteurs. Des éléments supplémentaires peuvent y être ajoutés en fonction de la nature du processus, comme par exemple des redresseurs pour électrolyse. Le comportement des appareils les plus courants est abordé ci-après, de même que les mesures qui peuvent être prises pour diminuer la sensibilité aux creux de tension de leurs composants. Il est important de signaler que, pour un même type d’appareil, il existe parfois des différences de comportement notables selon les marques. Dans le cas d’installations très sensibles, il peut donc s’avérer très utile de déterminer la sensibilité exacte des actionneurs via des tests ou de donner au fournisseur toutes les indications requises quant au comportement souhaité de l’appareil10. Moteurs à induction couplés au réseau Les moteurs à induction couplés au réseau sont parmi les plus gros consommateurs d’énergie électrique dans l’industrie. Dans la plupart des cas, ils sont peu sensibles aux creux de tension. Ils ne se déconnectent pas immédiatement lors de la survenue d’un creux, mais leur point de fonctionnement change (Figure 10) ; la tension plus basse entraîne une diminution du couple maximal (proportionnelle au carré de la tension) et l’abaissement de la vitesse de rotation du moteur à induction (wdip au lieu de wnom). La vitesse à laquelle le nouveau point de fonctionnement est atteint dépend du couple de charge et de la lenteur ou inertie 10 |IEC 61000-34, IEC 61800 Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 11 de l’entraînement. Si le ralentissement qui en résulte n’entraîne pas de conséquence néfaste sur le fonctionnement normal du processus, il peut être toléré. Des creux avec une tension résiduelle de 70 % ne posent généralement aucun problème. Si le ralentissement n’est pas envisageable, il est alors préférable d’arrêter l’entraînement. T Couple moteur avant le creux Point de fonctionnement normal Couple moteur pendant le creux Couple de charge Nouveau point de fonctionnement Moteurs à induction couplés au réseau Conséquences d’un creux Mesures correctives à prendre Ralentissement du moteur Couple maximal plus faible Courants élevés lors du rétablissement de la tension d’alimentation : nouvelle chute de tension Déconnecter les moteurs non critiques. Développer une procédure de redémarrage séquentielle Activation de la protection du moteur (courants élevés) Retarder le déclenchement lors de la détection d’un creux Tableau 2 | Conséquences et mesures en cas de creux pour les moteurs à induction Wdip Wnom W couplés au réseau Figure 10 | Impact d’un creux sur la caractéristique couple (T)-vitesse de rotation (w) d’un moteur à induction Lors du rétablissement de la tension d’alimentation à la fin du creux, le moteur est soumis à une réaccélération jusqu’à son point de fonctionnement initial. Au cours de cette accélération, des courants élevés circulent dans le moteur, comparables au courant de démarrage. Dans beaucoup d’applications, des mesures sont prises pour éviter les courants de démarrage élevés. En effet, ceux-ci créent une charge thermique pour le moteur et entraînent en outre des chutes de tension en amont. Dans le cas de moteurs très puissants, cela peut entraîner un creux de tension. Les démarrages très lourds se font souvent sans charge (p.ex un compresseur) ou s’effectuent via un démarrage en étoile-triangle ou une alimentation électronique de puissance. Lors d’un creux de tension de courte durée, ces techniques de démarrage ne sont pas actives. Par conséquent, des courants très importants circulent et peuvent être erronément interprétés par la protection du moteur (détection locked-rotor). Celle-ci se déconnecte alors du réseau et stoppe l’entraînement avec, dans le pire des cas, l’arrêt de l’application toute entière. Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 12 Moteurs à vitesse variable Les onduleurs électroniques de puissance sont utilisés lorsque la vitesse de l’entraînement doit pouvoir varier de façon souple ou pour économiser de l’énergie. Lors de l’apparition d’un creux, les onduleurs électroniques de puissance sont le maillon faible du système d’entraînement. Un onduleur standard pour moteur à courant alternatif utilise un redresseur à diodes, un bus continu avec stockage limité d’énergie dans un condensateur, et un inverseur qui délivre la tension alternative adaptée au moteur (Figure 11). Lors d’un creux, il n’y a pas d’énergie transmise du réseau vers le bus continu. La tension de ce circuit chute et la protection de l’onduleur déconnecte l’appareil. À la figure 12, la ligne pointillée reproduit la forme typique d’une courbe de tolérance. Le système d’entraînement doit alors être à nouveau redémarré, soit manuellement, soit automatiquement. De nombreux régulateurs de vitesse disposent d’options pour limiter les conséquences de creux. Elles sont succinctement présentées ci-après. Démarrage « en vol » : il s’agit du redémarrage rapide de l’entraînement après un déclenchement consécutif à un creux; la vitesse du moteur, que celui-ci soit encore en rotation ou non, est déterminée de manière à éviter les courants de moteur élevés. seur actif (Figure 12). Cela permet de maintenir à niveau la tension du bus continu lors de chutes de la tension d’alimentation. L’application ne subit alors aucune nuisance liée au creux. Pour pouvoir transmettre la même puissance dans une telle situation, un courant plus élevé doit être extrait, ce qui peut entraîner une chute de tension supplémentaire. Un redresseur actif permet généralement de soutenir des creux ayant une tension résiduelle de 60 %. Un redresseur actif surdimensionné permet même de supporter des creux plus profonds. Réserve cinétique : si la vitesse de rotation de l’application peut être réduite et s’il y a suffisamment d’énergie cinétique disponible dans les parties tournantes, cette énergie peut être extraite des parties tournantes lors de l’apparition d’un creux en freinant le moteur (Figure 12 - Réserve cinétique). De cette manière, l’onduleur reste actif et est capable de faire à nouveau accélérer le moteur de façon contrôlée après le rétablissement de la tension. Les entraînements à courant continu sont aussi sensibles aux creux de tension. Un pont à thyristors à l’entrée d’un tel entraînement doit être commandé en synchronisation avec le réseau. Le synchronisme peut être perdu lors d’un creux de tension. De tels systèmes sont particulièrement sensibles lors de la réinjection d’énergie (fonctionnement en onduleur). Redresseur actif : des développements récents permettent le remplacement d’un redresseur à diodes par un redres- L dc Rcharge R S T T1 T2 T3 ac moteur C Réseau redresseur Bus continu inverseur Figure 11 | Schéma d’un onduleur pour réglage de vitesse Figure 12 | Impact de la réserve cinétique ou de l’utilisation d’un redresseur actif sur la courbe de tolérance d’un entraînement à vitesse variable Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 13 Entraînements à courant alternatif à vitesse variable Conséquences d’un creux Mesures correctives à prendre Activation de la protection de sous-tension entraînant le déclenchement (surtout les creux de Type III) Redémarrer l’onduleur: • Sur moteur tournant • Sur moteur à l’arrêt Abaisser la limite de sous-tension et placer des inductances Utiliser un onduleur avec une plus grande capacité du bus continu Utiliser un redresseur actif Freiner la charge entraînée (réserve cinétique) Ralentissement du moteur Utiliser un onduleur avec rétroaction de la vitesse ou des variateurs à contrôle vectoriel de flux Déclenchement par détection de perte de phase (Creux de Type I et II) Retarder la détection de perte de phase > 500 ms si possible Déclenchement suite à des courants de moteurs élevés après rétablissement de la tension d’alimentation (Onduleurs U/f) Utiliser des variateurs à contrôle vectoriel de flux Perte du système de réglage de l’onduleur Alimenter séparément le système de réglage via une unité UPS Oscillations de la tension du bus continu lors du rétablissement de la tension avec rupture des diodes du bus continu Placer judicieusement des inductances de lissage Tableau 3 | Conséquences et mesures correctives pour des entraînements à vitesse réglable Contacteurs Tension (pu) 1.0 Des contacteurs sont utilisés pour connecter les actuateurs au système d’alimentation. Les contacteurs classiques comprennent un enroulement d’excitation alimenté en courant alternatif ou continu. Le contact mécanique du contacteur se ferme lors de l’excitation. Les contacteurs sont alimentés en monophasé. Suite à un creux de tension, les contacteurs peuvent s’ouvrir de façon incontrôlée, ce qui peut mener à l’arrêt du processus et à des situations dangereuses. Pour éviter ce type de problème, deux solutions sont possibles: maintenir les contacteurs continuellement en position fermée, ou bien ouvrir les contacteurs de façon contrôlée en cas de détection d’un creux. Cette dernière solution est notamment mise en œuvre pour le redémarrage sous contrôle de puissants moteurs connectés au réseau. Si les contacteurs ne peuvent pas être ouverts, il est préférable d’opter pour une excitation en courant continu, voire pour une solution plus drastique, à savoir le recours à une unité UPS pour garantir l’alimentation. Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 14 Passe 0.8 0.6 L'immunité du contacteur varie d'un fournisseur à l'autre 0.4 0.2 Echec 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Temps Tim,(ms) (ms) Figure 13 | Courbe de tolérance pour des contacteurs disponibles sur le marché La Figure 13 présente des courbes de tolérance pour des contacteurs avec bobinage à courant alternatif. La zone grise est délimitée d’une part, par les meilleurs contacteurs, et d’autre part, par les contacteurs de qualité médiocre. On observe une grande dispersion du comportement d’un contacteur à l’autre. Il est donc indiqué, pour des processus critiques, d’interroger les fournisseurs sur le comportement de leurs appareils lors de creux de tension. Les relais de sous-tension appartiennent aussi au groupe des contacteurs. Ils remplissent une fonction de sécurité lorsque la tension d’alimentation est trop basse. Ils peuvent déconnecter une machine lors d’un creux de tension de courte durée, alors que ce creux ne pose pas forcément de problème pour d’autres appareils. pe, les actions à prendre ainsi que les différents intervenants. Ainsi, il ne serait pas opportun de vouloir faire redémarrer une machine qui requiert de l’air comprimé, sans remise en service préalable de l’installation qui comprime l’air. Solution d’immunisation globale Procédure de redémarrage Dans de nombreux cas, une protection complète ne se justifie pas d’un point de vue financier. Les méthodes qui ont été évoquées ci-avant doivent permettre de réduire le nombre d’arrêts des installations. Quoi qu’il en soit, des arrêts interviennent irrémédiablement en cas de creux profonds et longs. Afin de relancer l’installation après un tel arrêt, il est nécessaire de disposer d’une procédure identifiant, étape par éta- Si des parties importantes d’une installation sont sensibles aux creux, un dispositif d’immunisation peut être installé. La plage de puissance d’un tel appareillage peut facilement atteindre 1 MW. Il faut établir une distinction entre les systèmes UPS statiques et les systèmes UPS rotatifs. La capacité de cet appareillage à compenser des creux dépend en grande mesure de la quantité d’énergie présente dans le dispositif d’immunisation. Les systèmes statiques sont plutôt utilisés pour les petites plages de puissance. 4. Mesurer les creux de tension Comme indiqué à plusieurs reprises dans cette brochure, il est important de mesurer les creux de tension. Les gestionnaires de réseau procèdent au suivi de la qualité de la tension de leurs réseaux. Cela leur permet notamment de disposer d’informations globales sur les creux de tension, informations qui ont par exemple servi à rédiger cette brochure. Vu la manière dont ces creux de tension se propagent (voir aussi le paragraphe ‘Causes et propagation’ au Chapitre 2), les mesures de creux ne donnent pas toujours une image précise de ce qui se produit exactement chez un utilisateur du réseau. Pour évaluer correctement l’impact des creux de tension et l’efficacité des mesures d’immunisation, il est fortement recommandé aux utilisateurs de mesurer les creux de tension au niveau de leur installation. En cas de conséquences néfastes sur un processus, le coût de ces évaluations est généralement tout à fait négligeable par rapport à la contribu- tion qu’elles peuvent apporter dans le processus d’immunisation, y compris lorsqu’elles sont confiées en sous-traitance à des prestataires de service externes. En outre, ces mesures apportent aussi une information sur les éventuels creux de tension dont l’origine se situe en interne. Afin de pouvoir comparer et interpréter correctement les résultats de mesure, il est recommandé d’utiliser un appareillage conforme à la norme européenne EN 61000-4-3011 (Classe A ou S). Les paramètres de mesure les plus adéquats sont basés sur la norme européenne EN 50160. Et pour disposer d’une analyse détaillée, ces mesures peuvent évidemment être complétées par d’autres, comme par exemple des mesures de fluctuation de la tension (comme indiqué à la Figure 1) ou l’évaluation de la qualité de l’énergie électrique. 11 | EN 61000-4-30 : 2009 = IEC 61000-4-30 : 2009 Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 15 Les creux de tension enregistrés peuvent être analysés individuellement, et plus spécifiquement en fonction des conséquences (ou de l’absence de conséquence) qu’ils ont sur le processus concerné. Même l’absence d’impact sur le processus peut fournir une information intéressante pour préciser le niveau d’immunité des installations. Vu le caractère stochastique de ces perturbations, il convient d’effectuer ce type de mesures sur une longue période afin de disposer de statistiques de creux de tension fiables. Le tableau ci-dessous montre par exemple que, pour pouvoir limiter l’incertitude statistique à 20 %, il faut réaliser des mesures durant 20 ans si le nombre de creux s’élève en moyenne à cinq par an. L’incertitude sera évidemment plus élevée si la période de mesure est plus courte. e = 50 % e = 20 % e = 10 % µ = 2 creux/an 8 ans 50 ans 200 ans µ = 5 creux/an 3,2 ans 20 ans 80 ans µ = 10 creux/an 1,6 ans 10 ans 40 ans Tableau 4 | Période de mesure statistique (avec e = incertitude et µ= fréquence moyenne de creux) Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 16 5. Conclusion Même lorsque les réseaux sont correctement exploités et entretenus, des creux de tension d’origines très diverses peuvent se produire ; leurs conséquences sur les processus sont aussi de nature très variable : risque pour le personnel, coûts de matériel, coûts de redémarrage, risque de perte d’image… Etant donné le caractère inévitable et l’influence potentiellement néfaste des creux de tension, il est essentiel de prendre cette problématique au sérieux et la contribution de tous les acteurs est essentielle. Le gestionnaire de réseau doit naturellement développer, équiper et entretenir ses réseaux de manière adéquate et mettre à disposition des informations générales sur les creux de tension. L’utilisateur du réseau, quant à lui, est le mieux placé pour estimer la criticité de ses processus et il doit prendre en compte l’impact potentiel des creux de tension lors du développement de ses installations ou lorsqu’il établit un cahier des charges et des spécifications techniques. Les fabricants/fournisseurs connaissent leurs produits et ont dès lors la responsabilité d’informer correctement leurs clients, notamment sur le comportement de ces produits en cas de creux de tension. En outre, leurs appareils standard peuvent souvent être équipés d’options permettant d’améliorer leur immunité moyennant un surcoût limité. Ces options constituent autant d’alternatives utiles qu’il convient donc de proposer aux clients. Les bureaux d’études doivent pour leur part prendre en compte, dès la phase de conception d’un processus, l’impact néfaste potentiel des creux de tension sur son bon fonctionnement. Ils peuvent préciser les critères d’immunité dans le cahier des charges, prendre des mesures complémentaires d’immunisation pour les systèmes de réglage ou de contrôle/ commande, ou encore prévoir des procédures de redémarrage, etc. En raison de la nature même des creux de tension et de la diversité des installations, il n’existe pas de solutions « clé en main ». Mais en la matière, une règle d’or s’impose : mieux vaut prévenir que guérir. Une approche préventive, prenant en compte l’impact des creux de tension dès la phase de conception, est préférable à une approche curative. Bien entendu, les mesures d’immunisation à caractère curatif peuvent aussi avoir un effet très favorable. Que l’on opte pour une approche préventive ou curative, il est fondamental d’opérer de manière structurée. Une évaluation personnalisée, tant de la nécessité que de la méthode d’immunisation des installations, s’impose. Le responsable du processus doit procéder à une évaluation précise de l’impact des creux de tension sur le fonctionnement de son installation. Une information sur la nature des creux pouvant se produire est également requise afin de pouvoir dégager une analyse financière correcte. Les gestionnaires peuvent mettre à disposition des informations globales sur les creux se produisant sur leurs réseaux. Idéalement, l’utilisateur du réseau complétera ces informations par des mesures réalisées à son niveau. Les informations et conseils communiqués dans cette brochure permettent une première estimation des mesures permettant d’assurer ou d’améliorer la fiabilité des processus. Pour une analyse plus détaillée de la problématique, nous renvoyons le lecteur intéressé vers la brochure détaillée éditée par le CIGRE (le Conseil International des Grands Réseaux Électriques). Des prestataires de services spécialisés peuvent également apporter leur aide dans ce domaine. Creux de tension : comment se protéger contre l’inévitable ? | 17 La présente brochure est une initiative de Synergrid et a été réalisée en collaboration avec Laborelec et Howest (Hogeschool West-Vlaanderen).
