10. La sûreté de fonctionnement d`une installation électrique

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10. La sûreté de fonctionnement
d'une installation électrique
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10. LA SURETE DE FONCTIONNEMENT D'UNE INSTALLATION ELECTRIQUE
La tension aux bornes d'un récepteur est affectée par des phénomènes dont l'origine peut être
le réseau du distributeur ou l'installation électrique de l'utilisateur perturbé.
Les dysfonctionnements et le coût des dommages subis dépendent de la nature des
récepteurs et du niveau de criticité du processus industriel. Ainsi, la coupure momentanée d'un
récepteur critique peut avoir de graves conséquences sur le fonctionnement du processus
industriel sans que ce récepteur soit affecté. Dans d'autres cas, la même perturbation pourra
endommager des récepteurs et être tolérée par le processus industriel.
Pour la conception d'un réseau électrique, une étude précise des effets des défaillances et
des perturbations redoutées doit être effectuée. Des dispositions doivent généralement être
prises pour limiter leurs conséquences.
La réduction des effets des harmoniques, du flicker, des déséquilibres de tension, des
variations de fréquence et des surtensions est réalisée par la mise en oeuvre d'architectures
de réseaux et d'équipements adaptés à chaque cas (voir § 3 ; § 5 et § 8).
L'immunité aux coupures de l'alimentation fait également appel à des équipements spécifiques
tels que les alimentations sans interruption et les groupes de production d'énergie électriques
(voir § 4). Ces équipements ne suffisent généralement pas à résoudre tous les problèmes.
L'architecture du réseau, les automatismes de réalimentation, le niveau de fiabilité des
matériels, la présence d'un système de contrôle-commande ainsi que la politique de
maintenance jouent un rôle important dans la réduction et l'élimination des temps de coupure.
L'analyse complète du problème nécessite des études de sûreté de fonctionnement prenant
en compte l'ensemble de ces données ainsi que la fréquence et la durée des coupures
admises par le processus industriel.
Ces études permettent de déterminer l'architecture et les équipements les mieux adaptés aux
besoins de l'usine. Elles nécessitent généralement le classement des récepteurs en fonction
de leur niveau de sensibilité et de distinguer :
- les récepteurs admettant des arrêts prolongés : 1 heure ou plus
- les récepteurs devant être réalimentés après quelques secondes
- les récepteurs n'acceptant aucune coupure.
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La figure 10-1 représente un exemple de réseau pour lequel cette distinction a été faite :
- les récepteurs vitaux ne tolérant aucune coupure sont alimentés par une alimentation sans
interruption
- les récepteurs essentiels sont réalimentés quelques secondes après la perte du réseau du
distributeur dès que la tension et la fréquence du groupe électrogène sont stabilisées
- les récepteurs prioritaires sont relestés dès la fin du redémarrage des récepteurs essentiels
(le groupe électrogène ne peut pas accepter instantanément l'ensemble de la charge)
- les récepteurs non prioritaires acceptent un long temps de coupure, ils ne sont réalimentés
que lorsque le réseau du distributeur est de nouveau en service.
Le choix d'une architecture et d'automatismes appropriés permet d'optimiser le
dimensionnement des sources de remplacement en respectant les contraintes de l'utilisation.
Les études de sûreté de fonctionnement permettent de déterminer l'architecture "minimale"
satisfaisant aux contraintes d'alimentation des récepteurs critiques.
Il faut aussi rappeler que le choix du régime de neutre est un élément important. Ainsi, pour les
récepteurs demandant une disponibilité élevée, le choix du neutre isolé est fortement conseillé
(voir § 2).
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alimentation
du distributeur
G
normal /secours
délestable
non
délestable
non
délestable
délestable
quelques
minutes
ASI
. récepteurs non
prioritaires
. coupure de
quelques heures
. récepteurs essentiels
. coupure de quelques
secondes
. récepteurs vitaux
. aucune coupure
. récepteurs prioritaires
. délestables quelques
minutes
Figure 10-1 : réseau avec classement des récepteurs en fonction de leur sensibilité aux coupures
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10.1.
Définition des termes liés à la sûreté de fonctionnement (selon CEI 50 § 191)
Défaillance
Cessation de l'aptitude d'une entité à accomplir une fonction requise.
A noter : - après défaillance d'une entité, cette entité est en état de panne
- une défaillance est un passage d'un état àun autre, par opposition àune panne, qui est un état
- la notion de défaillance, telle qu'elle est définie, ne s'applique pas à une entité constituée
seulement de logiciel
Disponibilité
Aptitude d'une entité à être en état d'accomplir une fonction requise dans des conditions données, à un
instant donné ou pendant un intervalle de temps donné, en supposant que la fourniture des moyens
nécessaires est assurée.
A noter : - la disponibilité dépend de la fiabilité, de la maintenabilité et de la logistique de maintenance
- les moyens extérieurs nécessaires, autres que la logistique de maintenance, n'influencent
pas la disponibilité de l'entité
Fiabilité
Aptitude d'une entité à accomplir une fonction requise, dans des conditions données, pendant un
intervalle de temps donné.
A noter : on suppose en général que l'entité est en état d'accomplir la fonction requise au début de
l'intervalle de temps donné
Maintenabilité
Dans des conditions données d'utilisation, aptitude d'une entité à être maintenue ou rétablie dans un état
dans lequel elle peut accomplir une fonction requise, lorsque la maintenance est accomplie dans des
conditions données, avec des procédures et des moyens prescrits.
Logistique de maintenance
Aptitude d'une organisation de maintenance à fournir sur demande, dans des conditions données, les moyens
nécessaires àla maintenance d'une entité conformément àune politique de maintenance donnée.
A noter : les conditions données portent sur l'entité elle-même, ainsi que sur les conditions dans
lesquelles cette entité est utilisée et dans lesquelles on assure sa maintenance.
Maintenance préventive
Maintenance effectuée à intervalles prédéterminés ou selon des critères prescrits et destinée à réduire la
probabilité de défaillance ou la dégradation du fonctionnement d'une entité.
Maintenance corrective
Maintenance effectuée après une détection de panne et destinée à mettre une entité dans un état lui
permettant d'accomplir une fonction requise.
Panne
Etat d'une entité inapte à accomplir une fonction requise, non comprise l'inaptitude due à la maintenance
préventive ou à d'autres actions programmées ou due à un manque de moyens extérieurs.
A noter : une panne est souvent la conséquence d'une défaillance de l'entité elle-même, mais elle peut
exister sans défaillance préalable.
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10.2.
Les domaines d'application des études de sûreté de fonctionnement
Les études peuvent être effectuées sur tous les types de réseau et sur leur système de
contrôle-commande :
- en simple antenne (voir fig. 1-17)
- en double antenne (voir fig. 1-18 et 1-19)
- en boucle avec un automatisme de reconfiguration (voir fig. 1-20-a)
- avec double jeu de barres (voir fig. 1-14, 1-15 et 1-16)
- avec des alimentations sans interruption (voir fig. 1-30, 1-31, 1-32, 1-33, 1-34 et 1-35)
- avec des automatismes de transfert (voir § 12.2.1) et des délestages-relestages
(voir § 12.2.3)
- ...
Elles peuvent être personnalisées en fonction des besoins :
- finesse de l'étude
- types de critères de sûreté à évaluer
- type d'analyse.
n la finesse de l'étude (voir tableau 10-1)
- l'étude rapide ou préétude est utilisée en général pour faire rapidement des choix
d'architectures
- l'étude très détaillée prend en compte le plus de facteurs possibles ; prise en compte de
toutes les configurations d'exploitation, analyse détaillée des défaillances possibles et de
leurs conséquences, modélisation du réseau le plus proche possible de son comportement
lors d'une défaillance.
Préétude
Etude détaillée
Finesse des
hypothèses
Un seul type de défaillance avec
durée moyenne et fréquence
d'apparition
Défaillances divisées en famille en
fonction de leurs effets sur
l'installation
Finesse de la
modélisation
Les conséquences des défaillances
sont regroupées en grande famille
Les conséquences des défaillances
sont analysées finement
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Tableau 10-1 : exemple illustrant les différences entre une préétude et une étude détaillée
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n les types de critère de sûreté à évaluer
- le nombre d'heures moyen de fonctionnement avant la première défaillance
(MTTF : Mean Time To Failure)
- le nombre d'heures moyen entre deux défaillances (MTBF : Mean Time Between Failure)
- la disponibilité de l'alimentation d'un récepteur. C'est la probabilité d'alimenter correctement
un récepteur. Cette probabilité tient compte de la fréquence des pannes et de la durée de
leur réparation
- le nombre moyen de pannes par an
- le temps moyen de réparation (MTTR : Mean Time To Repair)
- le temps moyen pendant lequel le système est indisponible lors d'une panne (MDT : Mean
Down Time). Il comprend le temps de détection de la panne, le temps de déplacement du
service maintenance, le temps d'approvisionnement du matériel en panne et le temps de
réparation
- la fréquence optimale des opérations de maintenance préventive et la disponibilité de
l'installation lors de ces opérations
- l'optimisation des lots de rechange pour la maintenance.
Par exemple, pour le réseau électrique de la figure 10-1, on peut calculer :
- la probabilité que le groupe électrogène ne démarre pas lors de la perte de l'alimentation du
distributeur
- la fréquence optimale des tests d'essais du groupe électrogène
- le nombre moyen de minutes par an de coupure des récepteurs prioritaires
- le nombre moyen d'heures avant que les récepteurs vitaux ne subissent une coupure.
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n les types d'analyse
- aide à la conception d'une architecture en évaluant des critères de sûreté de
fonctionnement (voir fig. 10-2).
architecture la
plus simple
évaluation des
critères de sûreté
satisfaction des
critères de sûreté
non
nouvelle
architecture
oui
architecture
choisie
Figure 10-2 : aide à la conception d'une architecture
- comparaison d'architectures (voir fig. 10-3)
architecture
A
architecture
B
évaluation des
critères de sûreté
évaluation des
critères de sûreté
critères de sûreté
de l'architecture A
plus proches des
objectifs
non
architecture B
choisie
oui
architecture A
choisie
Figure 10-3 : comparaison de deux architectures
- détermination et analyse des critères de sûreté d'une architecture.
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10.3.
Réalisation d'une étude de sûreté de fonctionnement
Elle nécessite une connaissance approfondie du domaine de la sûreté. Des logiciels d'analyse
des dysfonctionnements (Adelia, Sofia) et de modélisation (Supercat, MOCA-RP) permettent
aux experts d'évaluer les critères de sûreté retenus.
10.4.
Exemple
Une usine de production d'eau potable fournit 100 000 m3 / jour à faible puissance
300 jours / an et 200 000 m3 / jour à forte puissance 65 jours / an.
La production d'eau est assurée par 4 tranches de production, chacune capable de fournir
100 000 m3 / jour.
A chaque tranche, sont associés six types de récepteur R1 , R2 , R3 , R4 , R5 et R6 (des pompes,
des désinfecteurs...) qui doivent fonctionner simultanément pour assurer la production.
On peut donc repérer les récepteurs assurant le fonctionnement de chaque tranche de la
façon suivante :
R1a , ... , R6a
R1b , ... , R6b
R1c , ... , R6c
R1d , ... , R6d
→
→
→
→
tranche n° 1
tranche n° 2
tranche n° 3
tranche n° 4
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n réseau actuel
Le schéma électrique actuel du réseau alimentant les récepteurs utilisés pour la production est
celui de la figure 10-4.
Figure 10-4 : schéma électrique actuel du réseau alimentant les récepteurs utilisés pour la production
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En fonctionnement normal, le tableau MT1 est alimenté par "distributeur 1", le tableau MT2 par
"distributeur 2".
En cas de perte d'une arrivée distributeur, l'autre arrivée assure la totalité de l'alimentation.
En cas de perte des deux arrivées distributeur, les groupes électrogènes démarrent et sont
capables d'assurer la totalité de l'alimentation.
En cas de perte du transformateur
réciproquement.
T1 , le transformateur
T2
assure le secours, et
En cas de perte du transformateur T 3, T 4 ou T5 , le transformateur T6 assure le secours du
jeu de barres non alimenté.
Pour assurer le fonctionnement à faible puissance (100 000 m3 / jour), une seule tranche est
nécessaire, à forte puissance (200 000 m3 / jour), deux tranches sont nécessaires.
L'usine posséde 4 tranches de production avec de nombreuses redondances dans
l'alimentation électrique, elle devrait donc bénéficier d'un niveau de disponibilité suffisant.
Or, des pannes de l'installation électrique ont eu lieu, engendrant une production insuffisante.
En effet, la répartition de l'alimentation des récepteurs est telle que la disponibilité n'est pas
très bonne. Ainsi, un défaut sur le jeu de barres JDB3 met hors service tous les récepteurs
de type R6 et R5 , et aucune tranche de production ne peut fonctionner.
De même, un défaut sur le jeu de barres JDB4 ou JDB5 met hors service l'ensemble de la
production.
n solution proposée
Pour améliorer la disponibilité, on propose de grouper différemment les récepteurs, de façon à
ce que la perte d'un jeu de barres basse tension ne mette hors service qu'une seule tranche
de production.
Ainsi, la solution proposée est le réseau de la figure 10-5.
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G1
distributeur 1
G2
G3
distributeur 2
tableau MT1
tableau MT2
20 kV
20 kV
T2
T1
5,5 kV
5,5 kV
5,5 kV
400 V
tranche n°1
R1a
R2a
...
R6a
5,5 kV
400 V
tranche n°2
R1b
R2b
...
R6b
5,5 kV
400 V
tranche n°3
R1c
R2c
...
R6c
5,5 kV
400 V
tranche n°4
R1d
R2d
...
R6d
Figure 10-5 : schéma électrique proposé pour alimenter les récepteurs utilisés pour la production
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Cependant, elle engendre un investissement en matériel car 8 interrupteurs 5,5 kV et
2 disjoncteurs 5,5 kV supplémentaires sont nécessaires (on supprime 6 disjoncteurs BT).
Ce surcoût sera largement compensé car le gain en disponibilité est très important, comme
l'indique la suite du paragraphe.
L'étude de sûreté effectuée a permis de comparer la fréquence de panne et la disponibilité du
nouveau réseau et de l'ancien.
De plus, deux études particulières ont été effectuées sur le nouveau réseau pour optimiser la
fréquence des tests d'essais des groupes électrogènes et pour comparer la contribution aux
pannes de la partie MT et de la partie BT.
o comparaison des disponibilités et des fréquences de panne des deux réseaux
Les résultats sont présentés sous forme de comparaison entre les deux réseaux. L'ancien
réseau sert de référence, les disponibilités et les fréquences de panne qui lui sont associés
sont prises égales à 1.
La comparaison des fréquences de panne est indiquée dans le tableau 10-2.
Ancien réseau
Nouveau réseau
Marche faible
1
1/22
Marche forte
1
1/21
Au global
1
1/21
Tableau 10-2 : comparaison des fréquences de panne des deux réseaux
Globalement, les pannes provoquant une production insuffisante seront 21 fois moins
fréquentes avec le nouveau réseau.
La comparaison des disponibilités est indiquée dans le tableau 10-3.
Ancien réseau
Nouveau réseau
Marche faible
1
110
Marche forte
1
55
Au global
1
105
Tableau 10-3 : comparaison des disponibilités des deux réseaux
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Globalement, la disponibilité est 105 fois meilleure avec le nouveau réseau proposé.
Les paramètres déterminant la disponibilité sont la fréquence de panne et le temps de
réparation. Une panne entraîne une baisse de la disponibilité d'autant plus importante que le
temps de réparation est élevé. La non disponibilité donne donc une image de la perte de
production.
Le gain sur la disponibilité est plus important que sur la fréquence de panne car :
- les temps de réparation des pannes du nouveau réseau sont plus courts
- sur le nouveau réseau, lors des opérations de maintenance préventive, la disponibilité est
moins dégradée.
On constate aussi que l'écart de disponibilité est plus important en marche faible qu'en marche
forte car la probabilité de perdre les quatre tranches sur le nouveau réseau est très faible.
Cependant, la contribution de la disponibilité de la marche faible est prépondérante sur le
résultat global car l'usine fonctionne majoritairement en marche faible (300 jours contre
65 jours).
o optimisation de la fréquence des tests d'essais des groupes électrogènes
Cette étude a été menée uniquement sur le nouveau réseau.
La courbe de la figure 10-6 montre l'impact de la fréquence des tests d'essais des groupes sur
la probabilité qu'ils soient indisponibles au moment d'une sollicitation.
Cette probabilité tient compte de l'ensemble des événements redoutés au moment du
démarrage. Elle est fixée arbitrairement à 1 pour une fréquence de tests de 1 mois.
La courbe de la figure 10-6 montre qu'il existe un point minimal d'indisponibilité pour une
fréquence de tests de 6 mois.
On peut remarquer qu'une fréquence de tests plus élevée n'améliore pas la disponibilité des
groupes mais au contraire la dégrade car pendant les tests d'essais les groupes ne sont pas
disponibles.
On peut donc conseiller au client d'effectuer des tests d'essais sur les groupes tous les 6 mois.
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probabilité d'indisponibilité
des groupes
4,9
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
1 mois
4,6
1,5
0,9
fréquence des tests d'essais
6 mois
1 an
2ans
5 ans
Figure 10-6 : probabilité que les groupes soient indisponibles en fonction
de la fréquence des tests d'essais
o calcul de la contribution aux événements redoutés de la partie MT et de la partie BT
Ces calculs ont été effectués uniquement sur le nouveau réseau. Ils ont montré que la partie
MT a une contribution beaucoup plus forte que la partie BT, environ 99,9 % contre 0,1 %, et
ceci autant en marche faible qu'en marche forte.
La maintenance préventive devra donc être particulièrement soignée sur la partie MT du
réseau.
D'autre part, il sera intéressant de mettre en oeuvre un système de contrôle-commande sur la
partie MT pour suivre l'état de l'installation et contrôler la maintenance des équipements
électriques.
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BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 10
n normes
o
CEI 50 (191) (1990) : vocabulaire électrotechnique international. Chapitre 191 : sûreté de
fonctionnement et qualité de service
o
CEI 812 (1985) : technique d'analyse de la fiabilité des systèmes - procédure d'analyse des
modes de défaillance et de leurs effets (AMDE)
o
CEI 863 (1986) : présentation des résultats de la prévision des caractéristiques de fiabilité,
maintenabilité et disponibilité
n cahiers techniques Merlin Gerin
o
introduction à la conception de la sûreté, Cahier Technique n° 144, P. Bonnefoi
o
distribution électrique à haute disponibilité, Cahier Technique n° 148, A. Lonchampt,
G. Gatine
o
sûreté de fonctionnement et tableaux électriques BT, Cahier Technique N° 156,
O. Bouju
o
sûreté des protections en MT et HT, Cahier Technique N° 175, M. Lemaire
o
études de sûreté des installations électriques, Cahier Technique N° 184, S. Logiaco
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