Energie électrique sécurisée

Energie électrique
sécurisée
p.1
Un besoin généralisé et croissant
p.2
Origine des pannes
Disponibilité de l’énergie électrique
p.3
Qualité de l’énergie électrique
p.5
Définir la solution d’énergie sécurisée
la mieux adaptée
p.11
Conclusion
p.12
Exemples d’architectures
La disponibilité et la qualité de l’énergie
électrique sont devenus aujourd’hui des enjeux
de compétitivité économique
Un besoin généralisé et croissant
Un besoin pour tous les secteurs de l’économie
Dans le contexte de compétitivité économique accrue et avec la
dérégulation du marché de l’énergie, disposer d’une énergie électrique
sécurisée est devenu un enjeu stratégique pour tous les secteurs de
l’économie.
Les activités tertiaires et industrielles dépendent de plus en plus
d’équipements numériques et d’automatismes sensibles. Des perturbations
d’alimentation de quelques secondes peuvent affecter le fonctionnement
global et avoir des répercussions considérables en termes de sécurité ou
économiques.
Une défaillance de l’installation électrique dans les hôpitaux, les
infrastructures de transport (aéroports, tunnels...), les sites critiques
(pétrochimie) peut induire un risque humain ou environnemental majeur.
A cela s’ajoute, pour les applications sensibles, des risques de pertes
fi nancières extrêmement élevée.
Pour les activités liées aux télécommunications ou à l’informatique
(transactions bancaires, réservation aérienne...) les pertes correspondent à
l’arrêt et aux erreurs de traitements.
Exemple de coûts horaires des pannes
d’alimentation électrique.
@ Télécommunications 1 800 000 € (1)
@ Transaction par cartes de crédits 2 500 000 € (2)
@ Sociétés fi nancières à opérations boursières 6 000 000 € (1)
@ Production de semi-conducteur 3 800 000 € (1)
@ Ligne d’assemblage automobile 6 000 000 € (2)
@ Acièrie 350 000 € (1)
(1) Leonardo Power Quality Initiative - rapport 2.1
(2) UPS Europan Guide CEMEP (European commitee of manufacturers of Electrical Machines and Power
Electronics)
S
N°18 Juin 2008

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Guide
Technique
Intersections - juin 2008
Origines de pannes
Les causes des pannes qui peuvent affecter
une installation BT sont multiples, mais ont trois
origines principales :
La production et le transport
Les perturbations sur les infrastructures de
production et transport peuvent se répercuter
jusqu’aux installations BT par les lignes et les
transformateurs. Elles touchent d’autant plus
d’utilisateurs qu’elles se situent en amont.
Leurs origines sont essentiellement :
@ les défauts sur les réseaux : leur l’apparition
provoque des creux de tension pour tous les
utilisateurs. Leur durée dépend de la
temporisation des protections. L’isolement
d’une section en défaut peut aussi amener à
une coupure de durée liée aux possibilités de
localisation du défaut et d’intervention.
@ les manœuvres sur les réseaux : les
automatismes réenclencheurs, les permutations
de transformateurs ou de lignes, peuvent
occasionner des coupures brèves. La
dérégulation du marché de l’électricité augmente
ce type de perturbations. Les réseaux nationaux
sont interconnectés et les manœuvres de
commutation sont plus fréquentes pour suivre
les fl uctuations de la demande. Les gros
consommateurs ont le choix de leur fournisseur
et les distributeurs achètent l’électricité selon les
cours du jour à la bourse de l’énergie (Powernext
en France).
Les aléas climatiques
Les conditions météorologiques, comme les
vents violents et le verglas, endommagent aussi
les lignes aériennes, dont la réparation dans ces
conditions est longue et diffi cile.
Les changements climatiques amplifi ent ces
phénomènes naturels et rendent les réseaux
aériens plus vulnérables. Ils s’accompagnent
aussi de pics de demande accrus, alors que l’on
constate, avec la dérégulation du marché, un
ralentissement des investissements au niveau de
la production.
Les risques pour la livraison sont donc bien
réels. Des “black-out”, pannes géantes, ont déjà
affecté les Etats-unis, la Suède, le Royaume
Uni et l’Italie. Des coupures plus mineures sont
fréquentes.
Pour les activités industrielles à fl ux tendus,
l’arrêt d’une chaîne peut bloquer l’ensemble
de la fabrication et générer des problèmes
de qualité et de délais. Dans les process, les
perturbations peuvent occasionner la perte de
la production en cours et l’arrêt, pour remise en
état, du process.
Par exemple, la fabrication de plaques de semi-
conducteurs requiert une douzaine d’étapes
sur plusieurs jours et la défaillance d’une étape
est catastrophique. Pour la fabrication d’acier,
de verre ou de papier s’ajoute en général une
opération de nettoyage longue et coûteuse. La
pharmacie ou l’agro-alimentaire sont touchées
par l’aspect sanitaire et de traçabilité.
Dans les 5 prochaines années les interruptions
et les limites de livraison électrique toucheront
50% des Data Centers et plus de 90% des
Sociétés
(AFCOM Data Center Institute’s Five Bold Prediction, 2006)
Un enjeu souvent sous-estimé
Les problèmes liés à la qualité de l’énergie
coûteraient à l’économie des 25 pays de l’Union
Européenne 150 milliards d’Euros par an (1).
Plusieurs sociétés estiment perdre 10 % de leur
chiffre d’affaire à cause d’une qualité d’énergie
insuffi sante. D’un autre côté, les dépenses
consacrées à la qualité de l’énergie sont
inférieures à 30 % de ce montant (1).
Garantir la qualité et la disponibilité de
l’énergie électrique devient un enjeu et un
argument commercial pour les producteurs et
les distributeurs. Certains contrats comportent
des clauses de qualité et de disponibilité du
produit “électricité” livré. La norme EN50160
précise des critères de qualité.
Mais, en pratique, au delà des précautions du
contrat de fourniture, les statistiques d’origines
des pannes montrent que c’est à l’utilisateur
qu’appartient la mise en place d’une installation
électrique sécurisée
Cela suppose une prise de conscience et une
meilleure connaissance des problèmes et des
solutions. Ce qui suit concerne cette démarche
pour la partie basse tension des installations,
proche des charges, là où les perturbations de
l’énergie ont le plus de conséquences.
(1) Leonardo Power Quality Initiative - European Power Quality
survey 2007

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L’installation électrique
Les deux tiers des pannes affectant les
équipements critiques a pour origine l’installation
électrique elle-même (fi gure 2). Seuls 20 %
relèvent de pannes des équipements alimentés
et 15 % d’erreurs humaines lors d’opérations de
maintenance.
Le fonctionnement de l’installation peut en
outre affecter les utilisateurs voisins par la
mise en service ou la déconnexion de charges
importantes et la présence d’harmoniques dûs à
des charges non linéaires.
Certains distributeurs précisent des clauses
contractuelles limitant les risques de perturbation
d’autres installations.
Disponibilité (%) = (1– ––––– ) x100
MTTR
MTBF
La CEI 60050 § 191 précise ces éléments.
@ Le MTTR (Mean Time To Recovery
- durée moyenne des pannes) est le
temps moyen d’intervention pour rendre
l’installation à nouveau opérationnelle
après une défaillance ayant amené une
panne(1). Il comprend la détection de la
cause de panne, sa réparation et la remise
en service.
@ Le MTBF (Mean operating Time Between
Failure - durée moyenne des temps de
bon fonctionnement) mesure le temps
moyen pendant lequel l’installation est
opérationnelle entre défaillances.
Le taux de disponibilité (2) (3) traduit en fait
une probabilité de fonctionnement qui est
très diffi cile à calculer. Il est en général
évalué par des statistiques de valeurs du
MTBF et MTTR.
(1)Une défaillance est un événement qui conduit :
- à l’état panne (arrêt de l’exploitation)
- dans les installations à tolérance de panne, en
général à un fonctionnement en mode dégradé,
mais n’arrêtant pas l’exploitation.
(2) 1 - D(%) est le taux d’indisponibilité. A
99,98 % de disponibilité correspond à 0,02 %
d’indisponibilité.
(3) Pour compléments d’informations, voir CT 184
“Etude de sûreté des installations électriques”
Figure 2.
Origine des arrêts d’équipements critiques
Selon UPS European Guide CEMEP (European
Commitee of Manufacturers of Electrical Machines
and Power Electronics)
Disponibilité de
l’énergie électrique
Qu’est-ce que la disponibilité ?
La disponibilité est un élément essentiel
d’appréciation d’une énergie sécurisée. Elle va
de pair avec un niveau de qualité attendu.
La norme CEI 60050 § 191 la défi nit comme
“L’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”
En pratique c’est la proportion de temps
pendant laquelle une installation électrique est
opérationnelle pour fournir une énergie de qualité
conforme aux équipements alimentés.
Elle s’exprime par un taux de disponibilité :

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A quoi correspond la disponibilité ?
La disponibilité correspond en pratique à une
évaluation du temps de bon fonctionnement
(Up Time) de l’installation électrique.
Une disponibilité excellente de 99,99 % (dite 4
neufs) se traduit environ par 1h d’indisponibilité
sur une année (365 x 24 x 0,01%).
Un utilisateur en Europe de l’ouest s’attend à
une disponibilité de 99,98 % pour une
utilisation domestique et 99,996 % pour une
installation industrielle ou commerciale.
Ces niveaux sont ceux attendus au point de
livraison. Ils sont relativement élevés et
traduisent un effort élevé de coopération et
maintenance entre les nouveaux partenaires de
l’approvisionnement.
Pour les utilisateurs ayant des applications
sensibles, ce qui compte c’est la disponibilité
mesurée au niveau des équipements critiques.
La conception de l’installation électrique joue
un rôle essentiel à ce niveau, compte tenu des
statistiques d’origines des pannes (Figure 2).
En l’absence de mesures de prévention lors
de la conception, la disponibilité diminue en
descendant l’installation, du fait de la mutiplicité
des connexions, des dispositifs de protection,
des câbles etc.
Sans précaution, elle est généralement moins
bonne aux bornes des équipements qu’au point
de livraison.
Les statistiques traduisent la sous estimation des
risques par de nombreux utilisateurs. Au delà du
contrat de distribution, une énergie sécurisée au
niveau des charges dépend des mesures prises
dans l’installation électrique.
Comment augmenter la
disponibilité ?
La disponibilité dépend du MTBF et du MTTR.
Une disponibilité de 100% correspond à un
MMTR nul (réparation instantanée) ou à un
MTBF infi ni (fonctionnement sans panne).
Ces conditions ne pouvant être atteintes, il faut
chercher à :
@ réduire le MTTR par la maintenabilité des
équipements et une organisation effi cace de la
maintenance à la fois pro active et réactive
@ augmenter le MTBF par la fi abilité des
sous ensembles et composants provenant
de fournisseurs éprouvés ainsi que par des
dispositions de redondance.
Qualité de l’énergie
électrique
Le niveau de qualité de l’énergie disponible doit
être compatible avec les tolérances
d’alimentation des charges.
Une alimentation électrique parfaite fournirait
une tension toujours disponible, à la fréquence
nominale, sous forme d’une onde sinusoïdale
pure exempte de bruit. Les charges linéaires
alimentées sont alors parcourues par un courant
sinusoïdal parfait de même fréquence, pouvant
être déphasé selon leur cos ϕ.
Or, tous les réseaux sont soumis à des
perturbations ou en génèrent. D’autre part,
les charges non linéaires sont de plus en
plus nombreuses. En France les normes CE I
60364 et NF C15-100 prennent en compte, par
exemple, les surtensions ou les harmoniques.
Les défauts possibles par rapport au cas idéal
peuvent affecter :
@ la fréquence : fl uctuations
@ l’amplitude (variations, coupures et creux de
tension)
@ la forme de l’onde (présence d’harmoniques,
courants porteurs, transitoires, CEM)
@ la symétrie du système triphasé.
Plusieurs caractéristiques peuvent être
modifi ées par une même perturbation.
La norme EN 50160 précise ces éléments, qui
constituent des critères de qualité.
En pratique, les perturbations autres que celles
de la fréquence, qui dépend directement de la
production et de la distribution, peuvent être
regroupés en trois principales catégories :
@ coupures et chutes de tension
@ distorsion harmonique
@ phénomènes transitoires.
Coupures et chutes de tension
Les coupures de tension (ou de courant qui en
résultent) sont une absence totale de la tension
d’alimentation (chute d’amplitude > 99 %).
On distingue :
@ les micro-coupures de durée < 10 ms
@ les coupures brèves de durée < 1 min
dont 70 % sont des coupures très brèves < 1 s
@ les coupures longues de durée > 1 min
Les chutes (ou creux) de tension sont une
diminution brutale de l’amplitude de tension en
un point d’un réseau suivie d’un rétablissement
après un laps de temps.
Elle sont caractérisées (CEI 61000-2-1 et
EN 50160) par :
@ la profondeur : la tension résiduelle effi cace au
point le plus bas, qui peut aller de 1 à 90% de la
valeur effi cace de la tension nominale
@ la durée : de 10 ms à une minute.
Un système triphasé subit un creux de tension si
au moins une phase est affectée.
profondeur
durée
Figure 4. Chute ou creux de tension.

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Lors d’une chute de tension la charge ne reçoit
pas toute l’énergie nécessaire à son
fonctionnement, ce qui peut avoir de graves
conséquences selon les équipements.
Les moteurs sont sensibles aux variations de
tension car ils fonctionnent alors sur l’inertie
du système. Pour des processus comportant
plusieurs entraînements, les commandes des
moteurs peuvent détecter les variations de
tension à des seuils différents amenant à une
perte de contrôle complète du processus.
Pour les équipement informatiques, l’organisme
de standardisation regroupant les principaux
constructeurs, ITIC (Information Technologie
Industry Council - qui succède au CBEMA
- Computer and Business Equipment
Manufacturers Association) a défi ni un gabarit
de tension qui décrit la tolérance d’un
équipement aux perturbations de tension.
Figure 5. Courbe enveloppe des fl uctuations de
tension admissibles pour l’informatique selon l’ITIC.
Ex : une chute de tension de 70 % de doit pas
excéder 20 ms.
Les coupures et les chutes de tension
proviennent en général du système de
production et distribution et relèvent de la
responsabilité du fournisseur. Elles peuvent
être aussi occasionnées par un défaut des
équipements, des conducteurs ou des
raccordements sur les sites.
Une conception intégrant des solutions qui
augmentent la résilience de l’installation peut en
minimiser les conséquences.
Les harmoniques
Les problèmes liés aux harmoniques sont
causés par des charges non linéaires, c’est-à-
dire dont le courant n’est pas sinusoïdal
(ex : alimentation à découpage, électronique de
puissance).
Ces charges sont de plus en plus fréquentes.
Dans ce cas le courant circulant dans la charge
est la somme de composantes sinusoïdales
de fréquences multiples impairs (H3, H5, H7...)
de la fréquence nominale, dite fréquence
fondamentale. Ceci est montré par l’analyse de
Fourier, utilisée par les appareils de mesure des
harmoniques.
L’importance de la valeur effi cace des divers
harmoniques rapportée à celle du courant sans
harmonique (ou fondamental - H1) détermine le
spectre harmonique.
La fi gure 6 donne un exemple de courants avec
harmoniques et de leur spectre.
La norme EN 50160 fi xe des niveaux des
tensions harmoniques à ne pas dépasser
jusqu’au rang 25.
Figure 6. Exemples d’effets de courants
harmoniques
Les harmoniques ont plusieurs conséquences.
Tout d’abord, la circulation des courants
harmoniques déforme la tension et c’est
l’ensemble des charges de l’installation qui peut
se trouver perturbé.
La mesure de la déformation de tension est
donnée par le taux global de distorsion THDU.
Il traduit la déformation de l’onde de tension et
l’augmentation de courant effi cace. Sa valeur,
mesurée sur un jeu de barres de départs, ne doit
pas excéder 5% (8 % selon EN 50160). Pour
certaines applications, comme l’informatique,
une valeur de 3% est requise, et atteinte le plus
souvent avec l’installation d’onduleurs.
Autre inconvénient, les harmoniques d’ordre 3
(150 Hz) et multiples (H3, H9...) circulant dans
les phases d’un circuit triphasé s’additionnent
dans le conducteur de neutre et le surchargent.
Ce courant de neutre peut dépasser celui des
phases. La majorité des installations ne sont pas
dimensionnées pour ce phénomène.
Pourtant il peut avoir des conséquences
importantes en termes de fonctionnement et
de sécurité. Des déclenchements intempestifs,
par le courant de neutre, peuvent amener des
coupures. L’échauffement du neutre peut affecter
sa continuité, indispensable à la sécurité des
personnes, ou provoquer des risques d’incendie.
La norme NFC 15-100 donne des
recommandations de dimensionnement du
conducteur neutre et de réglages des protections.
Figure 7. Les harmoniques H3 et multiples circulent
dans le neutre.