Comment fonctionne l'appareillage moyenne tension dans les systèmes de distribution d'énergie

L'épine dorsale entre la production et la consommation

Parcourez n'importe quelle ville moderne et vous passerez devant des dizaines d'installations qui dépendent deappareillage moyenne tensionsans jamais en voir un. Ils siègent à l’intérieur de bâtiments banalisés, derrière les clôtures des sous-stations, dans les sous-sols des tours commerciales et aux abords des parcs industriels. Ce sont les nœuds électriques où l’alimentation passe de la tension au niveau de la transmission à la tension réellement utilisée par les usines, les centres de données, les hôpitaux et les immeubles d’habitation.

Les appareillages moyenne tension occupent une place spécifique dans la chaîne de distribution d’énergie. Il se situe entre le réseau de transport haute tension (lignes 110 kV, 220 kV ou 400 kV qui transportent l'électricité sur de longues distances) et le réseau de distribution basse tension à 400 V ou 230 V qui se connecte aux équipements de l'utilisateur final. La plage moyenne tension, généralement définie comme des tensions supérieures à 1 kV et allant jusqu'à 40,5 kV ou 52 kV selon la norme appliquée, est celle où l'énergie globale est subdivisée et acheminée vers différentes charges à travers une installation ou une zone géographique.

Cet article explique comment l'appareillage de commutation moyenne tension fonctionne au niveau du système, quelles fonctions il remplit et pourquoi les choix effectués dans les spécifications de l'appareillage affectent la sécurité, la fiabilité et les coûts d'exploitation de l'ensemble du réseau de distribution en aval.

Où se trouve l'appareillage de commutation moyenne tension dans le système

Pour comprendre le rôle d'un appareillage de commutation moyenne tension, il est utile de retracer le chemin de l'énergie depuis le réseau jusqu'à une charge.

Une installation industrielle ou commerciale typique est alimentée par le service public local à moyenne tension : 10 kV, 11 kV, 20 kV ou 33 kV sont courants selon les pays. Cette énergie arrive par des câbles souterrains ou des lignes aériennes et entre dans le tableau principal de l'installation, qui est un ensemble de commutation moyenne tension. De là, il circule à travers les disjoncteurs et les jeux de barres vers plusieurs destinations. Certaines alimentations sont reliées à des transformateurs qui abaissent la tension à 400 V pour une distribution générale au sein de l'installation. D'autres alimentations peuvent alimenter de gros moteurs, refroidisseurs ou compresseurs directement à moyenne tension, car la charge est trop importante pour être alimentée de manière économique à basse tension. D'autres alimentations encore peuvent se connecter à la production sur site, comme des turbines à gaz ou des générateurs diesel de secours, ou à des sources d'énergie renouvelables comme des onduleurs solaires sur les toits.

L’appareillage moyenne tension est le point de contrôle de tous ces flux d’énergie. Il peut connecter ou isoler chaque chargeur individuellement. Il peut protéger chaque chargeur contre les défauts. Il peut diviser le bus en sections distinctes pour améliorer la fiabilité. Et il fournit les points de mesure et de surveillance que les exploitants de l'installation utilisent pour comprendre ce que fait leur système électrique à un moment donné.

Fonctions principales deAppareillage moyenne tension

L’appareillage moyenne tension remplit quatre fonctions fondamentales dans un système de distribution d’énergie. Comprendre chacun d’entre eux explique pourquoi l’équipement est conçu tel qu’il est.

Première fonction : commutation dans des conditions normales

La fonction la plus fondamentale de tout appareillage de commutation est de connecter et de déconnecter des circuits sous charge normale. Une alimentation vers une ligne de production doit être mise sous tension lorsque la ligne est en fonctionnement et mise hors tension pour la maintenance. Un disjoncteur de générateur doit se fermer lorsque le générateur est mis en ligne et s'ouvrir lorsqu'il est mis hors ligne. Un coupleur de bus doit connecter deux sections de jeu de barres lorsqu'un transformateur est mis hors service et le transformateur restant doit alimenter les deux sections.

Ces opérations de commutation sont routinières, mais elles ne sont pas anodines. Le dispositif de commutation doit être capable d'interrompre le courant à pleine charge sans arc excessif ni érosion des contacts. Il doit pouvoir réaliser cette opération des milliers de fois au cours de sa durée de vie. Et ce, de manière à ne pas compromettre la sécurité de l'opérateur qui se trouve devant le panneau.

Les disjoncteurs à vide remplissent cette tâche pour la plupart des applications moyenne tension actuelles. L'ampoule à vide éteint l'arc à l'intérieur d'une bouteille en céramique scellée où il n'y a aucun gaz à ioniser, aucune huile à dégrader et rien à entretenir. Pour les applications avec une fréquence de commutation plus faible, des interrupteurs-sectionneurs, qui sont plus simples et moins coûteux que les disjoncteurs complets, peuvent être utilisés pour les départs qui ne sont pas censés interrompre le courant de défaut.

Fonction deux : protection contre les pannes

Si la commutation dans des conditions normales constitue le travail de routine d'un appareillage de commutation, la protection contre les pannes est sa mission essentielle. Un défaut (un court-circuit entre phases ou entre une phase et la terre) peut libérer de l'énergie à une échelle difficile à visualiser. Le courant au point de défaut peut atteindre des dizaines de milliers d’ampères en millisecondes. Les forces thermiques et mécaniques générées par ce courant peuvent détruire des équipements, déclencher des incendies et blesser du personnel.

L'appareillage de commutation doit détecter le défaut, interrompre le courant et isoler la section défaillante avant que l'une de ces conséquences ne se produise. Cela nécessite que trois éléments fonctionnent ensemble : un relais de protection qui détecte le courant anormal, un disjoncteur qui peut l'interrompre et une conception de système qui limite les dommages collatéraux aux parties saines du réseau.

Les relais de protection moyenne tension sont devenus de plus en plus sophistiqués. Les relais numériques modernes peuvent distinguer différents types de défauts, faire la distinction entre les défauts sur leur alimentation protégée et les défauts en aval, et enregistrer les données de forme d'onde qui aident les ingénieurs à comprendre ce qui s'est passé après l'événement. Mais le relais ne peut envoyer qu'un signal de déclenchement. Le disjoncteur doit alors séparer physiquement ses contacts contre toutes les forces électromagnétiques du courant de défaut, éteindre l'arc qui se forme entre eux et récupérer sa rigidité diélectrique suffisamment rapidement pour empêcher un réamorçage. C'est pour cela qu'un disjoncteur à vide avec un courant de coupure de court-circuit nominal de 25 kA ou 31,5 kA est conçu et testé.

Troisième fonction : isolement pour la sécurité

La protection contre les pannes élimine automatiquement les conditions dangereuses. L'isolement est une mesure délibérée prise pour rendre l'équipement sûr sur lequel les personnes peuvent travailler.

Lorsqu'une équipe de maintenance doit accéder à un transformateur, à une terminaison de câble ou à un disjoncteur lui-même, elle a besoin d'une coupure visible et vérifiable dans le circuit. Ils doivent savoir que le circuit ne peut pas être réactivé accidentellement. Et ils ont besoin que l'équipement soit connecté à la terre afin qu'aucune tension résiduelle ou induite ne puisse présenter de danger.

L'appareillage de commutation moyenne tension y parvient grâce à la combinaison de disjoncteurs, de sectionneurs et de sectionneurs de terre, tous verrouillés de sorte que le fonctionnement doit suivre une séquence sûre. L'opérateur doit d'abord ouvrir le disjoncteur, puis ouvrir le sectionneur pour créer un espace d'isolement visible, puis fermer le sectionneur de terre pour mettre à la terre la section isolée. Les verrouillages mécaniques empêchent l'exécution d'une de ces étapes dans le désordre. Il s'agit du système de verrouillage « cinq préventions » qui est standard sur tous lesappareillage moyenne tension.

Fonction quatre : mesure et surveillance

Aucun système de distribution ne peut être géré sans données. Les mesures de courant indiquent aux relais de protection ce que fait le système. Les mesures de tension permettent de surveiller la qualité de l'énergie et de vérifier la synchronisation. Les mesures énergétiques constituent la base de la facturation et de la répartition des coûts. Et de plus en plus, les données de surveillance de l'état de l'appareillage lui-même (température, décharge partielle, temps de trajet du mécanisme) sont utilisées pour prédire quand une maintenance est nécessaire avant qu'une panne ne se produise.

L’appareillage moyenne tension intègre l’ensemble de ces fonctions de mesure. Les transformateurs de courant et les transformateurs de tension sont montés dans le compartiment câbles ou sur les jeux de barres. Leurs sorties secondaires sont câblées aux relais de protection, aux compteurs et aux transducteurs du compartiment basse tension. Dans les installations modernes, ces appareils communiquent via des protocoles numériques tels que CEI 61850, Modbus ou Profibus avec le SCADA central ou le système de gestion de l'énergie de l'installation. Le panneau de commutation est à la fois un appareil électrique et une source de données.

Configurations d'appareillage de commutation dans les systèmes de distribution

La disposition physique des panneaux de commutation dans un système de distribution n'est pas arbitraire. Il reflète la philosophie opérationnelle de l'installation et les exigences de fiabilité des charges desservies.

Jeu de barres simple

La configuration la plus simple est un jeu de barres unique auquel sont connectés tous les départs entrants et sortants. Un seul transformateur alimente le bus. Si le transformateur tombe en panne ou est mis hors service pour maintenance, toutes les charges sur ce bus perdent de l'alimentation. Cette configuration est peu coûteuse et simple à utiliser, mais elle n'offre aucune redondance. Il est utilisé lorsque les conséquences d'une interruption d'approvisionnement sont tolérables : un petit bâtiment commercial, un processus industriel non critique ou un approvisionnement temporaire en construction.

Jeu de barres simple sectionné

L'ajout d'un disjoncteur de section de bus crée deux sections de jeu de barres qui peuvent fonctionner indépendamment ou être couplées ensemble. Chaque section est alimentée par son propre transformateur. En cas de panne d'un transformateur, le coupleur de bus se ferme et le transformateur sain alimente les deux sections. Les charges subissent une brève interruption pendant le transfert, mais le service est rétabli rapidement. Il s'agit de la configuration la plus courante pour les installations industrielles et commerciales de taille moyenne, où certains temps d'arrêt sont acceptables pour la maintenance, mais où une perte totale d'approvisionnement ne l'est pas.

Main-Tie-Main

Une configuration principal-lien-principal place un coupleur de bus entre deux sections de bus distinctes, chacune avec son propre disjoncteur d'arrivée principal et son propre transformateur. Le coupleur est normalement ouvert. Si l'un des transformateurs est perdu, le coupleur se ferme automatiquement ou par l'action de l'opérateur. Cette configuration offre une fiabilité supérieure à celle d'un simple bus sectionné car le fonctionnement du coupleur peut être automatisé et le transfert peut s'effectuer sans aucune intervention de l'opérateur. Il est utilisé dans des installations critiques telles que les hôpitaux, les centres de données et les installations industrielles à processus continu.

Configuration de l'unité principale en anneau (RMU)

Pour les réseaux de distribution qui desservent plusieurs charges géographiquement dispersées (un campus universitaire, un réseau de distribution urbain, un système de collecteur de parc éolien), la configuration de l'unité principale en anneau est la solution standard. Plusieurs panneaux RMU sont connectés en anneau, chaque panneau contenant généralement deux interrupteurs-sectionneurs pour les alimentations en anneau et un disjoncteur ou un interrupteur à fusible pour le transformateur local. Le pouvoir peut circuler dans les deux sens autour de l’anneau. Si un défaut de câble se produit n'importe où sur l'anneau, les deux panneaux RMU adjacents au défaut peuvent isoler la section endommagée et toutes les autres charges continuent d'être alimentées du côté sain de l'anneau. Cette architecture offre un niveau de fiabilité d’approvisionnement qu’un système radial ne peut égaler, à un coût bien inférieur à celui de la duplication de l’ensemble de l’infrastructure d’approvisionnement.

COTENELE fournit des RMU 24 kV sans SF₆ pour les applications principales en anneau, utilisant de l'air sec comme moyen isolant dans un réservoir en acier inoxydable scellé à vie. Les modules RMU (entrée, sortie, protection du transformateur, coupleur de bus et mesure directe) sont construits à partir de sous-ensembles standardisés et testés qui peuvent être configurés pour correspondre au schéma unifilaire du projet.

La transition vers un appareillage de distribution sans SF₆

Un développement important dans les appareillages de commutation moyenne tension au cours de la dernière décennie a été l'abandon du gaz SF₆ en tant que milieu isolant et d'extinction d'arc. Ceci est particulièrement pertinent pour les appareillages de commutation à isolation gazeuse et les unités principales en anneau, où le SF₆ était traditionnellement utilisé pour remplir le réservoir scellé qui renferme toutes les pièces sous tension.

Le moteur de cette transition est la réglementation environnementale, notamment le règlement européen sur les gaz fluorés qui interdit désormais les nouveaux appareillages SF₆ jusqu'à 24 kV sur le marché européen. Mais la transition s’appuie également sur une solide logique d’ingénierie. L'air sec et l'azote ont un potentiel de réchauffement climatique nul, ne nécessitent aucune manipulation particulière en fin de vie et éliminent le fardeau administratif lié à la tenue des registres des gaz fluorés et au signalement des fuites. L'interruption du vide, qui constitue la norme pour les applications de disjoncteurs depuis des décennies, assure la fonction d'extinction de l'arc sans aucun gaz.

Pour un exploitant d'installation, la différence pratique entre une RMU SF₆ et une RMU à air sec est minime en termes de performances électriques : les deux sont testées selon la même norme CEI 62271-200. La différence apparaît dans les procédures opérationnelles. Une RMU à air sec avec un réservoir scellé à vie n’a pas de pression de gaz à surveiller, pas de calendrier de remplissage à maintenir et pas de récupération de gaz en fin de vie à organiser. Pour un opérateur public ou industriel gérant des centaines de sous-stations, cette simplification a un réel intérêt.

Conception d'un système de distribution : la spécification de l'appareillage de commutation

Pour les ingénieurs qui spécifient des appareillages moyenne tension, plusieurs décisions définissent la configuration finale du système.

Tension et niveau de défaut. La tension du système détermine la conception diélectrique du tableau. Le courant de défaut disponible détermine le pouvoir de coupure en court-circuit requis. Les deux sont établis par la connexion au réseau en amont et par l’impédance du transformateur. Sous-spécifier l’évaluation des défauts est dangereux. Le surspécifier ajoute des coûts inutiles. Le bon chiffre provient d’une étude de court-circuit.

Configuration du jeu de barres. Le choix entre les configurations de jeu de barres simple, de jeu de barres sectionné et de liaison principale dépend des exigences de fiabilité et du budget. Les configurations plus fiables augmentent le nombre de panneaux, le coût et la complexité, mais elles protègent contre la cause la plus courante de pannes prolongées : la panne du transformateur.

Disjoncteur versus contacteur à fusible. Pour les lignes alimentant les transformateurs, un disjoncteur assure à la fois une protection contre les surcharges et les courts-circuits. Pour les départs alimentant les moteurs, un contacteur à fusible peut être plus économique et offrir une meilleure protection contre les conditions de défaut spécifiques au moteur. La décision dépend du type de charge et du niveau de coordination de protection requis.

Fixe versus retirable. L'appareillage fixe est plus simple et moins coûteux, mais toute maintenance sur le disjoncteur nécessite la mise hors tension de toute la section de bus. L'appareillage de commutation débrochable permet de débrocher un disjoncteur pour la maintenance pendant que le bus reste sous tension. Pour les installations critiques où les temps d’arrêt sont extrêmement coûteux, la configuration débrochable est généralement justifiée.

Intégration et communication. L'appareillage doit s'interfacer avec le système de protection et de contrôle de l'installation. Le protocole de communication, le type et la quantité de transformateurs de courant et de tension ainsi que l'alimentation auxiliaire des relais de protection et des circuits de contrôle doivent tous être définis dans le cahier des charges.