Principaux enseignements
- L'analyse des chutes de tension s'avère particulièrement utile lorsqu'elle part du bus de charge sensible et remonte le réseau jusqu'à la source du défaut.
- Les défauts à distance, l'intensité de la source, l'impédance de la ligne d'alimentation et le temps de coupure détermineront tous la tension résiduelle à laquelle l'équipement est effectivement soumis.
- Une étude de chute de tension ne devient exploitable que lorsque les événements simulés sont comparés aux limites de résistance des appareils et aux délais de déclenchement des protections.
Une analyse précise des chutes de tension commence au niveau du bus de l'équipement, car un court-circuit survenu à plusieurs bus de là peut tout de même faire baisser la tension suffisamment pour déclencher des charges sensibles.
Cette portée est importante car le coût annuel des coupures de courant pour les clients américains a été estimé entre 22,8 milliards et 188,0 milliards de dollars US, les utilisateurs commerciaux et industriels supportant la majeure partie de ces pertes. Il n’est pas nécessaire qu’une installation soit en panne pour perdre un lot, arrêter un convoyeur ou provoquer la déconnexion d’un contacteur. Vous n’obtiendrez la bonne réponse que si vous étudiez le défaut du réseau et la limite de résistance aux chutes de tension de l’équipement comme un seul et même problème. Vous passerez à côté de ce risque si vous ne surveillez les événements qu’au niveau de l’entrée de service. C’est là toute la valeur pratique de l’analyse des chutes de tension.
La chute de tension commence par le passage d'un courant de défaut à travers l'impédance du réseau
Une chute de tension se produit lorsqu'un courant de défaut circule à travers l'impédance de la source et du réseau, entre l'alimentation et votre bus. Plus la chute de tension sur ce circuit de courant est importante, plus la tension maintenue au niveau du bus de charge sera faible. L'amplitude de la chute de tension est une réponse du réseau, et non un mystère lié au processus.
Un exemple simple de ligne d'alimentation permet d'illustrer clairement ce phénomène. Un court-circuit triphasé sur un bus en amont entraîne un appel de courant important sur le réseau public, et la tension au niveau des bus voisins chute jusqu'à ce que le dispositif de protection élimine le défaut. Votre centre de commande des moteurs peut afficher une tension de 0,7 par unité même si aucun équipement à l'intérieur de l'usine n'est défaillant. Cette chute de tension résulte de l'interaction simultanée de l'impédance du réseau, du type de défaut et de la puissance de la source.
Cela est important car de nombreuses équipes continuent de considérer une chute de tension comme un problème de charge local. Or, il s'agit généralement avant tout d'un problème au niveau du réseau. Une fois que l'on aborde la question sous cet angle, le modèle nécessite des données précises sur la source, l'impédance de ligne, l'impédance du transformateur et les paramètres de défaut avant même d'examiner la charge du processus. Le temps de réponse des protections déterminera également la durée pendant laquelle le processus subira cette chute de tension.
Les défauts à distance peuvent tout de même entraîner une baisse de tension au niveau des barres sensibles
Il n'est pas nécessaire qu'un défaut se produise sur votre ligne d'alimentation pour provoquer une chute de tension préjudiciable. Les défauts survenant à distance, sur le réseau de transport ou de distribution, se répercutent sur le réseau et entraînent une baisse de tension, pendant un court instant, au niveau d'un nœud sensible. La distance atténue cet effet, mais ne l'élimine pas.
Un cas courant en centrale électrique est un défaut sur une ligne de réseau voisine qui se résout en 120 ms. La tension du bus de service peut ne chuter qu'à 0,82 par unité, ce qui semble mineur sur un graphique du réseau, mais ce même événement peut déclencher un relais de commande sensible ou la fonction de sous-tension d'un variateur de vitesse.
« Le coût se répercute sur le processus, et non sur la ligne défaillante. »
Il convient de considérer l'exposition aux défauts à distance comme faisant partie intégrante des performances normales du système. Les ingénieurs qui se concentrent uniquement sur les défauts sur site passeront à côté d'une grande partie des déclenchements intempestifs. L'analyse des chutes de tension est utile car elle établit un lien entre un événement survenu à distance sur le réseau et la tension exacte mesurée à l'endroit où la production s'arrête. C'est ce lien qui transforme une perturbation du réseau en un problème de fiabilité de l'installation.
Lancer l'analyse de la chute de tension au point d'utilisation
Le meilleur point de départ pour analyser une chute de tension est le bus d'alimentation de l'équipement qui doit rester sous tension. Il faut d'abord déterminer la tolérance de tension de l'équipement, puis remonter en amont en passant par les transformateurs, les lignes d'alimentation et les données de la source. Si vous commencez par le lieu du défaut, vous passerez à côté de la véritable question relative à la capacité de maintien en service.
En général, vous cherchez à répondre à une question technique précise, et l'ensemble des données d'entrée doit rester centré sur ce bus :
- Tension nominale au niveau du bus de charge protégé
- Convertir les données entre la source et la charge
- Impédance d'alimentation pour chaque câble ou segment de ligne
- Emplacements et types de défauts à vérifier
- Limites de passage pour le dispositif sensible
Une chaîne d'emballage en est un bon exemple. La chaîne ne tombe pas en panne à cause d'une baisse de tension au niveau de l'entrée de service. Elle tombe en panne parce qu'une alimentation de commande a subi une coupure de 480 V pendant 90 ms. Une fois que vous avez ancré l'étude sur ce bus, chaque choix de modèle devient plus clair et les résultats correspondront à la question d'exploitation à laquelle vous essayez de répondre.
L'intensité de la source détermine l'ampleur de l'affaissement
La puissance de la source détermine en grande partie l'ampleur de la chute de tension en cas de défaut. Une source « rigide », dotée d'une capacité de court-circuit élevée, maintient mieux la tension, tandis qu'une source « faible » s'effondre plus rapidement face à un défaut identique. Deux lignes de distribution présentant le même chemin de courant de défaut peuvent afficher des tensions résiduelles très différentes.
Prenons l'exemple d'une installation alimentée par un réseau de distribution puissant et d'une autre installation alimentée par une source de production isolée de plus petite taille. Un défaut sur une ligne de distribution en aval entraînera une chute de tension moins importante dans le premier cas et une chute plus importante dans le second, même si les longueurs de ligne et les tailles des transformateurs restent inchangées. Le niveau de court-circuit est la première valeur de sélection que vous devez demander.
C'est pourquoi il est risqué de se baser sur des hypothèses génériques concernant les chutes de tension. Une estimation fixe de 20 % de chute de tension vous induira en erreur, tant sur les réseaux robustes que sur les réseaux fragiles. Une bonne modélisation transforme les données de source en un résultat de tension maintenue au niveau du bus concerné, ce qui correspond précisément aux besoins des contrôles des équipements. Vous obtiendrez de meilleurs résultats si le modèle utilise le niveau de court-circuit du réseau public plutôt qu'une source fictive.
L'impédance de l'alimentation détermine l'affaissement perçu par les charges en aval
L'impédance de l'alimentation détermine le profil de chute de tension sur un circuit d'installation ou de réseau. Les longues portées, les conducteurs de faible section, les étages de transformateurs et les barres omnibus de gros moteurs modifient tous l'ampleur de la perturbation en amont qui atteint une charge en aval. Un même défaut ne se manifestera pas de la même manière à chaque barre omnibus.
Une longue ligne d'alimentation de 4,16 kV alimentant des pompes situées à distance présente souvent une chute de tension plus marquée au niveau du bus du démarreur du moteur qu'au niveau du tableau principal. Un autre cas de figure se présente sur une ligne d'alimentation comportant plusieurs étages de transformateurs, où la tension maintenue au niveau d'un tableau de commande basse tension chute en dessous du seuil de déclenchement d'un relais, même si la tension au niveau du bus moyenne tension reste acceptable. Ce sont les caractéristiques spécifiques de la ligne d'alimentation qui déterminent quels bus sont sûrs et lesquels sont exposés à un risque.
| État du système | Ce que le bus de charge détectera généralement |
| Petite ligne d'alimentation provenant d'une source rigide | La tension résiduelle reste plus élevée, ce qui permet à de nombreuses charges de continuer à fonctionner malgré ce même défaut à distance. |
| Ligne d'alimentation longue avec une impédance de série plus élevée | Le même événement en amont se manifestera plus intensément à l'extrémité opposée et mettra plus rapidement à rude épreuve les contacteurs et les variateurs. |
| Plusieurs étages de transformation entre la source et la charge | Chaque étage modifie le cheminement du défaut, de sorte que la profondeur de la chute de tension au niveau du bus d'utilisation finale peut différer considérablement de la valeur mesurée au niveau du bus principal. |
| Grand groupe de moteurs raccordé à proximité du bus de process | Le courant du moteur pendant la phase de rétablissement maintiendra la tension à un niveau bas plus longtemps et peut prolonger la perturbation du processus après la résorption du défaut. |
| Contrôler les charges alimentées par de petits transformateurs auxiliaires | L'alimentation de commande est souvent la première à être coupée, même lorsque des équipements plus puissants semblent être restés en service. |
C'est précisément cette dispersion entre les bus qui explique pourquoi les moyennes à l'échelle du site ne sont pas d'une grande utilité. Il faut disposer de résultats spécifiques à chaque bus. Simulez des chutes de tension sur une ligne d'alimentation avec suffisamment de détails électriques pour que ces différences restent visibles ; sinon, le point faible restera masqué. C'est souvent cette résolution supplémentaire qui permet de mettre en évidence le bus de commande vulnérable.
Le temps de suppression du défaut détermine le risque de maintien en service de l'équipement
Le temps de rétablissement détermine la durée pendant laquelle la charge doit fonctionner à tension réduite. L'amplitude est importante, mais c'est souvent la durée qui fait la différence entre une chute de tension sans conséquence et un déclenchement de protection. Une chute de tension de faible amplitude qui dure trop longtemps peut tout de même endommager les contacteurs, les alimentations en courant continu et les commandes de variateurs.
Le contrôle de résistance au passage nécessite une paire de valeurs temporelles réelles, et non une simple valeur de tension. La courbe ITI l'illustre clairement : une tension résiduelle de 70 % n'est tolérée que pendant 0,5 s, tandis qu'une tension résiduelle de 80 % l'est pendant 10 s. Un disjoncteur de ligne qui se déclenche en 80 ms produira un résultat très différent de celui d'une protection de secours qui se déclenche en 600 ms.
Le déclenchement d’un système de contrôle commence souvent par de petits dispositifs, et non par le gros moteur que tout le monde surveille. Une bobine de relais, une alimentation 24 V ou un régulateur de processus ne résisteront généralement pas à un événement prolongé. C’est pourquoi les étapes d’analyse des chutes de tension doivent prendre en compte à la fois les délais de protection et la tolérance des équipements. Vous comparez la durée totale de la chute aux limites de résistance des dispositifs.
Les études sur les lignes d'alimentation nécessitent que des défauts soient placés tout au long du circuit
Une étude utile sur une ligne de distribution consistera à simuler des défauts en plusieurs points le long du circuit et à tester les types de défauts auxquels la ligne peut réellement être confrontée. Les défauts à la terre, entre phases et triphasés génèrent des tensions résiduelles différentes au niveau de chaque barreau. Un seul point de test ne permet pas de représenter l'ensemble de la ligne de distribution.
Un défaut latéral près de l'extrémité de l'alimentation peut exposer une zone de processus éloignée tout en laissant une autre pratiquement intacte. Un défaut sur l'alimentation principale, plus proche de la source, mettra hors tension davantage de barres en même temps, mais la tension maintenue au niveau de chaque charge dépendra toujours du chemin d'impédance local. C'est pourquoi les ingénieurs définissent un ensemble de défauts plutôt que de se baser sur une seule hypothèse correspondant au pire scénario.
Le SPS est particulièrement adapté à cette étape, car il permet de simuler des défauts sur les bus et les sections de ligne, de préserver la transparence du modèle de source et d’alimentation, et de comparer la tension résiduelle au niveau des charges qui vous intéressent précisément. Ce type de modèle ouvert revêt une importance particulière lorsque vous vérifiez vos hypothèses avec le personnel chargé de la protection, les équipes d’exploitation ou des étudiants en laboratoire.
Les contrôles en cours de route permettent de transformer les résultats des analyses de déformation en mesures de conception
Les contrôles en temps réel permettent de transformer un graphique représentant les chutes de tension en une évaluation technique claire permettant de déterminer quels équipements resteront sous tension et lesquels se déclencheront. Cette évaluation nécessite de connaître la tension résiduelle, la durée de l'événement et la tolérance réelle de chaque dispositif sensible. Une fois ces trois éléments pris en compte, vous pouvez agir en toute confiance.
Une vérification utile est souvent simple. Comparez la chute de tension simulée au niveau du bus de process avec le seuil de déclenchement en sous-tension d’un variateur, la courbe de coupure d’un contacteur ou le temps de maintien d’une alimentation de commande. Vous verrez rapidement si le point faible réside dans le réseau, la temporisation de protection ou le réglage de l’équipement. Cette vérification permet également de limiter les dépenses liées aux mesures d’atténuation au point de défaillance réel. C’est là que les résultats de la modélisation cessent d’être purement théoriques et commencent à orienter les corrections à apporter à l’installation.
Une bonne pratique se caractérise davantage par la rigueur que par le côté spectaculaire.
« On identifie les points de défaillance potentiels, on modélise le tracé de l'affaissement et on teste la charge à laquelle la structure doit résister. »
SPS SOFTWARE prend parfaitement en charge ce flux de travail, car sa valeur réside dans un comportement clair du système, des hypothèses transparentes et des contrôles adaptés aux événements auxquels votre équipement sera réellement confronté.
