Principaux défis de conception électrique dans les centrales modernes : Vue d'ensemble complète

Centrales électriques : Enjeux de conception électrique

Centrale électrique, poste de production, usine de génération : noms communs pour des installations essentielles à la vie moderne. Pas de télévision, internet, électricité, lumières sans elles. La production d'énergie existe depuis la fin des années 1800, quand l'eau d'un lac alimentait des dynamos Siemens. L'électricité alimentait éclairage, chauffage, eau chaude, ascenseur, dispositifs d'économie de main-d'œuvre et bâtiments agricoles.

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Une centrale est une installation industrielle pour la génération d'énergie électrique. Chaque centrale peut contenir de nombreux générateurs convertissant puissance mécanique en électrique. Le niveau d'ingénierie requiert de multiples considérations avant même d'envisager l'implémentation. Quels sont les problèmes de conception électrique auxquels font face les installations aujourd'hui ? Et quelles solutions courantes ont aidé à remédier à ces problèmes ?

Jusqu'à récemment, l'objectif principal des systèmes électriques était de garantir le fonctionnement ininterrompu de l'éclairage, des processus et des systèmes environnementaux d'une installation. Ce modèle simple date du début du XXe siècle, quand la consommation provenait principalement de charges linéaires. Ces dernières années, les charges non-linéaires comme moteurs à vitesse variable, automates programmables et autres équipements électriques sont devenus la norme.

Comparées aux charges linéaires, ces charges non-linéaires sont bien plus sensibles aux surtensions, sous-tensions et autres perturbations existant sur le réseau. De telles perturbations routinières peuvent causer problèmes allant de dysfonctionnements mineurs à arrêts système coûteux et dommages équipement. De plus, les dispositifs non-linéaires créent leurs propres perturbations, causant problèmes dans d'autres parties de l'installation et pouvant se répercuter sur le réseau de distribution.

La dépendance accrue aux charges non-linéaires a ajouté de nouveaux objectifs à la conception des systèmes électriques. Si l'approvisionnement garanti reste crucial, la fiabilité et la qualité d'énergie deviennent primordiales, et les exigences de capacité ont augmenté. En plus, le besoin de contrôler l'usage et le coût de l'énergie pour rester compétitif persiste. Face à ces défis, les ingénieurs électriciens doivent évaluer le risque de problèmes fiabilité/qualité, évaluer l'impact économique et implémenter un programme de gestion de risque rentable.

Alimentation électrique fiable

Une alimentation fiable délivre l'électricité suffisamment pour servir la charge de l'installation à la qualité désirée, et fournit assez d'énergie pendant la réduction ou urgence pour assurer sécurité du personnel et protection des processus et équipements cruciaux.

La conception électrique qui anticipe les exigences de charge est rarement idéale. Il est nécessaire pour les ingénieurs d'installation de conduire un profil de charge de l'installation. Le profil fournira à l'équipe de direction une compréhension approfondie de la variation de la consommation électrique par intervalle de temps souhaité. Une méthode pour identifier le motif de charge du service électrique est l'analyse par graphiques de demande. Ou utiliser des systèmes de comptage pour transmettre données avec info sur pics d'utilisation. L'instrumentation est essentielle pour surveiller continuellement les systèmes électriques et informer les opérateurs de leur performance et efficacité.

Qualité d'énergie

En termes de qualité, le service utility conventionnel n'est pas fiable à 100 %. Pour certains clients prêts à payer une prime, l'approvisionnement peut être rendu proche de 100 %. Même à ce niveau, il peut être nécessaire pour certains utilisateurs de fournir un système de conditionnement d'énergie interne.

Malgré diagnostics et mesures préventives par les ingénieurs, pannes inattendues et autres défaillances surviennent. Dans ces situations, un système électrique bien géré fournit une alimentation de secours, au moins pour permettre l'arrêt des équipements.

L'alimentation de secours peut être fournie par générateurs auxiliaires ou un onduleur (UPS - Uninterruptible Power Supply). Dans un nombre croissant d'installations, il peut être économiquement faisable de fournir de la génération sur site par cogénération. Les systèmes de cogénération utilisent déchets ou combustibles achetés pour générer de l'énergie et récupérer la chaleur gaspillée.

Sources des problèmes de qualité d'énergie

Même si les utilities utilisent aujourd'hui matériel et logiciel avancés à leurs postes et réseaux, des perturbations surviennent. Elles peuvent résulter de :

• Défauts de transport
• Défauts de commutation du réseau de distribution
• Coups de foudre
• Fonctionnement simultané d'équipements

Dans de nombreux cas, les perturbations remontent à des problèmes de câblage et mise à terre dans l'installation. Perturbations courantes : pannes, sous-tension, surtension, pics, creux, surtensions, bruit. Durées variables : pannes soutenues plusieurs heures à surtensions de quelques microsecondes, indiscernables pour les ingénieurs.

Les équipements électriques anciens (moteurs, solénoïdes, commandes électromécaniques) sont largement insensibles aux perturbations de courte durée. Cependant, l'électronique à semi-conducteurs est bien plus sensible à une large gamme de perturbations. Cette vulnérabilité vient de la façon dont le dispositif consomme le courant alternatif (CA). Les dispositifs incapables de convertir le CA en courant continu (CC) peuvent avoir :

• Interruption du dispositif
• Erreurs de données
• Perte de mémoire
• Arrêts

Dans le pire cas, certains dispositifs peuvent subir des dommages.

Considérations pour corriger les problèmes de qualité d'énergie

Plusieurs types de remèdes protègent les équipements sensibles aux perturbations ; la plupart sont simples et peu coûteux. De plus, les perturbations peuvent être prévenues en conditionnant l'alimentation pour lisser la forme d'onde sinusoïdale (Détails ici). Comme l'équipement de conditionnement est coûteux, il convient mieux aux applications exigeant la plus haute qualité d'énergie.

• Câblage et mise à terre
  Environ 80 % des problèmes de qualité d'énergie dans installations commerciales/industrielles remontent à : mise à terre incorrecte, câblage inadéquat, connexions desserrées, accumulation de poussière/saleté par maintenance défaillante. L'importance d'une bonne terre à faible résistance ne peut être surestimée, surtout car les systèmes à semi-conducteurs dépendent de la terre pour référence de fonctionnement et dissipation des puissances parasites. Mesure préventive peu coûteuse.
• Circuits dédiés
  La plupart des perturbations sous forme de bruit sont générées dans l'installation. Une méthode efficace pour protéger équipements cruciaux ou très sensibles : les placer sur leur propre circuit isolé pour les protéger des perturbations causées par d'autres équipements à proximité.
• Suppresseur de pics (Spike Suppressor)
  Réduisent l'amplitude des pics de tension à des niveaux sûrs et éliminent de nombreux changements brusques. Simples et moins chers ; capacité dépend de la qualité.
• Transformateurs d'isolation
  Filtrent bruit et distorsion d'autres équipements sur site ou alimentation entrante. Ne protègent pas contre pics et surtensions.
• Régulateurs de tension
  Maintiennent tension relativement constante en protégeant contre surtensions et creux par moyens mécaniques ou électriques. Plus coûteux que ci-dessus, mais milieu de gamme pour dispositifs d'amélioration.
• Onduleur (UPS)
  Protège contre interruptions court-terme et perturbations externes. Système typique : redresseur/chargeur, batterie, onduleur statique, bypass auto/manuel. Protège contre tous problèmes qualité, y compris micro-coupures. Protection contre pannes soutenues limitée à la taille de la batterie. Ne protège pas contre transitoires, creux, gonflements, autres anomalies.

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