Groupes électrogènes de secours

Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008

Groupes électrogènes de secours par

Bernard COLIN Directeur Ingénierie à SDMO Groupes électrogènes

1. 1.1 1.2 1.3

Critères de définition............................................................................... Classes de puissance ................................................................................... Classes d’applications.................................................................................. Délais d’intervention ....................................................................................

2. 2.1 2.2

Dimensionnement d’un groupe électrogène..................................... Dimensionnement en fonction de l’impact de charge .............................. Alimentation de charges non linéaires.......................................................

— — —

5 5 6

3. 3.1 3.2

Régime du neutre...................................................................................... Régime du neutre en basse tension ........................................................... Régime du neutre en haute tension............................................................

— — —

7 7 7

4.

Déclassement.............................................................................................

—

10

5. 5.1

Couplage des groupes électrogènes ................................................... Méthodes de couplage.................................................................................

— —

10 10

6. 6.1 6.2

Le groupe électrogène et l’environnement ....................................... Émissions polluantes dans les gaz d’échappement .................................. Nuisances acoustiques ................................................................................

— — —

12 12 13

7. 7.1

Schémas des circuits fluides................................................................. Circuits de refroidissement haute température (Hq) et basse température (Bq)............................................................................ Circuit de lubrification.................................................................................. Circuit d’alimentation en combustible........................................................ Circuit de démarrage....................................................................................

—

13

— — — —

13 15 15 16

7.2 7.3 7.4

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8. Surveillance du groupe électrogène ................................................... — 16 9. Entretien d’un groupe électrogène...................................................... — 17 10. Conclusion .................................................................................................. — 17 Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. D 5 180

ans la société actuelle, toutes les activités, qu’elles soient professionnelles ou privées, sont consommatrices d’énergie électrique. Toute interruption ou perturbation dans la distribution de cette énergie entraîne des désordres qui peuvent devenir insupportables par l’usager. L’importance de la continuité et de la qualité de l’alimentation électrique est fonction de l’activité concernée. Certaines applications exigent une permanence quasi complète de l’alimentation car une absence met en péril la sécurité des personnes ou des biens. En tête de ces consommateurs viennent bien évidemment l’activité hospitalière, les sites recevant du public et les installations de protection contre l’incendie. Le législateur s’est préoccupé de ce problème et tout site de cette nature doit être équipé de moyens d’alimentation de secours en énergie électrique. D’autres consommateurs, pour lesquels la fiabilité de l’alimentation électrique ne se mesure pas en terme de risques humains, ne peuvent admettre toutefois de coupure car celle-ci peut avoir des conséquences extrêmement préjudiciables sur le plan économique. Les activités mettant en jeu des systèmes informatiques sont un exemple évident de ce type d’exigence puisqu’elles ne peuvent admettre la moindre coupure de quelque durée que ce soit.

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Divers moyens de secours ont donc été envisagés et mis en œuvre ; le choix de la source de remplacement utilisée est fonction de plusieurs critères : — le temps de coupure maximal admissible, — la nature de la charge à réalimenter, — la puissance de la charge à secourir. Plusieurs sources de remplacement peuvent être mentionnées. ■ La batterie à courant continu est rarement suffisante par elle-même car la plupart des applications réclament une alimentation en courant alternatif. Elle est toutefois utilisée en éclairage de secours par exemple. ■ L’onduleur permet d’obtenir à partir d’une source à courant continu, une alimentation en courant alternatif. Cette solution est utilisée quand l’autonomie et la puissance nécessaire sont relativement limitées (quelques kVA pendant quelques minutes). Cette source de remplacement est généralement associée à un autre moyen de secours (un groupe électrogène) permettant d’augmenter la durée de l’autonomie. ■ Le groupe électrogène permet d’atteindre des puissances et des durées de fonctionnement importantes. Outre son application en source de remplacement, le groupe électrogène offre des possibilités d’utilisation dans différents domaines. ■ Des groupes de base sont destinés à fournir la totalité de la puissance électrique d’une zone non alimentée par un distributeur. Cette application se rencontre surtout dans les pays en voie de développement car elle permet d’éviter des investissements lourds et peut se mettre en œuvre dans des délais très courts. ■ Des groupes d’écrêtage sont destinés à fournir tout ou partie de la puissance consommée sur un site pour limiter le montant de la prime fixe ou pour bénéficier de conditions tarifaires liées à cette fonction ; cette application est généralement couplée à l’application groupe de secours qu’elle permet souvent de rentabiliser ; ainsi de nombreux hypermarchés, qui doivent s’équiper de groupes de secours, rentabilisent ceux-ci en faisant de l’écrêtage. ■ Des groupes de cogénération destinés, comme les groupes d’écrêtage, à fournir tout ou partie de l’énergie électrique consommée sur un site ; toutefois pour des moteurs fonctionnant au gaz, la fonction groupe de secours n’est pas toujours acceptable car elle implique dans certains cas, comme l’alimentation des hôpitaux, de disposer d’une énergie primaire stockable ce qui n’est pas le cas du gaz. Dans le présent exposé, nous ne traitons que les groupes électrogènes dans les applications secours et production. L’application cogénération ne sera donc pas évoquée. Un groupe électrogène qui est une machine permettant de transformer en électricité un combustible primaire comme le fioul ou le gaz est constitué de deux composants principaux : — un moteur thermique transformant l’énergie primaire en énergie mécanique ; — un alternateur transformant l’énergie mécanique développée par le moteur thermique en énergie électrique. La puissance d’un groupe électrogène équipé d’un moteur Diesel va de moins de 1 kVA à plusieurs MVA et la vitesse de rotation est également variable suivant la puissance et l’application (tableau 1). Tableau 1 – Familles d’application des groupes électrogènes Vitesse de rotation

Type

3 000 tr/min 900 , N , 1 800 tr/min 350 , N , 900 tr/min N , 350 tr/min

Rapide Rapide Semi-rapide Lent

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Puissances

Applications

Faible Domestiques - Secours Moyenne , 5 000 kVA Production - Secours Forte 4 , P , 20 MVA Production - Secours Forte Production



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1. Critères de définition 1.1 Classes de puissance La puissance d’un groupe électrogène est définie comme la puissance disponible aux bornes de l’alternateur, déduction faite de la puissance électrique absorbée par les auxiliaires essentiels. Elle s’exprime en kW, à la fréquence de définition et sous un facteur de puissance de 0,8. Les puissances du groupe électrogène doivent être définies en accord avec les plans et les programmes d’entretien spécifiés par le constructeur du moteur, de l’alternateur et de l’appareillage de coupure et de commande. À toutes les puissances garanties, il faut ajouter une puissance additionnelle nécessaire aux besoins de la régulation (applications brusques d’une charge). Cette puissance additionnelle, qui est en général égale à 10 % de la puissance assignée du groupe, ne doit pas être utilisée pour l’alimentation permanente de la charge. Trois types de puissance sont définies : — la puissance continue correspond à la puissance que le groupe est capable de fournir en service continu, pendant un nombre illimité d’heures par an, en respectant les arrêts normaux pour maintenance et dans les conditions ambiantes définies ; — la puissance principale correspond à la puissance maximale disponible, sous charge variable, pendant un nombre illimité d’heures par an, en respectant les arrêts normaux pour maintenance et dans les conditions ambiantes définies. La puissance moyenne admissible sur une période de 24 heures, ne doit pas être supérieure à une fraction de la puissance principale. Cette puissance moyenne P, qui est définie par le constructeur du moteur Diesel, est calculée comme suit :

P 1 t 1 + P 2 t 2 + ... + P n t n P = ---------------------------------------------------------t 1 + t 2 + ... + t n avec

P1, P2, ... Pn

puissances pendant les temps t1, t2, ..., tn

Dans ce calcul, toute puissance inférieure à 30 % de la puissance principale doit être remplacée par une puissance égale à 30 % de la puissance principale et les temps d’arrêt ne doivent pas être comptés ; — la puissance pour utilisation limitée correspond à la puissance maximale que peut fournir le groupe avec une durée annuelle limitée à 500 h et une marche continue maximale de 300 h, en respectant les arrêts normaux pour maintenance et dans les conditions ambiantes définies. Bien entendu, le fonctionnement dans ces conditions peut affecter la durée de vie du groupe.

1.2 Classes d’applications Un groupe électrogène doit être défini en fonction des exigences de la charge qu’il doit alimenter. Il existe quatre classes d’applications qui ont été définies pour répondre à ces diverses exigences. ■ La classe G1 est définie pour l’alimentation de charges ne nécessitant que des contraintes mineures en tension et en fréquence. Exemple : éclairage et charges électriques simples. ■ La classe G2 est définie pour l’alimentation de charges nécessitant des caractéristiques proches de celle du réseau public ; sur application brutale de la charge, des fluctuations temporaires en tension et en fréquence sont admises.

Exemple : éclairage, pompes, ventilateurs. ■ La classe G3 est définie pour des exigences sévères en tension, en fréquence et en forme d’onde. Exemple : charges régulées par thyristors, télécommunications. L’alimentation de ce type de charges peut nécessiter des études particulières en raison de leur influence sur la forme d’onde de tension de l’alternateur (§ 3.2). ■ La classe G4 est définie pour des exigences en tension, en fréquence et en forme d’onde exceptionnellement sévères. Exemple : systèmes informatiques.

1.3 Délais d’intervention Cette notion de délai d’intervention est prise en compte dans le cas de groupes électrogènes destinés à fonctionner en secours de la source normale d’alimentation. Le temps admissible de coupure peut être plus ou moins long suivant le site secouru. Dans le cas d’un délai d’intervention non spécifié, la durée de la coupure a peu d’importance et il est possible d’utiliser un groupe à démarrage manuel. Le temps de reprise dépend du temps mis par l’opérateur à intervenir et les montées en vitesse et en charge qui sont liées à la température de l’huile du moteur, seront fonction de la température ambiante. Dans le cas d’un délai d’intervention à coupure spécifiée, la durée maximale de la coupure est définie en fonction des impératifs du site à réalimenter. Les temps de reprise se situent généralement entre 8 et 15 secondes. Ce délai d’intervention est le plus couramment rencontré notamment dans les hôpitaux, les immeubles de grande hauteur, les bâtiments recevant du public. Pour pouvoir répondre au délai d’intervention, le groupe doit être préparé afin de démarrer dans toutes les conditions de température. Si le groupe se trouve dans une ambiance froide, il ne peut atteindre sa vitesse et prendre la charge dans les délais impartis que s’il a été préchauffé. Cet équipement de préchauffage est toujours prévu dans ce cas d’application. Certains constructeurs de moteurs exigent également un système de prégraissage cyclique ou permanent des parties tournantes du moteur pour autoriser un démarrage sans source auxiliaire. Il convient de noter que, dans le cas d’une installation de secours assuré par la mise en parallèle de plusieurs groupes, il est nécessaire d’ajouter au temps de démarrage des groupes la durée nécessaire au couplage de n-1 groupes. Le temps de couplage d’un groupe étant généralement de l’ordre de 15 à 20 s, le délai global de mise à disposition des moyens de secours peut être très long et incompatible avec les impératifs de sécurité du site secouru. Pour faire face à cette difficulté, il est possible de mettre en œuvre le procédé du couplage à l’arrêt qui consiste à fermer les disjoncteurs des groupes dès réception de l’ordre de démarrage en maintenant hors service l’excitation des alternateurs jusqu’au passage de tous les groupes à une vitesse très voisine de la vitesse nominale. Cette disposition permet de disposer de l’ensemble des moyens de production dans un délai comparable au délai de démarrage d’un seul groupe. Elle présente en outre les avantages qui suivent. ■ Dans le cas où les moyens de production sont surabondants par rapport à la puissance appelée au moment de la perte de l’alimentation normale, elle permet d’assurer la reprise de la charge dans de bonnes conditions ; les groupes en excès par rapport aux besoins sont arrêtés par la mise en œuvre d’une gestion wattmétrique qui assure l’adéquation de la puissance tournante à la puissance appelée.



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■ Dans le cas d’une installation secourue en haute tension, la procédure de couplage à l’arrêt permet d’assurer la magnétisation progressive de la boucle HTA et de transformateurs qu’il ne serait pas possible de réaliser sans mise en œuvre de séquences de délestage préjudiciables au délai global de reprise en secours. L’application de la charge au groupe électrogène doit être conduite dans des conditions de tension et de fréquence acceptables par le site. Le temps de reprise d’une charge est fonction : — de la valeur relative de cette charge par rapport à la puissance nominale du groupe ; — de l’inertie des masses tournantes (moteur, alternateur, accouplement) ; — de la régulation ; — du système d’alimentation en air comburant. Les deux premiers points sont évidents et les problèmes liés au dimensionnement d’un groupe en fonction de l’impact de charge appliqué sont traités au paragraphe 3.1. Toutefois, il convient de noter que des critères de tension et de fréquence ainsi que les capacités du groupe à reprendre des impacts de charge imposent fréquemment la mise en œuvre de procédures de délestage/relestages automatiques pouvant conduire à des études particulières de distribution électrique en fonction des circuits d’utilisation prioritaires. Les deux points concernant la régulation et le type de diesel se doivent d’être expliqués plus précisément. ■ La régulation de vitesse est destinée à maintenir le groupe à sa vitesse nominale pour fournir une fréquence constante. Les régulateurs peuvent être de plusieurs types suivant l’application concernée : — dans un régulateur proportionnel, une variation de vitesse liée à la charge entraîne une variation proportionnelle du signal de commande ; — dans un régulateur proportionnel intégral, une variation de vitesse liée à la charge entraîne une modification proportionnelle du signal de commande et, de plus, une correction intégrale de la vitesse. Un régulateur proportionnel intégral dérivé est un régulateur proportionnel intégral qui corrige le signal de commande proportionnellement à la variation de la vitesse. Un groupe électrogène peut fonctionner suivant deux modes de régulation définissant la chute de vitesse entre un fonctionnement à vide et un fonctionnement à pleine charge. ■ Il y a fonctionnement isochrone lorsque la vitesse et donc la fréquence restent constantes quelle que soit la charge, en dehors des variations transitoires dues aux variations brutales de cette charge. Cette disposition est surtout applicable dans le cas d’un groupe fonctionnant en solo. Dans le cas de groupes fonctionnant en parallèle, il est nécessaire de prévoir un dispositif de répartition de puissance assurant un équilibrage des puissances relatives entre les groupes. ■ Il y a fonctionnement avec statisme lorsque l’on impose une baisse de vitesse entre le fonctionnement à vide et le fonctionnement en charge. Elle permet d’assurer un fonctionnement stable de plusieurs groupes couplés en parallèle. Pour assurer une fréquence constante, il est nécessaire de prévoir un dispositif de centrage de fréquence. Le statisme est défini par rapport à la vitesse nominale et calculé par : statisme = 100 ( N 0 Ð N ) ¤ N 0 formule dans laquelle N0 et N représentent respectivement la vitesse à vide et la vitesse à pleine charge. Ce statisme a une valeur comprise entre 3 et 5 %.

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■ Le type de Diesel dépend du mode d’alimentation en air comburant. En effet, la puissance maximale que peut fournir un moteur Diesel est fonction de la masse de combustible injectée dans le cylindre et donc de la masse d’air nécessaire pour brûler ce combustible. En conséquence, il est possible de définir deux catégories de moteurs Diesel. Le moteur à aspiration naturelle où aucun artifice n’est utilisé pour augmenter la quantité d’air emmagasiné dans les cylindres permet de reprendre instantanément une puissance égale à sa puissance nominale. Le moteur suralimenté est tel que la quantité d’air comburant est augmentée par l’utilisation d’un turbocompresseur de suralimentation entraîné par les gaz d’échappement du moteur. Pour améliorer encore ce système, certains moteurs sont équipés d’un système de refroidissement de l’air ; ces procédés permettent d’obtenir des augmentations de puissance considérables puisqu’avec une même cylindrée, il est possible d’atteindre des puissances trois fois supérieures à la puissance d’un moteur non suralimenté avec des augmentations de masse et de volume de l’ordre de 10 %. Dans ce cas, les échelons de puissance applicables instantanément au moteur sont fonction de la pme (pression moyenne effective) qui est la pression moyenne du cycle de travail et qui se calcule comme suit : pme = KP ¤ NC avec

K = 1 222,8

pour un moteur à 4 temps et 611,4 pour un moteur à 2 temps,

P (kW) puissance par cylindre, N (tr/min) vitesse de rotation, C (L/cylindre) cylindrée Pour un moteur non suralimenté, pme est de l’ordre de 7 bar et, pour un moteur suralimenté avec refroidissement de l’air, pme dépasse à présent 22 bar. La suralimentation en air d’un moteur Diesel est quantifiée par son taux de suralimentation défini par : Taux de suralimentation = pme ¤ 8 Ð 1 Un moteur suralimenté ne permet pas toutefois de reprendre d’un seul coup sa puissance nominale. En effet, pour obtenir la puissance, il faut que le turbocompresseur de suralimentation fournisse l’air nécessaire pour assurer une parfaite combustion du combustible injecté dont la quantité peut varier rapidement et de façon importante en fonction de la consigne du régulateur de vitesse. Le temps de montée en vitesse du turbocompresseur et donc le temps de mise à disposition de l’air comburant, dépendent de la puissance disponible dans les gaz d’échappement et de l’inertie du turbocompresseur. En règle générale, un groupe suralimenté est capable de fournir brutalement une puissance correspondant à 60 % de sa puissance assignée avec une chute de vitesse transitoire de l’ordre de 10 à 12 % de sa vitesse nominale. ■ De ce fait, pour assurer la réalimentation d’un site à partir d’un groupe électrogène de secours, il convient toujours de vérifier que les conditions de relestage de la charge sont compatibles avec les capacités du moteur en conservant les critères définis de tension et fréquence. ■ Un groupe sans coupure dont l’utilisateur ne peut tolérer aucune coupure est un groupe dont l’alternateur tourne en permanence comme moteur synchrone en garantissant une alimentation complètement ininterrompue dans l’éventualité d’une défaillance de la source normale d’alimentation (l’alternateur est alors appelé aussi ondulateur tournant). Un accumulateur d’énergie potentielle qui peut être d’origine électrique (batteries) ou mécanique (volant d’inertie) est utilisé pour assurer la puissance pendant une courte période dans le but de permettre le démarrage du moteur Diesel, son accouplement à l’alternateur par l’intermédiaire d’un




Accumulateur d'énergie Accouplement

MOTEUR DIESEL

ALTERNATEUR

1 500 tr/min

1 500 tr/min

Groupe à « temps zéro » avec accumulateur d'énergie cinétique tournant.

2. Dimensionnement d’un groupe électrogène Un des problèmes le plus fréquemment rencontré dans la définition d’un groupe électrogène réside dans le dimensionnement optimal du groupe en fonction de l’impact de charge qu’il est appelé à assurer. De plus en plus, il est également nécessaire de définir le groupe et en particulier l’alternateur en fonction de la nature de la charge (charges non linéaires). Nous allons étudier ci-après ces deux aspects en donnant des méthodes de calcul simples permettant de dimensionner de façon appropriée le groupe électrogène.

425

400 V

Tension U

2.1 Dimensionnement en fonction de l’impact de charge

375 51

50 Hz

Fréquence f

49

100 %

La méthode présentée ici est une méthode par itération permettant d’obtenir la valeur de la tension à l’établissement d’une charge, le temps de rétablissement de cette tension et la valeur de la fréquence à l’impact de charge (figure 3).

Puissance relative

Le cas le plus couramment rencontré étant celui du démarrage d’un moteur asynchrone, nous allons nous baser sur ce cas pour expliquer la méthode utilisée.

0,2 s Perte du réseau Figure 1 – Résultats lors d’une panne réseau à pleine charge

Réseau By Pass

Lorsqu’un moteur démarre, le courant appelé est toujours très important mais l’appel de courant varie suivant le procédé mis en œuvre pour assurer ce démarrage. En démarrage direct, le rapport du courant de démarrage Id au courant nominal In est de l’ordre de 6 à 7 et le facteur de puissance cos f de l’ordre de 0,3. D’autres procédés de démarrage sont possibles ; il convient de les analyser au cas par cas suivant des critères économiques car ils entraînent des surcoûts, citons :

Redresseur

Interrupteur statique

— le démarrage sur autotransformateur ; — le démarrage en étoile/triangle ; — le démarrage sur résistance rotorique ; — le démarrage sur résistance statorique ;

Batteries Mutateur

— le démarrage sur démarreur électronique.

Distribution de secours Onduleur tournant

Diesel

50 Hz

f

Accouplement Df=6% 400 V Distribution haute qualité Figure 2 – Groupe à temps zéro avec énergie fournie par des batteries

U

D U = 17 % Charge 50 %

Charge relative

Charge 0 %

embrayage électromagnétique et sa prise de puissance. Comme l’alimentation est transférée d’une source d’énergie à une autre, il peut se produire une fluctuation transitoire des paramètres tension et fréquence (figures 1 et 2).

t0

t0 + 3s

Figure 3 – Évolution de la fréquence et de la tension sur impact de charge et sur délestage



t

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Le cas le plus défavorable en termes de chute de fréquence et de tension, étant le démarrage en direct, nous allons considérer ce cas pour expliquer la méthode de calcul.

Dans le cas de l’application d’une charge (régime 2) à partir d’une charge préexistante (régime 1), le calcul s’effectue en appliquant la formule :

Pour faire un calcul rigoureux, il serait nécessaire de disposer de données précises concernant l’évolution de Id/In et du cos f en fonction de la montée en vitesse du moteur asynchrone. Ces données étant rarement disponibles, il est généralement pris en compte une valeur de Id/In et de cos f au démarrage.

D U B1 A2 -------- = ------- ------- Ð 1 A1 B2 U

Dans le cas où l’installation comporte plusieurs moteurs ou consommateurs, il convient de dimensionner le groupe électrogène en fonction du démarrage du plus gros moteur dans les conditions les plus défavorables qui peuvent correspondre au fonctionnement initial à vide du groupe, compte tenu de l’inertie du turbocompresseur de suralimentation.

Calcul du temps de rétablissement de la tension Le temps de rétablissement de la tension peut être approché par la formule suivante :

t = t e + t c log ( J p Ð J 1 ) ¤ ( J p Ð J 2 ) avec

Le calcul est basé sur l’application des formules suivantes donnant les puissances apparentes Sd active Pd et réactive Qd d’impact.

Pn Id S d = ( 1 Ð D U ) -------------------- ---cos F n I n P d = S d cos F d

te tc

constante de temps de l’excitatrice,

Jp

courant d’excitation l’excitatrice,

J1 J2

courant d’excitation au régime initial,

Q d = S d sin F d avec

DU

chute de tension après l’impact,

cos f n

facteur de puissance nominal du moteur,

Pn puissance nominale du moteur Il apparaît que la connaissance exacte du facteur de puissance est un élément déterminant dans la justesse du résultat. Il est donc très important de connaître cette valeur au même titre qu’il est indispensable de connaître Id/In. La chute de tension au moment de l’impact peut être calculée par une méthode approchée au moyen de la formule : Sd U d = U n + æè 1 Ð X ------öø Sn

constante de charge de l’inducteur principal à la charge après enclenchement,

courant d’excitation enclenchement

au

délivré

régime

par

après

2.2 Alimentation de charges non linéaires Les groupes électrogènes sont de plus en plus appelés à assurer l’alimentation d’installations comportant des charges non linéaires et donc génératrices de courants harmoniques. En présence de l’impédance de source, ces courants harmoniques créent des tensions harmoniques qui peuvent être préjudiciables au bon fonctionnement des régulations et entraîner des déclassements de certains matériels. Ainsi, un transformateur qui fournit un courant nominal comportant 25 % d’harmonique de rang 5, 14 % de rang 7, 9 % de rang 11 et 8 % de rang 13 (ce qui correspond à l’alimentation d’un montage hexaphasé) se voit affecter d’un coefficient de déclassement de 0,91.

avec X réactance équivalente définie par :

X d² + 2 X d¢ X = -----------------------3 où X d² et X d¢ représentent respectivement les réactances longitudinales en régimes subtransitoire et transitoire de l’alternateur. Il suffit ensuite de prendre en compte la valeur calculée de la chute de tension dans les formules précédentes pour, par convergence, obtenir la valeur de la chute de tension. La chute de fréquence correspondante est obtenue en calculant l’impact de puissance active avec la chute de tension obtenue et en se référant aux abaques données par les constructeurs de groupes précisant la chute de fréquence en fonction de la valeur de l’impact.

Ce phénomène qui est déjà sensible dans le cas d’une alimentation à partir du réseau public, l’est encore plus avec un alternateur présentant une impédance de source plus grande. Il est admis que le taux de tension harmonique global doit rester inférieur à 6 % aux bornes de l’alternateur. Il est possible d’évaluer assez précisément par le calcul le taux d’harmonique en tension que le groupe électrogène est susceptible de générer en présence de courants harmoniques dont on connaît le module et l’argument. Quand on ne connaît pas précisément les taux d’harmoniques en courant par rang, il est possible de les calculer en appliquant, dans le cas des montages hexaphasés, la formule

Un calcul plus précis peut être conduit par application de la formule : 2 2 2 2 2 2 2 D U U1 Ð U0 a ( R1 + a X1 ) [ a ( Xq + X1 ) + R1 ] -------- = -------------------- = -------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ð 2 ¢ 2 U0 U0 a ( Xq + X1 ) ( Xd + X1 ) + R1

a rapport des vitesses après et avant impact, Xq réactance synchrone transversale, réactance transitoire, X d¢ R1X1 résistance et inductance de la charge à l’impact, U0U1 tension initiale et tension après impact Cette formule peut s’écrire également :

avec

A DU -------- = ------1- Ð 1 U0 B1

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plafond

I1 I h = ------------------------1,2 æ h Ð --5-ö è ø h avec

h

rang du courant d’harmonique

Le taux global d’harmonique en tension est donné par la relation :

U harmonique = avec

X d² U 2 Z s = ---------- ------100 S n

S hZ s I h

impédance substransitoire directe de l’alternateur

Nous allons nous contenter de deux approches pratiques du problème qui donnent des résultats satisfaisants et permettent d’éviter les dysfonctionnements liés à un taux d’harmoniques en tension trop élevé.




■ La première méthode, la plus simple, consiste à choisir un alternateur d’une puissance égale à trois fois la puissance de la charge déformante. Dans le cas où celle-ci est constituée de plusieurs charges, il convient de calculer la charge équivalente qui peut être admise comme étant la somme quadratique de toutes les charges exprimées en kVA.

P eq =

P 12

+

P 22

+ ... +

P n2

Cette première méthode a le désavantage de surdimensionner l’alternateur. ■ La deuxième méthode consiste à dimensionner l’alternateur de telle sorte que la valeur de sa réactance ramenée à la puissance de la charge déformante soit égale à environ 7 %. Dans le cas de plusieurs charges déformantes, la charge équivalente est déterminée comme précédemment. La présence de condensateurs est un facteur aggravant du fait du risque de résonance qu’elle entraîne. En effet, le rang de résonance en tension peut se calculer par :

r = avec

P cc -------Qc

Qc (kVAR) puissance installée des condensateurs en kVAR À la fréquence de résonance, un harmonique peut être amplifié de 5 à 10 fois. Le taux global peut être augmenté d’un facteur 2 à 4. Dans le cas d’un groupe électrogène de puissance Sn et de réactance X d²

S P cc = ------nXd ■ La puissance de court-circuit du groupe électrogène étant généralement inférieure à celle du réseau public, le rang de résonance se situe à une valeur inférieure et souvent très proche du rang 5 qui correspond au taux d’harmonique en courant le plus élevé. Il peut donc s’avérer nécessaire de délester les condensateurs en fonctionnement sur groupe ou de surdimensionner l’alternateur pour situer le rang de résonance à une valeur non dangereuse. Une solution par l’emploi de filtres peut éventuellement être envisagée mais elle nécessite une étude très poussée car la présence des inductances et de la régulation de l’alternateur peut entraîner des phénomènes de résonance ou de pompage. Exemple : soit à alimenter une charge déformante de 300 kVA compte tenu d’une batterie de condensateurs de Qc = 300 kVAR. • Première méthode La puissance de l’alternateur est choisie à Sn = 3 x 300 = 900 kVA, avec une réactance subtransitoire X d² = 15 % . On en déduit : P cc = S n ¤ X d² = 900 /0,15 = 6 000 kVA et le rang de résonance

r =

6 000 --------------- = 300

P cc = X d² = 600 /0,15 = 4 000 kVA et le rang de résonance est : r =

P cc ------Qc

4 000 --------------- = 300

13,33 = 3,65

Il convient de choisir l’alternateur de 600 kVA qui, outre son prix moindre, permet d’éloigner du rang 5 la fréquence de résonance.

3. Régime du neutre Le régime de neutre d’une installation alimentée par un ou plusieurs groupes électrogènes est étudié différemment suivant que le groupe alimente une installation en basse tension ou en haute tension.

3.1 Régime du neutre en basse tension

Pcc (kVA) puissance de court-circuit de la source,

P cc ------Qc

Avec un alternateur de Sn = 600 kVA présentant une réactance de 15 %, soit une réactance ramenée à 300 kVA, X d² = 7,5 % , on obtient :

20 = 4,47

• Deuxième méthode La réactance de l’alternateur ramenée à la puissance de la charge déformante doit être de 7 %.

Un groupe électrogène doit être soumis au même régime de neutre que l’installation qu’il va secourir. Néanmoins, un cas particulier est à considérer : — lorsque plusieurs groupes sont couplés en parallèle, si les alternateurs sont bobinés en pas pleins (voisins du pas diamétral), il ne faut pas mettre tous les neutres des alternateurs à la terre. Cette disposition entraîne soit la circulation de forts courants d’harmonique 3. Si l’installation impose un régime de neutre à la terre, il existe deux solutions possibles : — il ne faut mettre à la terre que le neutre d’un seul alternateur et laisser les autres neutres en l’air ; — il faut choisir un alternateur bobiné suivant un pas raccourci (pas 2/3) pour éviter la circulation des courants d’harmonique 3. Il est souhaitable de privilégier autant que possible cette solution. Cette disposition doit être également choisie, même en cas de régime de neutre isolé (IT), si plusieurs alternateurs fonctionnent en parallèle, neutres couplés. Un groupe électrogène alimentant une installation comportant des générateurs d’harmoniques homopolaires (3 et multiples de 3) doit être prévu avec un alternateur bobiné au pas 2/3. Ces courants d’harmoniques se retrouvent intégralement dans le conducteur de neutre qui peut alors être traversé par des courants très supérieurs aux courants de phases. Cette situation concerne particulièrement les installations comportant une quantité importante de lampes à décharge.

3.2 Régime du neutre en haute tension Le neutre du réseau HTA de distribution publique est toujours mis à la terre en France ce qui donne la possibilité d’équiper un réseau interne de distribution de protections sélectives en courant homopolaire. Ce type de protections se rencontre dans des installations importantes (grosses industries) et fréquemment dans les hôpitaux pour lesquels cette notion de sélectivité est très importante. Si ces protections ne sont pas installées, tout défaut homopolaire se traduit par un déclenchement du disjoncteur général.



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D1

D2

TT

D3

I>> Io> Id>

I>> Io> Id>

20 kV I> I>> 400 V P> <-P> <-Q> CPI U> KWh KVARh GE 1

Dyn11

I>> Io>

20 kV Dyn11 I> 400 V I>> P> <-P> <-Q> CPI U> KWh KVARh GE 1

BPN Io>

Équipements D1 D2 D3 TT BNP TC T1 T2 KWh KVARh

Types de protections

Disjoncteur du groupe 1 Disjoncteur du groupe 2 Disjoncteur de départ vers l'utilisation Cellule transformateurs de mesure de tension Bobine de point neutre Transformateurs de courant Transformateur élévateur du GE1 Transformateur élévateur du GE2 Compteur d'énergie active Compteur d'énergie réactive

I> I>> Io> Id> P> <-P> <-Q> U> CPI

Surcharge alternateur Court-circuit Maximum de courant homopolaire Maximum de courant directionnel Surcharge moteur diesel Contre les retours de puissance active Contre les pertes d'excitation Maximum de tension Contrôleur permanent d'isolement

Dans l’étude de l’installation d’un groupe électrogène raccordé en haute tension, il faut prévoir le régime de neutre HTA permettant d’obtenir une sélectivité de protection équivalente à celle offerte par le réseau normal. La mise à la terre du neutre HTA ne se justifie donc que pour autant que le site est équipé de protections homopolaires sélectives. Cette mise à la terre peut être réalisée de diverses façons. ■ Bobine point neutre raccordée sur le jeu de barres général HTA de la Centrale (figure 4). Le courant de limitation doit être défini en fonction du réseau interne du site (courants capacitifs) et des protections installées. ■ Mise à la terre du point neutre du transformateur élévateur du groupe (figures 5 et 6). ■ Le groupe de couplage doit être correctement choisi (Ynd11 par exemple). Il n’est pas utile de prévoir, dans ce cas, l’insertion d’une résistance de limitation du courant puisque, compte tenu des réactances de l’alternateur et du transformateur élévateur, le courant homopolaire susceptible de se développer est généralement du même ordre de grandeur que le courant de limitation du réseau de distribution publique. Si le groupe doit fonctionner en couplage au réseau et en îlotage, il est nécessaire de prévoir un dispositif permettant d’ouvrir la liaison à la terre du point neutre lors de la phase de couplage au réseau pour éviter deux mises à la terre simultanées. Dans le cas

D 5 180 - 8

Figure 4 – Exemple de centrale en HTA à régime de neutre TT. Mise à la terre par Bobine de point neutre

d’une liaison directe du point neutre à la terre, il faut installer un interrupteur unipolaire motorisé haute tension (figure 5). Si la configuration du réseau s’y prête (réseau de faible étendue), il est possible de prévoir le système de mise à la terre représenté sur la figure 6 consistant à insérer entre le point neutre du transformateur et la terre un transformateur de tension dont le secondaire est fermé sur une résistance de charge par l’intermédiaire d’un contacteur basse tension. Le courant homopolaire de défaut est alors contrôlé par un relais à maximum de courant homopolaire alimenté par un tore placé sur l’enroulement secondaire. Cette solution peut être économiquement avantageuse. Si le site n’est pas équipé de protections sélectives en courant homopolaires, la mise à la terre du neutre ne se justifie plus et la protection du réseau HTA peut être assurée par la mise en œuvre de l’un des dispositifs suivants (figure 7) : — contrôleur permanent de l’isolement ; — protection à maximum de tension homopolaire. Ce régime de neutre demande deux précautions : — déclenchement au premier défaut pour éviter les montées de potentiel et les surtensions ; — équipement des transformateurs de tension d’enroulements tertiaires raccordés en triangle fermé sur une résistance de charge pour éviter les phénomènes de ferrorésonance.




D1

TT

I>> Io>

TC

I>>

Types de protections I> Surcharge alternateur I>> Court-circuit Io> À maximum de courant homopolaire Id> À maximum de courant directionnel P> Surcharge moteur diesel U> À maximum de tension CPI Contrôleur permanent d'isolement

D2

T Équipements I> I>> P> CPI U> KWh KVARh

KWh KVARh D1 D2 T TT TC

Io>

400 V

TC

Compteur d'énergie active Compteur d'énergie réactive Disjoncteur du groupe électrogène Disjoncteur de départ vers l'utilisation Transformateur élévateur du groupe électrogène Cellule transformateurs de mesure de tension Transformateurs de courant

Figure 5 – Exemple de groupe électrogène en HTA à régime de neutre TT. Mise à la terre du point étoile du transformateur élévateur

Types de protections D1

TT

D2

I> I>> Io> Id> P> U> CPI

I>> Io>

I>> TC

Surcharge alternateur Court-circuit À maximum de courant homopolaire À maximum de courant directionnel Surcharge moteur diesel À maximum de tension Contrôleur permanent d'isolement

Équipements

D1 D2 T TT TC C R KWh KVARh

T I> 400 V I>> P> CPI U> KWh KVARh

TC Io>

TT C TC

Disjoncteur du groupe électrogène Disjoncteur de départ vers l'utilisation Transformateur élévateur du groupe électrogène Cellule transformateurs de mesure de tension Transformateur de courant Contacteur Résistance de charge Compteur d'énergie active Compteur d'énergie réactive

Figure 6 – Exemple de groupe électrogène en HTA à régime de neutre TT. Mise à la terre du point étoile du transformateur élévateur par un transformateur de tension

D1

I>> Id>

TC

D2

I>> Id>

TT

TC

I>>

Uo> 20 kV I> T1 I>> P> 400 V <-P> <-Q> CPI U> KWh KVARh GE1

D3

20 kV I> I>> P> 400 V <-P> <-Q> CPI U> KWh KVARh GE2 T2

TC

Types de protections I> Surcharge alternateur I>> Court-circuit Io> À maximum de courant homopolaire Id> À maximum de courant directionnel P> De surcharge moteur diesel <-P> Contre les retours de puissance active <-Q> Contre les pertes d'excitation U> À maximum de tension Uo> À maximum de tension homopolaire CPI Contrôleur permanent d'isolement Équipements D1 D2 D3 TT TC T1 et T2 KWh KVARh

Disjoncteur du groupe 1 Disjoncteur du groupe 2 Disjoncteur de départ vers l'utilisation Cellule transformateurs de mesure de tension Transformateurs de courant Transformateur élévateur du GE1 et du GE2 Compteur d'énergie active Compteur d'énergie réactive

Figure 7 – Exemple de centrale en HTA à régime de neutre IT



D 5 180 - 9


4. Déclassement

Tableau 3 – Tableau de déclassement d’un alternateur Température ambiante

La puissance développée par un moteur Diesel est fonction de la masse de combustible et donc de la masse d’air emmagasinée par le cylindre.

q air °C

Altitude

K1

h m

K2

Cette masse d’air est une fonction :

40

1

, 1 000

1

— de la température d’air aspiré ;

45

0,96

1 500

0,96

— de la pression atmosphérique ;

50

0,93

2 000

0,91

55

0,90

2 500

0,87

60

0,87

3 000

0,83

— de la température d’eau du circuit à basse température assurant le refroidissement de l’air de suralimentation. La puissance d’un moteur Diesel est donc donnée en fonction de ces paramètres dont la variation peut entraîner un déclassement de puissance. La norme précise les conditions de référence suivantes :

Le coefficient à appliquer au groupe correspond bien entendu à la valeur la plus pénalisante des deux valeurs correspondant au déclassement du moteur et au déclassement de l’alternateur.

— pression barométrique globale : 100 kPa ; — température de l’air : 25 °C ; — température de l’eau à basse température : 25 °C. Les tableaux de déclassement sont différents suivant les constructeurs de moteurs. Le tableau 2 est un exemple des déclassements que l’on peut rencontrer. Le déclassement total est donné par la formule : déclassement = a ( % ) + b ( % ) + c ( % )

Tableau 2 – Tableau de déclassement d’un moteur Température ambiante

q air °C

Température d’entrée à basse température

a %

q eau °C

25

0

30

0,4

35 40

Altitude

b %

h m

c %

40

0

1 000

0

45

1,25

1 500

6

0,6

50

2,5

2 000

12

1,2

55

3,75

2 500

18

45

1,9

60

5

3 000

24

50

2,5

65

6,25

3 500

30

55

3,1

70

7,5

De même, la puissance assignée de l’alternateur est définie dans des conditions normales de référence qui sont : — température de l’air de refroidissement : 40 °C ; — altitude : < 1 000 m . Si les conditions de fonctionnement s’éloignent de ces valeurs, il faut appliquer des coefficients de déclassement dont le tableau 3 donne un exemple. Le coefficient global de déclassement lié à l’alternateur est donné par :

K = K1 ´ K2

D 5 180 - 10

5. Couplage des groupes électrogènes La puissance appelée par une installation ou la variation importante de cette puissance peut rendre nécessaire la mise en parallèle de plusieurs groupes électrogènes. Cette possibilité permet de mettre en production un nombre de groupes adapté à la puissance appelée en évitant ainsi de faire fonctionner un groupe à une puissance trop faible. Il est précisé en effet qu’un groupe électrogène ne doit pas fonctionner à des puissances inférieures à 30 % de sa puissance nominale pendant des durées prolongées. Une durée consécutive de 30 minutes au maximum est une valeur normalement admise.

5.1 Méthodes de couplage Pour coupler un groupe électrogène sur un réseau ou un autre groupe électrogène, il faut respecter les conditions suivantes : — égalité des tensions ; — égalité des fréquences ; — concordance des phases. L’ordre de fermeture de l’organe de puissance ne sera autorisé que si ces trois conditions sont remplies. Cet organe de puissance devra avoir un temps de fermeture suffisamment rapide pour que l’angle de déphasage entre les deux tensions à coupler ne soit pas trop important à l’instant de la fermeture. Dans le même but, la fréquence de glissement (différence entre les deux fréquences) doit être suffisamment faible pour autoriser le couplage. Le temps de fermeture maximal de l’organe de coupure doit être inférieur à 100 ms.

5.1.1 Couplage manuel Pour réaliser le couplage d’un groupe électrogène sur un réseau ou un autre groupe, il faut disposer de deux dispositifs de réglage. ■ Le dispositif de réglage de la vitesse du moteur Diesel est constitué habituellement d’un potentiomètre d’ajustage agissant sur la consigne de vitesse du régulateur. Ce dispositif permet d’ajuster la fréquence du groupe à coupler à celle de la source de référence. Il permet également d’annuler le déphasage entre les deux tensions par la création d’un très faible glissement entre les fré-




quences qui permet de rattraper le décalage angulaire. Les conditions d’égalité de fréquence et de concordance de phases sont contrôlées respectivement par un fréquencemètre double et par un synchronoscope. ■ Le dispositif de réglage de la tension de l’alternateur est constitué habituellement par un potentiomètre d’ajustage agissant sur la consigne de tension du régulateur. Cette disposition n’est pas systématiquement utilisée dans le cas où la source de référence (le réseau public par exemple) présente une valeur constante en tension. Il faut noter qu’une différence de tension faible, de l’ordre de 5 %, est admissible. Cette différence se traduit, au moment du couplage par un échange de puissance réactive sur le réseau de référence et le groupe. Le contrôle de l’égalité des tensions est réalisé par un voltmètre différentiel ou un voltmètre double.

Réseau TT

TC

Consigne de puissance

5.1.2 Couplage automatique (figure 8)

Jeu de barres de la Centrale

TT

Les centrales de secours demandent des temps de réalimentation rapide des installations secourues. Il est donc indispensable de prévoir des systèmes de couplage automatique qui nécessitent la mise en œuvre des composants suivants : — un synchroniseur qui amène les tensions au synchronisme par action sur la consigne de vitesse du régulateur ; — un égaliseur de tension qui assure l’ajustage de la tension de l’alternateur à celle de la source de référence ; cette fonction est très souvent intégrée au régulateur de tension et est couramment appelée fonction U = U ; — un coupleur qui effectue le contrôle de l’ensemble des conditions de couplage et qui délivre l’ordre de fermeture de l’organe de coupure du groupe électrogène.

Synchroniseur Répartiteur

Transformateur 400 V / 20 kV

Transformateur 400 V / 20 kV

TT

TT


TC


TC

Lignes de parallèles 400 V Alternateur

400 V Vers régulation de vitesse

Alternateur

Vers régulation de vitesse

5.1.3 Couplage à l’arrêt Le couplage à l’arrêt présente de nombreux avantages qui seront précisés après présentation de cette technique.

TC Transformateur de courant TT Cellule transformateurs de mesure de tension Figure 8 – Couplage de deux groupes au réseau

Sur demande de démarrage de la centrale électrique : — fermeture du disjoncteur de chacun des groupes électrogènes ; — démarrage simultané des moteurs, l’excitation des alternateurs étant hors service ; — à l’arrivée du dernier groupe à sa vitesse nominale, mise en service simultanée de l’excitation de tous les groupes ; — la synchronisation des groupes est obtenue pendant la phase d’établissement de la tension aux bornes des alternateurs. Une temporisation contrôle que chacun des groupes arrive à sa vitesse nominale dans un temps imparti. Si un groupe n’atteint pas sa vitesse à l’écoulement de cette temporisation, son disjoncteur est ouvert et la séquence se poursuit avec les autres groupes. Le groupe défaillant sera démarré ultérieurement et couplé en utilisant une procédure classique de synchronisation. Ce procédé de couplage présente les avantages suivants : — mise à disposition rapide de tous les moyens de production : ce temps correspond au temps de démarrage d’un groupe et permet donc de répondre, avec la souplesse présentée par l’utilisation de plusieurs groupes, aux impératifs réglementaires des reprises en secours de sites sensibles comme les hôpitaux ; — capacité de magnétiser une puissance importante en transformateurs, dans le cas de l’alimentation d’un réseau HTA : en effet, la magnétisation se réalise de façon progressive pendant la phase d’établissement de la tension ; — suppression de la procédure de synchronisation et de couplage qui est toujours une opération délicate pouvant durer plusieurs secondes.

5.1.4 Répartition de puissance Lorsque plusieurs groupes fonctionnent en parallèle, il faut veiller à assurer une répartition équilibrée des puissances actives et des puissances réactives. Cette répartition est réalisée de deux façons. ■ En mode manuel La prise de puissance est réalisée par action sur la consigne de vitesse du groupe. La stabilité en puissance du groupe est ensuite assurée grâce au statisme affiché sur le régulateur de vitesse. Il est recommandé, même en couplage manuel, d’utiliser un répartiteur automatique de puissance active. Le réglage de la puissance réactive est assuré par action sur la consigne de tension de l’alternateur. La stabilité de fonctionnement est ensuite assurée grâce au statisme affiché sur le régulateur. Dans le cas où le groupe est couplé au réseau, il est souhaitable de mettre en œuvre un dispositif automatique d’ajustage du facteur de puissance à une valeur constante. Cette régulation de cos f peut être intégrée au régulateur de tension mais ne peut être utilisée pour le couplage entre groupes en l’absence du réseau. ■ En mode automatique L’équilibrage des charges est réalisé par un répartiteur de charge active qui agit sur les consignes des régulateurs de vitesse des moteurs Diesel. Dans le cas où la centrale n’est pas couplée au réseau, il convient de prévoir un dispositif de centrage de fréquence



D 5 180 - 11


permettant d’assurer une fréquence constante à l’installation secourue.

réseau aval ; dans le cas d’un montage avec transformateur élévateur, il n’est plus nécessaire d’assurer cette sélectivité, car un défaut homopolaire survenant en aval du transformateur n’est pas vu par la protection de masse stator. ● Protection contre les pertes d’excitation : elle peut être assurée par la mise en œuvre d’un relais à retour de puissance réactive. ● Protection à maximum de tension.

Si la centrale est couplée au réseau, les groupes peuvent fonctionner suivant deux modes selon le principe de régulation retenu : — dans le fonctionnement à puissance réseau constante, la puissance délivrée par le réseau ou injectée au réseau est régulée à une valeur fixe ; — à l’inverse, dans le fonctionnement à puissance centrale constante, la puissance délivrée par les groupes est constante, le réseau assurant l’appoint éventuel vers l’installation consommatrice. Ces deux modes de régulation peuvent être réalisés à partir d’un système de gestion de la puissance du réseau.

■ Protections spéciales Ces protections concernent principalement les surtensions d’origine atmosphérique ou de manœuvre.

6. Le groupe électrogène et l’environnement

5.1.5 Dispositifs de protection Le fonctionnement en parallèle de groupes électrogènes entre eux ou avec le réseau implique la mise en œuvre de dispositifs de protection destinés à sauvegarder l’intégrité des matériels. L’objet des protections est de limiter l’amplitude et la durée des contraintes électriques thermiques ou mécaniques engendrées par des perturbations de façon à diminuer les conséquences et l’importance des avaries. Les dispositifs de protection peuvent se diviser en trois parties.

La pollution sous toutes ses formes est devenue un souci majeur du fait de son impact sur la santé. Les deux formes de pollution liées au fonctionnement d’un groupe électrogène qui sont la pollution par le rejet d’effluents gazeux dans l’atmosphère et le bruit font l’objet de réglementations qu’il convient d’intégrer dans le choix et la mise en œuvre du groupe électrogène.

■ Protections contre les défauts d’origine externe Les protections mentionnées ci-après ne sont pas systématiquement utilisées. Le choix doit être fait en fonction de critères liés à l’importance du réseau et de la centrale. Sans prétendre être exhaustive, la liste des protections rencontrées est la suivante : — protection de surcharge de l’alternateur ; — protection contre les courts circuits ; — protection thermique du bobinage stator réalisée à partir de sondes insérées dans le bobinage ; — protection contre les déséquilibres de courant ; — protection contre les retours de puissance active protégeant le diesel qui peut être entraîné par l’alternateur fonctionnant en moteur synchrone, sur défaut d’injection ou manque de combustible.

6.1 Émissions polluantes dans les gaz d’échappement Les effluents rencontrés dans les gaz d’échappement d’un moteur Diesel sont les suivantes : — les oxydes d’azote ou NOx dont la teneur est exprimée en NO2 ; — le monoxyde de carbone exprimé en CO ; — le dioxyde de soufre exprimé en SO2 ; — les imbrûlés exprimés en CH4 ; — les poussières.

■ Protections contre les défauts d’origine interne Les protections mentionnées ci-après ne sont pas systématiquement utilisées. ● Protection contre la mise à la masse du stator : le choix de la protection dépend de la mise à la terre ou non du neutre de l’alternateur ; dans le cas d’un neutre relié à la terre, la protection est assurée par un relais à maximum de courant homopolaire ; le seuil et la temporisation choisis doivent tenir compte de la capacité de l’alternateur à supporter le courant homopolaire et de la sélectivité avec le

Les valeurs sont données en mg/m3, dans les conditions normales de température et de pression, sur gaz sec, en considérant une teneur en oxygène ramenée à 5 %. Les valeurs limites doivent être respectées dans les conditions normales de fonctionnement des installations, à pleine charge. Elles sont définies en fonction du combustible utilisé, du régime de rotation du moteur et de la durée de fonctionnement. Le tableau 4 donne les valeurs limites applicables.

Tableau 4 – Valeurs limites applicables des émissions polluantes dans les gaz d’échappement Combustible

Régime

Gaz naturel et GPL

NOx

SO2

CO

Imbrûlés

Poussières

350 (1)

3 000

650 (2)

150

50

Autres

. 1 200 t/min

1 500 (3)

3 000

650 (2)

150

100

Combustibles

, 1 200 t/min

1 900 (4)

3 000

650 (2)

150

100

(1) Limite fixée à 500 mg/m3 jusqu’au 1er janvier 2000. Dans le cas des moteurs utilisant un système d’allumage par injection pilote (dual fioul), la limite d’émission, en mode gaz, est fixée au double des valeurs imposées pour ce combustible. (2) Limite fixée à 800 mg/m3 jusqu’au 1er janvier 2000. (3) Limite fixée à 1 750 mg/m3 jusqu’au 1er janvier 2000. (4) Limite fixée à 2 400 mg/m3 jusqu’au 1er janvier 2000. Cette valeur s’applique également aux moteurs dual fioul fonctionnant en combustible liquide.

D 5 180 - 12




Lorsque la durée de fonctionnement n’excède pas 500 h/an, les valeurs limites en oxydes d’azote sont fixées à : — 500 mg/m3 pour les combustibles gazeux ; — 2 000 mg/m3 pour les autres combustibles. Toutefois, lorsque l’installation comporte des moteurs dont la puissance unitaire est inférieure à 1 MW et à condition que la puissance totale des moteurs soit inférieure à 3 MW, les valeurs limites en oxydes d’azote sont fixées à 3 000 mg/m3 jusqu’au 31 décembre 2000 et 1 900 mg/m3 après cette date.

6.2 Nuisances acoustiques Le bruit auquel est associée généralement la notion de gêne est un mélange complexe de sons de fréquences différentes et dont les pressions acoustiques sont différentes pour chacune de ces fréquences. Il faut rappeler que la pression acoustique exprime la différence entre la pression de l’air en présence d’ondes acoustiques et la pression atmosphérique. L’analyse d’un bruit consiste à mettre en évidence, pour les fréquences le composant, la pression acoustique correspondante. Il n’est pas utile de réaliser des analyses extrêmement fines et les fréquences prises en compte sont regroupées en bandes d’octaves centrées sur 63, 125, 250, 500, 1 000, 2 000 et 4 000 Hz. Un groupe électrogène est générateur de bruit et le niveau sonore à proximité d’un groupe en fonctionnement peut atteindre des valeurs très importantes (120 dB(A)). L’émergence étant définie comme étant la différence entre les niveaux de bruit mesurés lorsque l’installation est en fonctionnement et lorsqu’elle est à l’arrêt, selon l’arrêté du 25 juillet 1997, le bruit émis par l’installation ne doit pas être à l’origine d’une émergence supérieure à : — pour un niveau de bruit ambiant (incluant le bruit de l’installation) supérieur à 35 et inférieur ou égal à 45 dB(A) : • 6 dB(A) pour la période allant de 7 h à 22 h, sauf dimanches et jours fériés ; • 4 dB(A) pour la période allant de 22 h à 7 h, ainsi que les dimanches et jours fériés ; — pour un niveau de bruit ambiant (incluant le bruit de l’installation) supérieur à 45 dB(A) ; • 5 dB(A) pour la période allant de 7 h à 22 h, sauf dimanches et jours fériés ; • 3 dB(A) pour la période allant de 22 h à 7 h, ainsi que les dimanches et jours fériés. De plus, le niveau de bruit en limite de propriété de l’installation ne doit pas dépasser, lorsqu’elle est en fonctionnement, 70 dB(A) pour la période de jour et 60 dB(A) pour la période de nuit, sauf si le bruit résiduel (hors fonctionnement de l’installation) dépasse ces limites. L’émergence est la différence entre les niveaux de bruit mesurés lorsque l’installation est en fonctionnement et lorsqu’elle est à l’arrêt. Il est donc indispensable d’atténuer les bruits émis par un groupe électrogène par la mise en œuvre de dispositions telles que : — un capotage insonorisant qui doit être réalisé de manière correcte pour se montrer efficace (nombre minimal des ouvertures indispensables à l’exploitation et à l’entretien) ; — des baffles acoustiques placés dans les gaines d’amenée ou de sortie d’air ; — un traitement absorbant des parois réfléchissantes ; — des écrans acoustiques ; — des silencieux d’échappement ; — des fermetures par portes insonorisantes ; — des suspensions antivibratiles.

Ces dispositions doivent être prises après identification des voies de propagation aérienne (trous, passages de gaines, etc.) ou solidienne (vibrations, scellements au sol, etc.).

7. Schémas des circuits fluides Les moteurs Diesel ont besoin de circuits auxiliaires pour assurer : — leur démarrage ; — leur alimentation en combustible ; — leur refroidissement ; — leur lubrification. Ces circuits auxiliaires sont vitaux pour le moteur et sont de ce fait équipés de systèmes de sécurité entraînant des alarmes ou des arrêts sur défauts en cas de nécessité. Les figures 9, 10 et 11 sont des exemples significatifs pour un groupe de 2 000 kVA fonctionnant à 1 500 tr/min.

7.1 Circuits de refroidissement haute température (Hq) et basse température (Bq) Le refroidissement des moteurs est assuré par deux circuits de réfrigération (figure 9). ■ Circuit d’eau à haute température. Il refroidit le moteur proprement dit (culasses, chemises). L’eau Hq est elle-même refroidie par l’intermédiaire d’un radiateur ventilé ou d’un aéroréfrigérant. Le radiateur est installé en bout de châssis du groupe et sa ventilation est assurée par une hélice entraînée mécaniquement par le moteur diesel. L’aéroréfrigérant peut être installé en tout endroit de l’installation, généralement à l’extérieur du bâtiment. Sa ventilation est assurée par un ou plusieurs électroventilateurs. La vitesse de rotation des ventilateurs peut être choisie en fonction d’impératifs d’émergence sonore. Il est fréquent d’utiliser des ventilateurs tournant à 500 tr/ min voire 350 tr/min pour limiter l’impact sonore. Pour permettre au moteur de fournir sa puissance immédiatement après son démarrage, le circuit d’eau Hq est maintenu à une température suffisante pendant ses périodes d’arrêt. Cette température, déterminée par le constructeur du moteur, est de l’ordre de 50 °C. Ce circuit de refroidissement est équipé des sécurités qui suivent. ■ Température de préchauffage trop basse (, 35 °C par exemple) : sécurité verrouillant le démarrage du groupe. ■ Température trop haute 1er seuil : sécurité actionnant une alarme permettant de prendre les dispositions pour assurer la continuité du fonctionnement du groupe. Une de ces dispositions consiste à délester partiellement le groupe de sa charge. Cette opération de délestage peut être réalisée automatiquement. Le seuil de réglage de cette alarme est ajusté à une valeur de température inférieure de 3 °C au seuil de sécurité. ■ Température trop haute 2e seuil : sécurité provoquant l’arrêt du groupe. Cet arrêt doit être différé pour permettre au moteur de se refroidir avant de s’arrêter. Il convient tout d’abord de délester totalement le groupe de sa charge par ouverture instantanée de son disjoncteur général. Le groupe continuera de tourner à vide. Un arrêt immédiat entraînerait une montée en température du circuit d’eau, liée à l’inertie du



D 5 180 - 13


4

11

12

SP

SP

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

4

1

ST

13

ST

14

TI

15

20 2 3

16 TI

TI

18

Thermostat température trop haute 1er seuil Alarme

14

Pressostat manque pression eau haute température

15

Thermomètre indicateur température sortie eau haute température

16

Thermomètre indicateur température sortie eau basse température

17

Thermomètre indicateur température entrée eau haute température

18

Niveau du contact vase d'expansion circuit eau basse température

19

Niveau du contact vase d'expansion circuit eau haute température

20

Vanne thermostatique

SN 19

6

5

9

8

10

Aéro-réfrigérant eau haute température Aéro-réfrigérant eau basse température Pompe de préchauffage Réchauffeur Thermostat manque de préchauffage Thermostat température trop haute 2ème seuil Défaut

13 17

SN

Moteur Pompe à haute température Pompe à basse température Réfrigérant d'air de suralimentation Vase d'expansion circuit eau haute température Vase d'expansion circuit basse température

7

20

Figure 9 – Circuits de refroidissement

7

8

9

SP

SP

PI

1

2

ST 10 ST 11

12 4

TI

3

5

Eau basse température

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Moteur Pompe à huile moteur Réfrigérant d'huile Pompe de prégraissage manuelle Pompe de prégraissage électrique Réchauffeur Seuil de pression d'huile. Alarme Seuil de pression d'huile. Défaut Manomètre d'huile Seuil de température d'huile sortie moteur. Alarme Seuil de température d'huile sortie moteur. Défaut Thermomètre d'huile

Figure 10 – Circuit de lubrification

D 5 180 - 14




10 7 16 1

PI 17

11

PI 9

8

4 6

15 NC

18

14 NC

C

5

13 NC 12 NC

3

2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Moteur Réservoir de stockage Réservoir journalier Réservoir de récupération des fuites Pompe de transfert électrique Pompe de transfert manuelle Pompe d'alimentation Pompe d'amorçage Filtre double à combustible Pompe d'injection Clapet de décharge Niveau contact. Niveau très bas Niveau contact. Niveau bas démarrage pompe de transfert Niveau contact. Niveau haut arrêt pompe de transfert Niveau contact. Niveau très haut Manomètre de pression de fioul entrée moteur Manomètre de pression différentielle filtre à combustible Compteur de fioul

Figure 11 – Circuit de combustible

système, avec risque de vaporisation. La temporisation entre le délestage de la charge et l’arrêt du moteur doit être réglée à une valeur minimale de deux minutes.

pouvant être cyclique ou permanent. Ce dispositif de prégraissage peut également être couplé avec un système de préchauffage de l’huile.

■ Niveau d’eau trop bas du vase d’expansion : sécurité entraînant un arrêt immédiat du moteur après délestage instantané de la charge. Cette alarme peut parfois être précédée d’une préalarme permettant de préserver le fonctionnement du moteur par mise en œuvre d’un appoint en liquide de refroidissement. ● Circuit d’eau basse température. Il assure le refroidissement de l’air de suralimentation et du circuit de lubrification.

Le circuit de lubrification est équipé des sécurités suivantes : — alarme pression d’huile 1er seuil ne provoquant pas d’arrêt du groupe ; cette disposition est peu utilisée ; — alarme pression d’huile 2e seuil entraînant simultanément l’ouverture du disjoncteur et l’arrêt immédiat du groupe ; — alarme température d’huile provoquant le délestage de la charge et l’arrêt différé du moteur après une temporisation minimale de deux minutes ; cette sécurité n’est pas systématiquement prévue. La mise en œuvre des sécurités de pression d’huile est assurée grâce au passage par un seuil de vitesse permettant à la pression de s’établir. De même, ces sécurités sont inhibées lors de séquences d’arrêt du moteur en dessous de cette vitesse (750 tr/min pour une vitesse nominale de 1 500 tr/min).

Son refroidissement est assuré par le même radiateur ou le même aéroréfrigérant que l’eau Hq ; dans ce cas, ce radiateur est équipé de deux faisceaux, le faisceau destiné au refroidissement de l’eau Bq étant placé le plus près du ou des ventilateurs. Il n’est pas prévu en règle générale, sur ce circuit, de sécurités provoquant l’arrêt du groupe. Toutefois, il est fréquent de prévoir des alarmes de niveau d’eau et des alarmes de température provoquant la mise en œuvre de séquences de délestage.

7.3 Circuit d’alimentation en combustible 7.2 Circuit de lubrification Le circuit de lubrification (figure 10) permet d’abord d’assurer le graissage du moteur mais également d’assurer le refroidissement des pièces en mouvement (pistons). L’huile est refroidie dans un échangeur Huile/Eau Bq. Pour permettre la prise de charge rapide du groupe, certains constructeurs prévoient la mise en œuvre d’un système de prégraissage

L’alimentation en combustible d’un groupe électrogène (figure 11) est assurée à partir d’un réservoir journalier alimenté depuis un réservoir de stockage principal dimensionné en fonction de l’application et de la puissance du groupe. Le remplissage de la cuve journalière, de capacité limitée à 500 litres si elle est installée dans le même local que le groupe, est normalement assuré de façon automatique par une pompe de transfert commandée par des niveaux contacts haut et bas.



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Le réservoir de service est également équipé de deux sécurités de niveau : — un niveau très bas confirmant le démarrage de la pompe de remplissage ou la mise en service de la pompe de secours si l’installation en est équipée et actionnant une alarme ; — un niveau très haut confirmant l’arrêt de la pompe de transfert et actionnant une alarme. Par ailleurs, par mesure de sécurité, il est souhaitable de prévoir une tuyauterie de retour à la cuve principale pour éviter un éventuel débordement. La cuve journalière est montée sur un bac de rétention d’une capacité au moins égale à celle de la cuve pour collecter les fuites éventuelles. Ce bac de rétention doit être équipé d’un niveau contact d’alarme.

8. Surveillance du groupe électrogène

7.4 Circuit de démarrage Dans une application de secours, le système de démarrage doit être particulièrement fiable et assurer un démarrage à coup sûr du moteur. Le système de démarrage d’un groupe électrogène peut être soit électrique, soit pneumatique. Dans certains cas, il est possible d’installer deux systèmes de démarrage, pour des raisons de sécurité. Les types de démarreurs peuvent être identiques ou non. Le choix du démarreur prioritaire est déterminé par l’automatisme de commande et, en cas de non démarrage par le système prioritaire, celui-ci est assuré par le système de secours. L’automatisme prévoit trois tentatives de démarrage par système installé. Chaque tentative dure environ 5 s avec un temps d’attente de 5 s entre chaque tentative.

7.4.1 Démarrage électrique Les démarreurs électriques assurent le lancement du groupe par action d’un pignon entraînant une couronne dentée placée sur l’arbre du moteur. L’ordre de démarrage est arrêté par la détection d’une vitesse de 300 tr/min environ, le temps maximal de l’action du démarreur étant fixé à 5 secondes environ.

7.4.2 Démarrage à air comprimé Il existe deux systèmes de démarrage pneumatique : — système pneumatique à turbine suivant le même principe que le démarreur électrique et fonctionnant avec une pression d’air comprimé de 7 à 10 bar ; — démarrage par injection d’air comprimé dans les cylindres sous une pression d’air comprise entre 20 et 30 bar ; cet air comprimé assure la mise en rotation du groupe par action sur les pistons du moteur. L’injection d’air est arrêtée sur détection d’une vitesse de rotation du moteur de 150 à 200 tr/min ou après une temporisation de 5 s si le démarrage n’a pas été réussi.

7.4.3 Gestion de la vitesse Le contrôle de la vitesse du moteur est assuré soit par la mesure de la fréquence de la tension de l’alternateur, soit à partir d’un signal délivré par un capteur magnétique. Un boîtier de contrôle tachymétrique délivre les informations suivantes : — indication de la vitesse de 0 à 1 800 tr/min ; — seuil de coupure du démarreur réglable entre 150 et 300 tr/ min ;

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— seuil de mise en service des sécurités de pression d’huile à 750 tr/min ; — seuil de vitesse de 1 480 tr/min autorisant, suivant les cas, la fermeture du disjoncteur ou la mise en service de l’excitation dans le système de couplage à l’arrêt ; — seuil de survitesse (1 800 tr/min pour une vitesse nominale de 1 500 tr/min) ; cette sécurité provoque l’arrêt immédiat du moteur avec mise en œuvre de dispositifs d’arrêt spécifiques à une procédure d’arrêt d’urgence. Ces dispositifs peuvent être, suivant les constructeurs, — chasse d’air dans les tuyauteries de combustible ; — fermeture de volets étouffoirs placés sur les collecteurs d’air comburant, après les turbocompresseurs de suralimentation.

L’utilisation courante de systèmes de contrôle-commande informatisés a permis le développement des concepts de supervision, de télégestion et de télémaintenance des groupes électrogènes et des centrales de production. ■ La supervision consiste à collecter des informations concernant le fonctionnement du groupe, à les mettre en forme, à les interpréter et à les afficher à l’écran d’un ordinateur sous différentes formes : schémas de fonctionnements animés, bargraphes, tableaux de valeurs courantes... ■ Dans l’application de télégestion, ces informations sont transmises à distance via le RTC (Réseau téléphonique commuté) à travers un modem. La télégestion a pour objectif d’assurer une surveillance permanente de l’installation pour prévenir immédiatement, dès l’apparition d’un défaut ou d’une alarme, le personnel responsable qui peut faire un diagnostic à distance et agir éventuellement en télécommande pour remettre en exploitation la centrale, si le défaut peut être acquitté sans intervention locale. La procédure généralement appliquée est la suivante : — sur une apparition d’un défaut, le système local déclenche une alarme transmise via le réseau téléphonique commuté au centre de télégestion ; — le centre de télégestion accuse réception de l’alarme et, après avoir pris connaissance des événements enregistrés par la consignation d’états, évalue l’origine, la gravité du défaut et la possibilité de l’acquitter à distance pour pouvoir remettre en service l’installation. Dans le cas contraire, il convient de déléguer sur site le personnel d’astreinte. L’action d’intervention se fait plus rapidement compte tenu de l’analyse préalable qui a pu être réalisée et le déplacement sur le site ne s’effectue que dans les cas de nécessité. Le système de télégestion permet en outre d’effectuer périodiquement des télérelevés de compteurs ou de valeurs analogiques permettant l’échantillonnage de mesures et leur stockage pour consultation ultérieure. Ce système permet de soulager l’exploitant d’une surveillance locale contraignante. ■ L’application de télémaintenance permet, par l’acquisition de paramètres de fonctionnement représentatifs de l’état du moteur, de planifier des opérations de maintenance et d’ajuster les entretiens préventifs aux besoins réels de la machine. Les paramètres ci-après sont de bons indicateurs : — les températures d’échappement de chaque cylindre permettant de mettre en évidence l’usure des soupapes. Ces acquisitions ne sont réalisées que pour des moteurs de puissance importante ; — les températures des gaz d’échappement avant et après les turbocompresseurs de suralimentation permettant de suivre l’état des




turbines de ces composants. Ces mesures sont réalisées pour des moteurs de puissance moyenne (de 1 000 kW à 2 000 kW) ; — la pression de l’air de suralimentation qui permet également de contrôler l’état des turbocompresseurs de suralimentation. De plus, certaines anomalies ou dégradations de paramètres permettent de prévenir, avant la panne, le personnel d’entretien qui peut entreprendre les actions correctives.

9. Entretien d’un groupe électrogène Les gammes de maintenance applicables à un groupe électrogène exigent une bonne connaissance du matériel et des préconisations du constructeur mais doivent également tenir compte de la configuration du site et du mode d’exploitation. La norme NFX 60010 de décembre 1994 prévoit trois niveaux d’intervenants pour assurer la maintenance. 1er niveau ou niveau de l’exploitation qui a en charge : — la conduite et le contrôle visuel ; — le relevé des paramètres ; — les tâches d’entretien courant ;

3e niveau correspondant à un domaine d’exécution lié à des contraintes ou des responsabilités du constructeur : — le réglage général du groupe ; — le réalignement ; — le remplacement d’ensembles ou de sous-ensembles nécessitant des techniciens qualifiés et spécialisés.

10.Conclusion Le groupe électrogène dans ses applications « secours », présente des avantages liés à : — un large éventail de puissance ; — la rapidité de sa mise en œuvre ; — sa capacité à fonctionner pendant de longues périodes. Ces avantages lui confèrent une position prépondérante loin devant toutes les autres sources de remplacement. Il est donc permis d’affirmer que le groupe électrogène est toujours un produit d’avenir, d’autant que les performances du moteur diesel s’améliorent constamment dans les domaines du rendement de la fiabilité et de la pollution.

2e niveau ou niveau du maintenancier qui a en charge : — le contrôle des performances ; — le réglage de certains paramètres ; — le remplacement par échange standard de certaines pièces.

Outre l’utilisation du groupe électrogène en source de secours, sa souplesse d’installation, sa modularité et son coût en font le moyen de production d’électricité idéal pour des zones sous équipées et pour lesquelles l’énergie électrique constitue un facteur de développement incontournable ou pour des régions dont la faiblesse des besoins ne justifie pas la mise en œuvre de moyens plus lourds (réseaux insulaires par exemple).

Ce niveau d’intervention nécessite une formation spécifique des intervenants auprès des constructeurs des matériels concernés et l’acquisition des outillages adaptés qui sont définis par les constructeurs.

Enfin il faut rappeler que le développement de la cogénération, qui permet d’atteindre des rendements énergétiques compris entre 80 et 85 %, représente une autre application dont l’importance s’affirme de jour en jour.



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Groupes électrogènes de secours

par

P O U R E N

Bernard COLIN Directeur Ingénierie à SDMO Groupes électrogènes

S A V O I R

Constructeurs de groupes électrogènes Les constructeurs de groupes électrogènes se sont regroupés dans le Groupement des Industries du groupe Électrogène (GIGREL) à Paris. On trouvera ci-après la liste des constructeurs adhérant à ce groupement : — Bergerat Monnoyeur Energie — Electro Diesel

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Groel Houvenaghel Hennequin SDMO Industrie SEMT Pielstick Wartsila

P L U S

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Groupes électrogènes de secours

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