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Guide de conception des

réseaux électriques industriels

DAS Transport et Distribution

Activité Ensembles et Applications

auteurs :Christophe PRÉVÉdate : Février 1997

Robert JEANNOTn° : 6 883 427/A

PREAMBULECe document a été élaboré dans le but de diffuser la connaissance dans le groupe

Schneider Electric, notamment aux CEAT France et Etranger. Il contient les informations théoriques et pratiques permettant de concevoir un réseau électrique industriel et de comprendre les phénomènes qui se produisent dans ce réseau. Il constitue un outil de travail pour un ingénieur d'études et un support de connaissances pour un technico-commercial, un marketeur, ... Nous remercions, pour leur participation active, les membres du Comité de lecture :

MM. Jean BARBIER DRG

Philippe BERGIN DRG

Benoît DE METZ-NOBLAT DRG

Marcel DUBOIS DRG

Dominique FANGET DOCF

Philippe FERRACCI DRG

Terence HAZEL DRE

Gérard JEANJEAN DRG

Jean-Claude LEROY T & D

Bruno LUSSON DRG

Thierry SAUVAGE DOCF

Georges THOMASSET DOITD

C.PRÉVÉR.JEANNOT

SC2

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Guide de conception des réseaux électriques industriels T & D6 883 427/A2PREFACE Quelle merveilleuse invention que celle de l'énergie électrique ! Qui saurait, pourrait s'en passer aujourd'hui ? Elle est là, omniprésente dans notre vie, presque dans chacun de nos actes, presque dans toute situation. Pour beaucoup, cela se résume à une prise, un dispositif de commande, éventuellement de régulation et l'on oublie que cette énergie il a fallu la produire, la

transporter, la répartir, la distribuer, l'amener jusqu'au récepteur le plus éloigné dans

des conditions économiques optimales, en respectant les contraintes exigées par la sécurité, et en satisfaisant des exigences de disponibilité, fiabilité, qualité. Ce process continu - car c'est bien de cela qu'il s'agit puisque l'énergie électrique étant peu stockable, il faut en permanence assurer l'équilibre Production /Consommation - est extrêmement complexe. Chaque événement interagit sur l'ensemble du système et même si pour certains l'interaction est faible, leur multiplication peut provoquer des incidents non prévisibles. Certes, les lois de l'électricité, de l'électrotechnique sont connues et certaines depuis fort longtemps, elles sont enseignées dans les écoles (Maxwell, Ohm, Lenz, Kirchhoff...) mais très souvent elles modélisent des phénomènes interdépendants dont les interactions sont illimitées. La modélisation du système total est impossible. Il faut donc, connaissant ces lois, apprendre à les mettre en oeuvre, découvrir leurs limites cas par cas, en intégrant des contraintes réglementaires (sécurité, exploitation) variables parfois d'un client

à l'autre, en tout cas d'un pays à l'autre.

Ce process est par ailleurs évolutif et pour le maîtriser, du moins en partie, il faut de longues années d'expériences, et l'expertise à un certain niveau relève de l'Art ! Ce process est l'un des métiers de base de notre Groupe, un métier qu'il faut apprendre sur le terrain, qu'il faut développer pour se maintenir au niveau des meilleurs, qu'il faut transmettre. Ce guide, c'est une partie de ce métier, une partie seulement malgré son volume. Il doit pour la plupart de nos acteurs (technique, commerce, marketing, affaires) constituer un outil de travail indispensable, l'encyclopédie que l'on consulte fréquemment pour apprendre, comprendre, progresser. Ce guide formalise, met à votre disposition le savoir-faire, la compétence de nos experts. Permettez-moi, chers lecteurs, en votre nom, de remercier sincèrement : Ÿ Robert JEANNOTqui a dirigé la conception et la réalisation de ce guide

Ÿ Christophe PRÉVÉ qui l'a réalisé

Ÿ tous les Experts du Groupe qui y ont contribué

Ÿ le Comité de lecture

Pour l'ampleur et la qualité de ce travail.

Avec tous mes compliments.

Michel CABARET

(Directeur Adjoint Recherche et Développement de Schneider Electric) 6

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Guide de conception des

réseaux électriques industriels SYMBOLES GRAPHIQUES DES SCHEMAS.................................................................17

BIBLIOGRAPHIE SYMBOLES GRAPHIQUES ............................................................................21

1. LES ARCHITECTURES DE RESEAUX.......................................................................23

1.1. Structure générale d'un réseau privé de distribution..............................................................25

1.2. La source d'alimentation.........................................................................................................27

1.3. Les postes de livraison HTB...................................................................................................28

1.4. Les postes de livraison HTA...................................................................................................31

1.4.1. Les postes de livraison HTA à comptage BT.............................................................31

1.4.2. Les postes de livraison HTA à comptage HT.............................................................34

1.5. Les réseaux HTA à l'intérieur du site.......................................................................................35

1.5.1. Modes d'alimentation des tableaux HTA...................................................................35

1.5.2. Structure des réseaux HTA........................................................................................41

1.6. Les réseaux BT à l'intérieur du site.........................................................................................47

1.6.1. Modes d'alimentation des tableaux BT......................................................................47

1.6.2. Les tableaux BT secourus par des alternateurs........................................................52

1.6.3. Les tableaux BT secourus par une alimentation sans interruption (ASI) .................54

1.7. Les réseaux industriels avec production interne....................................................................62

1.8. Exemples de réseaux typiques...............................................................................................64

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 1.....................................................................................................76

2. LES REGIMES DE NEUTRE........................................................................................77

2.1. Introduction............................................................................................................................78

2.2. Les différents régimes de neutre..........................................................................................80

2.3. Influence du régime du neutre..............................................................................................82

2.3.1. Schéma équivalent d'un réseau..............................................................................82

2.3.2. Influence du régime du neutre.................................................................................86

2.3.2.1. Régime du neutre et courant de défaut............................................................................86

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2.3.2.2. Tensions de contact..........................................................................................................90

2.3.2.3. Surtensions.......................................................................................................................95

2.3.2.4. Dommages causés aux équipements..............................................................................95

2.3.2.5. Perturbations électromagnétiques....................................................................................97

2.3.2.6. Différence de potentiel le long du conducteur de protection -

Perturbation des systèmes communicants.......................................................................98

2.3.2.7. Risque d'incendie ou d'explosion......................................................................................100

2.4. Régimes de neutre et schémas des liaisions à la terre utilisés en basse tension.............. 101

2.4.1. Neutre isolé ou impédant (schéma IT)................................................................... 101

2.4.2. Neutre mis directement à la terre (schéma TT)....................................................... 102

2.4.3. Mise au neutre (schéma TN).................................................................................. 103

2.5. Le contact indirect en basse tension suivant le régime du neutre...................................... 105

2.5.1. Neutre isolé............................................................................................................. 105

2.5.1.1. Mise en oeuvre du schéma IT et exploitation.................................................................115

2.5.2. Mise au neutre (schéma TN).................................................................................. 123

2.5.2.1. Mise en oeuvre du schéma TN........................................................................................127

2.5.3. Neutre mis à la terre (schéma TT)........................................................................... 132

2.5.3.1. Mise en oeuvre du schéma TT........................................................................................135

2.6. Particularités des dispositifs différentiels résiduels............................................................. 139

2.6.1. Description, principe général.................................................................................. 139

2.6.2. Particularités de mise en oeuvre des DDR............................................................ 140

2.6.2.1. Courants de fuite permanents..........................................................................................140

2.6.2.2. Courants de fuite transitoires............................................................................................141

2.6.2.3. Influence des surtensions.................................................................................................142

2.6.2.4. Remèdes..........................................................................................................................143

2.6.2.5 Composantes continues...................................................................................................144

2.6.2.6. Recommandations d'installation des DDR à tore séparé................................................145

2.6.2.7. Recommandations d'emploi des dispositifs différentiels résiduels (DDR)

à haute sensibilité..............................................................................................................147

2.7. Dimensionnement protection et coupure du conducteur neutre........................................150

2.7.1. Dimensionnement du conducteur neutre (NFC 15-100)........................................ 150

2.7.1.1. Schémas TT, TN-S .........................................................................................................150

2.7.1.2. Schéma TN-C..................................................................................................................150

2.7.1.3. Schéma IT.......................................................................................................................150

2.7.2. Sectionnement........................................................................................................ 151

2.7.3. Protection du conducteur neutre............................................................................ 151

2.8. Protection et coupure des conducteurs de phase.............................................................. 152

2.8.1. Coupure des conducteurs de phase...................................................................... 152

2.8.2. Protection des conducteurs de phase (norme NFC 15-100 § 473.3.1)................ 152

2.9. Influence sur l'appareillage des règles de coupure et protection du conducteur

neutre et des conducteurs de phase................................................................................... 153

2.10. Interaction entre haute tension et basse tension................................................................ 154

2.11. Comparaison des différents régimes du neutre basse tension-choix................................ 157

2.11.1.Comparaison des différents régimes du neutre...................................................... 157

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2.11.1.1. Schéma TT......................................................................................................................157

2.11.1.2. Schéma TN......................................................................................................................157

2.11.1.3. Schéma IT.......................................................................................................................158

2.11.2.choix d'un régime de neutre......................................................................................159

2.11.2.1. Performances des régimes du neutre...............................................................................159

2.11.2.2. Choix et recommandations d'emploi ...............................................................................161

2.11.2.3. Bilan économique.............................................................................................................163

2.12. Régimes de neutre utilisés en haute tension.......................................................................164

2.12.1.Principes et schémas utilisés en haute tension .......................................................164

2.12.2.Schémas recommandés dans les installations industrielles ou tertiaires................166

2.12.3.Le contact indirect en haute tension suivant le régime du neutre...........................170

2.12.3.1. Cas des schémas TNR-TTN et TTS..............................................................................170

2.12.3.2. Cas des schémas ITR-ITN et ITS..................................................................................173

2.12.3.3. Conclusion concernant les tensions de contact en haute tension ....................................175

2.12.4.Mise en oeuvre du neutre mis à la terre par résistance de limitation.......................177

2.12.4.1. Choix de la valeur du courant limité.................................................................................177

2.12.4.2. Réalisation de la mise à la terre du point neutre...............................................................177

2.12.4.3. Dispositifs de protection....................................................................................................182

2.12.5.Mise en oeuvre du neutre isolé.................................................................................183

2.12.5.1. Non coupure au 1er défaut...............................................................................................183

2.12.5.2. Coupure au premier défaut...............................................................................................183

2.12.5.3. Surveillance de l'isolement...............................................................................................184

2.12.5.4. Recherche du premier défaut d'isolement........................................................................186

2.13. Principes de réalisation d'un système de mise à la terre.........................................186

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 2.....................................................................................................189

3. LES RECEPTEURS ET LEURS CONTRAINTES D'ALIMENTATION ......................191

3.1. Les perturbations dans les réseaux industriels....................................................................192

3.2. Les remèdes pour se prémunir contre le flicker...................................................................197

3.3. Les moteurs électriques........................................................................................................204

3.3.1. Les moteurs asynchrones .......................................................................................204

3.3.2. Les moteurs synchrones..........................................................................................220

3.3.3. Entraînement à vitesse variable par moteurs électriques........................................220

3.3.3.1. Moteur asynchrone à cage alimenté par gradateur...........................................................227

3.3.3.2. Moteur asynchrone à rotor bobiné (ou à bagues) avec cascade hyposynchrone..............227

3.3.3.3. Moteur asynchrone à cage alimenté par redresseur-onduleur autonome.........................229

3.3.3.4. Moteur synchrone alimenté par redresseur-onduleur autopiloté ......................................232

3.3.3.5. Moteur asynchrone ou synchrone alimenté par cycloconvertisseur.................................233

3.3.3.6. Caractéristiques et domaines d'application des variateurs électroniques de vitesse....... 234

3.3.4. Démarrage des moteurs électriques.......................................................................237

3.3.4.1. Démarrage des moteurs asynchrones triphasés..............................................................240

3.3.4.1.1.Démarrage des moteurs à cage.......................................................................243

3.3.4.1.2.Démarrage des moteurs asynchrones à rotor bobiné (ou à bagues)................251

3.3.4.2. Démarrage des moteurs synchrones triphasés................................................................253

3.3.5. Freinage des moteurs asynchrones........................................................................256

3.3.6. Choix du type de moteur..........................................................................................258

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3.3.7. Effets des perturbations sur les moteurs................................................................ 261

3.4. Les autres récepteurs.......................................................................................................... 264

3.4.1. Les fours à arcs........................................................................................................ 264

3.4.2. Machines à souder par résistance........................................................................... 275

3.4.3. Machine à souder par arc........................................................................................ 296

3.4.4. Equipements haute fréquence ou micro-ondes..................................................... 297

3.4.5. Les fours à induction................................................................................................ 298

3.4.6. Les fours à résistance.............................................................................................. 303

3.4.7. Ensembles électronique de puissance................................................................... 311

3.4.8. Chaudières électriques........................................................................................... 315

3.4.9. Eclairage.................................................................................................................. 321

3.4.10.Torches à plasma...................................................................................................... 323

3.4.11.Electronique sensible............................................................................................... 324

3.5. Tableaux récapitulatifs des perturbations engendrées et des sensibilités

des récepteurs..................................................................................................................... 325

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 3.................................................................................................... 327

4. LES SOURCES D'ALIMENTATION............................................................................329

4.1. L'alimentation par les réseaux de distribution publique...................................................... 330

4.1.1. Solution pour se prémunir contre les variations lentes de la tension .................... 334

4.1.2. Solutions pour se prémunir contre les creux de tension et les coupures

brèves du distributeur.............................................................................................. 335

4.2. Les alternateurs (générateurs synchrones)........................................................................ 342

4.2.1. Caractéristiques et comportement des alternateurs.............................................. 351

4.2.1.1. Alternateur débitant sur un réseau de puissance "infinie"................................................354

4.2.1.2. Alternateur débitant sur un réseau indépendant...............................................................359

4.2.2. Fonctionnement en moteur synchrone................................................................... 361

4.2.3. Description des différents systèmes d'excitation des machines synchrones........ 366

4.2.4. Caractéristiques électriques des alternateurs........................................................ 372

4.3. Les génératrices asynchrones............................................................................................. 373

4.3.1. Génératrice asynchrone couplée à un réseau de puissance infinie...................... 374

4.3.2. Génératrice asynchrone alimentant un réseau indépendant ................................ 379

4.4. Avantages comparés des alternateurs et des génératrices asynchrones......................... 389

4.5. Les alimentations sans interruption (ASI)............................................................................ 390

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 4.................................................................................................... 391

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5. LES SURTENSIONS ET LA COORDINATION DE L'ISOLEMENT...........................393

5.1. Les surtensions.....................................................................................................................394

5.1.2. Surtensions à fréquence industrielle........................................................................396

5.1.2.1. Surtension provoquée par un défaut à la terre..................................................................396

5.1.2.2. Résonance et ferro-résonance..........................................................................................408

5.1.2.3. Rupture du conducteur neutre..........................................................................................425

5.1.3. Surtensions de manoeuvre......................................................................................427

5.1.3.1. Principe de la coupure......................................................................................................427

5.1.3.2. Manoeuvre des récepteurs...............................................................................................429

5.1.3.3. Elimination des défauts phase-terre par un disjoncteur....................................................440

5.1.4. Surtensions atmosphériques...................................................................................444

5.1.5. Propagation des surtensions...................................................................................456

5.2. Les dispositifs de protection contre les surtensions.............................................................459

5.2.1. Principe de la protection..........................................................................................459

5.2.2. Les éclateurs............................................................................................................460

5.2.3. Les parafoudres.......................................................................................................462

5.2.3.1. Parafoudre à résistance variable avec éclateur (voir CEI 99-1)........................................462

5.2.3.2. Parafoudre à oxyde de zinc (

5.2.3.3. Installation des parafoudres HT et MT..............................................................................469

5.2.4. Protection des installations BT................................................................................471

5.3. Coordination de l'isolement dans une installation électrique industrielle.............................475

5.3.1. Généralités...............................................................................................................475

5.3.2. Réduction des risques et du niveau des surtensions.............................................478

5.3.2.1. Elévation du potentiel des masses BT suite à un défaut MT dans le poste

de transformation..............................................................................................................478

5.3.2.2. Elévation du potentiel des masses BT suite à un choc de foudre.....................................485

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 5.....................................................................................................487

6. DETERMINATION DES SECTIONS DE CONDUCTEURS........................................511

6.1. Détermination des sections de conducteurs et choix des dispositifs de protection en

basse tension .......................................................................................................................512

6.1.1. Principe de la méthode............................................................................................514

6.1.2. Détermination du courant maximal d'emploi...........................................................516

6.1.3. Choix du dispositif de protection..............................................................................519

6.1.4. Courants admissibles dans les canalisations..........................................................522

6.1.5. Détermination pratique de la section minimale d'une canalisation BT...................537

6.1.6. Section des conducteurs de protection (PE), d'équipotentialité et de neutre

(NF C 15-100) ..........................................................................................................538

6.1.7. Vérification des chutes de tension...........................................................................542

6.1.8. Longueurs maximales des canalisations pour la protection contre les contacts

indirects (régime TN et IT)........................................................................................544

6.1.9. Vérification des contraintes thermiques des conducteurs......................................548

6.1.10. Exemple d'application..............................................................................................551

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6.2. Détermination des sections de conducteurs en moyenne tension

(suivant la norme NF C 13-205).......................................................................................... 559

6.2.1. Principe de la méthode........................................................................................... 559

6.2.2. Détermination du courant maximal d'emploi.......................................................... 559

6.2.3. Courants admissibles dans les canalisations......................................................... 560

6.2.4. Contraintes thermiques des conducteurs en cas de court-circuit

et détermination de la section ............................................................................... 574

6.2.5. Courants de courte durée admissible dans les écrans de câbles à isolation

synthétique extrudée (détermination de )............................................................... 577

6.2.6. Vérification des chutes de tension.......................................................................... 581

6.2.7. Détermination pratique de la section minimale d'un câble moyenne tension ....... 582

6.2.8. Conditions de mise à la terre des écrans de câbles............................................... 583

6.2.9. Exemple d'application............................................................................................. 588

6.3. Calcul de la section économique........................................................................................ 593

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 6.................................................................................................... 596

7. LA COMPENSATION DE L'ENERGIE REACTIVE.....................................................597

7.1. L'énergie réactive................................................................................................................. 598

7.1.1. Nature des énergies active et réactive, puissance apparente............................... 598

7.1.2. Composantes active et réactive du courant........................................................... 599

7.1.3. Composantes active et réactive de la puissance................................................... 600

7.1.4. Facteur de puissance.............................................................................................. 601

7.1.5. la valeur tg j............................................................................................................ 601

7.1.6. Facteur de puissance et cosj en présence d'harmoniques................................. 602

7.1.7. Circulation de l'énergie réactive.............................................................................. 603

7.1.8. Energie réactive et éléments du réseau................................................................. 604

7.2. Intérêts de la compensation d'énergie réactive................................................................... 607

7.3. Relation entre la puissance des condensateurs et l'amélioration du cosj....................... 612

7.4. Matériel de compensation d'énergie réactive...................................................................... 613

7.5. Emplacement des condensateurs....................................................................................... 615

7.6. Détermination de la puissance de compensation par rapport à la facture d'énergie.......... 620

7.7. Compensation aux bornes d'un transformateur pour accroître sa puissance

disponible............................................................................................................................. 623

7.8. Compensation de l'énergie réactive absorbée par un transformateur seul ....................... 625

7.9. Compensation des moteurs asynchrones........................................................................... 626

7.10. Recherche de la compensation optimale............................................................................ 630

7.11. Enclenchement des batteries de condensateurs et protections......................................... 632

7.12. Problèmes liés aux condensateurs en présence d'harmoniques.......................................632

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 7.................................................................................................... 633

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8. LES HARMONIQUES....................................................................................................635

8.1. Notions de base....................................................................................................................636

8.1.1. Décomposition d'un signal périodique en série de Fourier.....................................636

8.1.2. Définitions.................................................................................................................637

8.1.3. Les générateurs de grandeurs électriques harmoniques.......................................644

8.1.4. Méthode de détermination des harmoniques de courant et tension

dans un réseau........................................................................................................653

8.1.5. Caractéristiques des circuits bouchon.....................................................................671

8.2. Effets des harmoniques sur l'appareillage électrique et règles d'utilisation........................684

8.3. Normes et réglementations ..................................................................................................700

8.3.1. Définitions.................................................................................................................700

8.3.2. Normes en vigueur...................................................................................................702

8.3.2.1. Niveaux de compatibilité ..................................................................................................702

8.3.2.2. Les niveaux d'émission.....................................................................................................706

8.3.2.3. Les niveaux d'immunité des matériels..............................................................................708

8.4. Les moyens de se prémunir contre les perturbations harmoniques...................................709

8.4.1. Installer des sources de faible impédance de sortie...............................................709

8.4.2. Installation d'une inductance anti-harmonique........................................................714

8.4.3. Installation de shunts résonnants............................................................................729

8.4.4. Installation de filtres amortis.....................................................................................735

8.4.5. Installation de filtres actifs........................................................................................741

8.4.6. Confinement des harmoniques...............................................................................743

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 8.....................................................................................................749

9. STABILITE DYNAMIQUE DES RESEAUX INDUSTRIELS........................................751

9.1. Comportement d'un réseau électrique industriel.................................................................754

9.2. Etude de stabilité dynamique des réseaux industriels........................................................764

9.2.1. Objectifs des études................................................................................................764

9.2.2. Causes d'instabilité..................................................................................................765

9.2.3. Les effets de l'instabilité...........................................................................................766

9.2.4. Maîtrise de l'instabilité..............................................................................................767

9.3. Etudes de stabilité................................................................................................................769

9.3.1. Méthodes de calcul employées...............................................................................770

9.3.2. Développement d'une étude ...................................................................................771

9.4. exemple d'étude...................................................................................................................773

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 9.....................................................................................................786

10. LA SURETE DE FONCTIONNEMENT D'UNE INSTALLATION ELECTRIQUE.........787

10.1. Définition des termes liés à la sûreté de fonctionnement (selon CEI 50 § 191)..................791

10.2. Les domaines d'application des études de sûreté de fonctionnement...............................792

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Guide de conception des réseaux électriques industriels T & D6 883 427/A

10.3. Réalisation d'une étude de sûreté de fonctionnement....................................................... 795

10.4. Exemple............................................................................................................................... 795

BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 10.................................................................................................. 802

11. TARIFICATION DE L'ENERGIE ELECTRIQUE .......................................................803

11.1. Choix du tarif........................................................................................................................ 804

11.2. Tarif Bleu.............................................................................................................................. 806

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