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Architecture de distribution électrique dans les usines de traitement de l’eau


Usines de traitement des eaux

Pour le traitement de l’eau potable et des eaux usées, 4 tailles d’usines différentes ont été distinguées. La taille des usines peut être exprimée en quantité d’eau traitée par jour, ou en nombre correspondant d’habitants.

Grande STEP (T4) - Schéma unifilaire - Boucle MV ouverte
Grande STEP (T4) – Schéma unifilaire – Boucle MV ouverte

Quatre types différents d’usines de traitement des eaux (usées) ont été distingués, selon la destination et la taille:

  • T1 – Station d’épuration autonome // Voir schéma unifilaire
  • T2 – Petite station d’épuration d’eau ou d’eaux usées // Voir schéma unifilaire
  • T3 – Station de traitement des eaux ou des eaux usées de taille moyenne
  • T4 – Grande station d’épuration des eaux ou des eaux usées
Caractéristiques T1 T2 T3 T4
m3/journée
(eau potable ou eaux usées)
1K-5K 5K-50K 50 000 à 200 000 200 000 à 1 000 000
Habitants 1K-10K 10 000 à 100 000 100 000 à 500 000 500 000 à 1 000 000
Demande de puissance 25 à 125 kVA 125 à 1250 kVA 1,25 à 5 MVA 5 à 25 MVA

Distribution électrique

Des conseils sont donnés pour la sélection des Architecture de distribution électrique dans les usines de traitement des eaux. Cela comprend la sélection entre différentes configurations possibles de circuits MT et BT et la mise en œuvre de sources d’alimentation de secours.

le caractéristiques les plus pertinentes de l’installation électrique sont pris en compte, comme la typologie, la demande de puissance, la sensibilité aux coupures de courant,…

Connexion au réseau utilitaire

Les 4 configurations les plus couramment utilisées pour la connexion sont les suivantes, dans l’ordre de augmentation de la demande de puissance et de la fiabilité du service //

  1. Service monoligne BT ou MT
  2. Service d’anneau MV
  3. Service d’approvisionnement en double MV
  4. Service d’alimentation en double MT avec double jeu de barres
Station d'épuration - Connexion au réseau de distribution
Station d’épuration – Connexion au réseau de distribution (cliquez pour agrandir les schémas)

Les dispositifs de comptage, de protection et de déconnexion, situés dans les sous-stations de livraison ne sont pas représentés sur les schémas suivants. Ils sont souvent spécifiques à chaque entreprise de services publics et n’ont pas d’influence sur le choix de l’architecture d’installation. Pour chaque connexion, un seul transformateur est montré à des fins de simplification, mais en pratique, plusieurs transformateurs peuvent être connectés.

Pour les différentes configurations possibles, l’ensemble de caractéristiques le plus probable et le plus usuel est donné dans le tableau suivant:

Caractéristique à considérer

Configurations
LV MV MV MV MV
Une seule ligne Anneau principal Dupliquer l’offre Alimentation en double avec double jeu de barres
Topologie du site Station d’épuration autonome T1

Station de pompage à distance P1, P2

Station d’épuration T2

Station de pompage à distance P3

Station d’épuration T3

Dessalement T2

Station d’épuration T4

Dessalement T3

Dessalement T4
Fiabilité du service Le minimum Le minimum la norme la norme Renforcée
Demande de puissance <250 kVA <1250 kVA 1,25 à 5 MVA 5 à 25 MVA > 25 MVA

Les configurations de raccordement peuvent différer du tableau ci-dessus en raison de contraintes particulières relatives aux usines de l’industrie de l’eau – configuration étalée et emplacement en banlieue.

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Configuration du circuit MT

Les trois principales configurations de connexion possibles sont les suivantes:

  1. Un seul départ, un ou plusieurs transformateurs,
  2. Anneau ouvert, une sous-station MT,
  3. Anneau ouvert, 2 sous-stations MT.

La configuration de base est une architecture radiale à un seul départ, avec un seul transformateur. Dans le cas de l’utilisation de plusieurs transformateurs, un anneau ouvert est généralement réalisé pour une meilleure disponibilité de l’énergie.

Les trois principales configurations de connexion possibles
Les trois principales configurations de connexion possibles (cliquez pour agrandir les schémas)

Moteurs haute puissance peut être directement alimenté en MV pour réduire la taille du câble. La configuration de base préférée comprend une seule sous-station. Cependant, un plus grand nombre de sous-stations est possible dans certaines circonstances:

  • Un grand site,
  • Un site avec plusieurs lignes de process différentes,
  • Une puissance totale supérieure à 5 MVA,
  • Un besoin de redondance, pour faire face à une catastrophe naturelle par exemple.

La configuration préférée des transformateurs MT / BT comprend un seul transformateur fournissant la puissance totale des charges installées.

Certains facteurs contribuent pour augmenter le nombre de transformateurs (> 1), de préférence de puissance égale:

  • Une puissance totale installée élevée (> 1250 kVA): limite pratique de puissance de l’unité (standardisation, facilité de remplacement, encombrement, etc…),
  • Un grand site. La mise en place de plusieurs transformateurs au plus près des charges réparties permet de réduire la longueur des connexions BT,
  • Un besoin de redondance partielle (fonctionnement dégradé possible en cas de panne d’un transformateur) ou redondance totale (fonctionnement normal assuré en cas de panne d’un transformateur),
  • Séparation des charges sensibles et perturbatrices (ex: équipements informatiques, moteurs),
  • Différentes lignes de process indépendantes,
  • Fourniture de moteurs MT,
  • Évolutivité de l’installation (différentes lignes de processus identiques).

Pour les différentes configurations possibles, l’ensemble de caractéristiques le plus probable et le plus usuel est donné dans le tableau suivant:

Caractéristique
à envisager

Configurations
Chargeur unique
1 poste
1 transformateur
Chargeur unique
1 poste
N transformateurs
Anneau ouvert
1 ou 2 postes
N transformateurs
(différents pouvoirs)
Topologie végétale Petit T2 T3 moyen Grand T4
Demande de puissance <1250 kVA 1,25 à 5 MVA > 5 MVA
Répartition de la charge Uniforme Intermédiaire Charges localisées de haute puissance
Maintenabilité Le minimum la norme Renforcée
Sensibilité aux perturbations Longues interruptions acceptables Courte interruption acceptable Courte interruption acceptable

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Configuration des circuits BT

Voici les principales configurations possibles, à sélectionner en fonction du niveau de disponibilité de puissance demandé //

Configuration à un seul départ radial

C’est la configuration de référence et la plus simple. Une charge est connectée à une seule source. Cette configuration fournit un niveau minimum de disponibilité, car il n’y a pas de redondance en cas de panne de la source d’alimentation.

Configuration à un seul départ radial
Configuration à un seul départ radial

Configuration bipolaire

L’alimentation est fournie par 2 transformateurs, connectés à la même ligne MT. Lorsque les transformateurs sont proches, ils sont généralement connectés en parallèle au même tableau principal de basse tension (MLVS).

Configuration bipolaire
Configuration bipolaire

Variante: bipolaire avec deux ½ MLVS et NO link

Afin d’augmenter le disponibilité en cas de panne des jeux de barres ou autoriser la maintenance sur l’un des transformateurs, il est possible de scinder le MLVS en 2 parties, avec une liaison normalement ouverte (NO). Cette configuration nécessite généralement un commutateur de transfert automatique (ATS).

Bipolaire avec deux ½ MLVS et NO link
Bipolaire avec deux ½ MLVS et NO link

Tableau de distribution (simple accessoire déconnectable)

Les circuits transférables peuvent être connectés à un tableau dédié. La connexion au MLVS est interrompue en cas de besoin (surcharge, fonctionnement du générateur, etc…)

Tableau de distribution (simple accessoire déconnectable)
Tableau de distribution (simple accessoire déconnectable)

Tableaux interconnectés

Si les transformateurs ne sont physiquement pas trop éloignés les uns des autres, ils peuvent être connectés par une goulotte de jeu de barres. Une charge critique peut être fournie par l’un ou l’autre des transformateurs.

La disponibilité de l’énergie est donc améliorée, puisque la charge peut toujours être alimentée en cas de panne de l’une des sources.

La redondance peut être //

  • Total: chaque transformateur pouvant alimenter l’ensemble de l’installation,
  • Partiel: chaque transformateur ne pouvant alimenter qu’une partie de l’installation. Dans ce cas, une partie de la charge doit être déconnectée (délestage) en cas de défaillance de l’un des transformateurs.
Tableaux interconnectés
Tableaux interconnectés

Alimentation à double extrémité

Cette configuration est implémentée dans les cas où une disponibilité maximale est requise. Le principe consiste à disposer de 2 sources d’alimentation indépendantes, par exemple:

  • 2 transformateurs alimentés par différentes lignes MT
  • 1 transformateur et 1 générateur
  • 1 transformateur et 1 onduleur

Un commutateur de transfert automatique (ATS) est utilisé pour éviter que les sources ne soient connectées en parallèle. Cette configuration permet de réaliser une maintenance préventive et curative sur l’ensemble du réseau de distribution électrique en amont sans interruption de l’alimentation électrique.

Configuration à double extrémité avec commutateur de transfert automatique
Configuration à double extrémité avec commutateur de transfert automatique

Combinaisons de configuration

Une installation peut être constituée de plusieurs sous-ensembles avec différentes configurations, selon les exigences de disponibilité des différents types de charge. Par exemple.: groupe électrogène et UPS, choix par secteurs (certains secteurs alimentés par des câbles et d’autres par des goulottes de barres).

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Générateurs de secours

L’énergie électrique fournie par un générateur de secours est produite par un alternateur, entraîné par un moteur thermique. Aucune puissance ne peut être produite tant que le générateur n’a pas atteint sa vitesse nominale. Ce type d’appareil n’est donc pas adapté à une alimentation électrique ininterrompue.

Schéma de générateur de secours
Schéma de générateur de secours

Le générateur peut fonctionner en permanence ou par intermittence. Son autonomie dépend de la quantité de carburant disponible. Selon la capacité du générateur à alimenter tout ou partie de l’installation, il y a redondance totale ou partielle.

La mise en œuvre d’un générateur de secours doit tenir compte de la sensibilité des circuits aux coupures de courant et de la disponibilité du réseau de distribution public.

Groupe électrogène diesel de secours
Groupe électrogène diesel de secours (crédit photo: E. Csanyi)

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Présence d’une alimentation sans coupure (UPS)

L’alimentation électrique d’un onduleur est fournie par des batteries. Ce système élimine toute panne de courant. Le temps de sauvegarde du système est limité: de quelques minutes à plusieurs heures. La présence simultanée d’un générateur de secours et d’un onduleur permet d’alimenter en permanence des charges pour lesquelles aucune panne n’est acceptable.

L’autonomie des batteries doit être compatible avec le temps maximum de démarrage et de mise en ligne du générateur.

Un onduleur est également utilisé pour alimenter des charges sensibles aux perturbations (générant un Tension «propre» indépendant du réseau).

Gamme primée d'unités d'alimentation sans coupure (UPS) APC Symmetra
Gamme APC Symmetra primée d’unités d’alimentation sans coupure (UPS) – crédit photo: apcdistributors.com

Principales caractéristiques à considérer pour la mise en œuvre d’un onduleur //

  • Sensibilité des charges aux coupures de courant
  • Sensibilité des charges aux perturbations.

La présence d’un onduleur est indispensable si et seulement si aucune panne de courant n’est acceptable. Généralement, les lignes de processus dans les applications Eau ne sont pas alimentées par UPS en raison de la grande puissance impliquée et de la possibilité d’accepter de courtes interruptions. Les onduleurs ne sont nécessaires que pour l’alimentation de contrôle de processus.

Exemple de configuration pour une alimentation sans coupure du circuit critique:

Exemple de configuration pour une alimentation sans coupure de circuit critique
Exemple de configuration pour une alimentation sans coupure de circuit critique

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Guide des stations d’épuration des eaux usées

Conception de réseau électrique recommandée pour une installation efficace et des opérations énergétiques
// par SCHNEIDER ELECTRIC

Télécharger le manuel [8MB]

Références //

  • Stations de traitement des eaux usées – Conception de réseau électrique recommandée pour une installation efficace et des opérations énergétiques par Schneider Electric
  • Manuel des solutions d’alimentation en eau et en eaux usées par Schneider Electric



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