Energie électrique sécurisée

S
N°18
Juin 2008
Energie électrique
sécurisée
p.1
Un besoin généralisé et croissant
p.2
La disponibilité et la qualité de l’énergie
électrique sont devenus aujourd’hui des enjeux
de compétitivité économique
Origine des pannes
Disponibilité de l’énergie électrique
p.3
Un besoin généralisé et croissant
Qualité de l’énergie électrique
p.5
Définir la solution d’énergie sécurisée
la mieux adaptée
p.11
Conclusion
p.12
Exemples d’architectures
Un besoin pour tous les secteurs de l’économie
Dans le contexte de compétitivité économique accrue et avec la
dérégulation du marché de l’énergie, disposer d’une énergie électrique
sécurisée est devenu un enjeu stratégique pour tous les secteurs de
l’économie.
Les activités tertiaires et industrielles dépendent de plus en plus
d’équipements numériques et d’automatismes sensibles. Des perturbations
d’alimentation de quelques secondes peuvent affecter le fonctionnement
global et avoir des répercussions considérables en termes de sécurité ou
économiques.
Une défaillance de l’installation électrique dans les hôpitaux, les
infrastructures de transport (aéroports, tunnels...), les sites critiques
(pétrochimie) peut induire un risque humain ou environnemental majeur.
A cela s’ajoute, pour les applications sensibles, des risques de pertes
financières extrêmement élevée.
Pour les activités liées aux télécommunications ou à l’informatique
(transactions bancaires, réservation aérienne...) les pertes correspondent à
l’arrêt et aux erreurs de traitements.
Exemple de coûts horaires des pannes
d’alimentation électrique.
@ Télécommunications
@ Transaction par cartes de crédits
@ Sociétés financières à opérations boursières
@ Production de semi-conducteur
@ Ligne d’assemblage automobile
@ Acièrie
1 800 000 € (1)
2 500 000 € (2)
6 000 000 € (1)
3 800 000 € (1)
6 000 000 € (2)
350 000 € (1)
(1) Leonardo Power Quality Initiative - rapport 2.1
(2) UPS Europan Guide CEMEP (European commitee of manufacturers of Electrical Machines and Power
Electronics)
Intersections - juin 2008
Pour les activités industrielles à flux tendus,
l’arrêt d’une chaîne peut bloquer l’ensemble
de la fabrication et générer des problèmes
de qualité et de délais. Dans les process, les
perturbations peuvent occasionner la perte de
la production en cours et l’arrêt, pour remise en
état, du process.
Par exemple, la fabrication de plaques de semiconducteurs requiert une douzaine d’étapes
sur plusieurs jours et la défaillance d’une étape
est catastrophique. Pour la fabrication d’acier,
de verre ou de papier s’ajoute en général une
opération de nettoyage longue et coûteuse. La
pharmacie ou l’agro-alimentaire sont touchées
par l’aspect sanitaire et de traçabilité.
Dans les 5 prochaines années les interruptions
et les limites de livraison électrique toucheront
50% des Data Centers et plus de 90% des
Sociétés
(AFCOM Data Center Institute’s Five Bold Prediction, 2006)
Un enjeu souvent sous-estimé
Les problèmes liés à la qualité de l’énergie
coûteraient à l’économie des 25 pays de l’Union
Européenne 150 milliards d’Euros par an (1).
Plusieurs sociétés estiment perdre 10 % de leur
chiffre d’affaire à cause d’une qualité d’énergie
insuffisante. D’un autre côté, les dépenses
consacrées à la qualité de l’énergie sont
inférieures à 30 % de ce montant (1).
Garantir la qualité et la disponibilité de
l’énergie électrique devient un enjeu et un
argument commercial pour les producteurs et
les distributeurs. Certains contrats comportent
des clauses de qualité et de disponibilité du
produit “électricité” livré. La norme EN50160
précise des critères de qualité.
Mais, en pratique, au delà des précautions du
contrat de fourniture, les statistiques d’origines
des pannes montrent que c’est à l’utilisateur
qu’appartient la mise en place d’une installation
électrique sécurisée
Cela suppose une prise de conscience et une
meilleure connaissance des problèmes et des
solutions. Ce qui suit concerne cette démarche
pour la partie basse tension des installations,
proche des charges, là où les perturbations de
l’énergie ont le plus de conséquences.
(1)
Leonardo Power Quality Initiative - European Power Quality
survey 2007
2
Guide
Technique
Origines de pannes
Les causes des pannes qui peuvent affecter
une installation BT sont multiples, mais ont trois
origines principales :
La production et le transport
Les perturbations sur les infrastructures de
production et transport peuvent se répercuter
jusqu’aux installations BT par les lignes et les
transformateurs. Elles touchent d’autant plus
d’utilisateurs qu’elles se situent en amont.
Leurs origines sont essentiellement :
@ les défauts sur les réseaux : leur l’apparition
provoque des creux de tension pour tous les
utilisateurs. Leur durée dépend de la
temporisation des protections. L’isolement
d’une section en défaut peut aussi amener à
une coupure de durée liée aux possibilités de
localisation du défaut et d’intervention.
@ les manœuvres sur les réseaux : les
automatismes réenclencheurs, les permutations
de transformateurs ou de lignes, peuvent
occasionner des coupures brèves. La
dérégulation du marché de l’électricité augmente
ce type de perturbations. Les réseaux nationaux
sont interconnectés et les manœuvres de
commutation sont plus fréquentes pour suivre
les fluctuations de la demande. Les gros
consommateurs ont le choix de leur fournisseur
et les distributeurs achètent l’électricité selon les
cours du jour à la bourse de l’énergie (Powernext
en France).
Les aléas climatiques
Les conditions météorologiques, comme les
vents violents et le verglas, endommagent aussi
les lignes aériennes, dont la réparation dans ces
conditions est longue et difficile.
Les changements climatiques amplifient ces
phénomènes naturels et rendent les réseaux
aériens plus vulnérables. Ils s’accompagnent
aussi de pics de demande accrus, alors que l’on
constate, avec la dérégulation du marché, un
ralentissement des investissements au niveau de
la production.
Les risques pour la livraison sont donc bien
réels. Des “black-out”, pannes géantes, ont déjà
affecté les Etats-unis, la Suède, le Royaume
Uni et l’Italie. Des coupures plus mineures sont
fréquentes.
Intersections - juin 2008
L’installation électrique
Les deux tiers des pannes affectant les
équipements critiques a pour origine l’installation
électrique elle-même (figure 2). Seuls 20 %
relèvent de pannes des équipements alimentés
et 15 % d’erreurs humaines lors d’opérations de
maintenance.
Le fonctionnement de l’installation peut en
outre affecter les utilisateurs voisins par la
mise en service ou la déconnexion de charges
importantes et la présence d’harmoniques dûs à
des charges non linéaires.
Certains distributeurs précisent des clauses
contractuelles limitant les risques de perturbation
d’autres installations.
Disponibilité de
l’énergie électrique
Qu’est-ce que la disponibilité ?
La disponibilité est un élément essentiel
d’appréciation d’une énergie sécurisée. Elle va
de pair avec un niveau de qualité attendu.
La norme CEI 60050 § 191 la définit comme
“L’aptitude d’une entité à être en état
d’accomplir une fonction requise dans des
conditions données, à un instant donné ou
pendant un intervalle de temps donné, en
supposant que la fourniture des moyens
nécessaires est assurée”
En pratique c’est la proportion de temps
pendant laquelle une installation électrique est
opérationnelle pour fournir une énergie de qualité
conforme aux équipements alimentés.
Elle s’exprime par un taux de disponibilité :
Disponibilité (%) = (1– MTTR
––––– ) x100
MTBF
La CEI 60050 § 191 précise ces éléments.
Figure 2.
Origine des arrêts d’équipements critiques
Selon UPS European Guide CEMEP (European
Commitee of Manufacturers of Electrical Machines
and Power Electronics)
@ Le MTTR (Mean Time To Recovery
- durée moyenne des pannes) est le
temps moyen d’intervention pour rendre
l’installation à nouveau opérationnelle
après une défaillance ayant amené une
panne(1). Il comprend la détection de la
cause de panne, sa réparation et la remise
en service.
@ Le MTBF (Mean operating Time Between
Failure - durée moyenne des temps de
bon fonctionnement) mesure le temps
moyen pendant lequel l’installation est
opérationnelle entre défaillances.
Le taux de disponibilité (2) (3) traduit en fait
une probabilité de fonctionnement qui est
très difficile à calculer. Il est en général
évalué par des statistiques de valeurs du
MTBF et MTTR.
(1)
Une défaillance est un événement qui conduit :
- à l’état panne (arrêt de l’exploitation)
- dans les installations à tolérance de panne, en
général à un fonctionnement en mode dégradé,
mais n’arrêtant pas l’exploitation.
(2)
1 - D(%) est le taux d’indisponibilité. A
99,98 % de disponibilité correspond à 0,02 %
d’indisponibilité.
(3)
Pour compléments d’informations, voir CT 184
“Etude de sûreté des installations électriques”
Guide
Technique
3
Intersections - juin 2008
A quoi correspond la disponibilité ?
La disponibilité correspond en pratique à une
évaluation du temps de bon fonctionnement
(Up Time) de l’installation électrique.
Une disponibilité excellente de 99,99 % (dite 4
neufs) se traduit environ par 1h d’indisponibilité
sur une année (365 x 24 x 0,01%).
Un utilisateur en Europe de l’ouest s’attend à
une disponibilité de 99,98 % pour une
utilisation domestique et 99,996 % pour une
installation industrielle ou commerciale.
Ces niveaux sont ceux attendus au point de
livraison. Ils sont relativement élevés et
traduisent un effort élevé de coopération et
maintenance entre les nouveaux partenaires de
l’approvisionnement.
Pour les utilisateurs ayant des applications
sensibles, ce qui compte c’est la disponibilité
mesurée au niveau des équipements critiques.
La conception de l’installation électrique joue
un rôle essentiel à ce niveau, compte tenu des
statistiques d’origines des pannes (Figure 2).
En l’absence de mesures de prévention lors
de la conception, la disponibilité diminue en
descendant l’installation, du fait de la mutiplicité
des connexions, des dispositifs de protection,
des câbles etc.
Sans précaution, elle est généralement moins
bonne aux bornes des équipements qu’au point
de livraison.
Les statistiques traduisent la sous estimation des
risques par de nombreux utilisateurs. Au delà du
contrat de distribution, une énergie sécurisée au
niveau des charges dépend des mesures prises
dans l’installation électrique.
Comment augmenter la
disponibilité ?
La disponibilité dépend du MTBF et du MTTR.
Une disponibilité de 100% correspond à un
MMTR nul (réparation instantanée) ou à un
MTBF infini (fonctionnement sans panne).
Ces conditions ne pouvant être atteintes, il faut
chercher à :
@ réduire le MTTR par la maintenabilité des
équipements et une organisation efficace de la
maintenance à la fois pro active et réactive
@ augmenter le MTBF par la fiabilité des
sous ensembles et composants provenant
de fournisseurs éprouvés ainsi que par des
dispositions de redondance.
Qualité de l’énergie
électrique
alimentées sont alors parcourues par un courant
sinusoïdal parfait de même fréquence, pouvant
être déphasé selon leur cos ϕ.
Or, tous les réseaux sont soumis à des
perturbations ou en génèrent. D’autre part,
les charges non linéaires sont de plus en
plus nombreuses. En France les normes CE I
60364 et NF C15-100 prennent en compte, par
exemple, les surtensions ou les harmoniques.
Les défauts possibles par rapport au cas idéal
peuvent affecter :
@ la fréquence : fluctuations
@ l’amplitude (variations, coupures et creux de
tension)
@ la forme de l’onde (présence d’harmoniques,
courants porteurs, transitoires, CEM)
@ la symétrie du système triphasé.
Plusieurs caractéristiques peuvent être
modifiées par une même perturbation.
La norme EN 50160 précise ces éléments, qui
constituent des critères de qualité.
En pratique, les perturbations autres que celles
de la fréquence, qui dépend directement de la
production et de la distribution, peuvent être
regroupés en trois principales catégories :
@ coupures et chutes de tension
@ distorsion harmonique
@ phénomènes transitoires.
Coupures et chutes de tension
Les coupures de tension (ou de courant qui en
résultent) sont une absence totale de la tension
d’alimentation (chute d’amplitude > 99 %).
On distingue :
@ les micro-coupures de durée < 10 ms
@ les coupures brèves de durée < 1 min
dont 70 % sont des coupures très brèves < 1 s
@ les coupures longues de durée > 1 min
Les chutes (ou creux) de tension sont une
diminution brutale de l’amplitude de tension en
un point d’un réseau suivie d’un rétablissement
après un laps de temps.
Elle sont caractérisées (CEI 61000-2-1 et
EN 50160) par :
@ la profondeur : la tension résiduelle efficace au
point le plus bas, qui peut aller de 1 à 90% de la
valeur efficace de la tension nominale
@ la durée : de 10 ms à une minute.
Un système triphasé subit un creux de tension si
au moins une phase est affectée.
durée
profondeur
Le niveau de qualité de l’énergie disponible doit
être compatible avec les tolérances
d’alimentation des charges.
Une alimentation électrique parfaite fournirait
une tension toujours disponible, à la fréquence
nominale, sous forme d’une onde sinusoïdale
pure exempte de bruit. Les charges linéaires
4
Guide
Technique
Figure 4. Chute ou creux de tension.
Intersections - juin 2008
Lors d’une chute de tension la charge ne reçoit
pas toute l’énergie nécessaire à son
fonctionnement, ce qui peut avoir de graves
conséquences selon les équipements.
Les moteurs sont sensibles aux variations de
tension car ils fonctionnent alors sur l’inertie
du système. Pour des processus comportant
plusieurs entraînements, les commandes des
moteurs peuvent détecter les variations de
tension à des seuils différents amenant à une
perte de contrôle complète du processus.
Pour les équipement informatiques, l’organisme
de standardisation regroupant les principaux
constructeurs, ITIC (Information Technologie
Industry Council - qui succède au CBEMA
- Computer and Business Equipment
Manufacturers Association) a défini un gabarit
de tension qui décrit la tolérance d’un
équipement aux perturbations de tension.
La norme EN 50160 fixe des niveaux des
tensions harmoniques à ne pas dépasser
jusqu’au rang 25.
Figure 6. Exemples d’effets de courants
harmoniques
Figure 5. Courbe enveloppe des fluctuations de
tension admissibles pour l’informatique selon l’ITIC.
Ex : une chute de tension de 70 % de doit pas
excéder 20 ms.
Les coupures et les chutes de tension
proviennent en général du système de
production et distribution et relèvent de la
responsabilité du fournisseur. Elles peuvent
être aussi occasionnées par un défaut des
équipements, des conducteurs ou des
raccordements sur les sites.
Une conception intégrant des solutions qui
augmentent la résilience de l’installation peut en
minimiser les conséquences.
Les harmoniques
Les problèmes liés aux harmoniques sont
causés par des charges non linéaires, c’est-àdire dont le courant n’est pas sinusoïdal
(ex : alimentation à découpage, électronique de
puissance).
Ces charges sont de plus en plus fréquentes.
Dans ce cas le courant circulant dans la charge
est la somme de composantes sinusoïdales
de fréquences multiples impairs (H3, H5, H7...)
de la fréquence nominale, dite fréquence
fondamentale. Ceci est montré par l’analyse de
Fourier, utilisée par les appareils de mesure des
harmoniques.
L’importance de la valeur efficace des divers
harmoniques rapportée à celle du courant sans
harmonique (ou fondamental - H1) détermine le
spectre harmonique.
La figure 6 donne un exemple de courants avec
harmoniques et de leur spectre.
Les harmoniques ont plusieurs conséquences.
Tout d’abord, la circulation des courants
harmoniques déforme la tension et c’est
l’ensemble des charges de l’installation qui peut
se trouver perturbé.
La mesure de la déformation de tension est
donnée par le taux global de distorsion THDU.
Il traduit la déformation de l’onde de tension et
l’augmentation de courant efficace. Sa valeur,
mesurée sur un jeu de barres de départs, ne doit
pas excéder 5% (8 % selon EN 50160). Pour
certaines applications, comme l’informatique,
une valeur de 3% est requise, et atteinte le plus
souvent avec l’installation d’onduleurs.
Autre inconvénient, les harmoniques d’ordre 3
(150 Hz) et multiples (H3, H9...) circulant dans
les phases d’un circuit triphasé s’additionnent
dans le conducteur de neutre et le surchargent.
Ce courant de neutre peut dépasser celui des
phases. La majorité des installations ne sont pas
dimensionnées pour ce phénomène.
Pourtant il peut avoir des conséquences
importantes en termes de fonctionnement et
de sécurité. Des déclenchements intempestifs,
par le courant de neutre, peuvent amener des
coupures. L’échauffement du neutre peut affecter
sa continuité, indispensable à la sécurité des
personnes, ou provoquer des risques d’incendie.
La norme NFC 15-100 donne des
recommandations de dimensionnement du
conducteur neutre et de réglages des protections.
Figure 7. Les harmoniques H3 et multiples circulent
dans le neutre.
Guide
Technique
5
Intersections - juin 2008
Enfin, les harmoniques affectent le rendement
énergétique de l’installation. Ils abaissent le
facteur de puissance et augmentent les pertes.
La dégradation atteint facilement 2 à 3 %.
En outre ils peuvent provoquer un vieillissement
prématuré des équipements, comme les
transformateurs ou les câbles par les
échauffements.
Limiter les courants harmoniques est donc une
nécessité pour
@ fournir une tension de qualité, telle que
l’exigent les applications critiques
@ éviter les courants de neutre
@ contribuer à l’efficacité énergétique de
l’installation et éviter les surdimensionnments.
La difficulté réside souvent dans la localisation
des sources harmoniques, leur évolution dans le
temps. D’autre part la mesure des harmoniques
nécessite des appareillages spécifiques. Le
recours à des spécialistes est donc pratiquement
indispensable.
Les phénomènes transitoires
Les phénomènes transitoires sont des
perturbations de la tension de très faible durée
(inférieure à un cycle d’alimentation jusqu’à
quelques millisecondes), mais d’ampleur élevée
(jusqu’à plusieurs milliers de volts) qui atteignent
leur maximum en un temps très bref.
On distingue des transitoires de
@ courte durée < 1 μs
@ moyenne durée entre 1 et 100 μs
@ longue durée > à quelques millisecondes.
La plupart des transitoires ont pour origine la
foudre ou la mise en route d’appareils de forte
puissance ou de charges réactives. Du fait des
hautes fréquences concernées, les effets sont
considérablement atténués à mesure qu’ils
se propagent dans le réseau. La plupart des
problèmes surviennent lorsque la source du
phénomène transitoire est proche de
l’installation, voire dans l’installation même.
Les conséquences peuvent être des dégâts
immédiats, comme l’arrêt des machines,
l’altération de données des ordinateurs ou
desdonnées sur le réseau. Les dégâts peuvent
également être progressifs, les préjudices au
matériel se cumulant jusqu’à la panne.
Il faut tenir compte du coût de remplacement de
l’équipement défectueux ainsi que du coût de la
durée d’immobilisation.
Un système de mise à la terre efficace
permet de réduire fortement les phénomènes
transitoires. Il doit comporter plusieurs points de
mise à la terre avec une faible impédance pour
une large bande de fréquences.
6
Guide
Technique
Définir la solution
d’énergie sécurisée
la mieux adaptée
Les dysfonctionnements liés à l’énergie
électriques peuvent ainsi avoir des origines
multiples. Les risques et leurs conséquences
pour la sécurité ou économiques sont liés à la
nature et la criticité de l’installation.
Il n’y a donc pas de solution universelle pour
une distribution électrique sécurisée, mais des
approches spécifiques, qui doivent prendre en
compte la réglementation et les enjeux.
L’expérience montre que la conjonction des
événements possibles est telle que le risque
zéro n’existe pas. Les défaillances sont quasi
inévitables. En pratique, la solution devra réduire
leurs effets au minimum possible.
Pour cela, l’utilisation de la redondance et la
conception d’installations électriques résilientes
- c’est-à-dire apte à s’adapter pour fonctionner
en cas d’événements imprévus, dits de crise
- constituent des principes de base.
L’organisation de la maintenance et l’adaptation
aux évolutions de l’installation, sont aussi des
facteurs clés de succès.
Il existe des méthodes, liées à des réglements
ou normes, élaborées pour les sites sensibles
tels qu’établissements de santé ou Data Centers.
Ces exemples types permettent de dégager des
“bonnes pratiques” générales, adaptables aux
autres sites.
Intersections - juin 2008
Exemple des établissements
de santé
Les établisements de santé sont soumis à un
un très haut niveau d’exigence pour assurer la
continuité des soins depuis 2001 :
@ Livre blanc (installations électriques des
établissements de santé)
@ Plan blanc & gestion de crise (avril 2004)
@ Circulaires DHOS/E4 n°2006-393 (8 sept. 06)
@ Norme NF C15 211 (applicable depuis le 31
janvier 2007).
Principales mesures liées à la
réglementation
Assurer la continuité d’alimentation
Circulaire DHOS/E4 no 2006-393 du 8/09/2006
La continuité des soins et donc le maintien de
l’alimentation électrique, y compris en cas de
crise est une obligation légale. Elle engage la
responsabilité du Directeur d’établissement.
Les règlements imposent :
@ l’analyse du risque
@ la préparation technique au risque électrique
@ la gestion de la crise électrique et de l’aprèscrise.
Anticiper les évolutions de l’activité
Art. 4.3 de la norme NF C15-211
L’architecture et le dimensionnement des
installations doivent intégrer l’évolution future
de l’activité et être adaptés aux niveaux de
disponibilités attendus des différents services.
Adapter la disponibilité des installations aux
différents niveaux de criticité des services
Art. 4.2 de la norme NF C15-211
Les niveaux de criticité des principales activités
sont définis par cette norme depuis le
31/01/2007 :
@ niveau 1 = pas de coupures
@ niveau 2 = coupures < à 15 s
@ niveau 3 = coupures de 15 s à 30 min
Exemples de niveau 1 : bloc opératoire, bloc
obstétrical, imagerie interventionnelle, salle de
coronographie, automates d’analyses.
Disposer d’alimentations redondantes et
permettant une indépendance du distributeur
Art. 1.3 de la circulaire DHOS/E4 no 2006-393
Réaliser des essais périodiques des
installations normales et de secours
Art.1.7 de la circulaire DHOS/E4 no 2006-393
Pour garantir la fiabilité des équipements
sensibles de la chaîne de distribution, les
installations normales et de secours doivent faire
l’objet d’essais, au minimum mensuels.
La capacité des installations de secours doit être
suffisante pour reprendre la totalité des charges
prioritaires.
Garantir la fiabilité des équipements par une
maintenance régulière
Art. 12.1 de la norme NF C15-211
Une maintenance régulière des matériels et
équipements participant à la garantie de la
fiabilité de l’alimentation électrique doit être
assurée.
Permettre la traçabilité des interventions de
maintenance
Art.1.5 et 1.6 de la circulaire DHOS/E4 no 2006-393
Toutes les opérations de maintenance
préventives et corrective doivent être consignées
dans un registre permettant la traçabilité.
Assurer un niveau de connaissance suffisant
et une démarche préventive
Art. 2.2. 2 et 3 de la circulaire DHOS/E4 no 2006-393
Un niveau de formation suffisant doit permettre
aux exploitants de décider des actions à mener
et une démarche préventive doit être assurée par
des exercices.
La fiabilité et la continuité de l’alimentation
électrique doivent être garanties en cas de
défaillance du distributeur. Il faut deux arrivées
indépendantes et une source de secours, ou une
arrivée et deux sources de secours.
Guide
Technique
7
Intersections - juin 2008
Exemple des Data centers
Ces dernières années ont été marquées par
une évolution des normes pour augmenter la
performance des Data Centers et s’adapter aux
nouvelles technologies
@ Classifications des installations en niveaux
TIER par The Uptime Institute.
@ Norme TIA 942 reprenant et complétant
l’évolution de la classification TIER.
@ Norme ISO/CEI 27 001.
Leur fondement est expérimental et global, avec les
valeurs suivantes :
@ TIER I : 99,671 %
@ TIER II : 99,749 %
@ TIER III : 99,982 %
@ TIER IV : 99,995 %.
Norme ISO/CEI 27001
La norme, d’application générale, décrit les
exigences pour la mise en place d’un Système
de Gestion de la Sécurité de l’Information
(SGSI). Ceci englobe entre autre la sécurité
physique des lieux et des équipements.
La norme définit les contrôles à effectuer pour
s’assurer de la pertinence du SGSI et délivrer la
classification ISO27001 du site.
Exemple du référentiel TIER
reconnu au niveau mondial
TIER III
Norme TIA 942 et classification en
niveaux TIER
Le niveau de disponibilité des installations est
un critère essentiel de comparaison des Data
Centers. Les concepteurs évaluent souvent ce
critère en privilégiant les équipements
d’informatique. La réflexion intègre aussi les
solutions d’alimentation électrique sécurisées à
onduleurs et la climatisation.
Mais d’autres facteurs matériels et humains ainsi
que l’interaction de tous ces éléments entre eux
déterminent le niveau global réel de disponibilité
du site.
De nombreux décideurs souhaitaient disposer de
moyens simples et standardisés de
comparaison permettant d’apprécier les
alternatives d’investissements possibles.
Ceci a conduit à une étude expérimentale
du fonctionnement des Data Centers, réalisée
par l’Uptime Institute. Elle a permis une
classification des sites en 4 types (TIER)
correspondant à des caractéristiques et des
niveaux de disponibilité (1) issus de l’expérience.
Ces éléments ont été repris et complétés dans la
norme ANSI/TIA 942 pour définir un Data Center
de type TIER I, II, III IV.
(1)
Les taux de disponibilité de la classification TIER
ne sont pas directement équivalents à ceux calculés à
partir du MTBF et MTTR, qui n’intègrent pas
notamment les interactions avec les facteurs humains.
8
Guide
Technique
Contraintes
@ Hautes exigences de disponibilité
@ Coûts d’interruption identifiés
@ Périodes courtes de service limité
acceptables
Caractéristiques
@ Architecture fiabilisée
@ Temps moyen d’indisponibilité / an : 1,5 h
@ 2 chaînes d’alimentations (N+1:1 normal
+ secours en veille )
@ 2 distributions électriques et climatisations
redondantes
@ Composants redondants par chaîne
@ Double chaîne de distribution vers l’utilisation
(double attache)
@ Maintenance et exploitation sans arrêt des
installations
Exemples
@ Centres de services
@ Hot lines internes ou externes 24x7
@ Sociétés internationales avec clients et
personnel sur fuseaux horaires différents.
Exemple d’architecture
Intersections - juin 2008
Généralisation des bonnes
pratiques aux autres sites
sensibles
Les exemples précédents s’inspirent des
réglementations les plus exigeantes.
Ils permettent toutefois de dégager un certain
nombre de “bonnes pratiques” généralisables
aux autres sites sensibles :
@ Procéder à une analyse préalable et
exhaustive des besoins de l’installation.
Cette analyse devra :
o permettre d’identifier les applications de
criticité 1, 2, 3 et de traiter les différentes sources
de risques
o être réactualisée dans le temps.
@ Concevoir l’architecture électrique et
dimensionner les installations en intégrant les
besoins de demain.
@ Permettre la maintenance, les essais et
l’exploitation sans perturber le process.
@ Disposer de ressources en personnel,
internes et externes, performantes. Le niveau
de formation doit être actualisé et permettre au
personnel de prendre les décisions adaptées.
@ Assurer la traçabilité des évènements pour
améliorer les procédures.
@ Se préparer à une gestion de crise électrique
en anticipant par des exercices et des
entraînements
@ Mettre en œuvre un système résilient
“ Résilience : aptitude d’une organisation à
résister aux situations avec un minimum de
dommages ”
La résilience se construit en deux temps :
o lors de la conception, en cherchant à
développer un système sûr, résistant aux
événements imprévus, pourvus de protections
efficaces
o lors de la vie du système, en analysant les
incidents, leur gestion par les acteurs, afin
d’identifier les fragilités et les ressources qui ont
permis de les gérer.
@ Adopter une démarche de sûreté de
fonctionnement
“ Sûreté de fonctionnement : aptitude d’un
système à satisfaire l’ensemble des
performances opérationnelles. La notion de
sûreté de fonctionnement fait intervenir les
concepts de fiabilité, de maintenabilité, de
disponibilité. ”
disponibilité de la distribution électrique en
fonction du niveau de criticité : conception et
dimensionnement des installations, analyse des
risques électriques, études de sûreté,
de CEM, de foudre, de sélectivité...
@ des produits, intégrant des possibilités de
communication avec une supervision ou une
GTC, choisis et installés dans les règles de l’art,
en parfaite conformité avec les architectures
et une exploitation résiliente : réseau HTA,
groupe électrogène, automatisme de délestage,
tableaux BT, onduleurs, système anti-intrusion...
@ des services, s’appuyant sur les possibilités de
communication des produits, adaptés au niveau
de performance requis, tout au long du cycle
de vie de l’exploitation : monitoring et contrôle,
maintenance, réparation, essais périodiques,
assistance d’urgence, formation...
... A maintenir dans le temps
Si l’une des composantes vient à être négligée
au fil du temps, l’équilibre est menacé et le
système n’est plus à même de prévenir les
défaillances et leurs conséquences.
Ce peut être le cas avec :
@ une évolution de l’architecture non anticipée et
mal maîtrisée
@ de nouveaux produits intégrés sans repenser
le plan de protection (étude de sélectivité et
réglages)
@ des services se dégradant : maintenance
non planifiée, exploitation sans historique des
événements
Seule une démarche permanente de sûreté de
fonctionnement sécurise la distribution
électrique sur tout le cycle de vie d’une
installation.
La démarche de sûreté de
fonctionnement
Comment s’assurer d’une distribution électrique
sécurisée ?
Un équilibre entre trois composantes...
L’efficacité de la solution retenue dépend de la
prise en compte et du bon équilibre des choix
entre trois éléments principaux :
@ des architectures conçues pour assurer la
Guide
Technique
9
Intersections - juin 2008
Les éléments d’une
installation résiliente
L’équilibre précédent se réalise en pratique par
les spécifications du CCTP (Cahier des Clauses
Techniques Particulières). Ce qui suit donne des
éléments pour guider la démarche de sûreté de
fonctionnement dans un CCTP.
La démarche de sûreté de fonctionnement repose
sur un équilibre entre 3 composantes essentielles.
statiques (STS) permettent de basculer avec de
faibles temps de coupure ou sans coupure pour
les charges.
Etude des réglages et de la sélectivité
@ Pour toutes les protections HTA des postes et
protections BT des tableaux et armoires
@ Pour toutes les configurations d’alimentations
normales et secours, sur groupe ou onduleur
Sélectivité totale
Elle doit être assurée entre les départs des
tableaux généraux et les protections des
tableaux divisionnaires
Sources auxiliaires du poste
La puissance doit être déterminée en fonction
de tous les équipements à sauvegarder
avec une autonomie de 2 heures. La note de
dimensionnement de la source auxiliaire doit
faire partie des documents d’études à remettre.
Produits
Architecture
Association d’une architecture de contrôle et
monitoring à celle de puissance
Une architecture de contrôle et monitoring
associée à celle de distribution de puissance est
une clé de la sûreté de fonctionnement.
Elle permet notamment :
@ une aide à l’exploitation
@ la traçabilité des événements
@ l’analyse en cas de crise pour engager les
actions correctives.
Cette association est maintenant réalisable de
façon simple et économique avec l’appareillage
et les équipements électriques communicants.
Les disjoncteurs et autres organes électriques
sont autant de points de mesures potentiels
dans l’installation. Ils fournissent des données
en temps réel pour contrôler et réguler les
paramètres électriques de la distribution, l’état
des dispositifs, les indications de défauts, les
alarmes…
Ainsi, les produits équipés TransparentReady
rendent les informations de l’installation
disponibles sur n’importe quel PC raccordé
au réseau, par simple utilisation du navigateur
Web. La liaison est possible avec un logiciel de
supervision ou un système de GTC.
Redondance adaptée aux charges
Selon les installations, des inverseurs de
sources, des automatismes de transferts de
sources (ATS) ou des systèmes de transferts
10 Guide
Technique
Exemples de produits
Une installation comportera les produits
suivants, en fonction des besoins.
@ Tableaux MT et BT : ils doivent être spécifiés
et testés de façon à garantir les niveaux de
disponibilité et de maintenabilité quelle que soit
la phase du cycle de la vie : fonctionnement,
maintenance, extension.
@ Appareillage de commande et protection :
les disjoncteurs et interrupteurs doivent, si
possible, intégrer des possibilités de mesure et
de communication (ex : gammes Masterpact et
Compact NSX).
@ Centrales de mesure : pour reporter les
informations de qualité et de consommation
d’énergie.
@ Onduleurs : pour protéger les charges
critiques de toute coupure et assurer une qualité
de tension, dans la limite de leur autonomie
batterie. Au delà, un groupe électrogène doit
suppléer le réseau.
@ Systèmes de transfert statiques (STS) : pour
augmenter la disponibilité et la maintenabilité.
Ils assurent le transfert de charges sensibles
d’une source d’alimentation à une autre sans
perturbation.
@ Canalisations Electriques Préfabriquées
(CEP) : pour augmenter la disponibilité et la
flexibilité.
@ Parafoudres : pour la protection contre les
surtensions.
@ Compensateurs Actifs d’Harmoniques :
Pour éviter les distorsions de tension en amont
des charges non linéaires.
Essais et contrôles sur tous les équipements
sensibles de la chaîne de distribution
Une attention particulière doit être apportée aux
essais des matériels.
@ Les TGBT doivent avoir subi les essais
conformes à la norme NF EN 60439-1, tels que
limites d’échauffement, propriétés diélectriques,
tenue aux courts-circuits…
@ Il faut également prévoir des essais sur
l’installation : tenue diélectrique des câbles,
Intersections - juin 2008
réglages des protections HTA et BT, liaisons
entre les automates, endurance, contrôle
thermographique....
Services
Expertise d’ensemble
Le recours aux conseils d’experts possédant une
connaissance globale de ce type de problèmes
est pratiquement indispensable, étant donné la
complexité et les interactions des phénomènes.
Il permet notamment de :
@ définir les contraintes et la criticité des
applications
@ d’identifier les points sensibles de l’installation
@ d’étudier les possibilités d’architecture de
puissance et de contrôle à associer
@ proposer, lors d’extension, un plan de
modernisation des installations existantes
cohérent avec les nouveaux équipements
@ s’assurer d’un choix et d’une sélection
des équipements à partir d’un CCTP adapté.
Définition d’un plan de formation du
personnel
Les éléments précédents peuvent être assortis
d’un plan de formation du personnel. Ce dernier
doit donner des éléments d’appréciation de la
situation et des décisions à prendre.
@ Présentation de tous les équipements
de la chaîne de distribution et des modes
d’exploitation normaux et dégradés du réseau.
@ Interventions de premier niveau permettant de
rétablir l’alimentation électrique en cas d’incident
Organisation globale de la maintenance
Trois types de maintenance sont à envisager et à
optimiser en favorisant une attitude proactive :
@ Prédictive : en utilisant les possibilités de
téléservice et base d’expertise des constructeurs
d’équipements essentiels (ex : onduleurs)
@ Préventive : essais périodiques planifiés,
visites annuelles
@ Corrective : dépannage en s’assurant de
délais réactifs et garantis, améliorés par la
proximité du stockage de composants critiques
Plusieurs types de contrats, à moduler selon les
équipements sont possibles, par exemple :
@ Intervention sur matériel dans un délai
contractuel (ex : 4 h maxi)
@ Téléservice et/ou technicien local détaché
@ Télé-suivi via un site web
@ Analyse des événements et informations
réseau par experts
@ Assistance en ligne avec d’experts
Conclusion
La sécurisation de la qualité et de la disponibilité de l’énergie
électrique a un impact souvent sous-estimé. C’est pourtant une
nécessité pour assurer la sécurité et la compétitivité économique dans
de nombreux secteurs d’activités.
Cet enjeu est accru par la déréglementation du marché de l’énergie,
les changements climatiques et la prolifération des charges non
linéaires. Le risque zéro ne pouvant être atteint, la mise en œuvre de
solutions optimisée passe par la résilience des installations et une
démarche de sûreté de fonctionnement.
Cette démarche s’appuie sur l’équilibre entre l’architecture
d’installation, les produits mis en œuvres et les services, en fonction
de l’application et des risques encourus. Elle se base également sur
un certain nombre de bonnes pratiques, inspirées des réglementations
les plus exigentes, telles que celles des établissements de soins et
des Data centers. Une architecture de contrôle et monitoring associée
à celle de distribution de puissance en est un élément clé.
L’exploitant doit étudier avec des experts la solution la mieux adaptée
aux exigences de l’application. Schneider Electric maîtrise tous les
éléments de cette démarche en termes d’expertise et de mise en
œuvre d’architecture, de produits et de services.
Guide
Technique
11
Intersections - juin 2008
Exemples d’architecture
Architecture de distribution électrique sécurisée classique
Réseau
Ethernet/TCP IP
1
Distribution pricipale
2
G
Prestation
exploitation
maintenance
5
3
Web
serveur
Distribution secondaire
Mobiles et PDA
personnel
intervention
4
PC
responsable
entretien
Distribution terminale
PC
gestionnaire
bâtiment
8
PC
éclairage
Produits clés pour la distribution électrique sécurisée
EHQ : Energie Haute Qualité
1
Equipements MT/BT
Onduleurs
12 Guide
Technique
4
2
3
Tableaux BT
Canalisation Electrique Préfabriquée
8
Tableaux BT EHQ
Intersections - juin 2008
Architecture de distribution électrique sécurisée duale
Réseau
Ethernet/TCP IP
Distribution pricipale
1
2
G
G
Prestation
exploitation
maintenance
5
3
Web
serveur
Distribution
secondaire
Mobiles et PDA
personnel
intervention
4
7
CAH
CAH
8
PC
responsable
entretien
PC
gestionnaire
bâtiment
Distribution
terminale
STS
5
PC
gestion
puissance
électrique
PC
sécurité
physique
8
PC
éclairage
Serveur
Produits clés pour la distribution électrique sécurisée
EHQ : Energie Haute Qualité
CAH : Compensateur Actif d’Harmoniques
STS : Système de Transfert Statique
ATS : Automatisme de Transfert de Sources
1
Equipements MT/BT
2
8
3
Tableaux BT
Tableaux BT EQH
6
STS
ATS
7
5
Onduleurs
4
Inverseurs de sources
Compensateur Actif d’Harmoniques
Canalisation Electrique Préfabriquée
Guide
Technique
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