etude, dimensionnement et mise en place d’une …
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ETUDE, DIMENSIONNEMENT ET MISE EN PLACE
D’UNE ALIMENTATION SANS INTERRUPTION (ASI)
48V DC SUR LE SITE DE NKOSSA EN REPUBLIQUE DU
CONGO
MEMOIRE POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR 2IE AVEC GRADE DE
MASTER
EN GENIE ELECTRIQUE ET ENERGETIQUE
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Présenté et soutenu publiquement le 18 janvier 2019 par
Jearel POGNABEKA NGOYA 20130949
Directeur de mémoire : Justin BASSOLE
Maître de stage : Vincent MAREC, chef de service Méthodes électricité chez TEPC
Structure d’accueil du stage : Total E&P Congo
Jury d’évaluation du stage :
Président : Sayon SIDIBE
Membres et correcteurs : Sayon SIDIBE
Ahmed ZONGO
Justin BASSOLE
Promotion [2016/2018]
i
REMERCIEMENTS
La rédaction de ce rapport est pour nous une occasion de témoigner notre reconnaissance à
tous ceux qui ont participé d’une manière ou d’une autre à sa réalisation.
Nos remerciements vont tout d’abord à l’endroit de toute la direction de 2iE, notamment :
- Au Prof. Mady KOANDA, Directeur Général de l’Institut International d’Ingénierie
de l’Eau et de l’Environnement (2iE) ;
- Au Prof. Mahamadou KOÏTA, Directeur des Enseignements et des Affaires
Académiques ;
- A M. Justin BASSOLE pour son encadrement ;
C’est aussi le lieu de témoigner notre gratitude à tout le personnel du service Méthodes et
Electricité de Total E&P Congo pour nous avoir accueilli, en particulier à :
- M. Vincent MAREC, Chef du Service Méthodes et Electricité ;
- M. Hector BAFOUNTA, Chef de la section Haute Mer ;
- M. Prince MERECK-TSONO, Responsable Affaires NKOSSA pour son suivi et ses
conseils.
Nous ne saurons tourner cette page sans témoigner notre reconnaissance à nos enseignants du
département Génie Energétique, Electrique et Industriel (GEEI) de 2iE. A leurs côtés, nous
avons acquis les aptitudes nécessaires à la réalisation de ce mémoire.
ii
RESUME
Le travail présenté dans ce document fait office de mémoire pour l’obtention du diplôme de
Master d’ingénierie en Génie Electrique et Energétique. Il est le fruit d’un stage de 7 mois
effectué au sein du service Méthodes Electricité du département Maintenance de Total E&P
Congo.
Ce mémoire propose la mise en œuvre d’une Alimentation Sans Interruption (ASI) 48V en
sortie, dédiée aux applications Télécoms de la plateforme pétrolière NKF1. Il est initié dans le
but de remettre en conformité et d’augmenter la disponibilité des équipements Télécoms.
Les équipements Télécoms sur NKF1 sont alimentés par une ASI 230VAC. Le profil de
décharge de cette ASI est tel qu’en cas de coupure, on constate un délestage séquentiel au
cours duquel les équipements Télécoms sont délestés en premier. Afin de pallier à ce
problème, nous avons mené une étude de faisabilité du projet à partir d’une ASI 48VDC d’une
puissance de 9,6kVA disponible sur le site. Cette dernière n’était pas adaptée à notre projet à
cause de ses batteries au plomb qui sont prohibées sur les sites de Total, de son incapacité à
inhiber le basculement de la charge sur les batteries en cas de détections gaz et de l’incertitude
de sa fiabilité due à son stockage dans des conditions défavorables pendant 5 ans.
Ainsi, sur la base de l’étude faisabilité, nous avons élaboré un cahier de charges spécifiant les
exigences de la nouvelle ASI adaptée à notre projet. Cela nous a permis d’obtenir une ASI
modulaire d’une puissance de 13,5 kVA repartie en sept (07) modules redresseurs de 40A
chacun doté d’un parc de 36 batteries de type NiCd d’une capacité de 490Ah reparties dans
deux armoires batterie et pouvant fournir un courant de 200A pendant 90 minutes. Après la
réception de l’ASI, nous avons dimensionné les protections et sections de câbles et mené la
supervision de la réalisation des travaux d’installation et de la mise en service de l’équipement
sur site. Le coût du projet s’élève à 29.947.861 FCFA.
1 - Alimentation Sans Interruption (ASI)
2 - Batterie
3 - Cahier de charges
4 - Conformité
5 - Disponibilité
iii
ABSTRACT
The work presents in this document at work of memory for the master of engineering, electrical
engineering and energy. It is the fruit of a stage of 7 months. Electricity methods of the Maintenance
Department of Total E & P Congo.
This memory proposes the implementation of UPS 48V output, dedicated to the telecom applications
of the oil platform NKF1. This is an insider in this time to download.
Telecom equipment on NKF1 is powered by a 230VAC UPS. The profile of ASI is this cut, there has
been a sequential load shedding, above the telecom equipment is shed first. To overcome this
problem, we carried out a feasibility study of the project from the 48VDC UPS up to a power of
9.6kVA available on the site. The latter was not related to our project because of its lead-acid
batteries which are prohibited on the sites of Total, its inability to switch the load on the batteries of
detections and the uncertainty of its reliability due to its storage under adverse conditions for 5 years.
Thus, based on the feasibility study, we have drawn up specifications that meet the requirements of
the new ASI adapted to our project. This allowed us to switch from a power modality of 13.5 kVA in
September (07) 40A repair modules each of a fleet of 36 type NiCd batteries with a capacity of 490Ah
in two parts for 90 minutes. After receiving the UPS, we sized the protections and cable sections and
supervised the completion of the installation work and the commissioning of the equipment on the
site. The cost of the project is 29,947,861 FCFA.
1 - Uninterruptible Power Supply (UPS)
2 - Battery
3 - Specifications
4 - Compliance
5 – Availability
iv
LISTE DES ABREVIATIONS
A : Ampère
AC : Alternating Current (Courant Alternatif)
ASI : Alimentation Sans Interruption
ATEX : Atmosphère Explosive
CPI : Contrôleur Permanent d’Isolement
DC : Direct Current (Courant Continu)
E&P : Exploration et Production
HT : Haute Tension
HVAC : Heating Ventilation and Air Conditioning (Chauffage, Ventilation et Climatisation)
IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolaire à Grille Isolée)
MLI : Modulation à Largeur d’Impulsion
NiCd : Nickel Cadmium
NKF1 : Nkossa Forage 1
PNGF : Pointe - Noire Grand Fond
SA : Société Anonyme
TEPC : Total Exploration et Exploitation Congo
TGBT : Tableau Général Basse Tension
UPS : Uninterruptible Power Supply (Alimentation Sans Interruption
V : Volt
VSD : Variation Speed Drive
1
SOMMAIRE
REMERCIEMENTS .................................................................................................................. i
RESUME ................................................................................................................................... ii
ABSTRACT .............................................................................................................................. iii
LISTE DES ABREVIATIONS ................................................................................................ iv
LISTE DES TABLEAUX .......................................................................................................... 3
LISTE DES FIGURES ............................................................................................................. 4
INTRODUCTION ..................................................................................................................... 5
I. PRESENTATION DE LA STRUCTURE D’ACCEUIL ............................................. 6
1. TOTAL E&P CONGO ............................................................................................................ 6
2. SERVICE METHODES ELECTRICITE ............................................................................. 6
3. ORGANIGRAMME ................................................................................................................ 7
4. FICHE SIGNALETIQUE ....................................................................................................... 8
5. ZONE D’ETUDE ...................................................................................................................... 9
II. PRESENTATION DU PROJET................................................................................. 10
1. CONTEXTE ........................................................................................................................... 10
2. PROBLEMATIQUE .............................................................................................................. 10
3. ETATS DE LIEUX ET DONNEES DE BASE .................................................................... 11
4. OBJECTIF .............................................................................................................................. 11
III. GENERALITES SUR LES ASI ................................................................................. 12
1. INTRODUCTION .................................................................................................................. 12
2. DIFFERENTS TYPES D’ASI ............................................................................................... 12
2.1. Les ASI DC .......................................................................................................................................... 12
2.2. Les ASI AC .......................................................................................................................................... 13
IV. ETUDE DE FAISABILITE TECHNIQUE ............................................................... 15
1. ETUDE DE FAISABILITE DE L’INSTALLATION DE L’ASI SHARYS IS 48V DC
200A .................................................................................................................................................. 15
2
1.1. Test du SHARYS IS 48V DC 200A .............................................................................................. 15
1.2. Visite sur la plateforme NKF1 ...................................................................................................... 17
1.3. Bilan de l’étude de faisabilité de l’ASI SHARYS IS 48VDC 200A ............................................. 19
V. ETUDE DE CONCEPTION D’UNE NOUVELLE ASI ........................................... 20
1. LE CAHIER DE CHARGES ................................................................................................ 20
1.1. Spécification du service attendu .................................................................................................... 20
1.2. Démonstration ............................................................................................................................... 27
2. METHODE DE DIMENSIONNEMENT ............................................................................ 28
2.1. Dimensionnement du parc de batterie ........................................................................................... 28
2.2. Dimensionnement de la puissance de l’ASI 48VDC ..................................................................... 32
2.3. Dimensionnement section de câbles et protections ....................................................................... 33
3. RESULTATS .......................................................................................................................... 38
VI. CONCLUSION ............................................................................................................ 40
BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................. 41
ANNEXES ............................................................................................................................... 42
3
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1: Schéma de principe de fonctionnement des différentes ASI AC ........................... 14
Tableau 2 : Usage du transformateur d'isolement par rapport au régime du neutre ................. 23
Tableau 3 : Comparaison des techniques de redressement ...................................................... 24
Tableau 4: Ambiance interne des locaux techniques ............................................................... 26
Tableau 5: Exigences en autonomie au sein de Total [GS_EP_ELE_001_EN] ...................... 29
Tableau 6 : Sélection du type de batterie .................................................................................. 30
Tableau 7: NFC 15-100 chute de tension maximale ................................................................ 35
Tableau 8: Protections et sections de câbles ............................................................................ 37
4
LISTE DES FIGURES
Figure 1: Organigramme département maintenance de Total .................................................... 7
Figure 2: Implantation générale des champs pétroliers du Congo ............................................. 9
Figure 3: Schéma de principe d’une ASI DC ........................................................................... 12
Figure 4 : ASI 48V DC SHARYS IS ....................................................................................... 16
Figure 5 : Quatre (04) modules redresseurs de 50A chacun..................................................... 17
Figure 6: Emplacements possibles de l'ASI dans le local électricité ........................................ 18
Figure 7: Exemple d’ASI DC modulaire avec batterie externe ................................................ 22
Figure 8 : Schéma de la MLI .................................................................................................... 25
Figure 9 : Redresseur à pont IGBT commandé ........................................................................ 25
Figure 11: Exemple de profil de décharge ............................................................................... 31
Figure 10: Caractéristique technique de l'ASI 48VDC 280A .................................................. 39
5
INTRODUCTION
Dans l’industrie, comme dans le tertiaire, la perte d’alimentation électrique (ou une
perturbation du réseau) est toujours gênante, et peut devenir très pénalisante. Elle peut même
être catastrophique pour certains process ou mettre en danger la vie de personnes. Face à ce
problème, il existe une solution de qualité qu’on appelle Alimentation Sans Interruption (ASI)
ou Uninterruptible Power Supply (UPS) en anglais. Ce dispositif permet de fournir une
alimentation continue et stable en sortie.
Les ASI sont généralement installées dans plusieurs industries, surtout sur les sites pétroliers
où les risques sont élevés. Sur les sites pétroliers de Total, les ASI servent à alimenter les
postes de travail, les équipements de sécurité et les équipements Télécoms. Cependant,
l’autonomie de l’ASI installée au départ sur le site Nkossa était insuffisante. Cela engendrait
le délestage des équipements Télécoms en priorité en cas de perte d’alimentation.
Dans le cadre de notre stage, notre travail a consisté en l’étude, la conception et le suivi de
l’installation d’une ASI 48V DC dans l’objectif de remettre en conformité et d’augmenter la
disponibilité des équipements Télécoms. Pour atteindre cet objectif, nous avons procédé
comme suit :
- Réaliser une étude de faisabilité technique du projet avec une ASI présente sur site ;
- Rédiger un cahier de charges pour le lancement des travaux ;
- Superviser la réalisation des travaux d’installation et de mise en service de l’ASI.
La première partie du rapport détaillera le cadre de l'étude ainsi que la problématique du sujet.
La deuxième partie décrira le travail d’étude ainsi que la conception des systèmes
d’Alimentation Sans Interruption (ASI). Enfin, la dernière partie consistera au
dimensionnement du système et à l’analyse des résultats ainsi que des précisions sur la
chronologie du stage.
6
I. PRESENTATION DE LA STRUCTURE D’ACCEUIL
1. TOTAL E&P CONGO
Société d’exploration et production d’hydrocarbures, Total E&P Congo est une filiale du
Groupe Total SA, un groupe mondial spécialisé dans tous les secteurs de l’industrie pétrolière
et gazière.
Présent en République du Congo depuis 1969, Total E&P Congo a découvert plus de 60% des
réserves initialement répertoriées et opère sur 8 champs offshores sur les 24 actuellement
développés au Congo : LIKALALA, KOMBI, YANGA, LIBONDO, SENDJI, NKOSSA,
MOHO BILONDO et MOHO NORD.
Premier opérateur pétrolier du pays, sa présence au large des côtes congolaises n’a cessé de
progresser et atteint aujourd’hui 82 kilomètres par des profondeurs d’eau de 450 à 1200
mètres. Total détient à lui seul près de 60% de la production nationale, soit environ 215.000
barils par jour en 2018. Avec près de 1400 collaborateurs, la stratégie de Total est fondée sur
l'exploration active de nouveaux gisements, notamment dans les grands fonds, ainsi que sur
l'optimisation et la pérennisation de l'intégralité des champs arrivant à maturité.
Le siège social de Total E&P Congo, son centre de formation et sa Base Industrielle sont
situés dans la ville de Pointe-Noire. Le reste de ses sites sont essentiellement des plateformes
en offshore. Total est également copropriétaire et opérateur du principal terminal pétrolier de
Djeno, où il traite 95% de la production de brut du Congo, soit environ 350.000 barils par
jour.
2. SERVICE METHODES ELECTRICITE
Le service Méthodes Electricité est un service du département maintenance. Il regroupe
environ 10 personnes et se compose de trois pôles : le pôle PNGF/Djeno, le pôle haute mer et
le pôle spécifique.
Les pôles PNGF/Djeno et haute mer assurent la maintenance du matériel électrique de
puissance (tableaux, transformateurs, pompes, moteurs…). Le pôle spécifique s’occupe des
spécialités comme : la HT, les VSD, les ASI et les installations HVAC.
7
La mission du service consiste en la maintenance des équipements électriques, celle-ci étant
associée à un souci constant de sûreté et de qualité permanentes en ce qui concerne les
installations et les activités.
L'organisation du service Méthodes Electricité repose sur la préparation des interventions et la
réalisation des gros entretiens de surface, les grandes visites machines et la gestion des grands
arrêts de production. Les opérations de maintenance sont d'ordre préventif ou correctif.
3. ORGANIGRAMME
Figure 1: Organigramme département maintenance de Total
Chef de département
MAINTENANCE
Gestionnaire
CONTRATS Formation
LONGUE DUREE
Assistante gestionnaire
CONTRATS
Chef de service
METHODES
MECANIQUE
Chef de service
METHODES
ELECTRICITE
Chef de service
INGENIERIE DE
MAINTENANCE
& GMAO
Chef de service
METHODES
INSTRUMENTATION
Chef de pôle
SPECIFIQUE
Chef de pôle
HAUTE MER
Chef de pôle
PNGF/DJENO
8
4. FICHE SIGNALETIQUE
Raison sociale : Total E&P Congo
Groupe d’appartenance : TOTAL SA
Branche Exploration & Production (E&P)
Directeur général : Pierre JESSUA
Siège social :
Avenue Raymond POINCARE, centre-ville
Tel : (+242)94 60 00- BP : 761 ;
Pointe-Noire, CONGO
Identité juridique : Société Anonyme (SA)
Capital social : 20 235 301.20 USD
Chiffre d’affaire : Plus de 1000 M USD
Principales bases :
Poincaré/ Base Industrielle/ Djeno/ Km4
Nombre d’employés :
Plus de 1127 pour près de 236 expatriés
Nombre de plateformes/ Puits : 28 /363
Rang au Congo
1er groupe, principal producteur
Dates clés
1969 : Création d’Elf Congo
1971 : Mise en production
d’Emeraude
1996 : Mise en production de
Nkossa
2000 : Début des découvertes en
offshore très profond. Mise en
production de Tchibéli.
2008 : Mise en production de
Moho-Bilondo.
2015 : Mise en production de
Moho Nord phase 1bis.
9
5. ZONE D’ETUDE
Figure 2: Implantation générale des champs pétroliers du Congo
Zone d’étude
10
II. PRESENTATION DU PROJET
1. CONTEXTE
NKF1 est l’une des deux plateformes satellites du site de NKOSSA. Elle reçoit de l’énergie
électrique par l’intermédiaire d’une ligne haute tension de 11kV provenant de NKF2. Dans
son fonctionnement, elle dispose d’une ASI qui à partir d’une tension de 400V permet
d’obtenir du 230V AC, puis des ASI DC (12V, 24V et 48V) pour les équipements
d’instrumentation, de télécommunication, de contrôle-commande…
Cette plateforme fixe constitue un centre d’interconnexion avec le reste des sites de Total où
passent tous les échanges d’informations et de communications. Les équipements Télécoms
sont raccordés sur l’ASI 230V. Le profil de décharge de l’ASI 230V est tel qu’en cas de perte
sur le réseau, il y a un délestage séquentiel au cours duquel les équipements Télécoms font
partie des premiers à être délestés.
Vu l’importance des technologies de l’information et de communication sur les plateformes
pétrolières, il était donc important d’installer une nouvelle ASI 48V DC qui permettra une
redondance d'alimentation (par ségrégation) des équipements Télécoms qui sont raccordés sur
l'ASI 230V AC. Une fois les travaux réalisés cette ASI permettra une continuité de service,
une possibilité d’extension et une fourniture de qualité en énergie électrique.
2. PROBLEMATIQUE
Total E&P Congo a mis en place un règlement intérieur stipulant que tous les équipements
Télécoms doivent avoir leurs ASI dédiées. Aussi, nous avons constaté sur la plateforme
NKF1, qu’en cas de perte d’alimentation, l’ASI 230V déleste en premier les équipements
Télécoms. Il en ressort donc un problème de non-conformité et de disponibilité des
équipements Télécoms.
C’est dans ce cadre qu’il nous a été confié la mission d’étudier, de concevoir et de suivre les
travaux d’installation d’une ASI 48V DC dédiée aux Télécoms.
Ce sujet amène plusieurs problèmes. Ce sont par exemple :
- Comment concilier à la fois le respect des normes et un agencement esthétique et
pratique de cette ASI dans le local électrique presque plein ?
- Comment optimiser le taux de sureté de cette ASI afin d’éviter tout risque majeur ?
11
Toutefois, ce travail dépend fortement des normes internationales imposées dans le domaine
des ASI et des règlementations spécifiques des sites de Total E&P Congo.
3. ETATS DE LIEUX ET DONNEES DE BASE
Ce problème a été constaté par le département Télécoms qui nous l’a soumis. Nous avons reçu
de leur part le maximum d’informations (l’inventaire de charges, un rapport du problème) et
une ASI 48V DC 200A qui n’a pas été utilisée depuis cinq (05) années.
4. OBJECTIF
Le présent mémoire a pour objet de traiter des Alimentations Sans Interruption (ASI).
Le projet consiste à concevoir et installer une ASI 48V DC pour répondre aux besoins en
fourniture d’énergie des équipement Télécoms selon les impératifs de continuité imposés par
le process.
Pour atteindre notre objectif, nous avons procédé à :
• Une étude de sûreté
• Des études électriques
• La rédaction des cahiers de charges et commande du matériel
• La supervision des travaux et la mise en œuvre sur site
Une attention particulière sera portée sur le choix de la configuration et au processus de
dimensionnement des protections de l’ASI.
12
III. GENERALITES SUR LES ASI
1. INTRODUCTION
Les ASI, apparues au début des années 1970, ont été le résultat de l'arrivée de l’électronique
de puissance et du besoin d'avoir des alimentations électriques continues et stables. Elles
interviennent instantanément en cas de perte d’alimentation ou de courte panne du réseau afin
de maintenir l’alimentation grâce à l’autonomie de ses batteries. Les ASI permettent
également, grâce à leurs propres circuits de régulation internes de maximiser le facteur de
puissance et de délivrer une haute qualité d'énergie en sortie ; tout ceci indépendamment du
réseau d'entrée (fréquence et tension maintenues dans des tolérances limitées, taux de
distorsion harmonique faible).
2. DIFFERENTS TYPES D’ASI
Il existe deux types d’ASI suivant le mode de distribution de l’énergie [1] :
2.1. Les ASI DC
Les ASI DC couramment appelé « redresseurs » ou « chargeurs » par abus de langage, sont
utilisées pour l’alimentation des équipements sensibles en courant continu (24, 48 ou 110V
DC). Elles sont généralement composées d’un redresseur qui convertit le courant alternatif en
courant continu et d’un pack de batterie qui assure la continuité de service grâce à son
autonomie. La Figure 3 présente le schéma d’une ASI DC et son principe de fonctionnement.
Figure 3: Schéma de principe d’une ASI DC
13
En fonctionnement normal, la charge est en série avec le réseau via redresseur-chargeur.
Lorsqu’il y a une coupure ou une instabilité du réseau, l’ASI bascule sur la batterie (mode
autonomie).
2.2. Les ASI AC
Les ASI AC sont des ensembles redresseur-batterie-onduleur qui sont utilisées pour les
équipements sensibles fonctionnant en courant alternatif. Le redresseur convertit le courant
alternatif en courant continu afin de charger les batteries ; le courant continu provenant des
batteries ou redresseur est à son tour converti en courant alternatif afin d’alimenter les
équipements.
Il existe trois technologies d’ASI AC : ASI en attente passive, ASI en interaction avec le
réseau et ASI à double conversion. Le Tableau 1 présente les schémas des différentes
technologies d’ASI AC et leurs principes de fonctionnement.
14
Tableau 1: Schéma de principe de fonctionnement des différentes ASI AC [2]
Technologies Principe de fonctionnement
ASI AC en attente passive :
La charge est directement sur le
réseau à travers un filtre. En cas de
coupure ou de perturbation sur le
réseau, l’ASI bascule sur la batterie.
Le temps de basculement entre les
deux voies est de l’ordre de 10
millisecondes.
ASI AC en interaction avec le réseau :
Elle fonctionne comme l’ASI “en
attente passive”. Elle est cependant
équipée d’un onduleur qui interagit
avec le réseau par un fonctionnement
réversible et permet une qualité de
filtrage supérieure à l’ASI “en attente
passive” et supporte une plus large
variation de tension d’entrée avant de
basculer sur la batterie.
ASI AC double conversion :
La charge est constamment alimentée
par l’ensemble redresseur-onduleur.
En cas de surcharge, de fin
d’autonomie de la batterie, ou de
panne de l’ASI, la charge est
automatiquement transférée à la ligne
de by-pass statique. De plus, il y a
également un by-pass manuel, qui
peut être activé pour des besoins de
maintenance.
15
IV. ETUDE DE FAISABILITE TECHNIQUE
Dans l’optique d’améliorer la disponibilité et d’étendre les installations Télécoms de NKF1,
l’installation d’une ASI 48V DC s’avère nécessaire. Nous disposions d’une ASI SOCOMEC
SHARYS IS 48V DC 200A. Cette ASI était autrefois destinée aux sites du sud, avant que
Total E&P Congo ne cède ces sites à la compagnie pétrolière franco-britannique PERINCO en
2013. Il était donc question de faire une étude de faisabilité afin de s’assurer que l’équipement
est toujours opérationnel avant de lancer les démarches de préparation des travaux.
La première étape consiste à s’imprégner du projet en ayant une vision globale de l’objectif à
atteindre. Pour cela, les plans, l’inventaire des charges et une visite sur site sont
indispensables puisqu’ils permettent d’assimiler le projet. La seconde étape consiste en une
étude de faisabilité du projet en se basant sur l’ensemble des éléments regroupés lors de la
première étape et des tests effectués sur l’équipement (l’inventaire des charges est joint en
annexe 1).
1. ETUDE DE FAISABILITE DE L’INSTALLATION
DE L’ASI SHARYS IS 48V DC 200A
L’étude de faisabilité consiste à regrouper le maximum d’informations, à les analyser afin de
juger la faisabilité technique du projet. La localisation de cette ASI, les détails du travail
attendu par le département Télécoms, les tests sur l’ASI en question, la visite sur site font
partie des principales tâches à réaliser pour mener à bien cette étude.
1.1. Test du SHARYS IS 48V DC 200A
L’inventaire des charges présenté par le département Télécoms est largement inférieur au
courant de l’ASI (la somme des calibres de disjoncteur installés sur site est de 138A), mais
plusieurs disjoncteurs seront ajoutés pour des besoins d’extensions futures soit 30% de la
puissance installée suivant les réglementations de Total. Ainsi, nous avons pu procéder aux
tests sans nous soucier de la capacité de l’ASI à fournir la puissance requise. Le travail
consistait à une vérification :
16
• De la tension aux bornes des batteries à l’aide d’un multimètre
La mesure de la tension unitaire des batteries affichait 12V. Le SHARYS IS 48V DC dispose
de huit (08) batterie. Après le câblage des batteries en deux strings de quatre (04) batteries en
série, la mesure de la tension affichait 48V.
• Visuelle de l’armoire du chargeur
On a noté un début de corrosion sur les coupures du châssis métalliques, la visserie et la porte
de l’armoire de l’ASI, une détérioration de la peinture et l’absence de certaines visses. Cela est
justifié par son mauvais conditionnement pendant cinq (05) ans.
• Des cartes électroniques, la filerie, les connectiques, les fonds de panier des modules,
des fusibles et des porte-fusibles sont en bon état. La Figure 4 présente l’état du
SHARYS lors des tests.
Figure 4 : ASI 48V DC SHARYS IS
• De la mise sous tension de la machine
La dernière étape consistait à mettre sous tension l’ASI. A la mise en marche, l’ASI signalait
trois défauts : A00 (Alarme générale), A01(Alarme batterie) et A07 (Température batterie)
comme l’indique la Figure 5. La tension en sortie était anormalement élevée 54V dépassant
les tolérances requises (10%).
17
Défauts
Figure 5 : Quatre (04) modules redresseurs de 50A chacun
Le test d’autonomie des batteries n’a pas pu être effectué parce que nous disposions des
batteries au plomb étanches qui ne peuvent être formatées. Néanmoins, nous avons constaté
une décharge rapide à vide de l’ASI.
Afin de pallier à ce problème, la commande de nouvelles batteries était nécessaire. La
réglementation de Total exige l’usage des batteries Nickel-Cadmium (NiCd). Cependant,
l’emploi des batteries NiCd sur cette ASI nécessite une reconfiguration des tensions seuils de
la machine, cela rend le travail complexe.
1.2. Visite sur la plateforme NKF1
Afin de voir l’étendue du travail à réaliser, une visite s’imposait et consistait à :
• Vérifier la conformité des plans et des réalités sur site :
Les plans de la plateforme et le schéma unifilaire général basse tension (400V) que nous
avions en notre possession correspondaient à la réalité sur le terrain.
18
• Identifier un ou plusieurs emplacements potentiellement convenables :
L’ASI doit être placée dans le local électricité au niveau 9.00m de la plateforme. Au vu des
dimensions du chargeur (600mm*600mm*2000mm), trois emplacements étaient possibles
tels que présentés sur le schéma de la Figure 6.
Dimensions (Largeur*Profondeur*Hauteur
en mm) des emplacements :
Emplacement 1 : 1300*800*3000
Emplacement 2 : 650*800*3000
Emplacement 3 : 1600*800*3000
Emplacement du tableau de distribution
48V DC : Local Télécom au niveau
13,00m.
Dimensions : 1000*800*3000
Figure 6: Emplacements possibles de l'ASI dans le local électricité
• Evaluer le processus de mise en place de l’équipement (la manutention)
La livraison de l’ASI sur le chantier NKF1 se fera par bateau surfer. L’usage d’échafaudage
lors de la manutention ne sera pas nécessaire, elle sera faite à l’aide de la grue (Niveau 17.00
m) par l’entrepreneur.
Une structure métallique de dimensions inférieures à 250cm*160cm (dimensions de la trappe)
doit être prévu pour la descente de l’ASI, des batteries, de l’armoire batteries. La procédure de
manutention est expliquée en annexe 2.
• Vérifier les départs disponibles sur le tableau 400V :
On comptait six (06) tiroirs disponibles sur le Tableau Général Basse Tension (TGBT)
pouvant servir au raccordement de ladite ASI.
19
• Vérifier les passages de câbles (le routing) :
La liaison entre le TGBT et l’ASI se fera dans le faux plancher du local électricité. La liaison
entre l’ASI et le tableau de distribution 48V relie le local électricité et le local instrumentation
(au niveau 13.50m) en passant à l’extérieur via le chemin de câble.
1.3. Bilan de l’étude de faisabilité de l’ASI SHARYS IS 48VDC 200A
Le Sharys IS 48V 200A date de 2013, cela fait 5 ans, qu’il est laissé sans usage dans des
conditions de stockage défavorables :
Après la visite sur site, nous avons constaté que l’installation de l’ASI Sharys IS 48V 200A
requiert :
• Un transformateur d’isolement car le neutre n’est pas distribué sur site ;
• Un coffret électrique ;
• Une armoire batterie externe ;
• Un tableau de distribution 48V à installer dans le local Instrumentation.
En prenant en compte tous ces points, on conclut que son installation nécessitera :
• L’utilisation de tout l’espace disponible dans le local électricité
• L’achat de nouvelles batteries NiCd en lieu et place des batteries au plomb de la
machine car ces dernières sont prohibées sur les sites de Total. Ce changement
nécessitera la reconfiguration des seuils de tensions de la machine.
• La mise en place d’un disjoncteur batterie connecté au système de sécurité de la
plateforme qui s’ouvre en cas de détection gaz. Cela nécessitera l’ajout de cette
fonction qui n’existe pas sur l’équipement.
Ainsi, en prenant en compte le nombre d’années (05 ans) que cette ASI est restée sans usage,
les conditions de stockage, la complexité des modifications à apporter et l’incertitude de sa
durée de vie après sa mise en service, il était donc préférable de réaliser le projet à partir d’une
nouvelle ASI. Cela a donc impliqué la rédaction d’un cahier de charges afin de commander
l’équipement.
20
V. ETUDE DE CONCEPTION D’UNE NOUVELLE ASI
La conception de tout système d’électronique de puissance suit toujours la même approche qui
commence par identifier à partir d’un cahier de charges les structures de puissance qui ont le
potentiel de remplir les fonctions prédéfinies. Le cahier de charges rédigé pour la commande
de la nouvelle ASI 48V DC stipule les spécifications électriques de cette ASI tout en prenant
en compte les contraintes environnementales. Il précise également les objectifs attendus en
termes de rendement, volume, poids, fiabilité et coût. Les choix des composants viennent
après pour permettre à cet équipement d’atteindre les objectifs annoncés dans le cahier de
charges tout en fonctionnant correctement et en respectant les contraintes imposées.
1. LE CAHIER DE CHARGES
Le cahier de charges pour la commande du nouvel équipement détaillait les besoins attendus à
chaque étape de la conception de l’ASI.
La conception se déroule en trois étapes [3] :
• La spécification du service attendu : connaître le besoin
• La conception/construction de ce service : qualité de conception
• La démonstration que la solution est conforme à la spécification de sûreté : confiance
justifiée.
1.1. Spécification du service attendu
Le service que l’on attend de cette ASI est d’assurer l’alimentation des équipements Télécoms
pendant 90 minutes en cas de coupure ou perturbation sur le réseau tout en respectant les
normes internationales, les spécifications de Total ainsi que les contraintes environnementales
du site.
Pour obtenir ce service, cette ASI devait respecter les quatre (04) critères de sûreté :
• La disponibilité : être en bon état de fonctionnement le plus souvent possible
• La maintenabilité : être réparable rapidement
• La sécurité : ne pas connaître de panne dangereuse
• La fiabilité : ne pas tomber en panne
21
➢ Disponibilité : choix de l’architecture de l’ASI
Afin de répondre de façon continue à nos attentes, cette ASI devait avoir une disponibilité
optimale. Le degré de disponibilité de cette ASI dépend du choix de l’architecture de cette
dernière. Nous nous sommes basés sur les architectures des ASI DC présentes sur les sites de
Total tout en prenant en compte les problèmes majeurs survenus sur ces dernières (pannes,
dysfonctionnements, non conformités…) afin de proposer une architecture offrant une
disponibilité optimale. Les architectures des ASI installées sur les sites de Total sont exposé
en annexe 3.
L’architecture à double ASI 2*100% (batterie et chargeur) est la solution offrant la meilleure
disponibilité. Cette architecture permet d’obtenir le double de la puissance d’alimentation et
de l’autonomie de celle disponible avec une seule ASI. Cela est très essentiel dans les cas de
pannes, de maintenance ou d’une forte variation sur le réseau car la seconde ASI prendra
100% de la charge évitant ainsi l’interruption de la fourniture d’électricité. Cependant il ne
s’agissait pas de choisir l’architecture la plus performante mais plutôt la plus économiquement
et techniquement adaptée à notre application. En effet, la topologie à ASI double offre une
meilleure disponibilité mais ne résout pas le problème d’espace et de coût.
Nous avons retenu une architecture à ASI simple de préférence avec batterie intégrée. Afin
d’optimiser sa disponibilité, il était préférable que cette ASI soit redondante à l’ASI 230V AC
sur laquelle étaient raccordé les équipements Télécoms. Cette redondance est différente de
celle présentée en annexe 3, c’est une redondance en ségrégation, c’est-à-dire les équipements
Télécoms possèdent deux possibilités d’alimentations (en DC et AC) ce qui permet de les
connecter sur les deux ASI à la fois, leur offrant une double autonomie.
➢ Maintenabilité
Dans le but d’optimiser la disponibilité de cette ASI, nous avons opté pour une configuration
modulaire car elle offre en même temps, une flexibilité et une adaptabilité selon les besoins de
croissance de l’installation tout en apportant d’importantes économies d’énergie et
financières. En effet, cette configuration met à disposition une puissance totale équitablement
répartie par module et permet une évolution du système par ajout des modules. En cas de
panne, le remplacement du module défaillant se fait par simple extraction, l’échange se fait à
chaud sans coupure. Cela permet de diminuer les temps et les coûts des interventions.
22
La Figure 7 présente le schéma de l’architecture d’une ASI 48V DC modulaire (3 modules
redresseurs) dotée d’un transformateur d’isolement intégré et d’un pack de batterie externe.
Figure 7: Exemple d’ASI DC modulaire avec batterie externe
➢ Sécurité
Cette ASI doit être équipée des protections intégrées qui serviront à protéger les équipements
et des personnes contre les contacts indirects.
Ces protections doivent prendre aussi en compte les phénomènes de faux défauts qui
déclenchent les dispositifs de protection : Cela est dû à la circulation des courants de fuite qui
déséquilibrent le courant qui passe à la terre. Ces courants sont engendrés par des composants
électroniques notamment des filtres CEM. Ce cas est très souvent rencontré sur les sites de
Total E&P Congo.
23
Le régime du neutre sur les sites offshores de Total est le régime IT. Cependant, le neutre
n’est pas distribué. L’utilisation d’un transformateur d’isolement s’impose dans ce type de
cas. Pour une optimisation de l’espace dans le local Elec, le transformateur d’isolement doit
être intégré dans l’armoire de l’ASI.
Le système de sécurité de Total est fait de sorte qu’en cas de détection de gaz, tous les
équipements fonctionnant à l’énergie électrique s’arrêtent. L’une des raisons qu’on n’a pas
choisi d’installer le SHARYS IP 48V 200A, c’est son incapacité à distinguer une coupure due
à une perturbation électrique et une coupure due à une détection de gaz ; c’est-à-dire en cas
d’ouverture du tableau général suite à une détection gaz, le SHARYS bascule en mode
autonomie, cela peut engendrer des conséquences. Le nouvelle ASI doit intégrer un module
qui peut communiquer avec le système de sécurité afin de pallier à ce problème.
Tableau 2 : Usage du transformateur d'isolement par rapport au régime du neutre
24
➢ Fiabilité
Nous avons constaté des taux d’harmoniques de plus de 50% et des casses de cartes
électroniques quotidiennement sur certaines plateformes de Total surtout sur les sites du nord.
Dans le but de prévenir ces avaries, il était important d’exiger une technologie de
redressement dite non-polluantes du signal électrique : Redressement par pont IGBT [4].
Afin d’obtenir un facteur de puissance supérieur à 0.9, l’ASI doit intégrer un redresseur à pont
d’IGBT adoptant une modulation à largeur d’impulsions (MLI). Cette technique permet de
réduire l’impédance de sortie sur une large bande de fréquence et ainsi la distorsion de la
tension de sortie due à des courants fortement non-linéaires est négligeable, ce qui répond aux
exigences des charges consommant des courants à facteur de puissance réduit. En sortie de ce
type de redresseur, nous avons un signal électrique exempt de perturbations électriques
(distorsion harmonique, creux de tension, bruit, variation de fréquence) [5].
Le Tableau 3 ci-dessus résume l’efficacité des différentes technologies de redressement. Nous
remarquons que le pont IGBT offre de bien meilleurs résultats que les ponts de diodes et de
thyristors [6].
Tableau 3 : Comparaison des techniques de redressement
Les Figure 8 et Figure 9 présente les schémas de principe de la MLI et du redresseur à pont
IGBT.
25
Figure 8 : Schéma de la MLI
Figure 9 : Redresseur à pont IGBT commandé
1.1. Conception/Construction du service
La topologie choisie ci-dessus, conduit à la disponibilité et la maintenabilité maximale
souhaitée. Pour optimiser sa fiabilité, nous avons pris en compte les éléments suivants dans le
cahier de charges :
26
• Conditions du site
L’atmosphère des plateformes offshore au Congo est considérée comme saline et humide
(Présence d’embruns salins en haute mer). Les installations de production et les puits génèrent
des zones dangereuses (ATEX) de type 1 et 2, suivant les plans de classification des zones.
Les locaux techniques sont considérés comme étant hors zone dangereuse.
Pour un meilleur fonctionnement et une optimisation de la durée de vie de l’ASI de notre étude, il était
important de prendre en compte les conditions climatiques du site d’installation indiquées dans le
Tableau 4. La proposition matérielle devait alors être réalisée en prévention des facteurs
suivants :
✓ L'oxydation, la corrosion
✓ L'humidité, la chaleur
Tableau 4: Ambiance interne des locaux techniques
Température De 18 à 25°C
Humidité relative >80%
Altitude <1000m
• Température
Tout équipement électrique en fonctionnement produit de la chaleur qu’il faut évacuer en
continu. Vu l’espace confiné où sera logée notre ASI, un défaut de climatisation peut conduire
à une élévation rapide de la température pouvant avoir des répercussions sur son
fonctionnement. Pour cette raison, l’ASI devait pouvoir opérer et assurer la continuité de
service sous n’importe quelles conditions, notamment à des températures élevées. Ainsi, N+1
ventilateurs doivent être installés, N ventilateurs suffisants à assurer le refroidissement
complet de l’armoire.
• Bruit
Le système de ventilation pour l’évacuation de la chaleur produite par des ASI et les forces
électrodynamiques dans les circuits magnétiques des bobinages, qui sont sollicités à
différentes fréquences génèrent des bruits susceptibles de dépasser les niveaux autorisés. La
mise en place de cette ASI doit être réalisée de façon à ne pas perturber les conditions de
travail du technicien opérant dans le local électricité. Il ne fallait donc pas oublier que le
27
niveau de bruit moyen, mesuré suivant la norme ISO 3746 est de 65/75 décibels (dB) dans un
local électrique.
• Rendement
Dans le cadre de la réduction de coût de fonctionnement des équipements, il est important de
prendre en compte la consommation d'énergie, et donc les pertes engendrées. En effet, les
pertes engendrées par des ASI sont doublement payées : le coût du kWh consommé par l'ASI
ainsi que le kWh supplémentaire pour le refroidissement de la chaleur générée par ces pertes.
Ceci conduit au choix de nouvelles technologies d’ASI moins énergivores (rendement et
facteur de puissance élevés).
L’énergie électrique produite sur site doit être convertie et stockée afin d’être restituée en cas
d’instabilité sur le réseau. Il est important d’en gaspiller le moins possible, nous avons donc
suggéré un rendement de 99%.
• Volume
L’espace requis pour l'installation d’un équipement est un facteur important surtout pour les
locaux techniques saturés de Total. De ce fait, la conception devait être adaptée à l’espace
disponible dans le local électricité du site afin de nous permettre :
- De bien gérer l’espace et donc faire de la place pour d’autres équipements à installer.
- D’avoir une plus grande facilité et un moindre coût de manutention et d’installation
ainsi qu’une bonne maintenabilité de l’ASI.
1.2. Démonstration
Pour obtenir la confiance justifiée de l’équipement, il nous a fallu demander au fabricant :
• Les rapports de tests et d’essais réalisés en usine
• D’assister à la mise en service pour les questions de garantie
28
2. METHODE DE DIMENSIONNEMENT
Dimensionner un système d’alimentation sans interruption, c’est déterminer en fonction de
l’architecture choisie et du profil de décharge, la puissance de l’ASI, la capacité de stockage,
le cas échéant la puissance du redresseur, du transformateur et la tension d’utilisation.
Nous allons présenter dans cette partie le dimensionnement de l’ASI suivant la méthode
décrite dans la norme IEEE 1115-2014 [7] ainsi que le dimensionnent de l’installation. Ces
méthodes décrites ci-dessous, nous ont permis de déterminer la puissance de l’ASI, la capacité
de stockage (cette partie est généralement faite par le fabricant en respectant les clauses du
cahier de charges), les sections de câbles et protections.
2.1. Dimensionnement du parc de batterie
La détermination du parc batterie est réalisée à partir de la prise en compte du besoin en
autonomie et de la puissance que devra fournir la batterie. D’autres critères interviennent pour
arriver au choix de la batterie, c’est-à-dire :
- La durée de vie souhaitée de la batterie ;
- La capacité ou non de faire l’entretien de la batterie ;
- L’installation dans un local technique, en armoire ou intégrée à l’ASI.
➢ Autonomie
Les besoins en autonomie sur les sites de TEPC sont indiqués dans le Tableau 5 ci-dessous.
Notre ASI est installée sur une plateforme non habitable sans source de secours (groupe
électrogène), l’autonomie requise est de 90 minutes.
29
Tableau 5: Exigences en autonomie au sein de Total [GS_EP_ELE_001_EN]
Type de charge
Autonomie Tension
Avec un système de
secours
Sans système de
secours
Appareillage
électrique
30 minutes 90 minutes 48/110VDC
ou 230VAC
Poste de lubrification
des machines
Exigences standard
du fournisseur
110V ou
24VDC
Appareils d’aides à la
navigation
96 heures 96 heures 12/24VDC
ou 230VDC
Equipement
d’instrumentation
30 minutes 90 minutes 24 VDC
Equipément de
télécommunication
30 minutes 90 minutes 12, 24, 48 ou
110 VDC
Système de contrôle
et de sécurité
30 minutes 90 minutes 230 VAC
➢ Type de batterie
Sur les sites de Total, les recommandations exigent les batteries Nickel Cadmium. Il existe
trois types de batterie Nickel Cadmium :
- Nickel-Cadmium de type ouvert
- Nickel-Cadmium à recombinaison de gaz (taux de recombinaison > 90%).
- Nickel-Cadmium scellé
La sélection des types de batteries (ouvert ou recombinés) et leur installation / emplacement
doivent être conformes au Tableau 6 suivant en tenant compte du courant de charge :
30
Tableau 6 : Sélection du type de batterie
Installation Dans un local
dédié aux batteries
Dans une armoire
dédiée aux batterie
Sur étagère de
batterie Type de batterie
Ni-Cd type ventilé
Pcharge > 2kW
0.2kW ≤ Pcharge ≤ 2kW
Pcharge < 2kW
O I I
P P I
P P P
Ni-Cd à haut taux de
récombinaison ≥ 90%
ou de type scellé
Pcharge > 2kW
0.2kW ≤ Pcharge ≤ 2kW
Pcharge < 2kW
O I I
P P P
P P P
Pour l’ASI de notre étude, les batteries sont type Nickel-Cadmium à recombinaison de gaz
(taux de recombinaison > 90%) installées dans deux armoires batteries. Cette armoire est
correctement conçue et ventilée. En effet, la ventilation forcée qui permet d’éviter
l'accumulation de gaz dans l’armoire, maintient la concentration d'hydrogène au-dessous du
seuil de limite d'explosion (LIE) qui est de 4% du volume de l’armoire et limite la teneur en
oxygène à un niveau normal.
La formule choisie pour le calcul du facteur de dilution dans la CEI 61892-7 est exposé dans
l’équation 1:
(1)
: débit de l’air de ventilation en m3/h
: nombre d’éléments batterie
: courant produisant du gaz exprimé en mA/Ah de la capacité assignée, pour le courant de
charge de maintien ou d’égalisation.
: C5 pour des éléments au cadmium-nickel (Ah), Vf = 1,00 V / élément à 20 °C.
31
➢ Capacité de la batterie
Nos batteries doivent être à mesure de fournir un courant de 200A nécessaire à l’alimentation
des charges suivant le profil de charge indiqué sur la figure 10 sans se décharger en dessus de
la tension de sortie définie (48V). La capacité de la batterie sera calculée par la méthode
décrite dans la norme IEEE 1115-2014 en se basant sur le profil de décharge présenté à la
Figure 10 .
Figure 10: Exemple de profil de décharge
Selon la méthode de la norme IEEE 1115-2014, la capacité de la batterie est une somme
pondérée des capacités calculée à chaque étage du profile de décharge en prenant en compte le
facteur de performance Kt et le facteur de correction de température comme indiqué dans
l’équation 2 ci-dessous.
(2)
32
Suite au calcul suivant la méthode de dimensionnement indiquée dans la norme IEEE 1115-
2014, nous avons obtenu un parc de 36 batteries d’une capacité de 490Ah. Les calculs
détaillés ainsi que la fiche technique des batteries sont joints en annexe 4.
2.2. Dimensionnement de la puissance de l’ASI 48VDC
La puissance requise à notre ASI DC est le produit de la somme du courant maximale de
charge (charge rapide) et le courant d’emploi maximale avec la tension en sortie (48V).
• Le courant appelé par la charge se calcule suivant la formule de l’équation 3:
(3)
• Courant de charge rapide se calcule suivant la formule de l’équation 4 :
(4)
• Puissance du redresseur se calcule suivant la formule de l’équation 5 :
(5)
Nous avons obtenu une ASI 48VDC d’une puissance de 13,44 kVA. Les calculs détaillés sont
joints en annexe 5.
33
2.3. Dimensionnement section de câbles et protections
Cette partie détaille la méthode appliquée lors de la détermination des sections de câbles et
protections du projet.
➢ Conditions générales
• Normes et standards
La détermination de section de câbles et protections s’est faite conformément :
- A la norme française : NFC 15-100
- A la spécification générale de TEPC : GS_EP_ELE_001
➢ Conditions d’environnement
Température maxi de l’air : 30°C
Température mini de l’air : 18°C
Taux d’humidité maxi : 100%
Taux d’humidité mini : 51%
➢ Tension utilisée
400V – 50Hz – Triphasé
➢ Câbles utilisés
Câble de la série U 1000 R 2V et Ame cuivre isolant polyéthylène réticulé (PR).
Section minimum : 2,5 mm2 pour les câbles de puissance et 1,5 mm2 pour les câbles de
commande.
➢ Conditions de pose
La pose à l’extérieur des locaux techniques :
- Les cheminements de câbles se fait en aérien sur chemin de câble dimensionné pour
accepter 20% de câbles supplémentaires.
Pose dans les locaux techniques :
- Les cheminements de câbles se feront dans le faux planché sur chemin de câble
dimensionné pour accepter 20% de câbles supplémentaires.
34
➢ Méthode de dimensionnement
La détermination des sections de câbles et des protections dépendent de 4 critères qui sont [8]:
• Le critère de surcharge ou critère Iz (courant maximum admissible par la canalisation)
• Le critère de chute de tension (∆U)
• Le critère de contact indirect (CI)
• Le critère de court-circuit - (CC)
- Le critère de surcharge
La section théorique retenue doit respecter la condition indiquée dans l’équation 6 :
(6)
Les coefficients , et sont déterminés en fonction des catégories d'installation des
câbles : B, C, E ou F.
- Le critère de chute de tension
La chute de tension dans un câble de longueur L en triphasé (sans neutre) se calcule comme
suivant la formule indiquée dans l’équation 7:
(7)
35
Pour simplifier les calculs, on peut appliquer cette formule :
Si la chute de tension obtenue est inférieure aux valeurs recommandées dans le Tableau 7 ci-
dessous, on passe à la section normée S2 immédiatement supérieure à S1.
Tableau 7: NFC 15-100 chute de tension maximale
- Le critère de contact indirect
La condition de protection contre les contacts indirects est :
Cette condition doit être respectée si on n’utilise pas de différentiel en amont de l’ASI.
36
NB : Les conducteurs sont aussi protégés si les deux conditions sont satisfaites :
• In ≥ Ib et Irth ≥ Ib
• Icu ≥ Ikmax (au niveau de la protection)
➢ Le critère de court-circuit
Les conditions de protection contre les courts-circuits sont :
NB : il est important de noter que :
• Pour les disjoncteurs :
• Pour les fusibles :
Les formules de calculs de courant des courts-circuits minimal et maximale sont indiquées
dans l’équation 8 et l’équation 9 :
(8)
(9)
Ik3 : courant de court-circuit triphasé
If : courant de défaut à la terre
Uo : tension simple (230 V dans un réseau 230/400)
Z1 : impédance de la boucle triphasée
U : tension entre phases en V
L : longueur en m de la canalisation
S : section des conducteurs en mm²
= 0,028 m .m pour le cuivre en protection fusible
0,044 m .m pour l'aluminium en protection fusible
0,023 m .m pour le cuivre en protection disjoncteur
37
0,037 m .m pour l'aluminium en protection disjoncteur
A = 1 pour les circuits avec neutre (section neutre =section phase)
1,73 pour les circuits sans neutre
0,67 pour les circuits avec neutre (section neutre =1/2 section phase)
Si ces conditions ne sont pas respectées on choisit avec la section immédiatement supérieure à
S2 et on réitère, sinon on retient la section S2.
Les résultats obtenus sont résumés dans le Tableau 8 ci-dessus. Le schéma unifilaire du projet
et les détails de calculs sont respectivement joints en annexe 6, annexe 7 et en annexe 8.
Le planning de travaux et le plan de maintenance de l’ASI sont joints en annexe 9.
Tableau 8: Protections et sections de câbles
Désignation Qté Protection Câble
Alimentation ASI A&G 48VDC 280A 1 NC100LH 4*63A U1000RVFV
5G16mm²
Alimentation tableau de distribution 48VDC 1 NSX2500F 250A 2P HO7-RNF 2*50mm²
Alimentation du CPI 1 gG 1A U1000R2V
3G 2.5mm²
Départs utilisateurs 48VDC 2A 5 C60HDC 2A 2P -
Départs utilisateurs 48VDC 5A 6 C60HDC 5A 2P -
Départs utilisateurs 48VDC 6A 3 C60HDC 6A 2P -
Départs utilisateurs 48VDC 10A 8 C60HDC 10A 2P -
38
3. RESULTATS
Après avoir regroupé toutes ces informations essentielles à la mise en œuvre de l’ASI
répondant à notre besoin dans un cahier de charges, nous avons lancé l’appel d’offre chez
SOCOMEC et A&G, deux entreprises spécialisées dans la conception des ASI. Après
l’analyse des offres, l’offre retenue était celle du fabricant A&G, qui a répondu à plus de 90%
de nos attentes. Quelques spécificités comme l’intégration des batteries dans l’armoire de
l’ASI et l’usage des batteries NiCd (type scellé) [9] n’ont pas pu être réalisées à cause de la
quantité de batterie et de la gestion de la température des batteries. On a retenu une ASI
modulaire d’une puissance de 13.44 kVA répartie sur 7 modules de 40A chacun. Cette ASI est
dotée d’un parc de batterie avec 36 batteries de type NiCd à haut taux de recombinaison de
gaz (90%) [10] reparties dans deux armoires batteries. Elle intègre aussi un transformateur
d’isolement (400V/400V) car le neutre n’est pas distribué sur site.
L’armoire de l’ASI est placée en emplacement 2 et les deux armoires batteries en
emplacement 2.
Le coût du projet s’élève à 29. 947.861 FCFA soit 23.947.862 FCFA pour l’achat et le
transport de l’ASI et 6.000.000 FCFA pour les travaux d’installation.
La Figure 11 résume les caractéristiques de cette ASI. Les calculs pour l’obtention de ses
résultats sont développés dans la section suivante.
39
Figure 11: Caractéristique technique de l'ASI 48VDC 280A
CHARGEUR MODULAIRE Protect MIP 48V / 280A
Indice de protection : IP21
Peinture : RAL7035
Niveau sonore <66 dB(A)
Entrées des câbles par le bas
Dimensions (H*L*P) : 2000*600*800 en mm
Masse approx. 138 kg
Caractéristiques Electriques
Type de redresseur : Alimentation à découpage
Tension d’entrée nominale 400 VAC
Tolérance sur la tension d’entrée ±20%
Nombre de phases 3
Fréquence de la tension en entrée 50 Hz
Tolérance ±6%
Courant Max 45A
TDHI < 5%
Rendement 0,99
Tension DC nominale en sortie 48V DC
Courant DC nominal en sortie 280A DC
Nombre de modules parallèles 7
Modules redondants 0
40
VI. CONCLUSION
L’objectif de notre travail était d’installer une ASI 48 VDC dans le but de résoudre le
problème de délestage en priorité des équipements Télécoms alimentés initialement par l’ASI
230VAC de NKF1. Pour atteindre cet objectif, nous avons d’abord procédé par la réalisation
d’une étude de faisabilité technique du projet avec une ASI SOCOMEC SHARYS IS 48VDC
200A présente sur site ; ceci afin de vérifier si cette dernière pourrait répondre à nos attentes.
Après l’étude de faisabilité, nous avons rédigé un cahier de charges pour la conception d’une
nouvelle ASI 48VDC car celle présente sur site n’était pas adaptée à nos besoins. En effet, les
batteries au plomb intégrées à cette le SHARYS IS 48VDC 200A sont prohibées sur les sites
de Total, la gestion de son électronique est non adaptée au système de sécurité de Total, sa
fiabilité est remise en cause du fait de son mauvais conditionnement pendant 5 ans.
Cette étude de faisabilité nous a permis de définir les paramètres clés à exiger dans le cahier
de charges envoyé chez deux fabricants : SOCOMEC et A&G. Après l’analyse des offres,
l’offre retenue était celle du Fabricant A&G, qui a répondu à plus de 90% à nos attentes.
Quelques spécificités comme l’intégration des batteries dans l’armoire de l’ASI et l’usage des
batteries NiCd de type scellé n’ont pas pu être réalisées à cause de la quantité de batteries et
de la gestion de la température des batteries. Nous avons donc reçu une ASI modulaire d’une
puissance de 13,5 kVA repartie en sept (07) modules redresseurs de 40A chacun (avec une
réserve de deux modules en plus) doté d’un parc de 36 batteries de type NiCd à haut taux de
recombinaison de gaz (90%) d’une capacité de 490Ah reparties dans deux armoires batterie et
pouvant fournir un courant de 200A pendant 90 minutes. Après la réception de l’ASI, nous
avons mené la supervision des travaux d’installation et de la mise en service de l’équipement
sur site pendant 3 semaines. Le coût du projet s’élevait à 29. 947.861 FCFA.
Au vu des problèmes rencontrés sur des ASI précédentes, nous recommandons d’adopter la
maintenance prédictive afin de prévoir et anticiper les pannes et défaillances. Nous pensons
qu’ajouter au programme de maintenance (préventive et corrective) de Total, la maintenance
prédictive, permettra d’éviter les retards de production ou les catastrophes pétrolières. En
effet, la maintenance prédictive est un niveau supérieur à la maintenance préventive car en
analysant les données de masse des ASI, il est possible d’augmenter l’efficacité de la
maintenance, d’améliorer la disponibilité des équipements et d’optimiser les coûts.
41
BIBLIOGRAPHIE
Références bibliographiques
[8] Justin BASSOLE. (2014), Installation électrique, Novembre
[6] Moussa SORO. (2015), Electronique de puissance, Octobre
[5] SACAMONT Industries. (2014), UPS les différentes technologies, Janvier
[10] SAFT. (2008), Batterie Ni-Cd Uptimax, Haute fiabilité et faible entretien, Juin
[9] SAFT. (2016), Batterie Ni-Cd VO-M, &, Janvier (type de batterie), Janvier
[1] SOCOMEC. (2015), ASI et solutions d’alimentation des systèmes critiques, Juillet
[4] TOSHIBA. (2009), UPS différentes technologies, Mars
[10] Yohan RICHARDSON. (2018), Convertisseurs électrochimiques, Février
Sites internet
[7] AMETEK, Selection and Sizing of Batteries for UPS Backup,
https://www.solidstatecontrolsinc.com/knowledgecenter/~/media/85b8e51754c446bda1f3844
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[3] Schneider Electric, Cahier technique n°148, Distribution électrique à haute
disponibilité
http://eduscol.education.fr/sti/sites/eduscol.education.fr.sti/.../techniques/.../3362-ct148.pdf,
consulté le 09 octobre 2018
[2] Wallonie, Cahier technique n°7, le délestage.
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=6&ved=2ahUKEwjcn
pP2pNXeAhUIa8AKHWPxDzYQFjAFegQICRAC&url=https%3A%2F%2Fenergie.wallonie.
be%2Fservlet%2FRepository%2Fcahier-technique-le-
delestage.pdf%3FID%3D44156%26saveFile%3Dtrue&usg=AOvVaw2_PoDcI6kzMh4xQhl7
Wlt9, consulté le 17 septembre 2018
42
ANNEXES
ANNEXE 1 : INVENTAIRE EQUIPEMENTS TELECOMS DE NKF1
Equipement Model Quantité Observation
R-3725-NKF1 Cisco 3725 1 Disjoncteur 10A DC
R-3845-NKF1 Cisco 3845 2 Disjoncteur 10A DC
S-3560-NKF1 WS-C3560-48PS 3 Disjoncteur 5A DC
S-3750-NKF1 WS-C3750G-48PS 1 Disjoncteur 6A DC
VG224-NKF1 Cisco VG224 5 Disjoncteur 2A DC
S-3560-NKF1 SV WS-C2950T-24 2 Disjoncteur 6A DC
S-2950-NKF1 WS-C2950-12 3 Disjoncteur 5A DC
S-2950-NKF1 WS-C2950-12 4 Disjoncteur 10A DC
2950-NKF1-SNCC WS-C2950G-24-EI 1 Disjoncteur 10A DC
43
ANNEXE 2 : PROCEDURE DE MANUTENTION DE L’ASI
ASI
Niveau 5.00m
Niveau 9.00m
Niveau 13.00m
Niveau 17.00m
ELEC
INSTRUM
44
ANNEXE 3 : ARCHITECTURE DES ASI DC
Type Caractéristiques
ASI simple DC - un redresseur 1x100%
- une batterie 1x100%
ASI double avec deux
batterie 2 * 50%
- deux redresseurs redondants 2 x 100%
- deux batteries nominales 2x50%
ASI double avec deux
batterie 2 * 100%
- deux redresseurs redondants 2 x 100%
- deux batteries nominales 2x100%
ASI DC avec une
batterie 1 * 100% et
une seconde ASI DC
sans batterie
Deux redresseurs redondants mais un seul charge les batteries
ASI double avec 1 *
100% une batterie
- un redresseur 2x100% redondant
- deux batteries 2x50% (les deux redresseurs chargent les batteries)
ASI double DC sans
batterie
- redresseurs redondant 2 x 100%
- Pas de batterie
ASI DC modulaire - N + 1 redresseur / chargeur en fonctionnement parallèle pour avoir 100%
- Batterie nominale 1x100%.
45
ANNEXE 4 : DIMENSIONNEMENT DES BATTERIES NI-CD STATIONNAIRES
Proposition de batterie
Batterie proposée Ni-Cd UP1M
Caractéristiques électriques Capacité nominale 490 Ah
Tension de charge rapide 52.20 V
Tension de charge permanente 50.04 V
Tension d'arrêt/élément 1.093 V
Courant de court-circuit 5313 A
Intervalle de remplissage 20.0 ans
Caractéristiques physiques Poids batterie 15.2 kg
(*) La compensation en température doit être utilisée
Spécifications techniques
Méthode de calcul IEEE I
Fenêtre de tensions Tension minimale du système 39,36 V
Tension maximale du système 52,80 V
Tension nominale du système 48,00 V
Options
Température nominale 20°C
Température minimale 15°C
Température maximale 30°C
Marge de calcul 1,25
Facteur de vieillissement 1
Courbe de décharge
Méthode de charge Deux paliers
Profil de décharge Nombre Intensité Temps
1 200A 1h30
46
Feuille de calcul batterie IEEE 1115-2014
Gamme UP1M
Nb d’éléments 36
Tension d’Arrêt/élément 1,093 V
Température nominale 20 °C
Température minimale 15 °C
Température maximale 30 °C
47
(1)
Période
(2)
Décharge (A)
(3)
Variation de
décharge (A)
(4)
Durée de la
période (min)
(5)
Fin de la
section (min)
(6) Facteur
Kt
*
**
(7)
Facteur de
correction de
temp.
**
(8)
Capacité requise
section
(3)x(6)x(7) =Ah
Section 1 - Premières 1 périodes seulement - Si A2>A1, aller à la Section 2-Non
1 A1 = 200 M1 = 90,00 M1 = 90,00 t = M1 = 90 1,8052 1,0366 374,25
374,25
(*) Dans ce calcul, les effets de charge à tension constante sont inclus dans les Kt Facteurs
(**) Les facteurs sont interpolés au besoin et arrondis à 4 décimales dans le calcul
Capacité maximum section 374,25 + Capacité décharge aléatoire 0,00 = Capacité brute 374,25.
Capacité brute 374,25 x Marge de calcul 1,25 x Facteur de vieillissement 1 = 467,81.
Quand la capacité calculée est plus grande qu'une capacité standard, l'élément immédiatement supérieur est requis.
La capacité nécessaire est de 467,81 Ampères-heures. L'élément UP1M 490 est donc requis.
48
Fiche technique de la batterie
Marque Saft UPTIMAX
Technologie Nickel-Cadmium à haut taux de recombinaison de gaz (90%)
Tension nominale (V) 1,2V
Capacité (taux C5) (Ah) 13,61 Ah
Courant de charge/maintien (A) 0,1*C5
Courant de charge max (A) 0,2*C5
Tension de charge (V) 1,39V/ cellule
Tension de charge maximale (V) 1,45V
Courant de court-circuit (A) 11*C5
Etat de charge 95% en 8 heures
Durée de vie 20 ans à une température de 25 °C (+77°F)
Durée de stockage
Une période maximale de 2 ans à une température de 30°C
(+86°F)
Température ambiante Entre - 20 (-4°F) et + 40°C (+104°F)
Tolérance aux températures extrêmes Entre - 40 °C (-40°F) et +70 °C (+158 °F) sur une courte durée
Intervalle d'appoint en électrolyte Aucun appoint n’est nécessaire lorsque la charge est effectuée
d’après les spécifications
Poids (kg) 28,2 kg
Dimensions (m) : Hauteur*Largeur*Profondeur 405*195*219
Boulon de connexion de cellule par pôle 3 x M 10
49
ANNEXE 5 : DIMENSIONNEMENT DE LA PUISSANCE DU CHARGEUR
ITEM : 48 V DC Système
Equipement : 1 x 100% redresseur + 1 x 100% Batterie
Quantité : 1
ITEM DESCRIPTION PARAMETRES REMARQUES
1 Entrées du système 400 V, 3 Phases, 50 Hz
2 Sorties du système :
2.1 Tension nominal (V) 48
2.2 Tension minimum tolérée (V) 48 - 18% = 39.36
2.3 Tension maximum tolérée (V) 48 + 10% = 52.8
3 Température de conception (°C) 15 - 30˚C
4 Type de batterie Nickel Cadmium
5 Tension finale par élément (V) 1.093
6 Nombre d’élément (2.2) ÷ (5) = 36
7 Tension de maintien par élément (V) 1.39
8 Tension de charge rapide par élément (V) 1.45
50
9 Tension de maintien de la batterie (V) (6) × (7) = 50.04
10 Tension de charge rapide par élément (V) (6) × (8) = 52.20
11 Autonomie de la batterie (en minutes) 90
12
Marge de conception
Facteur de vieillissement
1.25
1.00
13 Type de batterie sélectionnée UPM 490
14 Capacité nominale de la batterie C5 (Ah) 490
15 Courant de charge rapide de la batterie (A) 0.2 × (14) = 98
16 Courant des charges DC (A) 200
17 Type de chargeur sélectionné (15) + (16) = 298
18 Courant nominal de module 40
19 Nombre de modules (17) ÷ (18) = 7.45
On trouve un courant de 298A, on dispose de module de 40 A, nous avons retenu 7 modules soit un courant de 280A et une puissance
nominale de 13,44 kVA.
51
ANNEXE 6 : SCHEMA UNIFILAIRE
HO7-RNF 2*50mm² NSX2500F
250A 2P
NCL100LH 4*63A
48VDC 2A 48VDC 5A 48VDC 6A 48VDC 10A
52
ANNEXE 7 : DIMENSIONNEMENT DES SECTIONS DE CABLES 400V CA
1. Conditions de pose
La lettre de sélection E.
2. Les facteurs de correction
- Coefficient pour température ambiante (K1)
Le câble de connexion de l’ASI est logé dans le faux plancher du local ELEC. Le tableau 52K
donne, pour les câbles à isolant PR pour une température ambiante de 20°C, un coefficient :
K1 = 1,08
- Coefficient pour mode pose (K2)
Les câbles seront posés sur chemins de câbles ou tablettes perforées en parcours horizontaux
ou verticaux, soit la référence 13 du tableau 52C. Soit, d’après le tableau 52E, une méthode de
référence E pour les câbles tripolaires et F pour les câbles unipolaires et un coefficient :
K2 = 1
- Coefficient pour groupement de circuits (K3)
Le tableau 52N donne pour 9 ou plus circuits disposés en simple couche sur les tablettes
horizontales perforées un coefficient :
K3 = 0,70
- Coefficient pour nombre de couches (K5)
Le nota au tableau 52O donne, pour deux couches, un coefficient :
K4 = 0,80
1.1.5. Intensité admissible au régime permanent
Le coefficient résultant K = K1*K2*K3*K4, soit :
K = 0,6048
3. Intensité admissible au régime permanent
Iz sera appliqué aux courants admissibles du tableau 52H, colonne 6 (méthode de référence E)
53
Il en résulte du tableau suivant : S = 10 mm²
4. Chute de tension
Les chutes de tension admissibles ont été fixées à :
- 5% en fonctionnement normale (force motrice)
- 15% au démarrage moteur
- 3% pour l’éclairage et les départs distribution
Conformément aux commentaires du paragraphe 525 de la norme, la chute de tension a pour
expression :
5. Surcharge en court-circuit
Pour des câbles âmes cuivre, isolation PRC la section minimale admissible au court-circuit
peut être calculée par la formule du paragraphe 434.3.2 de la NFC 15 100 :
Donc :
Où :
Or, le courant de court-circuit maximum calculé sur le jeu de barres des tableaux 400V, donc
à l’origine des départs, est de l’ordre de 50 kA. Cette valeur peut être limitée à 15 Ka par une
protection type disjoncteur limiteur avec
54
Le temps d’élimination est de l’ordre de 3 ms.
Donc :
Soit :
Pour des questions de sureté nous avons retenu 16 mm².
6. Choix de la protection
Le conducteur d’alimentation d’ASI est aussi protégés si les deux conditions sont satisfaites :
• In ≥ Ib ou Irth ≥ Ib si la fonction thermique du disjoncteur est réglable
• Icu ≥ Ikmax
Le disjoncteur choisi est le disjoncteur modulaire Multi 9 NC100LH 4 pôles 63A courbe C.
On retient le câble RVFV4G16mm² et le disjoncteur modulaire Multi 9 NC100LH 4
pôles 63A courbe C.
55
56
ANNEXE 8 : DIMENSIONNEMENT DES SECTIONS DE CABLES 48VDC
1. Conditions de pose
La lettre de sélection E.
2. Les facteurs de correction
- Coefficient pour température ambiante (K1)
Le câble de connexion de l’ASI est logé dans le faux plancher du local ELEC. Le tableau 52K
donne, pour les câbles à isolant PR pour une température ambiante de 40°C, un coefficient :
K1 = 0,91
- Coefficient pour mode pose (K2)
Les câbles seront posés sur chemins de câbles ou tablettes perforées en parcours horizontaux
ou verticaux, soit la référence 13 du tableau 52C. Soit, d’après le tableau 52E, une méthode de
référence E pour les câbles tripolaires et F pour les câbles unipolaires et un coefficient :
K2 = 1
- Coefficient pour groupement de circuits (K3)
Le tableau 52N donne pour 5 ou plus circuits disposés en simple couche sur les tablettes
horizontales perforées un coefficient :
K3 = 0,80
- Coefficient pour nombre de couches (K5)
Le nota au tableau 52O donne, pour deux couches, un coefficient :
K4 = 0,80
1.1.5. Intensité admissible au régime permanent
Le coefficient résultant K = K1*K2*K3*K4, soit :
K = 0,5824
3. Intensité admissible
Iz sera appliqué aux courants admissibles du tableau 52H, colonne 6 (méthode de référence E)
Il en résulte du tableau suivant : S = 95 mm²
57
4. Chute de tension
Dans ce cas :
V nom = 48V
U% = 3%
Soit :
5. Surcharge en court-circuit
Pour des câbles âmes cuivre, isolation PRC la section minimale admissible au court-circuit
peut être calculée par la formule :
Donc :
Où :
La tension 48V a pour origine un chargeur et une batterie d’accumulateur en parallèle. En cas
de défaut, le courant de court-circuit est estimé à 20 fois la capacité de la batterie plus 2,5 fois
le courant nominal en sortie du chargeur.
Dans notre cas le courant de court-circuit de la batterie est connu :
Le temps d’élimination de l’ordre de 3 ms.
Donc :
58
Soit :
On retient le câble HO7-RNF 2*50mm² et le disjoncteur compact NSX250F 2 pôles
250A.
59
ANNEXE 9 : PLAN DE MAINTENANCE ET PLANNING DES TRAVAUX
Plan de maintenance préventive et taches périodiques
TACHE DESCRIPTION EXECUTEUR PERIODICITE
Inspection mensuelle des batteries
Vérification de tension de la batterie
Vérification de niveau de l’électrolyte
Vérification de serrage des connexions
Nettoyage de l’ensemble batterie et support Vérification des
ventilateurs des armoires batteries
Electricien du
site Mensuelle
Inspection semestrielle des batteries
Taches de l’inspection mensuelle
Teste de décharge des batteries et appliquer la charge à fond (Boost
charge).
Grisage des bornes de connexion
Electricien du
site Semestrielle
Inspection semestrielle de L’ASI
Identification de tag d’équipement
Vérification des paramètres (tension ; courant ; fréquence)
Enregistrement des grandeurs électrique sur le document de travail à
archiver
Vérification de fonctionnement de ventilation
Teste des LED d’indication
Electricien du
site Semestrielle
Inspection annuelle de L’UPS
Taches de l’inspection semestrielle.
Mettre le système en manuelle by-pass maintenance. Inspection
visuelle des éléments de puissance de l’équipement. Vérification de
serrage de câblage.
Nettoyage de la grille de ventilation.
Nettoyage des cartes de contrôle.
Electricien du
site Annuelle
NB : Chaque huit (08) ans, une maintenance générale est exécutée par le fabricant, au cours de laquelle on procède à un remplacement des
composants comme les condensateurs chimiques, les batteries, les ventilateurs, les cartes électroniques …
60
Planning des travaux (année 2018)
Septembre
Intégration à l'équipe et découverte de l'entreprise
Prise de connaissance des demandes et objectifs du projet
Etudes de la problematique
Test sur l'ASI DC SOCOMEC 200A
Visite sur site (NKF1)
Validation des travaux
Travaux
Analyse des offres
Survey avec les entreprise
Rédaction cahier de charges et appel d'offre
Rédaction cahier de charge travaux
Commandes matérielles
Rédaction du cahier de charge
Lancement appel d'offre
Analyse des offres
Juillet AoûtFévrier Mars Avril Mai Juin