Partie 1 : Systèmes et normes de distribution d'énergie CA

Introduction

Le meilleur système de distribution est celui qui fournira, de manière rentable et sûre, un service électrique adéquat aux charges probables actuelles et futures. La fonction du système de distribution d'énergie électrique dans un bâtiment ou un site d'installation est de recevoir de l'énergie à un ou plusieurs points d'alimentation et de l'acheminer vers les lampes individuelles, les moteurs et tous les autres appareils électriques. L'importance du système de distribution pour le fonctionnement d'un bâtiment rend presque impératif la conception et l'installation du meilleur système.

Afin de concevoir le meilleur système de distribution, l'ingénieur concepteur de système doit disposer d'informations concernant les charges et d'une connaissance des différents types de systèmes de distribution applicables. Les différentes catégories de bâtiments présentent de nombreux défis de conception spécifiques, mais certains principes de base sont communs à tous. De tels principes, s’ils sont suivis, permettront d’obtenir une conception bien exécutée.

Les principes ou facteurs de base à prendre en compte lors de la conception du système de distribution d'énergie comprennent :

• -Fonctions de structure, présentes et futures
• -Durée de vie et flexibilité de la structure
• -Emplacements des équipements d'entrée de service et de distribution, emplacements et caractéristiques des charges, emplacements des sous-stations unitaires
• -Facteurs de demande et de diversité des charges
• -Sources d'énergie; y compris normal, veille et urgence
• -Continuité et qualité de l'énergie disponible et requise
• -Efficacité et gestion énergétique
• -Tension de distribution et d'utilisation
• -Alimentations bus et/ou câbles
• -Équipements de distribution et contrôle moteur
• -Panneaux d'alimentation et d'éclairage et centres de contrôle des moteurs
• -Types de systèmes d'éclairage
• -Méthodes d'installation
• -Systèmes de surveillance de l'alimentation
• -Exigences des services publics d'électricité
•  

Technologies modernes de l’énergie électrique

Plusieurs nouveaux facteurs à prendre en compte dans les systèmes de distribution d'énergie modernes résultent de deux changements relativement récents. Le premier changement récent est la déréglementation des services publics. La dépendance traditionnelle à l'égard du service public pour l'analyse des problèmes, les mesures et techniques d'économie d'énergie et une structure simplifiée des coûts de l'électricité a changé. Le deuxième changement est moins évident pour le concepteur, mais aura un impact sur les types d'équipements et de systèmes conçus. Il s’agit du nombre décroissant d’opérateurs électriques de bâtiments, de services de maintenance et d’ingénieurs d’installations qualifiés.

Les technologies modernes de l’énergie électrique peuvent être utiles au concepteur et au propriétaire du bâtiment pour relever ces nouveaux défis. L'avènement des dispositifs à microprocesseur (dispositifs intelligents) dans les équipements de distribution d'énergie a élargi les options et les capacités des propriétaires d'installations, permettant la communication automatisée des informations vitales du système électrique (à la fois les données énergétiques et les informations sur le fonctionnement du système) et le contrôle des équipements électriques.

Ces technologies peuvent être regroupées comme suit :

• -Surveillance et contrôle de l'alimentation
• -Interfaces des systèmes de gestion du bâtiment
• -Contrôle d'éclairage
• -Gestion automatisée de l'énergie
• -Diagnostic prédictif

Various sections of this guide cover the application and selection of such systems and components that may be incorporated into the power equipment Designed.

Goals of System Design

When considering the design of an electrical distribution system for a given customer and facility, the electrical engineer must consider alternate design approaches that best fit the following overall goals.

1.Safety: The No. 1 goal is to design a power system that will not present any electrical hazard to the people who use the facility, and/or the utilization equipment fed from the electrical system.

It is also important to design a system that is inherently safe for the people who are responsible for electrical equipment maintenance and upkeep.

The National Electrical Code® (NEC®), NFPA® 70 and NFPA 70E, as well as local electrical codes, provide minimum standards and requirements in the area of wiring design and protection, wiring methods and materials, as well as equipment for general use with the overall goal of providing safe electrical distribution systems and equipment.

The NEC also covers minimum requirements for special occupancies including hazardous locations and special use type facilities such as health care facilities, places of assembly, theaters and the like, and the equipment and systems located in these facilities. Special equipment and special conditions such as emergency systems, standby systems and communication systems are also covered in the code.

It is the responsibility of the design engineer to be familiar with the NFPA and NEC code requirements as well as the customer’s facility, process and operating procedures; to design a system that protects personnel from live electrical conductors and uses adequate circuit protective devices that will selectively isolate overloaded or faulted circuits or equipment as quickly as possible.

2.Minimum Initial Investment: The owner’s overall budget for first cost purchase and installation of the electrical distribution system and electrical utilization equipment will be a key factor in determining which of various alternate system designs are to be selected. When trying to minimize initial investment for electrical equipment, consideration should be given to the cost of installation, floor space requirements and possible extra cooling requirements as well as the initial purchase price.

3.Maximum Service Continuity: The degree of service continuity and reliability needed will vary depending on the type and use of the facility as well as the loads or processes being supplied by the electrical distribution system. For example, for a smaller commercial office building, a power outage of considerable time, say several hours, may be acceptable, whereas in a larger commercial building or industrial plant only a few minutes may be acceptable. In other facilities such as hospitals, many critical loads permit a maximum of 10 seconds outage and certain loads, such as real-time computers, cannot tolerate a loss of power for even a few cycles.

Typically, service continuity and reliability can be increased by:

• -Supplying multiple utility power sources or services.
• -Supplying multiple connection paths to the loads served.
• -Using short-time rated power circuit breakers.
• -Providing alternate customer- owned power sources such as generators or batteries supplying uninterruptable power supplies.
• -Selecting the highest quality electrical equipment and conductors.
• -Using the best installation methods.
• -Designing appropriate system alarms, monitoring and diagnostics.
• -Selecting preventative maintenance systems or equipment to alarm before an outage occurs.

4.Maximum Flexibility and Expendability: In many industrial manufacturing plants, electrical utilization loads are periodically relocated or changed requiring changes in the electrical distribution system. Consideration of the layout and design of the electrical distribution system to accommodate these changes must be considered. For example, pro- viding many smaller transformers or load centers associated with a given area or specific groups of machinery may lend more flexibility for future changes than one large transformer; the use of plug-in busways to feed selected equipment in lieu of conduit and wire may facilitate future revised equipment layouts. In addition, consideration must be given to future building expansion, and/or increased load requirements due to added utilization equipment when designing the electrical distribution system. In many cases considering trans- formers with increased capacity or fan cooling to serve unexpected loads as well as including spare additional protective devices and/ or provision for future addition of these devices may be desirable. Also to be considered is increasing appropriate circuit capacities or quantities for future growth. Power monitoring communication systems connected to electronic metering can provide the trending historical data necessary for future capacity growth.

5.Maximum Electrical Efficiency (Minimum Operating Costs): Electrical efficiency can generally be maximized by designing systems that minimize the losses in conductors, transformers and utilization equipment. Proper voltage level selection plays a key factor in this area and will be discussed later. Selecting equipment, such as transformers, with lower operating losses, generally means higher first cost and increased floor space requirements; thus, there is a balance to be considered between the owner’s utility energy change for the losses in the transformer or other equipment versus the owner’s first cost budget and cost of money.

6.Minimum Maintenance Cost: Usually the simpler the electrical system design and the simpler the electrical equipment, the less the associated maintenance costs and operator errors. As electrical systems and equipment become more complicated to provide greater service continuity or flexibility, the maintenance costs and chance for operator error increases. The systems should be designed with an alternate power circuit to take electrical equipment (requiring periodic maintenance) out of service without dropping essential loads. Use of draw out type protective devices such as breakers and combination starters can also minimize maintenance cost and out-of-service time. Utilizing sealed equipment in lieu of ventilated equipment may minimize maintenance costs and out-of-service time as well.

7.Maximum Power Quality: The power input requirements of all utilization equipment has to be considered including the acceptable operating range of the equipment and the electrical distribution system has to be designed to meet these needs. For example, what is the required input voltage, current, power factor requirement? Consideration to whether the loads are affected by harmonics (multiples of the basic 60 Hz sine wave) or generate harmonics must be taken into account as well as transient voltage phenomena. The above goals are interrelated and in some ways contradictory. As more redundancy is added to the electrical system design along with the best quality equipment to maximize service continuity, flexibility and expandability, and power quality, the more initial investment and maintenance are increased. Thus, the designer must weigh each factor based on the type of facility, the loads to be served, the owner’s past experience and criteria.

Summary

Il faut s'attendre à ce que l'ingénieur ne dispose jamais d'informations complètes sur la charge lors de la conception du système. L'ingénieur devra enrichir les informations mises à sa disposition sur la base de son expérience de problèmes similaires. Bien entendu, il est souhaitable que l'ingénieur dispose d'informations aussi précises que possible concernant la fonction, les exigences et les caractéristiques des dispositifs d'utilisation. L'ingénieur doit savoir si certaines charges fonctionnent séparément ou ensemble comme une unité, l'ampleur de la demande des charges vues séparément et en tant qu'unités, la tension et la fréquence nominales des appareils, leur emplacement physique les uns par rapport aux autres et par rapport à la source ainsi que la probabilité et la possibilité du déplacement des dispositifs de charge et de l'ajout de charges dans le futur.

Couplée à ces informations, une connaissance des principaux types de systèmes de distribution d'énergie électrique permet aux ingénieurs de parvenir à la meilleure conception de système pour un bâtiment particulier.

Il n'entre pas dans le cadre de ce guide de présenter une discussion détaillée des charges que l'on peut trouver dans chacun des différents types de bâtiments. En supposant que l'ingénieur concepteur ait rassemblé les données de charge nécessaires, les pages suivantes traitent de certains des différents types de systèmes de distribution électrique pouvant être utilisés. La description des types de systèmes et les diagrammes utilisés pour expliquer les types de systèmes dans les pages suivantes omettent l'emplacement des équipements de mesure des revenus des services publics par souci de clarté. Une discussion sur les calculs de court-circuit, la coordination, la sélection de tension, la chute de tension, la protection contre les défauts à la terre, la protection du moteur et d'autres protections d'équipement spécifiques est également présentée.