Enquête sur la qualité de l'énergie électrique : Guide pratique complet, de la planification à la mise en œuvre

Dans la production industrielle et les opérations commerciales, la stabilité des réseaux électriques est essentielle pour garantir les performances des équipements et améliorer l'efficacité de la production. Cependant, des problèmes de qualité de l'énergie, tels que les creux de tension, la pollution harmonique et les défauts de mise à la terre, entraînent souvent des arrêts anormaux d'équipements, des fluctuations de la qualité des produits, voire des risques pour la sécurité. L'audit de la qualité de l'énergie, outil clé pour identifier et résoudre ces problèmes, dépend directement de sa rigueur et de son professionnalisme, déterminant ainsi l'efficacité du dépannage. Cet article, s'appuyant sur les normes industrielles et l'expérience pratique, décrit en détail le processus complet d'audit de la qualité de l'énergie et propose un cadre opérationnel aux ingénieurs et techniciens.

1. Valeur fondamentale et compréhension de base des enquêtes sur la qualité de l'énergie

Les risques liés à la qualité de l'énergie électrique sont insidieux et cumulatifs. À court terme, ils peuvent se manifester par des dysfonctionnements d'équipements et des interruptions de transmission de données ; à long terme, ils peuvent accélérer le vieillissement d'équipements essentiels tels que les moteurs et les transformateurs, augmentant ainsi les coûts de maintenance et les risques d'arrêt de production. Par exemple, une entreprise manufacturière a subi un redémarrage du système PLC d'une ligne de production suite à une chute de tension du réseau, ce qui a entraîné une perte de plusieurs centaines de milliers de yuans pour un seul arrêt. Un centre de données a subi un courant anormal dû à une mauvaise mise à la terre du neutre, endommageant matériellement plusieurs serveurs.

Une étude de la qualité de l'énergie ne se limite pas à la « détection des défauts », mais constitue une évaluation systématique menée de manière organisée et progressive afin d'atteindre trois objectifs principaux :

1. Localisation de la cause première : Déterminer si le problème provient du réseau (par exemple, la commutation des condensateurs du bureau d'alimentation électrique) ou de l'utilisateur (par exemple, le démarrage et l'arrêt d'un équipement à haute puissance).

2. Quantification de l'impact : Utilisez les enregistrements de données pour clarifier les paramètres clés tels que l'amplitude des fluctuations de tension et le contenu harmonique, et déterminez s'ils dépassent le seuil de tolérance de l'équipement.

3. Formulation de la solution : Concevoir des mesures de rectification ciblées en fonction des résultats de l'enquête, telles que l'installation d'onduleurs, de dispositifs de filtrage ou l'optimisation des systèmes de mise à la terre.

Les normes internationales constituent un fondement essentiel pour les études, parmi lesquelles la norme CEI 61000-4-30 classe A représente la spécification de base pour la mesure de la qualité de l'énergie. Elle exige que les équipements soient capables de détecter avec précision des problèmes tels que les creux de tension, les harmoniques et le scintillement. Les normes américaines IEEE s'alignent progressivement sur cette spécification ; par exemple, la norme IEEE 519:2014 a adopté la méthode de mesure des harmoniques de la norme CEI 61000-4-7, contribuant ainsi à l'unification des normes techniques du secteur.

2. Outils d’enquête : Sélection d’« outils de diagnostic » adaptés aux scénarios

La précision d'une étude de la qualité de l'énergie dépend avant tout du choix judicieux des outils. Les exigences fonctionnelles de ces outils varient considérablement selon les scénarios, et l'équipement de base se divise en deux catégories : « portable » et « fixe », les outils auxiliaires servant à combler les zones d'ombre de la détection.

( 1) Équipements de surveillance essentiels : scénarios d’adaptation pour les types portables et fixes

(2) Outils auxiliaires : Combler les lacunes de détection

Outre les outils de surveillance de base, les outils suivants peuvent améliorer l'exhaustivité des enquêtes :

• Caméras thermiques infrarouges : Détectent les échauffements anormaux des connexions desserrées et des câbles surchargés dans les armoires de distribution afin d’identifier à l’avance les points de défaillance potentiels.

• Testeurs de résistance de terre : Mesurent l’impédance des systèmes de mise à la terre pour diagnostiquer les courants anormaux causés par une mauvaise mise à la terre.

• Testeurs d'isolation : évaluent les performances d'isolation des câbles et des enroulements de moteurs afin de déterminer s'il existe un risque de fuite.

• Enregistreurs vidéo/audio : enregistrent les bruits anormaux (par exemple, un bourdonnement excessif provenant des transformateurs) et l’état des voyants pendant le fonctionnement de l’équipement afin de faciliter l’analyse des pannes.

Remarque : Tous les outils doivent être étalonnés régulièrement pour répondre aux exigences de précision de la norme IEC 61000-4-30 classe A, afin d'éviter toute erreur d'interprétation des données due à des erreurs d'équipement.

3. Fonctionnement complet du processus : une boucle fermée en six étapes, de la planification à la vérification

Une étude de la qualité de l'énergie électrique doit suivre un processus en boucle fermée de « planification - inspection - surveillance - analyse - rectification - vérification ». Chaque phase a des objectifs clairs et des points clés opérationnels, et aucune ne peut être omise.

(1) Phase 1 : Planification et préparation - Clarifier « Quoi vérifier, où vérifier et combien de temps vérifier »

La planification est la condition préalable à la réussite d'une enquête et doit être réalisée selon le principe des « 5W » (Quoi/Où/Quand/Comment/Pourquoi) :

1. Définir les objectifs de l'enquête (quoi et pourquoi)

2. · Pour le « diagnostic des pannes », précisez les phénomènes de panne (par exemple, déclenchement de l'équipement, scintillement de l'écran) ainsi que le modèle et l'emplacement de l'équipement affecté.

· Pour les « études de référence », déterminez les indicateurs d'évaluation (par exemple, l'écart de tension, le contenu harmonique) et comparez-les aux normes de l'industrie (par exemple, les limites harmoniques IEEE 519).

3. Déterminer les points de surveillance (Où)

4. · Défauts ponctuels : Prioriser la surveillance du terminal d’accès à l’alimentation de l’équipement défectueux, puis remonter jusqu’au PCC (Point de couplage commun). identifier la source du problème.

• Problèmes d'installation complète : Commencez par le PCC et couvrez tous les circuits d'alimentation et les charges clés (par exemple, UPS, gros moteurs) vers le bas pour former un réseau de surveillance « descendant ».

• Se concentrer sur le PCC : en tant que frontière entre l’utilisateur et le réseau, la surveillance des données au niveau du PCC peut clarifier l’attribution des responsabilités (par exemple, les creux de tension côté réseau par rapport à l’injection d’harmoniques côté utilisateur).

5. Définir les cycles de surveillance (Quand)

6. · Couvrir au moins un « cycle d'activité » : Par exemple, une usine fonctionnant en trois équipes nécessite 72 heures de surveillance, et un centre commercial avec différents modes de fonctionnement hebdomadaires nécessite une semaine de surveillance.

• Alignez-vous sur les schémas de défaillance : si les problèmes surviennent uniquement à 8 h et à 18 h, concentrez-vous sur la détection des démarrages et arrêts d’équipements (par exemple, compresseurs d’air, ascenseurs) ou du réseau électrique. périodes de commutation des condensateurs.

7. Collecte des informations de base (Comment)

8. · Récupérer les schémas électriques de l'usine pour confirmer la capacité du transformateur, les méthodes de câblage et les types de systèmes de mise à la terre.

• Interroger les opérateurs d’équipement pour consigner les heures d’apparition des pannes, leurs durées et les phénomènes qui les accompagnent (par exemple : « Chaque fois que la machine à souder est démarrée, l’ordinateur redémarre »).

• Documentez les changements récents : tels que les ajouts de nouveaux équipements, les modifications de lignes ou les mises à niveau du réseau, qui peuvent être à l’origine de problèmes.

(2) Phase 2 : Inspection sur site - Détection des « dangers cachés visibles »

L'inspection sur site est souvent négligée, mais de nombreux problèmes de qualité de l'énergie proviennent de défauts électriques fondamentaux. L'inspection doit être effectuée en deux étapes : « extérieur » et « intérieur » :

1. Inspection extérieure (côté réseau)

2. · Vérifiez le type de lignes d'alimentation électrique (par exemple, les lignes aériennes sont vulnérables à la foudre et les câbles souterrains sont facilement endommagés par la foudre). construction).

• Observer l’emplacement et l’état de fonctionnement des dispositifs de compensation capacitifs du bloc d’alimentation afin de déterminer s’il existe des fluctuations de tension dues à des commutations fréquentes.

• Faites attention aux sources d'interférences à proximité : par exemple, les fours à fréquence intermédiaire et les équipements radiofréquences des usines voisines peuvent provoquer des interférences par couplage au réseau.

3. Inspection intérieure (côté utilisateur)

4. · Inspection visuelle : Vérifiez si les portes de l'armoire de distribution sont desserrées, si les couches d'isolation des câbles sont endommagées et si les bornes présentent des signes d'ablation.

• Détection infrarouge : Utiliser une caméra thermique pour scanner les disjoncteurs et les contacteurs afin d’identifier les points chauds (par exemple, les connexions desserrées dont la température dépasse 50 °C). la température ambiante de 30°C).

• Concentrez-vous sur les problèmes de câblage : selon l'expérience de l'industrie, les connexions lâches sont la cause la plus courante, ce qui peut entraîner des chutes de tension et des interférences d'impulsions (voir tableau 1).

• Vérifiez le système de mise à la terre : assurez-vous que la connexion entre le fil neutre et le fil de terre est conforme à la réglementation afin d’éviter des problèmes tels que l’inversion du neutre et de la terre et la mise à la terre à haute impédance.

Tableau 1 : Problèmes de câblage courants et leurs impacts

Une attention particulière doit être portée aux règles de sécurité : toutes les inspections doivent être conformes à la norme NFPA 70E (Code national de l’électricité), et les opérateurs doivent porter un équipement de protection individuelle (EPI) tel que des gants isolants et des lunettes de protection. Le démontage et le remontage du câblage sous tension sont strictement interdits.

(3) Phase 3 : Surveillance de l'alimentation électrique - Détection précise des « anomalies invisibles »

La phase de surveillance nécessite l'enregistrement simultané de la tension et du courant. La mesure de la tension seule permet d'identifier les problèmes, mais sa combinaison avec celle du courant permet d'en localiser la cause première (par exemple, une augmentation du courant accompagnée d'une chute de tension indique que le problème provient des charges en aval). L'opération se divise en trois étapes :

1. Réglage du mode (Mode portée)

2. · Activez le mode oscilloscope pour observer si les formes d'onde de tension et de courant sont déformées (par exemple, « écrêtage » ou « parasites » causés par des harmoniques) et déterminer s'il y a des interférences provenant de charges non linéaires (par exemple, des convertisseurs de fréquence, des lumières LED).

3. Enregistrement à intervalles de temps

4. · Définissez l'intervalle d'échantillonnage (par exemple, une fois par minute) pour enregistrer les données de fond (par exemple, la valeur RMS de la tension, le facteur de puissance) et capturer les changements lents (par exemple, la dérive de la tension du réseau, l'augmentation progressive de la charge).

5. Déclenchement par seuil d'événement

6. · Définir des seuils en fonction de la tolérance de l'équipement (par exemple, chute de tension ≤ 80 % de la valeur nominale, contenu harmonique > 5 %) pour n'enregistrer que les événements clés et éviter la redondance des données (« Pas besoin de capturer tout l'océan quand seuls les poissons cibles sont nécessaires »).

• Examinez régulièrement les données et ajustez les seuils : par exemple, si le seuil initial est fixé à « chute de tension > 10 % » et que trop d’événements non pertinents sont enregistrés, il peut être augmenté à « > 15 % ».

(4) Phase 4 : Analyse des données - Transformer les « données » en « conclusions »

L'analyse des données doit éviter le « cumul des données » ; l'essentiel est de « corréler les phénomènes de défaillance avec les données de surveillance », en procédant en quatre étapes :

1. Filtrer les événements clés

2. · Extraire des données cohérentes avec les heures de défaut (par exemple, « L'équipement s'est déclenché à 10 h 00 et la surveillance a montré une chute de tension à 70 % à 9 h 59, durant 0,5 seconde »).

· Exclure les événements non pertinents (par exemple : « Fluctuation de tension de 0,5 % durant 1 seconde, qui n’a pas affecté le fonctionnement de l’équipement »).

3. Quantifier la gravité du problème

4. · Comparer aux limites standard : Par exemple, si la teneur en harmonique 3 est mesurée à 8 %, dépassant la limite de 5 % spécifiée dans la norme IEEE 519, elle est considérée comme une « pollution harmonique grave ».

• Analyser les tendances des événements : par exemple, si 12 chutes de tension se produisent en une semaine, dont 8 sont concentrées lors du démarrage des équipements pendant le quart de matinée, il indique que le problème est lié aux charges côté utilisateur.

5. Intégrer les résultats d'inspection

6. · Si des « impulsions de tension » sont détectées et que des bornes desserrées sont trouvées lors de l'inspection, un jugement préliminaire sur « l'interférence d'impulsions causée par des connexions desserrées » peut être établi.

· Si le contenu harmonique au point de couplage commun est élevé mais qu'il n'y a pas de charges non linéaires de forte puissance côté utilisateur, contactez le bureau d'alimentation électrique pour enquêter sur les problèmes côté réseau.

7. Identifier la cause profonde

8. · Problèmes en aval : augmentation du courant → chute de tension (par exemple, chute de tension causée par le démarrage du moteur).

· Problèmes en amont : La tension change d'abord → le courant suit (par exemple, les fluctuations du courant de charge causées par la dérive de la tension du réseau).

• Problèmes de mise à la terre : courant neutre anormal accompagné d’enceintes d’équipements sous tension, nécessitant une inspection de l’impédance de mise à la terre.

(5) Phase 5 : Solutions de rectification - Résolution ciblée des problèmes

La rectification doit éviter l’installation d’équipements à l’aveugle et privilégier les solutions fondées sur la cause profonde du problème. Voici quelques mesures courantes :

Remarque : Les solutions de rectification doivent être conçues par des ingénieurs électriciens professionnels afin d'éviter une « surprotection » (par exemple, l'installation d'un système d'alimentation sans coupure pour des circuits d'éclairage ordinaires) ou une « protection insuffisante » (par exemple, l'utilisation de filtres passifs pour gérer les harmoniques d'ordre élevé).

(6) Phase 6 : Vérification des effets – La clé d’une gestion en boucle fermée

Après rectification, répéter le suivi (avec le même cycle que l'enquête initiale) pour vérifier l'efficacité :

1. Comparer les données avant et après redressement : par exemple, si le taux d’harmoniques diminue de 8 % à 3 % et que le nombre de creux de tension passe de 12

Si le nombre de fois par semaine atteint 0, la solution est efficace.

2. Suivi à long terme : Les systèmes de surveillance fixes doivent enregistrer les données en continu pour éviter toute récurrence des problèmes.

3. Archivage des documents : Organiser et classer les rapports d'enquête, les données de surveillance et les plans de rectification afin de fournir des références pour la maintenance ultérieure.

4. Cinq principes pratiques : la clé pour éviter les « détours »

1. Vérification de la cohérence : les données doivent être conformes aux lois physiques (par exemple, « Si la tension augmente mais que le courant diminue, vérifiez si le câblage est inversé ») ; les données contradictoires ne peuvent pas être forcées d'être expliquées.

2. Sensibilisation aux outils : Clarifier les limites de l'équipement (par exemple, la plage de la pince ampèremétrique, la plage de mesure harmonique du moniteur) pour éviter les erreurs causées par une utilisation hors plage.

3. Vérifiez d'abord les problèmes évidents : commencez par des causes simples telles que des connexions desserrées et des erreurs de câblage avant de résoudre des problèmes complexes (par exemple, les harmoniques du réseau).

4. Évitez la suranalyse : concentrez-vous sur les « événements clés » affectant le fonctionnement de l'équipement ; il n'est pas nécessaire de s'attarder sur les fluctuations mineures (par exemple, la tension ±0,2 %).

5. La sécurité avant tout : toutes les opérations doivent être effectuées hors tension ou sous protection isolante ; le branchement/débranchement sous tension du câblage du moniteur est strictement interdit.

Conclusion

Une étude de la qualité de l'énergie électrique est une démarche qui allie technologie et expérience. Sa valeur réside non seulement dans la résolution des problèmes existants, mais aussi dans l'établissement d'un « dossier de santé de l'énergie » à partir de données de référence, permettant ainsi de passer d'une approche de réparation passive à une approche de prévention proactive. Par exemple, une usine automobile a constaté, grâce à une surveillance à long terme, que le taux de charge de ses transformateurs augmentait continuellement et a augmenté leur capacité en temps opportun, évitant ainsi les risques d'arrêt pendant les heures de pointe estivales.

Avec le développement des réseaux intelligents, l'association de systèmes de surveillance fixes et de plateformes cloud deviendra la norme. Grâce à la transmission de données en temps réel et à l'identification des anomalies par l'IA, le temps de réponse aux pannes pourra être encore réduit. Cependant, malgré les progrès technologiques, la « planification systématique, la surveillance précise et l'analyse rationnelle » demeurent les principes fondamentaux des études de qualité de l'énergie et la pierre angulaire du bon fonctionnement des réseaux électriques.