Conception Thermique Des Postes MT - BT [PDF]

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CONCEPTION THERMIQUE DES POSTES MT / BT Pascal LEPRETRE, Schneider-Electric, France [email protected]

ABSTRACT Parmi les essais de type listés par la norme 62271-202, l‘essai d‘échauffement est sans doute un des essais majeur pour valider la performance d‘une architecture de poste MT/BT préfabriqué

Ces modifications de puissance, d‘architecture, de conception ont souvent un impact sur la performance thermique du poste. La nouvelle configuration ainsi obtenue est rarement requalifiée, tout au plus argumente œ t- on l‘extrapolation d‘une nouvelle conception par l‘utilisation de formules empiriques.

La conception thermique des postes a souvent été faite avec une approche soit : pratique c'est-à-dire par itérations : essais, mesures, corrections par calculs basés sur des formules analytiques du bâtiment où beaucoup de coefficients d‘échange sont fixés arbitrairement et peuvent faire varier le résultat de façon significative L‘approche calcul numérique thermique permet de prendre en compte l‘ensemble des phénomènes thermiques d‘un poste, mais aussi son architecture, le fait que dans celui-ci on intègre plusieurs systèmes comme le tableau BT, le tableau MT, le transformateur. La modélisation thermique de l‘intégralité de ces systèmes permet d‘envisager une optimisation du poste et, possédant le modèle, de répondre à bon nombre de configurations en faisant varier les différents paramètres de ce modèle. La finalité étant de concevoir un produit optimisé mais surtout plus sûr pour l‘ensemble de nos clients partout dans le monde. La modélisation numérique permet à partir d‘un modèle générique d‘étudier les adaptations techniques demandées par les clients et de valider leurs niveaux de performances

Figure 1 : Vue en coupe d‘un modèle thermique de poste

METHODOLOGIE DE CALCUL THERMIQUE Les outils de calculs sont quelquefois présentés comme la � solution à tous les problèmes. � On montre ainsi de jolies images en couleurs mais sans

savoir vraiment les hypothèses de calcul utilisées. � Ne jamais oublier qu‘un modèle n‘est qu‘une représentation � mathématique simplifiée de la réalité. � La puissance de nos ordinateurs augmentant, nos modèles

sont plus réalistes et plus fiables. �

KEYWORDS Essais de type, sureté, méthodologie, modélisation, configurations types.

ESSAIS ET CALCULS : UN DUO GAGNANT / GAGNANT.

INTRODUCTION

Il n‘y a pas de bons calculs thermiques sans essai ! � Et un essai donne des résultats véritablement utiles s‘il est � fait dans la perspective d‘être modélisé. �

Les essais de type exigent, de la part d‘un constructeur, de tester la configuration la plus sévère voir même de démontrer cette sévérité auprès de l‘organisme de certification. On peut ainsi faire valoir que cet essai couvre l‘intégralité d‘une gamme. Il est fréquent que pour répondre à ses contraintes locales, un client demande d‘adapter une offre de poste existante.

Le point d‘entrée est donc la définition de l‘essai et de son � instrumentation. � Il s‘agit de mesurer et de comprendre l‘ensemble des points

thermiques d‘un équipement. � On va donc installer pour cela plusieurs dizaines de points

de mesure à la fois sur les points normatifs mais aussi et � surtout sur les autres points qui vont servir à contrôler le �

modèle thermique. On trouvera donc des sondes dans l‘air, sur le circuit cuivre et ceci dans tous les compartiments du poste BT, MT et transformateur du poste. Un essai correctement instrumenté pourra avoir une centaine de points de mesure. .

Pour chaque architecture grâce au modèle numérique on pourra répondre à tout type de questions qu‘elles soient : -

de conception : modification des dimensions du poste, de l‘implantation, des surfaces et des types de ventilation, …

-

d‘utilisation du poste : température extérieure, vitesse du vent, ensoleillement, altitude…

-

de nouvelles contraintes d‘exploitation : classe d‘enveloppe imposée, échauffement maximum, transport,…

T20 T21

T10,T11,T1

T8 T6 T22

T16 T17, T18, T19

T13,T14,T1 T7

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RAPPEL SUR LES TRANSFERTS THERMIQUES : 3 TYPES D‘ECHANGE T26 T28 T27

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•

La convection : transfert de chaleur dans la matière avec mouvement macroscopique de la matière. Ce type d‘échange n‘intervient que dans les gaz ou les liquides. On distingue deux types de convection : la convection naturelle ou forcée.

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La conduction : échange de deux points d‘un solide ou encore d‘un liquide (ou d‘un gaz) immobile et opaque. L‘énergie de vibration ou d‘agitation se transmet d‘atome à atome (de molécule à molécule). C‘est un transfert lent.

•

Le rayonnement : échange de chaleur entre deux parois séparées par un milieu transparent ou semi transparent. Les matériaux ont la propriété d‘absorber ou d‘émettre des photons ou quantité d‘énergie. Il s‘agit d‘un transfert à distance quasi-instantané sans nécessité de support matériel.

T25

Figure 2 : exemple d‘implantation des sondes de mesure de températures

DOMAINE DE VALIDITE DU CALCUL La gamme de poste varie à la fois en puissance mais aussi en architecture. Il convient donc, si l‘on veut couvrir l‘intégralité des gammes de poste de transformation, de créer une configuration type par type d‘architecture de poste ( à couloir, à exploitation extérieure, semi enterré, et enterré ) et d‘extrapoler autour de cette configuration l‘ensemble des résultats souhaités pour les autres « calibres ».

GESTION THERMIQUE : APPLICATION

MAITRISE

ET

Depuis plusieurs années Schneider Electric utilise le calcul numérique pour comprendre et hiérarchiser les paramètres prépondérants dans le comportement thermique de nos ensembles.

Pour les systèmes BT ou MT le paramètre majeur est la conduction même si les performances catalogue font apparaitre un écart entre un tableau bénéficiant de la ventilation naturelle (ce que l‘on défini par un IP faible ) et un autre dit étanche (ce que l‘on défini par IP fort).

La véritable « autoroute à calories » est bien le circuit cuivre et en cas de bouchon thermique l‘impact sur les échauffements sera très important. Pour symboliser ce fonctionnement, on peut faire le parallèle entre le corps humain et un tableau : le disjoncteur étant le cŒur, ses artères principales les liaisons et les artères secondaires les jeux de barres. Et tout comme pour le corps humain, un petit incident sur les artères principales aura de grosses conséquences sur le fonctionnement du cŒur.

Autre cas, autre maitrise, le rayonnement est utilisé pour � améliorer l‘échange thermique des ensembles. � L‘utilisation de ce phénomène, transfert d‘énergie invisible, � permet en quelque sorte de faire « sauter » l‘échauffement � d‘un jeu de barre à l‘enveloppe externe. �

Le rayonnement est lié à l'émissivité du corps, noté A, qui révèle sa capacité à absorber et à émettre de l'énergie. Une surface peinte et mate aura une forte émissivité et un faible coefficient de réflexion alors qu'une surface polie ou brillante aura le comportement opposé

La convection est sans aucun doute le phénomène le plus connu et celui le plus compréhensible puisque visible. On comprend donc aisément que dans un poste les surfaces d‘entrées et de sorties d‘air vont influencer l‘élévation de la température interne de l‘ enveloppe.

En ce qui concerne le problème thermique d‘un poste préfabriqué l‘essentielle des puissances dissipées provient du transformateur. Là sans aucun doute la convection tient un rôle majeur, d‘où les travaux sur les grilles d‘entrée et de sortie pour limiter au maximum les freins ou pertes de charges de cette circulation d‘air dans le poste

Figure 3 : modélisation des vecteurs vitesse autour d‘un transformateur

UNE DECOMPOSITION DU SYSTEME La maîtrise thermique de nos systèmes passe donc par la compréhension de l‘ensemble de ces phénomènes. Un poste est un ensemble comprenant 2 systèmes et un produit : un système BT : tableau BT qui comprend une enveloppe, les éléments de répartition du courant (jeu de barres, liaisons, …), et l‘appareillage. L‘objectif est d‘obtenir avec ce système les performances les plus optimisées, et les plus proches de celles des composants testés seuls et à l‘air libre. -

-

un système MT : tableau MT qui comprend une ou des enveloppes, les éléments de répartition du courant (jeu de barres, liaisons, …) et l‘appareillage. L‘objectif étant le même que pour le système BT.

un produit : un transformateur MT/BT testé et certifié seul à l‘air libre constitué d‘enroulements et d‘un circuit magnétique. Le système de refroidissement utilise un bain d‘huile dans une cuve étanche ailettée extérieurement pour accroitre les échanges thermiques.

L‘objectif est de créer un ensemble où les performances des systèmes BT et MT sont respectées et la performance du produit au plus près de sa performance initiale testée seule à l‘air libre ; on se rapproche de la définition normative de la classe d‘un poste.

Figure 4 : essais d‘échauffement pour définir une � classe d‘enveloppe selon la CEI 62271-202 �

BEAUCOUP DE FORMULES ANALYTIQUES TRES EMPIRIQUES : Chaque constructeur peut créer sa propre formule. En France la formule « de base » que l‘on utilise est donnée par EDF. Elle permet de calculer la surface de ventilation en fonction d‘un certain nombre de paramètres :

Sinput = (P − 2,4 * K * Si * C) /(417 * L * H * (C 1,5 ) Soutput = 1,1Sinput. �

LA CLASSE D‘ENVELOPPE D‘UN POSTE L‘essai d‘échauffement, de l‘a CEI 62271-202, §6.3 est destiné à vérifier que la conception d‘une enveloppe de poste préfabriqué n'altère pas de manière préjudiciable la durée de vie prévue des matériels électriques. Leur espérance de vie ne sera pas affectée si les limites acceptables de détérioration des matériaux ne sont pas dépassées à cause des effets thermiques. Un déclassement du matériel peut être nécessaire en fonction des résultats de l‘essai d‘échauffement. En particulier, l‘essai doit prouver que les échauffements du transformateur à l‘intérieur de l‘enveloppe n‘excèdent pas ceux mesurés sur le même transformateur à l‘extérieur de l‘enveloppe. C‘est ce qui définit la classe de l‘enveloppe, par exemple 5 K, 10 K, 15 K, 20 K, 25 K, ou 30 K.

Avec : � Sinput = surface de ventilation en entrée � Soutput = surface de ventilation en sortie � P = puissance dissipée totale � K = coefficient de dissipation des parois

Si = surface totale des parois du poste � C = classe de l‘enveloppe du poste � L = coefficient d‘efficacité de la grille ; 0,38 pour des

chevrons

H = distance entre ventilation haute et basse �

D‘autres formules ont cours et sont adaptées de la formule � EDF avec plus ou moins d‘approximation. � Sur un exemple donné la surface calculée peut varier dans

un rapport de 4 ! � Les limites de cette approche est la non prise en compte de certains facteurs : -

la différenciation entre les pertes dissipées par le transformateur, le tableau BT, le tableau MT.

-

les pertes de charge du aux obstacles sur le trajet de l‘air : retour de toit, paroi interne, longueur du trajet, température des éléments rencontrés.

-

la géométrie de la section qui influence le résultat d‘une section donnée. Figure 6 : Modélisation d‘un poste MT / BT Les demandes clients les plus courantes concernent : L‘adaptation d‘un poste existant :

-

les pertes de charges réelles de la configuration du poste : même résultat si les grilles sont installées judicieusement, face à face, croisées… Grille 1.3.2 Grille 1.3.2.1

Grille Grille 1.3.1 1.3

l‘impact sur le redimensionnement de l‘enveloppe

Grille 1.3.2.1.2 Grille 1.3.2.1.1.1

Grille 1.3.1.1 Grille 1.3.2.1.1 Grille 1 Grille 1.1

l‘impact de l‘utilisation d‘un transformateur de puissance plus importante.

Grille Grille 1.3.3 1.3.2.2

l‘impact du rayonnement solaire l‘impact du redimensionnement des surfaces de ventilation

Grille Grille 1.2 1.1.1

L‘aide à la conception d‘un nouveau poste la position géographique des éléments entre eux : altitude du transformateur, distance entre transformateur et mur, …

BT

VERS PLUS D‘ESSAIS :

DE

X

transfo

-

X

CALCULS

MT

ET

MOINS

Comme évoqué précédemment il est essentiel de comprendre et maîtriser l‘ensemble des architectures de poste MT/ BT. On pourra modéliser indépendamment les systèmes BT, MT et le transformateur mais le modèle final devra comprendre l‘intégralité des éléments « chauffants ». Une fois le modèle numérique comparé à l‘essai réel, le domaine de validité du modèle est donc créé on peut extrapoler ces résultats aux diverses questions « clients »

CONCLUSION: � Vers une démarche d‘essais numériques � L‘évolution des outils et des moyens de calculs font qu‘aujourd‘hui nous pouvons imaginer construire une bibliothèque correspondant aux architectures type de poste. A quatre architectures vont correspondre 4 modèles thermiques sur lesquels nous allons pouvoir au sein de ce domaine de validité du calcul nous « promener » en faisant varier les paramètres qui nous intéressent. Cela avec des temps de calcul qui seront de plus en plus courts et de plus en plus précis à condition de suivre une démarche essais / calculs. Plus vite, plus sûr, moins cher… pour nos clients.

Figure 7 : Les quatre architectures de la gamme � BIOSCO �

Figure 5 : Modélisation indépendante des 2 systèmes et du produit