Quatrième Conférence Internationale sur le Génie Electrique CIGE 10, 03-04 Novembre 2010, Université de Bechar, Algérie Méthode de sureté de fonctionnement pour une maintenance efficace Application à un poste électrique (60/10KV) Chaker.A, Benaicha.H Laboratoire SCAMRE- ENSET Oran- BP 1523 El M Naouer Oran - Algérie. Résumé La maitrise des techniques de la sûreté de fonctionnement des systèmes électriques pose de sérieuses difficultés en Algérie au sein de la société de distribution d électricité. Le choix des composants du réseau est surtout basé sur une approche pratique. Afin de pallier à cette carence, nous proposons dans le présent article, l utilisation des méthodes de sûreté de fonctionnement pour mener efficacement une étude de sécurité des systèmes électriques pour le choix des composants permettant un gain en temps et en coûts.elle sera basée sur une analyse fonctionnelle, puis la modélisation du fonctionnement du système en phase d écoulement normal de puissance. Sur la base du modèle ainsi obtenu, on donnera L'évaluation des caractéristiques probabilistes de sûreté de fonctionnent du système. Afin de montrer l avantage de ces méthodes, nous illustrons le travail par une étude sur un poste réel de distribution électrique de 60/10 KV. Mots Clés : Maintenance, Réseau électrique, Poste HT 60/10KV, FMD, Fiabilité, sûreté de fonctionnement. I. INTRODUCTION Le 24 Aout 2008, une défaillance technique survenue dans le poste d Oulet Fayet en Algérie avait généré une importante coupure en privant des milliers de foyers d électricité. Les exemples de ce type d incidents sont devenus très fréquents à cause des défaillances dans le réseau et les installations,le vieillissement des équipements des systèmes électriques, des difficultés de pouvoir placer de nouveau pylônes et de nouveaux postes électriques. De plus ces coupures à répétition sont inacceptables pour les clients qui exigent et demandent une énergie électrique de bonne qualité en termes de tension, de fréquence et de forme d onde, à meilleur prix, qui doivent être maintenus à l intérieur de certains écarts. Pour assurer l intégrité physique du système et pallier aux coupures d électricité il faut garantir la sûreté de fonctionnement (Sdf ) du système électrique dont le but est d assurer le fonctionnement du système, limiter le nombre d incidents et éviter les grands incidents [1]. L étude de la Sdf est un outil très utilisé comme moyen d évaluation des risques induits par les coupures d énergie électrique et d amélioration de la fourniture de l énergie électrique. L idée directrice de ce travail est d assurer la sûreté du poste électrique 60/10 KV de la SONELGAZ(Algérie).Notre but est de diminuer la durée et le nombre des coupures dues à des défaillances ou à des actes de malveillances etc. Les principales questions que nous avons soulevés et auxquelles nous avons tenté d amener des éléments de réponses sont les suivantes : - Quels sont les facteurs d influences menant vers des dysfonctionnements du poste électriques dans son ensemble ou de certains de ses composants? - Quels sont les valeurs des taux de coupures et de réparation utilisés pour nos calculs? - Quels sont les composants qu il soit préférables de réparer les premiers et ceux dont les performances FMD doivent être améliorées afin d améliorer les performances globales du système? Pour cela le poste doit être mis sous surveillance et contrôlé en permanence par la mise en place des systèmes d aide au diagnostic des pannes. Dans cet article, on présente les différentes étapes permettant de réaliser l étude de sûreté de fonctionnement du poste. II. LES DIFFERENTES ETAPES DE L ETUDE DE SDF D UN POSTE HT/BT L étude comprend les étapes suivantes: - Initialisation - Analyse fonctionnelle du système, - Calcul des indicateurs et fonctions de fiabilité, maintenabilité et disponibilité du système, - Calcul des facteurs d importance des composants du système, - Analyses des résultats obtenus et conclusion. 33
Quatrième Conférence Internationale sur le Génie Electrique CIGE 10, 03-04 Novembre 2010, Université de Bechar, Algérie III. INITIALISATION Lors de cette étape, le groupe de travail décrit la problématique de l étude, son contenu et ses limites. Il réunit les données nécessaires à la conception, la fabrication et l exploitation du poste et se met d'accord sur ce qui est exactement attendu de l étude en mettant en place les supports papiers et informatiques nécessaires au bon déroulement de l étude. Il établit le planning des réunions et fixe clairement les limites matérielles du système et les objectifs attendus dans le cadre de la ou les situations de vie considérées (missions et phases de fonctionnement). A. Description du poste électrique (60/10KV) Le poste HT/BT relie plusieurs sections d un réseau il permet de répartir l électricité sur les différentes lignes et de la faire passer d une tension à l autre grâce aux transformateurs. Le poste regroupe un ensemble d équipement destiné à en assurer la protection et faciliter l exploitation. Avant une étude FMD, il est essentiel d écrire le poste de distribution HT/BT d Oran Est [4].Il s agit de détailler tous les composants du poste essentiels à son utilisation et sa protection. Les postes sont équipés essentiellement d un jeu barres connectées à deux arrivées de puissance 60 kv. Les arrivées comprennent chacune une cellule disjoncteurs, une cellule sectionneurs, et une cellule transformateurs qui servent à abaisser le niveau de tension de la source à 10 KV. Les deux demi jeux de barres sont alimentés respectivement par les deux arrivées, le disjoncteur de couplage étant ouvert.la défaillance de l une des deux sources, entraine la fermeture du disjoncteur de couplage au même moment les deux demi jeux de barres sont alimentés par l autre source. En cas de défaut sur un demi jeu de barre (ou maintenance de celui-ci), une partie seulement des départs n est plus alimentée. IV. ANALYSE FONCTIONNELLE DU POSTE Pour l étude de Sdf du poste, l analyse fonctionnelle est un préalable obligatoire. Elle consiste à raisonner en termes de besoins à satisfaire, exprimés sous forme de fonctions à remplir avec des critères de valeurs dans un environnement donné [12]. Pour faire une étude pertinente de Sdf d un système, il est impératif de connaître ses décompositions matérielle et fonctionnelle, les facteurs d influence internes et externes qui concourent à l amélioration de sa Sdf et ceux qui, au contraire, constituent une entrave et mènent vers des dysfonctionnements probables. L analyse fonctionnelle permet, grâce à une très bonne prise de connaissance de l ensemble des facteurs matériels, humains et environnementaux, de rendre l étude de la Sdf plus pertinente et plus juste. Pour cela, deux types d analyse peuvent être envisagés : Une analyse fonctionnelle externe et une analyse fonctionnelle interne. A. Expression et analyse du besoin La réduction du nombre de coupures électriques et de leurs durées fait appel à des équipements de redondance et de remplacement d ouvrages nécessitant entre autres des reconfigurations des schémas électriques au niveau des postes. Ces techniques sont coûteuses et ne suffisent pas à elles seules pour résoudre tous les problèmes. Par conséquent, seule une étude pertinente FMDS pourrait garantir la Sdf de ces postes. Cette étude permettra de déterminer les reconfigurations des schémas électriques en fonction de la disponibilité des ouvrages pour répondre aux besoins de continuité de fonctionnement. Elle définira la politique de maintenance optimale qui s adapte le mieux aux besoins de l exploitant et des clients dans le cadre d une démarche de qualité et de productivité. I. Analyse fonctionnelle externe Lors de cette phase, on doit définir avec précision les limites du système étudié, ses situations de vie, ses milieux extérieurs et ses fonctions principales et de contraintes. a) Les limites du système Notre étude ne prendra en considération que les composants de base du poste HT/BT. Les connexions (fils et câbles) n ont pas été concernées par cette étude. b) Les situations de vie du système Les situations de vie du système étudié sont nombreuses et chacune d elle peut faire l objet d une étude Sdf et peut être elle-même décomposés en plusieurs phases. Chaque phase correspond à une configuration spécifique du schéma électrique du poste ou une séquence particulière du fonctionnement (par exemple le déclenchement d un disjoncteur ou la manœuvre d un sectionneur) mettant en jeu une combinaison d ouvrages remplissant chacun une fonction définie. Dans notre étude, nous considérons la phase d écoulement normal de puissance correspondante à la configuration de la figure 1. La puissance aux deux arrivées répartie sur les départs concernés selon un plan de répartition optimale des puissances mis en application par l exploitant du réseau électrique. c) Les milieux extérieurs et les fonctions du système 1) La recherche des milieux extérieurs pris en compte dans l étude se fait par les situations de vie du système données sur la figure 1 2) Une fois tous les milieux extérieurs ayant une liaison avec le fonctionnement du poste recensés il faut ensuite déterminer les fonctions du poste. Il y a deux sortes de fonction de service. - La fonction principale (FP1): détermine les raisons pour lesquelles le système a été crée.elle correspond à une relation entre deux milieux extérieurs. FP1 : Répartir le flux de puissance vers les demi-jeux de barre. C. Analyse fonctionnelle interne a) La décomposition fonctionnelle 34
Quatrième Conférence Internationale sur le Génie Electrique CIGE 10, 03-04 Novembre 2010, Université de Bechar, Algérie Le système global ou «Site» représentant le poste dans son environnement a été décomposé en deux sous systèmes : le poste 60/10KV et le milieu Extérieur, eux-mêmes décomposés en trois niveaux. L étude concerne l étage inférieur du découpage arborescent du système global dont les blocs sont montrés sur la figure 2 [8]. b) La décomposition fonctionnelle Les fonctions de services (fonctions principales et de contraintes) mises en jeu lors du fonctionnement du poste ont été identifiées à partir de l inventaire des milieux extérieurs en phase d écoulement normal de puissance dans le cadre de la mission considérée. Ces fonctions représentent le support des différents types d interaction exercés entre les blocs fonctionnels «feuilles» du système. L état de sortie d une fonction de sortie d un bloc «feuille» est le résultat d un polynôme logique dont les variables sont les états des fonctions d entrée de ce bloc et les états du bloc luimême. La réalisation des fonctions principales entrant dans le cadre de la phase et la mission de fonctionnement choisie se traduit par le réseau fonctionnel de la figure 3. V CALCUL DES INDICATEURS DU POSTE Le diagramme de fiabilité correspondant au système étudié pour la mission «Répartition optimale de la puissance sur les départs issue des arrivées A1 et A2» est donné sur la figure (4). La représentation du poste HT/BT lors de l accomplissement de la mission est sous forme de blocs en redondance, le diagramme normalisé affiche alors un bloc de couleur différente (jaune) des blocs de la modélisation (boite noire).ce bloc peut être visualisé sous la forme de la figure(5). Dans notre étude, l analyse des performances de la sûreté de fonctionnement s appuie sur les données de fiabilités (remis sur le poste par la SONELGAZ pour une mission de durée arbitraire d une année) permettant d estimer les taux de coupures et de réparation. Ainsi, pour des valeurs constantes des taux de coupures électrique et de réparation et une loi de répartition exponentielle des défaillances des composants, on peut calculer les indicateurs et les fonctions Fiabilité, Maintenabilité et Disponibilité du système à l étude. Les valeurs de ces derniers calculées pour des taux de coupures et de réparation pris sur les références [3], sont données dans le tableau 1. Données Valeurs Disponibilité 0,9991041 MTTF MTBF 1038,26305789 1040,26325139 MDT 1,00011524 MUT 1209,54378931 TABLEAU 1. Indicateurs FMD du poste HT/BT V. CONCLUSIONS Cet article présente l enchainement de différentes méthodes de sûreté de fonctionnement permettant de déterminer les coûts, méthodes et outils d'une maintenance appropriée au système afin d'optimiser son coût global. Une analyse fonctionnelle externe a permis de mettre en évidence les relations entre le poste électrique étudié et son milieu extérieur et de recenser toutes les fonctions de service et de contrainte. Une Analyse fonctionnelle Interne a permis de réaliser un modèle de fonctionnement du système tenant compte de tous les facteurs d influence internes et externes et d établir les liens fonctionnels entre les différents constituants dans le cadre de la phase de marche choisie. Sur la base de ce modèle, nous avons évalué les taux de pannes autrement dit de la fiabilité par la MTBF et les temps de réparation par la MTTR. Les résultats obtenus nous permettent une meilleure planification de la maintenance et réduction des pannes. Et enfin possession de données de base constituant de bons atouts pour la conception de l installation du poste électrique suivant (nouvellement ou remplacement). REFERENCES 1] Aguet, «Sûreté des grands réseaux électriques», Forum E Cité Genève- SIG, 2005. [2] H. Kateb, Analyse de fiabilité, maintenabilité, disponibilité (FMD) d un ensemble convertisseur machine tournante, CETSIS- EEA 99, 4 5 Novembre, 1999, Université Montpellier II, France. [3] A. Villemeur, Dependability of Industrial Systems (Eyrolles, Inc., 1988). [4] Sonelgaz reference, Laboratory SCAMRE- ENSET, Oran, Algeria. [5] M. Modarres, M. Kaminskiy, V. Krivtsoy., Reliability Engineering And Risk Analysis : A Practical Guide (Marcel Dekker, Inc., 1999). [6] M. Rausand, A. Hoyland. System Reliability Theory: Models, Statistical Methods and Applications (2nd Ed. New York, NY: John Wiley & Sons, 2003). [7] J. F. Espiritu, D. W. Coit, U. Prakash, Component criticality importance measures for the power industry, (Electric Power System Research 77 (2007) 407-420). [8] M. Laouer, S. Touahri, H. Kateb, A. Chaker, Modélisation d un réseau électrique en vue d une étude FMD (Fiabilité, Maintenabilité et Disponibilité), Symposium International sur la Maintenance et la maîtrise des risques à l E.N.I.M, Novembre 2-4,2006, Rabat, Maroc. [9] H.Benaicha, Analyse des stratégies de maintenance des systèmes de production, thèse de magister, ENSET, Oran,2002. 35
Flux de puissance à l arrivée A1 et A2 Agressions externes CDN: Centre de dispatching National/Contrôle Agressions interne Répartition optimale de puissance HT/BT 60/10KV Flux de puissance Fourni aux départs de la rame gauche 2 CDR/Commande Aléas de Consommation Aléas météorologique s Flux de puissance Fourni aux départs de la rame droite 2 Flux de puissance Fourni aux départs de la rame droite 1 Flux de puissance Fourni aux départs de la rame gauche 11 Fig1. Le poste HT/BT avec ses milieux exterieurs Fig2 : Décomposition matérielle du poste 36
Fig3 : Décomposition fonctionnelle du poste Fig4 : Diagramme de fiabilité relatif au poste 37
Fig5 : La boite noire du diagramme de fiabilité 38