mu LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE Architecture, conception et protection des réseaux de distribution Mots-clés Navire tout électrique, Réseaux électriques de distribution, Protection. par Jean-Paul ORREL, chneiderelectric Industries A Les navires tout électriques demandent un soin particulier dans la conception de réseaux, mais aussi dans le choix des composants et équipements électriques qui doivent être développés, testés et qualifiés pour les environnements industriels et marins les plus difficiles.. Introduction En raison de l'accroissement des performances des matériels propulsifs (moteurs à aimants permanents et convertisseurs statiques), il est nécessaire de proposer une solution offrant le maximum d'opérabilité et de garanties au concepteur et à l'exploitant du navire en prenant en compte : - mode d'exploitation du réseau afin de répondre aux aspects vulnérabilité, disponibilité, - choix du niveau de tension afin de répondre aux performances imposées par le réseau, - bases du plan de protection réseau, - choix du régime du neutre, - axes de développements futurs. Nous retiendrons dans le cadre de cette étude les caractéristiques dimensionnelles d'une frégate : - une génération d'électricité de 50 MW, soit deux turbines à gaz de 22 MW (GI, G3) et deux diesels de 3 MW (G2, G4), - deux moteurs de propulsion de 20 MW chacun (Ml, M2), - une distribution électrique du bord en 4 zones, alimentée par deux transformateurs (Tl, T2) ou deux générateurs (G5, G6) de,5 MW chacun, - un réseau 60 Hz. 2. Architecture réseau Le schéma en figure présente une vulnérabilité faible de par : - ta séparation physique des tableaux I et 2, - les possibilités d'alimentation et de ré-alimentation du réseau de distribution et de propulsion, - la symétrie des bords côtés propulsion ou distribution, - la faible longueur des câbles entre zones étanches, - le nombre réduit d'interconnexions, - une implantation optimum des matériels pour réduire les distances inter-équipements, - la facilité d'augmenter la disponibilité du réseau propulsion en ajoutant des traverses entre les tableaux Ml & M2. NOPI. Les architectures relatives au Navire Tout Electrique (NTE) nécessitent une forte puissance propulsive. Les navires marchands et plus particulièrement les navires militaires demandent une faible vulnérabilité, une grande fiabilité et disponibilité, une maintenance simplifiée et des modes d'exploitation simples.. Ces contraintes convergent vers un schéma unifilaire optimum évolutif. Configuration du réseau, choix de la tension, établissement des bases du plan de protection, régime du neutre en HT sont les principales étapes de la phase de conception.. The design of all-electric ships calls for high power levels in the propulsion systems. Merchant ships and especially naval vessels demand rugged, reliable propulsion systems with high availability, low maintenance and ease of operation.. These constraints imply the choice of an optimized single winding system. The design of the network topology and protection system, and the choice of operating voltage and HT neutral configuration are the main steps in the design. N- 9
G G2 G3 G4 si I 2 îj'l <'L 2-T-rr u u MEMMUEMM Conf. 0 0 Conf. 2 0 0 Conf. 3 0 0 Conf. 4 0 T M G5 T2 G6 m M2 Tableau : Réseaux HT (couplé HTC, séparé HT) et BT (boucle ouverte BTO oufermée BTF). 90=. Quai alim. BT/HT 0 0 3 ss 7 9 BT alimente la HT 0 0 54 50 Phase de couplage 0 HT alimente la BT 0 0 4 6 8 sio HT & BT seule ou en parallèle 0. chéma unifilaire. Tableau 2 : Choix des modes d'alimentation (HT ou BT) et arrivée quai. Remarque : les transformateurs (Tl, T2) ou les générateurs (G5, G6) alimentent respectivement deux tableaux de la même zone, chacun de ces tableaux peuvant alimenter une zone complète. 3. Mode d'exploitation Les modes d'exploitation du navire sont identifiés par les configurations quai, manoeuvre, transit, mouillage et configuration combat pour un navire de guerre. A ces différents modes correspondent des configurations du réseau électrique afin d'exploiter au mieux les capacités du réseau et de mettre le navire dans des configurations sûres. La structure du réseau permet les configurations suivantes : - configuration HT couplée, - configuration HT en bords séparés, - configuration HT alimentée depuis le réseau BT, - configuration HT alimentée depuis le réseau BT et l'arrivée quai, - configuration BT en boucle fermée alimentée depuis le réseau HT, - configuration BT en boucle ouverte alimentée depuis le réseau HT, - configuration BT et HT couplée avec leurs sources en service. ur la base des configurations ci-dessus, il est possible de réduire à 4 modes de conduite principaux auxquels il faut ajouter la gestion de l'arrivée quai. Remarques : - la mise en parallèle des générateurs HT et BT n'est possible que si les réseaux sont entièrement couplés ou totalement ouverts, - l'arrivée quai se fait sur 2 tableaux BT (5, IO) pour simplifier les liaisons vers les générateurs BT (G5, G6). 4. Performances et tension réseau 4. Performances réseaux L'étude des courants de défaut maximum (Tableaux 3 et 4) permet de choisir l'appareillage et les seuils de protection en considérant les seuils minimum des courants de défaut (Icc bi-phasé en prenant soin de tenir compte de la forte asymétrie due à la présence des générateurs). 4.2 Choix de la tension L'objectif est d'éviter la mise en place de transformateurs de propulsion lourds et volumineux. Le choix de la tension à 6,6 kv, 60 Hz est un compromis entre tenue aux courants de court-circuit de l'appareillage, évolutivité en puissance et faisabilité des convertisseurs statiques de puissance (la tenue en tension des convertisseurs est aujourd'hui voisine de 4 kv et prochainement HT & 3TO 2lkA 4 ka HT & BTF 2 ka 36 HTC & BTO 42 k77 HTC & BTF 44 ka 90 ka 8 kv). < ese u Tableau 3 : Réseau BTaliinenté depuis la HT. A ka 40 ka HT && BTO BTO <IkA 4 ka <ka 4 ka HT & BTF <,5 ka 26 ka HTC & BTO <,5 ka 22 ka HTC & ETF <,5 ka 26 ka Tableau 4 : Réseau HT alimenté depuis la BT. N. 9
Dossïer LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE Pouvoir de coupure disjoncteurs ti 50 ka ka, 00 ka p - 50 ka k 440 V 690 V 2 kv 2. Performance appareillage. Puissance installée (MW) 20 " d 8% ront les dégâts sur les matériels et par-là les coûts de remise en état et d'indisponibilité du navire. Principales protections à mettre en oeuvre : Protection générateur : - maximum de courant (ANI 5), - image thermique (ANI 49), - protection différentielle (ANI 87G), - retour de puissance active (ANI 32P), - perte d'excitation (ANI 32Q, 40), - surveillance thermique des bobinages et paliers (ANI 38,49T), - minimum et maximum de tension (ANI 27 & 59), - minimum et maximum de fréquence (ANI 8). Protection transformateur : - maximum de courant (ANI 5 ), - image thermique (ANI 49), - protection différentielle (ANI 87T). 00 80 X " d 5% 40 X " d 3% Protection convertisseur de propulsion : - maximum de courant (ANI 5). 5.2 Tableau HT et BT 40 20 a- 4,6 6,6 lkv 3. Puissance installée admissible. O - Protection différentielle barres (ANI 87B), - minimum et maximum de tension (ANI 27 & 59), - minimum et maximum de fréquence (ANI 8), - contrôle de synchronisme (ANI 25). Les seuils des protections en tension et en fréquence sont réglés pour intervenir avant les protections générateurs pour éviter la perte d'un tableau. i.no Iill,',iÎ4 p0 0 a'8 'V9rii 0 - li 0. " 0 III'!. ï,ï * p ;,.'ivlwl' 7,2 kv 50 ka/l s 630/5000 A 2 kv 50 ka/is 630/5000 A Tableau 5 : Appareillage disponible en HT. Les figures 2, 3 et le tableau 5 représentent les performances des disjoncteurs ou générateurs (X " d) suivant différents critères caractéristiques de l'installation. 5. Bases du plan de protection 5. Réseau HT La protection du réseau est classique, seule la ré-alimentation de ce réseau depuis la BT impose des seuils de déclenchement bas. Cependant, en raison de la faible vitesse du navire dans cette configuration, la puissance propulsive reste limitée à MW environ, soit des courants inférieurs à 50 A par moteur. Il est possible, avec les relais numériques epam, de reconfigurer dynamiquement les seuils de protections. Il est intéressant de mettre en oeuvre des protections différentielles sur les composants principaux car sur défaillance dans la zone surveillée, la protection différentielle présente l'avantage d'être instantanée et indépendante des autres protections en termes de sélectivité. Ces protections rédui- 5.3 Réseau BT La boucle BT autorise un fonctionnement en boucle fermée ou ouverte. ur défaillance en boucle fermée, l'ouverture de la boucle se fera en isolant la zone défectueuse mais aussi en isolant une seconde liaison en respectant la symétrie du réseau (modulo 4 zones). Il sera ainsi possible d'alimenter chaque demi-bord depuis un transformateur ou depuis un générateur BT. 5.3. Boucle BT fermée Dans ce mode d'exploitation, plusieurs sources alimentent la boucle. Les protections sont sollicitées soit par un courant de défaut traversant la zone surveillée dans un sens ou dans l'autre si le défaut n'est pas dans cette zone, soit par un cou- i 87 Àk ÀL LI7j 87 4. Protection différentielle câble. N 9
i Il Z% n --- ----- 67L 67 67 ---- '- 67 -- <. - 67 > 67 e : i+2 A - " 7% si.4- i+2 Il - ; * - n %,- ÀL --- -------- i---------- ---À'L- l'' 67 67 :"'j i4% _U - IL. -in&- : & i---------------- : --- -*--l 5. Protection directionnelle avec attente logique sur la boucle. rant de défaut qui converge vers le point de court-circuit lorsque le défaut est dans la zone surveillée. La nature du réseau nécessite donc la mise en place de protections différentielles ou directionnelles (figures 4, 5 et 6). 5.3.2 oucie T ouverte Dans ce mode d'exploitation, une ou plusieurs sources " amont " alimentent le /2 bord considéré. Les protections sont sollicitées soit par un courant de défaut traversant la zone surveillée si le défaut n'est pas dans cette zone, soit par un courant de défaut qui converge vers le point de courtcircuit lorsque le défaut est dans la zone surveillée. Il est cependant impossible, par la multiplicité des configurations des sources, d'identifier " l'amont de l'aval ". La nature du réseau nécessite ainsi la mise en place de protections différentielles, directionnelles ou maximum de courant avec attente logique (figure 4, 5, 6 et 7). De plus il sera nécessaire d'ouvrir les deux disjoncteurs qui encadrent la zone défectueuse pour assurer une reconfiguration sûre du réseau de bord. La présence des liaisons inter-relais implique une logique d'attente implantée dans chaque relais de protection. Pour une protection directionnelle, cette attente est comprise entre 00 et 200 ms. 5.3.3 Mode de défaillance La défaillance de liaisons d'attente logique nécessite une redondance de filerie, une surveillance de ces liaisons, une commande à manque et une logique de décision afin de choisir entre l'ouverture ou la fermeture du disjoncteur associé au relais. ur défaillance des liaisons courant, la protection différentielle (haute impédance) déclenchera ; il est donc nécessaire de lui adjoindre une surveillance du courant capteur afin d'éviter un déclenchement intempestif et une protection à maximum de courant sera installée comme protection de secours. ur défaillance du relais de protection, la protection directionnelle (figure 5) présente l'avantage d'intégrer une protection de secours en raison de la présence des liaisons d'attente logique. En effet le relais suivant la protection défaillante sera actif et assurera la disparition du défaut. 6. Protection directionnelle avec attente logique sur zone surveillée.,, n n - : r : 5 5 'l ---- : --H : :. - : i i Uxor : : : : 'Xor Xor ' Xor :.---l ----------------- 7. Protection boucle ouverte avec attente logique sur zone surveillée. 6. Régime du neutre en HT 6. Neutre isolé Une installation. - à neutre isolée nécessite une surveillance permanente de l'isolement, une signalisation au premier défaut, une recherche et élimination du défaut, une coupure immédiate au deuxième défaut. La surveillance d'isolement peut être faite par une protection à maximum de tension résiduelle (ANI 59N) et par un contrôleur permanent d'isolement. Lors d'un défaut phase/terre, la tension des deux phases saines par rapport à la terre prend la valeur de la tension composée (non-déclenchement au premier défaut). Il faut donc renforcer l'isolation des matériels. Il y a des risques de surtension d'origine interne élevée (amorçage HT/BT), ce qui impose d'ajouter des limiteurs de surtension entre le neutre et la terre. Il y a des difficultés de mise en oeuvre des protections à maximum de courant terre directionnel (67N) dû aux faibles valeurs des courants capacitifs ( à 3 A max.). En effet la sensibilité des capteurs de courant n'est pas satisfaisante 6.2 Neutre résistant Une installation à neutre mis à la terre par une résistance limite le courant de défaut, amortit les surtensions d'origine interne, réduit le niveau d'isolement des matériels et permet généralement l'utilisation de protections sélectives simples ; il est nécessaire d'installer un contrôleur permanent d'isolement. Le courant est limité à un maximum de 5 A. Deux cas sont envisageables à bords. N'9
LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE G G2 G3 G4 f G H4'c L L - 4-.00 GH 4 ÎGH si l 4 2' Tl M M2 8. chéma avec mise à la terre par générateur homopolaire et surveillance des départs. 6.2. Mise à la terre par résistance raccordée au point neutre des générateurs et transformateurs Des protections type IN installées sur les résistances de terre et 67N sur les liaisons de couplage, arrivées et départs des tableaux HT assurent la protection sur défaut phaseterre. Cependant la sensibilité en courant des protections 67N remet en cause cette solution suivant les calibres des capteurs de courant. 6.2.2 Mise à la terre par résistance raccordée au générateur homopolaire Ce type de matériel permet d'assurer une continuité de service au premier défaut et un déclenchement au second. Une intervention opérateur ou une recherche automatique est nécessaire après la signalisation du premier défaut. Pour cela, chaque arrivée, traverse ou départ HT, sera équipée ed'un tore qui mesure le courant capacitif sur les départs sains ou le courant du générateur homopolaire plus le courant capacitif du départ défectueux. Un générateur homopolaire (GH) est installé par tableau. Un organe de coupure assure la déconnexion du générateur homopolaire de façon à assurer la présence d'un seul générateur sur le réseau HT lors de la marche en bords couplés (HT ou BT). 7. Futurs développements Cette étude est basée sur des produits existants qui nécessitent uniquement une navalisation à l'environnement militaire et des développements dédiés sur les capteurs de courants. T2 ce En effet, les contraintes de chocs sont à vérifier sur les tableaux MCset pour tenir un environnement de 5g /2 sinus ms, alors qu'ils ont subi avec succès les tests vibratoires marine marchande ou tenue aux séismes. La classe de précision et le facteur limite de précision des capteurs de courant sont à prendre en compte en fonction des protections utilisées. Les protections directionnelles de terre et les mesures du courant homopolaire restent des problèmes délicats en raison des faibles courants à mesurer ou des fortes sections de câbles utilisées pour la mise en place de tores. L'utilisation de capteurs amagnétiques déjà utilisés à la place de capteurs ferro-magnétiques classiques depuis plus de 0 ans doit pouvoir trouver des applications du type tore et par là remplacer à terme capteurs unipolaires et tores. 8. Conclusion La présente étude montre la faisabilité de mise en oeuvre d'une solution tout électrique par le choix de composants et équipements développés, qualifiés et testés pour les environnements industriels les plus difficiles. Cette architecture présente aussi de forts critères d'évolutivité car le remplacement ou l'ajout de convertisseurs statiques assurera une séparation galvanique, harmonique, voire fréquentielle, entre les deux réseaux. Cette démarche assure au concepteur et à l'exploitant des critères importants tels que la durée de vie des équipements, la faible indisponibilité du navire due à une défaillance matérielle, la sécurité des biens et des personnes déjà démontrée par une longue expérience industrielle et marine. Les auteurs Jean-Paul ORREL, diplômé de l'institut National Polytechnique de Grenoble, a travaillé pour de grands projets à composantes électrotechniques et automatismes puis rejoignit Merlin Gerin en 983 comme responsable de projet pour des affaires industrielles ; puis il s'occupa de l'activité marine où il fut responsable des systèmes électriques de propulsion comprenant la distribution de puissance, les protections et le contrôle - commande de sous-marins ou bâtiments de surface. Il est maintenant en charge de développement, d'anticipation et d'expertise pour les activités marines et industries. W9