Application de la norme IEEE 1584 dans les installations de production d'électricité

Dec 26, 2023

Un arc électrique est l'énergie explosive libérée lorsqu'un défaut électrique provoque un arc. Cette libération rapide d'énergie provoque des températures excessives en plus de l'air et du métal sur le chemin de l'expansion et de l'explosion de l'arc, entraînant des débris volants, du son, un rayonnement ultraviolet et l'émission de gaz dangereux.

Il est important que les responsables des installations de production d'électricité, ainsi que le personnel de maintenance et d'exploitation, comprennent comment les systèmes électriques fonctionnent dans des conditions de panne anormales pour améliorer la sécurité du personnel et la fiabilité du système. Il est également particulièrement important pour les installations de production d'énergie nucléaire de comprendre l'impact potentiel de ces événements sur les équipements liés à la sûreté.

1. S'il est nécessaire de travailler sur un équipement sous tension, les travailleurs doivent s'habiller pour la sécurité et la conformité au code. Les dernières recherches, basées sur des tests rigoureux, sont reflétées dans le guide IEEE 1584 mis à jour. Courtoisie : Eaton

Quel niveau d'équipement de protection individuelle (EPI) faut-il porter pour la sécurité ? Des travaux justifiés sur des équipements électriques sous tension se produiront dans diverses circonstances et les électriciens doivent s'habiller pour la sécurité et la conformité au code (Figure 1). Ils ont besoin de conseils basés sur les codes et les normes applicables, ainsi que de données en temps réel pour les aider à effectuer la maintenance nécessaire en toute sécurité.

Les événements d'arc électrique peuvent causer des dommages et des temps d'arrêt importants. En cas d'arc électrique, les gestionnaires d'installations ne peuvent pas simplement se rendre chez le détaillant à grande surface le plus proche pour se procurer un nouveau centre de commande de moteurs, un appareillage de commutation ou tout autre équipement de distribution électrique. Au lieu de cela, la fabrication, l'expédition et l'installation de nouveaux équipements pourraient prendre des mois. Dans l'intervalle, les temps d'arrêt se traduisent directement par une perte de production et peuvent avoir un impact négatif sur les résultats.

En outre, il est important de comprendre l'impact des événements d'arc électrique sur les équipements liés à la sécurité des installations de production d'électricité, en particulier les installations nucléaires. Le défi n'est pas seulement lorsque l'équipement lié à la sécurité subit un événement d'arc électrique, mais aussi la proximité et les dommages étendus à l'équipement lié à la sécurité, même dans le cas d'un événement dans un équipement qui n'est pas lié à la sécurité. Lorsqu'un arc électrique se produit, la zone d'impact peut s'étendre à d'autres équipements.

L'industrie électrique, en particulier les générateurs d'énergie nucléaire, est touchée par ce type d'événements et entraîne des changements dans la conception et l'installation des équipements. Par exemple, un événement survenu à la centrale nucléaire de Browns Ferry dans le comté de Limestone, en Alabama, en mars 1975 a modifié la conception des centrales nucléaires.

Un incendie de câble majeur dans la salle de propagation des câbles s'est produit à Browns Ferry, et plus de 600 des câbles brûlés contenaient des circuits pour l'arrêt en toute sécurité de l'un ou des deux réacteurs en fonctionnement. La perte en capital dans cet événement était de 10 millions de dollars, plus 200 millions de dollars pour payer l'électricité supplémentaire provenant d'autres sources pendant les 18 mois d'indisponibilité, selon la US Nuclear Regulatory Commission (NRC) et le Johns Hopkins APL (Applied Physics Laboratory) Technical Digest.

Les événements d'arc électrique, comme le montre l'incident de Browns Ferry, sont très destructeurs. Les leçons tirées des événements du monde réel et de la recherche ont changé l'industrie de la production d'électricité à bien des égards.

2. Le "Guide IEEE pour effectuer des calculs de risque d'arc électrique" IEEE 1584 est le document le plus largement accepté au monde pour quantifier l'énergie thermique incidente et la limite d'arc électrique associée aux défauts d'arc. Ceci est la couverture du document initial publié en 2002. Avec l'aimable autorisation de l'IEEE

Les dernières informations techniques sur les arcs électriques, l'énergie incidente et les arcs électriques à haute énergie (HEAF) sont importantes pour toute personne se trouvant dans une installation de production d'électricité, qu'il s'agisse d'une application de production de combustibles fossiles, nucléaire ou d'énergie alternative. Il existe de multiples efforts de recherche à l'échelle mondiale sur ce sujet, mais deux se démarquent particulièrement. Le premier est la recherche et le développement de la norme IEEE 1584 intitulée "Guide IEEE pour effectuer des calculs de risque d'arc électrique" (Figure 2). Le CNRC mène la seconde. Les événements récents vécus au sein de l'industrie nucléaire génèrent davantage de recherches et de discussions sur ce sujet pour mieux comprendre les événements HEAF.

Le guide IEEE 1584 a été et continue d'être le document le plus largement accepté au monde pour la quantification de l'énergie thermique incidente et de la limite d'arc électrique associée aux défauts d'arc. Le document est soutenu par plus de tests que toute autre norme.

IEEE 1584 a été initialement publié en 2002 et basé sur des tests qui ont été effectués pour générer des équations que l'industrie utilise pour calculer l'énergie incidente. (L'énergie incidente est définie comme la quantité d'énergie, à une distance prescrite de l'équipement, générée lors d'un événement d'arc électrique. Elle augmente à mesure que l'intensité du courant circulant dans le défaut et le temps d'élimination augmentent.) L'industrie était impatiente de comprendre ce sujet de l'énergie incidente pour aider tous les producteurs d'électricité à comprendre comment se préparer ou, espérons-le, atténuer et réduire l'impact des événements énergétiques incidents. Plus récemment, davantage de recherches ont été menées et une nouvelle norme IEEE 1584-2018 a été publiée l'année dernière.

Les dernières recherches sont basées sur près de 2 000 tests supplémentaires et ont de nouveau montré que l'analyse des arcs électriques n'est pas encore une science exacte. Ces nouvelles formules, basées sur des conditions variables sur le terrain, ont été développées pour établir un modèle de calcul amélioré. Des tests rigoureux ont donné lieu à plus de variables, ce qui signifie qu'il y aura plus de décisions à prendre de la part de personnes qualifiées effectuant des études sur les arcs électriques.

Une analyse d'Eaton indique que les courants d'arc augmentent en amplitude ainsi que les valeurs d'énergie incidente. Avec l'augmentation des courants d'arc, il y a plus de chance de réduire les temps de compensation, ce qui entraîne des valeurs d'énergie incidente plus faibles (Figure 3). Des temps de libération plus rapides pourraient être obtenus avec des courants d'arc plus élevés car les courants plus élevés ont une meilleure probabilité d'être dans la région instantanée des disjoncteurs ou la région de limitation de courant des fusibles.

3. Les systèmes actifs d'atténuation des arcs électriques détectent les arcs électriques et éliminent les défauts beaucoup plus rapidement que les approches traditionnelles. Par exemple, les transformateurs Arc-Reduction VFI (Vacuum Fault Interrupter) d'Eaton, illustrés ici, intègrent une intelligence puissante et une détection secondaire pour réduire considérablement l'énergie incidente dans l'équipement en aval, améliorant ainsi la sécurité lorsque des travaux sur un équipement sous tension sont nécessaires. Courtoisie : Eaton

Les valeurs d'énergie incidente plus élevées (calories par centimètre carré) sont influencées par quelques points de données clés, notamment la configuration des électrodes et la taille de l'enceinte dans laquelle l'événement d'arc se produit. Les dernières recherches aident l'industrie à mieux comprendre ce phénomène.

L'importance du type d'équipement et de la configuration des travaux d'autobus a un impact sur l'énergie incidente. Par exemple, les deux paramètres critiques que sont l'orientation du bus et la taille de l'enceinte peuvent être plus difficiles à déterminer sur des équipements plus anciens que sur des équipements plus récents, mais des outils de réussite sont disponibles.

L'industrie agit rapidement pour réagir. Les outils utilisés, y compris les applications logicielles de modélisation de système, ont été mis à jour pour implémenter les dernières nouveautés de l'IEEE 1584. Les fabricants s'efforcent également d'aider l'industrie à comprendre certains des paramètres clés associés aux équipements qui sont importants pour déterminer les courants d'arc et l'énergie incidente.

Une modélisation améliorée pour les applications extérieures (jusqu'à 15 kV) est particulièrement importante pour les services publics. IEEE 1584-2018 propose désormais une modélisation améliorée pour les équipements utilitaires extérieurs au moyen de nouvelles configurations d'électrodes telles que les électrodes verticales à l'air libre (VOA) et les électrodes horizontales à l'air libre (HOA). Ceux-ci représentent mieux les conditions de ces applications à haute tension.

Mais il est important de se rappeler que les centrales électriques ont des systèmes de distribution d'énergie similaires à ceux de nombreuses autres installations industrielles et que le reste des détails de la norme IEEE 1584-2018 s'applique toujours. Comprendre l'énergie incidente dans une installation est important pour la sécurité et la fiabilité. Les équations IEEE 1584-2018 fournissent une méthode pour analyser le système et déterminer l'énergie incidente.

Les événements d'arc électrique aux États-Unis et dans le monde ont accéléré la recherche autour des événements HEAF. Des événements HEAF se sont produits dans des centrales nucléaires américaines et étrangères. L'industrie des services publics nucléaires se rend compte que les HEAF ont le potentiel de causer des dommages importants aux équipements électriques, aux équipements adjacents et aux câbles. Ce dégagement d'énergie important peut agir comme une source d'inflammation des combustibles à proximité, entraînant un incendie, et pourrait potentiellement affecter les performances des structures, des systèmes et des composants à proximité importants pour la sécurité.

Le plan de test pour les événements HEAF couvrait une série de tests d'enceinte à petite échelle parrainés par le Bureau de recherche sur la réglementation nucléaire (RES) du CNRC et effectués au Sandia National Laboratories (SNL). L'effort et les tests sont bien documentés et sont disponibles pour un large public. Les groupes électrogènes peuvent apprendre beaucoup de toute recherche menée dans ce domaine.

Avec toutes les données et tous les outils dont dispose l'industrie, l'industrie peut mieux comprendre, planifier et concevoir des systèmes pour ce qui peut être attendu si un événement se produit. Les outils et la technologie sont disponibles pour atténuer ces événements grâce à des principes de conception de système qui aident à éliminer l'événement de l'équation.

Les domaines suivants sont des considérations essentielles pour réduire les dommages associés à la libération d'énergie dans un système électrique :

■ Dispositifs de protection contre les surintensités limitant le courant. Les solutions fusibles et disjoncteurs réduisent l'énergie lorsque le courant d'arc se situe dans la zone de limitation de courant de l'appareil.

■ Commutateur de maintenance de réduction d'arc. La capacité de tourner un interrupteur lorsqu'un travail sous tension justifié est en cours, plaçant le courant d'arc dans la région à action rapide du dispositif de protection contre les surintensités.

■ Systèmes actifs d'atténuation des arcs électriques. Un nouvel appareillage de commutation d'extinction d'arc peut réduire considérablement l'énergie incidente disponible et éteindre un arc plus de 10 fois plus rapidement que les approches traditionnelles, permettant à l'appareillage de résister à un événement d'arc électrique avec un minimum ou aucun dommage.

■ Équipement résistant aux arcs. Équipement qui contient et canalise l'énergie dans une direction planifiée si un événement se produit à l'intérieur.

■ Fonctionnement à distance. Que ce soit par le biais de communications réseau ou par l'utilisation de cordons ombilicaux, l'ouverture et même la fermeture à distance des dispositifs de protection contre les surintensités permet de placer le personnel dans des zones sûres.

■ Équipement isolé. Le bus isolé à l'intérieur de l'équipement aide à réduire la probabilité d'un événement.

■ Barrières d'équipement. L'ajout de barrières dans l'équipement pour couvrir les pièces sous tension exposées peut aider à réduire la probabilité d'un événement en réduisant la probabilité d'un contact accidentel.

4. Les disjoncteurs Power Defense équipés de la technologie Arcflash Reduction Maintenance Switch d'Eaton aident à réduire l'énergie incidente lorsqu'un travail sous tension doit avoir lieu. Le tableau de bord Power Xpert Dashboard Lite (PXDBL) d'Eaton, illustré ici, interagit avec les tableaux de distribution basse tension et les tableaux de distribution dans une variété d'applications. Courtoisie : Eaton

La technologie existe (Figure 4) pour reconnaître qu'un événement se produit et réduire le temps de compensation afin que l'événement ne produise pas les dommages historiquement associés au défaut. Parfois, la solution est aussi simple que de sélectionner un dispositif de protection contre les surintensités standard, de sorte que le système devient intrinsèquement limiteur de courant et parfois la solution est plus complexe.

Comprendre comment les systèmes électriques fonctionnent pendant une condition de panne, ainsi que les codes et normes pertinents, est essentiel pour améliorer la sécurité du personnel et la fiabilité du système. ■

—Thomas A. Domitrovitch est ingénieur électricien au sein de l'activité électrique d'Eaton. Il siège au comité de rédaction du code 2 de la National Fire Protection Association (NFPA) pour le développement continu du National Electrical Code (NFPA 70).

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