Comprendre le fonctionnement du commutateur de transfert

Jul 01, 2023

Objectifs d'apprentissage:

Lorsque l'alimentation électrique est interrompue, une panne du système d'alimentation n'est pas une option pour de nombreuses installations. Les systèmes d'alimentation de secours comportent de nombreux composants, y compris des commutateurs de transfert qui doivent être conçus correctement. Pendant les transitions de puissance, la synchronisation et la séquence du commutateur de transfert sont essentielles pour assurer le bon fonctionnement du système. Les ingénieurs-conseils doivent comprendre les types de commutateurs de transfert, les exigences de synchronisation, les valeurs nominales et les types de systèmes de secours où les commutateurs de transfert sont utilisés pour passer à l'alimentation de secours. Sauf indication contraire, la base de cet article est NFPA 70-2014 : National Electrical Code (NEC).

Fonctionnement de base du commutateur de transfert

Les commutateurs de transfert sont responsables de la transition de l'alimentation électrique de la source primaire vers une source secondaire en cas d'interruption, de maintenance ou de panne de la source primaire. La source principale est le plus souvent le service public. La source secondaire se compose généralement de la source d'alimentation de secours ou d'urgence. La séquence de fonctionnement se produit généralement comme suit :

Types de système de secours

Les types de systèmes de secours comprennent les systèmes d'urgence, les systèmes de secours légalement requis, les systèmes de secours en option, les systèmes d'alimentation des opérations critiques (COPS) et les systèmes qui prennent en charge les établissements de soins de santé (voir Figure 1).

Systèmes d'urgence (article 700 du NEC) : les systèmes d'urgence sont définis par la NFPA comme "destinés à fournir automatiquement de l'éclairage, de l'énergie, ou les deux, à des zones et des équipements désignés en cas de panne de l'alimentation normale ou en cas d'accident d'éléments d'un système destiné à fournir, distribuer et contrôler l'alimentation et l'éclairage essentiels à la sécurité de la vie humaine". Ces systèmes peuvent comprendre des systèmes de détection et d'alarme incendie, des ascenseurs, des pompes à incendie et un éclairage de sortie.

L'équipement de transfert, y compris les commutateurs de transfert, doit être automatique, identifié pour une utilisation d'urgence et approuvé par l'autorité compétente (AHJ). L'équipement de transfert doit être conçu et installé de manière à empêcher la connexion simultanée et par inadvertance des alimentations primaires et secondaires. L'équipement de transfert ne doit alimenter que les charges du système d'urgence. L'alimentation doit être transférée à la source secondaire en 10 secondes ou moins.

Systèmes de secours légalement requis (article NEC 701) : les systèmes de secours légalement requis sont définis par la NFPA comme "destinés à alimenter automatiquement des charges sélectionnées (autres que celles classées comme systèmes d'urgence) en cas de défaillance de la source normale". Ces systèmes peuvent comprendre des systèmes de chauffage et de réfrigération, des systèmes de communication, des systèmes de ventilation et de désenfumage et d'autres processus qui, lorsqu'ils sont arrêtés en cas d'interruption de la source primaire, pourraient créer des dangers ou entraver les opérations de sauvetage ou de lutte contre l'incendie.

L'équipement de transfert, y compris les commutateurs de transfert, doit être automatique, identifié pour une utilisation de secours et approuvé par l'AHJ. L'équipement de transfert doit être conçu et installé de manière à empêcher la connexion simultanée et par inadvertance des alimentations primaires et secondaires. L'alimentation doit être transférée à la source secondaire en 60 secondes ou moins.

Systèmes de secours optionnels (article NEC 702) : les systèmes de secours optionnels sont définis par la NFPA comme "destinés à alimenter des installations ou des biens publics ou privés où la sécurité des personnes ne dépend pas des performances du système". Ces systèmes peuvent inclure des systèmes de traitement de données et de communication, ainsi que des systèmes essentiels à la mission qui ne sont pas légalement requis par l'AHJ.

L'équipement de transfert, y compris les commutateurs de transfert, pour les systèmes de secours en option n'est pas limité aux mêmes exigences que l'équipement de transfert de système d'urgence et légalement requis. Cependant, l'équipement de transfert doit être conçu et installé pour empêcher la connexion simultanée et par inadvertance des alimentations primaires et secondaires. Il n'y a aucune exigence de code pour que l'alimentation soit transférée à la source secondaire dans un certain laps de temps.

Systèmes d'alimentation des opérations critiques (COPS) (article 708 du NEC) : les interruptions ou les pannes dans les zones d'opérations critiques désignées peuvent avoir un impact négatif sur la sécurité nationale, l'économie, la santé publique ou la sécurité. L'obligation de se conformer à l'article 708 du NEC est fournie par tout organisme gouvernemental compétent ou par une installation fournissant des documents établissant la nécessité d'un tel système. Ces systèmes peuvent inclure les systèmes d'alimentation, le CVC, l'alarme incendie, la sécurité et les communications dans ces zones. NFPA 1600-2013 : Standard on Disaster/Emergency Management and Business Continuity Programs contient des informations supplémentaires sur ce sujet.

L'équipement de transfert, y compris les commutateurs de transfert, doit être automatique et identifié pour une utilisation de secours. L'équipement de transfert doit être conçu et installé pour empêcher la connexion simultanée et par inadvertance des alimentations primaires et secondaires.

Types de commutateur de transfert

Les types de commutateurs de transfert comprennent les transitions ouvertes, fermées, fermées rapides, fermées douces et le contournement/isolement.

Commutateurs de transfert à transition ouverte : le transfert à transition ouverte est communément décrit comme « break-before-make ». Cela signifie que le commutateur de transfert se déconnecte de la source primaire avant d'établir la connexion à la source secondaire (voir Figure 2). Il y a une panne de système électrique de courte durée pendant cette transition. De plus, la transition ouverte, de par sa conception, ne permet pas la mise en parallèle des deux sources en même temps. Les commutateurs de transfert à transition ouverte sont le type le plus couramment utilisé. Ils sont moins chers que les autres options.

Commutateurs de transfert à transition fermée : le transfert à transition fermée est communément décrit comme "faire avant la coupure". Cela signifie que le commutateur de transfert crée une connexion à la source secondaire tout en étant connecté à la source principale (voir la figure 3). Lorsque la connexion à la source secondaire est établie, la source principale se déconnecte. Cela permet une source continue d'alimentation du système électrique car les deux sources sont mises en parallèle. Les sources parallèles (ou interconnectées) doivent être conformes à l'article 705 du NEC : Sources de production d'énergie électrique interconnectées, qui traite des exigences de sécurité de base liées au fonctionnement en parallèle des générateurs et des sources normales/primaires (généralement le service public).

Les commutateurs à transition fermée transfèrent lorsque les deux sources sont synchronisées en phase, tension et fréquence. La durée de la période de synchronisation pendant laquelle les deux sources sont mises en parallèle est généralement limitée par l'accord et les exigences d'interconnexion de l'entreprise de services publics.

Commutateurs de transfert à transition fermée rapide : Les commutateurs de transfert à transition fermée rapide utilisent une mise en parallèle momentanée des sources (généralement moins de 100 ms) à l'aide d'un système de contrôle similaire au système de commutateur de transfert à transition ouverte. Certains commutateurs de transfert à transition fermée rapide utilisent la synchronisation passive pour détecter la relation de phase entre les deux sources sous tension (en cas de mise en parallèle) et permettre l'interconnexion des sources lorsqu'elles sont synchronisées. Ceci est considéré comme passif car il n'y a pas de contrôle direct sur la fréquence du générateur et les sources sont mises en parallèle pendant une si courte durée. Bien que l'intention ne soit pas de mettre les sources en parallèle pendant une période prolongée, les fournisseurs de services publics exigent généralement une protection de relais d'inversion de puissance pour protéger leurs systèmes d'un fonctionnement en parallèle prolongé. Les commutateurs à transition fermée rapide sont plus chers que les commutateurs à transition ouverte mais moins chers que les commutateurs à transition fermée douce.

Commutateurs de transfert à transition fermée douce : Les commutateurs de transfert à transition fermée douce utilisent un synchroniseur automatique pour permettre au générateur de se synchroniser avec le service public et de transférer les charges. Le temps de transfert peut varier de quelques secondes à plusieurs minutes, généralement en fonction des exigences du fournisseur de services publics. Au cours de ce processus, il y a une durée prolongée de fonctionnement en parallèle entre les deux sources. Ainsi, les perturbations de tension et de fréquence sont généralement réduites en raison du transfert progressif des charges entre les sources. Semblables aux commutateurs à transition fermée rapide, les fournisseurs de services publics exigent généralement un niveau plus élevé de protection des relais et des approbations pour mettre en œuvre ce type de système.

Commutateurs de transfert de dérivation/d'isolation : comme leur nom l'indique, des capacités de dérivation ou d'isolation peuvent être fournies aux systèmes de transfert répertoriés ci-dessus pour contourner les principaux composants du commutateur de transfert sans interrompre l'alimentation de l'installation. Le composant de commutation secondaire offre une redondance inhérente et augmente la fiabilité. Cela permet la maintenance du commutateur de transfert sans arrêter l'équipement également. Les capacités de dérivation/isolation sont généralement spécifiées pour les équipements hautement critiques ou les charges continues où une perte de puissance est préjudiciable aux performances de l'installation ou des opérations.

Cependant, les capacités de contournement/isolation ajoutent généralement un coût important au système et ajoutent des exigences d'espace supplémentaires pour accueillir l'équipement supplémentaire.

Appareillage de mise en parallèle

L'appareillage de commutation en parallèle est généralement utilisé pour combiner plusieurs sources d'alimentation (généralement deux générateurs ou plus) et se connecter à un bus commun pour utiliser la capacité globale des sources (voir la figure 4). Les sources d'alimentation doivent être synchronisées là où la fréquence, la tension, l'angle de phase et la rotation de phase sont dans les limites prescrites et les sources peuvent être mises en parallèle. L'appareillage de commutation en parallèle peut utiliser des disjoncteurs motorisés et des contrôleurs logiques programmables pour faire fonctionner et hiérarchiser les charges de distribution, et, en tant que telle, cette configuration peut ne pas nécessiter de commutateurs de transfert autonomes pour transférer les charges. Cependant, certains AHJ peuvent nécessiter des commutateurs de transfert séparés pour les charges dictées par les articles 700 et 701 du NEC pour une séparation complète des systèmes ; l'AHJ doit être consulté pour les configurations de système acceptables et approuvées. La maintenance et les priorités de la charge peuvent être établies pour garantir que les priorités les plus élevées, telles que les charges de secours d'urgence, légalement requises et facultatives, reçoivent une alimentation de secours/de secours dans des délais spécifiés pour se conformer aux exigences de transfert.

Des charges non essentielles peuvent également être fournies avec des étapes prioritaires dans le cas où il y a une capacité disponible supplémentaire sur le système de secours après que les priorités plus élevées susmentionnées ont été traitées. Les systèmes de commutation en parallèle peuvent généralement être programmés pour fournir de nombreuses fonctions sophistiquées, telles que le délestage, le déchargement du générateur, les transferts progressifs des services publics, la mesure de haut niveau et les fonctions de maintenance de la charge. Cependant, ces fonctions peuvent augmenter considérablement les coûts et nécessitent généralement un niveau plus élevé de personnel d'exploitation technique pour les maintenir tout au long de leur durée de vie.

Fonctionnement du commutateur de transfert

Le fonctionnement du commutateur de transfert se produit sur la base des processus d'initiation et de transfert. Le processus d'initiation est ce qui identifie que le transfert doit avoir lieu. Cet événement peut consister en une perte ou une tension incohérente de la source primaire. Le transfert est le processus de transfert de charge de la source secondaire ou alternative, et vice versa.

Automatique : En mode automatique, le contrôleur du commutateur de transfert gère l'ensemble du processus et l'initiation commence lorsque le contrôleur détecte une perte de la source primaire. Le contrôleur surveille la tension de la source et envoie une commande aux générateurs pour qu'ils fonctionnent lorsque la tension tombe en dessous d'une limite prédéfinie pendant une période de temps prescrite. Le contrôleur surveille également la tension et la fréquence de la source secondaire, et lorsque ces valeurs sont dans des limites acceptables, le commutateur transfère la charge de la source primaire à la source secondaire. Lorsque la source primaire a été rétablie pendant une durée prescrite pour assurer la stabilité, le commutateur peut automatiquement retransférer la charge vers la source primaire. La plupart des charges critiques et de sécurité des personnes nécessitent un fonctionnement automatique tel que défini par le NEC.

Non automatique : en mode non automatique, le commutateur de transfert est déclenché manuellement par un opérateur, puis un dispositif interne au sein de l'équipement de commutation actionne le commutateur de transfert par un fonctionnement électrique. L'opérateur a la capacité de déterminer quand initier le transfert de charge, mais l'opération de transfert réelle est actionnée électriquement.

Manuel : En mode manuel, l'ensemble du processus est effectué manuellement par un opérateur. Il n'y a généralement pas de contrôleur, d'équipement de détection de tension ou de mécanisme électrique utilisé pour faire fonctionner le transfert de charge. Les commutateurs manuels sont les types de commutateurs de transfert les plus élémentaires et sont courants dans les installations ou applications non critiques.

Construction du commutateur de transfert, exigences de performance

Les codes et les normes, tels que UL 1008-8 : Transfer Switch Equipment, UL 1008A-1 : Standard for Medium-Voltage Transfer Switches et NFPA 110-2016 : Standard for Emergency and Standby Power Systems fournissent des exigences de construction et de performance pour les commutateurs de transfert.

UL 1008 : UL 1008 est la norme la plus couramment appliquée et adoptée pour traiter la construction et les tests de commutateurs de transfert aux États-Unis. Cette norme s'applique aux commutateurs de transfert automatiques, manuels ou non automatiques, à transition fermée, hybrides, à pompe à incendie, aux commutateurs de dérivation/d'isolement et à plusieurs autres. Cependant, cette norme ne traite pas spécifiquement des interrupteurs dont la tension nominale est supérieure à 600 V.

UL 1008 comprend des exigences qui traitent de la construction et des performances de l'équipement du commutateur de transfert. Les exigences de construction de la norme incluent, mais sans s'y limiter, l'équipement de l'enceinte, le câblage sur site et interne des composants et l'installation de l'équipement.

Les exigences de performance et de test incluent, mais sans s'y limiter, les tests de résistance et de fermeture, de surtension/sous-tension, de surcharge, de température et d'endurance. Ces tests et exigences de construction démontrent que l'équipement du commutateur de transfert doit être fiable et fiable lorsque l'opération de transfert est nécessaire.

UL 1008A : De même, UL 1008A contient des exigences pour les commutateurs de transfert automatiques, non automatiques et manuels avec un fonctionnement supérieur à 750 V et jusqu'à 46 kV. Les exigences de la norme couvrent le commutateur de transfert et les dispositifs de commande et relais associés.

NFPA 110 : La norme NFPA 110 est couramment appliquée et adoptée aux États-Unis. Le chapitre 6 de la norme comprend des exigences pour les équipements de commutation de transfert. Les exigences de la norme relatives aux fonctions de commutateur de transfert automatique (ATS) précisent que leurs capacités doivent inclure :

Le chapitre 6 exige également que "le commutateur de transfert soit capable de supporter le courant de défaut disponible au point d'installation". De plus, "le commutateur de transfert doit avoir un courant nominal continu et un pouvoir d'interruption pour toutes les classes de charges à desservir." La puissance électrique du commutateur de transfert doit être dimensionnée de manière appropriée pour la charge totale connectée.

La norme NFPA 110 comprend des exigences pour la surveillance de la source, telles que les dispositifs de détection de sous-tension, pour surveiller toutes les lignes non mises à la terre de la source primaire, les équipements de détection de tension et de fréquence pour surveiller une ligne non mise à la terre et pour garantir que le transfert vers la source secondaire est inhibé jusqu'à ce que la tension et la fréquence soient dans les limites spécifiées.

Des dispositifs de temporisation sont fournis pour retarder le processus de transfert afin d'éviter un démarrage intempestif et un transfert de charge basé sur des baisses de puissance transitoires ou des perturbations momentanées de la source primaire. Un dispositif de temporisation réglable doit être fourni pour retarder le processus de transfert de charge afin d'éviter une chute de tension excessive du système pour une utilisation où la panne de fonctionnement de l'équipement pourrait entraîner des blessures ou la mort. De plus, un autre dispositif de temporisation réglable (avec dérivation automatique) doit être prévu pour retarder le transfert de la source secondaire (généralement l'alimentation de secours) à la source primaire et permettre à la source primaire de se restabiliser.

Rester au pouvoir

Comprendre la construction des commutateurs de transfert et les exigences de performance, en plus de sélectionner les types de commutateurs de transfert appropriés et le fonctionnement souhaité pour les systèmes de secours spécifiques desservis, aidera à garantir que les systèmes et équipements critiques sont alimentés par une alimentation de secours fiable lorsqu'ils sont nécessaires.

Ryan Ishino est directeur associé de l'électricité pour le bureau du comté d'Orange chez JBA Consulting Engineers à Irvine, en Californie. Il a de l'expérience dans plusieurs secteurs de marché, notamment l'hôtellerie, le commerce, les soins de santé, l'éducation et la conception d'usines centrales.

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