Défis

1. Architecture électrique AC et DC complexe

• Présence de multiples modules d’onduleurs (UPS), armoires de batteries, unités de distribution électrique (PDU) et alimentations moyenne tension.

• Nécessité de modéliser avec précision les systèmes AC et DC, y compris les composants non linéaires.

2. Problèmes de coordination des relais de protection

• Manque de sélectivité entre les relais du réseau public et les relais du site.

• Fonctions de défaut à la terre pratiquement inopérantes en raison d’une mise à la terre par haute résistance.

3. Environnement DC à haut risque d’arc électrique

• Résultats initiaux d’analyse d’arc électrique DC supérieurs à 125 cal/cm² avec la méthode de la puissance maximale (Maximum Power Method).

• Mauvaise identification du type de sectionneur de batterie et protection interne insuffisante contre les effets d’arc.

4. Multiples modes d’exploitation

• Analyse requise pour différentes configurations : fonctionnement normal, alimentation de secours et fonctionnement sur groupes électrogènes.

• Nécessité de valider la sécurité d’exploitation dans l’ensemble des scénarios de fonctionnement.

Applications utilisées

ETAP a été utilisé pour réaliser :

• L’évaluation des courants de court-circuit et de la tenue des équipements

• La coordination des dispositifs de protection (courbes temps-courant – TCC)

• L’analyse des risques d’arc électrique AC (IEEE 1584-2018)

• L’analyse des risques d’arc électrique DC (NFPA 70E-2018 ; méthode de Stokes & Oppenlander)

• La modélisation du jumeau numérique pour la validation de différents scénarios d’exploitation

Dans le cadre de ce projet, Shermco a réalisé des études de court-circuit et de tenue des équipements, de coordination des dispositifs de protection ainsi que des analyses d’arc électrique en courant alternatif (AC) et en courant continu (DC). Les calculs d’arc électrique AC et DC ont été effectués conformément aux normes IEEE 1584 et NFPA 70E.

L’analyse a également porté sur l’infrastructure existante de distribution alimentée par les onduleurs (UPS) et leurs différents modules. Le modèle a été élaboré dans ETAP à partir des données techniques fournies par le client ainsi que des documents de référence du système existant.

La modélisation a intégré le réseau de distribution moyenne tension et les sources d’alimentation de secours, avec plusieurs configurations d’exploitation afin de prendre en compte les différents schémas de commutation disponibles sur le site. Cette approche a permis de valider le comportement du système dans l’ensemble des scénarios de fonctionnement envisagés.

Principaux bénéfices pour le client

1. Modélisation précise des courts-circuits dans toutes les configurations d’exploitation

Le jumeau numérique ETAP a permis de modéliser les chemins d’alimentation moyenne tension en fonctionnement normal et de secours, afin d’évaluer les contraintes électriques subies par chaque module UPS, PDU et départ. Les analyses ont confirmé que l’ensemble des équipements disposait d’un dimensionnement adapté aux niveaux de défaut calculés.

2. Identification des problèmes de coordination des protections et définition d’un plan d’amélioration

Les études de coordination ont mis en évidence des intervalles de temps insuffisants entre les relais du réseau de distribution et les relais du site. Les outils TCC d’ETAP ont permis de visualiser rapidement les défauts de sélectivité et de définir des réglages de protection optimisés à mettre en œuvre lors de la prochaine fenêtre de maintenance.

3. Validation des limites de sécurité liées au risque d’arc électrique AC

Pour l’ensemble des modes d’exploitation étudiés, l’énergie incidente est restée inférieure à 40 cal/cm², confirmant que les opérations de maintenance pouvaient être réalisées dans des conditions de sécurité conformes aux catégories d’EPI standard.

4. Résolution d’un risque critique d’arc électrique DC

ETAP a révélé que la configuration interne des armoires de batteries ainsi que le type de sectionneur utilisé généraient des niveaux extrêmement élevés d’énergie incidente :

• Résultat initial : environ 125 cal/cm² (méthode Maximum Power)
• Résultat affiné : environ 22 à 23 cal/cm² (méthode de Stokes & Oppenlander)
• Solution recommandée : moins de 1,2 cal/cm² après remplacement des sectionneurs par des modèles HLDC

Ces résultats n’auraient pas pu être obtenus sans les capacités avancées de modélisation DC et les différentes méthodes de calcul disponibles dans ETAP.

5. Amélioration des spécifications techniques et de la sécurité à long terme

Les recommandations d’ingénierie formulées comprenaient :

• Le remplacement des sectionneurs LGDC par des modèles HLDC à déclenchement instantané fixe.
• L’intégration d’exigences d’achat imposant la manœuvre des sectionneurs avec les capots de protection en place.
• La mise à jour des critères de conception pour les futures installations d’UPS et d’armoires de batteries.

6. Rationalisation du processus d’étude et gains de temps considérables

Avant ETAP, les études nécessitaient environ :

• 45 heures pour les calculs de court-circuit
• 85 heures pour les études de coordination des protections
• Plus de 130 heures pour la consolidation manuelle des analyses d’arc électrique

Grâce à ETAP et à son environnement unifié de modélisation, de simulation et d’analyse, plus de 260 heures d’ingénierie ont été économisées tout en améliorant la précision, la cohérence et la traçabilité des résultats.

Conclusion

L’environnement de modélisation numérique ETAP a fourni une vision complète du système électrique du centre de données, permettant d’identifier des problèmes critiques de coordination des protections ainsi qu’un risque majeur d’arc électrique DC que les méthodes traditionnelles n’avaient pas détecté.

Les résultats ont permis :

• Une évaluation précise des risques.
• L’optimisation des stratégies de protection.
• La définition de spécifications d’équipements plus sûres pour les futures extensions du site.

Grâce à ETAP, l’équipe d’ingénierie a pu valider chaque scénario d’exploitation avec confiance, garantissant à la fois la conformité réglementaire, la sécurité des intervenants et la fiabilité à long terme des installations.

Point de vue du client

ETAP nous a permis de modéliser avec précision l’architecture électrique à grande échelle du projet d’extension, y compris le réseau de distribution moyenne tension et les systèmes de batteries. ETAP nous a fourni des informations déterminantes qui ont directement influencé les spécifications des équipements et renforcé la sécurité du personnel.

— Chris Inshaw, Ingénieur principal en systèmes électriques, Shermco