Protection électrique dans les environnements miniers et pétrochimiques

Introduction

La protection électrique pour les sites miniers et pétrochimiques commence avec une marge d'erreur plus étroite que les installations industrielles standard. Dans les atmosphères dangereuses, un arc, une étincelle, une surface chaude ou un défaut peut devenir une source d'inflammation. La poussière, le gaz, la corrosion, les vibrations et les longs trajets de câbles augmentent aussi le stress électrique. Laissez ce guide aider les ingénieurs de projet, les gestionnaires HSE et les prescripteurs à planifier la sécurité électrique pétrochimique, sélectionner l'équipement électrique pour atmosphères explosives et définir des systèmes de protection qui soutiennent la disponibilité et les exigences des zones classées.

Pourquoi les composants LV standard ne suffisent pas dans les environnements dangereux

Les environnements miniers et pétrochimiques exposent l'équipement basse tension à des conditions que les composants industriels standard peuvent ne pas gérer. La poussière de charbon, la poussière de minerai, les particules métalliques, le méthane, les gaz d'hydrocarbures, les vapeurs de solvants, les produits chimiques corrosifs, la forte humidité, les chocs, les vibrations et les longs trajets de câbles peuvent affecter la performance électrique. D'autres facteurs affectant la qualité de l'énergie incluent les longues lignes de distribution et les conditions de site difficiles, ce qui augmente l'exposition à l'instabilité de tension et au déséquilibre de phase dans les opérations minières et pétrolières et gazières.

La classification des zones dangereuses devrait guider la sélection des équipements dès le premier examen de conception. Sous l'IEC 60079 et la pratique ATEX, les risques de gaz et de vapeurs sont couramment regroupés en Zone 0, Zone 1 et Zone 2, tandis que les risques de poussières combustibles sont regroupés en Zone 20, Zone 21 et Zone 22. La zone reflète la fréquence à laquelle une atmosphère explosive est attendue présente, puis façonne le type d'équipement autorisé.

Pour l'équipement électrique pour atmosphères explosives, les concepts de protection Ex d antidéflagrant, Ex e sécurité augmentée et Ex n peuvent s'appliquer, selon la classification et les règles locales. Un dispositif adapté à une zone à risque plus faible ne devrait pas être déplacé dans une zone à risque plus élevé pour commodité.

La protection contre l'ingress et les impacts importe aussi. L'IEC indique que les codes IP utilisent deux chiffres : le premier évalue la protection contre les objets solides et la poussière, tandis que le second évalue la protection contre les liquides, jusqu'à l'eau chaude haute pression. 

En ce qui concerne la protection IP dans les installations électriques, les usines de transformation et chimiques peuvent avoir besoin d'IP66 à IP69K pour les lavages réguliers, tandis que les environnements miniers peuvent exiger IP67 là où l'éclaboussure ou l'immersion est possible. Pour les projets de zone dangereuse d'appareillage minier, la certification Ex, l'indice IP, l'indice IK, la résistance à la corrosion et la plage de température devraient être examinés ensemble.

Protection des moteurs dans les applications minières à forte charge et vitesse variable

Les grands moteurs entraînent la chaîne de production dans les mines et installations pétrochimiques. Les convoyeurs, concasseurs, pompes, ventilateurs, broyeurs et treuils peuvent fonctionner près du courant nominal pendant de longues périodes, puis faire face à des surcharges soudaines provenant d'un concasseur bloqué, d'une courroie arrêtée, d'une pompe obstruée ou d'un événement de freinage. Une conception solide de protection de moteurs miniers doit séparer la surcharge de process du défaut électrique.

Les relais de surcharge électroniques sont préférés pour ces applications car ils peuvent soutenir la détection de déséquilibre de courant, la détection de perte de phase, la surveillance du défaut à la terre, une réponse plus rapide et les entrées thermistance des capteurs de moteur intégrés. La protection par thermistance aide lorsque la température ambiante élevée, le refroidissement restreint ou les cycles de service répétés élèvent la température de l'enroulement plus vite que le courant seul ne le montre.

Les variateurs de fréquence (VFD) aident aussi les applications de moteurs minières et pétrochimiques. Ils soutiennent une rampe contrôlée sur les convoyeurs, un glissement de courroie plus faible, un choc mécanique réduit et une correspondance de vitesse sur les pompes et ventilateurs. Pumps & Systems rapporte qu'une réduction de vitesse de moteur de 20 % peut réduire la consommation d'énergie jusqu'à 50 % dans les applications pertinentes de pompes et ventilateurs. Les VFD ont encore besoin d'un examen environnemental, d'une évaluation harmonique et d'un filtrage approprié là où l'étude l'exige.

Pour les zones dangereuses, les démarreurs et l'équipement de distribution LV minière peuvent nécessiter des enveloppes certifiées comme Ex d ou Ex e, selon la classification de zone. Une bonne solution de contrôle de moteurs LV couvre les schémas de démarrage pour les charges de pompes de mines et pétrochimiques, plus la protection contre la surcharge, le rotor bloqué, la perte de phase et la fuite.

Voir le tableau ci-dessous pour plus de contexte : 

Chaque ensemble de moteur a encore besoin d'un examen du courant de défaut, d'un dimensionnement des câbles, d'une évaluation de l'élévation de température, de tests des relais et d'une vérification de zone classée.

Distribution LV intelligente : réduire les arrêts non planifiés

Les systèmes modernes de distribution LV minière devraient faire plus qu'alimenter des panneaux et moteurs. Les sites distribués ont besoin de visibilité sur le comportement de charge, les défauts à la terre, l'état des disjoncteurs et la qualité de l'énergie avant qu'un déclenchement n'arrête la production.

En pratique, la distribution intelligente peut inclure des disjoncteurs avec communication, des compteurs d'énergie, des indicateurs de défaut à la terre, la détection d'arc là où spécifiée, la surveillance de température, la connexion SCADA et les données d'heures de fonctionnement. Les données de charge en temps réel aident les équipes à voir les surcharges répétées avant qu'elles ne deviennent des déclenchements. Les indicateurs de défaut à la terre peuvent guider les techniciens vers le départ affecté au lieu de forcer une recherche complète à travers le réseau.

Cela importe dans les mines, terminaux, parcs de stockage et usines de process car l'équipement peut être loin de la salle d'appareillage principale. La surveillance à distance réduit les déplacements de terrain inutiles et aide les opérateurs à isoler la bonne section plus vite.

La solution de contrôle et de protection LV de CHINT couvre les produits de distribution basse tension comme les ACB, MCCB, compteurs, VFD et démarreurs progressifs, ainsi que la protection contre les courts-circuits, les surcharges et les fuites. Elle utilise aussi la communication Modbus pour la surveillance à distance et l'analyse des données.

Mais pour les réseaux de site plus larges, la solution de transmission et de distribution d'énergie de CHINT utilise la surveillance en temps réel des process de production, des transformateurs d'instruments compatibles SCADA et la certification ATEX pour les applications minières souterraines. Ces capacités sont pertinentes lorsque les actifs de zone dangereuse d'appareillage minier sont répartis sur de longs départs et des zones de process éloignées.

Compensation de puissance réactive dans les grands sites à moteurs

Les sites miniers et pétrochimiques utilisent de nombreux moteurs à induction. Ces moteurs ont besoin de puissance réactive pour créer des champs magnétiques, mais une forte demande réactive augmente le courant apparent. Ce courant supplémentaire charge les câbles, transformateurs et appareillages sans créer de sortie mécanique utile.

Un mauvais facteur de puissance peut augmenter les pertes, accroître la chute de tension sur les longs trajets de câbles, réduire la capacité de secours des transformateurs et déclencher des frais de pénalité des opérateurs lorsque les tarifs incluent des règles de facteur de puissance. Dans les installations difficiles ou éloignées, l'instabilité de tension et le déséquilibre de phase peuvent ajouter un stress supplémentaire aux moteurs et dispositifs de protection, en particulier lorsque les départs sont longs et que les charges changent rapidement.

La compensation de puissance réactive aide à maintenir le système électrique plus près de sa plage de fonctionnement prévue. Les batteries de condensateurs statiques conviennent aux charges stables avec une demande réactive prévisible. Elles peuvent être un choix pratique pour des groupes de pompes réguliers ou des équipements de process à variation limitée.

Les charges à changement rapide nécessitent un examen différent. Les concasseurs, broyeurs, grands convoyeurs et systèmes de pompes variables peuvent changer de charge rapidement, donc la compensation SVG peut offrir une réponse plus rapide que les étages de condensateurs fixes. Dans ces cas, un soutien de puissance réactive dynamique peut aider la régulation de tension tout en réduisant le stress des équipements.

Pour la sécurité électrique pétrochimique, la qualité de l'énergie devrait être liée au comportement de protection. La chute de tension, les harmoniques et le déséquilibre peuvent affecter le fonctionnement des relais, la température des moteurs et les déclenchements intempestifs. Il y a deux considérations : 

1. La surveillance de la puissance réactive devrait se situer dans le plan de distribution LV afin que les équipes du site puissent voir les tendances du facteur de puissance, les niveaux harmoniques et l'état de compensation. 

2. Là où les VFD sont largement utilisés, l'atténuation harmonique par réactances de ligne, filtres ou autres mesures approuvées devrait être vérifiée par rapport à l'étude de qualité de l'énergie.

Ce que les prescripteurs devraient vérifier avant la mise en service dans les emplacements dangereux

La pré-mise en service devrait confirmer que le système installé correspond à la fois à la conception et au calendrier de zone dangereuse. 

Commencez par les certificats. Chaque article d'équipement électrique pour atmosphères explosives installé dans une zone classée devrait correspondre à la zone, la classe de température, le groupe de gaz ou de poussière, le certificat et la méthode d'installation.

Vérifiez les presse-étoupes de câbles, les joints, les réducteurs, les bouchons d'arrêt et les entrées inutilisées. Des presse-étoupes incorrects ou des entrées ouvertes peuvent compromettre l'intégrité Ex et la protection IP. Pour les panneaux de zone dangereuse d'appareillage minier, vérifiez les indices d'enveloppe après le perçage sur le terrain, le câblage et l'installation des presse-étoupes, pas seulement à partir de la fiche technique d'origine.

Testez les réglages de protection des moteurs par rapport au calendrier final des moteurs. Confirmez la classe de surcharge, la perte de phase, le déséquilibre de courant, le défaut à la terre, le rotor bloqué, le délai de redémarrage et l'entrée thermistance. Pour les circuits de protection de moteurs miniers, les courbes des relais devraient correspondre à la méthode de démarrage, la taille du câble, le disjoncteur en amont et le cycle de service réel.

Documentez la liaison et la continuité de terre à travers les moteurs, presse-étoupes, chemins de câbles, skids, transformateurs, boîtes de jonction et tableaux. Une liaison faible peut transformer un défaut localisé en risque plus large pour le site.

Les installations VFD exigent leurs propres vérifications. Confirmez que l'atténuation harmonique, les pratiques CEM, le blindage des câbles, la ventilation et la dissipation de chaleur correspondent à l'étude. Les enveloppes haute IP ou Ex peuvent piéger la chaleur, donc l'élévation de température doit être examinée sous la charge d'exploitation attendue.

Enfin, comparez les étiquettes, dessins, fichiers de réglages, certificats, feuilles de test et registres as-built avant la mise sous tension. La documentation de mise en service aide les équipes HSE, d'exploitation et de maintenance à comprendre ce qui est installé, ce qui a été testé et quelles limites s'appliquent.

Conclusion

Les environnements miniers et pétrochimiques laissent peu de place aux erreurs de spécification électrique. Une forte protection électrique pour l'exploitation minière commence par la classification des zones dangereuses, puis passe à l'équipement Ex, la protection contre l'ingress, le contrôle des moteurs, la distribution intelligente, la compensation de puissance réactive et la preuve de mise en service. La même discipline soutient la sécurité électrique pétrochimique où le gaz, la vapeur, la poussière, la corrosion et les moteurs à forte charge façonnent le risque quotidien.

Donc, si vous recherchez des solutions minières et pétrochimiques, contactez CHINT pour des conseils spécifiques au projet. Explorez les solutions construites autour de la sécurité, des économies d'énergie, de la surveillance intelligente et des scénarios basse tension et de distribution pour les industries de process.

Questions fréquemment posées

Qu'est-ce qui rend un équipement électrique "adapté aux atmosphères explosives" ?

L'équipement adapté aux atmosphères explosives doit être conçu et certifié pour empêcher les étincelles internes, arcs ou surfaces chaudes d'enflammer le gaz ou la poussière inflammable environnant. Sous l'IEC 60079 et le cadre ATEX, cela est obtenu par divers concepts de protection, les plus courants étant : les enveloppes antidéflagrantes (Ex d), qui contiennent toute explosion interne et empêchent sa propagation ; la sécurité augmentée (Ex e), qui utilise des mesures de conception pour éliminer les sources d'inflammation potentielles ; et la sécurité intrinsèque (Ex i), qui limite l'énergie électrique disponible en dessous du seuil d'inflammation.

Qu'est-ce que la Zone 1 par rapport à la Zone 2 dans la classification des zones dangereuses ?

La Zone 1 est une zone dans laquelle une atmosphère explosive de gaz est susceptible de se produire en fonctionnement normal. La Zone 2 est une zone où une atmosphère explosive de gaz est peu susceptible de se produire en fonctionnement normal, mais peut se produire dans des conditions anormales. L'équipement utilisé en Zone 1 doit respecter des exigences de protection plus strictes (généralement Ex d ou Ex e) que la Zone 2 (où Ex n et des concepts de protection plus légers similaires peuvent être permis). La Zone 0, où une atmosphère explosive est présente en continu ou sur de longues périodes, exige le plus haut niveau de protection (Ex ia sécurité intrinsèque).

Pourquoi les grands sites à moteurs ont-ils de mauvais facteurs de puissance ?

Les grands moteurs à induction tirent du courant réactif en plus du courant actif (de travail). Cette composante réactive ne fait pas de travail utile mais circule à travers les câbles, transformateurs et comptages. Une forte proportion de charge de moteurs, combinée à des moteurs fonctionnant en charge partielle, produit un mauvais facteur de puissance, généralement en dessous de 0,8 dans les sites miniers et de transformation sans compensation. Un mauvais facteur de puissance augmente le courant dans tout le système de distribution, provoque une chute de tension, augmente les pertes et peut attirer des frais de pénalité des opérateurs.

Quel est le rôle des VFD dans les applications minières ?

Les VFD sont utilisés dans l'exploitation minière principalement pour : contrôler l'accélération et la décélération des convoyeurs (évitant le glissement de courroie et le choc mécanique), adapter la vitesse des ventilateurs et pompes à la demande réelle (économies d'énergie significatives sur les systèmes de ventilation et de drainage), permettre un freinage dynamique sur les treuils et convoyeurs inclinés (convertissant l'énergie cinétique en électricité plutôt que de la dissiper en chaleur) et fournir une capacité de démarrage progressif pour réduire l'appel sur les grands moteurs. Dans les atmosphères explosives, les VFD doivent être installés dans des enveloppes évaluées Ex appropriées ou dans des zones séparées non dangereuses avec de longs trajets de câbles vers les moteurs évalués Ex.

Quelles vérifications électriques devraient être faites avant la mise en service dans un emplacement dangereux ?

Avant la mise en service, un ingénieur électricien devrait vérifier : que tout l'équipement de chaque zone classée porte la certification Ex correcte et à jour ; que tous les presse-étoupes de câbles sont évalués et installés sans dommage ni compromission de l'intégrité Ex ; que les réglages des relais de protection de moteurs sont configurés et testés, y compris le défaut à la terre et les entrées thermistance ; que la continuité de terre est vérifiée dans tout le système ; et qu'une évaluation de la qualité de l'énergie a été réalisée, avec une atténuation harmonique installée là où des VFD ou d'autres charges non linéaires sont présents.