Sélection d'un transformateur pour l'alimentation à quai : spécification de l'approvisionnement en énergie à quai (cold ironing) pour des postes à 6,6 kV et 11 kV

 

 

L'appel d'offres était composé de vingt pages consacrées aux travaux civils et d'une seule ligne concernant le volet électrique : fourniture et installation d'une alimentation à quai de 6,6 kV. Nous avons demandé à l'ingénieur électrique du port sur quelle fréquence fonctionnait la flotte en escale. Un silence s'est ensuivi, puis la réponse : « celle qui est standard ». Cette question restée sans réponse détermine la classe du transformateur d’alimentation à quai , la nécessité ou non d'un convertisseur de fréquence statique au poste d'amarrage, et la possibilité effective pour un navire de croisière de se brancher dès son arrivée.

Le « cold ironing » est passé d'un poste budgétaire expérimental à une condition obligatoire des permis dans un nombre croissant de ports, et le lot électrique est généralement celui qui est rédigé en dernier et le moins souvent revu. Ce guide décrit ce qu'un transformateur d’alimentation à quai doit supporter à un poste d'amarrage, quelles valeurs doivent figurer dans la spécification, ainsi que les détails relatifs aux harmoniques et à la corrosion qui déterminent si l'équipement reste opérationnel après quinze ans d'exposition à l'air salin.

La charge de « cold ironing » n'est pas une charge de bâtiment

Un navire à quai arrête ses moteurs auxiliaires et puise toute son énergie depuis le rivage : charge hôtelière, conteneurs réfrigérés (reefers), pompes, grues sur les navires à déchargement autonome, et, sur un navire de croisière, l’intégralité de la charge CVC et de la cuisine. La demande de pointe est élevée et augmente brusquement en une seule étape. Un quai pour navires de croisière est couramment dimensionné à environ 7,2 MVA sous 6,6 kV, soit approximativement un courant secondaire de 630 A, tandis qu’un quai à conteneurs équipé de racks pour reefers se situe plutôt entre 1,5 et 3 MVA.

La sollicitation est également répétitive d’une manière que jamais un transformateur de distribution ne connaît. Chaque raccordement de navire alimente le transformateur à quai, puis le propre transformateur du navire, ce qui provoque des pics d’intensité d’appel plusieurs fois par jour, parfois avec un câble long de 200 à 400 m entre la prise à quai et le navire. Ajoutez une température ambiante de 45 °C dans un port du Golfe, une humidité relative de 90 %, et une durée de vie prévue de 20 à 30 ans, et la marge thermique qui semblait généreuse sur la fiche technique commence à paraître insuffisante.

 

Tension, fréquence et choix du convertisseur

La connexion haute tension à quai est normalisée dans IEC/IEEE 80005-1 , et l’amendement de 2021 à cette norme existe en grande partie parce que la rotation de phase à l’interface navire-quai a causé des problèmes en service. La conclusion pratique pour un acheteur de transformateurs est plus étroite : le poste d’amarrage doit fournir la tension et la fréquence attendues par le navire, et le transformateur ne constitue qu’une seule pièce de cette chaîne.

Trois configurations couvrent la plupart des appels d’offres, et elles exigent trois spécifications différentes de transformateurs.

 

Configuration du poste d’amarrage	Fonction du transformateur	Ce qui change dans la spécification
réseau 60 Hz, flotte 60 Hz	Abaissement uniquement, p. ex. 33 kV à 6,6 kV	Le plus proche d’une unité de distribution classique : impédance standard, refroidissement ONAN ou ONAF, peinture C5-M adaptée à l’atmosphère marine
réseau 50 Hz, flotte 60 Hz	Alimente un convertisseur de fréquence statique, ou est raccordé à la sortie du convertisseur	Courant riche en harmoniques, composante continue en sortie du convertisseur, pertes par courants de Foucault et pertes dispersées plus élevées, auxiliaires (ventilateurs et pompes) situés du côté convertisseur
réseau à 50 Hz, flotte à 50 Hz (ferries, navires rouliers)	Abaissement de tension uniquement, par exemple de 11 kV à 6,6 kV	Rapport de transformation et plage de prises dimensionnés pour la flotte réelle, et non pour une flotte future

 

Lorsque les fréquences correspondent, un transformateur d’alimentation à quai est un transformateur de distribution ou de puissance classique doté d’une spécification anticorrosion inhabituelle. Lorsqu’elles ne correspondent pas, le transformateur est situé en aval d’un convertisseur et hérite de sa forme d’onde. Ce deuxième cas concentre la majeure partie des risques techniques, et c’est là que l’évaluation standard des pertes devient discrètement erronée.

 

L’endroit où les harmoniques atteignent le transformateur

Les redresseurs embarqués constituent la source. Une configuration à six impulsions produit des harmoniques caractéristiques de rang 5 et 7 ; une configuration à douze impulsions déplace les ordres dominants aux rangs 11 et 13. Ces courants traversent le transformateur, et les pertes par courants de Foucault dans les enroulements augmentent approximativement avec le carré de l’ordre harmonique, si bien que les harmoniques de rang 11 et 13 provoquent une élévation de température bien plus importante par ampère que le fondamental.

Deux valeurs doivent figurer dans la spécification. La première est une marge de tolérance pour les pertes harmoniques, exprimée soit sous forme de facteur K, soit comme un spectre harmonique défini que l’appareil doit supporter à son courant nominal sans dépasser son échauffement admissible. La seconde est la limite de distorsion de tension au point de couplage commun, où Les limites harmoniques IEEE 519 fixent une distorsion harmonique totale de 5 % pour les réseaux compris entre 1 kV et 69 kV. Un quai de 6,6 kV se situe pleinement dans cette plage.

Voici la partie que la plupart des spécifications portuaires omettent. Augmenter l’impédance du transformateur pour limiter le courant de défaut augmente également la distorsion de tension pour un même courant harmonique, car une plus grande part de cette distorsion apparaît directement aux bornes du transformateur lui-même. L’impédance, le nombre d’impulsions du convertisseur et la conception du filtre doivent être choisis conjointement. Lorsqu’une demande de poste d’amarrage arrive avec une impédance de 8 %, un convertisseur à douze impulsions et aucun filtre, nous signalons immédiatement cette combinaison avant de fournir un devis.

 

Sel, humidité et environnement du poste d’amarrage

Un poste d’amarrage est un site côtier caractérisé par une atmosphère particulièrement agressive : brouillard salin, humidité marée, gaz d’échappement diesel et nettoyage à haute pression à proximité du bâtiment du terminal. Pour une installation en extérieur sur un quai, le système de peinture doit être conforme à la classe C5-M de la norme ISO 12944, les fixations exposées doivent être en acier inoxydable 316, et la base du réservoir ne doit pas rouiller aux points d’ancrage. Les châssis de base en acier galvanisé à chaud sont courants ; nous demandons l’épaisseur du revêtement en micromètres plutôt que le nom de la couleur.

L’enceinte et le système de refroidissement découlent de l’emplacement. Les transformateurs immergés dans l’huile conviennent à une installation extérieure sur une dalle adjacente au quai ; les transformateurs secs à résine coulée conviennent quant à eux au bâtiment intérieur du terminal, où la charge incendie et le routage des câbles privilégient un équipement sans liquide. Dans les deux cas, spécifier un degré de protection minimal IP54, des chauffages anti-condensation dans le compartiment basse tension, ainsi qu’une classe d’échauffement valable à la température ambiante sur site plutôt qu’à la température par défaut de 40 °C indiquée dans le catalogue.

Un détail que nous soulevons dès le début, car son traitement ultérieur s’avère coûteux : la défaillance des ventilateurs. Un transformateur ONAF dont la puissance nominale est dimensionnée pour supporter la charge totale du quai avec les ventilateurs en marche perd 25 à 30 % de sa capacité si un moteur de ventilateur se bloque en août. Soit prévoir une alarme regroupée pour les ventilateurs, raccordée au système de surveillance du port, soit dimensionner la puissance nominale ONAN pour la charge continue réelle, en considérant le mode de refroidissement forcé comme une marge de réserve destinée aux pics de charge de l’hôtel.

 

 

 

Que mettre dans le Transformateur d’alimentation à quai Spécification

Le tableau ci-dessous présente l’ensemble minimal de données requis avant qu’un devis pour un poste d’amarrage puisse être établi correctement. Les éléments manquants sont traités comme des hypothèses, et les hypothèses donnent lieu à des bons de modification.

 

Paramètre	Exigence type pour un poste d’amarrage	Pourquoi cela compte
Puissance nominale	7,2 MVA par poste d’amarrage pour navires de croisière ; 1,5 à 3 MVA par poste d’amarrage pour conteneurs	Détermine l’ensemble de la conception thermique ainsi que la section des câbles partant de la boîte de raccordement du poste d’amarrage
Rapport de tension	tension primaire de 33 kV ou 11 kV, tension secondaire de 6,6 kV ou 11 kV	Doit correspondre au tableau électrique du navire, et non au réseau portuaire
Fréquence	60 Hz pour une flotte fonctionnant à 60 Hz, 50 Hz pour une flotte fonctionnant à 50 Hz ; convertisseur requis lorsque les fréquences diffèrent	Détermine si un convertisseur, ainsi que son spectre harmonique, doivent être intégrés à la conception
Impédance	6 à 8 % en général, coordonné avec le niveau de courant de défaut	Trop faible : le tableau électrique du navire est soumis à un courant de défaut excessif ; trop élevé : la distorsion de tension augmente
Contrainte harmonique	Spectre déclaré ou facteur K, distorsion harmonique totale de tension (THDv) de 5 % au point de couplage commun (PCC)	Prévient les points chauds sur les enroulements que aucun essai normalisé de pertes ne révèle
Réfrigération	Refroidissement naturel avec étage à ventilation forcée (ONAN/ONAF), alarme ventilateur vers le système SCADA du port	Permet de maintenir le poste à quai en service même en cas de panne d’un ventilateur
Corrosion	Peinture C5-M conforme à la norme ISO 12944, fixations en acier inoxydable 316, indice de protection IP54	Quinze ans d’exposition à l’air salin constituent le véritable test d’acceptation
Tests	Essais courants, essai d’élévation de température, mesure des décharges partielles (PD) pour les transformateurs à résine coulée	Fournit au port un référentiel pour comparer les offres suivantes

 

 

La méthode de Ryan pour traiter une demande de poste à quai

Nous fabriquons des transformateurs immergés dans un liquide et des transformateurs à résine coulée dans une usine de 120 000 m² équipée de plus de 180 ensembles d’équipements de production et d’essai, soutenue par 37 brevets ; depuis 2023, nous opérons en tant que partenaire de coentreprise d’Eaton. Cela importe moins que l’échange technique, mais cela signifie qu’une demande de poste à quai est traitée par des personnes ayant déjà débattu de l’impédance.

Pour une flotte mixte, l’option utile consiste en une tension secondaire double avec sélection de liaisons de prises hors circuit, de sorte qu’un seul modèle convienne aux navires de 6,6 kV et de 11 kV, sans nécessiter une deuxième unité de rechange sur site. Les liaisons de prises hors circuit constituent également la solution la moins coûteuse pour couvrir une tension réseau qui dérive par rapport à la valeur indiquée sur les plans. Chaque unité quitte l’usine accompagnée des résultats des essais courants consignés sous forme de valeurs mesurées, d’un essai d’élévation de température effectué à courant nominal, et d’une photographie de la plaque signalétique prise avant l’emballage, car cette plaque est la première chose que lit un inspecteur portuaire à l’arrivée.

L'interface de raccordement haute tension à quai est le lieu où se concentrent la plupart des débats, et ceux-ci opposent généralement trois parties qui ne se rencontrent jamais : le consultant électrique du port, le gestionnaire technique du navire et le fournisseur de transformateurs. Nous demandons dès le début le schéma unifilaire du navire. Un convertisseur à douze impulsions embarqué modifie la charge harmonique appliquée à notre enroulement, et un navire équipé d’un tableau électrique de 6,6 kV et d’un générateur de 60 Hz ne peut pas être alimenté depuis un poste à quai de 50 Hz sans convertisseur, quelle que soit l’apparente générosité de la puissance nominale du transformateur sur papier.

Si vous rédigez actuellement une spécification pour un poste à quai, envoyez-nous la composition de la flotte, la tension et la fréquence du réseau, ainsi que le niveau de courant de défaut au niveau de la boîte à quai. Ces trois éléments déterminent davantage les caractéristiques du transformateur d’alimentation à quai que toute autre page du cahier des charges, et ce sont généralement les trois éléments qui parviennent en dernier. Nos ingénieurs vous transmettront par écrit une puissance nominale, une recommandation d’impédance et une tolérance harmonique, afin que le lot électrique puisse être examiné avant le démarrage des travaux de génie civil.

À propos de l'auteur cet article a été rédigé par l’équipe d’ingénierie de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), un fabricant de transformateurs fondé en 2007 et partenaire de coentreprise d’Eaton depuis 2023. L’équipe conçoit des transformateurs immergés dans l’huile, à résine coulée et montés sur socle, destinés aux projets portuaires, aux centres de données, aux réseaux publics et aux installations industrielles, et accompagne les clients lors de l’examen des spécifications avant l’appel d’offres. Pour toute demande relative à un poste d’amarrage, veuillez contacter [email protected].