Optimisation des canalisations électriques et des armoires de distribution

PEEC method dedicated to optimal power busbar design regarding energy efficiency

• Auteur / Autrice : Jean-Paul Gonnet
• Direction : James Roudet, Edith Clavel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique (Grenoble1980-2006)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Maïzi-Ménard, Vincent Mazauric, Alain Anglade, Philippe Wendling
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Brochet, Arnulf Kost

Mots clés

Mots clés contrôlés

Canalisations électriques

Blindage (électricité)

Mots clés libres

Méthode PEEC

Résumé

Les jeux de barres de distribution, canalisations électriques préfabriquées et plus généralement toutes les interconnexions de puissance sont des organes indispensables à l'architecture de la filière énergétique électrique. Cependant cette partie des réseaux, que l'on souhaiterait pourtant la plus ‘transparente' possible, est le ‘parent pauvre' du génie électrique en terme d'optimisation. De par la nature alternative basse fréquence des courants transités, les connectiques sont le lieu de pertes par effet Joule (responsables de l'échauffement des conducteurs) qui peuvent être très largement supérieures au minimum théorique du fait de répartitions de courant fortement non-uniformes dans les sections de conducteurs. Ces non-uniformités sont également responsables d'une mauvaise adaptation d'impédance ou de déséquilibres qui perturbent le réglage des protections. En vue de la prise en compte de ces phénomènes (souvent connus sous le nom d'effets de peau et de proximité) dès la phase de conception sous forme d'outils d'aide à la conception, on commence par introduire une méthode de modélisation adaptée. Alors que les méthodes éléments finis sont adaptées aux organes de conversion électromécaniques, les connexions sont plus naturellement modélisées par la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit). Couplée à des algorithmes d'optimisation, cette méthode se révèle très efficace pour améliorer l'efficacité des systèmes de conducteurs, tant sur l'agencement des barres pour lutter contre les effets de proximité que pour optimiser la forme des sections de conducteurs par couplage avec des algorithmes génétiques. Les outils d'optimisation développés donnent alors accès à une marge de gain importante jusqu'ici peu explorée. Afin de s'adapter aux dispositifs étudiés, dont une bonne partie est entourée d'une enveloppe métallique, une extension de la méthode PEEC, baptisée ‘µPEEC', est proposée pour prendre en compte l'aimantation des matériaux ferromagnétiques. Comme pour tout problème d'optimisation, reste alors l'épineux problème de la définition de la fonction objectif. L'analyse du cycle de vie et la recherche du moindre impact environnemental peut alors apparaître comme un moyen d'arbitrage entre le coût matière et les pertes Joule consenties. Une extrapolation des gains accessibles est proposée

Power busbars, busways, trunkings and more generally all kinds of interconnections are the bare bones of all electrical networks. These devices should be fully ‘transparent' but their design shows a lack of optimization regarding to energy efficiency. Optimal behavior is obtained when the voltage does not drop, i. E. Neither Joule losses nor frequency induced reactive power occur therein. In order to adapt the design to such phenomena (through a dedicated CAD tool), a natural modeling method is introduced. Whereas finite element methods comply with electromechanical actuators, the so-called PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) modeling method is more efficient for interconnections. Through couplings with optimizers, this method is able to optimize the design of multi-conductor systems, both by adapting their layout to avoid proximity effects, or –as shown here- by defining a cross-section shape compliant with skin effects. Reachable savings are huge as optimization margins are often up to here unexplored. As busbars are also often enclosed in a steel shielding, an extension of the PEEC method –named ‘µPEEC'– is developed to consider magnetization in ferromagnetic part. The definition of optimization objectives is oriented regarding to life cycle analysis and to considering minimum environmental impact. Optimization earnings are extrapolated regarding to those criteria.