Un FAE exige un raccordement robuste et sa propre compensation, faute de quoi il perturbe tous les autres usagers

4.1 Le FAE est la charge la plus perturbatrice qu’un réseau puisse accueillir

Un FAE fond l’acier en faisant jaillir des arcs électriques entre des électrodes en graphite et la charge métallique. Pendant les premières minutes de chaque charge, la phase de « perçage », les électrodes s’enfoncent dans une ferraille froide et irrégulière. Des morceaux s’effondrent, les arcs s’allongent et se raccourcissent plusieurs fois par seconde, et de temps à autre une électrode touche la charge et provoque un court-circuit momentané. Une fois qu’un bain liquide s’est formé, les arcs se stabilisent ; pendant l’affinage final sur bain plat, la charge est presque constante. Puis l’alimentation est coupée pour la vidange et le rechargement, et le cycle recommence.

La figure 4.1 illustre ce cycle pour une coulée d’un four de la classe 40 t équipé d’un transformateur de la classe 30 à 33 MVA, les classes prévues pour la phase 1 de RC-1 [S07]. La figure est une illustration construite plutôt qu’une mesure, mais sa forme est typique : deux périodes de perçage aux fluctuations violentes, deux périodes de fusion proches de la limite du transformateur, une période d’affinage plus stable et un intervalle hors tension.

Source : illustration de Cameroon Steel construite à partir des valeurs de planification de RC-1 (four de la classe 40 t, transformateur de la classe 30 à 33 MVA, 450 kWh/t) [S07].

Ces fluctuations se propagent dans le réseau et provoquent quatre types de perturbations :

• Le papillotement. Des fluctuations rapides de tension font clignoter les lampes. L’œil humain est le plus sensible aux fluctuations d’environ 8 à 10 par seconde, plage dans laquelle les FAE émettent fortement. Le papillotement se mesure avec un instrument normalisé et s’exprime en sévérité de courte durée (Pst, sur 10 minutes) et de longue durée (Plt, sur 2 heures) ; une valeur de 1,0 correspond au niveau auquel le papillotement devient gênant pour de nombreuses personnes [S13].
• Les harmoniques. L’arc n’appelle pas un courant parfaitement sinusoïdal. Le courant déformé crée des tensions harmoniques qui font chauffer transformateurs et moteurs et perturbent les équipements électroniques. Les redresseurs des entraînements du laminoir et du chauffage par induction ajoutent leurs propres harmoniques.
• Le déséquilibre. Les trois phases du four appellent des courants inégaux, ce qui déséquilibre la tension du réseau et échauffe les machines tournantes, y compris les alternateurs.
• Les variations de puissance réactive. Le circuit du four est fortement inductif, si bien qu’il appelle des quantités importantes et fluctuantes de puissance réactive. La tension baisse lorsque la demande de réactif augmente, ce qui allonge le temps de fusion à l’intérieur de l’usine et dégrade l’alimentation des voisins.

Le FAE n’est pas la seule grande charge d’une aciérie. Le four-poche se comporte comme un FAE plus petit, sans phase de perçage ; les installations de chauffage par induction et les entraînements du laminoir sont stables mais riches en harmoniques ; l’usine d’oxygène et les pompes sont des charges motrices classiques. La figure 4.2 montre comment ces charges sont habituellement disposées autour d’un jeu de barres de l’usine, l’équipement de compensation étant raccordé à côté du four.

Source : Cameroon Steel, d’après les valeurs de planification de la phase 1 de RC-1 (un FAE de la classe 40 t avec un transformateur de la classe 30 à 33 MVA, un four-poche, des entraînements de laminoir et un chauffage par induction alimentés par redresseurs, un poste principal 225/33 kV) [S07].

4.2 Les laminoirs et le chauffage par induction ajoutent une perturbation d’une autre nature

Le FAE est la source dominante de papillotement, mais pas la seule source de perturbation d’une aciérie électrique. Les moteurs des laminoirs sont alimentés par des convertisseurs d’électronique de puissance, et le chauffage par induction par des redresseurs et des onduleurs. Ces charges sont bien plus stables que le four, mais elles appellent des courants riches en harmoniques caractéristiques. Un redresseur hexaphasé (à six impulsions), par exemple, produit des harmoniques de rangs 5, 7, 11, 13 et ainsi de suite (rangs égaux à six fois un entier, plus ou moins un) ; les montages à douze impulsions éliminent les rangs les plus bas. La phase 1 de RC-1 comprend des entraînements alimentés par redresseurs pour sa ligne de fil machine [S07], et le chauffage par induction de 300 000 t de billettes par an ajouterait une charge stable d’environ 11 MW d’électronique de puissance (dérivé de la valeur de planification de 300 kWh/t sur 8 000 heures).

Le four et les entraînements interagissent. Le four émet un large spectre d’harmoniques, y compris de rangs pairs, pendant le perçage ; les entraînements émettent en continu un ensemble restreint d’harmoniques caractéristiques. Les batteries de filtres du système de compensation du four doivent donc être conçues en tenant compte du profil harmonique des laminoirs, et l’ensemble doit être vérifié au regard des résonances propres du réseau. C’est pourquoi l’étude de raccordement recommandée à la fin de ce chapitre couvre l’usine entière, et non le seul four.

4.3 Les limites s’appliquent au point où l’usine rejoint le réseau public

Les limites de qualité de l’électricité s’appliquent au point de couplage commun (PCC), le point du réseau public le plus proche de l’usine auquel d’autres clients sont, ou pourraient être, raccordés. La référence internationale pour les charges fluctuantes raccordées en moyenne, haute et très haute tension est le rapport technique 61000-3-7 de la Commission électrotechnique internationale (IEC TR 61000-3-7), dont la deuxième édition (2008) expose la manière dont un gestionnaire de réseau doit répartir les limites d’émission de papillotement entre les installations, de sorte que le total reste sous les niveaux de planification [S13]. Pour les harmoniques, la référence la plus utilisée est la norme IEEE 519, révisée pour la dernière fois en 2022 [S73].

Ces références comptent pour deux raisons. Elles définissent ce que le gestionnaire de réseau peut exiger d’une aciérie et, en retour, ce que l’aciérie peut exiger du réseau : un raccordement assez robuste pour qu’une compensation raisonnable ramène les émissions dans les limites.

4.4 Un four de la classe 30 à 33 MVA exige un raccordement de 2 000 à 7 000 MVA

La robustesse électrique d’un nœud du réseau se mesure par sa puissance de court-circuit (Scc), la puissance qui s’écoulerait dans un défaut en ce point. Un nœud robuste, à Scc élevée, perçoit à peine une charge fluctuante ; un nœud faible l’amplifie. Pour l’évaluation préliminaire d’un FAE, le présent livre blanc utilise une relation simplifiée qui lui est propre : le papillotement de courte durée au 99e centile y est proportionnel au rapport de deux puissances de court-circuit :

Pst99 = Kst × SccF / SccPCC

où SccF est la puissance de court-circuit du circuit du four (la puissance qui circule lorsque les électrodes sont en court-circuit sur la charge, déterminée par le transformateur du four, la réactance et le circuit secondaire), SccPCC est la puissance de court-circuit au point de couplage commun, et Kst est un facteur empirique qui reflète le type, le poids et la densité de la ferraille. Selon l’Union internationale pour les applications de l’électricité (UIE), citée dans [S12], Kst est compris entre 48 et 85.

Pour la phase 1 de RC-1, ce livre blanc retient une SccF d’environ deux fois la puissance d’un transformateur de la classe 30 à 33 MVA (hypothèse ; la fourchette usuelle est de 1,5 à 2,5 fois cette puissance) et donne les résultats avec un chiffre significatif. La figure 4.3 présente l’estimation de papillotement qui en résulte en fonction de la puissance de court-circuit au PCC.

Source : relation simplifiée d’évaluation préliminaire de Cameroon Steel (annexe A) ; fourchette de Kst selon l’UIE, citée dans le brevet américain 10,145,612 (Siemens, 2018), qui indique aussi que les SVC réduisent le papillotement généré d’environ moitié [S12] ; niveau de planification HT selon l’IEC TR 61000-3-7:2008 [S13] ; classe du transformateur du four selon RC-1 [S07] ; hypothèse de SccF de Cameroon Steel.

Deux résultats s’en dégagent (dérivé) :

• Sans compensation, maintenir Pst99 sous le niveau de planification HT de 0,8 exigerait une puissance de court-circuit au PCC d’environ 4 000 à 7 000 MVA, soit plus de cent fois la puissance du four.
• Avec un compensateur statique de puissance réactive qui divise le papillotement par deux, comme l’indique la pratique pour les SVC [S12], l’exigence tombe à environ 2 000 à 3 500 MVA.

Ce sont des valeurs d’évaluation préliminaire, et non des valeurs de conception : l’émission réelle dépend de la pratique de chargement du four, de la régulation des électrodes et du circuit secondaire, et la part du niveau de planification que le gestionnaire de réseau attribue à l’usine peut être bien inférieure à 0,8. Mais elles donnent l’ordre de grandeur. Un four de cette taille est une charge exigeante pour tout nœud qui ne se trouve pas dans le cœur maillé d’un réseau robuste.

À la configuration complète, avec deux ou trois lignes de fusion, le papillotement de plusieurs fours se combinerait. Selon la loi de sommation cubique, deux fours identiques émettraient environ 26 % de papillotement de plus qu’un seul [S13] ; la compensation et le raccordement doivent donc être dimensionnés pour la configuration finale, et non pour la seule phase 1.

4.5 Un départ 30 kV serait trop faible ; une travée 225 kV est nécessaire

Le niveau de court-circuit du nœud 225 kV de Kribi n’a pas été publié et constitue la première donnée qu’une étude de raccordement doit établir (chapitre 11). On peut d’ores et déjà affirmer que raccorder le four par le poste 225/30 kV de la plateforme portuaire serait l’option la plus faible. Un jeu de barres 30 kV alimenté par trois transformateurs de 60 MVA offrirait typiquement une puissance de court-circuit de l’ordre de 1 000 à 1 500 MVA, même avec une source 225 kV robuste en amont (dérivé, en supposant des impédances de transformateur de 12 % à 18 %). C’est moins encore que l’exigence avec compensation estimée ci-dessus, et tous les autres occupants raccordés au même réseau 30 kV partageraient la perturbation.

La disposition logique est une travée 225 kV dédiée au poste du port, une courte liaison 225 kV jusqu’à l’aciérie et un poste 225/33 kV sur le site, le four et sa compensation étant raccordés au jeu de barres 33 kV propre à l’usine, comme le prévoit RC-1 avec son poste 225/33 kV [S07]. Le PCC se situe alors en 225 kV, là où le niveau de court-circuit est le plus élevé et où les autres usagers sont électriquement les plus éloignés. Le chapitre 5 compare en détail les options de raccordement.

4.6 La compensation supprime l’essentiel de la perturbation au plus près du four

Plusieurs mesures réduisent l’impact d’un four sur le réseau. Elles sont complémentaires plutôt qu’alternatives, et la bonne combinaison dépend du niveau de court-circuit mesuré et de la part du niveau de planification attribuée à l’usine (tableau 4.1).

Tableau 4.1 Mesures réduisant l’impact d’un FAE sur le réseau

Source : brevet américain 10,145,612 [S12] ; IEC TR 61000-3-7 [S13] ; ICIT de la Commission européenne, fiche Consteel [S38] ; analyse de Cameroon Steel.

Pour une usine de la taille de RC-1 raccordée à un nœud de robustesse incertaine, l’hypothèse prudente est qu’une compensation dynamique, SVC ou STATCOM, sera nécessaire dès la phase 1, avec des filtres d’harmoniques conçus en même temps, et qu’il faut réserver l’espace et le budget pour l’étendre lorsque de nouvelles lignes de fusion seront ajoutées. RC-1 réserve l’espace nécessaire à son poste 225/33 kV et à la compensation de l’énergie réactive, avec la possibilité de les étendre [S07].

4.7 Un réseau faible soulève d’autres questions que le papillotement

Le papillotement est le problème le plus connu, mais une grande charge fluctuante sur un système de taille modeste en soulève d’autres, que l’étude de raccordement doit traiter :

• La fréquence et les réserves. En phase 1, le four enclencherait et déclencherait environ 20 à 30 MW à peu près une fois par heure (figure 9.2). Sur un système dont la pointe est de 1 278 MW [S01], chaque échelon représente environ 2 % de la pointe. Le réseau a besoin de réserves rapides pour absorber ces échelons, et un déclenchement soudain de toute l’usine retirerait d’un coup jusqu’à environ 50 MW. Les groupes hydroélectriques et les moteurs à gaz peuvent fournir ces réserves, mais l’obligation doit être planifiée et rémunérée.
• La résonance. Les batteries de condensateurs destinées à corriger le facteur de puissance peuvent entrer en résonance avec l’inductance du réseau à une fréquence harmonique et amplifier les harmoniques mêmes qu’elles sont censées absorber. Une étude d’impédance harmonique du nœud de Kribi est nécessaire avant de spécifier les filtres.
• Les protections. Les courants de défaut, les réglages des relais et la coordination entre les protections de l’usine et celles de la SONATREL doivent être conçus ensemble, surtout si l’usine ajoute ultérieurement une production sur site.
• La stabilité de tension. Une ligne en antenne fortement chargée, avec une grande charge inductive à son extrémité, peut subir un effondrement de tension après une contingence. Un soutien en puissance réactive du côté de la charge fait partie de la réponse.

4.8 L’aciérie et le gestionnaire de réseau devraient porter l’étude ensemble

Le Cameroun accueille déjà une aciérie à FAE : l’atelier de fusion de Prometal à Douala, alimenté en haute tension par un transformateur dédié de 50 MVA dans le cadre d’un contrat d’accès avec la SONATREL [S43][S42][S01]. Ses dispositions en matière de qualité de l’électricité ne figurent pas dans les documents publics, mais son expérience constitue le précédent national le plus proche et devrait éclairer le code de réseau pour les charges fluctuantes (chapitre 10).

Pour une nouvelle aciérie à Kribi, un programme de qualité de l’électricité comprendrait cinq étapes :

1. Mesurer le réseau. Niveaux de court-circuit minimal et maximal au nœud 225 kV de Kribi en régime normal et en situation de contingence, papillotement et harmoniques préexistants, et balayage de l’impédance harmonique.
2. Répartir les limites d’émission. Le gestionnaire de réseau attribue à l’usine sa part des niveaux de planification du papillotement et des harmoniques, selon l’approche de l’IEC TR 61000-3-7 [S13].
3. Concevoir la compensation en fonction de cette attribution. Dimensionner le SVC ou le STATCOM et les filtres pour respecter les limites attribuées dans la configuration finale, avec des garanties mesurées au PCC.
4. Vérifier à la mise en service. Mesurer les émissions avec le four en pleine production et ajuster avant la réception.
5. Surveiller en continu. Installer au PCC des analyseurs permanents de qualité de l’électricité, dont les données sont partagées avec le gestionnaire de réseau, afin que les problèmes soient détectés et résolus conjointement.