Armoire électrique

1. Présentation

De nos jours, les petites centrales hydroélectriques fonctionnement de plus en plus de manière automatique. Ces systèmes permettent de diminuer les coûts d'exploitation en limitant au maximum la présence humaine sur site.

L'ensemble des commandes permettant l'automatisation d'une petite centrale hydroélectrique sont réunis dans une armoire électrique comme celle présentée ci-dessous :


Figure 1. Armoire électrique du moulin de Lugny-les-Charolles (71). 

2. Organes à automatiser

En l'état actuel, le moulin Priaud n'est pas automatisé.La mise en place de ce système permet au propriétaire d'être moins présent sur site qu'actuellement et de posséder un système autonome et sûr.

Suite à l'état des lieux effectué, une automatisation apparaît nécessaire pour :

  • mesurer la lame d'eau au niveau du seuil afin de connaître les hauteurs d'eau en amont de la PCH

Comme l'impose la législation en vigueur, le débit réservé devant toujours alimenter le tronçon court-circuité de la Vouzance est de 76L/s, soit 0,076m3/s, soit le dixième du module de la rivière. Or, comme l'a montré l'étude hydrologique, le débit peut fortement varier au cours du temps, parfois en l'espace de quelques heures. Le débit détourné pour aller être turbiné au moulin ne doit jamais excéder une valeur telle que le débit réservé dans le tronçon court-circuité de la Vouzance ne soit plus respecté.

Un système automatisé, qui puisse contrôler en temps réel la part du débit turbiné, est donc nécessaire. L'eau entrant dans le tronçon court-circuité se déverse au seuil. Au niveau de cet ouvrage, l'écoulement devient critique et une relation simple existe entre le débit et la lame d'eau déversant au dessus du seuil (cf. Risque inondation).

La lame d'eau correspondante à ce débit réservé, déterminée par la loi de seuil, est alors de 1,5 cm.

De plus, l'étude du risque inondation définit la hauteur de plein bord, hauteur pour laquelle le débit de plein bord est atteint, à 31,5 cm. Cette hauteur est la hauteur d'eau maximum de fonctionnement de la turbine afin d'éviter tout risque de dommages.

Afin de déterminer la hauteur d'eau au niveau du seuil, un capteur sera installé et sera en lien direct avec l'armoire électrique. Ce capteur se base sur la mesure de la pression hydrostatique.

La pression hydrostatique est la pression exercée au dessous de la surface d'un liquide par le liquide situé au dessus quand le fluide est au repos. A l'intérieur d'une colonne de fluide se crée une pression due au poids de la masse de fluide. La pression hydrostatique est variable en fonction de la profondeur atteinte. En effet, une pression de 1 bar est gagnée tous les 10 mètres. [7]

Le principe d'une sonde de pression hydrostatique est présentée ci-dessous :


Figure 2. Sonde de pression hydrostatique. Source : [7].

A partir de la pression mesurée par la sonde, la hauteur d'eau de la rivière peut être calculée. Ce capteur est relié à l'armoire électrique et une mesure est effectuée toutes les minutes.

Afin de protéger la sonde contre les intempéries et les variations de débit, celle-ci sera placée au sein d'un tube en métal, relié à une fixation sur la berge.

  • ​​modifier l'orientation des aubes directrices du cercle de vannage afin de faire varier le débit entrant

L'étude du rendement de la turbine a permis de mettre en évidence un rendement nul pour un Qrelatif = 0,22, soit un débit mesuré égal à 0,15 m3/s. Un rendement nul nécessite un arrêt de la machine pour éviter de perdre de l'énergie et de ne pas endommager la turbine. 

Afin d'éviter cette perte, la mise en place d'un capteur de position relié à l'armoire électrique est requise. Celui-ci enclenchera la fermeture des aubes directrices et un arrêt de la turbine lorque celle-ci sera fermée à 78% de son état initial (ouverture complète).

A l'aide des mesures fournies par la sonde de pression hydrostatique et par le capteur de postion, l'armoire électrique sera capable de gérer 3 cas de figure :

- une fermeture des vannes et un arrêt de la turbine lorsque l'ouverture des aubes directrices est inférieure à 22%

- une ouverture progressive des aubes directrices de 22 à 100% permettant le passage du débit réservé au dessus du seuil (hauteur d'eau mesurée à l'aide de la sonde de pression hydrostatique)

- un fermeture des vannes et un arrêt de la turbine lorsque la hauteur d'eau est égale à la hauteur de plein bord.

Ces ouvertures et fermetures d'aubes directrices du cercle de vannage sont gérés par un verrin électrique directement relié à l'armoire électrique.


Figure 3. Vérin électrique. Source : [8].

  • mettre en route et arrêter la centrale

A l'aide de boutons marche/arrêt, le propriétaire détermine l'utilisation de la centrale.

  • procéder à l'arrêt du système en cas de défaillance

En cas de défaillance, telle qu'une coupure accidentelle du réseau ou un dysfonctionnement grave (échauffement des installations), l'armoire électrique commande l'arrêt du système. Elle contiendra un disjoncteur et un arrêt coup de poing.

Les estimations de chiffrage donnés par les fournisseurs donne un coût moyen de l'armoire électrique et des capteurs à environ 12000€ TTC.

 

3. Organes qui ne seront pas automatisés

Plusieurs organes sont fréquemment automatisés dans le cadre de centrales hydroélectriques mais ne semblent pas pertinent pour notre cas d'étude :

  • permettre l'ouverture et la fermeture de la vanne de prise d'eau

Le moulin ainsi réhabilité a pour vocation a produire en continu, la vanne de prise d'eau est donc continuellement ouverte. Une automatisation de ce système ne semble donc pas nécessaire. A l'approche d'une crue, dont l'alerte est donnée par le capteur de hauteur d'eau, le propriétaire devra fermer manuellement cette vanne.

  • permettre l'ouverture et la fermeture des vannes de décharge

Les crues sont rares au niveau du site du moulin, de l'ordre de 4 jours par an. Les vannes de décharge peuvent être ouvertes manuellement durant cette période et rester fermées le reste du temps. Une automatisation ne semble là aussi pas pertinente.