Systèmes de protection maritime sur les navires modernes : de la théorie aux tests en conditions réelles

Introduction : du schéma unifilaire au blackout… ou à la fiabilité

L’électrification a transformé le navire moderne en une microréseau fortement sollicité.
Les systèmes de puissance intégrés (IPS) connectent la propulsion, les services et les auxiliaires à des tableaux principaux communs, souvent en configurations en anneau fermé avec plusieurs groupes électrogènes alimentant les mêmes jeux de barres.

Cette architecture est extrêmement efficace et redondante, mais à une seule condition :

Le système de protection doit faire exactement ce que ses réglages promettent, dans toute configuration de fonctionnement réaliste.

La thèse « Protection of Electrical Power Systems in Maritime Applications – Analysis of Directional Overcurrent Protection Methods » montre que la véritable clé n’est pas seulement une solide étude de court-circuit, mais la vérification du comportement des relais dans des conditions réalistes.

Cet article traduit ces conclusions en recommandations pratiques pour les armateurs, les chantiers et les intégrateurs de systèmes, et explique comment utiliser les outils EuroSMC (Quasar, Mentor 12, Raptor, Prime, PME, ROOTS, PTE-50-CE Pro) pour passer de la théorie à une stratégie d’essais reproductible, documentée et favorable à la classification.

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1. Qu’est-ce qui différencie la protection à bord des navires ?

Comparés à un réseau MT terrestre typique, les systèmes de bord présentent des caractéristiques uniques :

• IPS et anneaux fermés : les groupes électrogènes, la propulsion et les auxiliaires partagent des tableaux principaux communs, souvent avec plusieurs alimentations dans un anneau.

• Distances électriques courtes : des longueurs de câbles <100 m entraînent des courants de défaut élevés et des effets presque simultanés sur plusieurs relais.

• Puissance de court-circuit variable : les niveaux de défaut changent significativement selon le nombre de groupes en service (port, transit, DP, secours).

• Forte pénétration de moteurs et variateurs : les moteurs de propulsion peuvent représenter jusqu’à 90 % de la charge totale, influençant fortement la dynamique du système.

• Régime de neutre isolé ou à résistance élevée (IT/HRG) : les courants de défaut à la terre sont faibles ; les défauts PP, PPG et 3P dominent généralement la conception de la protection.

En résumé :

La continuité de service dépend d’une protection rapide et sélective qui reste robuste pour différentes configurations de fonctionnement et conditions de charge.

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2. Surintensité directionnelle (ANSI-67) : l’ossature de la sélectivité en mer

Sur les systèmes MT terrestres, on combine souvent la différentielle (ANSI-87) et la distance (ANSI-21) pour une sélectivité haut de gamme. À bord :

• La distance (21) est souvent problématique : lignes courtes, niveaux de défaut variables et contribution de multiples alimentations rendent le réglage des zones de distance difficile.

• La différentielle (87) est excellente pour les machines et parfois les jeux de barres, mais son utilisation généralisée à bord peut être coûteuse et sensible aux TC.

Il reste donc la surintensité directionnelle ANSI-67, véritable cheval de bataille pour :

La protection sélective des jeux de barres, des couplages et des départs dans les IPS maritimes en anneau fermé.

La thèse compare plusieurs méthodes de polarisation (V1/I1, polarisation croisée, autopolarisation) sur un modèle en anneau fermé à 8 jeux de barres et conclut :

• La séquence positive (V₁/I₁) et la polarisation croisée offrent une directionnalité fiable et un fonctionnement rapide (<1 cycle) pour les défauts PP et 3P.

• Les variantes autopolarisées peuvent perdre la directionnalité lors des défauts PP, en particulier en cas de défauts francs avec très faible impédance de défaut.

• Le principal défi n’est pas la méthode de polarisation elle-même mais la coordination dans les anneaux fermés et les changements de configuration (groupes en service/hors service, anneau ouvert/fermé).

Le travail va au-delà de la simulation en testant un relais MT commercial (DEIF MVR-215 avec ANSI-67 basé sur la polarisation en séquence positive) à l’aide d’un système d’essai matériel qui rejoue en temps réel des enregistrements de défaut COMTRADE.

Cette philosophie « simuler → rejouer → vérifier » est précisément celle où les unités EuroSMC comme Quasar et Mentor 12, associées à ROOTS, apportent une forte valeur ajoutée.

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Schéma conceptuel 1 – IPS en anneau fermé avec ANSI-67

Cela aide à visualiser où se trouvent les relais directionnels et où il est crucial de tester la direction, le blocage et la sélectivité temporelle.

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3. De la thèse à la salle des machines : stratégie d’essai par composant

Voici une approche pratique d’essais par élément du système, et la façon dont les équipements EuroSMC peuvent la soutenir.

Tableau 1 – Éléments du système vs fonctions et outils EuroSMC

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3.1 Groupes électrogènes et jeux de barres principaux

Fonctions typiques : 50/51, 67, 32, 27/59, 24, 81, 87.

Objectifs

• Vérifier les seuils de déclenchement et courbes temps-courant pour 50/51.

• Confirmer le bon fonctionnement en sens direct/inverse de l’ANSI-67 pour les défauts PP et 3P sous différentes configurations de groupes.

• Vérifier la coordination entre les relais de générateur, de jeux de barres et de départs.

• Évaluer l’impact des écarts de fréquence et de l’impédance de défaut sur les temps de relais.

Injection secondaire avec Quasar / Mentor 12 + ROOTS

• Utiliser des rampes linéaires ou binaires pour déterminer les seuils 50/51/67.

• Vérifier automatiquement les courbes IDMT (SI/VI/EI) à 2, 5 et 10×In.

• Utiliser les fonctions Fault / Fault Playback pour reproduire des scénarios réalistes Pré-défaut / Défaut / Post-défaut, y compris la lecture COMTRADE directement depuis vos outils RMS/EMT.

• Balayer la fréquence (58–62 Hz) et la résistance de défaut pour explorer les conditions limites.

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3.2 Propulsion et grands variateurs de moteurs

Objectifs

• Distinguer clairement les courants de démarrage moteur, les surcharges de courte durée et les véritables défauts.

• Garantir une bonne coordination entre la protection moteur et les départs/jeux de barres en amont, afin d’éviter les blackouts inutiles.

Avec Quasar / Mentor 12 + ROOTS

• Simuler des profils de démarrage réalistes (appel de courant, accélération, régime normal).

• Injecter des conditions de rotor bloqué et de perte de phase, en vérifiant les temps de déclenchement et la sélectivité.

• Combiner des rampes de courant et de tension pour tester les démarrages en sous-tension / tension réduite, en s’assurant que les éléments 51/67 en amont restent stables pendant le démarrage moteur.

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3.3 Départs, câbles et couplages d’anneau

Objectifs

• Valider les éléments 67 en sens direct et inverse à chaque extrémité de câble.

• Confirmer que les logiques de blocage inverse et d’interverrouillage isolent la section défectueuse en minimisant l’ouverture de l’anneau.

• Comparer le comportement réel du schéma à l’étude de conception.

Avec Quasar / Mentor 12 + ROOTS

• Réaliser des tests directionnels bout-en-bout :

  • Injecter un défaut simulé depuis le côté « émission » avec la bonne polarisation en tension.

  • Vérifier le déclenchement du relais local et le blocage du relais distant.

• Utiliser les E/S binaires et l’IEC-61850 GOOSE (dans le cas de Quasar) pour valider les logiques de blocage, de permissif et de déclenchement de jeux de barres.

• Rejouer le même scénario COMTRADE sur plusieurs relais pour vérifier le comportement au niveau système.

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3.4 Disjoncteurs et appareillage : injection primaire & chronométrage

Objectifs

• Vérifier le chronométrage des disjoncteurs sous courants réalistes.

• Contrôler la résistance de contact et l’état mécanique.

• Prouver que les jeux de barres et les TC peuvent supporter en toute sécurité les courants de pleine charge et de défaut.

Avec Raptor, Prime-600 et analyseurs PME

• Raptor : système d’injection primaire modulaire délivrant jusqu’à 15 kA via la technique de passage de barre et des modules MS/SL, idéal pour les disjoncteurs, jeux de barres et TC.

• Prime-600 : micro-ohmmètre de forte intensité avec DRM pour évaluer l’état des contacts principaux et d’arc dans les disjoncteurs scellés sans les ouvrir.

• PME-500-TR / PME-600-T / PME-700-TR : analyseurs de disjoncteurs combinant :

  • Commande des bobines d’ouverture/fermeture,

  • Chronométrage des contacts et synchronisme,

  • Et pour le PME-700-TR, mesure de résistance de contact à 10 A en quatre fils sur trois pôles.

Cela vous permet de comparer les temps de coupure réels (relais + disjoncteur) à vos marges de coordination et de constituer un historique de vie des disjoncteurs critiques.

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3.5 Défauts à la terre dans les systèmes de bord HRG/IT

Dans les systèmes isolés ou à résistance de mise à la terre élevée, le premier défaut à la terre se comporte souvent davantage comme un problème d’isolement que comme un défaut fortement énergétique.

Avec Quasar ou Mentor 12, vous pouvez :

• Injecter de faibles courants résiduels pour tester la sensibilité 51G/67N.

• Valider les logiques alarme seule vs déclenchement pour les stratégies de premier défaut / second défaut.

C’est généralement un bon point de départ pour une discussion constructive entre concepteurs, armateurs et chantiers.

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4. Feuille de route pratique pour chantiers et exploitants

Un programme d’essais réaliste pour un navire neuf ou une grande modernisation pourrait ressembler à ceci :

Avant les essais en mer

• Utiliser Quasar/Mentor 12 + ROOTS pour valider tous les réglages de relais (groupes, jeux de barres, départs, moteurs) avec des plans de test automatisés.

• Réaliser des essais primaires avec Raptor / Prime-600 / PME sur les disjoncteurs principaux et les jeux de barres.

• Archiver tous les rapports d’essais dans le dossier technique du navire.

Après la première année d’exploitation

• Effectuer un plan de test relais raccourci, axé sur les boucles critiques (couplages d’anneau, départs de propulsion, groupe de secours).

• Répéter les essais de chronométrage des disjoncteurs sur les unités les plus critiques.

À chaque passage en cale sèche / grande refonte

• Réexaminer votre étude de coordination en incluant tout nouveau variateur, groupe ou grand consommateur.

• Mettre à jour les réglages des relais et relancer les essais automatisés ROOTS.

• Utiliser l’injection primaire pour confirmer que tout nouveau tableau ou coupleur se comporte comme prévu.

Avec le temps, vous constituez un historique traçable des performances de protection, un atout précieux pour traiter des questions de risque, de disponibilité et de conformité.

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5. Questions pour ouvrir la discussion

• Vos relais directionnels sont-ils testés dans toutes les configurations réalistes de groupes (port, transit, DP, secours) ?

• Vos marges de sélectivité temporelle restent-elles cohérentes une fois que vous mesurez les temps réels des disjoncteurs par injection primaire ?

• Comment démontrez-vous, preuves à l’appui, qu’un défaut sur un jeu de barres de propulsion ne mettra pas tout le navire hors tension ?

• Votre stratégie d’essais actuelle est-elle basée sur la philosophie d’une seule marque de relais, ou sur une vision système comme celle développée dans la thèse ?

Si ces questions vous parlent, EuroSMC peut vous accompagner.

En utilisant les systèmes d’essais de relais et d’injection primaire EuroSMC (Quasar, Mentor 12, PTE-50-CE Pro, Raptor, Prime-600, PME) ainsi que les essais automatisés ROOTS, nous pouvons travailler avec vos équipes, vos chantiers et vos partenaires pour transformer une théorie avancée de la protection maritime en une stratégie d’essais reproductible et documentée—du bureau d’études à la salle des machines.