La protection des groupes électropompes dans les installations de traitement d'eau

Compagnie Générale des Eaux

Le bon fonctionnement des groupes électropompes est une nécessité fondamentale pour assurer la permanence de la distribution de l'eau. Il est assuré sous deux conditions primordiales :

— une conception rigoureuse de l’installation dont le dimensionnement de la pompe et des conduites doit être réalisé conformément aux règles de l'art, aux normes et aux lois de l’hydraulique ;— la mise en place et le réglage minutieux de ce que l’on appelle habituellement « les protections ».

Le présent article ne traitera que des protections s’appliquant à une installation correctement conçue et réalisée.

La bonne conception et la réalisation correcte d'une installation de pompage peuvent être considérées comme l’établissement d’éléments et de caractéristiques statiques de la station : en effet, une fois l’équipement effectué, aucune de ces valeurs ne variera plus dans le temps au cours du fonctionnement.

Par opposition à ces caractéristiques statiques, une station de pompage comporte des caractéristiques dynamiques, c’est-à-dire des caractéristiques essentiellement variables au cours du temps : le niveau ou la pression d’eau à l’aspiration, et le niveau ou la pression d’eau au refoulement, valeurs de base qui déterminent les paramètres instantanés de fonctionnement de l’installation : débit, hauteur, puissance, rendement.

Les protections ont pour but d’assurer le contrôle permanent des paramètres dynamiques de fonctionnement d’un groupe électropompe.

LES PROTECTIONS INDISPENSABLES

Certaines protections seront installées sur la pompe, d’autres sur le moteur et plus précisément sur l’alimentation électrique du moteur.

Protection de la pompe par le circuit hydraulique

La protection primordiale de la pompe consiste à s’assurer de la présence d’eau à l’alimentation de la pompe.

Pompe aspirant dans une bâche ou un réservoir

Il s’agit d’une pompe aspirant au travers de conduites courtes dans un réservoir à plan d’eau libre et à la pression atmosphérique. La protection la plus simple consiste en un contrôle du niveau de la bâche : en cas de baisse importante du niveau risquant de dénoyer la tuyauterie d’aspiration de la pompe, il y a lieu d’arrêter la marche de la machine.

Pour la valeur du niveau d’arrêt, il faut tenir compte du risque de la création de vortex et laisser subsister une certaine hauteur d’eau au-dessus de la tuyauterie. La figure 1 donne des indications sur la détermination du niveau d’arrêt.

Pour la détection du niveau d’arrêt, le système le plus simple et le plus fiable consiste à utiliser un contact à flotteur immergé. Si la bâche est remplie par surverse, il faut installer le détecteur dans une zone assez éloignée de la surverse, afin de ne pas perturber le fonctionnement du détecteur de niveau par les remous du plan d’eau ; on pourra également mettre en place des cloisons anti-remous.

Si la bâche d’aspiration est munie d’un dispositif de mesure continue du niveau, ce dispositif pourra avantageusement être utilisé pour détecter le niveau d’arrêt.

Plusieurs systèmes de mesure peuvent être utilisés :— mesure directe par flotteur, câble d’acier et contrepoids, avec montage sur la règle de visualisation d’un contact à galet type fin de course ;

• — mesure directe du niveau par manomètre avec utilisation d’un manomètre à contact, ou d’un manostat. La prise de pression du manomètre dans la bâche doit être une prise statique indépendante. Cette prise ne doit pas être constituée par un piquage sur la conduite d’aspiration des pompes car la mesure est alors entachée d’erreur due à l'effet hydrodynamique.
• — mesure directe de niveau par cloche hydropneumatique, capillaire et manomètre avec utilisation d’un manomètre à contact ou d’un manostat ;
• — mesure par un capteur électrique ou électronique donnant une indication du niveau sous forme de courant 4-20 mA avec montage sur le circuit électrique de mesure d’un milliampèremètre à fonction de commande.

Pumpe aspirant directement sur le réseau par des conduites

La solution la plus communément utilisée est le manomètre à contact ou le manostat. Cet appareil est branché à l’aspiration sur une prise de pression et actionne un contact lors d’une baisse de pression. La valeur de la pression d’arrêt se détermine différemment selon que la pompe est en charge ou en aspiration :

Pumpe en charge

Cette expression signifie que la pression minimale à l’aspiration de la pompe est toujours positive dans les conditions normales de fonctionnement de la pompe (débit maximum possible avant la zone de cavitation). Le réglage pourra être fait après mesure de la pression régnant à l’aspiration pour un débit de pompe de 1,2 Q nominal. Le seuil pourra être fixé à (0,2 bar pression mesurée).

Pumpe en aspiration

La pression mesurée à la partie supérieure de la bride de la pompe est inférieure à la pression atmosphérique : la valeur de la pression au manomètre est négative. La valeur de réglage sera déterminée à partir des courbes de NPSH requis de la pompe ; le NPSH disponible doit toujours être supérieur au NPSH requis. La marge sera de 0,5 m CE au débit maximal de fonctionnement, soit 1,2 Qn (figure 2).

La valeur de la dépression à l’aspiration est donnée par la formule :

Va = Patm — ????ₒ — NPSH disponible  
[+ [Q/π D²/4]²/2g + D/2]

où Patm = pression atmosphérique du lieu (prendre garde à la correction d’altitude : pour 1400 m baisse de 1,5 m)  
????ₒ = tension de vapeur de l’eau à la température de pompage 15 ° : 0,17 m ; 25 ° : 0,32 m ; 35 ° : 0,60 m  

[Q/π D²/4]²/2g = correction au droit de la prise de pression  

D/2 = correction entre le plan de référence et la prise de pression (voir figure 3).

Avec une marge de 0,50 m la valeur minimale de Va sera donc :

Va Mini = Patm — ????ₒ —  

NPSH requis à 1,2 Qn + 0,50 +  
1,2 Qn  
= 2 g i by2 C D⁴/172 g + D/2

Si l’on est en possession des courbes complètes de caractéristiques de pompe, la valeur de réglage sera la valeur Va Mini ainsi calculée. En l’absence des courbes de NPSH on pourra opérer de la manière suivante :

• — mettre la pompe en service,
• — mesurer la pression au refoulement,
• — mesurer la dépression à l’aspiration,
• — calculer la HMT,
• — porter la valeur sur la courbe H(Q) et lire Q,

• — essayer d’augmenter Q en ouvrant une décharge pour atteindre ou à défaut approcher 1,2 Qn,
• — pour la valeur maximale atteinte, lire la dépression à l’aspiration,
• — la valeur de réglage sera la valeur ainsi lue diminuée de 0,5 m.

Les types de matériel utilisés sont, pour une pression positive supérieure à 2 bars : un manostat télémécanique et, pour pression positive faible ou dépression : manostat Georgin, vacuostat Georgin.

Action sur la commande de la pompe

Différents types d’action peuvent être envisagés selon des schémas à définir par les utilisateurs : temporisation ou non, manque d’eau supérieur à un temps prédéterminé arrêtant les groupes, le redémarrage nécessitant un acquittement local...

Protection de la pompe par le circuit électrique du moteur d’entraînement

Il s’agit en fait de protections sur l’alimentation électrique du moteur, destinées plus particulièrement à contrôler le fonctionnement de la pompe. Il est bien évident que ces protections contrôlent également le fonctionnement du moteur ; cependant, les valeurs de réglage seront choisies non pas en fonction du moteur, mais en fonction de la pompe.

La détermination des protections à mettre en œuvre est une conséquence directe des courbes caractéristiques des pompes. Il est important de préciser ici que la suite du document se réfère exclusivement aux pompes centrifuges ou, à la limite, hélicocentrifuges repré-

sentant la quasi-totalité des pompes utilisées dans l'industrie de l'eau potable. Pour les pompes hélices et les pompes volumétriques, les critères sont différents.

Le fonctionnement correct d'une pompe centrifuge ne peut être obtenu que dans une zone de débit/hauteur relativement étroite entourant le point de fonctionnement (appelé point nominal) correspondant aux débit nominal, HMT nominale, rendement maximal et puissance nominale (figure 2). La zone normale de fonctionnement s’étend de part et d’autre du point nominal pour des valeurs de débit d'environ 0,8 Qn à 1,2 Qn ; les valeurs exactes sont fonction de chaque pompe. On constate que dans cette zone la courbe de puissance sur l'arbre de la pompe est continuellement croissante. C'est cette caractéristique qui va être exploitée pour la mise en œuvre de la quasi-totalité des dispositifs de protection.

Protection de surintensité

La puissance appelée au réseau pour un moteur électrique triphasé (cas le plus commun) s’écrit sous la forme :

P = √3 U I cos φ

Le fonctionnement se faisant à tension constante et le cos φ ayant une plage de variation faible dans la zone de bon fonctionnement de la pompe, il en découle que la puissance est directement proportionnelle à l'intensité. La surveillance de I permet donc le contrôle permanent de la puissance ; plus précisément, la détection d'une surintensité permet de savoir que le point de fonctionnement de la pompe sort de la zone normale par la droite : surdébit, hauteur diminuant, puissance en hausse. Un tel déplacement du point de fonctionnement provient en général d'une diminution de la hauteur de refoulement qui pourrait être consécutive à une perte d’eau au refoulement : fuite, rupture...

Détermination du seuil de réglage

Détermination théorique

Elle peut se faire à partir des courbes caractéristiques. En fonction de la puissance limite à la zone de bon fonctionnement, il est facile de calculer l'intensité maximale à ne pas dépasser, donnée par la formule :

\[ I_i = \frac{P_i}{\sqrt{3}\,U\,\cos φ} \]

dans laquelle : P_i : puissance lue sur la courbe de pompe à l’extrémité de la plage de fonctionnement U : tension réseau cos φ : valeur relevée sur la plaque moteur η_m : rendement nominal du moteur relevé sur la plaque moteur

Détermination pratique

Bien que la détermination théorique soit souhaitable, elle n'est pas toujours facile car on ne dispose pas toujours des caractéristiques complètes de la machine.

Pratiquement, on peut opérer de la manière suivante :

— mise en marche de la machine,

— mesure de la pression d’aspiration,

— mesure de la pression de refoulement,

— calcul de la HMT,

— report sur la courbe H(Q), vérification de ce point par rapport au point nominal ; le point doit être compris entre environ 0,8 et 1,2 Qn,

— lire l'intensité absorbée sur un ampèremètre : cette valeur correspond au point de fonctionnement. On peut alors, par interpolation entre P_o et P_i, calculer la valeur I_i qui sera la valeur de réglage.

Plus simplement, et d'une manière plus approchée, si l'on connaît l'intensité absorbée pour le fonctionnement au point nominal (soit I_n) le réglage pourra se faire à 1,10 ou 1,15 I_n.

Il faut noter que la valeur de I_n indiquée ci-dessus est l’intensité absorbée effectivement par le moteur lors du fonctionnement de la pompe au point nominal. En aucun cas il ne s’agit de l'intensité inscrite sur la plaque moteur. Cette dernière valeur correspond en effet à la puissance nominale du moteur, valeur toujours supérieure et parfois largement supérieure à la puissance nominale requise par la pompe. En effet, le dimensionnement des moteurs de pompe doit normalement s’effectuer en prenant la puissance pour Q = 1,2 à 1,3 Qn, affectée d'une majoration de l’ordre de 10 %, et l'on retient ensuite le moteur de puissance normalisée immédiatement supérieure. On voit donc bien dans ces conditions que l'intensité nominale du moteur constitue une valeur excessive pour le réglage de surintensité de la pompe.

Matériel à utiliser

Relais thermique

Le dispositif le plus communément utilisé pour les petites et moyennes machines, jusqu’à 500 kW, est le relais thermique dont le but est de protéger contre les surcharges faibles et prolongées. Ce dispositif convient parfaitement pour le type de protection des pompes recherché puisque le fonctionnement au-delà de la plage normale ne devient dangereux que s'il persiste un certain temps. Des passages transitoires ne sont nullement néfastes.

Les relais à retenir (relais thermiques) doivent avoir les caractéristiques suivantes : tripolaire, compensé, différentiel.

Le dispositif de compensation rend le relais insensible aux variations de température ambiante ; ceci est important, notamment dans les pays à fortes variations de température selon les saisons ou entre le jour et la nuit et dans des locaux insuffisamment ventilés où la température ambiante augmente considérablement pendant le fonctionnement des pompes.

La fonction différentielle est également essentielle mais n’intervient qu'indirectement sur la protection de surintensité (voir protection contre la coupure de phase).

Action sur la commande

Le schéma de principe de l'action pourra être réalisé en logique classique à relais ou en logique programmable. Dans le cas d'une station à deux groupes, il y aura intérêt, lors de la mise en défaut d'un groupe, à basculer automatiquement le fonctionnement de la station sur le 2ᵉ groupe.

Protection du moteur

Nous venons de voir les protections indispensables pour la pompe, qu'elles soient installées sur le circuit hydraulique ou sur le circuit d’alimentation du moteur. De son côté, le moteur peut connaître des difficultés de fonctionnement qui, en l'absence des dispositifs de protection examinés ci-après, conduisent à sa mise hors service.

Protection contre la coupure de phase (ou contre la marche en monophasé)

Il s'agit ici d'une protection relative au moteur car la marche en monophasé n'intervient pas directement sur le fonctionnement de la pompe. Elle peut être réalisée :

— dans le cas le plus général, par la protection de surintensité pourvu que celle-ci soit tripolaire ; en effet, la coupure d'une phase entraîne une surintensité sur les deux autres phases. Cette surintensité peut, dans la quasi-totalité des cas des pompes petites et moyennes, être détectée par le relais de surintensité dans la plage de réglage retenue pour cette fonction ;

— plus sûrement, dans tous les cas et indépendamment de la valeur de réglage de la fonction surintensité, avec un relais thermique différentiel. La fonction différentielle contribue à détecter une différence d'intensité entre les courants traversant les différentes phases. Une phase étant totalement coupée, le déclenchement est assuré.

Protection contre les surcharges instantanées et importantes

Ce type de surcharge est assez rare ; on peut penser notamment à deux types d'incidents qu'il peut entraîner :

— grippage mécanique du mobile (pompe ou moteur) par suite d'une défaillance de palier ; en fait, ce type d’incident commence toujours par un échauffement et donc une surcharge faible et de longue durée ; il est donc souvent détecté par la protection de surintensité thermique ;

— mobile bloqué lors du démarrage : on maintient alors le courant de démarrage (soit 6 à 7 In) en démarrage direct, intensité qui sera aisément détectée par le relais thermique.

D'une manière générale, il n'y aura donc pas de dispositif supplémentaire de protection à prévoir ; cependant on utilise parfois un relais magnétique associé ou non au relais thermique, l’ensemble prenant alors le nom de relais magnétothermique. Cette solution, systématiquement préconisée dans le passé, tend à tomber en désuétude. En effet, en cas de très forte surcharge, il y a bien détection par le relais magnétique, mais le contacteur, qui doit assurer la coupure, possède rarement le pouvoir de coupure nécessaire. Il peut en résulter un soudage du contacteur. Le seuil de réglage du magnétique doit être fixé au-dessus de la valeur du courant de démarrage normal, soit 10 In pour un démarrage en direct.

Protection contre les courts-circuits

Ils proviennent d'un défaut d’isolation situé soit dans les bobinages du moteur, soit dans les câbles d’alimentation. Il s'agit d'une protection purement électrique qui peut être réalisée de deux façons :

— avec des fusibles HPC : le pouvoir de coupure sera approprié à la puissance de court-circuit de la distribution. Néanmoins, pour éviter un fonctionnement en monophasé du moteur, il est indispensable de prévoir des fusibles à percuteur avec contact auxiliaire de détection inséré dans le circuit de la bobine du contacteur, afin d’assurer une coupure triphasée du circuit ;

— avec un disjoncteur, qui assure la protection en un seul équipement.

PROTECTIONS COMPLÉMENTAIRES

Protection à minimum de puissance de désamorçage ou barbotage

Comme il a été dit ci-dessus, il s'agit d’éviter le fonctionnement de la pompe en dehors de la plage normale. La surintensité permet de détecter un fonctionnement anormal par valeurs supérieures ; le minimum de puissance permettra de détecter un fonctionnement anormal par valeurs inférieures. La pompe fonctionne alors avec un faible débit qui peut aller en s'annulant. Si ceci provient, comme c’est le cas le plus fréquent, d’un manque d'eau, c'est la protection correspondante qui agira. Pour les pompes de petite puissance on peut considérer que la protection à manque d'eau est suffisante. Pour les pompes plus importantes, il faut se protéger contre un tel fonctionnement provenant non plus d’un

Tableau 1 : Fiche de réglage et de vérifications. Usine de

manque d'eau à l’aspiration, mais d'une surpression au refoulement consécutive à un manque de débit pouvant être provoqué, par exemple, par des fermetures de vannes sur le réseau de refoulement. La pompe fonctionne alors en barbotage. Il y a échauffement de l’eau dans la pompe, transformation de l’énergie transmise au mobile en élévation de température de l’eau, puis des métaux constitutifs de la machine : roue, arbre, paliers, roulements, avec risque de grippage. À ce point d’évolution du phénomène, il y a déclenchement par surintensité mais les dégâts sur la machine sont déjà devenus irréversibles. Il faut donc agir plus vite.

Détermination du seuil de réglage

Les critères de détermination seront les mêmes que pour la surintensité en raisonnant cette fois sur la partie gauche de la plage de fonctionnement (figure 2).

Matériel

Le matériel le plus couramment utilisé est le relais à minimum de puissance. C’est un relais qui mesure de manière continue la puissance absorbée par la machine : produit tension, intensité. Il est alimenté par une intensité au calibre 5 A provenant donc de TI. Le réglage de ce relais est souvent délicat, voire très délicat, pour les petites machines. En effet, la courbe de puissance est relativement peu inclinée, c’est-à-dire que la puissance à la limite gauche de la plage de fonctionnement est très peu inférieure à la puissance nominale. La tolérance de réglage est étroite et il en résulte pratiquement que l'on doit bien souvent atteindre un débit très faible, voire nul, pour obtenir le déclenchement.

Pour des machines petites et moyennes, on pourra utiliser également le relais de mesure d’intensité du type direct avec déclenchement par seuil minimum.

Pour les petites pompes, il est préférable de retenir une solution plus simple, moins onéreuse et plus efficace : il s’agit de contrôler la montée de la pression de refoulement. Dans le cas où la courbe de pompe est très plate, ce système reste aussi difficile à régler que le relais de puissance. Si la courbe a une certaine pente, un manostat sensible sera suffisamment efficace.

Protection contre la baisse de tension

Cette protection est particulièrement importante lorsque les groupes électropompes sont alimentés par des installations (groupes électrogènes) ou des réseaux de faible capacité et de faible fiabilité. La baisse de tension sur l’alimentation des moteurs entraîne une augmentation d’intensité qui peut être très préjudiciable à la vie des moteurs. Fort heureusement, une bonne protection contre les surintensités, telle que définie ci-dessus, permet de résoudre sans autre équipement la protection contre les baisses de tension. On pourra également utiliser un relais voltmétrique.

CONTRÔLE DU FONCTIONNEMENT DES PROTECTIONS

Il serait vain de prévoir des protections correctes si, en exploitation, le fonctionnement effectif de ces dispositifs n’est pas testé périodiquement. On constate en effet que même si les matériels utilisés ont fait l'objet d'une sélection rigoureuse, ils subissent plus ou moins rapidement un effet de vieillissement qui en altère la fiabilité. De plus, notre expérience nous conduit trop souvent à trouver des matériels qui ne sont pas bien adaptés aux conditions d’installation et d’environnement, et ceci d’autant plus que ces conditions sont sévères. Il en est souvent ainsi de l'adaptation des matériels à diverses ambiances : chaudes, humides, tropicales (chaudes et humides), à variations rapides et de grandes amplitudes (phénomène de condensation), poussiéreuses ou avec des animaux de plus ou moins grande taille (sauterelles, lézards...).

Il en résulte des non-fonctionnements des protections avec les conséquences que nous avons déjà signalées ; aussi recommandons-nous la vérification systématique de toutes les protections deux fois par an au moins.

Une fiche type de réglage (tableau I) doit être établie lors de la mise en service de la station de pompage. Le personnel de vérification portera les indications correspondantes à chaque essai et transmettra au plus tôt pour intervention les

Tableau II

Protections des groupes électropompes

dérives ou dysfonctionnements constatés.

Nous donnons ci-dessous les modalités pratiques de vérification des dispositifs les plus courants, vérifications pouvant être faites sans perturber de façon sensible l’exploitation des installations.

Présence d’eau

Système avec poires immergées

Fonctionnement : soulever la poire pour l’émerger : les groupes doivent s’arrêter. Selon le type d’action, vérifier la temporisation, le réenclenchement éventuel, la signalisation, l’acquittement…

Réglage : mesurer la longueur entre le point d’ancrage et l’extrémité du fil supportant la poire.

Règle de visualisation avec contacteur à galet

Fonctionnement : actionner le galet.

Réglage : vérifier la valeur sur la règle.

Manomètre à contact, manostat, milliampèremètre à fonction de commande, vacuostat

Fonctionnement : pour tous ces appareils, il y a lieu d’élever la valeur de réglage jusqu’à atteindre la valeur effective du moment de la vérification. On peut également, dans la plupart des cas, fermer le robinet d’isolement du dispositif de manière à en couper l’alimentation hydraulique.

Réglage : remettre les index de déclenchement sur les valeurs mentionnées sur la fiche.

Protection contre la surintensité

Relais thermique

Fonctionnement : pendant que le groupe tourne, abaisser la valeur du réglage jusqu’à obtenir le déclenchement.

Réglage : remettre l’index sur la valeur mentionnée sur la fiche.

Relais magnétique

Fonctionnement : avant le démarrage du groupe, baisser la valeur de réglage au-dessous de l’intensité de démarrage. Enclencher le groupe. Il doit y avoir déclenchement immédiat.

Réglage : remettre l’index à la valeur mentionnée sur la fiche.

Court-circuit

Fonctionnement : actionner manuellement le dispositif mécanique des percuteurs des fusibles ; pas d’autre essai à prévoir.

Désamorçage barbotage

Fonctionnement : ne pas toucher au réglage de la protection ; pendant que le groupe tourne, fermer lentement la vanne de refoulement : on doit obtenir le déclenchement avant la fermeture complète. Il est conseillé de noter le basculement du relais wattmétrique sans attendre le déclenchement, de manière à ne pas continuer à fermer la vanne durant les temporisations éventuelles de transmission des ordres.

Tension trop faible et marche monophasée

Nous prohibons les essais sur ces protections. Si ces protections sont assurées par relais thermique différentiel, l’essai de la protection de surintensité permet de tester le circuit de déclenchement correspondant.

CONCLUSION

Le tableau II résume les différents cas exposés et les solutions préconisées. Les matériels disponibles sur le marché peuvent assurer une excellente protection des groupes électropompes s’ils sont choisis en fonction des spécifications propres à chaque type d’installation. Cependant le choix d’un équipement bien adapté lors de la conception des ouvrages, bien que nécessaire, n’est pas suffisant. Il faut aussi surveiller la tenue dans le temps des matériels, ce qui impose des visites systématiques biannuelles qui permettent de mettre rapidement en lumière les dérives éventuelles des équipements.