REALISATION D’UN DISPOSITIF NUMERIQUE POUR LA COMMANDE ET LE CONTROLE DU DISJONCTEUR TRIPHASE BT MINI PROJET REALISE PAR : BENABDELOUAHAB NOUHAILA BENJELLOUN DOHA OUKRID MOUNA ENCADRE PAR : MADAME ELABBASSI MARCH 26, 2021 Remerciement L a réalisation de ce travail s’est concrétisée grâce au soutien de plusieurs personnes à qui nous voudrions témoigner toutes nos gratitudes. Nous adressons nos sincères remerciements à tous le cadre administratif et professoral de L’Ecole Hassania des Travaux Publiques et spécialement le département Génie Électrique pour le travail énorme qu’ils effectuent afin de créer les conditions les plus favorables pour le déroulement de nos études. Ainsi, nous tenons à exprimer nos profondes gratitudes à Mme.ELABBASSI pour ses efforts, son encadrement, soutiens et gentillesses, nous ayant permis d’accomplir nos travaux dans les meilleures conditions. Nous tenons enfin, à travers ces mots, à remercier très chaleureusement toutes les personnes qui par leurs paroles, leurs écrits, leurs conseils et leurs critiques ont permis la réalisation de notre projet de classe. 1 Table de matière I. INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 4 II. LOGICIELS .............................................................................................................................................. 5 III. Réalisation du mini-projet :............................................................................................................... 6 1. Étude des transformateurs de courant et de tension pour les dispositifs de protection .............. 6 a. Transformateur de courant .......................................................................................................... 6 b. Transformateur de Tension .......................................................................................................... 8 2. Description de la constitution du dispositif numérique ............................................................... 10 a. Les relais numériques ................................................................................................................. 10 b. Identification des disjoncteurs .................................................................................................... 13 3. Simulation par MATLAB/SIMULINK pour le déclenchement automatique du disjoncteur ......... 16 a. Schéma ........................................................................................................................................ 16 b. Description .................................................................................................................................. 17 c. Essaie de détection de défaut ..................................................................................................... 20 IV. Conclusion ....................................................................................................................................... 24 V. Bibliographie ....................................................................................................................................... 25 2 Table de Figure Figure 1: fenêtre principale de Matlab ......................................................................................................... 5 Figure 2 : transformateur de courant ........................................................................................................... 6 Figure 3 : transformateur de tension ............................................................................................................ 8 Figure 4: circuit électrique d'un transformateur de tension ....................................................................... 8 Figure 5 : relais numérique utilisé en distribution ...................................................................................... 10 Figure 6: disjoncteur ................................................................................................................................... 13 Figure 7 : schéma de bloc du réseau considéré dans Simulink ................................................................... 16 Figure 8: bloc de source de tension triphasé .............................................................................................. 17 Figure 9 : bloc de disjoncteur triphasé........................................................................................................ 17 Figure 10 : bloc du relais ............................................................................................................................. 17 Figure 11: vue interne de relais .................................................................................................................. 18 Figure 12: bloc opérationnel ....................................................................................................................... 18 Figure 13 : relais RS ..................................................................................................................................... 19 Figure 14 : tableau pour les valeurs prisse et le défaut uilisé..................................................................... 20 Figure 15: (1 : à gauche ) figure de variation de tension à la sortie du relais et (2 : à droite ) figure de variation de courant pour chaque phase .................................................................................................... 20 3 I. INTRODUCTION L’appareillage électrique est un élément qui permet d’obtenir la protection et l’exploitation sûre et interrompue d’un réseau électrique. L’appareillage électrique permet d’adapter, à chaque instant, la structure du réseau aux besoins de ses utilisateurs, producteurs et consommateurs d’électricité, et de préserver, totalement ou partiellement, cette fonction en cas d’incident Pour choisir l'appareillage électrique adapté au récepteur demande une bonne connaissance du comportement du récepteur lors de l'utilisation normale et lors de dysfonctionnement en prenant en considération la cadence de fonctionnement, le risque de surcharge, la résistance aux courts-circuits et la résistance aux surtensions. Les constituants (appareillages, sous‐ensembles) doivent être conformes aux normes correspondantes et convenir à leur application particulière en ce qui concerne la présentation extérieure de l’ensemble, leurs caractéristiques électriques et mécaniques. Notre projet consiste à la Réalisation d’un dispositif numérique pour la commande et le contrôle du disjoncteur triphasé BT et son déclenchement automatique en cas de défaut. Notre travail se déroulera de la façon suivante : Etape1 : Une étude des transformateurs de courant et de tension pour les dispositifs de protection. Etape2 : Description de la constitution du dispositif numérique pour la protection (contre court-circuit,), la commande et le contrôle du disjoncteur triphasé BT. Etape3 : Une simulation par MATLAB/SIMULINK pour le déclenchement automatique du disjoncteur dans les cas de faibles et fortes surcharges, de court-circuit et de manque de tension ainsi que l’enclenchement et le déclenchement à distance dans le fonctionnement normal. 4 II. • LOGICIELS Matlab : Matlab « abréviation de MATtrix LABoratory », est un logiciel qui a été conçu pour fournir un environnement de calcul numérique de haut niveau. Il est particulièrement performant pour le calcul matriciel car sa structure de données interne est basée sur les matrices. Il dispose également de grandes capacités graphiques, par exemple, la visualisation d’objets mathématiques complexes. Son fonctionnement repose sur un langage de programmation interprété qui permet un développement très rapide. Pour des applications nécessitant un temps de calcul plus élevé, un langage compilé comme le C++ ou le fortran, est mieux adapté. • Généralités ✓ Lancement de Matlab L’interface Matlab se compose d’une fenêtre principale divisée en sous-fenêtres : Figure 1: fenêtre principale de Matlab 5 III. Réalisation du mini-projet : 1. Étude des transformateurs de courant et de tension pour les dispositifs de protection La protection des systèmes électriques a changé beaucoup depuis l'évolution des microprocesseurs. Leur intégration à très grande échelle a permis de réunir de nombreux composants dans une simple puce. La technologie numérique a fait sa place dans le domaine de la protection des systèmes électriques. Aujourd'hui, les relais numériques sont mis en application pour protéger presque tous les composants des systèmes électriques. Les techniques fondamentalement numériques emploient les mêmes principes qui ont étaient employé par les relais électromécaniques et statiques. a. Transformateur de courant Définition Un transformateur de courant est un transformateur de mesure dans lequel le courant secondaire est, dans les conditions normales d'emploi, pratiquement proportionnel au courant primaire et déphasé par rapport à celui-ci d'un angle approximativement nul pour un sens approprié des connexions. La notion de transformateur de courant est un abus de langage, mais elle a été popularisée dans l'industrie. L'expression « transformateur d'intensité » est sans doute plus exacte. On utilise fréquemment les abréviations TC ou TI. Figure 2 : transformateur de courant Rôle Les transformateurs de courant ont deux fonctions essentielles : 6 • Adapter la valeur du courant HT du primaire aux caractéristiques des appareils de mesure ou de protection en fournissant un courant secondaire d’intensité proportionnelle réduite. • Isoler les circuits de puissance du circuit de mesure et/ou de protection. La fonction d’un transformateur de courante phase est de fournir à son secondaire (Is) un courant proportionnel au courant primaire (Ip) mesuré. L’utilisation concerne autant la mesure (comptage) que la protection. Fonctionnement Le comportement du circuit magnétique des transformateurs de courant (TC) joue un rôle essentiel. Ce circuit est soumis au flux magnétique crée par le courant primaire et en particulier par la composante apériodique du régime transitoire du court-circuit. Selon les amplitudes et les polarités respectives de ces flux le risque de saturation du circuit magnétique est plus ou moins grand. Lorsque la saturation se produit le courant secondaire est déformé et n’est plus l’image du courant primaire, en d’autres termes une information incorrecte est présentée à l’entrée des différentes fonctions des protections peuvent en être affectées : fonction directionnelle, mesure de distance, fonction différentielle …. etc. Ces phénomènes sont à prendre en compte non seulement à l’établissement du court-circuit mais également lors d’un réenclenchement automatique sur défaut. 7 b. Transformateur de Tension Définition La fonction d’un transformateur de tension est de fournir à son secondaire une tension image de celle qui lui est appliquée au primaire. L’utilisation concerne autant la mesure que la protection. Les transformateurs de tension (TT ou TP) sont constitués de deux enroulements, primaire et secondaire, couplés par un circuit magnétique. Un transformateur de tension ou potentiel est alors un transformateur de mesure dans lequel la tension secondaire est, dans les conditions normales d'emploi, pratiquement proportionnelle à la tension primaire et déphasée par rapport à celle-ci d'un angle voisin de zéro, pour un sens approprié des connexions ». On utilise aussi le terme transformateur de potentiel (TP). Figure 4: circuit électrique d'un transformateur de tension 8 Figure 3 : transformateur de tension Rôle Il s'agit donc d'un appareil utilisé pour la mesure de fortes tensions électriques. Il sert à faire l'adaptation entre la tension élevée d'un réseau électrique HTA ou HTB (jusqu'à quelques centaines de kilovolts) et l'appareil de mesure (voltmètre, ou wattmètre par exemple) ou le relais de protection, qui eux sont prévus pour mesurer des tensions de l'ordre de la centaine de volts. La caractéristique la plus importante d'un transformateur de tension est donc son rapport de transformation, par exemple 400 000 V/100 V Fonctionnement Le transformateur, intégré dans un poste électrique, est composé d'un noyau de fer et de deux bobines de cuivre. Le courant passe dans la bobine primaire puis dans la bobine secondaire, qui contient moins de spires, ce qui permet d’en diminuer la tension. Le transformateur monophasé est composé d’un noyau et deux bobines, tandis que le transformateur triphasé comporte 3 noyaux et 6 bobines. Les régimes transitoires qui affectent le plus le fonctionnement des transformateurs de tension est l’apparition de court-circuit sur le réseau. La mise hors tension et l’accroissement brutal de la fréquence varie de quelques centaines d’Hertz à quelques kilohertz. Dans le cas des transformateurs de tension ses oscillations s’amortissent rapidement : l’erreur qui en résulte est négligeable après 10 à 20 ms. Ces phénomènes sont beaucoup plus difficiles à amortir dans le cas des transformateurs condensateurs de tension et plus gênant surtout avec les protections de distance, ils entraînent souvent une erreur de mesure de distance importante. Sur les lignes courtes la précision nécessaire pour un fonctionnement en zone réduite risque de ne plus être assurée, il faut alors choisir un schéma de protection du type à zone étendue et à verrouillage. L’accroissement brutal de la tension appliquée se rencontre sur les phases saines d’un réseau dont une phase est affectée d’un défaut à la terre. Les conséquences sont de même nature que celles consécutives à la mise sous tension. Il faut souligner que les transformateurs de tension sont en générale plus coûteux que les transformateurs condensateurs de tension 9 2. Description de la constitution du dispositif numérique La généralisation de l'emploi des microprocesseurs a par ailleurs conduit les constructeurs de matériel électrique à les utiliser pour la conception des relais intelligents de protection permettant la protection et la commande à distance des moteurs. a. Les relais numériques Description Les relais numériques de protections et des automatismes doivent avoir : - Une architecture tout numérique, intégrant de nombreuses fonctionnalités (protections, automatismes et communications) ; - Des structures matérielles et logicielles ouvertes, permettant d’étendre la gamme et de la pérenniser en l’adaptant aux évolutions futures des réseaux électriques ; - Une conformité avec les plus récentes normes nationales et internationales s’appliquant aux relais de protections. La fonction protection doit permettre des déclenchements instantanés et temporisés. Figure 5 : relais numérique utilisé en distribution Avantage • Le relais smart protège contre : - Les surcharges thermiques par la mesure des courants de la machine. - Le dépassement de la température interne de la machine (sondes PTC). - Les déséquilibres et absences de phases. -Le courant de fuite à la terre (DDR). -La marche à vide. 10 -Le démarrage long. -Le sur couple et le blocage du rotor. -L'inversion du sens de rotation des phases. -Le cos ϕ trop faible. -Le délestage par la mesure de la tension entre phases Constitution • Le relais intelligent composé : -Des capteurs tels que les transformateurs de courant, les transformateurs de tension (intégrés ou externes) pour les mesures des courants et tensions. - Une unité de traitement (microprocesseur et mémoires) ayant une bonne puissance de traitement et de capacité mémoire. Des programmes d'applications intégrées et paramétrables. -Des entrées TOR et des sorties TOR à relais. -Des entrées analogiques. -Des bus de communications pour les échanges de données et le contrôle. Ces nouvelles générations de produits permettent de réduire les coûts depuis la conception jusqu'à l'exploitation en réduisant les coûts de maintenance et les temps d'arrêt. LOGICIELS DE SUPERVISION ET DE CONFIGURATION Les logiciels à fournir doivent permettre la configuration, la supervision et le contrôle (système Micro SCADA) des disjoncteurs. Les logiciels à fournir doivent pouvoir fonctionner et être installés : • Sur un PC fixe situer au Centre de télé conduite ONEE pour assurer la configuration, la supervision et le contrôle à distance des disjoncteurs ; Où • Sur un PC portable pour assurer la configuration et la supervision en local des disjoncteurs. Les logiciels à développer et fournir doivent s’exécuter sur n’importe quelle plateforme PC – Windows. Son interface doit être en langue française. 11 Chaque logiciel doit être défini dans le détail par ses caractéristiques et les fonctions qu’il réalise telles que : - La programmation et configuration - La supervision et le contrôle ; - L’aide à l’utilisation, - La mise à jour des données ; - La consultation des fichiers, l’impression, etc. Les logiciels à fournir ainsi que la documentation associée doivent être en langue française et fourni sur support magnétique (CD Rom ou clef USB) et sous support papier. CONDITIONS DE SERVICE Les dispositifs de commande et les équipements auxiliaires sont prévus pour être installé à l’extérieur, dans les conditions atmosphériques suivantes : • Température de l’air ambiant : - 10 à + 55°C • Les limites extrêmes de stockage sont : - 10°C à + 70°C • Le taux d’humidité peut atteindre : 90% à 20°C Sauf spécifications contraires au niveau du cahier des charges : • La vitesse du vent est de 60 m/s, équivalent à une pression de 240daN/m² ; • L’altitude ne dépassant pas 1000 m. 12 b. Identification des disjoncteurs Généralités Le disjoncteur doit être conçu avec le souci de prendre en compte les exigences électriques, mécaniques, d’automatisation et d’environnement du réseau ONEE Ils doivent répondre aux besoins et aux objectifs suivants : - Présenter des fonctionnalités complètes en termes d’organe de coupure, de protection, de mesure, automatisme, et d’enregistrement de signalisations, dans le réseau électrique MT de distribution ; Figure 6: disjoncteur - Prévenir et guider l’exploitant à chaque fois qu’un problème apparaît sur le réseau MT ; - Fournir un ensemble de données permettant d’améliorer la maintenance préventive et facilitant la définition des évolutions à venir ; - Préserver la sécurité des personnes et des biens matériels ; - Assurer une meilleure continuité de fourniture de l’énergie électrique. Organe de coupure Le disjoncteur doit être équipé d’un organe de coupure scellé à vie dans une enceinte anticorrosion, et protégé par parafoudres. Organe de commande du disjoncteur : La commande d’ouverture/fermeture du disjoncteur doit être déclenchée soit par un ordre émanant d’une protection, une action de télécommande provenant du centre de conduite ou une commande locale par commande électrique ou manuelle. Le disjoncteur doit être équipé soit O D’un bras de manœuvre manuel pour commander manuellement le disjoncteur par perche télescopique à haute sécurité ; O D’une commande mécanique composée d’un plastron et d’un levier amovible avec trois positions : 13 - Position condamnée « télécommande » ; - Position condamnée « ouvert » - Position condamnée « fermé ». Cette commande mécanique doit permettre la manœuvre d’ouverture quelle que soit la situation notamment dans le cas d’une défaillance de la commande électrique ou du contrôle commande du disjoncteur et l’état des tensions. La commande électrique doit être verrouillée lors d’une manœuvre manuelle. Le disjoncteur ne peut être fermé manuellement, par contre l’ouverture manuelle est possible. Coffret de contrôle commande Le coffret de contrôle commande doit être conçu pour être fixé sur poteau et comporter : • Un automatisme de contrôle de commande à base de microprocesseur permettant d’assurer les fonctionnalités suivantes : • - Protection ; - Réenclenchement ; - Télécommande ; - Communication locale et à distance ; - Mesure et sauvegarde des grandeurs électriques. Un atelier d’énergie alimenté en courant alternatif basse tension par un transformateur MT/BT pour alimentation des auxiliaires ; • Une interface standard pour assurer la communication locale (RS232, RS485 ou autre), permettant la connexion d’un PC portable ou d’un terminal de saisie portable ; • Une interface standard RS232, RS485 ou autre pour assurer la communication avec le système de télé conduite ONEE, via un modem GSM agrée par l’ANRT ; • Un modem GSM agrée par l’ANRT • Un afficheur et un clavier. La cellule de contrôle commande du disjoncteur doit assurer : 14 • Consultation des états des entrées/sorties, localement et à distance ; • Sécurité des informations ; • En mode local, la cellule de contrôle commande et de communication doit permettre : • - d’exécuter la commande « ouvrir disjoncteur à distance » ; - de verrouiller la commande « fermer disjoncteur à distance » ; En mode à distance, la cellule de contrôle commande et de communication doit permettre : - d’exécuter la commande « ouvrir disjoncteur en local » ; - de verrouiller la commande « fermer disjoncteur en local ». L’ensemble contrôle commande doit permettre le changement du mode de contrôle soit du mode local à celui à distance ou vis vers ça, par l’intermédiaire d’un système de commutation approprié en face avant. Caractéristiques • Les plaques signalétiques du disjoncteur et de ses organes de manœuvres doivent être indiquées en arabe ou en français et porter au moins, les caractéristiques ci-après indiquées, complétées par les valeurs : - Type ; - Tension assignée ; - Courant nominal ; - Fréquence nominale ; - Tension de tenue à fréquence industrielle 50 Hz/1 mn ; - Tension de tenue aux chocs de foudre (phase/terre) ; - Pouvoir de coupure nominal en court-circuit ; - Séquence de manœuvre ; - Durée totale de coupure maximale (temps de réponse) - Nombre de pôles ; - Distance entre phases ; 15 • - Longueur minimale de la ligne de fuite à la terre ; - Pression nominale du gaz à 20°C ; - Pression d’alarme (1 seuil) ; - Pression de verrouillage au déclenchement. - Masse approximative (Kg). Les bobines des dispositifs de manœuvres doivent porter un repère permettant de retrouver les indications complètes chez le constructeur. • Les déclencheurs doivent porter les indications appropriées. • La plaque signalétique doit être rivetée ou inscrite avec une encre indélébile et visible dans les positions de service et de montage normal. 3. Simulation par MATLAB/SIMULINK pour le déclenchement automatique du disjoncteur a. Schéma La simulation est réalisée par le logiciel Matlab-Simulink. On a réalisé la simulation du réseau de la figure7, en utilisant les blocs situés en Sim-power-system. Le but de cette simulation est de simuler les différentes fonctions d’un relais numérique. Figure 7 : schéma de bloc du réseau considéré dans Simulink 16 b. Description Source de tension triphasé Figure 8: bloc de source de tension triphasé Ce bloc est ramené à partir du librairie « power system » Disjoncteur (circuit breaker) Contient 4 entrées et 3 sorties Les 3 derniers sorties sont connectées avec les trois phases de la source et l’activation du disjoncteur se fait par un mécanisme externe (relais) connectée avec la 4ème entrée, Figure 9 : bloc de disjoncteur triphasé Relais Vue externe Figure 10 : bloc du relais 17 Vue interne Figure 11: vue interne de relais C’est l’élément important dans notre circuit, son rôle principal est de comparer la valeur de courant de chaque phase avec une valeur limite régler par l’utilisateur Ce bloc est composé D’un bloc qui fait une comparaison relationnelle est qui donne en sortie une valeur booléen Figure 12: bloc opérationnel La sortie de ce bloc est reliée à un registre SR 18 Figure 13 : relais RS Relier avec une porte logique AND pour que la sortie soit égale 1 si et seulement si tous les phase sont 1 Un bloc « double » pour convertir la valeur en volt La sortie de ce relais est reliée avec le disjoncteur Si le courant dépasse le courant limite est le disjoncteur est activé 19 c. Essaie de détection de défaut Défaut biphasé sans la terre entre les phases 1 et 2 Paramètre Figure 14 : tableau pour les valeurs prisse et le défaut uilisé - figure de tension (1) et courant (2) Figure 15: (1 : à gauche) figure de variation de tension à la sortie du relais et (2 : à droite ) figure de variation de courant pour chaque phase 20 Défaut biphasé avec la terre entre les phases 1 et 2 - Paramètre - figure de tension (1) 21 et courant (2) Défaut biphasé entre les phases 1 et 2 et 3 - Paramètre - figure de tension (1) et courant (2) - 22 Essai du relais à max de courant : • La protection à maximum de courant doit : -Définir le courant de référence ou le seuil du courant maximum Iref. - Avoir le dispositif de mesure du courant Iref. -Calculer le ratio abs (I /Iref) qui est connu comme le plu réglage du multiplicateur. -Déclencher le dispositif, lorsque le courant de démarrage de relais est au-dessus du seuil, abs (I /Iref)> 1 • • • • Dans le cas des relais de surintensité instantané (indépendant), à partir des signaux instantanément le défaut est détecté et le déclenchement est instantané, comme il peut attendre un certain temps avant d'émettre un signal de déclenchement Dans le cas des relais de surintensité à temps inverse (indépendant), le temps de déclenchement est en fonction du courant du défaut. Cette temporisation est également connue comme le temps de fonctionnement du relais, et est calculé par l'équipement sur la base de l'algorithme de protection intégré dans le microprocesseur Le calcul valeur efficace est nécessaire afin d'en extraire la composante fondamentale des échantillons de courant d'entrée. Ces courants efficaces calculés sont fournis dans le relais pour l'évaluation et la prise de décision à l'intérieur de relais. Ces valeurs sont utilisées par l'algorithme de protection de relais pour déterminer la durée de fonctionnement. Le relais émet un signal de déclenchement dès que le défaut se produit. Le défaut est appliqué à t =0. 1s seconde pour notre cas 23 IV. Conclusion La protection des lignes de transports est assurée par les relais qui surveillent la ligne à protéger. Il nous a paru nécessaire de donner assez d’informations sur les différents éléments qui composent un système de protection. Ces éléments sont très importants, très sensibles et doivent être bien choisis et bien réglés afin d’assurer une protection efficace contre les différents types d’anomalies qui peuvent survenir sur le réseau électrique. Le relais permet également d’établir la décision de déclenchement ou pas. Les relais sont conçus pour fonctionner normalement dans un temps très court. Le temps de fonctionnement d'un relais moderne est de moins d'un cycle. Une détection correcte du défaut ainsi qu’une localisation précise de l’endroit du défaut permettent de protéger le réseau électrique et définir rapidement le lieu du défaut afin de réparer la panne qui a causé le défaut. Notre travail consiste à simulation d’un relais numérique sous environnement Matlab- Simulink possédants plusieurs fonctions : détection des défauts, classification des défauts, protection à maximum de courant. Le relais numérique a plusieurs fonctions un seul appareil qui a plusieurs fonctions, en cas qui le défaut à l’intérieur de ce relai donc les lignes de transports dans le risque, la solution on ajoute une protection de réserve pour éloignement de ce problème. 24 V. Bibliographie doc_num.php (univ-usto.dz) DAM/EN (one.org.ma) TRANSFORMATEURS DE COURANT - www.arteche.com Transformateur électrique : rôle et processus -fr.eni.com File Exchange - MATLAB Central – MathWorks - www.mathworks.com 25