Réf. : D4813 V1 Date de publication : 10 mai 2011 Plan de protection des réseaux de distribution publique à moyenne tension - Évolutions récentes et compléments électrotechniques Cet article est issu de : Énergies | Réseaux électriques et applications par Michel ODDI Résumé Les réseaux de distribution publique à moyenne tension ont subi peu d'évolution jusqu'à récemment. Mais aujourd'hui, le raccordement de productions décentralisées de taille conséquente se traduit par de nouvelles contraintes qui doivent être prises en compte par les plans de protection de ces réseaux. Une autre évolution à prendre en considération est l'apparition de nouveaux dispositifs installés directement sur les lignes et câbles pour détecter le passage des défauts et faciliter les reconfigurations des réseaux. Par ailleurs, les technologies numériques permettent de mettre en oeuvre des principes de protection, notamment directionnels, qui à défaut d'être nouveaux, sont de plus en plus souples d'utilisation. Abstract Until recently, medium voltage public distribution networks have experienced little change. However, linking distributed energy generation of a significant size results in new constraints that the networks' protection plans must take into account. Another development to consider is the emergence of new devices directly installed on lines and cables to detect the passage of faults and facilitate the reconfigurations of the networks. In addition, digital technologies allow the implementation of the principles of protection, including directional protections, which although are not new, are becoming increasingly more flexible to use. Pour toute question : Service Relation clientèle Techniques de l’Ingénieur Immeuble Pleyad 1 39, boulevard Ornano 93288 Saint-Denis Cedex Document téléchargé le : 10/07/2019 Pour le compte : 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Par mail : [email protected] Par téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 © Techniques de l'Ingénieur | tous droits réservés Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Plan de protection des réseaux de distribution publique à moyenne tension Évolutions récentes et compléments électrotechniques par Michel ODDI Parution : mai 2011 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Ingénieur de l’École supérieure d’électricité Ingénieur senior à EDF Recherche et développement tiwekacontentpdf_d4813 v1 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Raccordement des productions décentralisées............................... Préambule..................................................................................................... Régime de neutre et défauts à la terre ....................................................... Découplage de la production ...................................................................... Risques de dysfonctionnements................................................................. Niveau de tension ........................................................................................ 2. 2.1 2.2 Indicateurs de défaut (Fault passage indicators FPI) ..................... Localisation des défauts .............................................................................. Caractéristiques et contraintes ................................................................... — — — 4 4 4 3. 3.1 3.2 3.3 Protections directionnelles ................................................................... Définition et domaine d’application ........................................................... Protection directionnelle de terre ............................................................... Protection directionnelle de phase ............................................................. — — — — 5 5 5 6 4. 4.1 4.2 Relais wischer ........................................................................................... Historique ..................................................................................................... Évolution ....................................................................................................... — — — 8 8 8 Pour en savoir plus ........................................................................................... D 4 813 - 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 3 Doc. D 4 813 es principes de construction d’un plan de protection de réseau de distribution publique à moyenne tension sont exposés dans le dossier [D 4 811]. Le dossier suivant [D 4 812], décrit comment le mettre en œuvre, d’une part, en s’appuyant sur des protections à maximum de courant très simples d’utilisation, d’autre part, en montrant les difficultés de détection des défauts à la terre, notamment dans le cas des réseaux à neutre compensé. Le développement récent de productions décentralisées de taille significative et raccordées sur les réseaux à moyenne tension entraînent de nouvelles contraintes, notamment en termes de tension et de circulation de flux de puissance. Si la détection des défauts à la terre n’est pas impactée, celle des défauts polyphasés ne peut pas toujours se contenter de simples protections à maximum de courant : un critère directionnel doit parfois être ajouté. La locali- L Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 D 4 813 – 1 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 PLAN DE PROTECTION DES RÉSEAUX DE DISTRIBUTION PUBLIQUE À MOYENNE TENSION ________________________________________________________ sation de défaut à l’aide d’indicateurs de passage de défaut est un nouvel élément à prendre également en compte pour la construction du plan de protection car elle facilite les reconfigurations de réseau après un ou plusieurs déclenchements sur défaut. Il est utile de bien connaître les principes de fonctionnement des protections directionnelles de tout type pour identifier leurs champs d’utilisation et leurs limites. 1. Raccordement des productions décentralisées le réseau et provoquer la déconnexion de la production du réseau. Elles sont généralement définies et imposées par la réglementation locale (en France, par la norme UTE C 15 400). 1.1 Préambule Parution : mai 2011 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Les plans de protection tels qu’ils ont été exposés jusqu’à présent, s’appliquent à des réseaux radiaux alimentés par un poste primaire (T)HT/MT. Le flux de puissance est unidirectionnel, du poste vers le réseau. Désormais, on assiste, à l’arrivée massive de productions décentralisées raccordées sur les réseaux MT de distribution, ce qui peut modifier notablement la circulation de la puissance et avoir des conséquences sur le plan de protection. tiwekacontentpdf_d4813 v1 On ne fait que donner des indications sur les problèmes soulevés par le raccordement de ce type de production et quelques solutions envisageables ; on trouvera en [D 4 841] et [D 4 842] de nombreux détails sur l’impact de cette production sur le plan de protection (mode de protection et réglages). 1.2 Régime de neutre et défauts à la terre On peut voir dans le dossier [D 4 811] l’importance du régime de neutre, notamment vis-à-vis de la maîtrise des montées en potentiels en cas de défaut à la terre. Pour éviter qu’une production décentralisée ne vienne interagir avec les dispositions prises par le distributeur pour se protéger contre les défauts à la terre, le neutre de l’installation de production doit être isolé : il ne doit y avoir aucune connexion de son neutre avec la terre. Bien évidemment, si cette production est découplée du réseau et alimente une installation intérieure, des dispositions doivent être prises par le producteur pour assurer la sécurité des personnes et des biens à l’intérieur de son installation : le plus souvent son neutre est alors connecté à la terre via une résistance, qui participe également à la protection de l’alternateur lorsque l’installation est déconnectée du réseau de distribution publique. La réglementation locale fixe habituellement les règles applicables aux sites de production décentralisée (interdiction de mise à la terre du neutre de la production et protection de l’installation intérieure ; en France, la norme NF C 15 400 s’applique). Dès lors que le neutre de la production décentralisée est isolé de la terre, la nature et les caractéristiques des défauts à la terre ne sont pas modifiées. Le plan de protection contre les défauts monophasés n’est pas impacté. 1.3 Découplage de la production Il n’est pas acceptable qu’une production décentralisée puisse alimenter un défaut. Aussi, il est nécessaire que l’installation dispose de protections pour détecter les défauts situés en amont sur D 4 813 − 2 Ces protections doivent également être capables d’empêcher un fonctionnement îloté du réseau, c’est-à-dire qu’un départ en défaut à la terre, normalement déconnecté de sa source par sa propre protection, ne doit pas rester alimenté par la production décentralisée. En effet, on se trouverait en régime de neutre isolé et si la consommation du départ était du même ordre que la production, le système pourrait continuer à fonctionner durablement en présence d’un défaut. Cette remarque est également vraie si le départ sur lequel est connectée la production devait être ouvert par le distributeur, pour ses travaux, par exemple. Les protections de découplage sont basées sur de simples protections ampèremétriques de phase (protections contre les défauts polyphasés) et des protections particulières pour éviter les îlotages, notamment, protection voltmétrique à maximum de tension de phase, protection voltmétrique à maximum de tension homopolaire, protection fréquencemétrique et asservissement avec le disjoncteur de départ. La plage fréquencemétrique de fonctionnement vient d’être élargie pour éviter des déclenchements inopinés en cas de baisse de fréquence généralisée (suite au black-out européen de novembre 2006). Conséquences dans le poste primaire (T)HT/MT : dans certains cas, il est nécessaire de prévoir des protections ampèremétriques directionnelles de phase dans le poste primaire pour éviter des déclenchements intempestifs. On doit aussi prendre des dispositions pour éviter des cycles de réenclenchement automatique tant que la production décentralisée n’est pas découplée ; en effet, un cycle de réenclenchement n’a aucun sens si le défaut reste alimenté par ailleurs. En général, on verrouille l’automate par un relais de présence de tension (réglée par exemple, à 20 % de la tension de service) : on n’autorise les cycles de réenclenchement qu’à partir du moment où la tension a disparu. 1.4 Risques de dysfonctionnements On peut schématiser par la figure 1 un réseau sur lequel de la production décentralisée est raccordée. 1.4.1 Risque de déclenchement intempestif en cas de défaut amont Le défaut est localisé conformément à la figure 2. Le départ sur lequel la production décentralisée est raccordée voit « remonter » le courant de court-circuit généré par la production décentralisée, tandis que le départ en défaut voit passer le courant de court-circuit généré par le transformateur (T)HT/MT et celui par la production décentralisée. Si le courant de court-circuit dû à la production décentralisée est trop élevé, il risque de solliciter, à tort, la protection ampèremétrique à temps constant du départ sur lequel la production est raccordée qui est réglée pour éliminer normalement les courts-circuits du départ. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 ________________________________________________________ PLAN DE PROTECTION DES RÉSEAUX DE DISTRIBUTION PUBLIQUE À MOYENNE TENSION Production décentralisée 1.4.2 Risque de non-déclenchement intempestif en cas de défaut aval lointain Le défaut est localisé comme indiqué sur la figure 3. Si le défaut est lointain, l’apport du transformateur (T)HT/MT en courant de court-circuit est faible et peut être insuffisant pour solliciter la protection ampèremétrique à temps constant du départ sur lequel la production est raccordée. En effet, il peut se trouver inférieur au courant de consommation de pointe, par exemple. Le calcul du nouveau courant de défaut au niveau du départ du poste (T)HT/MT est effectué à l’aide du théorème de superposition. Transfo (T)HT/MT Il n’y a pas de solution simple, sinon régler la protection en supposant la production absente ; dans ces conditions, elle fonctionne normalement, une fois que la production s’est découplée, mais cette disposition n’est pas toujours jugée acceptable (temps de découplage excessif, par exemple) et le seul recours est un renforcement du réseau pour augmenter la puissance de court-circuit du réseau. Figure 1 – Réseau avec production décentralisée 1.5 Niveau de tension Bien que cela n’entre pas expressément dans une étude de plan de protection, il faut signaler que le raccordement de productions décentralisées de fortes tailles peut entraîner des contraintes de tension comme illustré par la figure 4. tiwekacontentpdf_d4813 v1 courant de défaut apporté par le producteur décentralisé courant de défaut apporté par le transformateur (T)HT/MT du poste primaire défaut Nota : rappelons que V est la tension moyenne du réseau, R et X la résistance et l’inductance de ligne et P et Q les puissances active et réactive transitées. Figure 2 – Défaut en amont d’une production décentralisée Plusieurs solutions sont possibles : – retarder le déclenchement de cette protection, mais le problème devient complexe si plusieurs départs possèdent de la production décentralisée ; – équiper tous les départs de protection à temps dépendant ; – rendre la protection du départ directionnelle (c’est la solution retenue en France). Si aucune de ces solutions n’est efficace, il faut alors envisager un renforcement du réseau. Niveau de tension Parution : mai 2011 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Il peut être impossible de maintenir le niveau de tension dans les limites réglementaires. Diverses solutions sont alors possibles, comme agir sur le niveau de tension via la gestion de la puissance réactive (selon la formule bien connue, V ∆V = RP + XQ ) ou encore renforcer le réseau. Figure 3 – Défaut en aval d’une production décentralisée Tension réglementaire haute Départ avec production Raccordement de la production Tension de consigne Départ sans production Tension réglementaire basse Distance du poste Figure 4 – Profil de tension avec production décentralisée Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 D 4 813 – 3 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 PLAN DE PROTECTION DES RÉSEAUX DE DISTRIBUTION PUBLIQUE À MOYENNE TENSION ________________________________________________________ 2. Indicateurs de défaut (Fault passage indicators FPI) 2.1 Localisation des défauts Les réseaux électriques connaissent aujourd’hui de nombreuses évolutions pour améliorer leur efficacité tant en termes de performances que de possibilités d’accueil. Cela implique de bien connaître leur état à tout instant, qu’il s’agisse de leur charge ou de leurs défaillances. Les détecteurs de défauts qui permettent de localiser une section de réseau en défaut sont l’un des outils de plus en plus souvent utilisés. Détecteur activé par le défaut Détecteur non sollicité par le défaut Figure 5 – Localisation d’un défaut à l’aide de détecteurs de défaut À l’inverse de protections qui commandent automatiquement des organes de coupure tels que des disjoncteurs, les détecteurs de défauts ou indicateurs de passage de défaut ont pour rôle principal de signaler qu’un défaut est apparu en aval de leur position. Au départ, ces équipements se contentaient de délivrer une indication visuelle de passage de défaut, ce qui impliquait de visiter les ouvrages pour connaître leur état ; aujourd’hui, avec le développement des réseaux de communications, leurs informations sont de plus en plus souvent rapatriées au poste de conduite. Parution : mai 2011 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Les détecteurs de défaut sont installés le long d’un départ, aussi bien sur des portions de réseau aérien que de réseau souterrain, et fonctionnent comme indiqué sur la figure 5. tiwekacontentpdf_d4813 v1 Les informations des détecteurs de défaut peuvent être transmises de plusieurs manières selon le degré de développement du réseau de télécommunications : – interrogation à la demande par l’opérateur ; – interrogation automatique, par exemple à chaque ouverture d’un départ sur défaut ; – liaison permanente entre poste de conduite et détecteurs avec mise à jour des informations en temps réel. La restauration du réseau après un déclenchement sur défaut peut s’effectuer manuellement, après que l’opérateur ait localisé le défaut grâce aux indications des détecteurs de défauts ou automatiquement. Cette dernière reprise automatique est l’une des fonctions classiques de ce que l’on nomme aujourd’hui smart grids. C’est dans cette optique que les possibilités offertes par les détecteurs de défauts s’enrichissent régulièrement ; par exemple : – ils peuvent posséder des compteurs de défauts, y compris de défauts auto-extincteurs, ce qui peut aider au diagnostic de l’état du réseau (fréquence et type des défauts par section de réseau) ; – ils peuvent aussi, lorsqu’ils communiquent avec le poste de conduite, transmettre la mesure de la tension et du courant, ce qui améliore la connaissance de l’état du réseau en temps réel, ainsi que son historique. 2.2 Caractéristiques et contraintes 2.2.1 Sensibilité La cohérence du plan de protection implique que les détecteurs de défauts possèdent, tous, la même sensibilité et soient plus sensibles que les protections des départs du poste primaire. En effet : – pour ne pas être induit en erreur, il est impératif que tous les détecteurs aient les mêmes caractéristiques de détection ; si un détecteur ne voit pas un défaut aval et s’il a été vu par le détecteur amont, il y aura erreur de localisation ; – pour être efficace, il est impératif qu’un défaut détecté par la protection de départ soit aussi détecté par les détecteurs de défaut placés sur le réseau. Malheureusement, pour différentes raisons, cette dernière exigence n’est pas toujours réalisable, comme on le verra par la suite. D 4 813 – 4 courant capacitif courant de neutre généré par le défaut courant traceur injecté dans le neutre Figure 6 – Courant traceur en cas d’exploitation à défaut maintenu Le compromis se fait en regard des performances techniques possibles de la technologie du détecteur, de son coût et du pourcentage de défauts non détectés. 2.2.2 Principes de détection Les principes de détection sont le plus souvent identiques à ceux des protections de départ du poste primaire, c’est-à-dire, détections essentiellement ampèremétrique et directionnelle. On peut trouver également des détecteurs de défauts à la terre sensibles à la variation d’harmoniques adaptés aux réseaux à neutre compensé. On montre, en effet, que dans le cas de ces réseaux, lorsqu’un défaut à la terre apparaît, le courant résiduel voit ses courants harmoniques, notamment ceux d’ordre 5, augmenter de manière importante en amont du défaut, tandis qu’ils restent stables en aval. Cette méthode n’est toutefois utilisable que si des courants harmoniques circulent sur le réseau, ce qui n’est pas toujours assuré, notamment la nuit ou durant le week end. La sensibilité du détecteur varie donc très largement en fonction de la charge. Certains pays utilisent aussi ce principe pour les protections des départs des postes primaires, mais la sensibilité est le plus souvent médiocre. Une autre méthode utilisée, lorsque le réseau est à neutre compensé et qu’il est exploité à défaut maintenu, consiste à injecter dans le neutre un faible courant à une fréquence bien déterminée. Le traçage de ce courant permet de localiser avec précision le défaut, comme illustrée par la figure 6. La sensibilité est alors indépendante de la charge. 2.2.3 Capteurs La mesure directe du courant résiduel par un tore résiduel est difficile pour des raisons d’encombrement ; elle est même impossible dans le cas des réseaux aériens. On mesure alors le courant résiduel par sommation des courants de phases. La précision de la Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 ________________________________________________________ PLAN DE PROTECTION DES RÉSEAUX DE DISTRIBUTION PUBLIQUE À MOYENNE TENSION mesure des courants résiduels est donc toute relative : par exemple, si la précision de tores ouvrants de phase est 2 % (ce qui est une valeur fréquente), vouloir mesurer des courants résiduels avec une précision de plus de 5 %, est risqué. Généralement, la sensibilité d’un détecteur, en cas de défaut à la terre, est inférieure à celle d’une protection directionnelle de départ (quelques centaines d’ohm contre environ deux kiloohm). Vouloir mesurer les tensions phase terre exige, soit d’installer des transformateurs de tension qui sont des matériels volumineux et coûteux, soit de recourir à des diviseurs capacitifs dont la précision peut être toute relative : par exemple, la capacité des cordons de liaison entre diviseurs et détecteur doit être prise en compte. Lorsque le régime de neutre le permet, le détecteur peut être uniquement ampèremétrique : on peut alors trouver des détecteurs où la mesure du courant se fait via le champ magnétique : une bobine horizontale permet la mesure du courant des défauts à la terre et une bobine horizontale celle du courant de défaut polyphasé. La sensibilité varie alors en fonction de l’installation du détecteur : – distance du détecteur par rapport au sol et hauteur du poteau ; – disposition de l’armement. 2.2.4 Algorithme La méthode de détection est le plus souvent classique, mais le mode de fonctionnement du détecteur doit être conçu en fonction du mode d’exploitation du réseau. Parution : mai 2011 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 ■ Régime de neutre compensé tiwekacontentpdf_d4813 v1 Lorsqu’un disjoncteur se ferme, il existe toujours un léger asynchronisme dans le mouvement de ses trois pôles. Cela se traduit par l’apparition d’une tension résiduelle qui engendre un régime transitoire de courants. Dans ces conditions, lorsque la détection s’appuie sur l’analyse des phénomènes transitoires qui apparaissent à l’établissement d’un défaut à la terre, le détecteur ne doit pas tenir compte des éventuelles détections de défaut à la terre sur les cycles réenclenchements automatiques. Seule, la première indication de détection de défaut à la terre doit être retenue. Toutefois, il est possible que le défaut à la terre évolue en défaut polyphasé : sa détection ampèremétrique n’étant pas impactée par les transitoires d’enclenchement du disjoncteur, elle peut « écraser » une détection de défaut à la terre précédente. Il n’est pas utile de signaler le passage des défauts qui ne donnent pas lieu à un déclenchement, défauts auto-extincteurs ou semi-permanents. C’est pourquoi, généralement, les informations de passage de défauts ne sont générées que si le départ s’ouvre ; cette ouverture est détectée par la disparition de la tension ou du courant au niveau du détecteur. ■ Exploitation à défaut maintenu Le traitement doit être différent en cas d’exploitation à défaut maintenu : en effet, par définition, le réseau reste alimenté en cas de défaut à la terre et, dans ce cas de figure, les indications de passage de défaut à la terre doivent être générées réseau en service, généralement au bout d’une temporisation fixe. 3. Protections directionnelles 3.1 Définition et domaine d’application On appelle protection directionnelle une protection capable de situer les défauts qu’elle détecte par rapport à son emplacement, c’est-à-dire en amont ou en aval. Elles sont principalement utilisées dans le domaine des réseaux, dans les cas suivants : – défauts à la terre (neutre faiblement impédant, neutre isolé et neutre compensé) ; – défauts polyphasés en cas de plusieurs sources d’alimentation (transformateurs du poste primaire en parallèle et production décentralisée) ; – défauts polyphasés en cas de boucles ou de câbles parallèles. La figure 7 illustre ces différents cas de figure de circulation du courant de défaut (polyphasé ou à la terre). Les protections directionnelles sont utilisées également pour la protection des machines tournantes (surveillance de la puissance active et réactive). Le principe de localisation du défaut est identique quel que soit le cas de figure : la protection examine le sens d’écoulement du courant, c’est-à-dire le déphasage entre courant et tension. 3.2 Protection directionnelle de terre La grandeur de polarisation d’une protection directionnelle de terre, c’est-à-dire sa référence de phase, est généralement la tension résiduelle. Cependant, lorsque le courant de neutre est élevé, cette tension est faible et sa mesure peu précise ; on utilise, alors, le courant de neutre comme grandeur de polarisation en notant que : V r = Ir (Z 0 + 3 Z n ) avec Z0 Zn Ir Vr impédance homopolaire du transformateur, impédance de neutre, courant résiduel dans les départs surveillés, tension résiduelle du réseau. Z n et Z 0 sont évidemment des grandeurs complexes. Le schéma de la figure 7a montre comment circulent les courants capacitifs du réseau en cas de défaut à la terre. La phase du courant résiduel dans les départs sains est indépendante du régime de neutre : il est en quadrature avance avec la tension résiduelle. Si le neutre est mis à la terre par une impédance de faible valeur ou de compensation, dans le départ en défaut, le courant circulant dans le neutre va s’ajouter aux courants capacitifs circulant en amont du défaut. La phase du courant résiduel dans le départ en défaut varie en fonction des caractéristiques de l’impédance de mise à la terre du neutre. Lors de l’étude du plan de protection, il est nécessaire d’évaluer les angles de phase maximal et minimal que peut prendre le courant résiduel par rapport à la grandeur de polarisation. Cela permet de déterminer l’angle caractéristique de la protection qui définit la zone de déclenchement et celle de non-déclenchement comme le montre la figure 8. L’amplitude angulaire de la zone de déclenchement est limitée pour tenir compte des erreurs de mesure angulaire des capteurs. Il existe deux grandes familles de protections directionnelles de terre : – les protections à maximum d’intensité ; – les protections à maximum de puissance active. 3.2.1 Protection à maximum d’intensité La protection détecte un défaut lorsque deux conditions sont réunies : – le courant résiduel est supérieur au seuil de réglage ; – l’angle de phase entre courant résiduel et tension résiduelle se situe dans la zone de déclenchement. Le seuil de réglage d’intensité doit tenir compte de plusieurs facteurs : – il doit être assez élevé pour que les mesures possèdent une précision suffisante, en particulier, la grandeur de polarisation (par Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 D 4 813 – 5 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 PLAN DE PROTECTION DES RÉSEAUX DE DISTRIBUTION PUBLIQUE À MOYENNE TENSION ________________________________________________________ b court-circuits en cas de transformateurs parallèles a défaut à la terre. Exemple du neutre isolé c court-circuit en cas de câbles parallèles courant capacitif amont courant capacitif aval Figure 7 – Sens d’écoulement du courant de défaut Parution : mai 2011 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Axe caractéristique tiwekacontentpdf_d4813 v1 Zone de non-déclenchement Angle caractéristique Grandeur de polarisation Zone de déclenchement Ir défaut Figure 8 – Angle caractéristique d’une protection directionnelle de terre exemple, la tension résiduelle, doit être supérieure à quelques pour cent de la valeur nominale du capteur) ; – il doit être coordonné avec les autres réglages du plan de protection. La figure 9 donne les caractéristiques de fonctionnement d’une protection directionnelle de terre pour un réseau à neutre isolé. À noter qu’il existe une variante de ce type de protection utilisant la projection du courant résiduel sur la grandeur de polarisation. En effet, le courant résiduel dans le départ en défaut est égal au courant de neutre augmenté du courant capacitif des départs sains ; si l’impédance de neutre génère un courant actif, le seul départ voyant circuler une puissance résiduelle active en cas de court-circuit franc est celui en défaut. La protection possède un seuil de réglage de puissance minimale qui permet de s’affranchir de l’imprécision de mesure des valeurs absolues des capteurs et une zone de non-déclenchement pour s’affranchir des erreurs de mesure angulaire des capteurs. Le seuil de réglage permet aussi de coordonner les différents réglages du plan de protection. La figure 10 donne les caractéristiques de fonctionnement d’une protection wattmétrique homopolaire. 3.2.2 Protection à maximum de puissance active Ce type de protection mesure la puissance résiduelle active. Elle ne peut fonctionner que si la mise à la terre du neutre génère une composante active. D 4 813 – 6 3.3 Protection directionnelle de phase Les termes utilisés pour les protections directionnelles de terre peuvent être reconduits pour celles de phase, à la différence sui- Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 ________________________________________________________ PLAN DE PROTECTION DES RÉSEAUX DE DISTRIBUTION PUBLIQUE À MOYENNE TENSION vante près : la grandeur de polarisation est la tension composée opposée, par exemple V2 – V3 pour le courant I1. Généralement, on surveille deux phases, ce qui permet de couvrir tous les cas de défaut (triphasé ou biphasé). La figure 11 schématise le fonctionnement d’une protection directionnelle de phase. L’évaluation de l’angle caractéristique est délicate. En effet, la tension de défaut est déphasée par rapport à la tension préexistante et ce déphasage dépend du schéma d’exploitation (puissance de court-circuit), de l’emplacement de la protection et du lieu du défaut (impédances de ligne). Un autre facteur à prendre en compte est le niveau de production décentralisée présent sur le réseau. Comme dans le cas des protections directionnelles de terre, la grandeur de polarisation, ici V2 – V3 doit être suffisamment élevée pour que sa mesure soit suffisamment précise. Ce n’est pas vrai lorsque le défaut est triphasé et proche du point de mesure. Dans ce cas, la protection utilise une valeur mémorisée de la tension juste avant le défaut (la protection est dite à mémoire de tension). Cependant, cette disposition peut conduire à de larges erreurs d’interprétation car elle ne tient pas compte du déphasage de la tension induit par le court-circuit : c’est surtout sensible lorsque la protection est distante des sources (poste (T)HT/MT et production décentralisée). Les protections directionnelles de phase à maximum d’intensité détectent un défaut dans la mesure où le courant surveillé est supérieur à son seuil de réglage et où sa phase le situe dans la zone de déclenchement. Comme dans le cas des protections directionnelles de terre, la protection peut analyser la projection du courant de phase sur la tension composée opposée (projection sur la grandeur de polarisation). Il existe des protections directionnelles de phase à maximum de puissance : la puissance est calculée à l’aide de la méthode classique des deux wattmètres. Sa valeur algébrique, positive ou négative, permet d’identifier le sens d’écoulement de la puissance. Toutefois, on trouve rarement ce type de protection sur les réseaux de distribution à moyenne tension car la puissance mesurée est faible en cas de défaut polyphasé. De plus, ces protections ne peuvent pas être utilisées sur les réseaux à neutre distribué qui voient circuler en permanence une puissance résiduelle (réseaux nord-américains). Leur domaine privilégié d’utilisation est celui de la protection des machines tournantes. Ir Iréglage Vr Ir défaut Zone de déclenchement Figure 9 – Caractéristiques d’une protection directionnelle de terre pour réseau à neutre isolé Qr Zone de déclenchement Zone de nondéclenchement S Parution : mai 2011 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Pr tiwekacontentpdf_d4813 v1 Ir défaut Qr puissance réactive résiduelle Pr puissance active résiduelle S seuil de détection Figure 10 – Caractéristiques de fonctionnement d’une protection wattmétrique homopolaire Axe caractéristique Zone de non-déclenchement V1 Angle caractéristique Ir défaut V3 V2 V2 – V3 Zone de déclenchement Figure 11 – Angle caractéristique d’une protection directionnelle de phase Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 D 4 813 – 7 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 4. Relais wischer 4.1 Historique Les relais wischer sont d’origine allemande. Le terme signifie littéralement, essuie-glace, car ce type de relais a pour caractéristique de détecter les défauts « fugitifs ». Ils étaient initialement destinés à équiper les réseaux à neutre compensé exploités à défaut maintenu pour identifier, en cas de défaut à la terre quel était le départ défectueux. Courant de phase PLAN DE PROTECTION DES RÉSEAUX DE DISTRIBUTION PUBLIQUE À MOYENNE TENSION ________________________________________________________ Temps Parution : mai 2011 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Le relais wischer exploite ces propriétés. Il détecte la variation très rapide du courant sur une phase et vérifie s’il y a présence de tension résiduelle. En fonction du sens de la variation de courant et de la tension résiduelle, le relais identifie ou pas un défaut situé aval. La figure 12 illustre les trois phases de la détection. tiwekacontentpdf_d4813 v1 À l’apparition du défaut, le courant résiduel démarre de zéro, de même que la tension résiduelle, ce qui veut dire que le relais wischer est insensible aux erreurs de mesure angulaire et aux déphasages parasites dus, par exemple, à un circuit résistif de retour du courant de défaut : il fonctionne en tout-ou-rien. Les deux principales difficultés technologiques sont : – l’extraction du courant transitoire du courant de phase (obtenue en général, grâce à une ligne à retard) ; – la prise en compte uniquement du premier transitoire de courant et de tension. Après la détection d’une variation de courant de phase, le fonctionnement du relais est temporairement neutralisé pour éviter des fonctionnements intempestifs pendant la poursuite du régime transitoire, notamment à l’extinction du défaut. Les premiers relais wischers étaient des relais « un coup », neutralisés, par exemple pendant 3 s après une première détection. Une variante consiste à utiliser directement le courant résiduel, au lieu de s’intéresser à la variation des courants de phase. Temps Tension résiduelle Si l’on poursuit l’analyse à l’instant d’apparition du défaut, ce courant et cette tension sont de sens opposés, tandis que les courants de charge des phases saines qui circulent dans les départs sains sont de même sens. détection d'une variation d'un courant de phase Variation du courant de phase a Lorsqu’un défaut à la terre se produit sur ce type de réseau, au moment de son apparition, la charge des capacités des deux phases saines à travers le défaut va entraîner : – le passage d’un courant important dans la phase en défaut du départ défectueux qui est en fait le courant de charge des deux phases saines du réseau ; – la génération d’une tension homopolaire. Temps b extraction de la variation du courant de phase et vérification de la présence d'une tension résiduelle Détection d’un défaut aval Courant 4.2 Évolution À l’origine, les relais wischers n’étaient pas destinés à détecter les défauts réamorçants, mais on peut les utiliser à condition d’y apporter quelques modifications. Le relais peut ne pas être neutralisé après une première détection. On peut, par exemple, le remettre en service au bout de 20 ms, ce qui veut dire qu’il détecte l’apparition d’amorçage au cours de chaque période : on considère alors qu’il y a défaut, si l’on détecte un certain nombre réglable d’amorçages pendant une fenêtre de temps donné. Il est nécessaire de régler un certain nombre de paramètres, seuil de courant, seuil de tension, nombre d’amorçages et fenêtre de temps. Comme les relais wischers ne sont pas bien adaptés à la détection des défauts stables 50 Hz, on les associe souvent à des protections directionnelles 50 Hz. D 4 813 – 8 Temps Tension c comparaison de sens Figure 12 – Principes de fonctionnement d’un relais wischer Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Plan de protection des réseaux de distribution publique à moyenne tension Évolutions récentes et compléments électrotechniques par Michel ODDI Ingénieur de l’École supérieure d’électricité Ingénieur senior à EDF Recherche et développement P O U R E N S A V O I R Sources bibliographiques Parution : mai 2011 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 [1] tiwekacontentpdf_d4813 v1 WILLHEM (R.) et WATERS (M.). – Neutral grounding in high voltage transmission. Elsevier publishing company. À lire également dans nos bases CALMET (B.). – Protections des réseaux. Généralités. [D 4 800] (2009). ODDI (M.). – Plan de protection des réseaux de distribution publique à moyenne tension. Principes. [D 4 811] (2011). ODDI (M.). – Plan de protection des réseaux de distribution publique à moyenne tension. Évolutions récentes et compléments électrotechniques. [D 4 812] (2011). Raccordement de la production décentralisée aux réseaux à moyenne tension. [D 4 841]. Normes et standards UTE C11-001 Arrêté technique – Conditions techniques auxquelles doivent satisfaire les distributions d’énergie électrique UTE C13-100 Postes de livraison établis à l’intérieur d’un bâtiment et alimentés par un réseau de distribution publique HTA (jusqu’à 33 kV) NF C15-400 Raccordement des générateurs d’énergie électrique dans les installations alimentées par un réseau public de distribution CEI 60479-1 Effets du courant sur l’homme et les animaux domestiques – Partie 1 : Aspects généraux CEI 60479-5 Effets du courant sur l’homme et les animaux domestiques – Partie 5 : Valeurs des seuils de tension de contact pour les effets physiologiques CEI 60050-195 Vocabulaire Électrotechniques International – Partie 195 : Mise à la terre et protection contre les chocs électriques CEI 61850 Réseaux et systèmes de communication dans les postes Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. Ce document a ete delivre pour le compte de 7200043660 - centralesupelec // 160.228.57.15 Doc. D 4 813 – 1 P L U S GAGNEZ DU TEMPS ET SÉCURISEZ VOS PROJETS EN UTILISANT UNE SOURCE ACTUALISÉE ET FIABLE Techniques de l’Ingénieur propose la plus importante collection documentaire technique et scientifique en français ! Grâce à vos droits d’accès, retrouvez l’ensemble des articles et fiches pratiques de votre offre, leurs compléments et mises à jour, et bénéficiez des services inclus. RÉDIGÉE ET VALIDÉE PAR DES EXPERTS MISE À JOUR PERMANENTE 100 % COMPATIBLE SUR TOUS SUPPORTS NUMÉRIQUES SERVICES INCLUS DANS CHAQUE OFFRE + de 350 000 utilisateurs + de 10 000 articles de référence + de 80 offres 15 domaines d’expertise Automatique - Robotique Biomédical - Pharma Construction et travaux publics Électronique - Photonique Énergies Environnement - Sécurité Génie industriel Ingénierie des transports Innovation Matériaux Mécanique Mesures - Analyses Procédés chimie - Bio - Agro Sciences fondamentales Technologies de l’information Pour des offres toujours plus adaptées à votre métier, découvrez les offres dédiées à votre secteur d’activité Depuis plus de 70 ans, Techniques de l’Ingénieur est la source d’informations de référence des bureaux d’études, de la R&D et de l’innovation. www.techniques-ingenieur.fr CONTACT : Tél. : + 33 (0)1 53 35 20 20 - Fax : +33 (0)1 53 26 79 18 - E-mail : [email protected] SERVICES ET OUTILS PRATIQUES ACCÈS LES AVANTAGES ET SERVICES compris dans les offres Techniques de l’Ingénieur Accès illimité aux articles en HTML Téléchargement des articles au format PDF Consultation sur tous les supports numériques Enrichis et mis à jour pendant toute la durée de la souscription Pour un usage en toute liberté Des contenus optimisés pour ordinateurs, tablettes et mobiles Questions aux experts* Articles Découverte Dictionnaire technique multilingue Les meilleurs experts techniques et scientifiques vous répondent La possibilité de consulter des articles en dehors de votre offre 45 000 termes en français, anglais, espagnol et allemand Archives Impression à la demande Alertes actualisations Technologies anciennes et versions antérieures des articles Commandez les éditions papier de vos ressources documentaires Recevez par email toutes les nouveautés de vos ressources documentaires *Questions aux experts est un service réservé aux entreprises, non proposé dans les offres écoles, universités ou pour tout autre organisme de formation. ILS NOUS FONT CONFIANCE www.techniques-ingenieur.fr CONTACT : Tél. : + 33 (0)1 53 35 20 20 - Fax : +33 (0)1 53 26 79 18 - E-mail : [email protected]
