Plan de protection des réseaux d4813

Date de publication :
10 mai 2011
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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.
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D 4 813 5 - 2011
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
es principes de construction d’un plan de protection de réseau de distri-
bution 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’utilisa-
tion, 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 puis-
sance. 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-
1. Raccordement des productions décentralisées............................... D 4 813 - 2
1.1 Préambule..................................................................................................... — 2
1.2 Régime de neutre et défauts à la terre ....................................................... — 2
1.3 Découplage de la production ...................................................................... — 2
1.4 Risques de dysfonctionnements................................................................. — 2
1.5 Niveau de tension ........................................................................................ — 3
2. Indicateurs de défaut (Fault passage indicators FPI)..................... — 4
2.1 Localisation des défauts .............................................................................. — 4
2.2 Caractéristiques et contraintes ................................................................... — 4
3. Protections directionnelles ................................................................... — 5
3.1 Définition et domaine d’application ........................................................... — 5
3.2 Protection directionnelle de terre ............................................................... — 5
3.3 Protection directionnelle de phase ............................................................. — 6
4. Relais wischer ........................................................................................... — 8
4.1 Historique ..................................................................................................... — 8
4.2 Évolution....................................................................................................... — 8
Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. D 4 813
L
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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 pro-
tection car elle facilite les reconfigurations de réseau après un ou plusieurs
déclenchements sur défaut. Il est utile de bien connaître les principes de fonc-
tionnement des protections directionnelles de tout type pour identifier leurs
champs d’utilisation et leurs limites.
1. Raccordement
des productions
décentralisées
1.1 Préambule
Les plans de protection tels qu’ils ont été exposés jusqu’à pré-
sent, 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 dis-
tribution, ce qui peut modifier notablement la circulation de la
puissance et avoir des conséquences sur le plan de protection.
On ne fait que donner des indications sur les problèmes soule-
vés 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 poten-
tiels 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’instal-
lation 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 mono-
phasés 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 dis-
pose de protections pour détecter les défauts situés en amont sur
le réseau et provoquer la déconnexion de la production du réseau.
Elles sont généralement définies et imposées par la réglemen-
tation locale (en France, par la norme UTE C 15 400).
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 décentra-
lisée. 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 pré-
sence d’un défaut. Cette remarque est également vraie si le départ
sur lequel est connectée la production devait être ouvert par le dis-
tributeur, pour ses travaux, par exemple.
Les protections de découplage sont basées sur de simples pro-
tections 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 fonc-
tionnement 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 dispo-
sitions 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 ali-
menté 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 pro-
duction 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 ampère-
métrique à temps constant du départ sur lequel la production est
raccordée qui est réglée pour éliminer normalement les
courts-circuits du départ.
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Plusieurs solutions sont possibles :
– retarder le déclenchement de cette protection, mais le pro-
blème devient complexe si plusieurs départs possèdent de la pro-
duction 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.
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 solli-
citer la protection ampèremétrique à temps constant du départ sur
lequel la production est raccordée. En effet, il peut se trouver infé-
rieur 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.
Il n’y a pas de solution simple, sinon régler la protection en sup-
posant 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 renfor-
cement du réseau pour augmenter la puissance de court-circuit du
réseau.
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.
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.
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 1 – Réseau avec production décentralisée
Figure 2 – Défaut en amont d’une production décentralisée
Production
décentralisée
Transfo
(T)HT/MT
courant de défaut apporté par le producteur décentralisé
défaut
courant de défaut apporté par le transformateur (T)HT/MT
du poste primaire
Figure 3 – Défaut en aval d’une production décentralisée
Figure 4 – Profil de tension avec production décentralisée
Distance du poste
Tension de consigne
Départ avec production
Départ sans production
Tension réglementaire basse
Tension réglementaire haute
Raccordement de la production
Niveau de tension
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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 perfor-
mances 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.
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 prin-
cipal de signaler qu’un défaut est apparu en aval de leur position.
Au départ, ces équipements se contentaient de délivrer une indi-
cation visuelle de passage de défaut, ce qui impliquait de visiter
les ouvrages pour connaître leur état ; aujourd’hui, avec le déve-
loppement des réseaux de communications, leurs informations
sont de plus en plus souvent rapatriées au poste de conduite.
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.
Les informations des détecteurs de défaut peuvent être trans-
mises 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 automa-
tiquement. Cette dernière reprise automatique est l’une des fonc-
tions classiques de ce que l’on nomme aujourd’hui smart grids.
C’est dans cette optique que les possibilités offertes par les détec-
teurs 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 sen-
sibles 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 exi-
gence n’est pas toujours réalisable, comme on le verra par la suite.
Le compromis se fait en regard des performances techniques pos-
sibles de la technologie du détecteur, de son coût et du pourcen-
tage 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, aug-
menter 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 protec-
tions 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 injec-
ter dans le neutre un faible courant à une fréquence bien détermi-
née. 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 impos-
sible dans le cas des réseaux aériens. On mesure alors le courant
résiduel par sommation des courants de phases. La précision de la
Figure 5 – Localisation d’un défaut à l’aide de détecteurs de défaut
Figure 6 – Courant traceur en cas d’exploitation à défaut maintenu
Détecteur activé par le défaut
Détecteur non sollicité par le défaut
courant capacitif
courant de neutre généré par le défaut
courant traceur injecté dans le neutre
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