Réglage de relais de protection homopolaire HTA : Étude et comportement

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Étude du Comportement d’un Réglage de Relais de Protection du Courant
Homopolaire à Temps Indépendant au Ligne Aérienne HTA par un Système des
Composantes Symétrique
Conference Paper · October 2009
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Mohamed Zellagui
Université Batna 2
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A. Bouzid
University of Constantine 1
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Etude du Comportement d’un Réglage de Relais de Protection du
Courant Homopolaire à Temps Indépendant au Ligne Aérienne HTA
par un Système des Composantes Symétriques
ZELLAGUI Mohamed BOUZID Aïssa BELDJEZZAR Ahmed
Groupe SONELGAZ, S.D.E,
Direction de la Distribution de
CONSTANTINE,
Division Technique Electricité,
ALGERIE.
[e-mail]
Département Electrotechnique,
Faculté des Sciences de l’Ingénieur,
Université MENTOURI
CONSTANTINE,
ALGERIE.
[e-mail]
Groupe SONELGAZ, S.D.E,
Direction de la Distribution de
CONSTANTINE,
Division Technique Electricité,
ALGERIE.
[e-mail]
Résumé – Dans cet article on a étudiés les réglages de
la protection et les tests d'un relais numérique de protection
de courant homopolaire (RNPCH) à temps indépendant
pour la protection d’un départ aérien 30 KV issu du poste
source 60/30 KV MANSOURAH sur le réseau de
distribution électrique moyenne tension HTA à neutre non
distribué de direction de la distribution de
CONSTANTINE. Les essais de cette protection sont basés
sur la détection des défauts à la terre par la méthode des
composantes symétriques (CS) en module et argument. Ces
type de protection et confirmé par des essais fait sur un
départ réel et le réglage de cette protection proposée sont
performant et confirmés par des résultats pratiques.
Mots clés – Protection Electrique, Protection du Défaut
Homopolaire, Réseau de Distribution HTA, Composantes
Symétriques.
1. INTRODUCTION
La technologie des microprocesseurs est largement
utilisée dans presque tous les aspects de la vie
quotidienne. L’ingénierie des systèmes de réseau
électrique a également utilisée de cette technologie depuis
plus de vingt ans, si bien que la technologie des relais a
changé radicalement depuis l'avènement des
microprocesseurs.
L'utilisation de cette technologie a rendu physiquement
le contrôle et la surveillance des réseaux électriques
faciles et rapides, et leur a donné la capacité de
communiquer avec leurs pairs et de contrôler d'autres
ordinateurs. Ces progrès ont permis de développer d’une
manière plus précise, plus rapide et moins coûteuse les
systèmes de protection électriques.
La technologie numérique a fait son apparition au
début des années 80. Avec le développement des micro-
processeurs et des mémoires, les puces numériques ont
été intégrées aux équipements de protection. Les
protections numériques, sont basées sur le principe de la
transformation de variables électriques du réseau,
fournies par des transformateurs de mesure, en signaux
numériques de faible voltage. L'utilisation de techniques
numériques de traitement du signal permet de
décomposer le signal en vecteurs ce qui autorise un
traitement des données via des algorithmes de protection
en fonction de la protection désirée. En outre, ils sont
équipés d'un écran d'affichage à cristaux liquides sur la
face avant pour le fonctionnement local.
Ces dispositifs nécessitent une source auxiliaire, offrent
un excellent niveau de précision et un haut niveau de
sensibilité. Ils procurent de nouvelles possibilités,
comme:
• Intégration de plusieurs fonctions pour réaliser une
fonction de protection complète dans une même unité.
• Le traitement et le stockage de données,
• L'enregistrement des perturbations du réseau,
• Le diagnostic des dispositifs connectés (disjoncteurs,
TC, … etc.)
Ces modèles intègrent des possibilités d'autotest et
d'autocontrôle qui augmentent leur fiabilité et continuité
de fonctionnement tout en réduisant la durée et la
fréquence des opérations de maintenance. En plus des
fonctions de protection, ces équipements disposent
également de fonctions complémentaires facilitant leur
fonctionnement.
Les liaisons séries permettent de les paramétrer
depuis un micro-ordinateur et de les connecter à un
système de contrôle commande au niveau local et central.
Ils permettent aussi de bénéficier des récentes
découvertes dans le domaine des techniques d'intelligence
artificielle, comme les réseaux neuronaux, la logique
floue et l'algorithme génétique.
Les anomalies dans le réseau de distribution moyenne
tension HTA (Normalisé par SONELGAZ entre 1 KV et
50 KV en tension alternative) d’énergies électriques sont:
Les courts-circuits (défauts), Les surtensions, les
surcharges, fluctuations de tension, les harmonique, les
déséquilibres. Les défauts apparaissent lorsque il y a
rupture d’isolement entre les conducteurs ou entre les
conducteurs et la terre. Les différents types de court-
circuits en fonction de leur durée sont : Fugitifs, semi-
permanents et permanents.

2. PROTECTION DES DÉFAUTS HOMOPOLAIRE
La protection des défauts homopolaire est basée sur la
variation de courant de chaque phase du câble moyenne
tension HTA, soit 30 KV ou 10 KV "Fig.1", Elle est
composée d’un relais homopolaire et d’un transformateur
de courant (TC) pour chaque phases et d’un organe de
coupure qu'est le disjoncteur HTA (D) .
JB
HTA
Relais
TC
D
Fig.1. Chaîne principale unifilaire de la protection de courant
homopolaire d'un départ HTA.
La grandeur exploitée est le courant homopolaire Io
défini à partir de la somme des trois courants de phase
comme suit : Irsd = 3*Io = IL1 + IL2 + IL3 valable pour
les câbles et les lignes aériennes "Fig.2". Selon le modèle
du relais et l'utilisation de sa quatrième entrée de courant
Io, le courant homopolaire utilisé est calculé à partir de
trois TC sur chaque phase ou mesuré à partir de
transformateur de terre (TC tore).
I
L1
I
L2
I
L3
I
C
I
C
I
C
Fig.2. Schémas de circulation de courant homopolaire dans les lignes
aériens HTA.
Il existe deux types de relais de protection
homopolaire dépendant de la temporisation :
A. À temps indépendant
La valeur de courant de réglage est proportionnelle au
temps de déclenchement constant "Fig.3.a".
B. À temps dépendant
Fait apparaître que le temps de déclenchement de la
protection est d’autant plus court que le courant est élevé
au-delà du seuil de courant de réglage, La temporisation
est variable sur plusieurs courbes (inverse, très inverse,
extrêmement inverse, ultra inverse) "Fig.3.b".
t (sec)
I (A)
0
t
réglage
I réglage
Non
fonctionnement Fonctionnement temporisé
(a)
t (sec)
I (A)
0
t réglage
I réglage 10 * I réglage
Non
fonctionnement
Fonctionnement
temporisé
(b)
Fig.3. Caractéristique de déclenchement de la protection homopolaire.
a) - Temps Indépendant b) - Temps Dépendent.
Calcul à partir des mesures de courant dans les trois
phases avec un TC par phase :
- Le courant résiduel est calculé par le relais de
protection.
- La précision de la mesure est entachée d’erreurs dues à
la somme des erreurs de précision des TC et de leur
saturation pour des courants élevés.
- Le montage est plus simple que dans le cas précédent,
mais la précision de mesure est inférieure.
En pratique, le réglage du seuil de la protection
homopolaire doit respecter les conditions suivantes :
- Le courant homopolaire (Io) doit être supérieur ou égale
20 % du courant nominale du TC phase (InTC) pour la
protection à temps indépendant (10 % InTC avec relais
de protection équipé de retenue harmonique 2),
- Le courant homopolaire (Io) doit être supérieur ou égale
10 % InTC pour la protection à temps dépendant.
- Le seuil de réglage du courant homopolaire est
déterminé par la longueur du départ protégé, elle est
comme suit :
TABLEAU.1
Le courant homopolaire en fonction de la
tension composée de service.
Tension
HTA
Ligne aérien Câble souterrain
30 KV & 10 kV 30 KV 10 KV
Courant
Homopolaire
8,0 A /
100 Km
4,8 A /
1 Km
1,6 A
/
1 Km

Mais dans le calcul du seuil de réglage on doit prendre
en compte l'état de secours de ce départ et sommer les
longueurs aériennes et souterraines à l'état sain et l'état de
secours.
3. SYTEME DES COMPOSANTES SYMETRIQUES
D'UN SYSTEME ELECTRIQUE TRIPHASES
Les composantes symétriques (CS) permettent surtout
d’étudier le fonctionnement d’un réseau polyphasé de
constitution symétrique lorsque l’on branche en un de ses
points un récepteur déséquilibré [5],[6]. Soit parce qu’il
s’agit effectivement d’une charge non équilibrée soit plus
fréquemment lorsque il se produit un court-circuit. La
théorie des CS s’applique tout aussi bien à des vecteurs
tournants tels que : des tensions et des courants qu’à des
vecteurs fixes tels que des impédances ou des
admittances,
Elle aurait tout aussi pu être démontrée pour des
courants ou des impédances dont on ne mentionnera que
les équations intéressantes.
Les CS comportent trois systèmes de vecteurs
équilibrés, indépendants l’un de l’autre du point de vue
amplitude et angle de phase. Un système triphasé
déséquilibré quelconque peut être décomposé en
composantes symétriques : Système Direct désigné par
(1), Système Inverse désigné par (2), Système
Homopolaire désigné par (0). Autrement dit un système
triphasé déséquilibré est constitué de trois vecteurs VL1 ,
VL2 et V L3 et que chaque vecteur peut s’écrire en fonction
des trois systèmes direct, inverse, homopolaire selon les
équations suivantes :
1 1 2 0
2
2 1 2 0
2
3 1 2 0
L
L
L
V V V V
V a V a V V
V a V a V V
= + +
= + +
= + +
(1)
Par contre si on connaît les valeurs de VL1 , VL2 et VL3 on
peut avoir V1 , V2 et V0 comme suit :
[ ]
2
1 1 2 3
2
2 1 2 3
0 1 2 3
1
3
1
3
1
3
L L L
L L L
L L L
V V a V a V
V V a V a V
V V V V
= + +
= + +
= + +
(2)
Même chose pour les courants en remplaçant V par I on
trouve :
1 1 2 0
2
2 1 2 0
2
3 1 2 0
L
L
L
I I I I
I a I aI I
I aI a I I
= + +
= + +
= + +
(3)
Pour I1 , I2 et I0 en fonction de IL1 , IL2 et IL3 on aura:
[ ]
2
1 1 2 3
2
2 1 2 3
0 1 2 3
1
3
1
3
1
3
L L L
L L L
L L L
I I a I a I
I I a I a I
I I I I
= + +
= + +
= + +
(4)
Sachant que : a est un opérateur est égale - 0,5 + j 0,866
= 1∟+120° a2 est un opérateur est égale - 0,5 - j 0,866
= 1∟-120°. La relation entre le système déséquilibré et ses
composantes symétriques s'écrit sous forme matricielle,
soit les courants ou les tensions :
[ ]
1 1
2
2 2
2
3 0
1
L
L
L
T
I I
I a a I
I I
a a
1 1
= 1
1
(5)
[ ]
1 1
2
2 2
2
3 0
1
L
L
L
T
V V
V a a V
V V
a a
1 1
= 1
1
(6)
[ ] [ ]
1
2 2
2 2
1 1
1
et 3 T a a T a a
a a a a
−
1 1 1 1
= 1 = 1
1 1
Avec [T] est la matrice de Fortescue, Donc les tensions
simples dans la ligne sont :
[
]
[
]
1
123 120 120 123
* *
L L
V T V V T V
−
= ⇒ =
(7)
[
]
[
]
1
123 120 120 123
* *
L L
I T I I T I
−
= ⇒ = (8)
La tension de terre est égale :
[
]
0 1 2 3
3
t L L L
V V V V V
= = + + (9)
Le courant de terre est égal :
[
]
0 1 2 3
3
t L L L
I I I I I
= = + + (10)
En régime équilibré le courant et la tension de terre sont
égal zéro.
Lorsque apparait un défaut à la terre permanent dans
un système électrique triphasé "Fig.4".

Terre
PHASE 2
Défaut
I
L2
I
L3
I
L1
PHASE 3
PHASE 1
Fig.4. Défaut monophasé entre la phase N°1 et la terre.
Les équations du défaut monophasé sont:
IL2 = IL3 = 0 (11)
VL1 = 0 (12)
Parce que la tension de la terre est égale à zéro.
À partir de l'équation (4) suivante des courants de
système déséquilibré on écrit :
⇒ I1 = I2 = Io =
1
3
I
L
(13)
À partir des équations (01) et (12), la tension directe est
écrite:
VL1 = 0 ⇒ V1 = - (V2 + Vo) = - V2 - Vo (14)
Sachant que :
V1 = E - Z1. I1
V2 = - Z2 . I2
Vo = - Zo . Io
Nous aurons:
E - Z1. I1 = Z2 . I2 + Zo . Io
⇒ E = Z1. I1 + Z2 . I2 + Zo . Io = I1 (Z1 + Z2 + Zo )
Soit : E =
I
a
3
( Z1 + Z2 + Zo )
D’où la valeur du courant de défaut monophasé:
⇒ Idéfaut = IL1 =
2 0
.
+ +
1
3 E
Z Z Z
(15)
Composantes symétriques de tension et courant :
VL1 = 0 = V0 + V1 + V2 ⇒ V1 = - (V2 + Vo) = - V2 – V0
En remplaçant V0 et V2 par leurs expressions:
V1 = Z2. I2 + Zo . Io
Sachant que: I1 = I2 = Io =
2 0
+ +
1
E
Z Z Z
(16)
V1 = E - Z1. I1 = 2 0
2 0
( )
+
+ +
1
E Z Z
Z Z Z
(17)
V2 = - Z2 . I2 = 2
2 0
.
+ +
1
-E Z
Z Z Z
(18)
Vo = - Zo . Io = 0
2 0
.
+ +
1
-E Z
Z Z Z
(19)
Calcul les tensions VL2 et VL3 dans les phases saines, à
partir des équations (7) :
VL3 = a V1 + a2 V2 + Vo =
2 0
+ +
2
2 0
1
E.Z (a -a )+ E.Z (a-1)
Z Z Z (20)
VL2 = a2 V1 + a V2 + Vo =
2 0
+ +
2 2
2 0
1
E.Z (a -a) +E.Z (a -1)
Z Z Z (21)
4. MODÉLE, RÉGLAGE DE PROTECTION, ET
EQUIPEMENTS D'ESSAIS
A. Modélisation de poste source 60/30 KV
Le but de cet essai est de voir le comportement d’un
réglage de courant homopolaire lors d’un défaut à la
terre permanant sur un départ aérien 30 kV relié sur un
jeu de barre HTA au poste source MANSOURAH
HTB/HTA (60/30 KV) "Fig. 5". Pour cela nous avons
créés un défaut à la terre sur la phase 1 du départ MILA
sans résistance, à 12 Km du jeu de barre HTA.
Ce départ est protégé par un relais de protection
numérique de courant homopolaire 7SJ 63 de SIEMENS.
Le Poste MANSOURAH est alimenté par deux
transformateurs de 2x15 MVA à l’étage 30 KV, cet étage
est alimenté par deux jeux de barre, le premier jeu de
barre distribue l’énergie électrique vers les départs :
MILA, SKIKDA, BATTERIES 2 et l’autre jeu de barre
vers les départs : ORH.1, ORH.2, CH-LAID et
BATTERIES 1. Les deux batteries de condensateur de
2x5 MVAR sont utilisées pour le système de
compensation et améliorer le facture de puissance.
B. Réglage de protection du courant homopolaire
Le départ HTA 30 KV MILA est caractérisé par :
Tension composée nominale : U = 30 kV,
Fréquence nominale : ƒ = 50 Hz,
Courant maximal à l’état sain : I = 70 A,
Courant maximal à l'état secours : Isec = 102 A.
Longueur souterraines à l'état sain : Ls1 = 6,761 Km,
Longueur aérienne à l'état sain : L1 = 45,116 Km.
Longueur souterraines à l'état secours : Lsec = 7,10 Km
Longueur aérienne à l'état secours : Lsec = 72,711 Km
Section : S = 93,3 mm2,
Matériaux conducteur : Almélec,
Résistance linéique : R = 0,357 Ω/km,
Réactance linéique : X = 0,35 Ω/km.
Le seuil de réglage du courant homopolaire est calculé
à partir du tableau 1: I réglage = 87,5 A
La sélectivité chronométrique de la protection de
courant homopolaire est assurée par une temporisation
fixe réglée (temps indépendant) à 0,8 seconde, parce que
l’arrivée du transformateur est réglé 1,2 seconde.
C. Equipements d’essais:
C.1. Caisse d'injection primaire : Cet essai est réalisé par
une caisse d’injection primaire type (CPC 100) du
constructeur OMICRON. Le CPC 100 fait partie d’un
système de test, il est conçu pour les essais des appareils