Production - Transport et Distribution d`Energie

Le Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Virtuelle de Tunis
Production - Transport et Distribution d’Energie
Protections contre les défauts d’isolement
Réalisé par : Mme Souad Chebbi
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Protections contre les défauts d’isolement
Objectifs spécifiques
A la fin de ce chapitre, l’étudient sera capable de :
-choisir les moyens de protections adéquats permettant la continuité de service d’un réseau électrique
5.1 Introduction
Pour assurer le fonctionnent sans à coup des installations électriques à courant fort, il faut éliminer très
rapidement tous les facteurs pouvant perturber le service. Dans les grandes installations, surtout dans les
centrales et les postes de transformation, cela est assuré automatiquement par des protections par relais.
5.2 Moyens de protections
Un relais de protection est un dispositif automatique qui donne des ordres de sortie destinés à la
commande d’un disjoncteur pour la mise hors tension un circuit lorsque l’état de ses grandeurs électriques qui
l’alimentent, franchit un seuil déterminé.
Un système de protection bien établi doit être à la fois :
1- Sélectif, capable de ne retrancher du réseau que l’organe affecté d’un défaut et de n’éliminer que celuici.
2- Rapide et ce pour limiter les dégâts dus aux courants de court circuit et pour éviter qu’un simple défaut
ne dégénère. Les relais de protection doivent fonctionner dans des temps aussi courts que possible : Le temps de
déclenchement est limité par le temps propre du courant, le temps du disjoncteur et par les conditions pour
assurer le déclenchement sélectif,
3- Fiable,
4- Sensible, cette sensibilité ne doit pas être exagérée au dessus de ce qui est nécessaire sans présenter des
inconvénients.
5.2.1 Réducteurs de mesures destinés aux protections
Les grandeurs qui servent à alimenter les protections, sont choisies parmi les courants et les tensions des
phases. Selon le type de mesure que l’on se propose d’effectuer, on les prendra seules ou combinées. Il est
impossible d’accéder aux grandeurs réelles dés que leur potentiel dépasse quelques centaines de volts. Les relais
devront donc être alimentés à partir de réducteurs de mesure (courant et tension) qui assureront d’abord
l’isolement par rapport à la haute tension et ensuite ramèneront à une échelle plus commode les grandeurs à
mesurer.
Les transformateurs de tensions donnent une tension nominale de 100 volts et les transformateurs de
courants donnent un courant nominal soit de 5 ampères soit de 1 ampère : Pour cette raison, ces types de relais
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sont appelés des relais secondaires par position aux relais directs qui sont des relais que l’on trouve dans les
éléments à basses tension (figures 5.1).
Fig. 5.1 : Relais primaire (direct)
5.2.2 Protection à maximum de courant
En présence d’un court circuit en un point du réseau, le courant de court circuit parcourt tous les tronçons
depuis la source jusqu’au point du défaut : Tous les dispositifs se mettent en marche en respectant les conditions
de sélectivité. Pour cette raison, on doit faire munir tous les dispositifs de protections, de temporisations qui
augmentent dans le sens inverse à celui du passage du courant.
Pour la protection à maximum de courant, on distingue deux types de protections qui sont la protection à
maximum de courant à retard dépendant et la protection à maximum de courant à retard indépendant, appelée
protection à temporisation. Pour le second type de protection, le temps de réponse du relais est indépendant de
la valeur du courant de court circuit (figure 5.2).
t
t
I (A)
Fig. . 5.2 : Schéma de la protection à maximum de courant à retard indépendant
Les deux types de protections sont caractérisés par :
a- Le courant de fonctionnement circulant dans le circuit primaire Ifp dans le cas où on a des relais indirects,
b- Le courant de fonctionnement dans le circuit secondaire Ifr : Courant circulant dans le relais.
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5.2.2.1 Conditions de fonctionnement
L’une des conditions à remplir par les relais, est le non fonctionnement en présence d’un courant maximal
de la charge : Le relais ne doit fonctionner que si le courant qui le traverse soit supérieur au courant en charge :
I fp f I charge
Pour avoir une protection bien réglée, il faut que le courant de remise à la position initiale IRI soit supérieur
au courant du réseau immédiatement après le déclenchement du court circuit (figure 5.3).
I
Ifp
IRI
Idémarrage=Ires.max
I charge.max
Régime
Normal
In
Courtcircuit
Auto
démarrage
des
moteurs
t(sec)
Fig. . 5.3 : Evolution du courant au cours des différents régimes
5.2.2.2 Critères de choix
Pour faire le choix convenable du relais à insérer dans le circuit à protéger, il faut que le courant réseau
maximum supporte les courants de démarrages des machines électriques : Ires.max=Idem=K1.Icharge avec 1 ≤ K 1 ≤ 3
Le coefficient K1 dépend du type de charges présentes dans le système électrique. En effet, si on suppose que
l’accroissement du courant provoqué par le démarrage des moteurs est caractérisé par le coefficient Kd, et que la
sureté de fonctionnement de la protection est définie par un coefficient de fiabilité Ks, le coefficient K1 sera défini
par :
K1=Kd.Ks avec :
1.1 ≤ K s ≤ 1.25
Le courant de remise à la position initiale doit être supérieur à K1.Ich.max :
I RI f K 1 I charge..max
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Le courant de fonctionnement de la protection est défini par :
I fp =
I RI
K
= 1 I charge..ma x
K RI K RI
Pour un relais idéal, KRI=1et pour un relais réel, KRI est compris entre 0.85 et 0.9
5.2.2.3 Temporisation
Dans ce paragraphe, en partant d’un système électrique comportant trois relais à retard indépendant
(figure 5.4), on se propose de déterminer la temporisation des relais présent :
K3
M
D1
D2
K1
Ch
Ch
D3
K
Ch
t (s)
∆t
∆t
t1
t2
t3
Fig. . 5.4 : Procédure de temporisation
La détermination des temporisations suppose que le relais le plus éloigné de la source doit posséder le
temps de réponse le plus rapide. Pour le présent exemple :
1- La protection P3 doit avoir : t3=tmin.
2- Le retard ∆ t de la protection de la ligne l2 par rapport à la protection de la ligne l1, dépend des
paramètres des relais de protections et celle des disjoncteurs. On détermine ce retard en appliquant la règle
suivante :
∆t = t 2 − t 3 = t accr (P2 ) + t ral (P3 ) + t D3 + t res
Où :
taccr(P2) : Temps d’accroissement possible de fonctionnement de la protection P2
tral(P3) : Temps de ralentissement possible de fonctionnement de la protection P3
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tD3 : Temps de déclenchement du disjoncteur D3
tres : Temps de réserve
3-Le temps de réponse de la seconde protection est alors :
t 2 = t 3 + ∆t
4- Le retard de la protection de la ligne l1 par rapport à la protection de la ligne l2 sera donc:
∆t ' = t 1 − t 2 = t accr (P1 ) + t ral (P2 ) + t D2 + t res
5- Le temps de réponse de la première protection t1 est tel que :
t1 = t 2 + ∆ t '
A partir du simple exemple traité, on montre que l’inconvénient des relais à retard indépendant est le grand
retard du temps de déclenchement pour les courants de court circuit qui sont proches de la source. Cependant, le
principal avantage de cette protection, c’est qu’on à un schéma simple et une mise en marche facile.
5.2.3 Protections différentielles
Les protections différentielles sont instantanées. Elles assurent l’élimination des défauts pour toute la
longueur de la ligne protégée. Il existe deux types de protections différentielles : La protection différentielle
longitudinale et la protection différentielle transversale.
5.2.3.1 Protections différentielles longitudinales
Le principe consiste en la comparaison des modules et des déphasages du courant aux extrémités de la
ligne protégée. Pour cette protection, les transformateurs de courant sont installés aux deux extrémités et ont le
même rapport de transformation. On distingue deux modes de connexion des transformateurs : Le schéma à
circulation de courant et le schéma à équilibre des tensions.
1-Pour le premier schéma (figure 5.5), les transformateurs sont connectés de façon que pour le régime
normal et en présence d’un court circuit hors zone protégée, les forces électromotrices dans les bobinages
secondaires aient le même sens. En régime normal, le courant circule dans les fils pilotes.
Pour ce schéma, le relais est monté en dérivation par rapport aux transformateurs et absorbe le courant
Ir=I1-I2. Comme les courants II et III sont égaux, le courant dans le relais est théoriquement nul : Ir=0.
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Ir = 0
I2
I1
I1
I2
I1
T1
I2
C .C
T2
I II
II
Fig. . 5.5 : Schéma à circulation de courant :
Court –circuit hors zone protégée
Si un court circuit aura lieu à l’intérieur de la zone protégée (figure5.6), le courant Ir devient :
I r = I1 + I 2 =
I cc
m
Icc : Courant de court circuit
m : Rapport de transformation des transformateurs de courants
I r = I1 + I 2
I2
I1
I2
I1
T1
T2
C .C
II
I II
Fig. . 5.6 : Schéma à circulation de courant :
Court –circuit à l’intérieur de la zone protégée
On note que bien que les courant II et III soient égaux, le courant Ir est non nul : Ceci résulte de
l’imperfection d’équilibrage des transformateurs m I ≠ m II
Ir =
II
I
− II ≠ 0
m I m II
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Pour cette raison, le courant de réponse du relais doit être plus élevé que le courant de déséquilibre Id qui
circule dans le relais même en absence de défaut (figure5.7) :
I fp f I d
Is
Is =
Ip
nt
IsI = f (I p )
I magI
IsII = f (I p )
I d = f (I p )
I sI
Ip
Fig. 5.7 : Tracé du courant de déséquilibre Id
2- Le second mode de connexion des transformateurs est à équilibre des tensions (figure 5.8).
Ir = Id ≈ 0
E1
T1
T2
E2
C .C
I II
I
II
Fig. 5.8 : Schéma à équilibre des tensions
Pour cette configuration, les transformateurs sont connectés de façon à avoir :
Ir =
E1 − E 2
Z
Z : Impédance du circuit secondaire
Pour ce mode de connexion, les forces électromotrices sont égales en module, les courants II=III et vu que
théoriquement les rapports de transformations sont égaux :
mI = mII.
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Théoriquement, si un court circuit a lieu à l’extérieur de la zone protégée, le courant circulant dans le relais
est nul : Ir=0. Si un court circuit survient à l’intérieur de la zone protégée, la somme des E1 et E2 produisent un
courant qui actionnant le relais. Ce courant est égal à :
Ir =
E1 + E 2
Z
En réalité, il existe des erreurs d’équilibrage des transformateurs. En présence d’un court circuit extérieur
(figure5.9), le déséquilibre donne naissance à une force électromotrice de déséquilibre Ed. Cette force
électromotrice provoque l’apparition du courant de déséquilibre Id : Ainsi, pour le choix du courant de réponse du
relais, on doit vérifier que :
I fp f I d
Ir ≠ 0
E1
Ir
T1
II
E2
C.C
T2
I II
Fig. 5.9 : Schéma à équilibre des tensions :
Court circuit à l’intérieur de la zone protégée
5.2.3.2 Principe de fonctionnement des protections différentielles transversales
Les protections différentielles transversales sont utilisées dans le cas de lignes doublées. En fonctionnement
normal, les deux lignes se partagent le courant total en deux.
Ce dispositif a reçu le nom de protection en huit du fait que les connexions des deux transformateurs
d’intensité soient croisées et ce pour que ces derniers ne fonctionnent pas à vide. Pour ce cas de figure, le relais
ne sera actionné que si les courants dans les deux lignes soient différents en grandeurs ou en sens.
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Il existe deux types de protection différentielle transversale : La protection ampère-métrique pour deux
feeders en parallèles avec un disjoncteur (figure 5.10) et la protection différentielle transversale directionnelle
pour deux lignes en parallèles munies de deux disjoncteurs aux deux extrémités (figure 5.11).
En présence de la première configuration (figure 5.10), si un court circuit survient hors zone protégée, le
courant détecté par le relais est I r = I1 − I 2
Comme I I = I II , I1 = I2 , le courant dans le relais est nulle : I r = 0 . Si un court-circuit survient sur la ligne L1 ,
I I > I II et I1 > I 2 : Un courant traverse le relais et en conséquence un ordre sera transmis au disjoncteur D pour
ouvrir le circuit.
D
+
II
I II
R
T1
I1
I2
L1
T2
L2
C.C
Fig. 5.10 : Protections différentielles transversales : Court circuit hors zone protégée
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D
+
II
T1
III
R
I1
I2
T2
C.C
Zone morte
Ifp > Icc
Fig. 5.11: Protections différentielles transversales : Court circuit à l’intérieur de la zone protégée
Les avantages de la protection différentielle sont le schéma et le principe de fonctionnement sont simples,
la protection fonctionne sans temporisation et n’agit pas en présence d’une charge maximale du réseau.
Cependant, la protection présente une zone morte de fonctionnement. De plus, il faut prévoir la protection de la
ligne réserve vu que la protection différentielle doit déclencher si une ligne est déjà déclenchée.
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