1.1 La protection générale haute tension

Michel LAMBERT [email protected] le19/10/2008
1.1 La protection générale haute tension
2.1.1 Propriétés générales
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Elle assure la détection et l’élimination des courts-circuits monophasés et polyphasés affectant
les parties des réseaux HTA et BT en aval du point de mesure, transformateur HTA/BT
compris. La zone de surveillance dépend d’une part de la sensibilité de la protection, donc de
son réglage et d’autre part des caractéristiques du réseau privé telles que:
− La puissance de court-circuit au point de livraison,
− La puissance du transformateur HTA/BT,
− Le schéma de liaison à la terre du réseau BT.
Elle doit détecter les courts-circuits sur la liaison BT entre le transformateur et le T.G.B.T et
assurer le secours de la protection général basse tension (D.G.P.T) en cas de court-circuit sur
le tableau basse tension (T.G.B.T).
Elle est sélective avec les protections du réseau public et la protection générale du T.G.B.T.
Le courant de court-circuit injecté par la centrale, lors d’un défaut affectant le réseau public
HTA, ne doit pas solliciter la protection.
Elle ne doit pas être sollicitée par les courants transitoires d’enclenchement du
transformateur.
Les seuils de détection contre les défauts polyphasés sont calculés en fonction de l’intensité de
base définie à partir de la puissance « Sn » du transformateur lorsqu’il est unique ou de la
somme « ΣSn » des puissances des transformateurs.
IB =
•
•
Sn
Un × 3
.
Les courts-circuits à la terre sont éventuellement détectés par des relais de courant ou de
puissance homopolaire réglés en cohérence avec le plan de protection du réseau public HTA.
Lorsque l’intensité de base « IB » est inférieure à 45 A, la protection est assurée de préférence
par un jeu de fusibles conformes à la norme NF C 64-210 associé à un interrupteur tripolaire.
De ce fait, la coupure est toujours triphasée.
1.1.1 La protection par fusibles
Lorsque le poste de livraison comporte un seul
transformateur, l’intensité assignée « In » des
fusibles dépend de la puissance installée.
Le choix des fusibles est défini par la norme
NF C 13-100.
Cette protection, des plus rustiques, est simple
et peu couteuse. Elle présente cependant
l’inconvénient d’être peu fiable pour les faibles
surintensités.
Un fusible est caractérisé par un intervalle de
non coupure compris entre l’intensité du
courant assignée (In) et une intensité
minimale de coupure (I3). Les fusibles
couramment utilisés présentent un courant
minimal de coupure compris entre 2 et 5 fois
l’intensité assignée.
Lorsque le courant à couper est à l’intérieure
de cette zone, il existe un risque d’évolution
vers un incident majeur.
Photo ABB
L’intensité minimale de coupure est souvent suffisamment faible pour être dépassée dans la plupart
des cas notamment lorsque c’est le réseau public, avec sa puissance de court-circuit qui alimente le
défaut. Le risque existe cependant lorsqu’un court-circuit polyphasé affecte le réseau public. Après
ouverture du disjoncteur au poste source, la centrale peut se retrouver à alimenter seul le défaut
durant quelques instants. La puissance de court-circuit apportée par la centrale peut être alors
nettement inférieure à la valeur correspondant à l’intensité minimale de coupure.
Michel LAMBERT [email protected] le19/10/2008
La puissance de court-circuit minimale capable de provoquer la fusion du fusible dans de bonnes
conditions doit être supérieure aux valeurs du tableau.
Sn transfo
250 kVA
400kVA
630kVA
1250kVA
In (en 20 kV)
16 A
43 A
43 A
63 A
I3 (en 20 kV)
80 A
215 A
215 A
315 A
Scc mini (en 20 kV)
2,8 MVA
7,5 MVA
7,5 MVA
11 MVA
I3 est l’intensité minimale de coupure du fusible (fixée par défaut dans notre exemple à 5 In)
In est fixée par la norme NF C13-100 en fonction de Sn transfo.
Scc mini est la puissance de court-circuit correspondant à la valeur de I3.
Les valeurs de Sccmini ne pouvant être obtenues avec des machines dont la puissance est inférieure à
1250kVA, il est nécessaire de découpler immédiatement l’alternateur à l’apparition du court-circuit
afin d’éviter la destruction des fusibles et éventuellement de la cellule départ «transformateur ». Cette
fonction est assurée normalement par la protection de découplage instantanée pour les courts-circuits
polyphasés.
Dans le cas où la protection de découplage contre les défauts polyphasés est temporisée (protection
type H3), les fusibles seront remplacés par un disjoncteur et une protection associée1.
Ce problème n’existe pas lorsque le réseau public HTA est le siège d’un défaut monophasé. En effet le
schéma de liaison à la terre du transformateur HTA/BT étant du type IT, il n’est pas générateur de
courant homopolaire.
1.1.2 Fonctionnement pour un court-circuit sur la basse tension
a) Cas d’un défaut polyphasé
On crée un court-circuit entre les phases 1 et 2 sur les bornes secondaires d’un transformateur sans
charge.
Ip1
Phase1
20kV
Sn/Ucc
DGCP
Ip2
In
Ip3
410 V
Scc=40 MVA
Dyn11
Phase2
La puissance de court-circuit au point de livraison est fixée à 40 MVA.
La valeur de I3 est fixée à 5 In.
On mesure les surintensités au primaire du transformateur
Sn
Ucc
250 kVA
400 kVA
630 kVA
1250 kVA
4%
4%
4%
6%
Intensités primaire
Ip1
Ip2
Ip3
78
156
78
116
232
116
163
326
163
198
396
198
Ip1/I3
0,97
0,54
0,76
0,63
Ip/I3
Ip2/I3 Ip3/I3
1,95
0,97
1,08
0,54
1,52
0,76
1,26
0,63
Pour un rapport Ip1/I3 < 1 la coupure dans de bonnes conditions n’est pas garantie.
Dans tous les cas, le fusible de la phase 2 éliminera le défaut au secondaire du transformateur dans
de bonnes conditions.
b) Cas d’un défaut monophasé
Le schéma de liaison à la terre étant de type TN ou TT, tout court-circuit monophasé entraine une
surintensité au primaire du transformateur qui doit normalement provoquer la fusion du fusible.
Considérons un court-circuit entre la phase 1 et le neutre sur les bornes secondaires du
transformateur. On mesure les surintensités au primaire du transformateur
1
Complétée éventuellement d’une protection wattmétrique homopolaire (PWH) spécifiée pour le neutre
compensée.
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20kV
In
Scc=40 MVA
Ip1
Ip2
Ip3
Phase1
Sn/Ucc
DGCP
410 V
Dyn11
Neutre
Sn
Ucc
Intensités primaire
Ip1/I3
250 kVA
4%
Ip1=Ip2=94 A et Ip3=0
1,175
400 kVA
4%
Ip1=Ip2=143 A et Ip3=0
0,665
630 kVA
4%
Ip1=Ip2=208 A et Ip3=0
0,98
1250 kVA
6%
Ip1=Ip2=258 A et Ip3=0
0,82
Pour un rapport Ip1/I3 < 1 la coupure dans de bonnes conditions n’est pas garantie.
On constate qu’à l’exception du cas du transformateur de 250 kVA, les fusibles HTA risquent d’être
mis en difficulté pour un défaut monophasé au secondaire du transformateur.
Dans le cas d’un réseau insulaire où la puissance de court-circuit HTA est de 10 MVA, la protection par
fusibles doit être déconseillée. Pour un transformateur de 400 kVA, Ip = 100 A et Ip/I3=0,46.
2.8. Rendement (voir abaque annexe 4)
Les pertes dans l'appareil résultent:
— des pertes à vide P0
— des pertes dues à la charge = P nominale x (
|
I2 nominal
2
) = P
Le rendement en % est alors:
P +P
r % = 100- 100.u
Pu = Puissance utile en kW
Ex.: 250 kVA rendement à 3/4 de charge — cos \p = 0,8
P, = 250 x- xO,8= 150 kW
u
4
P0 = 0,65 kW
P = 3 , 2 5 x ( - ) 2 = 1,83kW
4
r
= 100 - 100 ( °'65 + 1 '83 ) - 98,35 %
2.7. Fonctionnement sur charge déséquilibrée - impédance homopolaire
La représentation ci-dessus permet de calculer le fonctionnement d'un
transformateur monophasé ou triphasé avec charge équilibrée. Pour
connaître le comportement d'un transformateur lorsque sa charge est
déséquilibrée, il est pratique d'avoir recours aux composantes
symétriques.
Un transformateur triphasé peut être considéré comme un générateur
de puissance infinie, caractérisé par la tension à vide (J2n entre neutre
et phase et trois impédances, directe, inverse et homopolaire Zd, Zi et
Zh. Le transformateur est passif et les impédances directe et inverse
sont toujours égales Zd == Zi. Elles correspondent aux valeurs calculées
au paragraphe 2.2.
Par contre, l'impédance homopolaire dépend du couplage utilisé:
PRIMAIRE
Jk
A
0,1 à 0,2
0,7 à 0,9
SECONDAIRE
Zh
10 à 30
Zd
Fig. 7
0,7àO,9
On retrouve bien, dans le cas du couplage Y y n , la particularité déjà
signalée; Zf, étant supérieur à 10 Z d , If, provoque des chutes de tension
prohibitives.
Lorsque le neutre n'est pas utilisé côté secondaire, l'impédance
homopolaire est infinie.
Ces valeurs permettent de calculer le comportement d'un
transformateur dans toutes les conditions de charge.
L'impédance homopolaire peut être mesurée en alimentant les
enroulements selon le schéma ci-dessous:
t
K = Rapport de transformation =
Um
Ihn
Fig. 8
2.8. Calcul des courants de court-circuit
• Côté secondaire
— court-circuit triphasé
'2n
K
K U9n
2n
'2cc
2n
ucc (%)
Fig. 9
— court-circuit entre phases
V_3
^2 M
1
y-\/-v
1 I il l
v *•"*
'2cc
oa
—
2
Fig. 10
12
2 ri
V " -!_ ' A
Y —
I \J\J A
U_(%)
2n
— court-circuit entre phase et neutre
U c c (%)
Fig. 11
3
• Côté primaire
Selon le couplage utilisé, un court-circuit
différemment au primaire:
court-circuit secondaire
2cc
2l1cc
VT
—==V3
entre phase et neutre
3. DISPOSITIONS
CONSTRUCTIVES
secondaire se répercute
couplage Dyn ou Y z n
triphasé
entre phases
3 Z
sur les 2 autres
'icc
VJ
3.1. Mode de remplissage
• Transformateurs respirants
Dans ce cas, la surface du liquide diélectrique est en communication
directe avec l'air ambiant. Les variations de charges entraînent des
différences de température de fonctionnement et donc des variations de
volume du liquide diélectrique dues à la dilatation. L'air circule alors
librement entre l'intérieur et l'extérieur de la cuve.
Cette respiration a des conséquences fâcheuses pour la conservation des
qualités du diélectrique. Au contact de l'oxygène de l'air, l'huile
s'oxyde en donnai il des composés solubles qui détériorent les papiers
isolants, abrégeant ainsi la durée de vie de l'appareil. D'autre pari,
l'humidité de l'air contribue également à l'abaissement des propriétés
diélectriques de l'huile.
Les askarels sont des liquides chimiquement plus stables et leur
oxydation est presque inexistante. Ils sont par contre beaucoup plus
sensibles à l'humidité, qui détériore rapidement leurs qualités
diélectriques.
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