Surtensions et coordination d`isolement

Lignes de transfert d ’Energie Electrique
Plan du cours
• Généralités
•Les surtensions
•Coordination d ’isolement
•Les dispositifs de protection contre les surtensions : éclateur et parafoudre
Surtensions et coordination d ’isolement - durée 1h - G. Clerc
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Lignes de transfert d ’Energie Electrique
Généralités
La coordination d ’isolement est l ’ensemble des dispositions prises pour réaliser la protection des
personnes et des matériels contre les surtensions pouvant apparaître sur les installations
électriques.
Sa maîtrise repose :
•sur la connaissance des niveaux de surtension
•de coordonner les dispositifs de protection et les niveaux d ’isolements des matériels électriques
requis.
Défaillance
Fonctionnement des protections dans
le meilleur des cas
interruption de service
Destruction dans le pire des cas
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Lignes de transfert d ’Energie Electrique
Les surtensions
Perturbations de mode différentiel : entre phases ou entre circuits
Perturbations de mode commun : entre les conducteurs actifs et la terre.
Les perturbations peuvent engendrer :
* des interruptions courtes avec réenclenchements automatiques sur les résaeux de distribution
MT aérien
* des interruptions longues avec intervention après destruction d ’isolants ou de matériels.
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Surtension à fréquence industrielle
Ce sont les surtensions ayant des fréquences inférieure à 500Hz.
Surtension provoquée par un défaut d ’isolement
Elle est due à un défaut d ’isolement sur un réseau triphasé dont le neutre est isolé ou impédant.
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Lors d ’un défaut d ’isolement entre une phase et la masse ou la terre, la phase concernée est mise
au potentiel de la terre et les deux autres sont soumises, par rapport à la terre à :
U =V . 3
Pour un défaut d ’isolement sur la phase A, un facteur de défaut de terre Sd est définit par le
rapport de la tension des deux autres phases par rapport à la terre, à la tension du réseau :
Sd =
(
)
3 k2 + k +1
k+2
k=
avec
X0
Xd
Neutre parfaitement isolé
X0 = ∞
Mise à la terre parfaite du neutre
Cas général
X0 = Xd
Réactance directe du réseau vu du point de défaut
Réactance homopolaire
Sd =
3
Sd = 1
X 0 ≤ 3X d
S d ≤ 1. 25
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Surtension sur une longue ligne : effet Ferranti
Une surtension peut apparaître sur une ligne longue alimentée d ’un coté et à vide de l ’autre. Le
facteur de surtension est donné par :
Us : Tension entrée
Ue : Tension sortie
Us
=
Ue
L :Inductance totale de la ligne
1
1−
.LC ω
2
2
C : Capacité totale de la ligne
Ligne de 300 km : facteur de surtension = 1.05
Ligne de 500 km : facteur de surtension = 1.16
Surtension par ferrorésonnance
Cette surtension est produite lorsqu’un comporte une capacité, une self avec circuit magnétique
saturable. Elle peut apparaître lors qu’une manœuvre d ’ouverture ou de fermeture est pratiquée
sur le réseau avec un appareil qui ne réalise pas un fonctionnement simultanée des trois pôles.
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Courbes : U c =f(i),U L =f(i), UL-1/Cwi=f(i)
Diagramme
Schéma
La courbe UL-1/Cwi=f(i) montre deux points de fonctionnements
(O et B) pour lesquels la tension aux bornes de l ’ensemble LC
est nulle, deux points de fonctionnement stable M et P et un
point de fonctionnement instable N.
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Les tensions aux bornes de L et C au point P sont élevées. Le passage de M vers P peut être du à
un transitoire qui augmente momentanément la tension e à une valeur supérieur à E.
Risque de claquage diélectrique et danger pour les récepteurs en // sur C mais puissances mises
en jeu réduites :
1
2
Surtension de manœuvre
2
CV
Elles sont provoquées par une modification brusque de la structure du réseau engendrant des
phénomènes transitoires. Ces derniers provoquent la naissance d ’une onde de surtension ou d ’un
train d ’ondes haute fréquence de type apériodique, oscillatoire ou d ’amortissement rapide.
Surtension de commutation en charge normale
Pour une charge normale (facteur de puissance > 0.7), le coefficient de surtension (rapport entre
l ’amplitude de la tension transitoire et de la tension de service) est de l ’ordre de 1.2 à 1.5 et ne
pose pas de problèmes.
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Surtensions provoquées par l ’établissement et l ’interruption de petits courants inductifs
Trois phénomènes en sont à l ’origine :
L ’arrachement du courant
le réamorçage
le préamorçage
Cp1 : Capacité du
disjoncteur
Lp1 : Inductance du
disjoncteur
L1 : Inductance de la source
C1 : Capacité de la source
L2 : Inductance de la charge
Source sinusoïdale
C2 : Capacité de la charge
L0 : Inductance de ligne
Schéma équivalent d ’un disjoncteur pour l ’étude des surtensions
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ÄArrachement du courant
La coupure des courants faibles s ’accompagnent d ’un arc soumis à un refroidissement important
et donc qui peut présenter une instabilité. La tension peut alors présenter des variations relatives
importantes qui développent dans les capacités des courants oscillatoires d ’amplitude non
négligeable (10% du nominal).
La superposition avec le courant de 50Hz donne plusieurs passages par zéro. Le disjoncteur peut
couper au premier. Les courants dans le générateur et la charge ne sont pas nuls. La valeur i de
l ’onde 50Hz à cet instant est appelé courant arraché.
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Dans le cas de petits courants inductifs, la tension aux bornes de C2 est donnée par :
1
1
L I 2 = C2V 2
2 2
2
Energie à
l ’extinction de l ’arc
ÄRéamorçage
Il apparaît lorsque l ’arrachement du courant a fait apparaître aux bornes du disjoncteur une
tension différentielle supérieure à celle qu’il peut supporter. Un arc se réamorce.
En fait des phénomènes oscillatoires HF apparaissent dans les boucles D-Lp1-Cp1 (quelques
MHz), D-C1-L 0-C2 (quelques 100 kHz) et dans l ’ensemble du circuit (de 5 à 20 kHz) qui
provoquent des réamorçages multiples qui disparaissent avec l ’écartement des contacts..
ÄPréamorçage
Lors de la fermeture d ’un appareil, il arrive que la tenue diélectrique entre contact soit inférieure
à la tension appliquée. Un arc s ’établit entre les contacts et le circuit voit une impulsion de
tension correspondant à l ’annulation de la tension aux bornes de l ’appareil. Cette impulsion peut
entraîner une oscillation des circuits parallèles.
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Surtensions provoquées par les manœuvres sur des circuits capacitifs
ÄElles peuvent être provoquées par la mise sous tension de batteries de condensateurs. Avec des
appareil à manœuvre lente, un arc apparaît au voisinage de la tension crête qui engendre une
oscillation du circuit LC
L
e
~
C
La tension max observée est de l ’ordre de 2 fois la valeur crête de l ’onde 50Hz.
Ce phénomènes est amplifié si la batterie de condensateur est remis en service très peu de temps
après sa séparation du réseau, avec une charge résiduelle.
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Ämise sous tension d ’une ligne à vide (surtout en THT)
Avec des appareil à manœuvre lente, un arc apparaît au voisinage de la tension crête. L ’échelon
de tension appliqué à une extrémité va se propager et se réfléchir. La superposition des deux
ondes donne une tension double de la tension appliquée.
Äcoupure de circuits capacitifs
Montée de la tension lors de la séparation
d ’un banc de condensateurs du réseau par un
appareil de manœuvre lente
Condensateur
préchargé à la
valeur crête
de l ’onde
50Hz
Après une demipériode, tension
différentielle
double =>
réamorçage
Nouveau réamorçage
Inversion de la tension
aux bornes du
condensateur qui se
charge à une tension
triple du réseau
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Surtensions atmosphériques
Les réseaux aériens sont les
plus affectés.
La polarisation des coups de
foudre est en général négatif
(nuage négatif et sol positif)
dans l ’hémisphère nord.
La norme définit un front de
montée de 1.2µs pour la
tension et de 8µs pour le
courant.
On distingue le coup de
foudre direct qui touche une
ligne et l ’indirect qui tome à
proximité sur un pylône
métallique ou le câble de
garde.
Niveau isokérauniques sur le France continentale (gradué en nombre
moyen annuel de jours d ’orage) - Source météorologie nationale
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ÄCoup de foudre direct
Il se manifeste par l ’injection dans la ligne d ’une onde de courant de plusieurs 10 KA qui se
propage de part et d ’autre du point d ’impact..
i
U = Zc
Avec Z c (de 300 à 1000 W) impédance homopolaire de la ligne
=>
2
Après impact, l ’onde se propage sur la ligne et un point de celle-ci, en général un pylône, il y a
amorçage sur la chaine d ’isolateurs. Suivant que l ’amorçage se produit ou pas (fonction du
courant injecté dans la ligne) l ’onde qui continue à se propager après le pylône est dite coupée
ou pleine.
Pour différentes tensions du réseau, il n ’y a pas
amorçage au dessous du courant critique
indiqué sur le tableau suivant.
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ÄCoup de foudre indirect
L ’impact de foudre sur un support ou à proximité peut induire des surtensions importantes dans
la ligne.
Si la foudre tombe sur le pylône ou le câble da garde, il y a augmentation du potentiel de la masse
métallique par rapport à la terre.
i L di
U = R. +
2 2 dt
Inductance et résistance du
pylône ou de mise à la
terre
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Si la foudre tombe à proximité de la ligne, l ’écoulement de l ’énergie vers le sol provoque un
rayonnement électromagnétique intense qui induise dans la ligne une onde de front très raide (µs)
et d ’amortissement rapide.
L ’onde résultant du choc de foudre traversent les transformateurs par couplage capacitif.
L ’amplitude transmise est de l ’ordre de 10% en passant du coté HT au coté BT.
Surtension électrostatique
Concerne les réseaux isolés de la terre
Dans les minutes qui précèdent un orage, la
ligne se charge en sens inverse de la polarité
des nuages.
D ’où risque de claquage peu énergétique.
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Claquage des installations électriques à la suite d ’une surtension et réduction des risques
Conséquences du claquage
En HT, la coupure peut concerner une ville ou une région, en MT la zone est plus limitée
Risque de déstabilisation du réseau
Perte de facturation de l ’énergie
Perte de production pour les industriels
danger pour les personnes (hôpitaux, dialyse, ) et des données (centre informatique)
En BT, plus la tension de service est faible, plus les conséquences d ’un claquage sont limitées
vis à vis de la distribution de puissance.
Mais le développement de l ’électronique fragilise les systèmes. Le niveau tenue des systèmes
électroniques n ’est pas toujours coordonné avec celui de l ’installation. Or ceci interagissent avec
la production, la sécurité … et leur défaillance peut avoir des répercutions graves.
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Réduction des risques et des niveaux de surtension
Surtension due à la ferrorésonnance
Pour l ’éliminer, il faut que 1/C.w soit supérieur à la pente à l ’origine de Lw.
On peut aussi, en particulier en MT :
• assurer la plus grande simultanéité possible de l ’enclenchement des trois phases du réseau
• rapprocher le plus possible les transformateurs des appareillages de mise sous tension pour
réduire les capacités et on peut connecter une charge au préalable pour amortir les phénomènes
•mettre le neutre à la terre pour des résonances phase terre.
Surtension provoquée par la coupure de courants capacitifs
Il faut éviter les réallumages successifs par l ’augmentation de la vitesse des contactset
l ’utilisation de bons diélectriques (vide, SF6 …).
Surtension provoquée par la coupure de courants capacitifs
Sur les réseaux de transport, elle est évitée par une mise sous tension progressive en associant au
disjoncteur des résistances d ’insertion.
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Surtension provoquée par un coup de foudre
Il faut :
•disposer des câbles de garde pour éviter les chocs directs
•installer des protections aux points sensibles (éclateurs ou préférentiellement parafoudres)
•réaliser des prises de terre de bonne qualité
Impact foudre sur carte
Impact foudre sur câble téléphonique
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