ct174 Protection des réseaux HTA industriels et tertiaires.pdf

n 174protection desrseaux HTAindustriels ettertiaires

Andr SASTRE

Ds 1966 il se spcialise dans lesmesures lectrotechniques et lesautomatismes industriels.Ingnieur autodidacte en 1971.Il entre chez Merlin Gerin en 1988 etparticipe la cration de lactivitProtection-Contrle-Commande HTA.Il est maintenant charg delanimation du rseau commercialpour cette activit.

CT 174 dition dcembre 1994

Cahier Technique Merlin Gerin n 174 / p.2

lectrisation :action de communiquer une chargelectrique un corps, tat dunepersonne relie un lment soustension.lectrocution :mort accidentelle cause par le courantlectrique, phase ultime dellectrisation.HTA et HTB :les niveaux de tensions font lobjet dediffrents classements selon lesdcrets, les normes, et autresspcifications particulires telles cellesde certains distributeurs dnergie, ainsien ce qui concerne les tensionsalternatives suprieures 1 000 V :n le dcret franais du 14 novembre1988 dfinit deux domaines detension : HTA = 1 kV < U 50 kV,HTB = U > 50 kV.n la publication CEI 71 prcise desgammes de tensions les plus levespour le matriel :nn gamme A = 1 kV < U < 52 kV,nn gamme B = 52 kV U < 300 kV,nn gamme C = U 300 kV.

AMDEC :mthode dtude, Analyse des Modesde Dfaillance, de leurs Effets et deleur Criticit, dans laquelle selon unedfinition de la CEI 812 un mode dedfaillance est un effet par lequel onobserve la dfaillance dun lment dusystme tudi.BTA et BTB :catgories de tensions dfinies par ledcret du 14 novembre 1988 :n en alternatif50 V < BTA 500V500 V < BTB 1000Vn en continu (taux dondulation < 10 %)120 V < BTA 750V750 V < BTB 1500VCes deux catgories sont regroupesdans le domaine I selon la CEI 364 etNF C 15-100,courant diffrentiel rsiduel :somme vectorielle des courantsparcourant tous les conducteurs actifs(phases et neutre) dun circuit en unpoint de linstallation (aussi appelcourant rsiduel).

Une rvision est prvue, elle retientseulement deux gammes :nn gamme I = 1 kV < U 245 kV,nn gamme II = U 245 kV.mesure RMS -Root Mean Square- :valeur du courant efficace, courantsharmoniques compris =

Ieff = Ih12

+ Ih32

+ Ih52

+ ... + Ihn2

+ ...

avech1 = harmonique de rang 1,h3 = harmonique de rang 3,hn = harmonique de rang n.Pcc :puissance de court-circuit.stabilit dynamique dun rseau :facult qua un rseau, comportantplusieurs machines tournantesasynchrones et synchrones,de reprendre un fonctionnement normal la suite dune perturbation brutaleayant entran une modificationprovisoire (cas dun court-circuit)ou dfinitive (ouverture dune ligne)de sa configuration.

lexique


protection des rseaux HTAindustriels et tertiaires

sommaire

1. protection lectrique et sret les consquences dun p. 4dfaut lectriquele besoin de lexploitant p. 4la structure dun rseau p. 4lectriquele plan de protection p. 5la slectivit p. 7la fiabilit des protections p. 8les fonctions de protection p. 8et de contrle-commanderunies

2. les types de slectivit et slectivit ampremtrique p. 10slectivit chronomtrique p. 10slectivit logique p. 11protection diffrentielle p. 12protection directionnelle p. 14protection minimum p. 15dimpdancela slectivit optimale p. 16synthse demploi des p. 18diffrents types de protections

3. emploi des protections prcautions de choix et p. 19demploi des protectionsprcautions relatives p. 20aux capteursprcautions relatives p. 21au rseau

4. guide de choix p. 225. conclusion p. 246. informations pratiques donnes ncessaires p. 25

pour raliser une tudede slectivitdiagramme de slectivit p. 25

7. bibliographie p. 27

La protection des rseaux lectriquesncessite la mise en uvre denombreuses et diffrentes techniquesdont lorganisation, ou plan deprotection, ncessite les comptencesdun spcialiste.En effet, ce travail impose de connatreles rglements et les normes, maisaussi de concilier des aspects technico-conomiques qui parfois sopposent.Ce spcialiste doit satisfaire le besoinde lexploitant en termes de scurit etde disponibilit de lnergie lectrique.Latteinte de cet objectif de sretdpend pour une trs grande part de laslectivit entre les dispositifs deprotection.Pour permettre un non spcialiste dedialoguer utilement avec le concepteurdune installation lectrique HTA, ceCahier Technique aborde simplementces techniques de protection et deslectivit. Un lecteur dj informpourra entamer sa lecture partir dudeuxime chapitre, et un praticien seporter directement au chapitre trois.

de protection


fig. 1 : il y a slectivit entre les protections Aet B ainsi que B et C lorsque pour tout dfauten aval de A, seul le disjoncteur A souvre,alors que le courant de dfaut Id a aussi tdtect par B et C.

le besoin de lexploitantSi ce besoin devait tre exprim par unseul mot, ce serait SRET.Ce mot a plusieurs acceptions (cf.Cahiers Techniques n 134 et 144),dans ce document les deux sensretenus sont :n scuritn disponibilit,mais abords sous langle desprotections lectriques.Ainsi, les dispositifs de protection ontune forte incidence sur la scurit, carils doivent liminer au plus vite undfaut pour protger les personnes etles biens contre ses consquences(accident corporel, dgt matriel).Ces mmes dispositifs influentfortement sur la disponibilit, car :n leur slectivit limite la zone affectepar un dfaut,n ils minimisent le dlai dertablissement de la tension,n par leurs auto contrles, mieux leursauto diagnostics, ils rduisent le risquede non fonctionnement et dedclenchement intempestif,n ils donnent lexploitant la possibilitde diagnostiquer distance (cest lafonction communication),

n ils peuvent intgrer desautomatismes de reprise de service(relestage, squences de redmarrage,permutation...).Il convient de remarquer que la scuritsoppose la disponibilit puisque lesdispositifs automatiques de protectionprovoquent souvent des interruptionsde service. Ainsi le niveau de sretretenu pour une installation est lersultat dun compromis qui tientcompte dune multitude de choixformaliss par le plan de protection.En consquence toute modification, encours dtude ou ultrieure, doit tresoigneusement analyse quant sesrpercussions sur la scurit et ladisponibilit. Pour cela, les diffrentsniveaux de sret recherchs sur unrseau doivent imprativement trefixs :n ds ltude de conception, donc bienavant le choix des constituants,n et lors du choix du mode de conduite.

la structure dun rseaulectriqueElle est souvent reprsente par unschma unifilaire qui prcise lesprincipaux constituants du rseau(transformateur, alternateur,machines,) et comment ils sont lisentre eux (ligne, jeu de barres, ). Leniveau de continuit de service dpendfortement de sa structure.En effet les types de protections et lestechniques de slectivit sont choisis selonle schma retenu (en antenne, doubledrivation, boucle, simple ou double jeu debarres,...), mais aussi selon la positionrelative des constituants (cf. CahierTechnique n 169).Pour satisfaire le besoin de lexploitantle plus conomiquement possible, lamthode suivante peut tre conseille,elle comporte quatre phases :1 - se fixer les objectifs de sret parzone dutilisation de lnergie,2 - crer une structure de rseau enpartant des utilisations (schmaunifilaire),3 - laborer le plan de protection quiprcise le choix des techniques deprotection et ltude de slectivit,

les consquences dundfaut lectriqueLes consquences dun dfautlectrique sont multiples, parfois nonvidentes, priori difficiles imaginer,voici quelques exemples :n en aval du dfaut, le rseau mis horstension entrane un arrt partielet inopin de lexploitation ;n le sige du dfaut est souventendommag, do dmontage,rparation, remplacement, retouren usine, expertise... ;n pendant la dure du dfaut, lepersonnel est confront un risquedlectrisation, de brlures(effets thermiques), voire mme detraumatismes (projection ou chute).Des consquences peuvent treressenties galement sur les partiessaines du rseau, par exemple lorsdun court-circuit :n chute de tension prjudiciable auxaccrochages lectriques, auxautomates et quipementsinformatiques.n perte de stabilit des machinestournantes qui peut, mme aprslimination du dfaut, saggraverjusqu entraner leffondrement totalde la distribution et des sources desecours prvues pour assurer lacontinuit de lalimentation.Ainsi donc, dans presque tous les cas,un dfaut provoque une interruptiondalimentation et de production.Interruption qui, du fait des contraintesconomiques, est de moins en moinsacceptable.Larrt dexploitation peut cependanttre circonscrit une zone du rseauselon :n le lieu du dfaut,n lefficacit des protections,n la technique de slectivit miseen uvre.Cette rduction du risque dinterruptionest obtenue par un plan de protectionbien tabli. Le rle des protections estde provoquer rapidement la mise horstension de la partie du rseau affectepar le dfaut afin den limiter lesconsquences. La slectivit vise nemettre hors tension que cette partie durseau et seulement celle-ci (cf. fig. 1).

1. protection lectrique et sret

C

B

A

dI


4 - vrifier que les objectifs de sretsont tenus.Si ce nest pas le cas, il faut modifierpartiellement la phase 2 (structure),puis recommencer les phases 3 et 4.Pour les seules tudes de disponibilitles concepteurs peuvent utiliser dessystmes experts. Par exemple lesystme ADELIA est courammentemploy lors des tudes de rseaux dedistribution dnergie confis laSocit Merlin Gerin. Ces systmestravaillent partir des donnes defiabilit AMDEC -Analyse des Modesde Dfaillance, de leurs Effets et deleur Criticit- et des arbres dedfaillance (cf. Cahier Techniquen 144). Il est ainsi possible de chiffrerla disponibilit de diffrentes structurespour ensuite slectionner la plusadquate.

le plan de protectionCest un ensemble cohrent et efficacede protections choisies dans le but desatisfaire aux objectifs de disponibilitde lnergie, de scurit des personneset des quipements.Le plan de protection prcise lesconditions daction et de non action desprotections en priode de dfauts, lorsdes transitoires normales (dues auxmanuvres dexploitation, parexemple), mais aussi en prsencedharmoniques, de perturbationsinduites et/ou rayonnes...Le plan sappuie sur des donnesgnrales et inhrentes linstallationconsidre, telles que :n les rglements,n les normes,n les habitudes,n les conditions dexploitation,n les rcepteurs,n le rgime de neutre,n la coordination des protections,n les consquences dun dfaut,n la prsence de diverses sourcesdnergie (ou non).Toutes ces donnes rpertorient lesdiffrents risques potentiels qui sonttrs varis, souvent interdpendants etdifficilement quantifiables. Parexemple :n ceux lis la structure du rseau (enantenne, en boucle ferme, sources enparallle, dlestage, rgime deneutre,...), qui sont relis au type dergime de neutre retenu, mais aussi lenvironnement (voie daccs,humidit, altitude,).

n ceux inhrents aux rcepteurs : untransformateur nest pas sujet auxmmes risques quun moteur, unlaminoir na pas les mmes contraintesquun concasseurEn final, pour tous les constituants durseau, y compris les gnrateurs, lesconducteurs et les rcepteurs, le plande protection dfinit au minimum leschoix et rglages des dispositifs deprotection contre les dfauts de court-circuit phase-phase et phase-terre.Les rglementsCe sont tous les textes de loi, ou ayantvaleur de loi, qui imposent des choixincontournables (par exemple : enFrance le dcret concernant laprotection des travailleurs).Les normesIl faut toujours considrer les normesapplicables linstallation concerne.Pour les installations lectriques lesnormes appliquer dpendent desniveaux de tension de chaque circuit etsont gnralement assujetties diffrents paramtres. Ainsi, en Francela norme NF C 13-200 qui a pourdomaine dapplication Les installationsprives haute tension prend aussien compte le climat et lenvironnement.Les habitudesBien quelles concernent les choix destructure, de type de protection commede mode dexploitation, les habitudesne sont pas toujours crites.Cependant leur application rendlexploitation plus aise : lutilisateurnest ainsi confront qu des principesde fonctionnement quil connat bien.Les conditions dexploitationConduite centralise ou non du rseau,possibilit de conduite locale,constitution des quipes, astreinte surplace ou non, dlai dintervention, etc,sont autant de conditions qui influentsur le plan.Les rcepteursTous les rcepteurs ont leur propreinfluence : les moteurs par leurscaractristiques de dmarrage, lesalternateurs par leurs ractances, lestransformateurs par leur tension decourt-circuit, les cbles par leurscapacits et leurs tenues au court-circuit,Le rgime de neutre(cf. Cahier Technique n 62)Le schma des liaisons du rseau laterre, ou rgime de neutre, est

dtermin en fonction du niveaurecherch pour :n la scurit du personnel et desquipements,n les impratifs de continuit de service.Il doit tenir compte :n de la qualification du personneldexploitation,n des risques de dtrioration dumatriel,n de la volont de limiter lessurtensions.Le rgime retenu affecte la valeur ducourant de dfaut terre fixe par lesystme de mise la terre, valeur quirsulte dun compromis entren avoir un courant suffisamment fortpournn raliser un bonne slectivit : lecourant rsiduel doit tre dtect sanstre confondu avec les courantscapacitifs des liaisons saines (cbles),nn se protger contre les surtensionspar rduction dimpdance entre lerseau et la terre ;n et avoir un courant faible pour limiter lesdgts (notamment dans les machinestournantes et les transformateur) maisaussi les risques dincendie ou dexplosiondans les zones sensibles (ptrochimie,mines,).Pour une installation existante, lesprotections mises en uvre et ltudede slectivit sont directementinfluences par le rgime de neutreexistant.Pour une installation nouvelle, ltudede slectivit permet de valider lesoptions retenues (rgime de neutre,valeur maximale du courant de dfautterre et lemplacement adquat dusystme de mise la terre), sinondaider faire dautres choix.La coordination des protectionsPar coordination il faut comprendremettre en harmonie le fonctionnementdes dispositifs de protection, et plusprcisment veiller leur slectivit.Il est rare quun rseau de distributionlectrique soit totalement indpendantdune autre installation, en particuliercette coordination est imprative entren le rseau de linstallation projete etcelui de linstallation existante,ou entren le rseau de linstallation projete etle rseau amont et/ou public.Son tude se fait partir :n des courbes de fonctionnement desprotections, par exemple il est judicieuxde prvoir une protection temps


notamment ncessaire de doublerles fusibles par des protectionsindirectes pour assurer la slectivitlorsque les courants de dfaut peuventtre de faible intensit (forte impdancelors du dfaut ou puissance limite dela source) ; cas prsent dans lafigure 2b oIcctransformateur >> Iccalternateur.Une solution pratique est le tlrglage,mais la solution idale est la tlvalidationou choix distance de valeurs prdfinieset testes (cf. fig. 2c).

extrmement inverse pour secoordonner avec un fusible ;n des temps de dclenchement(slectivit).Nota : les distributeurs publicsdnergie lectrique imposentgnralement des rglages maximauxapplicables au poste de livraison (enFrance, EDF demande pour les postesHTA 20 kV un temps de 0,2 s).Une tude de coordination, prcise lestemps dlimination des dfauts quidoivent tre :n satisfaisants pour la scurit dupersonnel,n conformes la tenue du matriel,(chauffement, tenue aux effortslectrodynamiques),n slectifs avec les installationsvoisines.Les consquences dun dfautCe sont les accidents corporels, lesdgts voire destructions de matriel,les pertes de production...Elles sont estimes en termes derisques :n pour le personnel, partir du courantde dfaut, de llvation du potentieldes masses accessibles, delimpdance des circuits de terre...Ils diminuent si le temps de contact,direct ou indirect avec une partie soustension, est court.n pour le matriel, partir de sa tenuethermique et/ou lectrodynamique, desprobabilits de brlage ou de perforationdes tles de circuits magntiques desquipements, de sa sensibilit auxmanques ou baisses de tension.nn les chauffements et effortslectrodynamiques affectent plus ladure de vie du matriel lorsquils sontimportants et maintenus. Lesinterrompre rapidement vite unvieillissement rapide (fatigue) dumatriel.nn les manques de tension, souvent dus un dfaut dtect par un appareil deprotection. Ils concernent tout le rseauaval.- ils peuvent tre brefs, cest le cas decoupures suivies de renclenchementsautomatiques ou de permutation desource. Ils gnent surtout les matrielslectroniques (rgulation,informatique,), moins les machines forte inertie (four, ventilateur,).- ils peuvent tre longs du fait destravaux pralables de remise en ordreavant la remise sous tension, et alorsaffecter financirement lentreprise.

nn les baisses de tension, souvent dues un court-circuit. Elles sont plusimportantes lorsquelles sont prochesdu point de dfaut, elles peuvent tresource de graves dsordres, mme surles parties saines du rseau.Limiter la dure de tous ces dfauts detension contribue rduire leursincidences sur les utilisations.n selon le type dquipement (moteurssynchrones ou asynchrones,transformateurs enrobs ou immergs,alternateurs).n en fonctionnement spar du rseaude distribution publique, selonlimportance relative des puissancescumules des machines tournantes(moteurs et alternateurs) il est possiblequune perte de stabilit entraneleffondrement total de la distribution etdes sources de secours sensesassurer la prennit de lalimentation.Il est noter que mme aprsllimination du dfaut, cette perte destabilit peut saggraver.Le maintien en service de toutes lesmachines tournantes, synchrones etasynchrones, est dautant plusprobable que le creux ou manque detension est de plus courte dure.En rsum il savre que la rapiditdlimination dun dfaut est essentiellepour rduire les risques, de plus elleamliore la disponibilit et lamaintenabilit.Une fois estimes, les consquencesdun incident sont discutes pourfinalement tre acceptes ou refuses,avec des dispositions particulires :n slectivit partielle,n transformateur disolement,n rgime de neutre temporaire,n protection chronomtrique ou logique,n autorisation ou non du fonctionnementdes sources en parallle,n gnrateur homopolaire sur jeu debarres,n etc.Prsence de sources diversesLorsquun rseau peut, pendantcertaines priodes, tre aliment selondes configurations et des sourcesdiffrentes, il faut pour chaque cas,dterminer les courants de court-circuitphase-phase et phase-terre. Ils sontgnralement trs diffrents et leurconnaissance est indispensable pourassurer la protection et la slectivitdans tous les cas. Les protectionsncessitent alors des seuils ettemporisations diffrents selon lesconfigurations (cf. fig. 2a). Il est

fig. 2 : exemple dintrt de la tlvalidation.Lors du changement de la sourcedalimentation, il est ncessaire dadapterles rglages des protections des dparts parchangement de seuil (a) et/ou mise enservice de protection complmentaire (b).La tlvalidation (c) amliore la sret(disponibilit et scurit).

t (s)

(kA)I

G

a

fusible f

I

t (s)

(kA)I

protection indirecte Pqui double le fusiblelors de l'alimentationpar seul.Gcourbe cc de G

b

G

tlvalidationdes rglagesprdfinis

f Pavecdlestage

avecdlestage

1MVA 800 kVAc


la slectivitLa slectivit consiste ne mettre horstension que la partie du rseauconcerne par un dfaut et seulementcelle-ci. Elle organise lesdclenchements, des diffrentsdispositifs de protection phases etterre, qui doivent tre les plus rapidespossible (cf. Cahier Technique n 62).Pour cela chaque installation faitnormalement lobjet dune tude deslectivit. Son but est de confirmerque tout dfaut envisageable sera bienlimin dans les limites techniquesfixes pour le matriel dinstallation(ex. : pourvoir de coupure) et pour lesutilisations (ex. : dure maximaledinterruption). Pour ce faire,larchitecture la plus approprie estrecherche en plaant ou non desprotections en tel ou tel point delarborescence du rseau lectrique.Contenu dune tude de slectivitDans la pratique, une tude deslectivit consiste dterminer lesdiffrents rglages (temporisations etseuils) des appareils de protection touten vrifiant la compatibilit entre lestemps dintervention dfinis pour lesappareils amont et ceux dfinis pour lesappareils aval.Une telle tude est un travail importantcar :n elle considre les diffrentes valeursdes courants de dfauts pouvantapparatre en diffrents points dunrseau ;n elle vrifie que chaque dfautprobable peut tre limin par deuxprotections diffrentes, pour palierlventuelle dfaillance de la protectionla plus proche ou dun de ses lmentsassocis tels que filerie, rducteurs,disjoncteur, connectique...A noter que les rglages des appareilsen amont du rseau (arrive) sontsouvent imposs par le distributeurdnergie, et ceux des appareils en aval(dparts) le sont par le circuit de plusforte puissance.

Prsentation dune tude deslectivitUne telle tude doit comprendre :nn la description des modesdexploitation retenus pour ltude,nn un schma unifilaire simplifi,nn les diagrammes de slectivit, ceuxdes protection de phases, et ceux desprotections de dfaut terre,nn une note technique,nn le carnet de rglage.n schma unifilaire simplifi.Il reprsente lossature du rseau, lesorganes de manuvres essentiels, lesprotections repres (cf. fig. 3a).n diagrammes de slectivit.Sur ces diagrammes (cf. fig. 3b) sont

visualiss les courbes dedclenchement de chacune desprotections avec leurs represcorrespondants ceux nots sur leschma unifilaire (cf. fig. 3a).n note technique.Elle dcrit les principes de slectivitqui ne peuvent pas tre reprsentspar les diagrammes (slectivitslogique et diffrentielle par exemple).Elle prsente et explique les rsultats,notamment la dure de dclenchementobtenue au niveau du disjoncteur dette. Elle signale les risques et sincessaire propose des solutions qui,comme indiqu prcdemment,peuvent influencer larchitecture de

3

4

2

1

BT

HBT

HTA

a

t (s)

(kA)I

0,7

enBT

enHTA

enHTB

niveaux descourants decourt-circuit

421 3

b

fig. 3 : exemple dun schma unifilaire (a) et du diagramme de slectivit de ses protections (b).A noter que, pour tre compars, les Icc sont exprims un mme niveau de tension.


distribution. Quelques exemples sontdonns dans le tableau de la figure 4.Cette liste non exhaustive montre lesliens importants entre les tudes :nn darchitecture,nn de courants de court-circuit,nn de slectivit.Entreprendre ces tudes ds le dbutdun projet savre doncparticulirement utile.n carnet de rglage.Ce document runit toutes les valeursde rglage de toutes les protections.Indispensable lors de la mise enservice, il est laboutissement de ltudede slectivit.

la fiabilit des protectionsLa fiabilit des protections est un facteuressentiel de la scurit et de ladisponibilit dune installation lectrique.Les constructeurs de dispositifs deprotection poursuivent, lors dudveloppement et de la fabrication, undouble objectif :n tre sr du dclenchement scurit,

n ne pas avoir de dclenchementintempestif disponibilit.Cet objectif est maintenant atteint avecdes protections technologienumrique, car :n aprs avoir subi, en conception etfabrication, de nombreux tests decompatibilit lectromagntique, ellespeuvent tre places dans desenvironnements svres ;n une fois installes :nn en permanence, elles pratiquent desauto-contrles (cest la fonction chiende garde),nn lors dune dfaillance, ellesfournissent un auto-diagnostic quiindique la cause et ainsi diminue letemps dindisponibilit.Toutefois, quel que soit le type deprotection, lobjectif global ne peut treatteint que si :n les capteurs sont de bonne qualit,n lalimentation auxiliaire est fiable,n la mise en uvre est correctementeffectue et les rglages bien faits.

les fonctions de protectionet de contrle-commanderuniesLes dispositifs de protections, avec lescapacits de travail tendues desmicroprocesseurs (cf. fig. 5),remplissent de nombreuses fonctions :n ainsi, ils traitent linformation fourniepar les capteurs de courant et detension , ils affichent diverses mesures(I, W, cos , P, Q, etc.) et ralisent lesdiffrentes protections paramtres.n en plus ils peuvent aussi remplir desfonctions locales dautomatisme :nn la permutation (ou transfertautomatique),nn le pr-traitement des alarmes,nn la mmorisation des informations(dclenchement, blocage...),nn linter dclenchement entre deuxextrmits dune ligne ou sur leprimaire et le secondaire duntransformateur,nn la slectivit logique (cf. CahierTechnique n 2),nn le dlestage - relestage.Ces automatismes rpartis sont aussiimportants que la slectivit du point devue de lobjectif de continuit service.Ces ensembles ou units de protectionet de contrle-commande ont de plus lafacult de pouvoir communiquer entreeux, en cela ils rpondent au principede lintelligence rpartie.Par intelligence rpartie il fautcomprendre que la dcision est laisse linitiative du dispositif le plus prochede laction accomplir :n un dclenchement suite un court-circuit se dcide et se faitimmdiatement en amont du point dedfaut ;n un dlestage se commande selonlimportance de la surcharge, soit auniveau de latelier (unit de gestionlocale), soit au niveau de larrive (unitde gestion centrale).Ce principe a pour avantage defavoriser grandement la disponibilit etla gestion du rseau lectrique.En effet, ces units communiquantesassocies des calculateurs autorisentla prise en compte de nombreuxparamtres qui compars des valeursde rfrence permettent de dtecterdes drives dangereuses. Une alerte

risques rvls remdesincompatibilit entre les temps n revoir l'architecture pour gagnerd'intervention des protections. un ou plusieurs crans de slectivit.

n modifier le plan de protection pourutiliser une slectivit logique oudiffrentielle.n ngocier avec le distributeur d'nergieun temps plus lev au poste de livraison.n changer la tension de distribution et/ou

d'utilisation.incompatibilit entre courant de court-circuit n empcher la mise en parallle deset quipements. sources.

n augmenter l'Ucc des transformateurs.n rajouter des inductances de limitation.n choisir d'autres quipements.

non fusion fusible n changer le calibre des fusibles.n ajouter un relais de protection indirect

associ un interrupteur.n remplacer les fusibles par un disjoncteur.n modifier la source :n n augmenter la puissance de court-circuit,n n baisser l'Ucc du transformateur amont.

dure d'interruption trop longue n alimenter en double drivation.n prvoir une source de remplacement

rapide mettre en service (gnrateurde secours) et, si ncessaire, dlester les

utilisations non prioritaires.n utiliser une permutation automatique etmotoriser l'appareil de coupure.

fig. 4 : risques et solutions qui peuvent influencer une architecture de distribution.


est alors possible pour assurer unemaintenance prdictive, par exemple :n un risque de blocage venir peut tresignal lorsque le courant dedmarrage dun moteur augmente defaon significative,

n le vieillissement prmatur dunquipement peut tre annonc lasuite dune surcharge prolonge,n un prochain court-circuit peut treindiqu partir de laugmentation duncourant rsiduel (baisse disolement).

fig. 5 : Sepam, une gamme de dispositifs de protection mais aussi de contrle-commande base de microprocesseurs (Merlin Gerin).


Les protections choisies lors dellaboration du plan de protection ontun impact direct sur la slectivit.Dans ce chapitre, sont rapidementvoqus les diffrents types deslectivit et de protection.Ces types de slectivit et deprotection ont des origines diverses :n habitude,n mode dexploitation,n influence des distributeurs dnergienationaux,n volution technologique,n techniques labores par lesconstructeurs.Ils perdurent car ils ont tous leursavantages. Pour tre judicieux, le choixdoit donc, en un point prcis du rseau,se porter sur lun deux : celui quiprocure le maximum davantages.Cette libert doptimiser le choix estfacilite par lemploi de dispositifssusceptibles doffrir plusieurs solutionsdans un mme quipement.

slectivit ampremtriquePour assurer une slectivit de typeampremtrique, la grandeur contrleest le courant.Sur un rseau, un courant de court-circuit est dautant plus faible que lepoint de dfaut est loign de la source.La slectivit peut donc thoriquementtre obtenue en ajustant le seuil desdispositifs de protection au courant decourt-circuit prvisible selon leuremplacement dans la distribution(cf. fig. 6a).Ce type de slectivit, ne fait pasintervenir de dlai de fonctionnement(instantan), car chaque protection estindpendante des autres. Il estfrquemment utilis en BTA terminale.Il lest peu en HTA car les variationsrelles dun courant de court-circuitentre deux points sont trop peusignificatives (les impdances deliaison sont ngligeables), la slectivitn'est donc que partielle (cf. fig. 6b). Anoter qu'en HT gnralement un dfaut

rCI rBI rAI

ccCI ccBI ccAI

(kA)I

0

zones de non slectivit

Intensitsde rglages

Intensitsde dfauts

BT

HTA

B

A

C

rCI rAI rBI

ccCI ccAI ccBI

Intensitsde rglages

Intensitsde dfauts

a

b

I

fig. 6 : en thorie (a) pour raliser une slectivit ampremtrique, il faut vrifier queIccA > IrA > IccB > IrB > IccC > IrC.En pratique (b) la proximit des valeurs de rglage fait que cette slectivit nest que partielle.

impdant volue trs rapidement endfaut franc.Linconvnient majeur de cetteslectivit est quil ny a pas de secoursde laval par lamont (pas deredondance).Enfin lhandicap essentiel de laslectivit ampremtrique est que leseuil dune protection est dautant pluslev quelle est proche de la source,do des risques de dgts plusimportants. Elle ne permet donc passouvent datteindre lobjectif sretdfini au chapitre 1 puisquelleprivilgie la scurit.

slectivit chronomtriqueCette slectivit associe une notion detemps la grandeur contrle quest lecourant : une temporisation est affecte

volontairement laction des dispositifsde protection ampremtrique.Pour cela, les seuils dintervention sontdfinis avec des temps defonctionnement croissants de lavalvers lamont. Ainsi, en amont dundfaut plusieurs dispositifs sontsensibiliss (redondance), et lors dundfaut seule la protection situeimmdiatement en amont de celui-cidclenche : le dfaut nest alors plusaliment et les autres protectionscessent de le voir avant datteindre leterme de leurs temporisationsrespectives.La vrification peut se faire parcomparaison (superposition) descourbes de fonctionnement (cf. fig. 7)qui doivent tre suffisamment espacespour assurer cette slectivit (parexemple 0,3 s).

2. les types de slectivit et de protection


Cependant lorsque deux dispositifscontrlent un mme courant nominal(avec ou sans changement de tension),pour saffranchir des tolrances defonctionnement il est ncessaire deprvoir aussi un cart de rglage desseuils denviron 20 % de laval verslamont.Les temporisations sont, soit du type temps dpendant de limportance ducourant de dfaut, soit du typeindpendant (cf. fig. 8).La slectivit chronomtrique estfrquemment utilise car simple. Elleprsente cependant un inconvnient :

le temps dintervention augmente de0,2 0,3 s chaque tage au fur et mesure que lon sapproche de lasource. Un tel cart est ncessairepour tenir compte des tolrances destemps de rponse des lments de lachane de protection (capteurs,lectronique, dclencheur etdisjoncteur) ainsi que du temps darcdu disjoncteur aval. Ce sont donc lesdfauts de plus forte nergie et situsau plus prs de la source qui sontaliments le plus longtemps (dgtsplus importants).Lobjectif sret nest pas totalementatteint, mais en appliquant cetteslectivit entre deux ou trois tages uncompromis satisfaisant entre la scuritet la disponibilit peut tre trouv.Nota 1 : du fait de sa simplicit de miseen uvre, ce type de slectivit estintressant pour protger une liaisonentre deux sous-stations distantes.Nota 2 : le mixage des slectivitschronomtrique et ampremtrique estparticulirement intressant pourprotger le primaire duntransformateur. En effet, les diffrencesde courant de court-circuit entre les

circuits primaire et secondaire sont trssignificatives (cf. fig. 9). Il est alorspossible davoir une protection rapide( 100 ms) sur le circuit primaire si sonseuil est rgl au dessus du courant Iccsecondaire vu depuis le primaire.

slectivit logique(cf. Cahier Technique n 2)Ce type de slectivit est aussi appelSystme de Slectivit Logique ouSSL. Il fait lobjet dun brevet dpospar Merlin Gerin et met en uvre deschanges dinformations entre lesunits de protection. La grandeurcontrle est le courant.Toutes les units de protections SSLcommuniquent via une liaison filaire(liaison pilote) : par ce circuit toutes lesunits sollicites par un dfaut envoientinstantanment une impulsion dattentelogique lunit amont. Ainsi, seule laprotection situe immdiatement enamont du dfaut reste libre de

t (s)

(kA)I ccI B A

1

2

1 = rglage "temps" minimal2 = rglage "temps" maximal plage de rglage "temps" = 1 2

A = rglage "seuil" minimalB = rglage "seuil" maximal plage de rglage "seuil" = A B

fig. 8 : courbes de dclenchement tempsindpendant (ou constant [ ]) et temps dpendant (ou inverse [ ]).

fig. 9 : les slectivits chronomtrique etampremtrique appliques aux postes detransformation.

fig. 7 : la superposition des courbes dedclenchement (a) permet de vrifier que laslectivit est effective entre les disjoncteursA et B (b) qui dtectent le mme courant dedfaut Id.

B

A

dI

BT

HTA

t (s)

(kA)I

B

A

dI

0,3

a

bt (s)

(kA)I

100 ms

A B'

B

B

rAI r1BI r2BI ccAI ccBI

B

A

I r1B = seuil bas 1,2 . I rA pour s'affranchir desimprcisions. Un intervalle de slectivit de300 ms (courbe B') est habituellement prvu en secours de A.

I r2B = seuil haut I ccB, mais I r2B I ccA, dclenchement rapide 100 ms pour accepterla surintensit d'enclenchement.


fonctionner puisquelle na pas reudordre dattente logique (cf. fig. 10).Lavantage du SSL est de pouvoirraccourcir les temps de dclenchement(cf. fig. 11) et notamment proximitde la source :n soit en rglant toutes les units avecla mme temporisation,n soit en ayant des temps dinterventionde plus en plus courts de laval verslamont contrairement ce qui estralis avec la slectivitchronomtrique (cf. prcdent).Comme avec la slectivitchronomtrique toutes les protectionssitues en amont dun dfaut sontsollicites (redondance).

fig. 10 : principe de la slectivit logique.

Cependant, malgr la contrainte dedevoir relier par une liaison pilotetoutes les units de protection SSL, cetype de slectivit est plus satisfaisantdans la recherche de lobjectif desret que ceux prsentsprcdemment.Nota : cette slectivit est duneapplication intressante pour laprotection des arrives et dparts dunmme tableau. Ici, les fils de liaison nesont pas une contrainte dinstallation :ils ne parcourent que le tableau. Ilspeuvent donc tre intgrs en usine.De plus cette solution autorise destemps dinterruption de dfaut sur lesarrives infrieurs ceux des dparts.

protection diffrentiellePar principe, en labsence de dfaut,les courants entrant dans chaquelment dune installation de

fig. 11 : exemple dun schma unifilaire et dun diagramme de slectivit des protectionsincluant un tage de slectivit logique (entre 2 et 3).Ce diagramme est comparer celui de la figure 3 (les courbes modifies sont en orange). Ilmontre que, pour un mme circuit, cette slectivit permet une importante rduction des dlaisde dclenchement (sur le disjoncteur 3 par exemple, de 0,7 0,1 s).

distribution lectrique sont gaux,phase phase, ceux qui en sortent.La protection diffrentielle a pour rlede contrler ces galits, de mesurer ladiffrence ventuelle entre deuxcourants (due un dfaut), et pour unseuil prdtermin de donner un ordrede dclenchement. Llmentdfectueux est alors isol du rseau(cf. fig. 12)Cette protection permet de surveillerune zone bien dlimite par deux jeuxde rducteurs de courant (outransformateurs de courant) : elle estauto slective et peut donc treinstantane. Cet avantage doit treconserv dans des priodes o seproduisent des phnomnestransitoires ; mais sa sensibilit doitcependant tre limite auxphnomnes dus des dfauts, et nonpas dautres qui sont normaux(courants denclenchement, courant deDn

D3

D2

D1

dispositif en amontdu dfaut, en attente(dure limite).

dispositif en amontdu dfaut, en attente(dure limite) : metun ordre d'attente.

premier dispositif en amont du dfaut : met unordre d'attente et un ordrede dclenchement.

dispositif non sollicit(situ en aval du dfaut).

protection n4

protection n3

protection n2

protection n1

liaison piloteordre d'attente logique

3

4

2

1

BT

HBT

HTA

t (s)

(kA)I

0,1

enBT

enHTA

enHTB

niveaux descourants decourt-circuit

43 21

a b


de sa valeur intrinsque ou desconsquences inacceptables dunemise hors service longue sur dfautLa mise en uvre de ce type deprotection impose aussi certainescontraintes :n un TC -Transformateur de Courant-par phase chaque extrmit de lazone contrle.n une liaison entre les deux dispositifspour la protection diffrentielle decble. De plus avant de retenir cetteprotection il est utile de sassurer deson efficacit sur tous les types dedfauts imaginables. En effet leprincipe de dtection, souvent utilispour une protection diffrentielle filspilote, fait que la sensibilit dpend dela phase en dfaut et du type de dfaut(phase-phase ou phase-terre).n pour la protection diffrentielle demachine : les extrmits desenroulements du ct point neutredoivent tre accessibles pour placertous les TC.n pour la protection diffrentielle detransformateur :n n selon que le relais de protection estinstall dans la cellule amont ou aval, lafilerie vers lautre jeu de TC serarelativement longue ; il est alorsindispensable de veiller sa section(consommation) et son cheminement(perturbations).n n si le rgime de neutre est trsdiffrent de part et dautre dutransformateur, les dfauts terre nesont pas tous dcelables ; ils doiventdans ce cas faire lobjet dun traitementparticulier.n pour la protection diffrentielle de jeude barres : avec certains typesdappareils tous les TC doivent avoir unmme rapport gal celui du plus grosTC. Cette protection hauteimpdance, surtout employe dans lespays sous influence anglo-saxonne,prsente de grosses difficults :n n pour laiguillage des circuitssecondaires des TC, lorsque le jeu debarres alimente de nombreux dpartsavec diffrentes configurations ;n n pour la ralisation des fileries, car saforte impdance peut pendant le dfautengendrer des surtensions sur la filerieau secondaire des TC. Ces surtensions

a

b

point neutre

d

liaisonpilote

c

fig. 12 : exemples demploi de la protection diffrentielle.a - protection diffrentielle de cble : sur dfaut les 2 disjoncteurs ouvrent,b - protection diffrentielle de machine, moteur ou alternateur,c - protection diffrentielle de transformateur : sil y a des sources en aval, sur dfaut les 2disjoncteurs ouvrent,d - protection diffrentielle de jeu de barres : sil y a des sources en aval, sur dfaut tous lesdisjoncteurs ouvrent.

dfauts traversants dont le sige estextrieur la zone...).Les caractristiques des transitoiressont particulires chaque lment derseau : les protections diffrentiellessont donc technologiquementspcialises, soit :n diffrentielle de lignes et cbles,n diffrentielle de jeu de barres,n diffrentielle de transformateur,n diffrentielle de moteur,n diffrentielle d'alternateur.Lemploi de cette protection est limitcar elle ncessite une filerie (fils pilotesou raccordements de secondaires des

transformateurs de courant), desrducteurs de courant, et des rglagesparticulirement soigns pour garantirles non dclenchements intempestifs.Elle est utilise chaque fois quunelimination trs rapide des dfauts estimprative :n rduction du temps amont dans unechane de slectivit chronomtrique,par suppression dun tage de cettechane,n amlioration de la stabilit dynamiquedune installation comportant desmachines tournantes,n protection supplmentaire dunlment de grande importance du fait


peuvent ncessiter la mise en place dedispositifs parasurtenseurs.Rappel : la slectivit logique, pluspratique demploi, rpond aussi auproblme du gain de temps.

protection directionnelleCe type de protection fonctionne partir du courant, de la tension et dusens dcoulement de lnergie. Elleagit lorsque simultanment le courantou la puissance dpasse un seuil etque lnergie se propage dans unedirection anormale. Il existe desprotections directionnelles :n de courant phase,n de courant rsiduel,n de puissance active,n de puissance ractive,n de puissance homopolaire (nondveloppe dans ce Cahier Techniquecar essentiellement utilise sur lesrseaux de distribution publique neutre compens).Protection directionnelle de courantphaseLorsque deux sources, deux liaisons,ou plus, fonctionnent normalement enparallle, il y a un risque darrt gnralde la distribution lors dun dfautnaffectant quun de ces lments. Eneffet tous ces lments sont parcouruspar le courant de dfaut, avec unchangement de sens du courant dansllment dfectueux (cf. fig. 13).Les protections directionnelles sontdonc utilises pour distinguer le seullment dfectueux et commander sonisolement des autres lments encoresains. Pour pouvoir isoler llmentdfectueux ces dispositifs sont plusrapides d'environ 250 ms que lesprotections maximum de courantconcernes par le mme dfaut.Protection directionnelle de courantde dfaut terreSi un rseau est aliment par deuxtransformateurs ou plus (ou par desalternateurs) avec leurs points neutressimultanment relis la terre, lors dundfaut terre sur une seule de sessources, toutes sont parcourues par uncourant rsiduel. Seule celle qui estaffecte par le dfaut voit un courantrsiduel de sens inverse des autres. Lesdispositifs de protection directionnelle

protection directionnellede courant phase

protection maximumde courant

courant de dfaut transitantpar l'artre saine

courant de dfaut "direct"

y

x

fig. 13 : principe de la protection directionnelle de courant phase.Sur une mme liaison un dispositif directionnel est plus rapide ( 250 ms) quun dispositif maximum de courant, do une slectivit : ici, il y a dclenchement en x puis en y.A noter que si ces liaisons sont remplaces par deux transformateurs en parallle, le principereste identique.

de terre peuvent ainsi faire ladistinction entre les lments sains etcelui qui est en dfaut (cf. fig. 14).La direction est dtermine partirdune mesure du dphasage entre lesvecteurs courant rsiduel et tensionrsiduelle.Ces dispositifs sont aussi employspour slectionner le dpart en dfautsur des rseaux fort courant capacitif,notamment lorsque les liaisons parcbles sont longues : tous les dpartssains sont parcourus par un courantrsiduel de mme sens, et ce courantest de sens oppos dans un dpart endfaut (cf. fig. 15).Nota : Dans ce dernier cas, pourraliser la slectivit sans protectiondirectionnelle, une autre solution estaussi utilise. Elle exploite desprotections ampremtriques de dfautterre. Mais le seuil Is de cesprotections doit satisfaire :Ic dpart < Is < S Ic installationavec Ic = courant capacitif,Is = intensit de seuil.En gnral Is 1,3 1,5 Icdpart

Mais cette solution nest applicable quesi pour chaque dpart :Ic dpart


Protection directionnelle depuissance ractiveCe type de protection est utilis parexemple pour couper lalimentation dunemachine synchrone lors dun manquedexcitation. En effet lnergie ractive demagntisation du fait dune excitationinsuffisante sera apporte par le rseauvers la machine. Outre la mesure descourants et des tensions, ce type deprotection mesure aussi le dphasagepour dterminer la puissance :Q = 3 . U . I . sin j

protection minimumdimpdanceCe type de protection fonctionne partir des grandeurs mesures quesont le courant, la tension et le sensdcoulement de lnergie. A laide deces informations le dispositif deprotection calcule limpdance delquipement contrl, ses seuils sontajustables (minimum dimpdance Z -en ohm- ou dadmittance 1/Z -en mho-).Cette protection exploite le principe dela baisse importante dimpdance dunlment lorsquil est en court-circuit.

fig. 15 : lemploi de dispositifs de protection directionnelle de courant de dfaut terre dansune installation comportant des dparts de grande longueur permet de distinguer le dpart endfaut des dparts sains.

protection directionnelledu courant rsiduel.

courant rsiduel gnrpar les capacits desdparts sains de grande longueur.

capacit de la phase en dfaut

capacits des phases saines

fig. 14 : une protection directionnelle de courant de dfaut terre permet de discriminer le transformateur en dfaut (a), ou tre insensible undfaut sur un dpart (b).Ce mme principe sapplique des alternateurs coupls sur un mme rseau et ayant leurs points neutre relis la terre.

x

a b

courant rsiduel gnr parle point neutre dutransformateur en dfaut

protection directionnellede courant phase

courant rsiduel gnr parle point neutre de chaquetransformateur sain enprsence d'un dfaut


zones avantzones arrire

X

R

Z de la ligneprotge etsaine

a b

Z transitoire(sans effet sila zone 3 estdfinie par leparalllogramme)

Z de la ligneprotge mais en dfaut

zone 1, temporisation courte = t1zone 2, temporisation = t2 t1zone 3, temporisation = t3 t2

X

R

fig. 16 : diagramme de fonctionnement dune protection de zones (a).Le dclenchement est obtenu lorsque lextrmit du vecteur dimpdance de la ligne protgeentre dans lune des zones de fonctionnement du dispositif (b), une temporisation tantaffecte chacune de ces zones.Pour viter des dclenchements intempestifs dus aux variations de charge (vecteurdimpdance transitoire), les zones de fonctionnement peuvent avoir diffrentes formes,cercles ou quadrilatres : cest le cas sur le dessin b lorsque la zone 3 est dfinie par leparalllogramme au lieu dun cercle.

Elle est surtout employe sur les lignesde transport dnergie (rseauxmaills), mais aussi sur des jeux debarres et de grosses machinestournantes. Elle est galement appeleprotection de zones. Elle effectueses mesures dans une direction ou depart et dautre de son lieudimplantation (cf. fig. 16). Ltendue deson contrle dpend de la plage de lamesure et de la variation linaire delimpdance de lquipement protg.Plusieurs dispositifs peuvent tredisposs sur un mme rseau, et treindpendants les uns des autres, carleur zone de contrle individuelle estbien dlimite. Pour cette mme raison,leurs temps de raction peuvent trefortement rduits.Remarques :n les brusques variations de charge, etles appels de courant sont vus parces protections comme des variationsdimpdance.Pour viter des dclenchementsintempestifs leurs caractristiques defonctionnement (circulaire, elliptique,polygonale...) doivent tre bien choisies(cf. fig. 16).n la variation dimpdance estproportionnelle la longueur surveille.Cette variation longitudinale est plusrapide pour les machines tournantes outransformateurs que pour les cbles etles lignes ariennes. Pour cette raison,une protection minimum dimpdancepeut surveiller une petite zone limitepar une machine ou un transformateur.Cependant, lorsquun tel dispositif estprvu pour surveiller un jeu de barres,sa zone de contrle peut stendre une partie des enroulements destransformateurs qui sont raccords ceJ de B. Ce qui peut sembler tre uninconvnient savre tre un avantage :les premires spires duntransformateurs qui sont les plusexposes (surtension, claquage,)sont ainsi mieux protges. Cetteprotection est essentiellement exploitedans les postes HTB/HTB du rseau detransport ou dalimentation de trs grossites industriels.

Cas particulier : protection dedistanceIl sagit dune protection dimpdanceparticulire dont lapplication concerneles lignes HT des rseaux de transportdnergie, et parfois certains rseauxde distribution.

la slectivit optimaleLexprience montre que tous cestypes de slectivit et protection fontlobjet de domaines demploiprfrentiels, par exemple :n slectivit ampremtrique =distribution basse tension,n slectivit chronomtrique etlogique = distribution HTA,n protection de distance =transport HTB.Retenir un type plutt quun autresavre donc souvent tre un choix

technico-conomique avec une forteinfluence des habitudes.Lvolution technologique, et surtoutlavnement du numrique, autorisentle panachage des divers principes deprotection et de slectivit. Il devientainsi possible dappliquer, chaquetronon dun rseau, la plus optimisedes solutions.Association de diverses slectivitsLe schma de la figure 17 montrequune slectivit optimale peutncessiter la mise en uvre desdiffrents type de protection prsentsprcdemment. Cette associationautorise une limination plus rapide desdfauts.


t (s)

(kA)I

1

2

45

3

700 ms1

1,3

400 ms

100 ms

cc (20 kV)I b - Diagramme des courbes en exploitantdiffrents types de slectivit et de dispositifsde protection.

t (s)

(kA)I

1

2

45

3

t

700 ms1

1,3

400 ms

100 ms

cc (20 kV)I a - Diagramme des courbes de slectivit enn'exploitant que la slectivit chronomtrique avec des dispositifs de protection temps constant.A noter entre les courbes 2, 3, 4, et 5, il fautt = 300 ms et r = 20%.I

t

rI

4

5

60 kV

3

2

M

1

slectivitampremtrique et chronomtrique

slectivit logique


20 kV

5 kV


410 V

solution a brepres desprotections1 fusible fusible2 400 803 700 3004 700 3005 100 100

c - comparaison des temps dlimination (ms)des courts-circuits entre les deux solutions a etb prsentes ci-dessus.

fig. 17 : la slectivit optimale est, dans cet exemple, obtenue par la mise en uvre des diffrentes techniques.diagramme a : techniques ampremtrique, chronomtrique et logique,diagramme b : technique chronomtrique avec des courbes temps extrmement inverse , inverse (et logique) et , et constant .2 3 4 5


synthse demploi desdiffrents types deprotections

type applications principalesampremtrique n entre amont et aval d'un transformateurchronomtrique n entre deux sous stationslogique n entre arrives et dparts d'un mme

tableaun entre amont et aval d'un transformateurn entre deux sous stations lorsque la liaisonlogique peut tre installe

diffrentielle n sur tout lment pour lequel la scuritdoit tre maximale (cble, machine, ).

directionnelle n sur liaisons, alternateurs, transformateursfonctionnant en parallllen sur dparts fort courant capacitifn sur rseaux ayant plusieurs points neutresn sur rseaux neutre compens

mini d'impdance n mme application que diffrentielle etlorsque la zone est d'une tendue ou

d'une complexit telle que faire la sommedes courants entrants et sortantsest prohibitifde distance n pour les rseaux maills

(transport d'nergie)fig. 18 : synthse demploi des diffrents types de protection slective abords dans cechapitre.


3. emploi des protections

Lemploi comme la mise en uvre desdiffrents dispositifs de protectionimpose certaines prcautions.Ce chapitre a pour objectif de les faireconnatre, mais aussi de proposer dessolutions pratiques.Il est bien vident que certainesconfigurations de rseaux, etlalimentation de machines ayant descaractristiques particulires,ncessitent des tudes spcifiques quine peuvent pas tre dtailles dans cedocument.

prcautions de choix etdemploi des protectionsLe choix dun type puis dun dispositifde protection se fait aprs avoir valules risques encourus par llment protger et les consquences quidcoulent dun ventuel dfaut.Par principe, pour tous les lmentsdun rseau, le minimum prvoir estla protection contre les risques de :n court-circuit phase - phase(protection maximum de courantphase),n court-circuit phase - terre(protection maximum de courantrsiduel).Lorsque les courants de dfautsterre et de phases sont de mmeordre de grandeur, une seule protectiontriphase couvre les deux types derisques, sans toutefois les discriminer.Protection maximum de courantphaseUne telle protection ne peut trecorrecte que si son fonctionnementsatisfait aux inquations :I seuil phase < Icc minietI seuil phase > I maxi hors dfaut(transitoire dappel ou denclenchement)Pour cela il faut effectuer les contrlessuivants :n la condition seuil de dclenchementinfrieur Icc mini est vrifier pour lecas de dfaut biphas se produisant :

nn sur un rseau aliment par un seultransformateur alors que normalementaliment par plusieurs transformateursen parallle,nn sur un rseau aliment par unesource de remplacement,nn lextrmit dune liaison de grandelongueur ;n la condition seuil de dclenchementsuprieur en valeur et/ou entemporisation aux courants maximauxhors dfaut est vrifier pour :nn le dmarrage des moteurs,nn lenclenchement des transformateurs,nn la mise sous tension des batteries decondensateurs.n vrifier lincidence des surintensitsconscutives des baisses de tension,coupures brves, permutations desources

Protection maximum de courant dedfaut terreLe seuil, qui doit tre adapt ausystme de mise la terre, doit aussisatisfaire aux deux inquations :I seuil rsiduel < 0,2 Io limitetI seuil rsiduel > 1,3 Io capacitif gnrpar le tronon protg.Do :n un seuil objectif de 0,1 0, 2 Io limitde faon protger un minimum de80 % de la longueur des enroulementsdes bobinages.n un seuil suprieur 1,3 Io capacitifde la liaison protge pour viter lesdclenchements intempestifs lors dedfauts sur une autre portion durseau.Dans le cas dune installation (ou zone)de scurit exploite avec le neutreisol de la terre, les rglages desdispositifs de protection contre lesdfauts terre se calculent partir desseuls courants capacitifs du rseau(Io limit = Io capacitif).Rappel : pour amliorer la continuit deservice, certains rseaux peu tendussont exploits avec le neutre isol de laterre. En France, la lgislation imposelusage dun contrleur permanentdisolement -CPI- destin avertir desbaisses disolement et viter ainsi undclenchement sur dfaut terre.

Protection par image thermique etsondes de tempratureLa protection par image thermique nedoit tre envisage que si unesurcharge est possible. Ses constantesde temps lchauffement et aurefroidissement, doivent tre adaptesaux caractristiques de lquipementprotg.Les sondes de temprature insresdans les bobinages (le plus souvent dutype PT 100 selon la norme CEI 751)sont indispensables quand :n lambiance poussireuse est unhandicap la bonne ventilation delquipement protg,n le fonctionnement de la machinedpend dune ventilation forceindpendante.Dans ces deux cas, le manque deventilation ne provoque pas desurintensit mais peut tre loriginedun chauffement destructeur.HarmoniquesLes charges non linaires sont lorigine de la pollution des rseauxlectriques. Cette pollution secaractrise par une distorsion detension, et par des courantsharmoniques qui sont principalementnuisibles la tenue thermique desmachines tournantes et destransformateurs. Cette prsencedharmoniques peut tre traite de troisfaons :n soit par la mise en uvre de filtresdont les caractristiques et le lieudimplantation sont dfinis par unetude dharmoniques.n soit des protections qui prennent encompte le courant efficace rsultant dela somme quadratique desharmoniques de rangs impairs (RMS :Root Mean Square).n soit, si les protections ne prennentpas en compte le courant efficace, pardclassement des quipements pourne les faire fonctionner qu 0,8 ou 0,9fois leur puissance nominale. Le seuilde leurs protections de surcharge tantabaiss dautant si elles ne traitent quele fondamental.


prcautions relatives auxcapteursNombreLe nombre de capteurs ncessaires,pour dtecter les dfauts polyphass, avolu avec la technologie : lesprotections lectromcaniquesncessitent trois capteurs pourdistinguer le conducteur phase endfaut, avec la technologie numriquedeux capteurs suffisent (la valeur ducourant du troisime conducteur estcalcule). Mais attention, pour un bonfonctionnement du plan de protection ilest indispensable que dans tout lerseau les deux capteurs soient placssur les mmes conducteurs de phase.Rappel : il existe trois modes dereprage des conducteurs :- par numros = 1, 2, et 3,- par lettres = A, B et C, ou R, S et T.Transformateurs de courant -TC-Ils doivent tre dfinis pour satisfaire aubon fonctionnement de la protection, etne pas fournir un signal dform quiserait vu par la protection comme undfaut, entranant par l mme undclenchement intempestif.Ainsi :n leur puissance doit tre adapte audispositif de protection et la filerie ;

n leur calibre nominal doit tre suprieurou gal lintensit contrler ;n leur linarit doit tre vrifie surlensemble de la plage de courant utile(une saturation par des courants telsceux dappels peuvent dsquilibrer lessignaux aux secondaires) ;n leur tolrance doit tre cohrenteavec la prcision de mesure (seuil).A noter aussi que lutilisation dumontage de Nicholson (cf. fig. 19) pourla mesure de courant rsiduel de faibleniveau impose souvent un appairagedes TC. De plus, lerreur absolue dansla mesure interdit de faibles seuils decourant rsiduel. Par contre lescapteurs sans fer, ou amagntique, ditsde ROGOWSKI (cf. Cahier Techniquen 170) , liminent un grand nombredes inconvnients ci-dessus du fait deleur linarit et dynamique importantes.Tores homopolairesLutilisation de protections de terresensibles est particulirement utile pourlimiter les dgts dans les quipementscar elles autorisent des impdances delimitation plus fortes. La dtection defaibles courants rsiduels se fait deprfrence avec un capteur toriqueentourant les trois phases.A noter que la mise en uvre de cescapteurs ncessitent quelquesprcautions :

n la tresse de mise la terre delarmature du cble doit passer lextrieur du tore, ou repasser lintrieur (cf. fig. 20) ;n lisolement entre les conducteursactifs et le tore doit tre vrifi, mais ilest souvent apport par lenveloppedes cbles ;n pour viter des fonctionnementsdfectueux, il est prfrable de grouperet centrer les conducteurs dans le tore.

fig. 19 : le montage de Nicholson.

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

avec bote cbles

tresse demise laterre dela bote cbles

fond de la cellule

isolant cellule /bote cbles

bote cbles

tore

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

yyy

conducteurisol

armature

tore

tresse demise laterre del'armature

avec cbles secs

yy

yy

yy

yy

yy

yy

fig. 20 : montages d'un tore sur un cble haute tension.

I 1

I 2

I 3

P1 P2

S1 S2

I o

P1 P2

P1 P2

S1 S2

S1 S2

protectionde dfaut "terre"


Transformateurs de potentielPour viter le phnomne destructeurde ferrorsonance (surtension), les TPdoivent tre chargs une valeurproche de leur puissance nominale.

prcautions relatives aurseauRseau avec plusieurs points neutremis la terreUn rseau comportant plusieurs pointsneutre est le sige de courantsdharmoniques 3 et multiples de 3circulant entre ces points. Pour viterdavoir dsensibiliser les protectionsde dfaut terre, il est judicieux de leschoisir quipes de filtres H3.Rseaux avec alternateurs etmoteursPendant les priodes defonctionnement sur groupe si une partieimportante de la puissance estabsorbe par des moteurs, lesdispositifs de protection doivent agirsuffisamment vite pour viterlcroulement du rseau (maintien de lastabilit dynamique).

SurtensionsLes distributions par cbles gnrentau moment des dfauts terre uncourant capacitif qui peut crer, outreles dclenchements par sympathie,(voir chapitre 2, protectiondirectionnelle), des surtensions parrsonance (cf. fig. 21).Pour minimiser ces surtensions, lemeilleur moyen est que la mise laterre du neutre soit faite par unersistance. Cette solution est souventapplique dans les rseaux industriels.La rgle habituelle respecter est :IoR 2 IoCavecIoR = courant rsiduel rsistif volontaire,IoC = courant rsiduel capacitif inhrentau rseau.Lors dvolution dun rseauDu point de vue des protections, deuxvrifications sont utiles lors dunemodification de rseau :n le rgime de neutre et les protectionsde dfaut terre existants sont-ilscompatibles avec les nouveauxcourants capacitifs ?n les protections phases et les TC djen place sont-ils bien adapts auxnouveaux courants nominaux et decourt-circuit ?

RI

1

2

3

4

10,5 1,5 2 CI

U U

o

o

fig. 21 : niveau des surtensions parrsonance pouvant tre gnres, aumoment dun dfaut terre, par le courantcapacitif des distributions par cbles.


Le tableau de la figure 22 donne unchoix indicatif de protections enfonction de llment protger.En effet, la grande varit

darchitectures de distribution etdimpratifs dexploitation ne permetpas daffirmer quune solution soitdapplication universelle.

4. guide de choix

Rappel : pour chaque lment protg,il convient de prvoir systmatiquementune protection contre les courts-circuitset les dfauts la terre (ou disolement).

lment installation risque envisag protection commentairesprotger concerne prvoirlignes et cbles cbles en antenne, court-circuit n diffrentielle fil

en parallle ou en piloteboucle ferme.cbles en parallle court-circuit et dfaut n directionnelle de courantou en boucle la terre phase et rsidueldparts fort dfaut la terre n directionnelle decourant capacitif, courant rsiduelmises la terremultiples,cbles en parallleou en boucle.

jeux de barres tableaux court-circuit n SSLreprsentant un n diffrentielle denud important de barresdistribution,tableaux forte Pcc.

n mini d'impdance protge aussi unepartie des transformateurs

alternateurs surcharge n image thermiqueinterruption de n sondes deventilation force tempratureet/ou prsence depoussires

machine coteuse dfaut interne n mini d'impdance protections trsou importante pour ou rapidesl'exploitation n diffrentielle alternateur

n perte d'excitationoun retour de puissanceractiven marche en moteur si autre source en paralllen maxi et mini de tension si marche ilten frquencen dsquilibre et si charges monophasesrupture de phase > 10 % des charges

condensateurs gradins en parallles n dsquilibre des(double toile) points neutres


ventilateur, lev ou tension tropconvoyeur, faiblecompresseur

lment installation risque envisag protection commentairesprotger concerne prvoirtransformateur surcharge n image thermique

interruption de n contrle deventilation force tempratureet/ou prsence depoussiressurintensit au n 1er seuil temporissecondaire < Icc primairedfaut interne n 2me seuil

instantan > Iccsecondaire

transformateur dfaut interne n diffrentielleimportant transformateur

moteur asynchrone surcharge n image thermiqueinterruption de n contrle deventilation force tempratureet/ou prsence depoussires

machine importante n diffrentielle moteurmalaxeur, couple anormalement n dmarrage trop long

n blocage rotor contrle du courantmoteur en service aprs dmarrage

blocage rotor moteur n mini d'impdanceau dmarrage ou contrle de vitessechauffement interne n contrle des selon process et lors

dmarrages successifs de la mise en serviced'une usine (essais)

n contrle des intervallesde temps entredmarrages successifs

pompes dsamorage n mini de courant oude puissance active

dsquilibre de n composantetension d'alimentation inverse (cf. Cahierou rupture de phase Technique n 18)

moteur synchrone mmes protections quepour un moteurasynchrone, avecen plus :n perte de synchronismen contrle d'excitation

fonctionnement en n directionnelle de dcouplage rapide dugnrateur lors d'un courant ou de puissance rseau d'alimentationdfautcouple moteur faible n mini de tension

directeracclration la vole n mini de tension

rmanente

fig. 22 : choix indicatif de protections en fonction de llment protger.


Les techniques de protection sontnombreuses et varies et il convient debien les connatre avant de faire unchoix.Depuis la mise sur le march de laslectivit logique, elles ont peu volu.Cest normal car ces protections sonttoujours destines rduire lesconsquences des mmes dfautsdorigine lectrique ou mcanique.Par contre, leurs technologies ontvolu :n relais lectromcaniquemonofonctionnel.n relais lectronique analogiquemonofonctionnel.n ensemble lectronique analogique(rack) multi fonctions.Le Vigirack, cr en 1970 parMerlin Gerin en est un exemple.Ce type dunit de protection nedemande que peu dnergie auxcapteurs et dispose de relais dalarmeet de dclenchement prcbls enusine.n unit numrique multi fonctions, elleexploite des microprocesseurs.Le Sepam, autre dispositif defabrication Merlin Gerin en est unexemple.La multi fonctionnalit regroupe :nn les fonctions de protection,nn de la mesure et du comptage,

leves, des processus industrielssensibles.n ni isoles, particulires, oublies,mais intgres dans un systme multifonctionnel communicant qui traite etmatrise toutes les donnes concernantllment contrl.La communication avec les systmesde gestion du rseau permet toutinstant de :n connatre les donnes lectriques,n connatre les dfauts et lesvnements dans leur ordrechronologique,n connatre la position des disjoncteurset d'autres organes de manuvre,n savoir si tout fonctionne bien (chiende garde),n deffectuer des manuvresdexploitation,n danalyser les nombreuses mesurespour une exploitation plus efficace,n de mieux conduire ce rseau grce un tableau de bord complet et convivial.Les consquences directes de cesvolutions sont une amlioration de lascurit et de la disponibilit delnergie, ainsi quune plus grandeefficacit et facilit de la maintenance.

nn des automatismes locaux,nn de lauto diagnostic,nn de laffichage et du traitement desalarmes,nn de la communication.Ces units intelligentes, peuvent parsimple modification de paramtres,ralisable par tout lectricien, assurerplusieurs de ces fonctions.Ce type de matriel rduit au minimumle nombre de capteurs puisquil secontente des seuls TC de protectionpour effectuer :nn les mesuresnn les comptagesnn et les protections.Le concepteur gagne en souplessedans llaboration du plan de protectionet ltude de slectivit.Quant aux capteurs sans fer, ilsamliorent la sensibilit et la stabilitdes protections, et leurs variantespermettent de concilier les fonctionsmesure et protection : de fait leuremploi rduit le temps dtude.Les composants actuels permettentgalement dabaisser le cot deprotections trs compltes etperformantes telles que lesdirectionnelle. Ainsi elles ne sontdonc plus :n ni rserves seulement desmachines puissantes, des tensions

5. conclusion


6. informations pratiques

n couplage,n rgleur en charge (valeurs minimaleet maximale),Alternateurn type dalternateur (turboalternateur oumachine ples saillants),n puissance nominale,n tension nominale,n facteur de puissance nominal,n ractances subtransitoires (dans laxedirect et en quadrature),n courant de court-circuit permanent(valeurs minimale et maximale),oun tension dexcitation / valeur nominale,n ractance synchrone sature.Moteurn type (synchrone ou asynchrone),n puissance nominale,n tension nominale,n courant de dmarrage,n temps de dmarrage,n risque ou non de rotor bloqu (si oui,le temps de tenue rotor bloqu),n nombre de dmarrages et duresautorises des intervalles ( froid, et chaud),n constante de temps thermique dustator.

diagramme de slectivitPrsentation d'un diagrammeUn diagramme de slectivit, courant-temps est de prfrence reprsent encoordonnes orthonormes log-log carces variables peuvent voluer dans degrandes proportions :n les courants de quelques ampres plusieurs kiloampres,n les temporisations de quelquesdizaines de millisecondes (pour desdclenchements instantans) des

La liste des donnes ci-aprs permetde raliser une tude de slectivitavec une prcision suffisante.Lorsque certaines de ces donnes nesont pas connues (avant projet parexemple) lhomme de lart lesdfinira dans ses hypothses. Sonexprience lui permettra de choisir desvaleurs pratiques habituelles tellesque :n Icc pour un niveau de tensiondalimentation,n Ucc selon les types detransformateurs,n temps de dmarrage des moteurs enfonction de leur utilisation.

donnes ncessaires pourraliser une tude deslectivitRseaun schma unifilaire,n configurations possiblesdexploitation,n tensions,n frquence,n puissance de court-circuit du rseauamont (valeurs minimale et maximale),n schmas des liaisons la terre(rgimes de neutre),n liaisons (longueur et type de cbles,nombre de cbles en parallle),n calibre des transformateurs decourant (TC) existants,n calibre des fusibles existants,n rglages des protections existantes(amont et aval).Transformateurn puissance nominale,n tension de court-circuit (Ucc %),n pertes cuivre,

centaines de secondes (pour lefonctionnement des protections desurcharge -image thermique-).Pour que les courbes reprsentessoient comparables, il faut dfinir unetension de rfrence, de prfrencecelle qui est la plus utilise danslinstallation. Ainsi, un maximum decomparaisons et dtudes se font surdes courbes en lecture directe,lobservation des courbes concernantles autres tensions se fait alors selon lerapport inverse des tensions.Exemple, sur un diagramme o latension de rfrence est HTA et doncnn les courants en HTA sont en lecturedirecte,nn les courants en BT

= valeur BT x tension BTtension HTA

nn les courants en HTB

= valeur HTBx tension HTBtension HTA

n les courants de dfaut terre et lescourants phase dpendent de systmesdiffrents et sont donc reprsents surdes diagrammes diffrents.n pour amliorer la lisibilit desdiagrammes, seule la partie utile descourbes est reprsente : du courantminimal de service au courant de court-circuit maximal de la zone considre.Principes de slectivitn au moins deux courbes doiventconcerner chaque niveau de courant dedfaut.n la slectivit est totale entre deuxprotections lorsque leurs diffrentescourbes ne se croisent pas, exceptel'utilisation de slectivit logique(cf. fig. 11).


Lecture dun diagramme)Un tel diagramme (cf. fig. 23) regroupede nombreuses informations.n sur laxe des courantsnn les courants nominaux,nn les courants de court-circuit,nn les seuils des protections.a = seuil bas de

a = seuil haut de

b = seuil de

c = seuil de

d = seuil bas de

d = seuil haut den sur laxe des tempsm = temporisation du seuil haut

de et de

n = temporisation du seuil

de et du seuil bas de

o = temporisation de

p = temporisation du seuil bas deLes valeurs des seuils et destemporisations sont runies dans lecarnet des rglages utilis lors de lamise en service de linstallation.

1

1

3

4

4

2

4

3

12

1 4

fig. 23 : exemple dun diagramme de slectivit (a) des protections du schma unifilaire (b).A noter que pour tre compars les Icc sont exprims un mme niveau de tension, ici HTA.

t (s) 421 3

p

o

n

m

1

700 ms

400 ms

100 ms

a a' b c d d' (kA)I

I ccBT

I ccHTA

I ccHTB

I n 1

I n 2

I n 3 et 4

a

3

4

2

1

BT

HTB

HTA

b


7. bibliographie

Normesn ANSI C 37-2 : Numrotation desprotections.n CEI 117-3 : Symbolisation desprotections.n CEI 255-3 : Relais de mesure temps indpendant.n CEI 255-4 : Relais de mesure temps dpendant.n CEI 812 : Techniques danalyse de lafiabilit des systmes - Procduresdanalyse des modes de dfaillance etde leurs effets (AMDE).n NF C 13-100 : Postes de livraisontablis lintrieur dun btiment etaliments par un rseau de distributionpublique de deuxime catgorie.n NF C 13-200 : Installationslectriques haute tension : Rgles.

Cahiers Techniques Merlin Gerinn Protection des rseaux par lesystme de slectivit logique.Cahier Technique n 2 -F. SAUTRIAU.n Analyse des rseaux triphass enrgime perturb l'aide descomposantes symtriques.Cahier Technique n 18 -B. DE METZ NOBLAT.n Mise la terre du neutre dans unrseau industriel.Cahier Technique n 62 -F. SAUTRIAU.n Calcul des courants de court-circuit.Cahier Technique n 158 -R. CALVAS, B. DE METZ NOBLAT,A. DUCLUZAUX et G. THOMASSET.n Le transformateur de courant pour laprotection en HT.Cahier Technique n 164 -M. ORLHAC.n La conception des rseaux industrielsen HT.Cahier Technique n 169 -G. THOMASSETn Des transformateurs de courant auxcapteurs hybrides.Cahier Technique n 170 -C. TEYSSANDIER

Publications diversesn Guide de la protection MT.Merlin Gerin, rfrence CG0021X.n Choix du rgime de neutre dunrseau industriel HT de 1 36 kV.J. VERSCHOORE,Revue RGE n11, Novembre 1980.

Cahier Technique Merlin Gerin n 174 / p.28Ral. : Sodipe - ValenceDTE - 12-94 - 3500 - Imp. : Clerc - Fontaine

ct174 Protection des réseaux HTA industriels et tertiaires.pdf

Documents

Transcript of ct174 Protection des réseaux HTA industriels et tertiaires.pdf