detectionamperemetrique.pdf
11
[email protected] Le 24/01/2007
-
Upload
fathibenali1929 -
Category
Documents
-
view
9 -
download
1
Transcript of detectionamperemetrique.pdf
[email protected] Le 24/01/2007
2
1.1 Les plans de protection Tout défaut d’isolement doit être détecté et éliminé par le plan de protection. En présence d’un court-circuit avec la terre, le régime de neutre et le plan de protection associé doivent garantir la sécurité des biens et des personnes ainsi que la qualité de la fourniture d’énergie au plus grand nombre d’usagers. Le dispositif de protection doit être suffisamment sensible pour détecter les défauts de grande résistance et n’entraîner la mise hors tension du réseau aval que si cela est justifié. Lorsqu’il s’agit d’étudier le plan de protection d’un réseau d’énergie électrique, il convient de rechercher les moyens qui permettent de concilier sélectivité et sensibilité.
1.1.1 La détection des courts-circuits avec la terre Les grandeurs électriques mises en jeu par un court-circuit doivent permettre de détecter le défaut. Un court-circuit avec la terre se traduit par l’apparition des composantes symétriques de courant et (ou) de tension. Parmi celles-ci, les composantes homopolaires sont les critères de détection des défauts à la terre. Ces critères peuvent toutefois ne pas être suffisamment sélectifs ou ne pas être détectables car de trop faible amplitude. Aussi est-il parfois nécessaire d’utiliser des systèmes plus complexes permettant de conjuguer les deux variables.
1.1.2 La détection ampèremétrique
1.1.2.1 La détection des courts-circuits le long d’une ligne Considérons une ligne 20 kV en 148² almélec, constituée de trois tronçons encadrés par quatre postes repérés « A, B, C, D » équipés de protections.
Pour différentes valeurs de « F » et pour Rm = 10 Ω, nous faisons varier la position du défaut le long de la ligne. Nous examinons la surintensité provoquée par le défaut. Les profils de Jdéfaut en fonction de la distance montrent que la détection ampèremétrique est d’autant plus sélective que le facteur de mise à la terre est faible. Pour F≤3, la sélectivité du profil est grande en début de ligne, elle s’atténue avec la distance. Pour F>3, le profil tend à être linéaire avec l’augmentation du facteur de mise à la terre.
Jdéfaut=f(Distance)
959
781
654
560
489
433
388352
626
536
468
416
374339
310286
332304
281261
244228 215 203200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 5 10 15 20 25 30 35
Distance du défaut (km)
J dé
faut
(A)
AB
C
D
F=3
F=9
F=18
Rm = 10 Ω
3
Il arrive un moment où le courant de défaut est indépendant de la distance. La sélectivité ampèremétrique ne peut alors plus être utilisée.
Le long d’une ligne, la sélectivité ampèremétrique n’est envisageable que si le réseau présente un facteur de mise à la terre inférieur à 3.
Principe de réglage des protections dans le cas d’une distribution en antenne
Les parties en gris correspondent aux zones d’incertitude de la protection installée en aval Pour un court-circuit affectant le tronçon CD, le courant de défaut est compris entre une valeur maximale et une valeur minimale. La somme des erreurs de mesure et des approximations de calcul pouvant atteindre +/-20%, la protection doit être réglée à Jr ≤ 0,8 Jdéfaut mini pour détecter avec certitude un défaut sur le tronçon aval. Nous allons superposer le profil du fonctionnement du plan de protection de la ligne et celui des courants de défaut.
F = 3 ; Rm = 10 ΩΩΩΩ ; Jr=0,8Jdéfaut mini
On constate que la sélectivité, entre deux tronçons successifs, n’est pas garantie. Il existe naturellement des zones d’incertitudes dans l’environnement des postes qui ne permettent pas la discrimination d’un défaut entre deux tronçons successifs. Action de la résistance de défaut sur la sélectivité ampèremétrique. Dans l’exemple précédent, les valeurs affichées correspondent à une valeur particulière de Rm Pour les faibles valeurs de « F », l’augmentation de « Rm » atténue l’amplitude du courant de défaut et le caractère sélectif de la détection ampèremétrique. Le concept n’est mal adapté à la détection sélective des défauts résistants.
Jdéfaut=f(Distance) pour F=3
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 5 10 15 20 25 30 35
Distance (km)
Jdéf
aut (
A)
Rm = 0
Rm= 30 ΩRm= 60 Ω
Le long d’une ligne, la sélectivité ampèremétrique ne peut être exploitée que pour les faibles résistances de défaut.
4
Mise en œuvre de la sélectivité ampèremétrique Puisque la sélectivité ampèremétrique comporte trois relais de phases, il peut être tentant de réaliser un plan de protection unique assurant la détection sélective des défauts polyphasés et des défauts à la terre. Il convient alors de vérifier la compatibilité des réglages. Comparons les courants de défaut pour Zd=Zi
Court-circuit biphasé Court-circuit triphasé Court-circuit monophasé
Jdéfaut=Zd2
U Jdéfaut=
Zd
V
mR.3oZdZ2
Vn3défautJ rrrr
++=
PuisqueZd2
U <Zd
V, comparons
Zd2
U et
mR.3oZdZ2
Vn3défautJ rrrr
++= pour Rm =0
Pour F = 2( 13− ), les courant des défauts biphasé et monophasé sont égaux. Si on admet que Rm est négligeable devant Zd
• Pour F < 1,46 le courant de court-circuit biphasé est inférieur au courant de court-
circuit monophasé. La protection doit être réglée à une valeur Jr ≤ 0,8Zd2
U avec une
limite définie pour la charge nominale de la ligne. • Pour F > 1,46 le courant de court-circuit biphasé est supérieur au courant de court-
circuit monophasé. La protection doit être réglée à une valeur Jr ≤ 0,8)F2(Zd
Vn3
+ avec
une limite définie pour la charge nominale de la ligne. Bien entendu dans la plupart des cas, il sera nécessaire de tenir compte des valeurs de Rm. Il sera alors souvent nécessaire de prévoir deux plans de protection distincts. En conclusion Si la sélectivité ampèremétrique est bien adaptée au traitement des défauts polyphasés, le concept est dans la plupart des cas inadapté au traitement des défauts à la terre. Il doit être réservé aux réseaux ayant un facteur de mise à la terre inférieur à trois et supportant des défauts faiblement résistants. Les défaillances de la sélectivité ampèremétrique sont de deux ordres :
• Absence de sélectivité entre deux tronçons successifs. • Absence de sensibilité
Pour ces raisons, la sélectivité chronométrique associée à une détection par courant résiduel lui est généralement préférée.
5
1.1.2.2 La sélectivité chronométrique Le principe consiste à associer au seuil de détection d’une protection, une temporisation qui peut être dépendante ou indépendante de la valeur du critère de défaut mesuré. Considérons la ligne déjà étudiée, les seuils de fonctionnement (Jr) ont été calculés
A chaque relais étant associé une temporisation indépendante, l’échelonnement de temps est le suivant :
TD=t ; TC= t +∆t; TB= t +2∆t; TA= t +3∆t; Ce principe est bien adapté à la sélectivité longitudinale lorsqu’il n’y a pas trop d’échelons de temporisation. Avec ∆t = 0,3 s et t = 0,2 s, on a l’échelonnement de temps suivant :
Un défaut en aval de D serait normalement éliminé par D en 0,2 s. En cas de défaillance de « D », « C » assurerait le secours en 0,5 S si le seuil de « C » est réglé pour couvrir le tronçon en aval de « D ». On peut également prévoir, dans chaque poste, un dispositif à plusieurs seuils.
• Le premier, faiblement temporisé (t), couvrant le tronçon immédiatement en aval de la protection.
• Le second, temporisé à t +∆t, réglé pour couvrir les deux tronçons en aval de la protection.
1.1.2.3 La détection des défauts par relais à maximum de courant résiduel Pour détecter un défaut à la terre, la méthode la plus utilisée aujourd’hui, consiste à mesurer les courants résiduels en différents points du réseau. En l’absence de défaut, les courants homopolaires sont réduits à une valeur très faible correspondant au bruit1 du réseau en aval de la protection qui ne doivent en aucun cas la solliciter. La protection doit être sensible à la grande majorité des défauts à la terre affectant le réseau aval et être insensible aux défauts sur le réseau amont. Pour illustrer ces conditions, nous allons étudier les conditions de sélectivité dans l’environnement d’un poste. 1 Le bruit du réseau est le courant homopolaire permanent provoqué par la dissymétrie des capacités entre les conducteurs des lignes aériennes et la terre ainsi que par la dissymétrie des flux dans les colonnes des transformateurs fortement chargés.
6
Considérons un poste 20 kV.
Valeurs des capacitifs : D1 3Ico = 60 A D2 3Ico négligeable Ensemble du réseau 3Ico = 240A
Dans le cas particulier d’un poste d’étoilement, le capacitif homopolaire peu influer fortement sur les sélectivités longitudinale et transversale.
a) La sélectivité longitudinale Le coefficient de sélectivité longitudinale « β » est le rapport entre le courant homopolaire d’un départ et celui de l’arrivée. Il est défini par la relation
ARA
dZo.)CodCo(j
IoIo ω−+==β 1
3
3
CoR capacité homopolaire du réseau, Cod capacité homopolaire du départ, ZoA impédance homopolaire de l’Arrivée.
A l’aide du graphique ci-joint, nous pouvons évaluer, pour une impédance de neutre et un capacitif donnés, le coefficient β en fonction du capacitif résiduel des départs sains. La sélectivité longitudinale est garantie si β ≥ 1,2. Pour un capacitif supérieur à 150 A, une résistance de neutre de 80 Ω garantit la sélectivité longitudinale. Une résistance de 40 Ω permet d’assurer cette sélectivité pour un capacitif supérieur à 280 A. Le même résultat est obtenu par une impédance de neutre 40+40j pour un capacitif excédant 360 A. Dans un poste source où le neutre du réseau est relié à la terre par une impédance, il est nécessaire de corriger le réglage de la protection « Arrivée » pour obtenir une bonne sélectivité. D’une manière générale, on appliquera la règle :
Iro A= Iro2,1
βdu départ le plus capacitif.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
180
189
200
212
225
240
257
277
300
327
360
400
450
514
600
80+8j
40+8j
40+40j
12j
40j
Courant de Capacité résiduel des départs sains (A)
Valeur du rapport β β β β = Io départ en défaut
Io Arrivée
ββββ
3Ico
1,20
Sélectivité logitudinale assurée
Absence de Sélectivité logitudinale
Le graphique montre également qu’il existe un cas où la détection ampèremétrique ne peut être exploitée.
7
En présence d’une impédance de neutre purement inductive, il existe en effet des conditions de résonance parallèle susceptibles de provoquer un dysfonctionnement du plan de protection si le critère de détection est ampèremétrique. Le tableau ci-dessous permet d’évaluer les risques de résonance parallèle2 sur un réseau HTA lorsque celui-ci est constitué de grandes longueurs de câbles.
Impédance du neutre HTA
8j
12j
40j
80j
Longueur de câbles HTA
500 km
330 km
100 km
50 km
On constate que ces risques sont réels pour des inductances de neutre de moyennes ou de grandes valeurs. Les protections à maximum d’intensité résiduelle sont alors inadaptées.
b) La sélectivité transversale Dans le cas d’une distribution en antenne soumis à déséquilibre homopolaire, la sélectivité transversale d’un plan de protection permet d’éviter qu’un départ non concerné par un défaut déclenche « par sympathie » sous l’action de son courant de capacité homopolaire. Ce courant est d’autant plus important que le déséquilibre homopolaire est grand. Il atteint sa valeur maximale pour un court-circuit franc et un facteur de mise à la terre très supérieur à 3. En présence d’un défaut sur « D2 », le capacitif du départ « D1 » est d’autant plus important que l’impédance de neutre est importante. Le maximum est atteint pour Rm = 0. Pour Zn=j40Ω, le capacitif est constant dans l’intervalle étudié. On se trouve en effet dans une zone proche de la résonance parallèle3 où l’impédance homopolaire est très grande devant la résistance du défaut.
3Ico=f(Rm)
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60
Résistance Rm ( ΩΩΩΩ)
3Ico
dép
art "
D1"
(A
)
Zn=j40 Ω
Zn=40 Ω
Zn=j3,4 Ω
Zn=j10,2 Ω
Le critère de l’existence d’un défaut sur « D1 » est le dépassement du seuil de fonctionnement d’un relais à maximum d’intensité dont le réglage est défini par la valeur du capacitif du départ. On applique généralement la règle : Iro ≥ 1,2 X 3 Ico théorique du départ où Iro est le seuil de fonction du relais. Une valeur supérieure à ce seuil est le critère de l’existence d’un défaut sur le réseau aval. Dans notre exemple ou le capacitif théorique du départ « D1 » est 60 A, le réglage devra respecter la règle Iro ≥ 72 A. Attention , si la sensibilité de ce concept est plus intéressante que celle présentée par la sélectivité ampèremétrique, elle est dans certains cas, encore nettement insuffisante. Il ne faut en effet pas perdre de vue qu’en appliquant la règle définie ci-dessus, on désensibilise la protection. Dans le cadre de notre réseau, une protection réglée à 72 A ne pourra détecter des défauts que s’ils présentent une résistance inférieure à 130Ω, valeur insuffisante si le départ comporte des tronçons aériens.
2 La résonance parallèle sera traitée dans le chapitre qui suit. 3 Cette situation est incompatible avec la détection ampèremétrique des défauts à la terre.
8
c) Etude de la sélectivité dans un poste source Nous examinons les sélectivités longitudinales et transversales pour différentes valeurs de Zn.
Nous appelons β le rapport )A(
)1D(
J
J et δ le rapport
)2D(
)1D(
J
J
La sélectivité naturelle longitudinale existe si β ≥ 1,2. La sélectivité naturelle transversale existe si s est δ ≤ 0,8. Zn = 40 ΩΩΩΩ
26,1237
299 ==β ; 16;0299
47 ==δ
La protection du départ en défaut étant plus sensible que les protections de l’Arrivée et du départ D1, il existe une sélectivité naturelle longitudinale et transversale.
Zn = j40 ΩΩΩΩ
176,0273
48 ==β ; 16;148
56 ==δ
L’utilisation de relais à maximum d’intensité est inadaptée.
Zn = j12 ΩΩΩΩ
73,0498
367 ==β ; 09,0367
33 ==δ
La sélectivité naturelle transversale existe. La sélectivité longitudinale entre D2 et l’Arrivée ne peut être assurée que si le réglage de la protection de l’Arrivée est corrigé tel que
IroA≥ .,β21
IroD1≥ 1DIco344,1
β
.
Zn = 40+j40 ΩΩΩΩ
82,0186
152 ==β ; 35,0152
53 ==δ
La sélectivité longitudinale entre D2 et l’Arrivée ne peut être assurée que si le réglage de la protection de l’Arrivée est corrigé tel que
IroA≥ .,β21
IroD1≥ 1DIco344,1
β
9
La sélectivité du plan de protection est assurée par l’association des sélectivités ampèremétrique et chronométrique. La sélectivité longitudinale est obtenue par l’échelonnement des temporisations entre les départs et l’Arrivée. La sélectivité transversale est assurée par sélectivité ampèremétrique. Si on considère que « D1 » est le départ présentant le plus grand capacitif, β ≈0,7 et IroA = 123 A. Ce réglage correspond à une sensibilité de 50 Ω environ. Valeur trop faible pour assurer le secours des départs aériens. L’écart de temporisation t2-t1est de 0,5 s.
Afin d’améliorer la sensibilité du plan de protection, on complète le plan de protection par des dispositifs chargés de détecter les défauts résistants.
1.1.2.4 La détection des défauts résistants Le schéma ci-dessous représente le plan de protection contre les défauts à la terre. Les départs sont équipés de protections ampèremétriques résiduelles complémentaires et sélectives que nous appellerons P.A.R.C..S. Ces relais sont très sensibles, ils peuvent détecter des défauts
pouvant être très résistants avec une caractéristique de fonctionnement de la forme t=f(Iro
1).
La surveillance de l’isolement du réseau est réalisée par un relais « D.T.R »très sensible inséré dans la connexion de mise à la terre du neutre au poste source.
Transformateur HTB/HTA Protection MAX DE Io détectant les défauts francs. Protection DTR détectant les défauts résistants. Arrivée HTA Protection MAX DE Io détectant les défauts francs. Départ HTA Protection MAX de Io détectant les défauts francs. Protection PARCS détectant les défauts résistants. Poste divisionnaire Protection MAX de Io détectant les défauts francs. Protection PARCS détectant les défauts résistants.
10
d) Les protections ampèremétriques résiduelles complémentaires et sélectives
Exemple de caractéristique d’un « PARCS » Relais « EPTR » utilisé sur les réseaux de distribution par EDF GDF SERVICES. En abscisse, les valeurs correspondent au courant résiduel HTA du départ. La caractéristique est entourée d’une zone d’incertitude de +/- 10%. La sensibilité maximale est obtenue pour un réglage de 0,7 A. Pour une telle valeur de courant, la temporisation est comprise entre 135 s et 165 S. Le choix d’un tel relais repose sur la nécessité de respecter la tenue thermique du dispositif de mise à la terre du neutre HTA. Lorsqu’un court-circuit à la terre a lieu sur un départ, la protection de celui-ci « voit » en principe un courant nettement supérieur aux capacitifs des départs sains. Le départ en défaut doit donc déclencher en premier.
Dans notre exemple « D2 » doit déclencher en 1s environ. « D1 » déclencherait en 15s dans le cas où le défaut ne serait par éliminé par D2. Il faut noter que la protection à temps constant réglée à [ ]s5,0;A12 fonctionnera avant le P.A.R.C.S.
e) La détection ampèremétrique des défauts résistants Installée dans la connexion de mise à la terre du neutre, elle assure d’une manière centralisée la surveillance de l’isolement du réseau. le DTR doit garantir une grande sensibilité. En l’absence de défaut, le bruit du réseau ne doit pas solliciter le détecteur. Le DTR est réglée à une valeur légèrement supérieure au bruit du réseau. Lors d’un défaut, le courant dans le neutre est constitué du courant de court-circuit et du bruit de réseau. Le DTR est temporisé à 165 s afin de rendre sélectif le fonctionnement des PARCS.
Le bruit du réseau est représenté dans le schéma par un générateur de courant. En l’absence de défaut, Rd prend une valeur infinie.
11
Remarque: Lors d’un défaut très résistant, le bruit du réseau peut moduler le courant mesuré par le PARCS du départ en défaut ou le DTR entraînant le battement du ou des relais. Le plan de protection d’un réseau 20 kV, comportant un DTR et des PARCS sur les départs, a une sensibilité supérieure à 5000 Ω. Sur les réseaux dont le neutre est relié à la terre par une résistance de 40 Ω, est souvent supérieure à 10 kΩ.
