all réseaux électrique

Protection et surveillance des rseaux de transport d'nergie lectrique - Volume 1

Laxou, mis jour le 1er fvrier 2003 Avertissement: Ce recueil de documents (voir table des matires) a t ralis partir d'une exprience sur le rseau de transport d' Electricit de France; mais les principes exposs ont une porte gnrale, et les particularits du rseau franais ne sont mentionnes qu' titre d'exemple. Il n'a pas la prtention de fournir directement des solutions concrtes tous les problmes de protection de rseau, mais seulement des mthodes d'approche de ces problmes. Il n'engage pas la responsabilit d'EDF. Les solutions concrtes seront obtenues partir de documents tels que: - Normes du Comit Electrotechnique International (CEI) - British standarts (BS) - Deutsche Institute fr Normung (DIN) - American national standards Information (ANSI) - Normes NF de l'Association Franaise des normes (AFNOR) - Normes internes EDF (H et HN), publies par la Direction des Etudes et Recherches - Notices des constructeurs des diffrents quipements - Directives internes chaque compagnie. Ces directives comprennent, pour EDF: . Notes de doctrines dcrivant les plans de protection [49] . Rgles gnrales d'exploitation [7], [9] . Directives de construction des lignes ariennes[106], postes [107], canalisations souterraines[108] . Schmas normaliss de filerie [104] . Guides de rglage des protections et des automates [57] ,[61] . Programmes de calcul de court circuit [50], [99], [109] . Rpertoire des caractristiques d'ouvrages [110] Ce recueil pourra servir analyser les normes et notices, et laborer les directives internes. Il pourra tre aussi utilis par les non-spcialistes qui voudraient avoir une ide qualitative des problmes traits. Parmi les quipements pris comme exemple, se trouvent aussi bien des matriels anciens, voire mme obsolescents, que des matriels nouveaux ou exprimentaux, de manire montrer l'volution des principes et des technologies. Le programme PARAPLUIE, conu partir des documents concernant les protections de distance, reprend l'ide de programmes raliss antrieurement, tels que REGPRO cr par la rgion Sud Est, ou PROTEC cr par la rgion Est, et auxquels ont travaill de nombreux ingnieurs, techniciens et stagiaires spcialistes du contrle lectrique. Ces programmes ont t jugs indispensables par tous ceux qui ont t confronts aux problmes de rglage des protections de distance, et ont rendu de grands services. Ils n'ont malheureusement pas bnfici, aprs changement de fonction de ceux qui les avaient crs, de la maintenance ncessaire. Ces documents sont destins permettre la mise en place d'une telle maintenance. Michel LAMI 4, alle des poiriers, 54520 Laxou tel 03 8341 1315 06 6241 4513 E.mail [email protected]

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AVANT PROPOSIMPORTANCE DES PROTECTIONS ET AUTOMATISMES DU RESEAU DE TRANSPORT DANS LA FOURNITURE D'ENERGIE

Dans une centrale de production, les protections ont pour but d'viter la dtrioration des alternateurs ou transformateurs en cas de fonctionnement dans de mauvaises conditions, dues des dfaillances internes, tels que dfauts d'isolement ou panne de rgulation. Sur des matriels bien conus, bien fabriqus, bien installs, bien entretenus et bien exploits elles n'ont fonctionner qu'exceptionnellement, et leur dfaillance peut passer inaperue. De plus, si une protection est dfaillante lors d'un incident, les dommages causs l'alternateur ou au transformateur peuvent avoir des consquences financires importantes, mais qui restent internes la compagnie de production d'lectricit: perte de production, qui doit tre compense par des moyens de production moins conomiques, et rparation de l'appareil endommag. Sur un rseau de transport, le problme se pose de manire totalement diffrente: D'abord, une ligne arienne, qui passe sur le domaine public, est priodiquement sujette des courts-circuits, dus aux coups de foudre, aux arbres mal lagus, grues et engins de grande hauteur travaillant au voisinage, vent, pollution... Une bonne conception de la ligne peut les minimiser, mais pas les liminer. Sur le rseau de transport d'EDF, nous observons en moyenne 7 dfauts par an et par 100 km. Ensuite, une ligne qui chauffe s'allonge, et son point bas, en milieu de porte, s'abaisse. Elle devient dangereuse pour les tiers. Les consquences peuvent alors se chiffrer, non plus en millions de francs, mais en nombre de vies humaines. Et c'est pourquoi les systmes de protection comportent des dispositifs de secours qui, en cas de mauvais fonctionnement des quipements devant intervenir pour un dfaut donn, assurent la mise hors tension de l'ouvrage dfectueux, quelles qu'en soient les consquences pour l'alimentation lectrique de la rgion. Un fonctionnement dfectueux d'une protection peut donc avoir pour consquence la coupure d'un ou plusieurs clients, voire mme d'une ville entire, prioritaires compris. Or, lorsqu'un client industriel de 10 MW est coup pendant 6 minutes, par exemple, cela ne correspond pas seulement 1 MWh d'nergie non vendue pendant cette coupure, mais aussi l'nergie non vendue pendant les quelques heures que le client mettra repartir. Mais cela correspond surtout un client mcontent, qui aura perdu plusieurs heures de sa production, et qui aura peut-tre subi des dtriorations de matriel. S'il s'agit d'une ville entire, EDF devra rendre des comptes, en tant que service public, aux autorits locales, voire mme nationales. Enfin, les protections contre les situations anormales de rseau jouent un rle primordial dans la prvention des effondrements de rseau, et c'est sur elles, autant que sur les rgulations de groupes de production et les tlrglages de ces groupes, qu'a port tout l'effort des responsables de la conduite des rseaux lorsque la leon a t tire de la panne du 19 Dcembre 1978. Ces diffrentes considrations montrent que l'activit "protections et automatismes" du rseau de transport est, EDF comme dans toute socit de distribution d'lectricit, une activit stratgique, qui conditionne la lgitimit de cette socit vis--vis de la communaut, nation, rgion, ville, qu'elle dessert. (allocution que j'ai prononce le 30 Octobre 1993, l'intention de MM Ghislain Weisrock et Marcel Bnard, qui avaient alors la responsabilit du Contrle Electrique pour la rgion Est de la France. J'avais alors tenter, vainement, de leur en faire comprendre l'utilit)

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TABLE DES MATIERESVOLUME 1Avertissement Avant propos Table des matires Bibliographie Adresses Index

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1 3 5 13 17 19

PREMIERE PARTIE: GENERALITES 1 - Rseaux de transport d'nergie 2 - Gnralit sur les protections et automates 3 - Equipements de mesure, comptage, et surveillance

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23 29 30

DEUXIEME PARTIE: REDUCTEURS DE MESURE1 - Rducteur de courant 2 - Rducteur de tension bobin 3 - Rducteur de tension capacitif 4 - Problmes de scurit lis aux rducteurs de mesure 5 - Mise en service 6 - Rducteurs optiques

31 33 47 49 51 53 55

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TROISIEME PARTIE: PROTECTION CONTRE LES COURTS-CIRCUITS1 - Protection contre les courts-circuits des rseaux en antenne 1-11-21-31-41-51-61-71-81-91 - 10

57 59 59 62 63 64 65 67 68 70 73 74

Notion de slectivit Protection maximum d'intensit Protection Buchholz Protection masse - cuve Protection d'antenne passive Protection masse - cble Protection des batteries de condensateur Protection contre les surtensions et la ferrorsonance Protection dpassement de flux Fonctionnement de l'ensemble

2 - Protection contre les courts-circuits des rseaux boucls 2 - 1 - Protection de distance 211 - Principe 2111 - Cas du dfaut triphas 21111 - Dtermination de la direction 21112 - Comparaison de ractance 21113 - Comparaison de rsistance 21114 - Discrimination entre dfaut et pompage 21115 - Rcapitulation 21116 - Mise en route par maximum de courant contrl par la tension 2112 - Cas du dfaut dsquilibr 212 2121 2122 2123 2124 2125 2126 2127 2128 2129 213 2131 2132 2133 2134 2135 214 215 2151 21511 21512 21513 -

77 77 77 77 77 78 79 84 85 86 87 92 92 93 94 96 96 97 97 98 99 100 100 106 110 112 113 114 116 116 116 116 117

Protections lectromcaniques Mise en route Slection de phase Mesure de distance Relais directionnel Relais antipompage Circuit mmoire - enclenchement sur dfaut Compensation de l'induction mutuelle homopolaire Relais Mho Avantages et inconvnients des relais lectromcaniques Protections de distance statiques Comparateur de phase, fonctionnement monophas Comparateur de phase, fonctionnement triphas Caractristique mho, fonctionnement monophas Caractristique mho, fonctionnement triphas Avantages et inconvnients des protections lectroniques Protections de distance numriques Tlprotections Principe des diffrents schmas Interdclenchement simple Interdclenchement contrl par la mise en route Dclenchement conditionnel avec dpassement6/ 320

Protection et surveillance des rseaux de transport d'nergie lectrique - Volume 1 21514 21515 21516 21517 21518 2152 21521 21522 21523 21524 2153 2154 2155 2156 22 23 231 232 233 234 2341 2342 2343 2344 2345 2346 2347 2348 2349 24 -

Acclration de stade Extension de zone Schma blocage Tldclenchement inconditionnel Mode cho et mode source faible Application de ces systmes aux lignes trois extrmits Ligne 225 kV, piquage passif court Ligne 225 kV, piquage actif court Ligne 225 kV, piquage dissymtrique long, actif ou passif Ligne 63 kV ou 90 kV Application aux lignes doubles 400 kV Compatibilit entre protections Fiabilit des tlactions Supports de transmission Protection comparaison de phases Protection diffrentielle Protection diffrentielle de ligne Protection diffrentielle de canalisation souterraine Protection diffrentielle de liaison courte Protection diffrentielle de barres Principe gnral Protection haute impdance et seuil fixe Protection moyenne impdance et pourcentage Protection basse impdance sur rducteurs performants Protection basse impdance sur rducteurs saturables non spcialiss Protection moyenne impdance et faible consommation Protection diffrentielle combinaison linaire de courant Prcautions particulires Protections diffrentielles de barre numrique Protection homopolaire

117 119 119 120 121 122 122 123 123 124 125 126 129 131 134 137 138 140 141 142 142 145 147 149 150 151 151 152 153 153

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QUATRIEME PARTIE:PROTECTION CONTRE LES SITUATIONS ANORMALES DE RESEAU, ET AUTOMATES 12345678157

Protection de surcharge Protection contre les ruptures de synchronisme Protection de dlestage Automate contre les dfaillances de disjoncteur Renclencheur Automate manque de tension Automate de rgulation de tension Automate de poste

159 165 167 169 171 177 183 189

CINQUIEME PARTIE: FONCTIONNEMENT DE L'ENSEMBLE1-

191 193 193 193 194 194 195 195 196 197 197 198 203 205 209

11 111 112 113 114 115 116 12 13 14 234-

Plans de protection contre les courts-circuits Contraintes Coordination des isolements Stabilit du rseau Tenue des matriels Temps d'lotage des centrales Prsence de cble de garde sur les lignes ariennes Qualit d'alimentation de la clientle Principe d'laboration Plan lectromcanique Plan statique

Plan de sauvegarde Plan de dfense Plan de reconstitution du rseau

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SIXIEME PARTIE: REGLAGES123-

211 213 217 219 219 219 222 223 225 227 227 228 228 229 230 231 233 233 233 234 234 235 235 237 239 239 239 240 240 241 242 243

Calculs de rseau - principe Dtermination des rglages, prliminaires Protection des lignes deux extrmits 31 Rglage des protections de distance 311 - Contraintes dues au rseau 312 - Contraintes dues l'appareillage 313 - Contraintes dues la protection 314 - Contraintes dues aux autres protections 32 Rglage des protections comparaison de phase 33 Rglage des protections diffrentielles de ligne 34 Rglage des protections puissance homopolaire 35 Rglage des protections d'antenne passive 36 Rglage des protections masse cble 37 Rglage des protections diffrentielles de cble 38 Rglage de l'automate contre la dfaillance du disjoncteur

4 - Protection des lignes trois extrmits 41 Protections de distance des sorties de centrale 42 Ligne 225 kV, piquage passif symtrique court 43 Ligne 225 kV, piquage dissymtrique long, passif 44 Schmas susceptibles de provoquer des dfauts apparemment volutifs 5 - Protection des barres 51 Rglage d'une protection diffrentielle de barres haute impdance 52 Rglage d'une protection diffrentielle de barres basse impdance 6 - Protection des couplages 61 Postes 400 kV et 225 kV 62 Postes 90 kV et 63 kV 7 - Protection des transformateurs 71 Protection de la tranche primaire 72 Protection de la tranche secondaire 73 Protection de la tranche tertiaire 8 - Automates

SEPTIEME PARTIE: EQUIPEMENTS DE MESURE, COMPTAGE ET SURVEILLANCE.1- Capteurs. 2 - Compteurs 21 - Installations de comptage des clients les plus importants 22 - Alimentation des autres clients 23 - Liaisons internationales et groupes de production participation trangre 24 - Alimentation des socits de distribution n'appartenant pas EDF 25 - Alimentation des centres de distribution EDF 3 - Consignateur d'tats 4 - Tlperturbographe 5 - Localisateur de dfaut 6 - Qualimtre

245 247 251 251 254 254 254 254 255 257 259 261

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HUITIEME PARTIE: INSTALLATION ET EXPLOITATION1 - Normalisation EDF, documentation contractuelle 2- Cblage, prcautions contre les surtensions 3- Alimentation auxiliaire 4- Organisation de la conduite et de la surveillance 5- Mise en service des tranches neuves 6- Maintenance prventive 7- Analyse d'incident. 8- Dpannage. 9- Retour d'exprience.

263 265 266 268 272 274 277 278 282 283

NEUVIEME PARTIE: QUALITE DE FOURNITURE D'ENERGIE1 - Harmoniques 11 Dfinition 12 Origine des harmoniques 13 Inconvnients dus aux distorsions harmoniques 14 Comment limiter les tensions harmoniques? 2 - Papillotement 21 Variation dans la bande de 0,5 25 Hz 22 A-coups plusieurs secondes d'intervalle 23 Application: raccordement d'un four arc sur un rseau 3 - Dsquilibre 4 - Creux de tension et coupures brves 41 - Forme de la tension d'alimentation d'un client 42 - Comportement des installations d'un client 5 - Contractualisation de la fourniture d'nergie

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VOLUME 2Annexe 1 Annexe 2 -

Composantes symtriques

Dtermination de l'impdance apparente et des reports de charge au cours des cycles de renclenchement monophass et triphass. Annexe 2-1 : Dtermination du courant maximal de transit en cas de report de charge triphas.Annexe 2 - 2: Fonctionnement du rseau pendant un cycle monophas

Annexe 3 Annexe 4 -

Caractristiques lectriques des lignes

Critres de choix des rducteurs de courant Annexe 4 - 1 - Cblage entre TC et protections Enclenchement d'un transformateur de puissance Caractristiques de quelques protections de distance statiques Protection des gnrateurs thermiques Prsentation du programme Parapluie Notice d'utilisation du programme Parapluie

Annexe 5 Annexe 6 Annexe 7 Annexe 8 Annexe 9 Annexe 10 -

Rglage des lignes 3 extrmits

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BIBLIOGRAPHIE[1] Vocabulaire lectrotechnique, et en particulier CEI 50-321 Transformateurs de mesure - voir aussi NFC 01-321 CEI 50-421 Transformateurs de puissance et bobins - voir aussi NFC 01-421. CEI 50 441 Appareillage - voir aussi NFC 01-441 CEI 50 448 Protection des rseaux d'nergie - voir aussi NFC 01-448 CEI 50 601 Production, transport, et distribution de l'nergie lectrique - voir aussi NFC 01-601 . [2] Symboles, et en particulier CEI 617-7 Appareillage et dispositif de commande pour protection - voir aussi NFC 03-207. [3] Directives de construction des lignes, postes et canalisations souterraines - DEPT - EDF. [4] CEI 185 Transformateurs de courant monophass - voir aussi NFC 42-502 [5] CEI 186 Transformateurs de tension monophass - voir aussi NFC 42-501 [6] Cahier des spcifications et conditions techniques des rducteurs de mesure - DEPT - EDF. [7] Rgles gnrales d'exploitation - DEPT - EDF [8] UTE C 18 - 510 - AFNOR [9] Carnet de prescription au personnel - SPS - EDF [10] Combins de capteurs optiques courant - tension - notice GEC-Alsthom. [11] Non conventional current and voltage transformers, CIGRE CE/SE 34. [12] Dispositif de protection par dtection d'mission de gaz deux contacts Buchholz - NFC 52-108. [13] BS 142 - Electrical protective relay [14] Relais de dtection de gaz pour transformateur bain d'huile - notice ABB. [15] Les techniques de diagnostic et la maintenance - symposium CIGRE, BERLIN, Mai 93. [16] Protection d'antenne passive - notice ICE. [17] Protection masse - cble PMCS 1 - notice ICE [18] NFC 54 - 100 - Condensateurs de puissance [19] Protection interne de transformateur PTP 3 000 - GEC-Alsthom [20] Etude des diffrentes causes d'erreur de mesure susceptibles d'apparatre dans les protections statiques type PDS 1 100 -Michel Lami - DEPT - EDF [21] Gnralit sur la protection des rseaux lectriques - Marcel Ptard - Centre de formation des Mureaux - EDF. [22] La protection du rseau franais - Marcel Ptard - Revue Gnrale d'lectricit (RGE) n 21, Septembre 1961. Il existe une traduction en allemand. [23] Protections et automatismes de rseau - Ren Sardin - CRTT Est - EDF. [24] Protection de distance RXAP - notice Enertec. [25] Protections de distance PD3A 6000 et PDS - notice Enertec. [26] Protection de distance LZ 95 et RAZOA - notice ABB. [27] Protections de distance PXLC et PXLP - notice GEC-Alsthom. [28] Protection de distance numrique PXLN - notice Enertec. [29] Protection de distance numrique 7SA 511 - notice Siemens. [30] Protections de distance numriques REZ1, REL 100 et REL 316 - notice ABB. [31] GEC measurement protective application guide. [32] Tlactions haute et basse frquence grande scurit - Systme TGS - notices Techniphone. [33] GEC P10 - notice GEC Alsthom. [34] 7 SD 31 - notice Siemens. [35] DIFL - notice GEC Alsthom. [36] LFCB - notice GEC Alsthom. [37] DL 323 - notice GEC Alsthom. [38] PDLC 10 - notice ICE.13/ 320


[39] RADSS - notice ABB / INX5 - notice ABB. [40] DIFB - notice GEC Alsthom [41] PMLS 345 - notice ICE. [42] PMCT 10 - notice ICE. [43] DRS 50 - notice ICE. [44] BEF 301 - notice ICE. [45] TADD- notice ICE. [46] PADD 3000 - notice GEC Alsthom; TADD 1 - notice ICE. [47] ATRS - notice ICE [48] TART - notice ICE [49] Les plans de protection du rseau de transport, Bernard Duchne, DEPT, EDF [50] Stabilit des grands sites de production l'horizon 87 sur dfaut 225 kV, P. Vergerio, M. De Pasquale, M. Lami, DEPT, EDF [51] Evolution des protections du rseau de transport, journe d'tude SEE (voir RGE) du 3/10/85. [52] Circuits trs haute tension et basse tension de liaison d'vacuation d'nergie des centrales thermiques classiques et nuclaires, DEPT EDF, fvrier 90, (dite brochure rouge) [53] conduite en rgime dgrad, note explicative associe la rgle 90-04, Service des mouvements d'nergie, (SME), EDF. [54] Maquette du plan de dfense coordonn, Direction des Etudes et recherches EDF, Ph. Denis, J.C. Bastide, M. Huchet, 20/3/92 [55] Cours de fonctionnement dynamique des rseaux, Direction des Etudes et Recherches EDF, Service Etudes de rseau, Dpartement Fonctionnement et Conduite des Rseaux. [56] Protection contre les dfauts extrieurs des centrales hydrauliques, notes de doctrines XEL 02 10 et XEL 02 11, Direction Production Transport (DEPT), Jacques Lecouturier, 06/92. [57] Guide de rglage des protections - DEPT EDF, 1993.(rgulirement remis jour) et notamment: Etude du comportement des protections de distance sur les lignes trois extrmits D 633.91/BD/LB/n 3002 de Bernard Duchne. [58] PSPT, notice GEC Alsthom. [59] RAKZB notice ABB. [60] PTP, notice GEC Alsthom. [61] Guide de rglage des automates, CRTT Est, EDF. [62] Transducteurs de mesure lectrique, notice GEC Alsthom. [63] Dossier d'identification et de maintenance, CDM3 et transducteurs de mesure, Chauvin-Arnoux. [64] TEGETEC, notice Schlumberger Industrie. [65] FAN 1, notice Landis et Gyr. [66] PAS 692, notice Techniphone. [67] PAS-PCS 21, notice CETT. [68] ECP 80, notice CETT. [69] TPE 2000, notice GEC Alsthom. [70] SOREL EPC, notice Arthus. [71] DLD, notice GEC Alsthom [72] Qualimtre Siemens. [73] APR 8, notice ANPICO [74] Norme HN 46 R 01, appele communment "Dicot", norme EDF diffuse par la DER [75] Traitement des signalisations ncessaires la conduite et la surveillance des installations, dite Brochure violette, DEPT, EDF. [76] Guides de mise en service, DEPT, EDF. [77] Guides de maintenance, DEPT, EDF. [78] Norme HN 33 S 34, DER. [79] Directive H 115, DER.

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[80] Perturbations lectriques et lectromagntiques des circuits basse tension des postes et centrales, Janvier 1980, diffus par la division Instrumentation d'exploitation de la DER. [81] Guide de l'ingnierie lectrique, par Grard Solignac, ditions Lavoisier. [82] Contrat pour la fourniture d'nergie au tarif vert, dit contrat Emeraude, EDF, Service National. [83] Les moyens d'action et les tlinformations ncessaires pour la conduite du systme production transport - consommation, dite "brochure Saumon", DEPT, EDF. [84] Perturbations lectriques, comportement des installations industrielles, Claude Mongars, CRTT Est, EDF. [85] Guide des erreurs ne pas commettre, Michel Lami, CRTT Est, EDF (projet) [86] Expos sur les rducteurs de mesure prsent lors des assises "plan de protection 225 kV" organises par la DEPT, D63/603 - Benjamin Gaillet - 29/5/1980. [87] Les techniques de l'Ingnieur, D 135, mesures trs haute tension, Pascal Gayet et Jacques Jouaire, 1979. [88] Les techniques de l'Ingnieur, D 4805, protection des rseaux de transport et de rpartition, Claude Corroyer et Pierre Duveau, 1995. [89] Les techniques de l'Ingnieur, D 69, rseaux lectriques linaires constantes rparties, Robert Bonnefille. [90] Les techniques de l'ingnieur, D 4421, contraintes de conception des lignes ariennes, Yves Porcheron.

[91] Protective relays, their theory and practice, Van Warrigton, Chapman and Hall, 1962 [92] Protective relay application guide, GEC, 1975 [93] Utilisation des protections contre les surtensions et la ferrorsonance dans les tranches des postes 400 kV en piquage existant sur une ligne double terne, EDF, DEPT, D 564/91-100 C du 9/8/94 Pierre Duveau [94] Exploitation d'un poste en antenne, calcul des surtensions en cas d'ouverture d'un poste la source, EDF, DER, HM/15-1152 JcK/CB du 12/3/87 [95] Systme de protection contre la ferrorsonance, notice ICE. [96] 7 TUD 15, notice Siemens [97] Capacitive voltage transformers: transient overreach concerns and solutions for distance relaying Daqing Hou and Jeff Roberts, Schweitzer Engineering laboratories [98] EPAC 3900, notice GEC Alsthom. [99] Manuel d'utilisation d'EGERIE pour Windows; USI Ile de France. [100] Protection PSEL 3003, notice GEC Alsthom

[101] Protection 7 SN 21, notice Siemens [102] Mmoire Contrle Electrique de l'USI Est, n 22 [103] Comportement des protections complmentaires dans les rseaux de rpartition HT, Michael Sommer, Universit Paris XI, Orsay [104] Schmathque, Centre National d'ingnierie Rseau (CNIR), DEPT [105] Rglage des protections diffrentielles de cble, Benot Lys, EDF, Production Transport, SIRA [106] Directive de construction des lignes ariennes, Centre National d'ingnierie Rseau, DEPT [107] Directive de construction postes, Centre National d'ingnierie Rseau, DEPT [108] Directive de construction des canalisations souterraines, CNIR, DEPT [109] Programme Courcirc, DER, EDF [110] Base Platine, DER, EDF

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[111] Guide de mise en service de la tranche, Centre National d'ingnierie Rseau (CNIR), DEPT [112] Note D 6120 / 09 / n 69 - SCE / HC / MCD "fonctionnement du rseau pendant un cycle de renclenchement monophas, dec 72, CNIR (dpartement essais) - DEPT [113] note 4002 / 54.FDQ 94 / JLL / n 3045 " rglage des systmes de protection des rseaux 400 kV" , janvier 1996 - DEPT [114] note 6100 - 06 - 80 - 1572 LB - BGR / CM " programme CELINE" du 11 janvier 1988 - DER [115] rgles gnrales d"'exploitation - DEPT [116] notice Siemens 7 UM 511 generator protection relay (version V3) [117] notice Siemens 7 UM 512 generator protection relay (version V3) [118] notice Siemens 7 UM 516 generator protection relay (version V3) [119] notice Siemens protection numrique de surintensit et de surcharge SIPROTEC 7SJ600 [120] notice Siemens 7 UT 512 / 513 differential protection relay (version V3) for transformers, generators, motors ans short lines [121] distance protective relay S 321 - 5, notice Schweitzer [122] the influence of substation busbar and circuit breaker arrangement upon the substation control equipment design and reliability - CIGRE WG 23-05, Bengt Andersson, ABB relays AB, S 72171 Vsters (Sverige). [123] Spcifications fonctionnelles et technologiques des protections et automates du rseau de transport, DEPT, EDF. [124] Code de travaux, Centre National d'ingnierie Rseau (CNIR), DEPT [125] Marchs tarifs, Centre National d'ingnierie Rseau (CNIR), DEPT [126] Dossiers de tranche normalise, Centre National d'ingnierie Rseau (CNIR), DEPT [127] Evolution des protections RXAP, D 5840-E / RXAP-JT / LH du 25-4-94, Jean Thomas, USI Est [128] Mesures lectriques, Maurice Gaillet, 1959 (centre de perfectionnement lectrique de Nanterre)

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Protection et surveillance des rseaux de transport d'nergie lectrique - Volume 1 ADRESSES Normes CEI - 1, Rue de Varemb, Genve, Suisse. Normes BS - 2, Park street, London W1A2BS. Normes DIN - Deutsche Elektrotechnische Kommission im DIN und VDE, Burggrafenstrasse 4,Postfach 1107, D1000 Berlin 30 Norme ANSI - American National Standards Institute, 1819L Street, NW, 6th FI. Washington DC 20036 Normes NF: AFNOR - Gestion des ventes, tour Europe, Cedex 7, 92 049 Paris la Dfense. Toutes les normes, franaises ou trangres, peuvent tre commandes cette adresse. CIGRE, 3 Rue de Metz, 75 010 Paris. RGE, 48, Rue de la Procession, 75 015 Paris. DEPT - EDF - Cedex 48, 92 068 Paris la Dfense. EDF, Service National et Service des Mouvements d'nergie (SME), Rue Louis Murat, 75 384 Paris Cedex 08. EDF, CRTT Est (ou USI Est), 8, Rue de Versigny, 54 521 Villers ls Nancy. EDF, Service Ingnierie Rhne Alpes (SIRA), 15, rue des Cuirassiers, BP 3074, 69399 Lyon Cedex 03 EDF, USI Ile de France, 32, avenue Pierre Grenier, BP 401, 92 103 Boulogne Billancourt Cedex Direction des Etudes et Recherches (DER) - EDF - 1, Avenue du Gnral De Gaulle, 92 141 Clamart Service Prvention Scurit (SPS) - EDF - CEDEX 08, 75 382 Paris. Les techniques de l'Ingnieur, 8, Place de l'Odon, 75006 Paris Constructeurs: ALSTOM, alias GEC Alsthom, alias Enertec, alias Compagnie des Compteurs Lotissement du fond de la Banquire, 34 970 Lattes. GEC Measurement: voir mme adresse, et aussi Saint Leonard's work, Stafford ST 174 LX, England ICE 41 Rue Crozatier, 75 012 Paris Techniphone - 31 Rue de l'Union, 78 600 Maisons Laffitte. ABB - S 72 171 Vsters, Sverige. ; CH 5401 Baden, Suisse; 6, Rue des Peupliers, 92 004 Nanterre Siemens - Humboldstrasse 59, EVSV PO BOX 4806, 8500 Nrnberg, Deutschland. Anpico - 82 Rue du Quesnoy, 59 236 Frelinghien - reprsent par Ecodime, zone des entrepts Juliette, 94 310 Orly. Chauvin- Arnoux, 190 Rue Championnet, 75 018 Paris. Schlumberger Industrie, BP 620 02, 50 Avenue Jean Jaurs, 92 542 Montrouge Cedex. Landis et Gyr Energy, 30, Avenue Pr Auriol, 03 100 Montluon.(adresse en France) Techniphone, Boite Postale 22, 13 610 Le Puy Sainte Rparade. 17/ 320


CETT ( Compagnie Europenne de tltransmision), 3, Parc des Grillons, Artus, 6, Rue du Docteur Schweitzer, 91 420 Morangis. Schweitzer Engineering laboratories, 2350 NE Hopkins Court, Pullmann, WA 99163-5603, Washington, USA.

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INDEXAcclration de stade Alternateur Amplificateur Automates Autocontrle Autotransformateurs 3me partie, 21514; 21531 1re partie, 22 / Annexe 1, 1; 23 2me partie, 6 / 3me partie, 213 / 8me partie, 5 / 9me partie, 231 1re partie, 23 / 3me partie, 2347 / 4me partie, 4; 5; 6; 8 / 5me partie, 141, 142 / 6me partie, 8 3me partie, 214 1re partie, 1 / 3me partie, 2332 / 5me partie, 14

Cble de garde 3me partie, 21321; 21562 Cble pilote 3me partie, 2321 Canalisations souterraines 1re partie, 1 / 3me partie, 232 / 4me partie, 13 Capteur de tlmesure 7me partie, 1 Annexe 3 Caractristiques gomtriques des lignes Coefficient de terre 3me partie, 2112 / Annexe 2 Comparateur 3me partie, 213; 222 Compoundage 4me partie, 72 Compteur 1re partie, 32 / 2me partie, 1 / 7me partie, 2 / 9me partie, 139 Commutateur 7me partie, 1 Configurateur 7me partie, 32 Consignateur 7me partie, 3; 4 / 8me partie, 32; 7 Courant porteur ligne 3me partie, 21561 Dfaut biphas-terre 3me partie, 18; 2112 Dpassement de flux 3me partie, 19 Drivateur 3me partie, 2135 Diagramme d'admittance 3me partie, 2128 Double dfaut monophas 3me partie, 2153; 2131 Eclateur Faisceaux hertziens Ferrorsonance Fibre optique Filerie Fluage Force lectromotrice 3me partie, 14 / 3me partie, 2347 3me partie, 21564; 2132 / 5me partie, 312 2me partie, 2, 3me partie, 18 3me partie, 21563 1re partie, 3 / 3me partie, 2343 / 6me partie, 511 / 8me partie, 2 4me partie, 113 2me partie, 1 / 3me partie, 212; 24 / 4me partie, 21

Groupe de production 4me partie, 5212 Homopolaire 3me partie, 15; 18; 2112; 2121; 2127; 21321; 21521; 21524; 24 / 4me partie, 52122 / 5me partie, 142 / 6me partie, 13 / 8me partie, 7 / 9me partie, 131; 134; 3 / annexe 1, 23 / annexe 2

2me partie, 3 / 3me partie, 11; 2111; 2112; 2123; 2133; 21516 / 5me partie, 111 / 6me partie, 13 / 9me partie, 121; 22; 231; 234 / annexe 2 Inductance 2me partie, 1; 2; 3 / 3me partie, 2121; 2123; 2127 / annexe 1, 11 Inductance mutuelle homopolaire 3me partie, 2127 Intgrateur 3me partie, 2135 / 7me partie, 12; 15 Impdance Liaison spcialise 3me partie, 2156519/ 320


1re partie, 1; 2 / 3me partie, 16; 21321; 221; 2321 / 4me partie, 11; 511 /5me partie, 141 annexe 1 / annexe 3 Ligne constantes rparties Matrice Monostable 6me partie, 1 / annexe 1 / annexe 3 3me partie, 2131

Lignes arienne

Perturbographe 1re partie, 3 / 3me partie, 214 / 8me partie, 32; 7 Pilote 3me partie, 213; 232 / annexe 6 Pompage 3me partie, 21114 / 4me partie, 21 Pont thyristors 9me partie, 424 Protection ampremtrique 3me partie, 12, 8me partie, 75 Qualimtre Radiobalise Ractance Rducteur Rgulateur Relais antipompage Relais bistables Relais directionnel Relais mho Rupture fusible Sectionneurs Slectivit Synchrocoupleur Tlaction 1re partie, 33 / 7me partie, 6 / 9me partie, 54 3me partie, 222 3me partie, 21111; 2112; 21311 / 5me partie, 111 / 6me partie, 31; 42; 71; 73 / 9me partie, 23 2me partie / 3me partie, 2135; 222; 2332; 23423 / 6me partie, 73 / 7me partie, 14 / annexe 4 4me partie, 31 / 8me partie, 32 3me partie, 21113; 2125; 21326 / annexe 6 3me partie, 2341 3me partie, 2124; 21313 3me partie, 2128; 2133; 2134 3me partie, 21123 1re partie, 1 / 3me partie, 234 / 8me partie, 2 3me partie, 11 4me partie, 524

3me partie, 215 / 4me partie, 523; 8 / 5me partie, 141 / 6me partie, 2 / 8me partie, 32 / 9me partie, 53 Tlconduite 4me partie, 8 / 7me partie, 1 / 8me partie, 32; 4 Tldclenchement 3me partie, 15; 21517; 21522; 2155 Tlprotection 3me partie, 215 Tltransmission 3me partie, 215 Temporisation 3me partie, 12; 2123; 2133; 21541; 21543 / 4me partie, 82 / 5me partie, , 4 / 6me partie, 38; 61; 823 Tension crte 4me partie, 22 Topologie 3me partie, 2341 Transducteur magntique 3me partie, 2121 Transformateurs de puissance 1re partie, 1; 23 / 2me partie, 1; 2 / 3me partie, 11; 12; 14; 18; 2129 / 6me partie, 3112 ; 511 / 9me partie, 112; 12; 13; 14; 234 / annexe 5 Tranche 1re partie, 1 / 8me partie, 5; 6 Verrouillage 3me partie, 21516; 21541

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Protection et surveillance des rseaux de transport d'nergie lectrique - Volume 1 PREMIERE PARTIE (en cliquant ci-dessus, tu retournes la table des matires gnrale)

GENERALITES

1 - RESEAUX DE TRANSPORT D'ENERGIE

2 - GENERALITES SUR LES PROTECTIONS

3- EQUIPEMENTS DE MESURE, COMPTAGE, ET SURVEILLANCE

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1 - RESEAUX DE TRANSPORT D'ENERGIE Ils sont constitus d'ouvrages triphass, savoir: des lignes ariennes, des canalisations souterraines, des transformateurs de puissance, et des jeux de barre, agencs suivant le schma cidessous:(les tensions et puissances indiques sont celles utilises couramment sur le rseau franais)

Production

Alternateur de centrale hydarulique ou thermique de puissance 250 MW Un 12 kV Un 225 kV

Alternateur de centrale nuclaire essentiellement, de puissance comprise entre 600 et 1400 MW Un = 20 24 kV

Un = 400 kV Jeu de barres 400 kV Ligne 400 kV

Transport

Autotransformateur 400 / 225 kV

de 300 600 MVA Jeu de barres 225 kV Ligne 225 kV Jeu de barres 225 kV

Ligne 225 kV Rpartition

Transformateur 225 kV / 90 kV* de 70 170 MVA Jeu de barres 90 kV

Ligne 90 kV*

Ligne 90 kV*

Jeu de barres 90 kV

Distribution Ligne 20 kV Transformateur 90 kV* / 20 kV 20 ou 36 MVA

* ou 63 kV, suivant les rgions

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Il existe aussi des transformateurs de puissance permettant la transformation directe du 400 KV en 90 KV ou 63 KV, ou du 225 KV en 20 KV, ainsi que quelques autotransformateurs 90 / 63 KV. En ce qui concerne les intensits on dfinit deux niveaux de rfrence: - les intensits nominales, qui sont des intensits permanentes, et auxquelles on se rfre pour dterminer les chauffements des ouvrages. - les intensits de court-circuit, qui ne durent gnralement que quelques centaines de millisecondes, et auxquelles on se rfre pour la tenue des ouvrages aux efforts lectrodynamiques. Les valeurs normalises sont:

en 400 KV en 225 KV en 90 KV

In = 2000 A ou 3150 A In = 1250 A ou 2000 A In = 1000 A ou 2000 A

Icc = 40 000 A ou 63 000 A Icc = 31 500 A Icc = 20 000 A ou 31 500 A entre phases 8 000 A ou 10 000 A entre phase et terre Icc = 20 000 A ou 31 500 A entre phases 8 000 A ou 10 000 A entre phase et terre

en 63 KV

In = 1000 A ou 2000 A

Chaque ouvrage peut tre - connect au reste du rseau, et dconnect, en charge ou en court-circuit, par un disjoncteur. - spar du reste du rseau, hors charge par des organes coupure visible: les sectionneurs - protg par des quipements de protection et des automates qui dtectent les courts-circuits et les situations anormales du rseau partir des courants circulant dans les ouvrages, et les tensions sous lesquels ils se trouvent. Ces quipements actionnent ensuite les disjoncteurs. Les protections et les automates n'utilisent pas les tensions et les courants du rseau, mais des grandeurs beaucoup plus faibles qui leur sont proportionnelles. La transformation se fait par des rducteurs de mesure. Les diffrents appareils haute tension d'un poste sont regroups en cellules, chacune d'elles comprenant un disjoncteur. L'ensemble des quipements basse tension d'une cellule est appel tranche.

Les schmas les plus courants des cellules haute tension sont les suivants:

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DEPART LIGNE

Barres d'un poste d'interconnexion

Barre 1 Barre 2

Sectionneurs d'aiguillage

X

Disjoncteur

Rducteur de courant

Relais de protection Et d'automatisme

Sectionneur de mise la terre

Sectionneur tte de ligne

Rducteur de tension capacitif

Circuit bouchon

Ligne arienne

Circuits haute tension Circuits mesure Circuit commande

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DEPART TRANSFORMATEUR

Barre 1 Jeux de barres du poste primaire Barre 2

autres dparts

Sectionneurs d'aiguillage

Protection diffrentielle de barres du poste

X

Disjoncteur primaire (djp)

Rducteur de courant primaire

TRANSFORMATEUR DE PUISSANCE

Protection masse - cuve

Rducteur de courant secondaire

Rducteur de tension bobin

Vers djp

vers djs Protections et automates au poste secondaire

Protection diffrentielle de la liaisonRducteur de courant au poste

secondaire X Vers djp Disjoncteur secondaire (djs)

Sectionneur d'aiguillage

Jeux de barres du poste secondaire

Barre 1 Barre 2

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COUPLAGE ENTRE JEUX DE BARRES

Sectionneurs de couplage Barre 2

X

Disjoncteur de couplage

Rducteur de tension

capacitif (sur une seule phase)Rducteur de

courant

Barre 1 Protections et automatesRducteur de tension capacitif

(sur les trois phases)

Nota: les protections peuvent tre utilises soit comme protection de couplage, soit comme protection de ligne. Dans ce dernier cas, une barre est affecte une seule ligne, dont le disjoncteur est pont ou condamn ferm, et les protections hors service. On dit alors que le couplage est utilis en transfert.

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TRONONNEMENT Les postes importants peuvent comporter quatre jeux de barres

Barre A1

T1 X

Barre B1

X C1

X C2

Barre A2 X T2

Barre B2

C1 et C2 sont des couplages traits comme ci-dessus T1 et T2 sont des trononnements. Ils ne peuvent pas tre utiliss en transfert. Nota 1: notion de nud lectrique C'est un ensemble de jeux de barres pouvant tre isol du rseau par des disjoncteurs, mais ne pouvant pas tre lui-mme coup en deux par un disjoncteur. Par exemple le poste de la figure 5 comporte quatre nuds lectriques. Pendant une manuvre de changement de barres, les barres A1 et A2, par exemple, peuvent se trouver relies entre elles lorsque les deux sectionneurs d'aiguillage d'un dpart sont simultanment ferms. Dans certains postes, les jeux de barres sont disposs comme sur la figure 5, mais en T1 et T2 il n'y a que des sectionneurs. Le poste ne comporte que deux nuds lectriques. Nous verrons que cette notion est importante pour la mise en uvre des protections diffrentielles de barres. Nota 2: il existe d'autres schmas de postes l'tranger: postes en anneau, postes un disjoncteur et demi, postes barre de transfert. Chacun a ses avantages et ses inconvnients, mais il importe de ne pas mlanger les types de poste dans un mme rseau.

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2 - GENERALITES SUR LES PROTECTIONS ET LES AUTOMATES Ce document traite de l'ensemble des protection et automates installs sur le rseau de transport. Un aperu est aussi donn de protections des groupes de production en annexe 7 On distingue: 2 - 1 - LES PROTECTIONS CONTRE LES COURTS CIRCUITS Lorsque un court-circuit apparat sur un ouvrage, les protections provoquent le dclenchement des disjoncteurs encadrant cet ouvrage. Si cette fonction est correctement excute, les disjoncteurs des autres ouvrages ne doivent pas tre dclenchs. Dans le cas contraire, les disjoncteurs d'autres ouvrages doivent tre dclenchs, pour assurer l'limination du dfaut, mais en nombre aussi rduit que possible. 2 - 2 - LES PROTECTIONS CONTRE LES SITUATIONS ANORMALES DE RESEAU Elles comprennent: - les protections de surcharge, qui mettent hors tension les ouvrages parcourus par des intensits trop leves, susceptibles de les dtriorer ou de les rendre dangereux. - les protections contre les ruptures de synchronisme, destines viter le dclenchement des alternateurs des centrales lorsque l'un d'eux, ou plusieurs d'entre eux, tournent une vitesse diffrente de l'ensemble des autres alternateurs dbitant sur le mme rseau - les protections de dlestage, destines rtablir l'quilibre production - consommation, et ainsi viter une chute de frquence susceptible de conduire un effondrement gnral des moyens de production. 2 - 3 - LES AUTOMATES La plupart des dfauts crs par la foudre sur les ouvrages ariens disparaissent spontanment au bout de quelques diximes de secondes aprs mise hors tension de l'ouvrage. Aprs certains contrles il est alors possible de remettre l'ouvrage sous tension. Des automates sont chargs de ces contrles. D'autres automates permettent, lorsque plusieurs ouvrages se trouvent hors tension, de remettre rapidement en service ceux qui sont sains. D'autres permettent d'viter les dclenchements par surcharge par des manuvres prventives sur d'autres dparts. D'autres, enfin, sont utiliss pour maintenir une tension correcte sur le rseau, par action sur les rgleurs des transformateurs

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3- GENERALITE SUR LES EQUIPEMENTS DE MESURE, COMPTAGE ET SURVEILLANCE

3 - 1 - MESURE Les grandeurs, tension et courant, prsents sur le rseau, ne sont pas directement utilisables, et on passe, l aussi, par des rducteurs de mesure. Au secondaire de ces rducteurs se trouvent connects des capteurs qui laborent les grandeurs ncessaires la conduite du rseau, savoir la puissance active et la puissance ractive sur les ouvrages, et la tension efficace sur les barres, et les transmettent aux quipements de tlconduite sous forme de courants continus proportionnels ces grandeurs. 3 - 2 - COMPTAGE Utilisant les mmes circuits secondaires, on trouve des compteurs d'nergie, mais seulement sur les dparts suivants: . les centrales de production . les clients industriels . les compagnies de distribution non nationalises .les points de livraison aux centres EGS (centres de distribution EDF -GDF) Ils sont haute prcision et doubls uniquement lorsqu'ils intressent des socits extrieures EDF: centrales participation trangre, clients industriels, distributeurs non nationaliss.

3 - 3 - SURVEILLANCE LOCALE On trouve, dans chaque poste: . un tableau synoptique, ou une console de conduite, permettant la conduite locale du poste en cas de panne de tlconduite .un consignateur d'tat, o sont imprimes les manuvres et signalisations issues des appareils haute tension et quipements basse tension de chaque dpart .des oscilloperturbographes, o sont restitues des grandeurs lectriques lors d'un dfaut .ventuellement des localisateurs de dfaut, calculant la distance d'un dfaut sur une ligne .des qualimtres, sur les dparts client, et permettant de mesurer les perturbations qu'il a subies.

3 - 4 - SURVEILLANCE AU PUPITRE DE COMMANDE GROUPE ( PCG ) Les PCG sont situs dans des postes o se trouve du personnel en permanence aux heures ouvrables. Le personnel attach un PCG exploite, outre le poste qui l'hberge, un ensemble de postes appels postes satellites. Par exploitation, on entend essentiellement l'entretien du matriel, et en situation exceptionnelle la conduite du rseau.

3 - 5 - SURVEILLANCE AU CENTRE REGIONAL DE CONDUITE ( CRC ) C'est de ce point que se fait la conduite du rseau en situation normale. Seules les informations ncessaires cette conduite y sont envoyes. Les informations concernant la surveillance du matriel restent au PCG

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DEUXIEME PARTIE

REDUCTEURS DE MESURE (en cliquant ci-dessus, tu retournes la table des matires gnrale)

1 - REDUCTEURS DE COURANT

2 - REDUCTEURS DE TENSION BOBINES

3 - REDUCTEURS CAPACITIFS DE TENSION

4 - PROBLEMES DE SECURITE

5 - MISES EN SERVICE

6 - REDUCTEURS OPTIQUES

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1 - REDUCTEUR DE COURANT

Cet appareil est destin alimenter les protections et les quipements de mesure et de comptage. Les performances requises sont trs diffrentes, suivant qu'il s'agit d'alimenter une protection contre les courts-circuits ou un autre quipement: la premire doit recevoir une image correcte d'un courant dont la valeur peut tre trs leve, et qui peut comporter une composante transitoire, alors que les autres doivent recevoir une image prcise d'un courant permanent infrieur ou gal au courant nominal. C'est pourquoi le rducteur de courant comprend au minimum deux enroulements, sur deux noyaux distincts. Dans ce qui suit, nous tudierons uniquement l'enroulement "protection". Le rducteur de courant est un systme contre raction totale, et son tude complte est assez complexe, surtout si on veut tenir compte de phnomnes non linaires, tels que la saturation et l'hystrsis. Nous donnerons ici une suite d'tudes simplifies, de manire faire apparatre l'origine des contraintes prsentes dans leurs spcifications, des erreurs inhrentes leur fonctionnement, et de leurs limites d'utilisation. 1-1- Prsentation Un transformateur de courant est un transformateur lvateur dont l'enroulement secondaire se trouve pratiquement en court-circuit. i1 i2

enroulement primaire

enroulement secondaire

Charge secondaire (protections ou comptage)

Cot primaire, le nombre de spires est faible. Dans le cas des rducteurs de type tore, il n'y a mme pas, proprement parler, de spire, puisque le conducteur primaire traverse en ligne droite le circuit magntique de forme torique, autour duquel est bobin le circuit secondaire. Dans les autres rducteurs, il peut y avoir une ou deux spires. Dans un transformateur parfait, le courant secondaire instantan est li au courant primaire par n1 i'2 = * i1 (1) n2 tandis que la tension aux bornes de l'enroulement secondaire est lie la chute de tension aux bornes de l'enroulement primaire par le rapport inverse. n1 et n2 sont respectivement les nombres de spires primaires et secondaires. nota: Dans les rducteurs de type tore, on dmontre que la traverse du conducteur primaire en ligne droite est quivalente une spire. Dans la pratique, les valeurs nominales de courant primaire vont de 100 A 3000 A, et le courant nominal secondaire vaut 1 A ou 5 A.

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1 - 2 - Premire approche Nous supposons que le courant secondaire est l'image exacte du courant primaire, quelle que soit l'impdance de charge du circuit secondaire. En particulier, lorsque le circuit secondaire est ouvert, la tension secondaire devient infinie. Une telle approche est bien entendu aberrante, mais elle montre qualitativement qu'en cas d'ouverture intempestive du circuit secondaire, la tension prend une valeur trs leve (voir 4 de ce chapitre). 1 - 3 - Deuxime approche Nous supposons que le courant secondaire est l'image exacte du courant primaire lorsque l'impdance du circuit secondaire est faible par rapport l'inductance magntisante du rducteur. Nous tudions alors le comportement du rducteur lors d'un court circuit sur le rseau primaire. 1 - 3 - 1 - Forme du courant primaire Lorsque un court circuit apparat sur une ligne, le courant circulant dans cette ligne a approximativement la forme que l'on peut trouver lorsqu'on enclenche une bobine de ractance.

R1

L1

u1

La tension instantane fournie par la source est donne par: u1 = U1 * sin (t + ), avec: = pulsation, soit 2p fois la frquence = paramtre dterminant la valeur de u1 quand t= 0 A l'instant t = 0 on ferme l'interrupteur. Le systme est alors dcrit par l'quation: u1 = R1 * i1 + L1 * di1 / dt R1 et L1 tant la rsistance et l'inductance du circuit, et i1 tant le courant instantan. Aprs rsolution, la solution s'crit: -t/ i1 = I1 * [ -sin ( - ) * e composante apriodique + sin ( t + - )] composante sinusodale (2) U1 = tension crte

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avec U1 I1 = R1 + L1 * 1 = L1 / R1 : constante de temps du rseau haute tension alimentant le court circuit tg = t1 * la condition initiale tant: i1 = 0 pour t = 0, l'asymtrie est maximale pour - = - / 2 Par exemple, si la constante de temps du rseau vaut 60 ms, = 87, et l'asymtrie maximale est obtenue pour = - 3, c'est dire lorsque la tension au moment de l'apparition du dfaut est pratiquement nulle. D'o les courbes suivantes, obtenues pour I1 = 1 et U1 = 1, le temps tant indiqu en ms.0 ,0 0 20 , 0 0 ,0 0 0 ,0 0 ,0 0 0 ,0 0 ,0 0 50 , 0 0 ,0 0 0 ,0 0 ,0 0 0 ,0 1 0 ,0 0 0 ,0 0 ,0 0 0 ,0 0 ,0 0 50 , 0 0 ,0 0 0 , 0 ,0 1 0 ,0 0 ,0 1 0 0 ,0 0 ,0 1 0 ,0 0 ,0 1 50 , 0 0 ,0 1 0 ,0 0 ,0 1 0 ,0 0 ,0 1 10 , 0 0 ,0 1 0 ,0 0 ,0 1 0 ,0 5 0 ,0 1 0 , 0 5 0 1 1 5 0 2 2 5 0 3 3 5 0 4 4 5 0 5 5 5 0 6 6 5 0 7 7 5 0 8 8 5 0 9 9 5 0 1 0 5 1 1 1 5 1 2 215 1 3 3 5 1 4 4 5 1 5 5 5 1 6 6 5 1 7 7 5 1 8 8 5 1 9 9 5 0 2 0 ,1 5 0 ,3 0 ,4 7 0 ,6 0 ,7 8 0 ,9 1 ,0 9 1 ,2 1 ,4 1 1 ,5 1 ,7 2 1 ,8 2 ,0 4 2 ,1 2 ,3 5 2 ,5 2 ,6 7 2 ,8 2 ,9 8 3 , 3 ,2 9 3 ,4 3 ,6 1 3 ,7 34, 9 2 4 ,0 4 ,2 4 4 ,3 4 ,5 5 4 ,7 4 ,8 6 5 ,0 5 ,1 8 5 ,3 5 ,4 9 5 ,6 5 ,8 1 5 ,9 6 ,1 2 6 , 7 1 1 2 5 4 9 5 3 7 7 8 2 9 6 1 0 2 4 1 8 5 2 6 6 8 1 9 5 1 9 2 3 4 7 5 1 6 6 2 0 4 2 8 3 2 5 6 7 0 8 4 0 9 1 3 3 7 5 4 6 5 8 9 9 4 1 8 3 2 4 6 6 0 7 4 9 9 1 8 7 1 3 3 9 4 5 6 1 7 7 9 3 1 9 2 5 4 1 1 6 7 2 9 7 8 0 4 2 0 3 6 5 2 7 8 8 4 0 0 3 9 5 8 1 7 7 6 3 5 9 4 5 3 1 2 7 1 3 0 5 9 4 8 0 7 6 6 2 5 8 4 4 3 0 2 6 1 2 0 1 5 9 5 8 5 7 5 6 5 5 5 4 5 3 5 2 5 1 5 9 5 9 5 8 5 7 5 6 5 5 5 4 5 3 5 2 5 1 5 8 0 0 0 0 0 0 ,1 5 ,3 0 ,4 5 ,5 8 ,7 0 ,8 0 0 ,8 0 ,9 5 0 ,9 8 0 ,9 8 0 ,9 5 0 ,8 9 0 ,8 0 0 ,7 0 0 ,5 8 0 ,4 5 0 ,3 0 0 ,1 5 2 ,6 5 -0 ,1 5 -0 ,3 0 -0 ,4 5 -0 ,5 8 1 0 07 0 , -0 ,8 0 -0 ,8 -0 ,9 5 -0 ,9 8 -0 -0 -0 -0 -0 -0 -0 -0 -0 -5 ,9 ,9 ,8 ,8 ,7 ,5 ,4 ,3 ,1 ,3 8 5 9 0 0 8 5 0 5 0 6 9 3 7 7 9 9 1 7 4 0 9 7 1 0 1 0 6 3 1 9 8 0 1 0 5 8 4 6 0 4 6 6 0 6 8 3 7 1 8 3 5 6 1 1 5 0 3 0 1 9 5 2 9 0 7 2 7 6 4 9 4 3 7 9 8 5 6 0 1 8 7 5 0 3 4 5 2 1 3 1 9 5 1 7 1 1 9 9 7 1 7 5 6 1 2 8 8 41 7 9 7 4 1 8 3 1 5 6 2 7 9 8 6

1 ,

0 ,

-0 ,

7 6 1 0 1 0 9 0 7 1 7 7 3 9 9 0 6 4 3 6 6 4 9 0 3 9 7 7 71 1 9 0 9 1 1 0 7 6 7 1 1 9 7 7 3 9 6 7 6 0 0 0 1 7 9 0 4 2

8 8 5 7 0 7 1 8 0 8 8 6 9 2 1 9 3 6 E 3 1 1 4 8 7 8 2 3 0 4 1 4 0 0 5 5 8 7 8 8 5 7 0 8 1 9 1 0 8 9 9 4 2 1 3 9 E -

6

1 9

2 2

2 5

2 8

3 1

3 4

3 7

4 0

-

-1 ,

Statistiquement parlant, les dfauts apparaissent plutt lorsque la tension est proche du maximum. Cependant la situation dcrite ici peut se reproduire, surtout lors d'un enclenchement sur dfaut.

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1 - 3 - 2 - Flux dans le circuit magntique du rducteur Soient R2 et L2 la rsistance et l'inductance du circuit secondaire du rducteur. La tension aux bornes du circuit secondaire vaut: di'2 u2 = R2 * i'2 + L2 * dt L2

R2

Le flux dans le circuit magntique du rducteur est donn par: =

u2 * dt =

L2 * i'2 + R2 *

i'2 * dt

soit, en remplaant i par sa valeur exprime dans l'quation n 3: I'2 = Nous voyons que l'expression du flux comporte un terme priodique, et un terme apriodique. Dans ce dernier, la partie due l'inductance tend vers zro lorsque le temps augmente, tandis que la partie due la rsistance tend vers I'2 * R2 * 1 . Dans les cas usuels, c'est cette dernire partie qui cre l'essentiel du flux. Nous supposerons par la suite que la charge est purement rsistive, car c'est le cas le plus contraignant. L'quation (4) s'crit alors: - t / 1 = o * [1 * * (1 - e I'2 o = * R2 ) - sin * t] en posant: * { R2 * [ 1 * (1 - e - t / 1 ) - sin * t] + L2 * * (e - t / 1 - cos *t)}(4)

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et le flux a l'allure suivante: Variation de / avec le temps l'apparition d'un dfaut, avec asymtrie maximale et 1 = 120 ms2 5

2 0

1 5

1 0

5

0 1 1 7 3 3 4 9 6 5 8 1 9 7 1 1 3 1 2 9 1 4 5 1 6 1 1 7 7 1 9 3 2 0 9 2 2 5 2 4 1 2 5 7 2 7 3 2 8 9 3 0 5 3 2 1 3 3 7 3 5 3 3 6 9 3 8 5 4 0 1

-5

t (ms)

1 - 3 - 3 - Saturation L'induction prsente dans le noyau du rducteur est proportionnelle au flux. Lorsqu'elle dpasse une valeur Bmax, de l'ordre de 2 Tesla, elle ne peut pratiquement plus augmenter. Le circuit magntique est satur. Le courant secondaire est pratiquement nul. Les quipements utilisant ce courant comme grandeur d'entre ne peuvent plus fonctionner correctement. Le calcul prcdent montre, de manire sommaire, que si nous ne voulons pas dpasser Bmax lorsque le courant atteint sa valeur nominale de court circuit, qu'il comporte une composante apriodique, et que l'asymtrie est maximale, l'induction ne doit pas dpasser Bmax / (t1*w) lorsque le courant de court circuit atteint sa valeur nominale, mais qu'il n'y a pas d'asymtrie. Au suivant, nous ne supposons plus que le courant secondaire est l'image exacte du courant primaire, mais nous reprsentons le rducteur par un modle simple, et nous crivons les quations dcrivant le fonctionnement de ce modle dans le rseau.

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1 - 4 - Troisime approche Nous cherchons un modle simple pour reprsenter le rducteur lorsqu'il n'est pas satur et qu'il n'a pas d' hystrsis. De plus nous ngligeons les flux de fuite. Soit l l'inductance propre d'une spire. Un courant i circulant dans cette spire cre un flux e = * i Le courant i1 circulant dans le circuit primaire cre alors un flux f1= n1* l * i1 , n1 tant le nombre de spires primaires Le courant i2 circulant dans le circuit secondaire cre un flux 2 = n2* l * i2 , n2 tant le nombre de spires secondaires Aux bornes de la bobine secondaire apparat une force lectromotrice e = - n2* d (1 + 2) / dt Si la charge est nulle, la force lectromotrice est nulle: D'o: - i1 / i2 = n2 / n1 = n, qui est le rapport de transformation Mais la charge n'est jamais nulle. Nous la supposerons purement rsistive (voir prcdent). Soit R2 cette charge, comprenant la rsistance de la bobine secondaire, de la filerie et des quipements rcepteurs. L'quation de la boucle secondaire est: e = - n2 * d / dt = R2 * i2 , avec = 1 + 2 D'o l'quation diffrentielle liant le courant primaire au courant secondaire: (n1 * n2 * di1 / dt + n2 * di2 / dt) * = -R2 * i2 i1 tant donn par l'quation n 3 du 131. Nous pouvons aussi l'crire: n2 * * ( di'2 / dt - di2 / dt) = R2 * i2 (1) 1 = - 2

i'2 tant le courant secondaire du transformateur parfait, ou encore: avec : i + t2 * di / dt = i'2 L = inductance magntisante = n2 * t2 = constante de temps secondaire = L / R2 i = courant magntisant = courant d'erreur = i'2 - i2 (2)

Nous pouvons alors reprsenter le rducteur par le modle suivant: i'1

i'2

L

i

R2

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1 - 4 - 1 - Asymtrie maximale sur le courant primaire Dans l'quation n 2 nous remplaons i'2 par sa valeur trouve dans l'quation n 3 du 131, qui correspond l'asymtrie maximale: -t / 1 i + 2 * di / dt = I'2 * ( e - cos * t) (3)

La rsolution de cette quation donne le courant d'erreur, que nous appelons i1 : 1 i1 = I'2* [ 1 - 2 *e - t/1 -t/2 * (cos *t + *2 *sin *t) - ( )*e ] 1 + * 2 1 - 2 1+ *2 (4) Le flux dans le circuit magntique est proportionnel au courant d'erreur: = L * i soit / = i * t2 * / i'2 1 1 1

Cas particulier (pour mmoire): 1 = 2 t i = I'2 * [ 1 D'o les courbes ci-dessous Courbe donnant / o pour 1 = 120 ms, 2 = 1 s, I'2= 20*35

-t / 1 *e -

1 * (cos *t + *1 *sin *t - e 1 + *1

-t / 1 )] (5)

2

A, soit / o = 11,2 * I

30

25

20

15

10

5

0 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361 373 385 397

temps en ms

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Courbe donnant / o pour 1 = 120 ms, 2 = 5 s, I'2= 20 *

2

A, soit / o = 56 * I

40

35

30

25

20

15

10

5

0 1 38 75 112 149 186 223 260 297 334 371 408 445 482 519 556 593 630 667 704 741 778 815 852 889 926 963 1000

temps en ms

1 - 4 - 2 - Courant primaire symtrique C'est le cas o = 87(voir 131). La tension l'instant t=0 est alors proche du maximum. Dans ce cas, l'quation diffrentielle n 3 du 141 s'crit: i + t2 * di / dt = I'2 * sin * t (6) La rsolution de cette quation donne le courant d'erreur, que nous appelons i2: I'2 i2 = 1 + *t2 * (sin *t - *t2 * cos *t + *2 * e - t / 2 ) (7)

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Courbe donnant / , pour t2 = 5 secondes, I'A = 20 *

2 A, soit / o = 56 * I

2 ,5

2

1 ,5

1

0 ,5

0 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361 373 385 397

-0 ,5

temps en ms 1 - 4 - 3 - Enclenchement avec = / 4 L'quation diffrentielle devient: i + t2 * di / dt = I'2 * (- sin ( / 4) + cos ( * t + / 4) La solution s'crit, en reprenant les quations (4) et (7): i3 = (i1 + i2) / 2 (7bis)

1 - 4 - 4 - Notions sur le calcul du noyau du rducteur Les rducteurs sont gnralement spcifis 5 P 20, ce qui signifie que l'erreur sur l'image du courant qu'ils dlivrent doit tre infrieure 5% lorsque le courant primaire est gal 20 * In. Cette erreur maximale peut tre garantie en rgime permanent, pour les rducteurs de qualit standard, et en rgime transitoire pour une constante de temps donne pour les rducteurs de haute qualit. D'autre part, il est spcifi pour chaque type de rducteur sa puissance de prcision, c'est dire la puissance dlivre au circuit secondaire sous In, au-del de laquelle la prcision n'est plus garantie. Nous tudions comme exemple un rducteur de rapport 2000 / 1, et de puissance de prcision 15 VA. Ceci signifie que la rsistance de son circuit secondaire R2, qui est la somme des rsistances d'entre des diffrents quipements utilisateurs et de la filerie, est au maximum de 15 . Nous supposons que le noyau du rducteur est de forme torique. 1 - 4 - 4 - 1 - Approximations Lorsque cette prcision est tenue, la constante de temps 2 est toujours trs suprieure 1 , qui est elle mme trs suprieure 1 / . D'o les approximations suivantes: a) rgime asymtrique (voir formule (4) du 141)41 / 320


l'erreur passe par un maximum gal : i = I'2 l'instant 2 t = 1 * Ln (2 / 1) 1 + 2 (8) (9) 1

puis tend vers zro b) rgime symtrique l'erreur passe par un maximum gal : i / I'2 = 2 / ( * 2) puis tend vers 1 / ( * 2) 1 - 4 - 4 - 2 - Rayon du tore Il existe deux types de rducteurs: - les rducteurs sans entrefer. Ils sont sensibles aux phnomnes non linaires inhrents aux circuits magntiques, tels que la non - linarit de la courbe d'aimantation et l'hystrsis. En revanche leur inductance magntisante est trs leve, et l'erreur due au courant magntisant est trs faible. Ils sont gnralement utiliss lorsqu'on ne cherche pas passer correctement la composante asymtrique, - les rducteurs avec entrefer Tant qu'ils ne sont pas saturs, leur rponse est linaire, c'est dire que le courant secondaire est li au courant primaire par l'quation diffrentielle linaire (2) du 14. En revanche leur constante de temps est plus faible que celle des prcdents, ce qui introduit une erreur systmatique connue, mais importante. Ils sont utiliss lorsqu'on cherche passer correctement la composante asymtrique. Pour chacun d'eux nous allons chercher le rayon minimal du tore permettant d'viter la saturation, en rgime symtrique et en rgime asymtrique. Pour cela nous allons nous fixer la valeur de constante de temps secondaire 2 permettant de ne pas dpasser une erreur de 5%: - rgime asymtrique: la formule 8 nous donne approximativement: 2 > 2 > 0,120 / 0,05 = 2,4 s (10)

- rgime symtrique: la formule 10 nous donne: Nous retiendrons la valeur de 2,4 s dans les deux cas.

2 / ( * 0,05)

=

0,12 s

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a) rducteurs sans entrefer Nous cherchons quel est le courant magntisant maximal possible r

L'induction lmentaire moyenne cre par une spire est:

o * r * i Be = 2* avec r = = permabilit magntique du noyau rayon moyen du tore (11)

L'induction totale vaut: B = n2 * Be Elle atteint la valeur de saturation Bs = 2 Tesla pour: Bs * 2 * i = o * r * n2 Or le courant maximal i'2 vaut 20 * 2 A, d'o (12)

- si le rducteur ne doit pas se saturer en rgime asymtrique i < i'2 * 1 / 2 = 1,4 A Si nous prenons r = 10000, nous trouvons, avec la formule (12), un rayon minimal de 2,8 m. - s'il ne doit pas se saturer seulement en rgime symtrique i = 2 * i'2 / ( 2) = 0,07 A et, d'aprs la formule 12: = 0,14 m 2) = 0,25 %

La prcision devient alors 0,07 / (20 *

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On peut mme diminuer le rayon en utilisant des rducteurs de courant nominal secondaire 5 A, ce qui conduit un rapport n2 cinq fois plus petit, mais une charge secondaire plus importante.

b) rducteur avec entrefer Les noyaux de ces rducteurs ont des entrefers de quelques diximes de millimtre chacun, rpartis sur le tore. Nous supposons que la rluctance de leur circuit magntique est entirement due ces entrefers, et nous cherchons quelle doit tre leur valeur minimale pour que l'induction ne dpasse pas 2 Tesla lorsque le courant primaire est maximal et l'erreur maximale. L'induction lmentaire cre par une spire est: Be = o * i / e e tant la longueur totale des entrefers.

L'induction totale vaut Elle doit tre infrieure 2 Tesla, d'o:

B = n2 * Be = n2 * o * i / e e > n2 * o * i / 2 e = e= 1,8 0,09 mm mm

- si le rducteur ne doit pas se saturer en rgime asymtrique, - sinon

Le rayon minimal du tore est ensuite fix par le rayon minimal r de sa section. L'inductance magntisante vaut, dans tous les cas: L = 2 * R2 = 2,4 * 15 = 36 Henry 1 - 4 - 4 - 3 - Calcul du rayon r de la section du tore a) rducteur sans entrefer Le flux lmentaire cr par une spire vaut (formule 11 du 1431): o * r * i * * r e = Be * r = 2** Le flux total auto - induit par les spires secondaires vaut: = n2 * e = L * i D'o, en remplaant e par sa valeur: 2 * * L r= n2 * r * o * = n2 1 * r * o 2 * * L

ce qui, dans l'application numrique, donne: - si le rducteur doit passer les rgimes asymtriques: r = 64 mm

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- sinon: b) rducteur avec entrefer Le flux lmentaire cr par une spire vaut: e = Be * * r = * r * o * i / e Le flux total auto - induit par les spires secondaires vaut: = n2 * e = L * i d'o: L = n2 * * r * o / e 1 et: r= n2 * * o L * e

r = 15 mm

(11)

- si le rducteur doit passer les rgimes asymtriques: sinon:

r = 64 mm r = 15 mm

Nous voyons ainsi que si nous voulons que les rducteurs ne se saturent pas sur rgime apriodique, ses dimensions s'accroissent fortement. Nous voyons d'autre part que, dans l'exemple pris ici, la prsence d'un entrefer a permis de diminuer la longueur du circuit magntique, mais pas sa section. 1 - 4 - 5 - Tension de coude C'est la valeur efficace de la tension sinusodale qui, applique au secondaire du rducteur, lorsque le primaire est ouvert, provoque la saturation du circuit magntique. De manire plus prcise, c'est la valeur partir de laquelle il suffit de l'augmenter de moins de 10 % pour que le courant circulant dans le circuit secondaire augmente de 50%. Dans le cas tudi, elle vaut au minimum: a) rducteur sans entrefer: V coude = L * * I = 36 * 314 * 0,0018 *20 = 405 V b) rducteur avec entrefer V coude = L * * I = 36 * 314 * 0,05 *20 = 11,3 k V Nous voyons que la prsence d'un entrefer accrot la tension de coude. Lorsque le courant circule au primaire du rducteur et que le secondaire est ouvert, la tension maximale pouvant apparatre ses bornes est approximativement la mme que la tension de coude. Ceci montre que les rducteurs entrefer doivent tre imprativement protgs par des parafoudres, gnralement rgls 2 kV (voir 4-1).

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1-5- Types usuels de rducteurs de courant Il existe sur le rseau EDF 3 types de rducteur: -rducteur dit "classe PS", (dnomination EDF), dont l'induction est la limite de sa valeur de saturation en rgime symtrique, pour le courant de court-circuit maximal spcifi. Ce type d'appareil est conforme la norme CEI 185. Son courant nominal secondaire est 5 A. Il ne comporte pas d'entrefer. Lorsqu'il est satur, une alternance sur deux est correcte. Il ne peut tre utilis qu'avec des protections capables de ne pas mettre d'ordre intempestif dans ces conditions. Nous verrons plus loin qu'il s'agit alors des anciens modles de protection, ou de modles comportant un systme d'insensibilisation la saturation. -rducteur dit "ME 21", dont l'induction ne dpasse pas la moiti de l'induction de saturation en rgime symtrique, pour le courant de court circuit maximal spcifi. Son courant nominal secondaire est 5 A. Il comporte un petit entrefer. Sa tension de coude est de 600 V Lors d'un renclenchement sur dfaut, si son circuit magntique a gard une induction rmanente, son induction ne dpasse pas, en rgime priodique, l'induction de saturation, et l'intensit secondaire reste correcte pour une alternance sur deux. Cet appareil est, en principe, lui aussi rserv aux protections insensibles la saturation. En fait, des essais ont montr que les autres protections peuvent elles aussi tre utilises dans certaines conditions de rseau, dterminer pour chacune d'elles. Nous verrons, dans la sixime partie et l'annexe 4, comment dterminer si ce type de rducteur convient ou pas pour une protection donne, dans un environnement donn. -rducteur dit "MA 102" (400 et 225 KV) et "MA 103" (90 et 63 KV), qui est spcifi pour donner une rponse correcte mme en cas de rgime transitoire asymtrique, y compris avec renclenchement. Son courant nominal secondaire est 1 A. Il est conforme la norme CEI 44-6, type TPY. Sa tension de coude est de 6 kV. Le comportement de ce rducteur aux rgimes apriodiques a t spcifie comme suit: Ils ne doivent pas se saturer lorsqu'ils sont soumis au courant de court circuit maximal, avec la composante apriodique maximale, pendant un temps t', puis un courant nul pendant un temps tfr, puis de nouveau parcourus par le courant de court circuit maximal pendant un temps t''

* 400 KV: la constante de temps est 120 ms, avec t' = 155 ms, tfr = 1505 ms, t" = 200 ms * 225 KV: la constante de temps est 120 ms, avec t' = 155 ms, tfr = 1005 ms, t" = 60 ms * 90 KV et 63 KV, au secondaire des transformateurs: la constante de temps est de 180 ms, avec t' = 175 ms, tfr = 1505 ms, t" = 395 ms * 90 KV et 63 kV pour les dparts ligne: la constante de temps est de 40 ms, avec t' = 175 ms, tfr = 1505 ms, t" = 395 ms

Ces appareils sont appels familirement "Rducteurs de courant grosse tte" Bibliographie [4],[6], [86]

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2 - REDUCTEUR DE TENSION BOBINE C'est un vritable transformateur, dont le primaire reoit la tension du rseau, et le secondaire restitue une tension image gale 100 V entre phases lorsque la tension primaire est gale la tension nominale. C'est le mme enroulement qui fournit la tension aux protections et aux autres quipements. Les difficults rencontres pour la ralisation de cet appareil sont: - fourniture d'une tension secondaire avec la prcision requise lorsque la tension primaire est faible. En effet, dans ce cas, les phnomnes d'hystrsis sont particulirement sensibles. Pour les appareils de prcision on est conduit utiliser des circuits magntiques avec entrefer. - charges "piges" lors de cycles de dclenchement et renclenchement. En effet, aprs ouverture des disjoncteurs d'une phase saine, la phase reste charge. Un rgime oscillatoire amorti apparat, cr par la capacit de la ligne et l'inductance de l'appareil. Elle peut tre trs basse frquence, ce qui provoque la saturation de son circuit magntique. Au renclenchement il fournit alors une tension trs faible, ce qui peut entraner un fonctionnement incorrect des protections. L aussi, pour se prmunir de ce phnomne, il faut fonctionner avec une induction nominale faible, en utilisant un entrefer. Mais ceci conduit une puissance de prcision faible. - Ferrorsonance: on appelle ferrorsonance l'ensemble des phnomnes de relaxation trs basse frquence, c'est dire 50 HZ ou une frquence sous harmonique, gnralement 3 ou 5, apparaissant lorsqu'une bobine saturable, ici le transformateur, est lie un lment sous tension par un condensateur. La tension primaire peut alors atteindre une valeur dangereuse pour le matriel. Ce cas se rencontre, entre autres, pour les rducteurs de tension bobins placs sur les barres des postes (voir 3me partie, 18).

Condensateur C1

Rducteur bobin X Condensateur C2 bobine additionnelle charge

C1 est le condensateur interne au disjoncteur de puissance C2 reprsente la capacit du jeu de barres par rapport au sol

Pour viter ce phnomne, on place en parallle avec la charge une bobine additionnelle se saturant lorsque la tension dpasse largement la tension nominale - par exemple 110 V- mais d'inductance suffisamment leve pour ne pas dgrader, en rgime tabli, le courant circulant dans la charge. De plus, cette bobine possde une rsistance suffisante pour amortir les phnomnes oscillatoires qu'elle pourrait engendrer. Bibliographie [5], [6], [20]

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3 - REDUCTEUR DE TENSION CAPACITIF

C'est un appareil hybride, comportant un diviseur capacitif, form par les condensateurs C1 et C2, et un transformateur T. On ajoute une bobine L pour accorder les deux systmes. C'est le mme enroulement qui fournit la tension aux protections et aux autres quipements. Le schma de principe est le suivant: 400 kV ou 225 kV

C1 A

L B S1 T

C2 S2 transformateur de couplage pour transmission courant porteur ligne

charge secondaire

L'inductance doit tre choisie de telle manire que, du point B, la tension V1 soit celle qu'on obtiendrait en A avec une impdance de charge infinie. V1 = V* C1 / ( C1 + C2 ) Nous supposerons que la charge ramene en B est purement rsistive. Elle a pour valeur : R = R charge * n Ceci nous conduit, aprs calcul, la condition: L* * ( C 1 + C 2 ) = 1 Cette condition n'est vraie que si la frquence est bien la frquence nominale du rseau. Pour les frquences diffrentes, ou pour les rgimes transitoires, l'image de la tension fournie est entache d'erreur. C'est pourquoi ces appareils ne peuvent pas tre employs pour des protections qui ne filtrent pas les rgimes transitoires. Cependant, plus l'impdance de charge est leve (charge faible), plus la prcision reste bonne des frquences diffrentes de la frquence nominale. n tant le rapport de transformation.

Ferrorsonance:

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ce phnomne n'a pas, jusqu' ce jour, t observ sur les rducteurs de tension capacitifs utiliss sur le rseau EDF. Il semble toutefois que ce problme soit apparu sur d'autres rseaux, ce qui a conduit dvelopper des circuits de suppression de la ferrorsonance:

charge

circuit actif On interpose un circuit rsonant 50 Hz entre le rducteur et une rsistance additionnelle. Lorsque la frquence est diffrente de 50 Hz, la rsistance du circuit secondaire augmente rapidement, ce qui "casse" le phnomne.

charge Rf Lf R

Circuit passif Un clateur s'amorce en cas de surtension due la ferrorsonance. La rsistance R se trouve alors introduite dans le circuit. Si la ferrorsonance se maintient, la ractance Lf se sature et courtcircuite Rf, ce qui modifie l'impdance du circuit.

Bibliographie [5], [6], [97]

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4 - PROBLEMES DE SECURITE LIES AUX REDUCTEURS DE MESURE 4 - 1 - Rducteurs de courant.

En fonctionnement normal, le flux cr par le courant primaire est presque intgralement compens par le flux cr par le courant secondaire. Mais si le secondaire est ouvert, la tension au secondaire est proportionnelle la drive du flux primaire et peut atteindre des valeurs trs importantes; plusieurs milliers de volts pour les rducteurs classe PS ou ME 21 qui se saturent rapidement, et plusieurs dizaines de milliers de volts pour les rducteurs type MA 102 ou MA 103, qui ne se saturent pas. C'est pourquoi: Toute intervention sur un circuit courant se fait en court-circuitant au pralable le circuit secondaire par un organe de scurit appel court circuiteur d'intensit.

De plus, les diffrentes connexions sont ralises avec des connecteurs spciaux, type SECURA ou ENTRELEC. Enfin, pour les rducteurs type MA 102 et MA 103, un dispositif limiteur de tension est install. Lorsqu'un rducteur possde plusieurs noyaux, le circuit secondaire associ chacun de ces noyaux est protg par un seul court - circuiteur d'intensit.

4 - 2 - Rducteurs de tension Quand des personnes, travaillant sur les quipements basse tension d'un dpart, injectent au secondaire d'un de ces appareils une tension alternative de quelques dizaines de volts, une tension de plusieurs dizaines de milliers de volts apparat au primaire. Si d'autres personnes travaillent sur des conducteurs raccords ce primaire, elles peuvent tre lectrocutes. Il est impratif, avant de travailler sur le primaire d'un rducteur de tension, de sparer son circuit secondaire des quipements basse tension qu'il alimente par un organe de scurit. Un rducteur de tension possde un seul circuit secondaire, qui est ensuite scind en plusieurs parties, trois gnralement, pour alimenter les diffrents quipements utilisateurs. Schmatiquement, la rpartition est la suivante: - automates et capteurs - protection principale - protection de secours Chaque circuit est protg individuellement, soit par des fusibles, soit par un disjoncteur. Le choix de la protection peut imposer le type de protection (voir "rupture fusible", 21123)

Bibliographie [7], [8], [9]

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5 - MISE EN SERVICE

5 - 1 - Problmes de reprage

Pour les rducteurs de courant, la norme NFC 42-502 indique que la borne P1 est isole du capot mtallique entourant la tte, et P2 au potentiel de cette tte. Les bornes P1 et S1 sont des potentiels de mme sens. Sur les schmas normaliss EDF, la borne P2 est ct ligne. La recommandation CEI en rfrence ne donne pas d'indication sur ce sujet et de nombreux pays utilisent la convention inverse.

Pour les rducteurs de tension, la norme NFC 42-501 spcifie que la borne P1 est au potentiel de la ligne, et que la borne P2 est relie la terre. Les bornes P1 et S1 sont des potentiels de mme sens. Mais la recommandation CEI donne des indications diffrentes.

Il importe donc, pour chaque pays, de se renseigner sur les conventions qu'il utilise.

5 - 2 - Essais de mise en service A EDF, nous faisons trs peu d'essais de mise en service, les certificats d'essai de rception des constructeurs faisant foi. Nous vrifions - que la borne P2 est bien du ct des barres, - que le limiteur de tension des rducteurs de courant entrefer fonctionne correctement. Pour cela, nous dconnectons ce limiteur de l'quipement, et l'alimentons avec une tension croissante. Il doit devenir passant pour une tension suprieure 550 V. Nous faisons ensuite dcrotre le courant jusqu' ce qu'il redevienne non passant, et notons la valeur du courant juste avant qu'il ne se coupe.

Bibliographie [4], [5], [6], [76]

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6 - REDUCTEURS OPTIQUES

Ces appareils sont encore exprimentaux. Ils utilisent l'effet des champs lectriques et magntiques sur le plan de polarisation de la lumire: - les rducteurs de tension utilisent l'effet POKKELS. On fait circuler un rayon laser polaris l'intrieur d'une fibre optique ralise avec un verre de qualit particulire, flint lourd, et enroule dans un champ lectrique cre par la tension. Le plan de polarisation de la lumire tourne d'un angle proportionnel ce champ. Un analyseur et un amplificateur placs l'extrmit de la fibre permettent d'obtenir un signal lectrique image de la tension primaire. - les rducteurs de courant utilisent l'effet FARADAY. On fait de mme circuler un rayon laser polaris l'intrieur d'une fibre optique enroule dans un champ magntique cre par le courant primaire. Le plan de polarisation de la lumire tourne d'un angle proportionnel au champ magntique. Le traitement est ensuite identique au prcdent.

Ces appareils, outre les amliorations escomptes sur la prcision, l'encombrement et le prix, ont l'avantage de s'affranchir totalement des problmes de saturation. De plus les contraintes de scurit inhrentes aux rducteurs classiques sont supprimes. Cependant ils ne sont compatibles qu'avec des protections faible niveau d'entre. De plus, il n'existe pas, actuellement, de protocole de dialogue normalis entre les rducteurs et les quipements utilisateurs: protections, automates. Ceci impose de confier au mme constructeur l'ensemble rducteurs - protections, ce que les utilisateurs n'acceptent pas. Un consensus semble toutefois se dessiner, qui pourrait conduire un protocole de dialogue normalis.

Bibliographie [10], [11]

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TROISIEME PARTIE (en cliquant ci-dessus, tu retournes la table des matires gnrale)

PROTECTION CONTRE LES COURTS-CIRCUITS1 - Protection contre les courts-circuits des rseaux en antenne

- notion de slectivit - protection maximum d'intensit - protection Buchholz - protection masse - cuve - protection d'antenne passive - protection masse - cble - protection des batteries de condensateurs - protection contre la ferrorsonance - protection contre les flux trop levs - fonctionnement de l'ensemble

2 - Protection contre les courts-circuits des rseaux boucls- protection de distance

. principe . protection lectromcanique . protection statique . protection numrique . tlprotection - protection comparaison de phase - protection diffrentielle . de ligne . de canalisation souterraine . de liaison courte . de barres - protection homopolaire

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Protection et surveillance des rseaux de transport d'nergie lectrique - Volume 1 1 - PROTECTION CONTRE LES COURTS-CIRCUITS DES RESEAUX EN ANTENNE

1 - 1 - NOTION DE SELECTIVITE Considrons un cas simple : celui d'un rseau alimentant une charge passive travers un transformateur. De plus nous supposerons que les dfauts affectent simultanment les trois phases et ne sont pas rsistants. Le rseau peut alors tre reprsent par ses grandeurs directes (voir la thorie des composantes symtriques, en annexe 1 )

P2 Poste A Zs = 2,5 X Icc = 20 kA U = 90 kV P = 36 MVA X Zl = 10 X Poste B Poste C X P3 Zdt = 37 (16%) X P4 X P5 X P6

Zs est l'impdance directe de source , c'est dire l'impdance directe du rseau qui alimente le poste A IccA est le courant de court-circuit au poste A, li Zs par : IccA = 90 kV / 3 * Zs

ZL est l'impdance directe de la ligne. Elle est de l'ordre de 0,4 par km , mais doit tre mesure, ou dfaut calcule, pour chaque ouvrage [annexe 3]. Zcc est l'impdance de court-circuit du transformateur . Elle est souvent donne en pourcentage de l'impdance nominale Zn. Zn = U / P = (90 kV) / 36 = Zcc = 16 % de Zn = 225 37

Le courant maximal circulant dans la ligne AB est de 230 A .C'est celui qui permet de fournir les 36 MVA au transformateur. Au poste A, une protection maximum d'intensit P1 a t place sur chacune des phases , au dpart de la ligne AB. De mme, au poste C, une protection maximum d'intensit a t place sur chacun des dparts 20 kV: P2,P3,P4,P5,P6. Dans chacun d'eux circule une intensit maximale de 207 A . Lorsque un dfaut apparat sur un lment de ce rseau , le rle de chaque relais de protection est d'abord de commander, s'il y a lieu, l'ouverture du disjoncteur situ sur le mme dpart, de telle sorte que l'ouvrage o se trouve le dfaut, et lui seul, soit mis hors tension. On dit alors que le dfaut est limin .Si un relais de protection, ou un disjoncteur , ne fonctionne pas , d'autres protections doivent faire ouvrir d'autres disjoncteurs, de telle manire que le dfaut soit quand mme limin. D'o deux types de dclenchement :

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a - dclenchement instantan , c'est dire dans le cas o tout fonctionne correctement. Le seuil de courant de la protection P1 doit tre rgl de telle manire que tous les dfauts situs sur la ligne AB soient limins, mais qu'aucun de ceux situs sur les lignes 20 kV ne provoque son fonctionnement. Un court-circuit en B provoque la circulation en A d'un courant de: Icc1 = 90 000 / 3 * (2,5 + 10) = 4 150 A

Un court-circuit au dpart d'une des lignes 20 kV cre un courant donn par : Icc2 = 90 000 / 3 * (2,5 + 10 + 37) = 1 050 A

Pour que le relais situ en P1 mette un ordre de dclenchement correct , il faut que le seuil de courant soit situ entre 1050 A et 4150 A . Nous prendrons par exemple 2600 A . Le seuil de courant de la protection P2 est rgl 300 A , c'est dire lgrement au dessus du courant maximal de la ligne . Il en est de mme pour les protections des autres dparts 20 KV . b - dclenchement temporis, c'est dire en secours. Supposons qu'un dfaut apparaisse sur une ligne 20 kV, L2 par exemple , et que le disjoncteur correspondant ne s'ouvre pas . Dans ce cas , c'est la protection P1 qui devra commander l'ouverture de son disjoncteur , mettant ainsi hors tension la ligne 90 KV et les lignes 20 kV. Mais pour cela il faudra avoir la certitude que le disjoncteur de L2 devait s'ouvrir , et qu'il ne l'a pas fait . D'o deux rglages : - Rglage de seuil : Is > 300 * (20 / 90) = 66 A, afin qu'il ne soit pas plus sensible que P2 , Is > 230 A, afin qu'il soit insensible au courant de transit normal .

Nous prendrons 300 A - Rglage de temporisation . Il faut attendre que : . P2 ait eu le temps d'mettre son ordre de dclenchement , (temps maximal ) . son disjoncteur ait eu le temps de couper le courant de court-circuit , (temps maximal ) . P1 ait eu le temps de s'apercevoir que le courant tait coup , et d'arrter la temporisation , . un temps de scurit C'est la somme de ces quatre temps , diminue du temps minimal au bout duquel P1 met en route sa temporisation , qui donne la valeur de rglage de la temporisation . Pour des protections et des disjoncteurs modernes ils sont de l'ordre de : . dclenchement de P2 . ouverture du disjoncteur . retombe de P1 . temps de scurit . mise en route de P1 Nous prendrons donc 40 + 50 + 45 + 35 - 20 = 40 ms = 50 ms = 45 ms = 35 ms = 20 ms = 150 ms.

Cette notion de slectivit, obtenue en combinant d'une part des rglages de grandeurs lectriques, et d'autre part des rglages de temporisations, se retrouve dans tous les systmes de protection.

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Nota: Dans le rseau dcrit ci-dessus, pourtant simple, le systme de protection est nettement insuffisant: il manque une protection pour le transformateur et pour le jeu de barres 20 kV, et le dfaut entre une phase et la terre n'est pas trait. D'autre part, les fourchettes de rglage sont trs larges. En fait, dans bien des cas elles peuvent tre beaucoup plus troites. On pourra par exemple le constater en installant trois transformateurs au lieu d'un seul , chaque ligne 20 KV transportant une charge triple. Enfin , dans ce rseau , tout dfaut sur la ligne 90 KV, ou sur le transformateur, ou sur les barres 20 kV, provoque la coupure de tous les clients aliments par les lignes 20 kV. Un tel inconvnient, s'il peut tre admis pour les tensions de cet ordre, doit tre vit pour les tensions plus leves, et pour cela le rseau doit tre interconnect. Il devient alors, comme nous le verrons plus loin, beaucoup plus difficile protger .

Bibliographie [21], [22], [23], [88], [91], [92]

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1- 2 - PROTECTION A MAXIMUM D'INTENSITE Cette dnomination regroupe les fonctions suivantes: - Relais instantan: lorsqu'un seuil de courant est dpass , le relais met aussi rapidement que possible un ordre de dclenchement . - Relais temporis: lorsqu'un seuil de courant est dpass , une temporisation est mise en route . Si l'chance de cette temporisation le seuil est toujours dpass , le relais met un ordre de dclenchement . - Relais temps inverse: le dclenchement est mis au bout d'un temps inversement proportionnel la valeur du courant . - Relais directionnel: c'est une fonction supplmentaire , que l'on ajoute l'une ou l'autre des prcdentes: l'ordre de dclenchement n'est mis que si la puissance transite dans un sens donn. Pour laborer cette fonction le relais doit tre aliment aussi en tension, car le sens de transit est donn par le dphasage entre la tension et le courant.

Les relais de protection utiliss sur les rseaux sont gnralement des combinaisons de ces fonctions. Par exemple un relais est mis en route par le dpassement d'un seuil de courant, puis attend un temps fixe , puis , chance de ce temps attend un temps inversement proportionnel au courant, puis met un ordre de dclenchement si la puissance circule dans un sens donn. Il revient au repos lorsque le courant retombe au-dessous du seuil initial . Ces relais peuvent tre installs sur chacune des phases d'un ouvrage . On les appelle alors relais de surintensit . Ils peuvent aussi utiliser la somme des trois courants de phase de l'ouvrage. On les appelle alors relais de courant homopolaire. Ils utilisent soit un transformateur annexe ralisant la somme des trois courants issus des rducteurs principaux , soit un rducteur plac sur la connexion de neutre primaire ou secondaire du transformateur de puissance . Ils peuvent aussi tre installs sur les connexions de gaine des cbles ou sur la connexion de mise la terre des cuves de transformateurs de puissance .

Bibliographie [13]

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1 - 3 - PROTECTION BUCHHOLZ

C'est un dispositif destin protger les transformateurs de puissance huile contre les dfauts internes. Son principe n'est pas bas sur une mesure lectrique, mais sur un critre mcanique: lors d'un amorage interne, ou d'un chauffement anormal, il se produit un dgagement de gaz. Si ce dgagement est faible, un flotteur s'abaisse progressivement et fait fonctionner un relais d'alarme. Si le dgagement est plus violent, il provoque un mouvement d'huile qui fait basculer une palet

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