généralités sur les défauts et systèmes de protection

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Généralités sur les défauts et

système de protection

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Plan

• Défauts et phénomènes affectant le réseau

• Remèdes appliqués

•

Rôles et qualité d’un système de protection • Principe de fonctionnement et type de relais

• Alimentation des protections: réducteurs de

mesure

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Types de défauts affectant les réseaux

• Défauts de court-circuit

– Monophasé

– Biphasé

– Triphasé

– Polyphasé à la terre

• Surtensions

– Atmosphérique

– Manœuvres

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Causes naturelle et environnementale

• Les aléas météorologiques (orage,

intempéries, brouillard, vent, …)

• Les pannes et les agressions extérieures

• Les dysfonctionnements liés au facteurhumain

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Autres causes

• Dans le second cas, les défauts ont pour

origine le réseau lui-même. Les causes

internes sont principalement les avaries de

matériels (lignes, câbles, transformateurs,

réducteurs de mesures, disjoncteurs, …)

engendrées par des ruptures mécaniques ou

le vieillissement des isolants, et lesmanœuvres inopportunes qui peuvent être

liées à une défaillance humaine ou matérielle.

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Caractéristiques des défauts

Les courts-circuits sont principalement caractérisés par :

• Leurs durées : auto-extincteur, fugitif ou permanent ;

• Leurs origines : mécaniques (rupture de conducteur, liaisonélectrique accidentelle entre deux conducteurs), surtensionsélectriques (d’origine interne ou atmosphérique), ou à la suited’une dégradation de l’isolement (consécutive à la chaleur,l’humidité ou la corrosion) ;

• Leurs localisations : interne ou externe à l’ouvrage en défaut ;

Outre ces caractéristiques, les courts-circuits peuvent être :

• Monophasés : 80% des cas ;• Biphasés : 15% des cas ;

• Triphasés : 5% seulement dès l’origine.

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conséquences

• Les courants de court-circuit engendrés par les défautsperturbent le bon fonctionnement du système électrique.Ils provoquent en effet :

• Des chutes de tension (creux de tension) sur le réseau, dont

l’amplitude et la durée sont fonction de la formemonophasée ou polyphasée des défauts, de leuremplacement, ainsi que des temps d’élimination ;

• Des contraintes d’échauffement et des effortsélectrodynamiques au niveau des matériels qui peuventavoir des effets destructeurs si les limites de tenue dumatériel sont dépassées ;

• Des contraintes dynamiques (d’accélération en particulier)au niveau des groupes de production.

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L’écroulement de la tension

• Outre son aspect contractuel vis-à-vis des clients, lecontrôle de la tension en tout point du système électriqueest nécessaire pour assurer un comportement correct desmatériels, garantir le bon fonctionnement global dusystème et éviter l’apparition de phénomènes du type

écroulement de tension.• La tension est une grandeur locale, fortement influencée

par les variations de consommation et les transits depuissance réactive. Celle-ci se transporte mal et au prix dechutes de tension importantes. La tension est donc réglée à

partir de sources de puissance réactive (groupes,condensateurs, réactances, …) réparties sur le réseau.

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• Pour une zone donnée, ces sources peuvent ne plus être suffisantespour satisfaire les besoins à la suite, par exemple, d’un évènementdu type déclenchement d’ouvrages de transport ou de groupes,évolution imprévue de la consommation.

• L’importation de la puissance réactive manquante à partir des zones

voisines provoque des chutes de tension importantes sur le réseauHTB. Pour pallier cet inconvénient, des régleurs en chargeautomatiques, installés au niveau des transformateurs HTB/HTA,permettent normalement de rattraper ces chutes. Ceci a cependantpour conséquences de réduire l’impédance entre la source et lacharge, d’augmenter le courant et donc d’abaisser un peu plus la

tension de la zone au rythme des changements de prise destransformateurs.

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• Si, en outre, l’appel de puissance réactive de lazone dépasse les capacités de secours des zonesvoisines, qui sont par nature limitées, l’appel depuissance réactive supplémentaire produit les

mêmes effets sur les zones adjacentes et conduità l’extension du phénomène.

• En deçà d’un certain niveau bas de tensionappelé « tension critique », on se heurte à des

problèmes de limite de puissance activetransmissible, ce qui conduit à l’écroulement duplan de tension si aucune mesure n’est prise.

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L’écroulement de la fréquence

• La stabilité de la fréquence traduit l’équilibre entre laproduction et la consommation, c’est-à-dire entre les forcesmotrices des centrales et le couple résistant quereprésentent les charges. Si la demande (la consommation)excède l’offre (la production), le système électrique est en

déséquilibre, la vitesse des machines et par voie deconséquence la fréquence du réseau baissent. Par contre, sic’est l’offre qui est supérieure à la demande, les groupesaccélèrent et la fréquence augmente.

• Comme la consommation fluctue par nature, il est

nécessaire d’adapter en permanence le niveau de laproduction pour maintenir la fréquence à une valeur stablede référence : 50 Hz.

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La rupture de synchronisme

• Sur un réseau non perturbé, tous les rotors des alternateurs tournent à lamême vitesse électrique. On parle alors de fonctionnement synchrone etla vitesse commune définit la fréquence du système électrique.

• Ce synchronisme est dû à l’existence d’un lien élastique appelé « couplesynchronisant » qui, au travers des grandeurs électriques, solidarise lesgénérateurs entre eux.

• Tant que le couple moteur appliqué par la turbine et le couple résistant dûaux charges raccordées au stator ne s’éloignent pas trop de l’équilibre, lesynchronisme est assuré par l’action des régulateurs de tension et devitesse, le système est donc stable.

• Dans certaines situations (un court-circuit de durée excessive, parexemple), ce lien élastique peut être rompu. Des glissements peuvent se

produire entre les alternateurs qui ne tournent plus à la même vitesse.L’onde de tension en chaque point du réseau résulte de la composition desources de tension à des différentes fréquences, il apparaît alors desbattements de tension et de courant et le système perd sa stabilité.

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Remèdes et actions

• Lorsqu’un défaut apparaît sur un ouvrage du

réseau, il faut mettre l’ouvrage concerné hors

tension en ouvrant le (ou les) disjoncteur(s)

qui le relie(nt) au reste du réseau. Lesfonctions de détection du défaut et de

commande de déclenchement sont assurées

par des dispositifs particuliers : lesprotections.

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Situations de fonctionnement du

système électrique

Réaction du système de protection

Séquence non contrôlée

Opération manuelle ou automatique

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Les plans de protections

FIABILITÉ

• La notion de fiabilité recouvre à la foisl’absence de fonctionnement intempestif

(sûreté) et l’absence de défaut defonctionnement ou défaillance (sécurité).

• Le non-fonctionnement d’une protection est

contraignant puisqu’il conduit à uneélimination tardive et non sélective desdéfauts.

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SÉLECTIVITÉ

• Le réseau de transport est le siège de transits continus d’énergieélectrique. En cas de déclenchement d’un ouvrage, il se produitinstantanément un report de charge sur les ouvrages restant enservice.

• Il est indispensable de ne déclencher que les ouvrages strictementnécessaires à l’élimination du défaut, sous peine d’être confronté àdes conditions de transit insupportables sur d’autres ouvrages,entraînant des déclenchements en cascade. La sélectivitéd’élimination des défauts est donc indispensable pour garantir lapérennité du fonctionnement du système électrique.

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Protection secours

• D’autre part, chaque système doit être tel,

qu’en cas de défaillance d’une protection ou

d’un disjoncteur, un secours soit toujours

assuré. Ce secours peut être réalisé soitlocalement (par doublement de protections),

soit à distance par les protections des autres

ouvrages du réseau. Ce secours est toujoursmoins performant en sélectivité et en rapidité.

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RAPIDITÉ

• Dans la plupart des réseaux THT et HT, c’est lemaintien de la stabilité transitoire defonctionnement des groupes générateurs qui

impose le temps maximal d’élimination desdéfauts.

• Par ailleurs, la tenue aux courants de court-circuitles plus élevés des matériels sous enveloppe

métallique impose d’éliminer très rapidement lesdéfauts entre phase et masse pour éviter lepercement des enveloppes.

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Plan de protection

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• Figure 1 illustrates primary relaying. The first

observation is that circuit breakers are located

in the connections to each power element.

This provision makes it possible to disconnectonly a faulty element. Occasionally, a breaker

between two adjacent elements may be

omitted, in which event both elements mustbe disconnected for a failure in either one.

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• The second observation is that, without at this

time knowing how it is accomplished, a

separate zone of protection is established

around each system element. The significanceof this is that any failure occurring within a

given zone will cause the tripping (i.e.,

opening) of all circuit breakers within thatzone, and only those breakers.

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Plan de protection du réseau de

transport Protection des jeux de barres• On désigne par défauts barres les défauts qui sont situés dans le

poste à l’intérieur de la zone délimitée par les transformateurs demesure de courant qui équipent les départs. Cette zone est appeléezone barres.

• Outre son incidence sur le matériel, ces défauts peuvent êtreparticulièrement contraignants pour la stabilité du réseau detransport, et pour la qualité de l’alimentation de la clientèle sur leréseau de distribution. Ainsi, des systèmes de protectionparticuliers sont mis en œuvre pour détecter et localiser le tronçonde barres en défaut et procéder à sa mise hors tension.

• En cas d’absence d’une protection barres, le défaut est éliminé parla mise hors tension de tout le poste (départs HTB,autotransformateurs HTB/HTB, transformateurs HTB/HTA, départsHTA).

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Protection des jeux de barres

• Le système utilisé pour l’élimination des défauts barresest constitué :

• Soit d’une protection différentielle barres, réalisantl’élimination du défaut par ouverture locale, au poste

concerné, des couplages et tronçonnements délimitantle tronçon de barres en défaut et des disjoncteurs desdéparts aiguillés sur ce tronçon ;

• Soit d’une protection de débouclage de barres,réalisant la séparation du tronçon de barres en défaut

par rapport au reste du poste, complétée par lefonctionnement en deuxième stade des protections dedistance des départs encadrant le tronçon en défaut.

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Principe de fonctionnement de la

protection différentielle barres

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Architecture de la protection

différentielle barres

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M d & l ith d



Mode & algorithmes defonctionnement

• La protection est basée sur le principe différentiel àcourant de retenue et phases séparées. La techniques’appuie sur l’application numérique de la loi duKirchhoff qui permet d’effectuer une détection

sélective et un isolement rapide de la section de jeu debarres en défaut.

• Pour assurer l’adaptation de l’équipement à n’importequelle configuration de jeu de barres, la protectiondifférentielle et construite avec un algorithme

universel de traitement de topologie. Cet algorithmedétermine la zone de déclenchement optimale, fondéesur l’état des sectionneurs d’isolement et desdisjoncteurs du poste.

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Caractéristique de fonctionnement

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Courant diff érentiel : i diff n œud (t) = i 1 + i 2 + i 3 + ...... + i n Courant de fonctionnement : i diff (t) = i diff n œud (t) = i

Courant de retenue : i bias (t) = i 1 + i 2 + i 3 + ...... + i n = i n



• Les transformateurs de courantou les disjoncteurs ouvertsencadrant les jeux de barresdéfinissent les limites des zonesprincipales. Lorsqu’undisjoncteur de départ de ligne

est ouvert, une zone morte estcréée entre le disjoncteur et leTC associé.

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La protection de cette zone morte est généralement assurée parles protections à maximum de courant.



PROTECTION DE DÉBOUCLAGE DES BARRES

• Ce système élimine le défaut en deuxétapes :

• Ouverture, dans le poste en défaut,des disjoncteurs de couplage HTB etHTA. Ce débouclage des barres permetd’isoler la barre en défaut de cellesainte.

• Ouverture, dans les postes encadrant,

des départs alimentant la barre endéfaut par le deuxième stade desprotections de distance.

• Vu que certains postes importantsSTEG sont dépourvus de protectiondifférentielle barre, le DPTTE a mis enœuvre un système de débouclage desbarres par zone amont des protections

de distance. Ce système ne permettrapas une élimination rapide des défautsbarre, mais évitera le manque detension au poste lieu de défaut ensauvegardant la barre saine soustension.

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JDB 1

JDB 2

Poste 1

Poste 4 Poste 3

Poste 2

Charge

Charge

Portée 10% de la ligne la plus courte en amont

Tempo 0,2 sec

Ouvrage à déclencher Disjoncteur de couplage



Protection des lignes aériennes

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Protection de distance 3.2.1.1- Caractéristique de fonctionnement La majorité des relais de distance numériques mesurent l’impédance absolue du défaut, puis déterminentl’opération à effectuer accordant aux zones de fonctionnement définies sur leurs diagrammes R/X. Lescaractéristiques de ces relais sont quadripolaires, donc réglables en réactance et en résistance.



• La localisation d’un défaut sur la ligne à protéger est réalisée au niveau de laprotection par deux mesures de distance : la première couvre généralement 80%de la longueur de la ligne, la deuxième dépasse la ligne généralement de 20%.

• La première, compte tenu des erreurs propres de mesure et des imprécisions de laconnaissance des caractéristiques de l’ouvrage, permet d’identifier le défaut defaçon sûre sur la ligne et de procéder au déclenchement immédiat. Le défaut estalors dit en « zone 1 » et éliminé en « 1er stade ».

• La seconde permet de couvrir le reste de l’ouvrage, mais a une portée qui va au -delà des barres du poste opposé et couvre, dans une certaine mesure, les départsqui y sont raccordés. Il est nécessairement temporisé pour être sélectif vis-à-visdes défauts qui pourraient y survenir et qui doivent être éliminés par lesprotections locales. Le défaut est alors dit en « zone 2 » et éliminé en « 2ème stade ».

• Les « zones 3 » et « zone 4 » sont des stades de secours pour les protectionsdirectement en aval ou en amont, et n’interviennent qu’en cas de défaillance deces dernières.

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PROTECTION À MAXIMUM DE COURANT

• Sur le réseau de transport, la fonction Max de I est considéréecomme le deuxième secours en cas de défaillance d’une protectionde distance, après les 2ème et 3ème stades des protections dedistance des départs encadrants. Par ailleurs, et en cas de détectiond’une fusion fusible, la protection Max de I prend le relève à laprotection de distance qui se bloque dans ces circonstances.

• Dans le plan de protection de la STEG, on utilise la fonction Max de Iphase non directionnelle à temps constant. Elle surveille le courantcirculant sur chaque phase du départ protégé, si un dépassementdu seuil de courant est détecté sur l’une des trois phases, unetemporisation est lancée. Si à l’échéance de cette temporisation le

seuil est toujours dépassé (ce qui veut dire que le défaut esttoujours non éliminé), le relais émet un ordre de déclenchementtriphasé.

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PROTECTION COMPLÉMENTAIRE

• La protection complémentaire est protectiondirectionnelle à maximum de courant de terre. Plussensible aux faibles courants résiduels, elle permet decompléter l’action du système de protection des lignes

aériennes en éliminant les défauts résistifs à la terrenon détectés ni par la protection de distance ni par laprotection à maximum de courant.

• Elle est, dans la majorité des cas, configurée dans la

protection de secours externe. Si cette dernière faitdéfaut, elle peut être paramétrée dans certains typesde protections principales numériques.

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Protection des câbles souterrains

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Lorsque l’une des 2 unités détecte un défaut, elle envoie un signal de télé-déclenchementvers l’unité distante pour assurer le déclenchement de la zone protégée dès que l’une des

2 unités de la protection détermine l’existence des conditions d’un défaut

Idiff base 0,3 In

Pente 1 30%

Pente 2 Entre 95% et 150%

Point de rupture Entre 2 In et 2,5 In



Protection masse écran câble

• C’est une protection à maximum de courant installée, à travers unTC, sur la mise à la terre de l’écran du câble. Donc cette protectiondétecte uniquement les défauts à la terre survenant sur la portionsouterraine de la liaison.

• Cette protection n’émet par d’ordre de déclenchement, elle sert

uniquement à bloquer le réenclencheur. En effet, et en présencede cette protection on peut activer le réenclenchementautomatique des deux côtés de la liaison, et vu que le démarragede cette protection implique la présence d’un défaut sur la portioncâble, le réenclencheur automatique du côté de la portionsouterraine est bloqué afin de ne pas rétablir sur ce genre de

défaut.

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Seuil I 800 AHT

Tempo Instantanée

Action Bloque réenclencheur



PROTECTION DIFFÉRENTIELLE TRANSFORMATEUR

• Une protection différentielle compareles courants entrant et sortant dutransformateur. Lorsqu’un défautapparaît dans sa zone, elle opèreinstantanément quand le courantdifférentiel mesuré est supérieur à la

valeur programmée dans le relais.

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Idiff> 0,3 In

Pente 1 0,38

Pente 2 0,50

Point de rupture 2,5 In

Seuil blocage

harmonique 2

15%

Seuil blocage

harmonique 5

30%

Idiff>> 7,0 In



SYNCHRO-CHECK

• Le relais de contrôle desynchronisme (ou synchro-check) surveille 3 grandeurs :

• La différence d’angle dephase ;

• La tension ;

•

La différence de fréquence.

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Δθ 20 °

ΔU 10%

ΔF 0,1 Hz

Temporisation 100 sec



PROTECTION DÉFAILLANCE DISJONCTEUR

• La fonction défaillance disjoncteur permet de vérifier que lorsqu’unordre de déclenchement est donné à un disjoncteur, celui-ci s’ouvrecorrectement.

• Cette protection supervise le fonctionnement du disjoncteur dans desdélais raisonnables et prévus. Si le courant de défaut n’est pasinterrompu à l’issue d’une temporisation définie à partir de

l’initialisation de l’ordre de déclenchement, la protection défaillancedisjoncteur fonctionne.

• Lorsqu’un ordre de déclenchement est émis, la protection défaillancedisjoncteur démarre une temporisation. Si au bout de cettetemporisation un courant de défaut est toujours détecté, la protectiondéclenchera alors tous les disjoncteurs encadrants.

40

Seuil courant 1,0.In

Temporisation 1 180 ms



PROTECTION À MINIMUM DE TENSION

• Si un manque de tension général est enregistré dans unposte (suite à un défaut barre ou une situationanormale d’exploitation), il peut arriver que certainsdisjoncteurs de certains départs restent fermés. Vu que

dans ce cas aucune protection contre les courts-circuitsou contre les anomalies réseau ne peut démarrer, c’estla protection à minimum de tension qui va ouvrir cesdisjoncteurs pour déconnecter le poste en question.

Seuil tension 70% Un

Temporisation 3,2 sec

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