Protection des rseaux lectriques

Guide de la protection

Guide

Une nouvelle voie pour raliser vos installations lectriques

Une offre complte

Le Guide de la Protection complte loffre des produits parfaitement coordonns qui rpondent lensemble des besoins de distribution lectrique moyenne et basse tension. Tous ces produits ont t conus pour fonctionner ensemble : cohrence lectrique, mcanique et communication.Ainsi, linstallation lectrique est la fois optimise et plus performante :b meilleure continuit de service,b scurit accrue pour les personnes et les biens,b garantie dvolutivit,b surveillance et pilotage efficaces.Vous disposez ainsi de tous les atouts en termes de savoir-faire et crativit pour des installations optimises, sres, volutives et conformes.

Des outils pour faciliter la conception et la mise en uvre

Avec Schneider Electric, vous disposez dune panoplie complte doutils qui vous accompagnent dans la connaissance et la mise en uvre des produits et tout cela, dans le respect des normes en vigueur et des rgles de lart. Ces outils, cahiers et guides techniques, logiciels daide la conception, stages de formation... sont rgulirement actualiss.

Pour un vrai partenariat avec vous

Parce que chaque installation lectrique est un cas particulier, la solution universelle nexiste pas. La varit des combinaisons qui vous est offerte vous permet une vritable personnalisation des solutions techniques.Vous pouvez exprimer votre crativit et valoriser votre savoir-faire dans la conception, la ralisation et lexploitation dune installation lectrique.

Schneider Electric sassocie votre savoir-faire et votre crativit pour des installations optimises, sres, volutives et conformes.

1Sommaire0

Prsentation 2Architecture des rseauxCritres de choix 4Exemples darchitectures 5Rgimes de neutreCinq modes de liaison la terre du neutre 6Neutre isol 7Mise la terre par rsistance 8Mise la terre par ractance faible 9Mise la terre par ractance de compensation 10Neutre direct la terre 11Courants de court-circuitIntroduction aux courts-circuits 12Types de courts-circuits 14Court-circuit aux bornes dun gnrateur 16Calcul des courants de court-circuit 17Comportement des matriels au court-circuit 18CapteursCapteurs de courant phase (TC) 19Capteurs de courant phase (LPCT) 21Capteurs de courant rsiduel 22Transformateurs de tension (TT) 23Fonctions de protectionCaractristiques gnrales 24Liste des fonctions 26Fonctions associes 27SlectivitSlectivit chronomtrique 28Slectivit ampremtrique 30Slectivit logique 31Slectivit par protection directionnelle 32Slectivit par protection diffrentielle 33Slectivits combines 34Protection des rseaux Rseau une arrive 36Rseau deux arrives 38Rseaux en boucle ouverte 40Rseaux en boucle ferme 41Protection des jeux de barresTypes de dfauts et dispositifs de protection 42Protection des liaisons (lignes et cbles)Types de dfauts et dispositifs de protection 44Protection des transformateursTypes de dfauts 46Dispositifs de protection 47Conseils de rglages 48Exemples dapplications 49Protection des moteursTypes de dfauts 50Dispositifs de protection 51Conseils de rglages 53Exemples dapplications 54Protection des gnrateursTypes de dfauts 55Dispositifs de protection 56Conseils de rglages 58Exemples dapplications 59Protection des condensateursTypes de dfauts 60Dispositifs de protection 61Conseils de rglages et exemples dapplications 62AnnexesGlossaire Mots cls et dnitions 64Rfrences bibliographiques 66Index des symboles 67Index des termes techniques 68

Guide de la protection

2DE

5735

7

Fig. 1 : chane de protection

Guide de la protection0

IntroductionLes buts viss par les dispositifs de protection sont multiples :b participer la protection des personnes contre les dangers lectriques,b viter les dtriorations de matriel (un court-circuit triphas sur un jeu de barres moyenne tension peut faire fondre jusqu 50 kg de cuivre en 1 seconde ; la temprature de larc peut dpasser en son centre 10 000 C),b limiter les contraintes thermiques, dilectriques et mcaniques auxquelles sont soumis ces matriels,b prserver la stabilit et la continuit de service du rseau,b protger les installations voisines (par exemple, rduire les tensions induites dans les circuits proches).

Pour atteindre ces objectifs, un systme de protection doit avoir des qualits de rapidit, slectivit et abilit.Cependant, il faut tre conscient des limites de la protection : les dfauts doivent tout dabord se produire pour quelle agisse.La protection ne peut donc empcher les perturbations ; elle ne peut que limiter leurs effets et leur dure. De plus, le choix dune protection est souvent un compromis technico-conomique entre la scurit et la disponibilit de lalimentation en nergie lectrique.

Etude des protections dun rseauLtude des protections dun rseau se dcompose en 2 tapes distinctes :b la dnition du systme de protection, encore appele plan de protection, b la dtermination des rglages de chaque unit de protection, encore appele coordination des protections ou slectivit.

Dnition du systme de protectionCest le choix des lments de protection et de la structure globale de lensemble, de faon cohrente et adapte au rseau.Le systme de protection se compose dune chane constitue des lments suivants (g. 1) :b capteurs de mesure courant et tension fournissant les informations de mesure ncessaires la dtection des dfauts,b relais de protection, chargs de la surveillance permanente de ltat lectrique du rseau, jusqu llaboration des ordres dlimination des parties dfectueuses, et leur commande par le circuit de dclenchement,b organes de coupure dans leur fonction dlimination de dfaut : disjoncteurs, interrupteurs-fusibles, contacteurs-fusibles.

Le plan de protection dnit les dispositifs de protection contre les principaux dfauts affectant les rseaux et les machines :b les courts-circuits, entre phases et phase-terre,b les surcharges,b les dfauts propres aux machines tournantes.Pour tablir un plan de protection, les paramtres suivants sont prendre en compte :b larchitecture et la taille du rseau et ses diffrents modes dexploitation, b les schmas de liaison la terre, b les caractristiques des sources de courant et leurs contributions en cas de dfaut, b les types de charges, b le besoin de continuit de service.

Dtermination des rglages des units de protection Chaque fonction de protection est rgler an dobtenir les performances optimales dans lexploitation du rseau et pour tous les modes de fonctionnement.Les valeurs de rglage adaptes sont issues de calculs complets bass sur les caractristiques dtailles des lments de linstallation. Ce type dtude seffectue maintenant couramment laide doutils logiciels spcialiss ; le comportement du rseau sur anomalie est ainsi expliqu, et les valeurs de rglage sont donnes pour chaque fonction de protection concerne.

Prsentation

Les dispositifs de protection surveillent en permanence ltat lectrique des lments dun rseau et provoquent leur mise hors tension (par exemple louverture dun disjoncteur), lorsque ces lments sont le sige dune perturbation indsirable : court-circuit, dfaut disolement Le choix dun dispositif de protection nest pas le fruit dune rexion isole, mais une des tapes les plus importantes de la conception dun rseau lectrique. A partir de lanalyse du comportement des matriels lectriques (moteurs, transformateurs) sur dfauts et des phnomnes qui en dcoulent, le prsent guide a pour but daider choisir les dispositifs de protection les mieux adapts.

Capteur

Coupure

Mesure

Commande

Relais deprotection

Traitement

3DE

5730

4

Fig. 2 : exemple dapplication moteur

DE

5735

8

Fig. 1 : plan de protection

Guide de la protection0

Contenu du guideCe guide sadresse toute personne en charge de ltude des protections dun rseau.Il se dcompose en 2 parties :b partie 1 : Etude de rseau,b partie 2 : Solution par application.

Etude de rseauPartie thorique dtaillant les bases ncessaires ltude dun plan de protection et traitant des questions suivantes :b architecture des rseaux lectriques: quelles sont les principales structures de rseaux lectriques en moyenne tension ?b rgimes de neutre : quels sont les diffrents modes de liaison la terre des rseaux moyenne tension, et comment en faire un choix adapt ?b courants de court-circuit : comment sont-ils caractriss, comment les calcule-t-on, comment les matriels lectriques y ragissent-ils ?b capteurs de mesure : comment utiliser les transformateurs de mesure de courant et de tension ?b fonctions de protection : quelles fonctions remplissent les protections, et quel est leur classement selon la codication ANSI ?b slectivit des protections : quelles sont les mthodes employes pour assurer une bonne limination des dfauts ?

La dtermination prcise des rglages des protections nest pas traite dans ce guide.

Solution par applicationPartie pratique prsentant les types de dfauts propres chaque application : b rseaux, b jeux de barres,b lignes et cbles,b transformateurs,b moteurs,b gnrateurs,b condensateurs,et les dispositifs de protection adapts chaque dfaut, avec des conseils de rglage et des exemples dapplication.

Prsentation

495151N

5151NA

B

38/49T

266349T

M

121427D27R4648 - 51LR49RMS5151G6687T

4Critres de choix 0

Architecture des rseaux lectriquesLensemble des constituants dun rseau lectrique peut tre agenc selon diffrentes structures, dont la complexit dtermine la disponibilit de lnergie lectrique et le cot dinvestissement.Le choix de larchitecture sera donc fait pour chaque application sur le critre de loptimum technico-conomique.

On distingue essentiellement les types suivants :b les rseaux architecture radialev en simple antenne,v en double antenne,v en double drivation,v en double alimentation avec double jeu de barres.b les rseaux bouclsv en boucle ouverte,v en boucle ferme.b les rseaux incluant une production interne dnergiev avec groupes de production locale,v avec groupes de remplacement.Le tableau ci-dessous rsume les caractristiques principales de ces structures et leur comparaison.Diffrents exemples darchitectures sont illustrs page suivante.

Architecture Utilisation Avantages InconvnientsRadiale

Simple antenne Process non exigeants en continuit dalimentationEx. : cimenterie

Structure la plus simpleFacile protgerCot minimal

Faible disponibilit dalimentationTemps de coupure sur dfaut ventuellement longUn seul dfaut entrane la coupure de lalimentation dantenne

Double antenne Process continu : sidrurgie, ptrochimie

Bonne continuit dalimentationMaintenance possible du jeu de barres du tableau principal

Solution coteuseFonctionnement partiel du jeu de barres en cas de maintenance

Double drivation Rseaux tendusExtensions futures limites

Bonne continuit dalimentationSimplicit des protections

Ncessit de fonctions dautomatisme

Double jeu de barres Process grande continuit de serviceProcess avec forte variation des charges

Bonne continuit dalimentationSouplesse dutilisation : transferts sans coupureSouplesse de maintenance

Solution coteuseNcessit de fonctions dautomatisme

En boucleBoucle ouverte Rseaux trs tendus

Extensions futures importantesCharges concentres sur diffrentes zones dun site

Moins coteux que la boucle fermeSimplicit des protections

Coupure dalimentation dun tronon sur dfaut pendant reconguration de boucleNcessit de fonctions dautomatisme

Boucle ferme Rseaux grande continuit de serviceRseaux trs tendusCharges concentres sur diffrentes zones dun site

Bonne continuit dalimentationPas de ncessit de fonctions dautomatisme

Solution coteuseComplexit du systme de protection

Production interne dnergieProduction locale Sites industriels process

autoproducteur dnergieEx. : papeterie, sidrurgie

Bonne continuit dalimentationCot de lnergie (nergie fatale)

Solution coteuse

Remplacement (normal/secours)

Sites industriels et tertiairesEx. : hpitaux

Bonne continuit dalimentation des dparts prioritaires

Ncessit de fonctions dautomatisme

Architecture des rseaux

La solution de protection dun systme lectrique va dpendre de son architecture et de son mode dexploitation. Ce chapitre donne une description comparative des structures typiques de rseaux lectriques.

5Exemples darchitectures 0

Simple antenne Double antenne Lgende :

NF : normalement ferm

NO : normalement ouvert

Tous les appareils de coupure sans lgende sont normalement ferms

DE

5536

1

DE

5536

2

Double drivation Double jeu de barres

DE

5536

3

DE

5536

4

Boucle ouverte Boucle ferme

DE

5536

5

DE

5536

6

Production locale Production de remplacement (normal/secours)

DE

5536

7

DE

5536

8

Architecture des rseaux

NFouNO

NO

NO

NF

NO

NFouNO

NF

NO

NF NO

NF NO

NO NF

NFouNO

NF NO NO NF

NF NF NF NFNF NO

NFouNO

NF NF NF NFNF NF

NFouNO

GG

NFouNO

NFouNO

NF

NO

G

normal/secours

6DE

5720

1

Fig. 1 : schma quivalent dun rseau sur dfaut la terre

Cinq modes de liaison la terre du neutre 0

Impdance de mise la terreLe potentiel du neutre peut tre x par rapport la terre par cinq mthodes diffrencies par la nature (capacit, rsistance, inductance), et la valeur (zro linni) de limpdance ZN de liaison que lon connectera entre neutre et terre :b ZN = : neutre isol, pas de liaison intentionnelle,b ZN est une rsistance de valeur plus ou moins leve,b ZN est une ractance, de valeur faible en gnral,b ZN est une ractance de compensation, destine compenser la capacit du rseau,b ZN = 0 : le neutre est reli directement la terre.

Difcults et critres de choixLes critres de choix concernent de multiples aspects :b techniques (fonction du rseau, surtensions, courant de dfaut, etc.),b dexploitation (continuit de service, maintenance),b de scurit, b conomiques (cots dinvestissements, dexploitation),b habitudes locales ou nationales.En particulier, deux considrations techniques importantes sont contradictoires :

Rduire le niveau des surtensionsDes surtensions trop importantes sont lorigine du claquage dilectrique des isolants lectriques, avec des courts-cicuits comme consquence.Les surtensions ont plusieurs origines :b surtensions de foudre auxquelles sont exposs tous les rseaux ariens jusquau point de livraison aux usagers, b surtensions internes au rseau engendres par les manuvres et certaines situations critiques (rsonances),b surtensions rsultant du dfaut la terre lui-mme et de son limination.Rduire le courant de dfaut la terre (Ik1) (g. 1)Un courant de dfaut trop lev entrane toute une srie de consquences :b dgts par larc au point de dfaut ; en particulier, fusion des circuits magntiques des machines tournantes,b tenue thermique des crans de cble,b dimensions et cot de la rsistance de mise la terre,b induction dans les circuits de tlcommunications voisins,b danger pour les personnes, par lvation du potentiel des masses.Malheureusement, loptimisation de lune de ces exigences entrane automatiquement la dgradation de lautre. Ainsi, deux mthodes typiques de mise la terre du neutre accentuent ce contraste :b le neutre isol, qui supprime la circulation dans le neutre du courant de dfaut terre, mais gnre des surtensions plus importantes,b le neutre la terre direct, qui rduit au minimum les surtensions, mais provoque un courant de dfaut lev.

En ce qui concerne les considrations dexploitation, on notera selon le mode de liaison la terre du neutre adopt :b la possibilit ou non de fonctionner lors dun premier dfaut maintenu,b la valeur des tensions de contact dveloppes,b la plus ou moins grande simplicit de mise en uvre de la slectivit des protections.

Ainsi le choix se portera souvent sur une solution intermdiaire de neutre reli la terre par impdance.

Rgimes de neutre

Le choix de la mise la terre du neutre des rseaux MT et HT a t pendant longtemps un sujet de controverses passionnes, compte tenu de limpossibilit de trouver un compromis unique pour les diffrents types de rseaux. Lexprience acquise permet aujourdhui deffectuer un choix pertinent en fonction des contraintes propres chaque rseau. Dans ce chapitre sont compars les diffrents types de liaison la terre du neutre, qui se distinguent par leur mode de raccordement du point neutre et leur technique dexploitation.

ZN CCCIk1

Synthse des caractristiques des rgimes de neutreCaractristiques Rgimes de neutre

isol compens rsistance ractance directAmortissement des surtensions transitoires + + + + +Limitation des surtensions 50 Hz + + +Limitation des courants de dfaut + + + + + Continuit de service (autorisation du non dclenchement au premier dfaut)

+ +

Protection slective simple + + +Dispense dun personnel quali + + +

Lgende : + bon mdiocre

7DE

5720

2

Fig. 1 : courant de dfaut capacitif sur rseau isol

DE

5720

4

Fig. 3 : dtection par maximum de courant terre directionnelle

DE

5520

3

Fig. 2 : contrleur permanent disolement

Neutre isol 0

Schma de principeIl nexiste aucune liaison lectrique intentionnelle entre le point neutre et la terre, lexception des appareils de mesure ou de protection.

Technique dexploitationDans un tel rseau, un dfaut phase-terre ne provoque quun faible courant par lintermdiaire des capacits phase-terre des phases saines (g. 1).On dmontre que Ik1 = 3 C Vb V tant la tension simple,b C la capacit dune phase par rapport la terre,b la pulsation du rseau avec w = 2 fLe courant de dfaut Ik1 peut subsister longtemps en principe sans dommages car il ne dpasse pas quelques ampres (2 A par km environ pour un cble unipolaire 6 kV de 150 mm2 de section isol au PRC dont la capacit est de 0,63 F/km). Il nest donc pas ncessaire dintervenir pour liminer ce premier dfaut, ce qui confre cette solution lavantage essentiel de maintenir la continuit de service.Mais ceci entrane des consquences :b lisolement doit tre surveill en permanence, et un dfaut non encore limin doit tre obligatoirement signal par un contrleur permanent disolement (CPI) ou par une protection maximum de tension rsiduelle (ANSI 59N) (g. 2),b la recherche ultrieure du dfaut exige dune part un appareillage dautant plus complexe quil est automatique, pour permettre une identication rapide du dpart en dfaut, et dautre part un service entretien quali pour lexploiter,b au cas o le premier dfaut nest pas limin, un deuxime dfaut survenant sur une autre phase va provoquer un vritable court-circuit biphas par la terre, lequel sera limin par les protections de phase.

AvantageLavantage essentiel est la continuit de service du dpart en dfaut parce que le courant de dfaut trs faible permet de ne pas dclencher automatiquement au premier dfaut ; cest un deuxime dfaut qui ncessitera une coupure.

Inconvnientsb La non-limination des surtensions transitoires par coulement la terre est un handicap majeur si elles sont leves.b De plus, en cas de mise la terre dune phase, les autres se trouvent portes la tension compose frquence industrielle (U = 3 V ) par rapport la terre, ce qui renforce la probabilit dun second dfaut. Le cot disolement est plus lev car la tension compose reste applique entre phase et terre pendant une dure qui peut tre longue puisquil ny a pas de dclenchement automatique. b La surveillance de lisolement est obligatoire, avec signalisation du premier dfaut.b Un service entretien quip du matriel adquat pour la recherche rapide du premier dfaut disolement est ncessaire.b La mise en uvre de protections slectives au premier dfaut est dlicate.b Il y a des risques de surtensions cres par ferrorsonance.

ProtectionLa dtection du dpart en dfaut peut se faire par lemploi dune protection maximum de courant terre directionnelle (ANSI 67N) (g. 3).Le schma montre que la discrimination se fait par comparaison de langle de dphasage entre la tension rsiduelle et les courants rsiduels, dune part du dpart en dfaut et dautre part de chaque dpart sain.La mesure du courant seffectue par un tore et le seuil de dclenchement est rgl : pour ne pas dclencher intempestivement, une valeur infrieure la somme des courants capacitifs de tous les autres dparts.Il sensuit une difcult de dtection pour les rseaux peu tendus, soit quelques centaines de mtres de cble.

ApplicationsCest une solution souvent utilise pour les rseaux industriels ( 15 kV) ncessitant la continuit de service.En distribution publique, cette solution se retrouve en Espagne, Italie et Japon.

Rgimes de neutre

V

Ic

CCCIk1

CPI

A67N

IrsdA IrsdB

B67N

Ik1

V0

IrsdA

V0

IrsdB

V0

8DE

5720

5

Fig. 1 : Ralisations de mise la terre pour neutre accessible : rsistance entre neutre et terre

DE

5520

0

Fig. 2 : Ralisations de mise la terre pour neutre accessible :rsistance au secondaire dun transformateur monophas

DE

5520

6

Ralisations de mise la terre pour neutre non accessible :Fig. 3 : rsistance de limitation au secondaire

Fig. 4 : rsistance de limitation au primaire

DE

5720

8

Fig. 5 : solutions de protection terre

Mise la terre par rsistance 0

Schma de principeUne rsistance est connecte volontairement entre le point neutre et la terre.

Technique dexploitationDans ce type de schma, limpdance rsistive limite le courant de dfaut la terre Ik1, tout en permettant un bon coulement des surtensions. Mais par consquent, des protections doivent intervenir automatiquement pour liminer le premier dfaut. Dans les rseaux alimentant des machines tournantes, la valeur de la rsistance est dtermine pour obtenir un courant Ik1 de 15 50 A. Mais il faut que ce courant faible soit nanmoins IRN 2 Ic (avec Ic : courant capacitif total du rseau) pour rduire les surtensions de manuvre et permettre une dtection simple.Dans les rseaux de distribution, on adopte des valeurs plus leves (100 A 300 A) plus faciles dtecter et permettant lcoulement des impulsions de foudre.

Avantagesb Ce schma est un bon compromis entre un courant de dfaut faible et des surtensions bien coules.b Il nexige pas lemploi de matriels ayant un niveau disolement entre phase et terre dimensionn pour la tension compose.b Les protections sont simples, slectives et le courant est limit.

Inconvnientsb La continuit de service du dpart en dfaut est dgrade ; en effet, en cas de dfaut terre, celui-ci doit tre limin aussitt (coupure au premier dfaut).b Le cot de la rsistance de mise la terre crot avec la tension et le courant limit.

Ralisation de la mise la terre du point neutreb Si le neutre du rseau est accessible (existence denroulements coupls en toile avec neutre sorti), la rsistance de mise la terre peut tre branche, soit entre neutre et terre (g. 1), soit par lintermdiaire dun transformateur monophas charg au secondaire par une rsistance quivalente (g. 2).b Lorsque le neutre nest pas accessible (enroulement en triangle) ou lorsque ltude du plan de protection en dmontre lintrt, on ralise un point neutre articiel par un gnrateur homopolaire raccord sur le jeu de barres ; il est ralis avec un transformateur spcial trs faible ractance homopolaire :v transformateur toile triangle dont le neutre primaire est directement mis la terre, et le triangle ferm sur rsistance de limitation (isolement BT, donc solution la moins onreuse) (g. 3),v transformateur toile triangle avec rsistance de limitation (isolement HT) entre le point neutre du primaire et la terre, et triangle ferm sur lui-mme ; cette solution est moins utilise (g. 4).

ProtectionsLa dtection dun courant de dfaut Ik1 faible ncessite des protections diffrentes de celles de surintensit phases (g. 5).Ces protections de terre dtectent le courant de dfaut :b soit directement dans la liaison du neutre la terre 1,b soit dans le rseau en mesurant la somme vectorielle des 3 courants en utilisant :v soit 3 capteurs de courant de phase alimentant les protections 2,v soit un tore 3 : mesure prcise utiliser de prfrence.Le rglage du seuil se fait en fonction du courant de dfaut Ik1 calcul en ngligeant les impdances homopolaires de source et de liaison par rapport limpdance RN et en tenant compte des 2 rgles :b rglage > 1,3 fois l capacitif du rseau en aval de la protection,b rglage de lordre de 10 20 % du courant maximum de dfaut la terre.De plus, si la dtection est ralise par 3 TC, le rglage se situe, compte tenu des technologies actuelles, dans une fourchette de 5 30 % du calibre des TC pour tenir compte de lincertitude lie :b lasymtrie des courants transitoires,b la saturation des TC,b la dispersion des performances.

ApplicationsRseaux MT de distribution publique et industrielle.

Rgimes de neutre

Ic

Ik1RN IRN

RN

RN

RN

51N

51G 51G1 2 3

RN

9DE

5521

0

Fig. 2 : ralisation de mise la terre pour neutre non accessible

DE

5720

9

Fig. 1 : ralisation de mise la terre pour neutre accessible

Mise la terre par ractance faible 0

Schma de principeUne ractance est intercale volontairement entre le point neutre et la terre.Pour les rseaux de tension suprieure 40 kV, on prfre utiliser une ractance plutt quune rsistance pour des raisons de difcult de ralisation dues au dgagement de chaleur en cas de dfaut (g. 1).

Technique dexploitationDans ce type de schma, limpdance selque limite le courant de dfaut la terre Ik1, tout en permettant un bon coulement des surtensions. Mais par consquent, des protections doivent intervenir automatiquement pour liminer le premier dfaut.Pour rduire les surtensions de manuvre et permettre une dtection simple, il faut que le courant IL soit trs suprieur au courant capacitif total du rseau Ic.Dans les rseaux de distribution, on adopte des valeurs leves (300 1000 A), faciles dtecter et permettant lcoulement des surtensions de foudre.

Avantagesb Ce schma permet de limiter lamplitude des courants de dfaut.b Il permet la mise en uvre de protections slectives simples si le courant de limitation est trs suprieur au courant capacitif du rseau.b La bobine, de faible rsistance, na pas dissiper une puissance thermique leve, ce qui rduit son dimensionnement.b En haute tension, le cot de cette solution est plus avantageux quavec une rsistance.

Inconvnientsb La continuit de service du dpart en dfaut est dgrade : en cas de dfaut terre, celui-ci doit tre limin aussitt (coupure au premier dfaut).b Lors de llimination des dfauts terre, des surtensions importantes peuvent apparatre, dues des rsonances entre la ractance et la capacit du rseau.

Ralisation de la mise la terre du point neutreb Si le neutre est accessible (enroulements coupls en toile avec neutre sorti), la ractance de mise la terre peut tre branche entre neutre et terre.b Lorsque le neutre nest pas accessible (enroulement en triangle) ou lorsque ltude du plan de protection en dmontre lintrt, on ralise un point neutre articiel par une bobine de point neutre (BPN) raccorde sur le jeu de barres ; elle est ralise par une bobine zigzag avec neutre sorti (g. 2). Limpdance entre les deux parties de lenroulement, essentiellement selque et faible, limite le courant des valeurs suprieures 100 A. Lajout dune rsistance de limitation entre le point neutre de la bobine et la terre permet dabaisser lamplitude du courant de dfaut (isolement HT).

Protectionsb Le rglage de la protection se situe au niveau de 10 20 % du courant de dfaut maximum.b La protection est moins contraignante que dans le cas de la mise la terre par rsistance, dautant plus que ILN est important puisque Ic est infrieur au courant limit.

ApplicationsRseaux MT de distribution publique (courants de plusieurs centaines dampres).

Rgimes de neutre

Ic

Ik1ILNLN

LN

10

DE

5721

1

Fig. 1 : dfaut la terre dans un rseau avec ractance de compensation la terre

DE

5521

2

Fig. 2 : diagramme vectoriel des courants lors du dfaut terre

Mise la terre par ractance de compensation 0

Schma de principeUne ractance accorde sur la capacit phase-terre totale du rseau est intercale entre le point neutre et la terre de sorte quen prsence dun dfaut la terre, le courant dans le dfaut est voisin de zro (g. 1).

Technique dexploitationCe systme permet de compenser le courant capacitif du rseau.En effet, le courant de dfaut est la somme des courants qui parcourent les circuits suivants :b la mise la terre par ractance,b les capacits des phases saines par rapport la terre.Ces courants se compensent puisque :b lun est selque (dans la mise la terre),b lautre est capacitif (dans les capacits des phases saines).Ils sajoutent donc en opposition de phase.En pratique, la faible rsistance de la bobine fait circuler un petit courant rsistif de quelques ampres (g. 2).

Avantagesb Ce systme permet de diminuer les courants de dfaut mme si la capacit phase- terre est grande : extinction spontane des dfauts la terre non permanents.b A lendroit du dfaut, les tensions de contact sont limites.b Le maintien en service de linstallation est assur malgr un dfaut permanent.b Le signalement du premier dfaut est donn par la dtection du passage du courant dans la bobine.

Inconvnientsb Le cot de la ractance de mise la terre peut tre lev en raison de la ncessit de modier la valeur de la ractance pour adapter la compensation.b Pendant la dure du dfaut, il faut sassurer que le courant rsiduel circulant ne prsente pas de danger pour les personnes et les biens.b Les risques de surtension transitoire sur le rseau sont importants.b La prsence dun personnel de surveillance est ncessaire.b La mise en uvre de protections slectives au premier dfaut est dlicate.

ProtectionLa dtection du dfaut est base sur la composante active du courant rsiduel. En effet, le dfaut provoque la circulation de courants rsiduels dans lensemble du rseau, mais seul le circuit en dfaut est parcouru par un courant rsiduel rsistif.De plus, les dispositifs de protection doivent tenir compte des dfauts autoextincteurs rptitifs (dfauts rcurrents).Lorsque la ractance de la mise la terre et la capacit du rseau sont accordes (3 LN C 2 = 1)b le courant de dfaut est minimum,b cest un courant rsistif,b le dfaut est autoextincteur.La ractance de compensation sappelle alors bobine dextinction, ou bobine de Petersen.

ApplicationRseaux de distribution MT avec une valeur de Ic leve.

Rgimes de neutre

Ic

Ik1

ILN + IR

R LN

V0tension rsiduelle

ILcourant dans la ractance

Iccourant capacitif

Ik1

IR

11

DE

5721

3

Fig. 1 : dfaut la terre dans un rseau neutre direct la terre

Neutre direct la terre 0

Schma de principeUne liaison lectrique dimpdance nulle est ralise intentionnellement entre le point neutre et la terre.

Technique dexploitationLe neutre tant mis la terre sans impdance de limitation, le courant de dfaut Ik1 entre phase et terre est pratiquement un court-circuit phase neutre, donc de valeur leve (g. 1).La coupure se fait au premier dfaut disolement.

Avantagesb Ce schma est idal pour lcoulement des surtensions.b Il permet lemploi de matriels ayant un niveau disolement dimensionn pour la tension simple.b Il ny a pas de protections spciques : les protections normales de surintensits de phases peuvent tre sollicites pour liminer les dfauts phase-terre francs.

Inconvnientsb Ce schma entrane tous les inconvnients et dangers dun fort courant de dfaut terre : dgts et perturbations sont maximaux.b Il ny a pas de continuit de service du dpart en dfaut.b Le danger pour le personnel est important pendant la dure du dfaut car les tensions de contact qui se dveloppent sont leves.

Protection La dtection de dfaut impdant se fait par lutilisation dune protection maximum de courant terre temporise (ANSI 51N), le rglage tant de lordre du courant nominal.

Applicationsb Ce type de schma nest pas utilis dans les rseaux MT europens ariens ou souterrains, mais par contre gnralis dans les rseaux de distribution nord-amricains. Dans ces rseaux (ariens), dautres particularits interviennent pour justier ce choix :v existence dun conducteur neutre distribu,v distribution 3 phases ou 2 phases et neutre ou phase et neutre,v utilisation du conducteur neutre comme conducteur de protection avec mise la terre systmatique chaque poteau.b Ce type de schma peut tre utilis quand la puissance de court-circuit de la source est faible.

Rgimes de neutre

Ic

Ik1IN

12

.

DE

5735

5D

E55

356

Fig. 1 : caractrisation dun courant de court-circuit : schma quivalent

DE

5522

9

Fig. 6 : courbe type dun courant de court-circuit

Introduction aux courts-circuits 0

Dnitionsb Un court-circuit est une liaison accidentelle entre conducteurs impdance nulle (court-circuit franc) ou non (court-circuit impdant).b Un court-circuit peut tre interne sil est localis au niveau dun quipement, ou externe sil se produit dans les liaisons. b La dure dun court-circuit est variable : autoextincteur si le dfaut est trop court pour dclencher la protection ; fugitif lorsque limin aprs dclenchement et renclenchement de la protection ; permanent sil ne disparat pas aprs dclenchement de la protection.b Les causes de court-circuit sont dorigines mcanique (coup de pelle, branche, animal), lectrique (dgradation disolant, surtension), humaine (erreur de lexploitant).

Effets des courants de court-circuitLes consquences des courts-circuits sont souvent graves sinon dramatiques :b le court-circuit perturbe lenvironnement du rseau autour du point de dfaut par le creux de tension brutal quil entrane,b il contraint mettre hors service, par le jeu des protections appropries,une partie souvent importante du rseau,b tous les matriels et liaisons (cbles, lignes) traverss par le court-circuit subissent une forte contrainte mcanique (efforts lectrodynamiques) qui peut entraner des ruptures, une contrainte thermique pouvant entraner la fusion des conducteurs et la destruction des isolants,b au point de dfaut se manifeste le plus souvent un arc lectrique de forte nergie, dont les effets destructeurs sont trs importants, et qui peut se propager trs rapidement.Malgr la probabilit de plus en plus faible dapparition dun court-circuit dans les installations modernes, bien conues et bien exploites, les consquences graves qui peuvent en rsulter incitent tout mettre en uvre pour dtecter et liminer trs rapidement tout court-circuit.La connaissance de la valeur du courant de court-circuit en diffrents points du rseau est une donne indispensable pour dnir les cbles, jeux de barres et tous matriels dinterruption et de protection ainsi que leurs rglages.

Caractrisation des courts-circuitsPlusieurs types de courts-circuits peuvent se produire dans un rseau lectrique :b court-circuit triphas : il correspond la runion des trois phases ; il est celui provoquant gnralement les courants les plus levs (g. 2).b court-circuit monophas terre : il correspond un dfaut entre une phase et la terre ; il est le plus frquent (g. 3).b court-circuit biphas isol : il correspond un dfaut entre deux phases sous tension compose. Le courant rsultant est plus faible que dans le cas du dfaut triphas, sauf lorsquil se situe proximit immdiate dun gnrateur (g. 4).b court-circuit biphas terre : il correspond un dfaut entre deux phases et la terre (g. 5).

DE

5721

5

Fig. 2 : court-circuit triphas (5 % des cas) Fig. 4 : court-circuit biphas isol

DE

5721

6

Fig. 3 : court-circuit monophas (80 % des cas) Fig. 5 : court-circuit biphas terre

Le courant de court-circuit en un point dun rseau sexprime par la valeur efcace Ik (en kA) de sa composante alternative (g. 6).La valeur instantane maximale que peut atteindre le courant de court-circuit est la valeur de crte Ip de la premire demi-alternance. Cette valeur de crte peut tre beaucoup plus leve que 2 Ik en raison de la composante continue IDC amortie qui peut se superposer la composante alternative.Cette composante continue dpend de la valeur instantane de la tension linstant initial du court-circuit, et des caractristiques du rseau. Ce dernier est dni par la puissance de court-circuit, selon lexpression : Scc = 3 Un Ik (en MVA).Cette valeur ctive na aucune ralit physique ; cest une grandeur conventionnelle pratique assimilable une puissance apparente.

Courants de court-circuit

Le court-circuit est lun des incidents majeurs qui peuvent affecter les rseaux lectriques. Ce chapitre dcrit les courts-circuits, leurs effets sur les rseaux et leurs interactions sur les matriels. Il donne galement lapproche mthodologique pour calculer courants et tensions lors de courts-circuits, et indique les formules essentielles.

A

B

IccZcc

R X

E

I

Ia = I sin( t + )

Instant du dfaut

Icc = Ia + Ic

Ic = I sin e

t

R tL

Ip

2 2 Ik

Composante continue

Temps(t)

Courant (I)

Ph 1

Ph 2

Ph 3

Ph 1

Ph 2

Ph 3

Ph 1

Ph 2

Ph 3

Ph 1

Ph 2

Ph 3

13

avecavec

Introduction aux courts-circuits0

Composantes symtriquesEn fonctionnement normal quilibr symtrique, ltude des rseaux triphass se ramne celle dun rseau monophas quivalent, caractris par les tensions simples, les courants de phase, et les impdances du rseau (appeles impdances cycliques). Ds quapparat une dissymtrie signicative dans la conguration ou le fonctionnement du rseau, la simplication nest plus possible : on ne peut alors tablir simplement les relations lectriques dans les conducteurs laide des impdances cycliques.On emploie la mthode des composantes symtriques, qui consiste ramener le systme rel la superposition de trois rseaux monophass indpendants, appels selon que lon est en France ou dans les pays anglo-saxons :b systme direct (d) ou squence positive (1),b systme inverse (i) ou squence ngative (2),b systme homopolaire ou squence nulle (0).Pour chaque systme respectivement d, i, 0, les tensions Vd, Vi, V0 et les courants Id, Ii, I0 sont lis par les impdances Zd, Zi, Z0 du mme systme.Les impdances symtriques sont fonction des impdances relles, notamment des inductances mutuelles.La notion de composantes symtriques stend galement aux puissances.

DE

5521

4

Dcomposition dun systme triphas en composantes symtriques

La dcomposition en composantes symtriques nest pas uniquement un artice de calcul, mais correspond bien une ralit physique des phnomnes : on peut en effet mesurer directement les composantes symtriques tensions, courants, impdances dun systme dsquilibr.Les impdances directe, inverse, homopolaire dun lment de rseau sont les impdances prsentes par cet lment soumis des systmes de tension respectivement triphas direct, triphas inverse, phase-terre sur trois phases en parallle.Les gnratrices produisent la composante directe de la puissance ; les dfauts peuvent produire les composantes inverse et homopolaire.Dans les moteurs, la composante directe cre le champ tournant utile, alors que la composante inverse est lorigine dun champ tournant de freinage.Pour les transformateurs, un dfaut la terre cre une composante homopolaire qui est lorigine dun champ homopolaire se refermant par la cuve.

Courants de court-circuit

V1 Vd Vi V0=

V2 a2 Vd a Vi V0=

V3 a Vd a2 Vi V0=

++

++

+ +

a ej 2

3------

=

--- V1 a V2 a( )Vd3

2+ V3+=

Vi 13( )--- V1 a2 V2 a+ V3+=

V0 ( )13--- V1 V2 V3+ +=

a ej 2

3------

=

V3d

V1d

V10

V20 t

tV30

V1i

V3 i

V2 iV1

V2

V3

V2d

Direct Inverse Homopolaire

t t

14

DE

5721

8

Fig. 2 : court-circuit entre phase et terre

DE

5721

7

Fig. 1 : court-circuit triphas

Types de courts-circuits0

Court-circuit triphas entre conducteurs de phase (g. 1)La valeur du courant de court-circuit triphas en un point F du rseau est :

o U dsigne la tension entre phases au point F avant lapparition du dfaut et Zcc limpdance quivalente du rseau amont vue du point de dfaut.Ce calcul est donc simple en principe ; sa complexit pratique rsulte de la difcult calculer Zcc, impdance quivalente toutes les impdances unitaires en srie et en parallle des composants du rseau situs en amont du dfaut. Ces impdances sont elles-mmes la somme quadratique de ractances et rsistances :

Une simplication importante consiste en particulier connatre la puissance de court-circuit Scc au point de raccordement du rseau du distributeur ; on en dduit limpdance Za quivalente en amont de ce point :

De mme, la source de tension nest pas unique ; il peut y avoir plusieurs sources en parallle, en particulier les moteurs synchrones et asynchrones qui se comportent sur court-circuit comme des gnrateurs.Le courant de court-circuit triphas est gnralement le courant le plus lev qui peut circuler dans le rseau.

DE

5521

9

Modlisation du court-circuit triphas selon les composantes symtriques

Court-circuit monophas entre conducteur de phase et terre (g. 2)La valeur de ce courant dpend de limpdance ZN situe entre le neutre et la terre ; cette impdance peut tre quasiment nulle si le neutre est directement mis la terre (en srie avec la rsistance de mise la terre) ou au contraire quasiment innie si le neutre est isol (en parallle avec la capacit phase-terre du rseau).

La valeur du courant de dfaut phase-terre est :

Ce calcul est ncessaire dans les rseaux o le neutre est reli la terre par une impdance ZN, pour dterminer le rglage des protections de terre qui doivent intervenir pour couper le courant de dfaut la terre.Lorsque Zd, Zi et Z0 sont ngligeables par rapport ZN, alors :

Cest par exemple le cas dune limitation de Ik1 20 ampres dans un rseau MT aliment par un transformateur dalimentation de forte puissance (10 MVA).

DE

5522

0

Modlisation du court-circuit monophas selon les composantes symtriques

Courants de court-circuit

( )Ik1 3 U

Zd Zi Z0 3ZN+ + +-------------------------------------------------------=

Ik1 U3 ZN

---------------------=

Id I i I0 EZd Zi Z0 3Z+ + +

( )

---------------------------------------------= = =

Vd E Zi Z0 3Z+ +Zd Zi Z0 3Z+ + +---------------------------------------------=

Vi Zi EZd Zi Z0 3Z+ + +---------------------------------------------=

V0 Z0 EZd Zi Z0 3Z+ + +---------------------------------------------=

FIk3

ZN

Zcc

Zcc

Zcc

U

ZNIk1

Zcc

Zcc

Zcc

U

Id

Vd

Ii

Vi

I0

V0

Zd

Zi

Z0

E

Id

Vd

Ii

Vi

I0

V0

Zd

Zi

Z0

3Z

E

Id EZd-------=

Ii I0 0= =0= = =V0Vd Vi

15

DE

5722

2

Fig. 2 : court-circuit biphas terre

DE

5722

1

Fig. 1 : court-circuit biphas

Types de courts-circuits 0

Court-circuit biphas entre conducteurs de phase (g. 1)La valeur du courant de court-circuit biphas en un point du rseau est :

Dans le cas dun rseau aliment par un transformateur (dfaut loign des sources), la valeur du courant de court-circuit biphas en un point du rseau est :

Le courant de court-circuit biphas est alors plus faible que pour le triphas, dans le rapport de 3/2, soit environ 87 %.Dans le cas de dfaut proche dun gnrateur (Zi Zd), le courant peut tre suprieur au cas du dfaut triphas.

DE

5522

4

Modlisation du court-circuit biphas selon les composantes symtriques

Court-circuit biphas entre conducteurs de phase et terre (g. 2)En cas de dfaut franc loign des sources, la valeur du courant de court-circuit biphas la terre est :

DE

5522

5

Modlisation du court-circuit biphas terre selon les composantes symtriques

Courants de court-circuit

Id EZd Zi Z+ +-----------------------------=

I i EZd Zi Z+ +-----------------------------

( )

=

I0 0=

Vd E Zi Z+Zd Zi Z+ +-----------------------------=

ViE Z2

Zd Zi Z+ +-----------------------------=

V0 0=

E Zi Z0 3Z( )Id + +Zd Zi ( ) ( )3Z Z0+ Zd Zi+

Z0 3Z+

-------------------------------------------------------------------------------

( )

=

I i E +( )Zd Zi ( ) 3Z Z0+ Zd Zi+

Zi+

-------------------------------------------------------------------------------=

I0 E ( )Zd Zi ( ) 3Z Z0+ Zd Zi++

-------------------------------------------------------------------------------=

ZN

Ik2

Zcc

Zcc

Zcc

U

ZNIkE2E

Ik2E

Zcc

Zcc

Zcc

U

Id

Vd

Ii

Vi

I0

V0

Zd

Zi

Z0

E

Z

Id

Vd

Ii

Vi

I0

V0

Zd

Zi

Z0

E

3Z

16

DE

5522

3

Fig. 1 : courbes types des courants de court-circuit aux bornes dun gnrateur

DE

5522

8

Fig. 2 : dcomposition du courant de court-circuit

Court-circuit aux bornes dun gnrateur0

Le calcul du courant de court-circuit aux bornes dun gnrateur synchrone est plus complexe quaux bornes dun transformateur raccord au rseau.Ceci rsulte du fait quon ne peut pas considrer limpdance interne de la machine comme constante aprs le dbut du dfaut. Elle saccrot progressivement, donc le courant diminue en passant par trois priodes caractristiques :b subtransitoire (0,01 0,1 s environ) : le courant de court-circuit (valeur efcace de la composante alternative) est lev ; 5 10 fois le courant nominal permanent.b transitoire (entre 0,1 et 1 s) : le courant de court-circuit dcrot jusqu atteindre entre 2 6 fois le courant nominal.b permanent : le courant de court-circuit chute entre 0,5 et 2 fois le courant nominal.Les valeurs donnes dpendent de la puissance de la machine, de son mode dexcitation et, pour le courant permanent, de la valeur du courant dexcitation, donc de la charge de la machine, au moment du dfaut.De plus, limpdance homopolaire des alternateurs est en gnral 2 3 fois plus faible que leur impdance directe ; le courant de court-circuit phase-terre sera alors plus lev que le courant triphas.A titre de comparaison, le court-circuit triphas permanent aux bornes dun transformateur schelonne de 6 20 fois le courant nominal suivant la puissance.On peut donc conclure que les courts-circuits aux bornes des gnrateurs sont difciles caractriser, mais surtout que cest leur valeur faible et dcroissante qui rend dlicat le rglage des protections.

Courants de court-circuit

I2

t

I3

t

t

I1

CourantPhnomnes subtransitoires transitoires permanents

Apparition du dfaut

t

t

t

t

t

Courant

Composante subtransitoire

Subtransitoire

Composante transitoire

Transitoire

Composante permanente

Permanente

Composante continue

Courbe de courant total

17

Type de court-circuit

Ik

Triphas

Biphas isol

Biphas terre

Monophas

Courants de court-circuit selon CEI 60909 : cas gnral

Type de court-circuit

Ik

Triphas

Biphas isol

Biphas terre

Monophas

Courants de court-circuit selon CEI 60909 : cas de dfaut loign

DE

5522

6

Fig. 1 : reprsentation graphique des grandeurs dun court-circuit selon CEI 60909

Calcul des courants de court-circuit0

Mthode CEI (norme 60909)Les rgles de calcul des courants de court-circuit dans les installations lectriques ont t dnies dans la norme CEI 60909 dite en 2001.Le calcul effectif des courants de court-circuit en divers points dun rseau peut rapidement devenir un travail laborieux lorsque linstallation est complexe.Lutilisation de logiciels spcialiss permet deffectuer ces calculs plus rapidement.Cette norme, applicable tous les rseaux triphass radiaux ou maills, 50 ou 60 Hz et jusqu 550 kV, est gnrale et prcise par excs.Elle permet de traiter les diffrents types de courts-circuits, symtriques ou dissymtriques, francs, pouvant se produire dans une installation :b court-circuit triphas runion des trois phases en gnral le plus pnalisant,b court-circuit biphas dfaut entre deux phases plus faible que le triphas,b court-circuit biphas terre dfaut entre deux phases et la terre, b court-circuit monophas dfaut entre une phase et la terre le plus frquent (80 % des cas).A lapparition dun dfaut, le courant dtablissement du court-circuit dans le circuit est fonction du temps et comprend deux composantes (g. 1) :b lune alternative, dcroissante jusqu sa valeur tablie, due aux diffrentes machines tournantes et fonction de la combinaison de leurs constantes de temps,b lautre continue, dcroissante jusqu zro, due ltablissement du courant et fonction des impdances du circuit.Pratiquement, on dnit les grandeurs de court-circuit utiles la dtermination des matriels et du systme de protection :b Ik : valeur efcace du courant symtrique initial,b Ib : valeur efcace du courant symtrique coup par lappareil de manuvre la sparation du premier ple linstant t min (retard minimal),b Ik : valeur efcace du courant symtrique permanent,b Ip : valeur instantane maximale du courant la premire crte,b IDC : valeur continue du courant.Ces courants sont indics par 3, 2, 2E, 1, selon la nature du court-circuit respectivement triphas, biphas, biphas terre, monophas.

Le principe de la mthode, base sur le thorme de superposition de Thevenin et la dcomposition en composantes symtriques, est dappliquer au point de court-circuit une source de tension quivalente pour ensuite dterminer le courant ; le calcul se droule en trois tapes : b Dnir la source de tension quivalente applique au point en dfaut ; elle reprsente la tension existant juste avant le court-circuit : cest la tension nominale corrige dun facteur qui tient compte des variations de la source, des changeurs de prises transformateurs, du comportement subtransitoire des machines.b Calculer les impdances, vues du point en dfaut, de chaque branche arrivant en ce point ; le calcul se fait en ngligeant, pour les systmes directs et inverses, les capacits de ligne et les admittances des charges non tournantes en parallle.b Connaissant la tension et les impdances, calculer les valeurs caractristiques maximales et minimales des courants de court-circuit.

Les diffrentes grandeurs de courant au point de dfaut sont calcules selon :b des formules donnes,b et une loi de sommation des courants transitant dans les branches connectes ce nud :v Ik : voir les formules de calcul de Ik dans les tableaux ci-contre avec c facteur de tension dni par la norme ; sommation gomtrique ou algbrique,v ip = 2 Ik, avec k facteur majorant infrieur 2, dpendant du rapport R/X de limpdance directe de la branche considre ; sommation des crtes,v Ib = q Ik, avec m et q facteurs infrieurs 1, dpendant des gnrateurs et moteurs, ainsi que du temps mort minimal de coupure du disjoncteur ; sommation algbrique,v Ik = Ik lorsque lon est loign du gnrateur,v Ik = Ir dans le cas dune gnratrice, avec Ir courant nominal du gnrateur et facteur dpendant de son inductance de saturation ; sommation algbrique.

Courants de court-circuit

c Un3 Zd

--------------------

c UnZd Zi+-----------------

c Un 3 ZiZd Zi + + Z i Z0 Zd Z0---------------------------------------------------------------------

c Un 3Zd Zi Z0+ +------------------------------

c Un3 Zd

--------------------

c U2 Zd----------------

c Un 3Zd 2Z0+---------------------------

c Un 32Zd Z0+-----------------------------

Ip

t min

2 2 Ik2 2 Ib

2 2 I"k

IDC

Temps(t)

Courant (I)

18

DE

5522

7

IAC : crte de la composante priodiqueIDC : composante apriodique

Fig. 1 : pouvoir de coupure assign dun disjoncteur en court-circuit daprs la norme CEI 60056

Comportement des matriels au court-circuit 0

Caractrisation On distingue 2 types de matriels de rseau, suivant quils ont ou non intervenir au moment du dfaut.

Matriels passifsDans cette catgorie, rentrent tous les matriels destins par leur fonction vhiculer aussi bien le courant normal que le courant de court-circuit.Ce sont les cbles, lignes, jeux de barres, sectionneurs, interrupteurs, transformateurs, ractances et condensateurs, transformateurs de mesure.Pour ces matriels, on dnit la facult de supporter le passage dun court-circuit sans dommage par : b la tenue lectrodynamique (exprime en kA crte) qui caractrise leur rsistance mcanique aux contraintes lectrodynamiques,b la tenue thermique (exprime en kA eff. pendant 1 5 secondes) qui caractrise lchauffement maximal admissible.

Matriels actifsDans cette catgorie, sont classs les matriels destins liminer le courantde court-circuit : disjoncteurs et fusibles. Cette proprit est quantie par le pouvoir de coupure et, si besoin, par le pouvoir de fermeture sur dfaut.Pouvoir de coupure (g. 1) Cette caractristique essentielle dun appareil dinterruption est le courant maximal (en kA eff.) quil est capable de couper dans des conditions spciques dnies par les normes ; il sagit gnralement de la valeur efcace de la composante alternative du courant de court-circuit ; parfois, on spcie pour certains appareils la valeur efcace de la somme des 2 composantes, alternative et continue ; cest alors le courant asymtrique.Le pouvoir de coupure dpend de conditions complmentaires :v tension,v rapport R/X du circuit coup,v frquence propre du rseau,v nombre de coupures au courant maximal, par exemple le cycle : O - F/O - F/O (O = ouverture ; F = fermeture),v tat de lappareil aprs essais.Le pouvoir de coupure apparat donc comme une caractristique assez complexe dnir ; il nest donc pas surprenant que le mme appareil se voit attribuer un pouvoir de coupure diffrent suivant la norme qui le dnit.Pouvoir de fermeture sur court-circuitGnralement, cette caractristique est implicitement dnie par le pouvoir de coupure : un appareil doit tre capable de fermer sur un court-circuit quil estcapable de couper. Parfois, le pouvoir de fermeture doit tre plus lev, par exemple pour les disjoncteurs dalternateur.On dnit le pouvoir de fermeture en kA crte, car cest la premire crte asymtrique qui est la plus contraignante au point de vue lectrodynamique.Par exemple daprs la norme CEI 60056, un disjoncteur utilis en 50 Hz doit pouvoir rpondre : I crte fermeture = 2,5 x I efcace coupureCourant de court-circuit prsum coupCertains appareils ont la proprit de limiter le courant quils ont couper.Leur pouvoir de coupure est dni comme le courant maximal prsum coup, qui se dvelopperait dans un court-circuit franc tabli aux bornes amont de lappareil.

Spcicit de lappareillageLes fonctions remplies par les diffrents appareils de coupure, ainsi que les principales contraintes associes sont rsumes dans le tableau suivant.

Courants de court-circuit

IAC

IDCTemps (t)

Courant (I)

Appareil Fonctionisolement

Fonction de manuvre de courants

Contraintes principales

En service Sur dfautsectionneur oui non non Tenue de franchissement entre-sortie

Sectionneur de terre : pouvoir de fermeture sur dfautinterrupteur non oui non Coupure et tablissement de courant normal de charge

Pouvoir de fermeture sur court-circuitEn association avec fusible : pouvoir de coupure dans la zone de non-fusion du fusible

contacteur nonoui, si dbrochable

oui non Pouvoirs nominaux de coupure et de fermeturePouvoirs maximaux de charge en coupure et en fermetureCaractristiques de service et endurance

disjoncteur nonoui, si dbrochable

oui oui Pouvoir de coupure sur court-circuitPouvoir de fermeture sur court-circuit

fusible non non oui Pouvoir de coupure minimal sur court-circuitPouvoir de coupure maximal sur court-circuit

19

DE

5733

0

Ip : courant primaireIs : courant secondaire (image de Ip et en phase)

Fig. 1 : transformateur de courant

Capteurs de courant phase (TC) 0

La fonction dun capteur de courant phase est de fournir son secondaire un courant proportionnel au courant primaire mesur. Lutilisation concerne autant la mesure que la protection.On distingue 2 types de capteurs :b TC (transformateur de courant),b LPCT (TC sortie en tension).

Caractristiques gnrales (g. 1)Le transformateur de courant est constitu de deux circuits, primaire et secondaire, coupls par un circuit magntique.Avec plusieurs spires au primaire, lappareil est de type bobin.Avec un primaire rduit un simple conducteur traversant le capteur, lappareil est barre passante (primaire intgr constitu par une barre de cuivre), ou traversant (primaire constitu par un conducteur non isol de linstallation), ou tore (primaire constitu par un cble isol).

Les TC sont caractriss par les grandeurs suivantes (daprs les normes CEI 60044)(1).

Niveau disolement assign du TCCest la tension la plus leve laquelle le primaire du TC est soumis.Rappelons que le primaire est au potentiel de la HT et le secondaire a trs gnralement une de ses bornes la terre.Comme pour tout matriel, on dnit galement :b une tension maximum de tenue 1mn frquence industrielle,b une tension maximum de tenue londe de choc.Exemple : en 24 kV de tension nominale, le TC doit supporter une tension de 50 kV pendant 1 mn 50 Hz et une tension de 125 kV londe de choc.

Le rapport assign de transformationIl est donn sous la forme du rapport des courants primaires et secondaires Ip/Is.Le courant secondaire assign est gnralement 5 A ou 1 A.

PrcisionElle est dnie par lerreur compose pour le courant limite de prcision.Le facteur limite de prcision (FLP) est le rapport entre le courant limite de prcision et le courant assign.b Pour la classe P :5P10 signie 5 % derreur pour 10 In et 10P15 signie 10 % derreur pour 15 In,5P et 10P sont les classes de prcision normalises pour les TC de protection,5 In, 10 In, 15 In, 20 In sont les courants limites de prcision normaliss.b La classe PR est dnie par le facteur de rmanence, rapport du ux rmanent au ux de saturation, qui doit tre infrieur 10 %. 5PR et 10PR sont les classes de prcision normalises pour les TC de protection.b La classe PX correspond une autre faon de spcier les caractristiques dun TC partir de sa tension de coude, la rsistance secondaire et le courant magntisant (voir page suivante, g.1: rponse dun TC en rgime satur).

Puissance de prcisionPuissance apparente en VA, que le TC peut fournir au secondaire pour le courant secondaire assign pour lequel la prcision est garantie.La puissance est consomme par tous les appareils connects ainsi que les ls de liaison.Si un TC est charg une puissance infrieure sa puissance de prcision,sa prcision relle est suprieure la prcision assigne, rciproquement un TC trop charg perd en prcision.

Courant de courte dure admissibleExprim en kA efcace, le courant (Ith) maximum admissible pendant 1 seconde (le secondaire tant en court-circuit) reprsente la tenue thermique du TC aux surintensits. Le TC doit supporter le courant de court-circuit pendant le temps ncessaire son limination. Si le temps dlimination t est diffrent de 1 s, le courant que le TC peut supporter est La tenue lectrodynamique exprime en kA crte est au moins gale 2,5 IthValeurs normales des courants primaires assigns (en A) : 10 - 12,5 - 15 - 20 - 25 - 30 - 40 - 50 - 60 - 75 et leurs multiples ou sous-multiples dcimaux.

(1) Sont galement prendre en compte les lments lis au type de montage, aux caractristiques du site (exemple : temprature), frquence du rseau, etc.

Capteurs

I th t

Les dispositifs de protection ou de mesure ncessitent de recevoir des informations sur les grandeurs lectriques des matriels protger. Pour des raisons techniques, conomiques et de scurit, ces informations ne peuvent pas tre obtenues directement sur lalimentation haute tension des matriels ; il est ncessaire dutiliser des dispositifs intermdiaires dnomms rducteurs de mesure ou capteurs : b capteurs de courant phase, b capteurs tore pour la mesure des courants terre, b transformateurs de tension (TT). Ces dispositifs remplissent les fonctions suivantes : b rduction de la grandeur mesurer (ex : 1500/5 A), b dcouplage galvanique, b fourniture de lnergie ncessaire au traitement de linformation, voire au fonctionnement de la protection.

IsS1

S2

IpP1

P2

20

Capteurs de courant phase (TC)0

Rponse dun TC en rgime saturSoumis un courant primaire trs important, le TC se sature. Le courant secondaire nest plus proportionnel au courant primaire. En effet, lerreur de courant qui correspond au courant de magntisation devient trs importante.

Tension de coude (g. 1)Elle correspond au point de la courbe de magntisation dun transformateur de courant pour lequel une augmentation de 10 % de la tension E ncessite une augmentation de 50 % du courant de magntisation Im.

DE

5733

1

Fig. 1 : schma quivalent du circuit secondaire dun TC et courbe de magntisation dun TC

Le secondaire du TC rpond lquation :(RTC + Rcharge + Rlerie) FLP Isn2 = constante avec Isn = courant assign secondaireFLP = facteur limite de prcisionIsat = FLP Isn

TC dbitant sur protection maximum de courant phasePour les protections maximum de courant temps indpendant (constant), si la saturation nest pas atteinte pour 1,5 fois la valeur du courant de rglage, le fonctionnement est assur quelle que soit lintensit du dfaut (g. 2).

Pour les protections maximum de courant temps dpendant (inverse) la saturation ne doit pas tre atteinte pour 1,5 fois la valeur de courant correspondant au maximum de la partie utile de la courbe de fonctionnement (g. 3).

DE

5533

2

Fig. 2 Fig. 3

TC pour protection diffrentielle (g. 4)Les TC sont spcier pour chaque application en fonction du principe de fonctionnement de la protection et de llment protg ; il faut se rfrer la notice technique de la protection concerne.

DE

5733

4

Fig. 4

Capteurs

Is

VsS1

S2

IpP1

P2

E

Im

Lm

RTC

Rcharge

Rfil

Isat Isn Im Vk 1,5 Im

ImagntisantIsecondaire

E

Vk 10 %

50 %

RTC + Rfilerie + Rcharge

t

I

Irglage Isaturation

x 1,5

t

I

Iccmax Isaturation

x 1,5

Protection diffrentielle

Zone protge

P1 P2 P2 P1

21

DE

5733

6

Fig. 1 : transformateur de courant type LPCT

Capteurs de courant phase (LPCT) 0

Transformateurs de courant basse puissance LPCT (g. 1)Ce sont des capteurs spciques de courant sortie directe en tension de type low power current transducers, conformment la norme CEI 60044-8. Les LPCT remplissent les fonctions de mesure et de protection. Ils sont dnis par :b le courant primaire nominal,b le courant primaire tendu,b le courant primaire limite de prcision.Ils ont une rponse linaire sur une large plage de courant, et ne commencent saturer quau-del des courants couper.

Exemple de caractristiques de mesure selon norme CEI 60044-8 b Courant primaire nominal Ipn = 100 Ab Courant primaire tendu Ipe = 1250 Ab Tension secondaire Vsn = 22,5 mVb Classe 0,5 :v prcision 0,5 % de 100 A 1250 A,v prcision 0,75 % 20 A,v prcision 1,5 % 5 A.Exemple de caractristiques de protection selon norme CEI 60044-8b Courant primaire Ipn = 100 Ab Tension secondaire Vsn = 22,5 mVb Classe 5P de 1,25 kA 40 kA (g. 2).

DE

5533

7

Fig. 2 : caractristique de prcision dun LPCT

Capteurs

S1

S2

Vs

IpP1

P2

5 %

1,5 %

0,75 %

0,5 %Ip

Module(%)

Module

5 A

Ip

Phase(min)

Phase

20 A 100 A 1 kA 1,25kA

40kA

10kA

90'

45'

30'

60'

22

DE

5533

8

Fig. 1 : dnition du courant rsiduel

Capteurs de mesure

Prcision Seuil de dtection minimum conseill pour protection terre

Montage

Tore homopolaire spcique

+++ Quelques ampresD

E57

339

DE

5734

0

Mesure directe par tore spcique homopolaire connect directement sur le relais de protection ; cest un transformateur qui englobe les conducteurs actifs et cre directement le courant rsiduel.

Il peut galement tre mont dans la liaison neutre terre accessible. On obtient une grande prcision de mesure : un seuil de dtection trs bas, de lordre de quelques ampres peut tre utilis.

TC tore + tore adaptateur

++ 10 % de InTC (DT)5 % de InTC (IDMT)

DE

5734

1

DE

5734

2

Mesure diffrentielle par TC tore classique entourant les conducteurs actifs et gnrant le courant rsiduel ; un tore spcique homopolaire joue le rle dadaptateur vers le relais de protection.

Le montage du TC tore est possible dans la liaison neutre terre accessible avec adaptateur. On obtient une bonne prcision de mesure et une grande souplesse dans le choix des TC.

3 TC phase + tore adaptateur

++ 10 % de InTC (DT)5 % de InTC (IDMT)

DE

5734

3

Mesure des courants dans les trois phases avec un TC par phase, et du courant rsiduel par tore spcique.

Pratiquement, le seuil de courant rsiduel doit tre :b Is0 10 % InTC pour protection temps constant,b Is0 5 % InTC pour protection temps dpendant.

3 TC phase Irsd calcul par relais

+ Sans retenue H230 % InTC (DT)10 % de InTC (IDMT)

Avec retenue H210 % de InTC (DT)5 % de InTC (IDMT)

DE

5734

4

Calcul partir des mesures de courant dans les trois phases avec un TC par phase. b Le courant rsiduel est calcul par le relais de protection.b La prcision de la mesure est entache derreurs ; somme des erreurs des TC et des caractristiques de saturation, courant calcul.b Le montage est plus simple que dans le cas prcdent, mais la prcision de mesure est infrieure. En pratique, le rglage des seuils de la protection terre doit respecter les conditions suivantes :b Is0 30 % InTC pour protection temps constant (10 % InTC avec relais de protection quip de retenue harmonique 2),b Is0 10 % InTC pour protection temps dpendant.

Capteurs de courant rsiduel 0

Courant homopolaire - courant rsiduelLe courant rsiduel qui caractrise le courant de dfaut la terre est gal la somme vectorielle des trois courants de phase (g.1).Le courant rsiduel est gal 3 fois le courant homopolaire I0.

Dtection du courant de dfautLa dtection du courant de dfaut la terre peut tre obtenue de plusieurs faons.

Capteurs

Irsd 3 I0 I1 I2 I3+ +==

51G

Irsd

51G

Irsd

Neutre

51G

1 ou 5 A

Irsd

51G

1 ou 5 A

Neutre

Irsd

I1

I2

I3

51N

I1

I2

Irsd

I3

1 ou 5 AI1

I2

I3

Irsd

51N

23

DE

5734

5

Fig. 1 : TT monts en toile

DE

5734

6

Fig. 2 : TT monts en V

DE

5534

7

Fig. 3 : dnition de la tension rsiduelle

Transformateurs de tension (TT) 0

Mesure de la tension entre phasesLe transformateur de tension est constitu de deux enroulements, primaire et secondaire, coupls par un circuit magntique ; les raccordements peuvent se faire entre phases ou entre phase et terre.

Les transformateurs de tension sont caractriss par les grandeurs suivantes :(publication CEI 60186, CEI 60044-2 et NFC 42-501) (1)b frquence du rseau en gnral 50 ou 60 Hz,b tension primaire la plus leve du rseau,b tension secondaire assigne 100, 100/3, 110, 110/3 volts selon le mode de raccordement,b facteur de tension assign servant dnir les prescriptions dchauffement,b puissance apparente, en VA, que le transformateur de tension peut fournir au secondaire, sans introduire derreur suprieure sa classe de prcision lorsquil est branch sous sa tension primaire assigne et raccord sa charge nominale ; noter quun TT ne doit jamais tre court-circuit au secondaire, car la puissance fournie augmente et il y a dtrioration par surchauffement,b classe de prcision dnissant les limites derreurs garanties sur le rapport de tension et le dphasage dans les conditions spcies de puissance et de tension.

Plusieurs montages de mesure sont possibles :b montage 3 transformateurs en toile (g. 1) (ncessite 1 borne haute tension isole par transformateur)

Rapport de transformation : par exemple

b montage 2 transformateurs, montage dit en V (g. 2) (ncessite 2 bornes haute tension isoles par transformateur)Rapport de transformation : par exemple

En rgime de neutre isol, tous les TT phase neutre doivent tre chargs convenablement pour viter les risques de ferrorsonance.(1) sont galement prendre en compte les lments lis au type de montage, aux caractristiques du site (ex : temprature), etc.

Mesure de la tension rsiduelleLa tension rsiduelle qui caractrise le potentiel du point neutre par rapport la terre est gale la somme vectorielle des trois tensions phase-terre.La tension rsiduelle est gale 3 fois la tension homopolaire V0 :

(g. 3)

Lapparition de cette tension est signicative de lexistence dun dfaut la terre.Elle est obtenue par mesure ou par calcul :b mesure par trois transformateurs de tension dont les primaires sont en toile et les secondaires en triangle ouvert qui dlivre la tension rsiduelle (g. 4),b calcul par le relais partir de trois transformateurs de tension dont les primaires et les secondaires sont en toile (g. 5).

DE

5734

8

DE

5734

9

Fig. 4 : mesure directe de tension rsiduelle Fig. 5 : calcul de tension rsiduelle

Capteurs

Un 3100 3--------------------

Un 100

Vrsd 3 V0 V1 V2 V3+ +==

La fonction dun transformateur de tension est de fournir son secondaire une tension image de celle qui lui est applique au primaire. Lutilisation concerne autant la mesure que la protection.

V1

V2

Vrsd

V3

59N

Vrsd

V1 59N

V2

V3

24

DE

5727

0

Fig. 1 : principe de fonctionnement dun relais(exemple de relais maximum de courant ANSI 51)

Caractristiques gnrales 0

Fonctionnementle relais comprend (g. 1) :b lentre analogique de mesure de la grandeur observe, issue du capteur,b le rsultat logique du traitement de la mesure (not S),b la sortie logique instantane de la fonction de protection, usage de signalisation par exemple (not Si),b la sortie logique temporise de la fonction de protection, usage daction de commande de dclenchement du disjoncteur (not St).

Caractristiques (g. 2)Le mode de travail dune fonction de protection fait intervenir des temps caractristiques (CEI 60255-3) :b le temps de fonctionnement (operating time) : cest le temps qui scoule entre lapplication de la grandeur caractristique ( deux fois le seuil de rglage) et le basculement du relais de sortie (sortie instantane),b le temps de dpassement (overshoot time) : cest la diffrence entre le temps de fonctionnement et la dure maximale dapplication de la grandeur caractristique sans dclenchement,b le temps de retour (reset time) : cest le temps coul entre la diminution brutale de la grandeur caractristique et le basculement du relais de sortie.Nota : on trouve usuellement dautres termes non normaliss et dont la dnition peut diffrer selon le constructeur : le temps de dgagement, le temps de non prise en compte, le temps de dclenchement instantan, le temps mmoire.

Pour sa stabilit, la fonction comporte un pourcentage de dgagement d en % du seuil de rglage : sur lexemple gure 3, S passe de 1 0 pour I = d Is

DE

5527

2

Fig. 2 : temps caractristiques dune fonction de protection

DE

5527

1

Fig. 3 : pourcentage de dgagement

Fonctions de protection

Les relais de protection qui surveillent en permanence les grandeurs lectriques du rseau, comportent des associations de fonctions lmentaires, dont la combinaison est adapte aux lments de rseau surveills.

I > IsI S St

Si0

Seuil Is

2 Is

I efficace

Temps defonctionnement

Temps deretour

Temps de dpassement

Dure maximum sans dclenchement

t

0

1

Si

t

Is

2 Is

I

t

Is

d Is

0

1

S

t

I

t

25

Caractristiques gnrales0

RglagesCertaines caractristiques des fonctions de protection sont rglables par lutilisateur, notamment :b seuil de dclenchement : il xe la limite de la grandeur observe dterminant laction de la protection.b temps de dclenchement :v temporisation temps indpendant, ou temps constant (DT : Denite Time)Lexemple de la gure 1 appliqu un relais de courant, fait apparatre que le temps de dclenchement de la protection est constant (rglage de la temporisation T) au del du seuil de courant Is,

DE

5527

3

Fig. 1 : principe du dclenchement temps indpendant

v temporisation temps dpendant (IDMT: Inverse Denite Minimum Time)Lexemple de la gure 2 appliqu un relais de courant, fait apparatre que le temps de dclenchement de la protection est dautant plus court que le courant est lev, au-del du seuil de courant Is.

DE

5527

4

Fig. 2 : principe du dclenchement temps dpendant

Plusieurs types de courbes existent, dtermines par des quations et dnies selon les diffrents organismes de normalisation : par exemple la CEI dnit (g. 3) :- temps inverse (SIT, standard inverse time),- temps trs inverse (VIT, very inverse time),- temps extrmement inverse (EIT, extremely inverse time).

DE

5527

5

Fig. 3 : courbes de dclenchement temps dpendant

b temps de maintien : temps de retour rglable,b retenue : blocage du dclenchement en fonction du taux dharmonique 2,b constantes de temps (exemple image thermique ANSI 49RMS),b angle caractristique (exemple directionnelle de courant ANSI 67).

Fonctions de protection

Seuil de courantt

I

T

Is

Temporisation

Nonfonctionnement

Fonctionnementtemporis

Seuil de courantt

I

T

Is 10 Is

Nonfonctionnement

Fonctionnementtemporis

Temporisation

t

EIT

VIT

SIT

I

T

Is 10 Is

26

Liste des fonctions0

Les principales fonctions de protection sont indiques dans le tableau ci-dessous, en prcisant leur code selon la norme ANSI C37.2 ainsi quune brve dnition ; le classement est fait selon lordre numrique.

Fonctions de protection

Code ANSI Libell de la fonction Dnition12 Survitesse Dtection de survitesse des machines tournantes14 Sous-vitesse Dtection de sous-vitesse des machines tournantes21 Protection de distance Dtection de mesure dimpdance21B Minimum dimpdance Protection de secours des gnrateurs contre les courts-circuits entre phases24 Contrle de ux Contrle de suruxage25 Contrle de synchronisme Contrle dautorisation de couplage de deux parties de rseau26 Thermostat Protection contre les surcharges27 Minimum de tension Protection pour contrle dune baisse de tension27D Minimum de tension directe Protection des moteurs contre un fonctionnement tension insufsante 27R Minimum de tension rmanente Contrle de disparition de la tension entretenue par les machines tournantes

aprs dconnexion de lalimentation27TN Minimum de tension rsiduelle (harmonique 3) Dtection de dfaut disolement la terre denroulements statoriques (neutre impdant)32P Maximum de puissance active directionnelle Protection de contrle de transfert maximal de puissance active32Q Maximum de puissance ractive directionnelle Protection de contrle de transfert maximal de puissance ractive37 Minimum de courant phase Protection triphase contre les minima de courant37P Minimum de puissance active directionnelle Protection de contrle de transfert minimal de puissance active37Q Minimum de puissance ractive directionnelle Protection de contrle de transfert minimal de puissance ractive38 Surveillance de temprature de paliers Protection contre les chauffements anormaux des paliers des machines tournantes40 Perte dexcitation Protection des machines synchrones contre dfaut ou perte dexcitation46 Maximum de composante inverse Protection contre les dsquilibres des courants des phases47 Maximum de tension inverse Protection de tension inverse et dtection du sens de rotation inverse de machine tournante48 - 51LR Dmarrage trop long et blocage rotor Protection des moteurs contre le dmarrage en surcharge ou sous tension rduite,

et pour charge pouvant se bloquer49 Image thermique Protection contre les surcharges49T Sonde de temprature Protection contre les chauffements anormaux des enroulements des machines50 Maximum de courant phase instantane Protection triphase contre les courts-circuits entre phases50BF Dfaillance disjoncteur Protection de contrle de la non-ouverture du disjoncteur aprs ordre de dclenchement50N ou 50G Maximum de courant terre instantane Protection contre les dfauts la terre :

50N : courant rsiduel calcul ou mesur par 3 TC50G : courant rsiduel mesur directement par un seul capteur (TC ou tore)

50V Maximum de courant phase retenue de tension instantane

Protection triphase contre les courts-circuits entre phases, seuil dpendant de la tension

50/27 Mise sous tension accidentelle gnrateur Dtection de mise sous tension accidentelle de gnrateur51 Maximum de courant phase temporise Protection triphase contre les surcharges et les courts-circuits entre phases51N ou 51G Maximum de courant terre temporise Protection contre les dfauts la terre :

51N : courant rsiduel calcul ou mesur par 3 TC51G : courant rsiduel mesur directement par un seul capteur (TC ou tore)

51V Maximum de courant phase retenue de tension temporise

Protection triphase contre les courts-circuits entre phases, seuil dpendant de la tension

59 Maximum de tension Protection de contrle dune tension trop leve ou sufsante59N Maximum de tension rsiduelle Protection de dtection de dfaut disolement63 Pression Dtection de dfaut interne transformateur (gaz, pression)64REF Diffrentielle de terre restreinte Protection contre les dfauts la terre denroulements triphass coupls en toile avec neutre

reli la terre64G 100 % stator gnrateur Dtection de dfauts disolement la terre des enroulements statoriques

(rseau neutre impdant)66 Limitation du nombre de dmarrages Protection contrlant le nombre de dmarrages des moteurs67 Maximum de courant phase directionnelle Protection triphase contre les courts-circuits selon le sens dcoulement du courant67N/67NC Maximum de courant terre directionnelle Protection contre les dfauts la terre selon le sens dcoulement du courant

(NC : Neutre Compens)78 Saut de vecteur Protection de dcouplage saut de vecteur78PS Perte de synchronisme (pole slip) Dtection de perte de synchronisme des machines synchrones en rseau79 Renclencheur Automatisme de refermeture de disjoncteur aprs dclenchement sur dfaut fugitif de ligne81H Maximum de frquence Protection contre une frquence anormalement leve81L Minimum de frquence Protection contre une frquence anormalement basse81R Drive de frquence (rocof) Protection de dcouplage rapide entre deux parties de rseau87B Diffrentielle jeu de barres Protection triphase contre les dfauts internes de jeu de barres87G Diffrentielle gnrateur Protection triphase contre les dfauts internes dalternateurs87L Diffrentielle ligne Protection triphase contre les dfauts internes de ligne87M Diffrentielle moteur Protection triphase contre les dfauts internes de moteur87T Diffrentielle transformateur Protection triphase contre les dfauts internes de transformateur

27

Fonctions associes0

Commande des appareils de coupureCette fonction assure la commande des diffrents types de bobines denclenchement et de dclenchement des appareils de coupure.

Surveillance du circuit de dclenchementCette fonction signale la dfaillance du circuit de dclenchement de lappareil de coupure.

Commandes logiquesCette fonction permet la mise en uvre du principe de slectivit logique, par mission et/ou rception dordres dattente logique entre diffrentes protections.

Fonctions logiquesCes fonctions font des traitements dquations logiques pour gnrer des informations ou des commandes complmentaires utiles lapplication.

Fonctions dexploitationCes fonctions amliorent le confort dexploitation de lutilisateur.b Rgleurs en charge transformateurs,b Rgulation varmtrique,b Localisateur de dfaut (ANSI 21FL, Fault Locator),b Commande des gradins de condensateurs,b Dure de fonctionnement avant dclenchement sur surcharge thermique.

Fonctions de mesureCes fonctions donnent les informations utiles une bonne connaissance du fonctionnement du rseau lectrique et de son exploitation.b Courant phase,b Courant de dclenchement,b Courant rsiduel,b Courants diffrentiels et traversant,b THD courant (taux global de distorsion harmonique),b Tensions simple et compose,b tensions directe, inverse et rsiduelle,b THD tension (taux global de distorsion harmonique),b Frquence,b Puissances active, ractive et apparente,b Facteur de puissance (cosinus ),b Energies active et ractive,b Maximtres de courant, puissance active et ractive,b Temprature,b Temps de dmarrage moteur,b Oscilloperturbographie.

Fonctions de diagnostic appareillageb Compteurs de manuvres de lappareil de coupure en fermeture et en ouverture sur dfaut,b Temps de manuvre,b Temps de rarmement,b Surveillance de capteurs (TT, TC) ; cette fonction permet le contrle de la chane de mesure des transformateurs de tension ou de courant pour action sur les fonctions de protection affectes,b Cumul des courants coups de disjoncteurs (kA2).

Fonctions de communicationCes fonctions permettent les changes utiles de donnes disponibles entre les diffrents lments du rseau (mesures, tats, commandes).

Fonctions de protection

Les fonctions de protection sont compltes par des fonctions de : b commandes complmentaires, b surveillance de bon fonctionnement, b exploitation, b signalisation, b mesure, b diagnostic, b communication, pour permettre une meilleure matrise du systme lectrique. Toutes ces fonctions peuvent tre assures par une seule et mme unit numrique de protection.

28

Les protections constituent entre elles un ensemble cohrent dpendant de la structure du rseau et de son rgime de neutre. Elles doivent donc tre envisages sous langle dun systme reposant sur le principe de slectivit : il consiste isoler le plus rapidement possible la partie du rseau affecte par un dfaut et uniquement cette partie, en laissant sous tension toutes les parties saines du rseau. Diffrents moyens peuvent tre mis en uvre pour assurer une bonne slectivit dans la protection dun rseau lectrique : b slectivit chronomtrique par le temps, b slectivit ampremtrique par les courants, b slectivit par change dinformations, dite slectivit logique, b slectivit par utilisation de protections directionnelles, b slectivit par utilisation de protections diffrentielles, b slectivits combines an dassurer une meilleure performance globale (technique et conomique), ou un niveau de secours (back-up).

DE

5724

1

Fig. 1 : principe de la slectivit chronomtrique

Slectivit chronomtrique 0

PrincipeIl consiste donner des temporisations diffrentes aux protections maximum de courant chelonnes le long du rseau.Ces temporisations sont dautant plus longues que le relais est plus prochede la source.

Mode de fonctionnementAinsi, sur le schma (g. 1), le dfaut reprsent est vu par toutes les protections (en A, B, C, et D). La protection temporise D ferme ses contacts plus rapidement que celle installe en C, elle-mme plus rapide que celle installe en BAprs louverture du disjoncteur D et la disparition du courant de dfaut, les protections A, B, C qui ne sont plus sollicites, reviennent leur position de veille.La diffrence des temps de fonctionnement T entre deux protections successives est lintervalle de slectivit. Il doit tenir compte (g. 2) :b du temps de coupure Tc du disjoncteur en aval, qui inclut le temps de rponse de lappareil louverture et le temps darc,b des tolrances de temporisation dT,b du temps de dpassement de la protection en amont : tr,b dune marge de scurit m.T doit donc satisfaire la relation :T Tc + tr + 2dT + mCompte tenu des performances actuelles de lappareillage et des relais, on adopte pour T une valeur de 0,3 s.

Exemple : Tc = 95 ms, dT = 25 ms, t r = 55 ms ; pour lintervalle de slectivit 300 ms, la marge de scurit est alors de 100 ms.

DE

5524

2

Fig. 2 : dcomposition dun intervalle de slectivit

AvantagesCe systme de slectivit a deux avantages :b il assure son propre secours ; par exemple si la protection D est dfaillante, la protection C est active DT plus tard,b il est simple.

InconvnientsPar contre, lorsque le nombre de relais en cascade est grand, du fait que la protection situe le plus en amont a la temporisation la plus longue, on aboutit un temps dlimination de dfaut prohibitif et incompatible avec la tenue des matriels au courant de court-circuit, ou avec les impratifs extrieurs dexploitation, (raccordement au rseau lectrique dun distributeur par exemple).

Slectivit

51 TA = 1,1 sA

B51 TB = 0,8 s

C51 TC = 0,5 s

D

Dfaut entre phases

51 TD = 0,2 s

dTB TcB m t r A

t

dTA

TB TA

Intervalle de slectivit T

29

DE

5724

3

Fig. 1 : rseau en antenne avec slectivit chronomtrique

Slectivit chronomtrique 0

ApplicationCe principe est utilis dans les rseaux en antenne. (g. 1)

Les temporisations dtermines pour obtenir la slectivit chronomtrique sont actives lorsque le courant dpasse les seuils des relais. Il faut donc que les rglages des seuils soient cohrents.On distingue deux cas de gure selon le type de temporisation employ.

Relais temps indpendant (g. 2)Les conditions respecter sont : I sA > I sB > I sC et TA > TB > TC.Lintervalle de slectivit T est classiquement de lordre de 0,3 seconde.

DE

5524

4

Fig. 2 : slectivit chronomtrique avec relais temps indpendant

Relais temps dpendant (g. 3)Si les seuils sont rgls au courant assign In, la protection de surcharge est assure en mme temps que la protection de court-circuit et la cohrence des seuils est assure.I nA > I nB > I nCI sA = I nA, l sB = I nB, et I sC = I nCLes rglages de temporisation sont dtermins pour obtenir lintervalle de slectivit T pour le courant maximum vu par la protection aval ; on utilise pour cela la mme famille de courbes, an dviter leur croisement dans une partie du domaine.

DE

5524

5

Fig. 3 : slectivit chronomtrique avec relais temps dpendant

Slectivit

51 IsA, TAA

51 IsB, TBB

51 IsC, TCC

Ct

I

TA

TB

TC

B A

IsC IccCmax

IccBmax

IccAmax

IsB IsA

T

T

Ct

I

B A

IsC IccCmax

IccBmax

IccAmax

IsB IsA

T

T

30

DE

5724

6

Fig. 1 : fonctionnement dune slectivit ampremtrique

Slectivit ampremtrique 0

PrincipeIl est bas sur le fait que dans un rseau, le courant de dfaut est dautant plus faible que le dfaut est plus loign de la source.

Mode de fonctionnementUne protection ampremtrique est dispose au dpart de chaque tronon : son seuil est rgl une valeur infrieur