Relais de séquence négative
Définition
Un relais de séquence négative, également connu sous le nom de relais de déséquilibre de phase, est conçu pour protéger le système électrique contre les composantes de séquence négative. Sa fonction principale est de protéger les générateurs et les moteurs des charges déséquilibrées, qui surviennent généralement en raison de défauts entre phases. Lorsque de tels défauts se produisent, les composantes de séquence négative peuvent provoquer un chauffage excessif et une contrainte mécanique dans les machines électriques, pouvant potentiellement entraîner des dommages graves s'ils ne sont pas correctement traités.
Principe de fonctionnement et caractéristiques
Le relais de séquence négative intègre un circuit filtrant spécialisé qui répond uniquement aux composantes de séquence négative présentes dans le système électrique. Étant donné qu'une magnitude relativement faible de surintensité due aux composantes de séquence négative peut créer des conditions d'exploitation dangereuses, le relais est configuré avec un réglage de courant bas. Cela lui permet de détecter et de réagir rapidement à de subtiles déséquilibres avant qu'ils ne s'aggravent en problèmes majeurs.
Bien que le relais de séquence négative soit mis à la terre, ce branchement à la terre sert principalement à protéger contre les défauts entre phase et terre. Cependant, il ne corrige pas directement les défauts entre phases ; au lieu de cela, son rôle est de détecter les composantes de séquence négative qui sont symptomatiques de tels défauts et de déclencher des actions de protection appropriées.
Construction
La construction du relais de séquence négative est illustrée dans la figure ci-dessous. Il comprend quatre impedances, notées Z1, Z2, Z3 et Z4, qui sont interconnectées en configuration de pont. Ces impedances sont alimentées par des transformateurs de courant, qui échantillonnent le courant électrique du système à protéger. La bobine de fonctionnement du relais est connectée aux points médians de ce circuit en pont. Cette disposition spécifique permet au relais de détecter précisément la présence et l'amplitude des composantes de séquence négative en analysant les différences de tension entre les bras du pont, facilitant ainsi un fonctionnement fiable et précis pour la protection des systèmes électriques.
Dans le circuit du relais de séquence négative, Z1 et Z3 présentent des caractéristiques purement résistives, tandis que Z2 et Z4 possèdent des propriétés résistives et inductives. Les valeurs des impedances Z2 et Z4 sont soigneusement ajustées de manière que les courants qui y passent soient constamment retardés par rapport aux courants circulant dans Z1 et Z3 d'un angle de 60 degrés.
Lorsque le courant atteint le point A, il se divise en deux branches, I1 et I4. De manière significative, le courant I4 est retardé par rapport au courant I1 de 60 degrés exactement. Cette relation de différence de phase spécifique est fondamentale pour le bon fonctionnement du relais de séquence négative, lui permettant de détecter et de réagir précisément aux composantes de séquence négative dans le système électrique.
De même, le courant de la phase B se divise au point C en deux composantes égales I3 et I2, I2 étant retardé par rapport à I3 de 60°.
Le courant I4 est retardé par rapport à I1 d'un angle de 30 degrés. De même, I2 est retardé par rapport à IB de 30 degrés, tandis que I3 précède IB de la même marge de 30 degrés. Le courant circulant au point B est équivalent à la somme algébrique de I1, I2 et IY. Cette relation angulaire précise et cette somme de courants au point B sont cruciales pour le bon fonctionnement du relais de séquence négative, assurant sa capacité à détecter précisément les conditions déséquilibrées dans le système électrique en analysant les différences de phase et d'amplitude entre ces courants.
Circulation du courant de séquence positive
Le diagramme vectoriel représentant les composantes de séquence positive est illustré dans la figure ci-dessous. Dans un scénario où la charge est équilibrée, le courant de séquence négative est absent. Dans de telles circonstances, le courant passant par le relais peut être décrit par l'équation suivante. Cette relation entre la condition de charge équilibrée, l'absence de courant de séquence négative et le courant à travers le relais est fondamentale pour comprendre le fonctionnement normal et les fonctions de protection dans le système électrique.
Fonctionnement dans des conditions équilibrées
Par conséquent, le relais reste actif lors de l'exploitation d'un système électrique équilibré, assurant une surveillance continue et une prêts à répondre à toute anomalie potentielle.
Circulation du courant de séquence négative
Comme illustré dans la figure ci-dessus, les courants I1 et I2 présentent des amplitudes égales. En raison de leur nature égale et opposée, ils s'annulent mutuellement. Par conséquent, seul le courant IY traverse les bobines de fonctionnement du relais. Pour se protéger contre les effets néfastes même de légères surcharges, qui peuvent rapidement s'aggraver en problèmes majeurs du système, le réglage de courant du relais est délibérément maintenu inférieur au courant nominal à pleine charge. Cette calibration sensible permet au relais de détecter et de réagir promptement aux conditions déséquilibrées causées par les composantes de séquence négative.
Circulation du courant de séquence zéro
Dans le cas du courant de séquence zéro, les courants I1 et I2 sont déphasés de 60 degrés l'un par rapport à l'autre. Le résultat de ces deux courants est en phase avec le courant IY. Par conséquent, la bobine de fonctionnement du relais subit un courant total qui est exactement deux fois la magnitude du courant de séquence zéro. Il est important de noter que, en connectant les transformateurs de courant (TC) en configuration delta, le relais peut être rendu inopérant pour les courants de séquence zéro. Dans cette configuration en delta, les courants de séquence zéro ne circulent pas à travers le relais, offrant un moyen de filtrer ou de contourner sélectivement certains types de courants de défaut en fonction des exigences de protection du système.
Relais de séquence négative à induction
La construction d'un relais de séquence négative à induction ressemble étroitement à celle d'un relais de surintensité à induction. Il comporte un disque métallique, généralement fabriqué à partir d'une bobine d'aluminium, qui tourne entre deux électroaimants : un électroaimant supérieur et un électroaimant inférieur.
L'électroaimant supérieur est équipé de deux enroulements. L'enroulement primaire de l'électroaimant supérieur est relié au secondaire du transformateur de courant (TC) connecté à la ligne à protéger. Pendant ce temps, l'enroulement secondaire de l'électroaimant supérieur est connecté en série avec les enroulements de l'électroaimant inférieur.
En raison de la présence d'un tirage central, l'enroulement primaire du relais dispose de trois bornes. La phase R, avec l'aide de TC et d'un transformateur auxiliaire, alimente la moitié supérieure du relais, tandis que la phase Y alimente la moitié inférieure. Le transformateur auxiliaire est spécifiquement ajusté de manière que sa sortie soit retardée d'un angle de 120° plutôt que de 180° conventionnel.
Fonctionnement avec des courants de séquence positive
Lorsque des courants de séquence positive sont présents, les courants IR et IY circulent dans les enroulements primaires du relais en directions opposées. Les courants I’R et I’Y ont des amplitudes égales. Ce flux de courant équilibré assure que le relais reste dans un état inactif, car il n'y a aucune force nette pour déclencher son fonctionnement.
Fonctionnement avec des courants de séquence négative
En cas de défaut, un courant de séquence négative I est induit pour circuler dans l'enroulement primaire du relais. Ce courant de séquence négative perturbe l'équilibre à l'intérieur du relais, mettant en branle une série d'événements qui conduisent à l'activation du relais et à l'action de protection subséquente.
Le relais initiera son opération une fois que la magnitude du courant de défaut dépasse la valeur pré-réglée du relais. Cela signifie que lorsque le courant de défaut devient suffisamment grand pour dépasser le seuil spécifique déterminé pour le relais, le relais est déclenché pour effectuer sa fonction de protection dans le système électrique.
