Limitateurs de Courant de Défaut | Impact sur la Technologie et la Stabilité du Réseau

1 Introduction à la technologie des limitateurs de courant de défaut (FCL)

Les méthodes traditionnelles de limitation passive du courant de défaut, telles que l'utilisation de transformateurs à haute impédance, de réactances fixes ou d'exploitation en busbars séparés, présentent des inconvénients inhérents, notamment la perturbation de la structure du réseau, l'augmentation de l'impédance systémique en régime permanent et la réduction de la sécurité et de la stabilité du système. Ces approches deviennent de plus en plus inadaptées aux réseaux électriques complexes et de grande échelle d'aujourd'hui.

En revanche, les technologies de limitation active du courant de défaut, représentées par les limitateurs de courant de défaut (FCL), présentent une faible impédance pendant le fonctionnement normal du réseau. Lorsqu'un défaut se produit, le FCL passe rapidement à un état à haute impédance, limitant efficacement le courant de défaut à un niveau inférieur, permettant ainsi un contrôle dynamique des courants de défaut. Les FCL ont évolué à partir du concept traditionnel de limitation de courant par réactance série en intégrant des technologies avancées telles que l'électronique de puissance, la supraconductivité et le contrôle de circuit magnétique.

Le principe fondamental d'un FCL peut être simplifié dans le modèle illustré à la figure 1 : pendant le fonctionnement normal du système, l'interrupteur K est fermé, et aucun impédance limitante n'est introduit par le FCL. Seulement lorsqu'un défaut se produit, K s'ouvre rapidement, insérant la réactance pour limiter le courant de défaut.

La plupart des FCL sont basés sur ce modèle fondamental ou sur ses variantes étendues. Les principales différences entre les différents FCL résident dans la nature de l'impédance limitante, la mise en œuvre de l'interrupteur K et les stratégies de contrôle associées.

2 Schémas de mise en œuvre des FCL et statut d'application

2.1 Limitateurs de courant de défaut supraconducteurs (SFCL)

Les SFCL peuvent être classés comme à extinction ou non à extinction selon qu'ils utilisent ou non la transition du supraconducteur de l'état supraconducteur à l'état normal (transition S/N) pour la limitation du courant. Structurellement, ils sont catégorisés en types résistifs, ponts, blindages magnétiques, transformateurs ou cœurs saturés. Les SFCL à extinction reposent sur la transition S/N (déclenchée lorsque la température, le champ magnétique ou le courant dépassent les valeurs critiques), où le supraconducteur passe d'une résistance zéro à une résistance élevée, limitant ainsi le courant de défaut.

Les SFCL non à extinction combinent des bobines supraconductrices avec d'autres composants (par exemple, des dispositifs électroniques de puissance ou des éléments magnétiques) et contrôlent les modes opérationnels pour limiter les courants de court-circuit. L'application pratique des SFCL fait face à des défis communs de supraconductivité tels que le coût et l'efficacité de refroidissement. De plus, les SFCL à extinction ont des temps de récupération longs, potentiellement en conflit avec la reclosure du système, tandis que les changements d'impédance des SFCL non à extinction peuvent affecter la coordination de la protection par relais, nécessitant un réajustement.

2.2 Limitateurs de courant à éléments magnétiques

Ces limitateurs sont divisés en types d'annulation de flux et de commutateur à saturation magnétique. Dans le type d'annulation de flux, deux enroulements de polarité opposée sont enroulés sur le même noyau. Dans des conditions normales, les flux égaux et opposés s'annulent mutuellement, résultant en une faible impédance de fuite.

Lors d'un défaut, un enroulement est contourné, perturbant l'équilibre des flux et présentant une haute impédance. Le type de commutateur à saturation magnétique fonctionne en polarisant l'enroulement limitant de courant en saturation (via un biais DC, etc.) dans des conditions normales, offrant une faible impédance. Lors d'un défaut, le courant de défaut pousse le noyau hors de saturation, créant une haute impédance pour la limitation du courant. En raison des exigences de contrôle complexes, les limitateurs à éléments magnétiques voient une application limitée.

2.3 Limitateurs de courant à résistances PTC

Les résistances à coefficient de température positif (PTC) sont non linéaires ; elles présentent une faible résistance et un chauffage minimal dans des conditions normales. Lors d'un court-circuit, leur température augmente rapidement, augmentant la résistance de 8 à 10 ordres de grandeur en quelques millisecondes. Les FCL basés sur des résistances PTC ont trouvé des applications commerciales dans les applications à basse tension.

Cependant, les inconvénients incluent : des surtensions élevées générées lors de la limitation du courant inductif (nécessitant une protection parallèle contre les surtensions) ; des contraintes mécaniques dues à l'expansion des résistances pendant le fonctionnement ; des limites de tension/courant (centaines de volts, quelques ampères), nécessitant des connexions en série-parallèle et restreignant l'utilisation à haute tension ; et des temps de récupération longs (plusieurs minutes) avec une durée de vie courte, entravant le déploiement à grande échelle.

2.4 Limitateurs de courant à semi-conducteurs (SSCL)

Les SSCL sont un nouveau type de limiteur de court-circuit basé sur l'électronique de puissance, généralement composé de réactances conventionnelles, de dispositifs électroniques de puissance et de contrôleurs. Ils offrent diverses topologies, une réponse rapide, une endurance opérationnelle élevée et un contrôle simple. En contrôlant l'état des dispositifs électroniques de puissance, l'impédance équivalente du SSCL est modifiée pour limiter le courant de défaut. Considérés comme un nouveau dispositif FACTS, les SSCL attirent de plus en plus l'attention. Cependant, lors des défauts, les dispositifs électroniques de puissance doivent supporter l'intégralité du courant de défaut, nécessitant une performance et une capacité élevées des dispositifs. La coordination entre plusieurs SSCL ou avec d'autres systèmes de contrôle FACTS reste un défi critique.

2.5 Limitateurs de courant économiques

Ces limitateurs offrent une technologie mature, une fiabilité élevée, un faible coût et un basculement automatique sans contrôle externe. Ils sont principalement classés en types de transfert de courant d'arc et de résonance série. Le type de transfert de courant d'arc consiste en un interrupteur sous vide en parallèle avec une résistance limitante de courant. En conditions normales, le courant de charge circule à travers l'interrupteur. En cas de court-circuit, l'interrupteur s'ouvre, forçant le courant à se transférer à la résistance pour la limitation du courant.

Les problèmes incluent : le courant de transfert affecté par la tension d'arc sous vide et l'inductance parasite ; le temps de transfert dépendant de la vitesse de l'interrupteur ; et la difficulté de transfert de courant à faible tension d'arc, nécessitant des dispositifs auxiliaires pour augmenter la tension d'arc et forcer le passage par zéro du courant. Les FCL à résonance série utilisent des réacteurs saturés ou des parafoudres comme interrupteurs. En conditions normales, le condensateur et l'inducteur sont en résonance série avec une faible impédance. Lors d'un défaut, le courant élevé sature le réacteur ou active le parafoudre, désaccordant la résonance et insérant le réacteur dans la ligne pour la limitation du courant. Des interrupteurs rapides à repulsion électromagnétique peuvent également contourner rapidement le condensateur.

2.6 Statut actuel des applications ingénierie des FCL

Pour avoir une valeur pratique, les FCL doivent non seulement insérer rapidement une impédance lors des défauts, mais aussi présenter un réarmement automatique, des opérations consécutives multiples, une faible génération d'harmoniques et des coûts d'investissement et d'exploitation acceptables. Actuellement, limités par les défis techniques et l'efficacité économique, malgré divers prototypes expérimentaux développés dans le monde, les applications réelles sur le réseau restent rares, principalement limitées à des projets pilotes à basse tension et petite capacité.

Ce domaine a commencé plus tôt à l'étranger, avec des progrès notables dans la commercialisation des FCL à semi-conducteurs et supraconducteurs. En 1993, un disjoncteur à semi-conducteurs de 6,6 MW utilisant des GTO en antiparallèle a été installé sur un alimentateur de 4,6 kV au Centre de Puissance de l'Armée à New Jersey, États-Unis, capable de dégager les défauts en 300 μs. En 1995, un FCL à semi-conducteurs de 13,8 kV/675 A développé par EPRI et Westinghouse a été mis en service dans une sous-station PSE&G. Pour les FCL supraconducteurs, un FCL hybride AC/DC a été développé par ACEC-Transport et GEC-Alsthom en 1998, atteignant la commercialisation. En 1999, un SFCL de 15 kV/1200 A développé conjointement par General Atomics et autres a été déployé dans une sous-station Southern California Edison (SCE).

La recherche sur les FCL en Chine a commencé plus tard mais a progressé rapidement. En 2007, un FCL à cœurs saturés supraconducteurs de 35 kV, développé par Tianjin Electromechanical Holdings et Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., a subi un essai en réseau à la sous-station de Puji, Yunnan — alors le limiteur supraconducteur le plus élevé en tension et en capacité en essai. Pour les FCL à résonance série, le premier dispositif de 500 kV en Chine, développé conjointement par l'Institut de Recherche sur l'Électricité de Chine, Zhongdian Puri et East China Grid, a été mis en service à la station de 500 kV Bingyao fin 2009, réduisant le courant de court-circuit à moins de 47 kA.

Dans le monde, les applications de FCL restent limitées à des projets individuels mais attirent de plus en plus l'attention. Un potentiel significatif reste dans la recherche sur l'augmentation de la capacité, la tenue en tension, l'amélioration des matériaux, la dissipation de chaleur, le contrôle des coûts et l'optimisation de la topologie.

3 Impact de l'intégration des FCL sur la sécurité et la stabilité du système électrique

L'insertion rapide d'impédance des FCL lors des défauts, bien qu'efficace pour limiter le courant, modifie les paramètres du réseau, affectant la stabilité transitoire, la stabilité de tension, les paramètres de protection par relais et la reclosure. Un contrôle inadéquat peut entraîner des effets négatifs. Un contrôle coordonné et une configuration optimale sont essentiels pour que plusieurs FCL atteignent les meilleures performances.

3.1 Impact sur les paramètres de protection par relais et de reclosure

Pour les SFCL à cœurs saturés, le temps de récupération long signifie que l'impédance persiste après le défaut, nécessitant potentiellement un réajustement de la reclosure automatique et de la protection par relais. La littérature suggère d'installer des SFCL à extinction sur les branches de générateur et de transformateur principal ; bien qu'un réajustement de la protection soit nécessaire, l'impédance élevée persistante pendant la récupération peut agir comme une résistance de frein, bénéficiant à la stabilité transitoire. Diverses méthodes de réglage de la protection à distance prenant en compte les SFCL ont été proposées. Les FCL à semi-conducteurs peuvent utiliser des signaux de déclenchement de thyristors, des contacts de disjoncteur de contournement, des positions de commutateur FCL et des circuits GAP pour basculer les paramètres de protection de courant zéro, abordant les problèmes de sensibilité après l'insertion de FCL.

3.2 Impact sur la stabilité de puissance-angle transitoire

Bien que les FCL fonctionnent généralement avec une faible impédance en conditions normales et une haute impédance lors des défauts, leur fonctionnement et leur structure spécifiques conduisent à des impacts variables sur la stabilité de puissance-angle transitoire. Les FCL à semi-conducteurs et supraconducteurs, en insérant une haute impédance lors des défauts, peuvent améliorer la puissance électromagnétique du générateur et améliorer la stabilité transitoire.

Les FCL de type résistif améliorent la stabilité plus que les types inductifs en fournissant une résistance de frein qui consomme plus de puissance du générateur. Cependant, des valeurs de résistance inappropriées peuvent causer un flux inverse de puissance vers le générateur, aggravant les déficits de puissance. L'analyse montre que pour les défauts éloignés du générateur, les SFCL inductifs deviennent plus bénéfiques à mesure que la réactance totale de transfert diminue. Les SFCL résistifs présentent également des caractéristiques similaires au-delà d'une résistance seuil.

L'impact dépend de l'emplacement et du type de défaut ; les FCL n'affectent la stabilité de puissance-angle que lorsque les défauts se produisent sur leurs lignes d'installation. Pour les défauts asymétriques au début de la ligne, l'inductance du FCL est bénéfique pour la stabilité, augmentant avec la valeur d'inductance. À l'extrémité de la ligne, si le défaut est éliminé rapidement, l'inductance du FCL peut nuire à la stabilité, mais l'impact négatif diminue avec une inductance plus élevée pour les défauts phase-à-phase et deux phases-à-la-terre. Pour les défauts monophasés ou phase-à-phase près de l'extrémité de la ligne, un léger prolongement du temps d'élimination du défaut rend l'inductance faible du FCL bénéfique, réduisant considérablement l'amplitude de la courbe de balancement par rapport à une élimination rapide.

3.3 Impact sur la stabilité de tension transitoire

Les défauts de court-circuit provoquent des baisses de tension, affectant le fonctionnement des équipements et causant des pertes économiques. Une analyse basée sur PSCAD montre qu'une inductance FCL plus importante améliore la suppression des baisses de tension dans une certaine plage. La capacité intrinsèque des FCL à améliorer la tension de défaut varie en fonction de la structure du réseau. Sur les alimentateurs radiaux, une réactance FCL > 0,5 pu peut maintenir la tension au-dessus de 0,8 pu lors des défauts. La génération locale ou le soutien réactif près du bus de défaut réduit la dépendance aux FCL.

3.4 Coordination avec les mesures de limitation traditionnelles

La coordination des FCL avec les mesures traditionnelles (par exemple, les réactances, les transformateurs à haute impédance) est essentielle pour l'application pratique. Une méthode d'optimisation automatique utilisant des variables 0-1 pour le déploiement des mesures et des variables entières pour la capacité forme un problème de programmation mixte en nombres entiers, résoluble par des méthodes de branch-and-bound, pour guider la configuration coordonnée.

3.5 Optimisation de la configuration

Avec plusieurs FCL, l'optimisation de l'emplacement, du nombre et des paramètres pour une performance rentable est un sujet de recherche à la pointe. Pour les petits réseaux, l'énumération ou des méthodes basées sur le taux de variation/perte de puissance suffisent. Pour les grands réseaux avec plusieurs nœuds dépassant les limites de court-circuit, l'énumération devient intensivement computationnelle et inadéquate pour les problèmes multi-objectifs (impédance, nombre, emplacement).

L'optimisation multi-objectifs pondérée en utilisant des algorithmes génétiques ou de essaim de particules est courante, mais les résultats dépendent fortement de la sélection des poids. Les méthodes basées sur la sensibilité, calculant les variations de courant de court-circuit par rapport à l'impédance des branches, évitent la dépendance aux poids et aident à déterminer l'emplacement optimal, le nombre et l'impédance des FCL. Puisque l'objectif principal est la limitation du courant, l'optimisation peut se concentrer sur l'efficacité de la limitation, garantissant que les emplacements des FCL sélectionnés affectent tous les nœuds avec une marge de court-circuit insuffisante. Les coûts et les pertes opérationnelles sont également des facteurs critiques dans l'optimisation réelle.

4 Tendances de développement et d'application des FCL

4.1 Tendances de recherche en technologie FCL

Pour tirer parti des avantages et atténuer les faiblesses, de nouvelles directions de recherche émergent. La combinaison des FCL supraconducteurs avec le stockage d'énergie est un sujet chaud — absorbant l'énergie lors des défauts et la fournissant pour améliorer la qualité de l'énergie en conditions normales, offrant des avantages doubles. La clé réside dans la conception du système de conditionnement de puissance.

Pour répondre aux exigences de haute capacité, de coût et d'harmoniques dans les limiteurs à semi-conducteurs, des topologies améliorées comme les SSCL à pont triphasé couplé par transformateur avec inducteurs de contournement ont été proposées. Les FCL conventionnels manquent de réglabilité dynamique et de compensation en régime permanent.

Un FCL multifonctionnel avec compensation série dynamique a été proposé : le fonctionnement normal utilise le basculement d'une banque de condensateurs pour une compensation progressive de la ligne ; lors des défauts, les GTO ou IGCT contrôlent le degré de limitation via un inducteur en série, permettant une utilisation polyvalente. La compensation série doit être choisie avec soin pour éviter les oscillations sous-synchrones.

4.2 Tendances d'application des FCL

Les FCL ne limitent pas seulement les courants de court-circuit, mais, dans des conditions appropriées, peuvent également améliorer la stabilité de puissance-angle et de tension, élargissant ainsi leur champ d'application. Les tendances émergentes incluent l'amélioration de la capacité de transmission à l'extrémité de réception DC, la réduction du risque d'échec de commutation, l'amélioration de la qualité de l'énergie et le soutien à l'intégration de grandes énergies renouvelables.

Dans les systèmes DC multi-terminaux, les FCL peuvent limiter le courant sans affecter le fonctionnement normal. Pour les réseaux de réception DC, les FCL installés sur les chemins de propagation des défauts peuvent isoler les régions, bloquer la propagation des défauts, raccourcir la durée de l'échec de commutation, accélérer la récupération de la puissance DC et atténuer les déséquilibres de puissance et les transferts de flux de puissance dus à des échecs simultanés de plusieurs alimentations DC, améliorant ainsi la stabilité transitoire globale. Pour les grands moteurs asynchrones, l'intégration de SFCL dans le circuit de stator permet un démarrage doux et supprime la contribution au courant de défaut, réduisant les baisses de tension et améliorant la stabilité de tension transitoire.

Pour l'intégration de grandes éoliennes, les FCL aux points de connexion des parcs éoliens peuvent améliorer la capacité de ride-through des défauts et réduire les risques de déconnexion. Les FCL résistifs nécessitent moins d'impédance que les types inductifs pour la stabilité sous la même durée de défaut, mais les types inductifs offrent une meilleure amélioration près de la stabilité critique.

À mesure que la technologie FCL se développe, ces dispositifs rapides et multifonctionnels — limitant les défauts, améliorant la stabilité et isolant les défauts — trouveront des applications plus larges.

5 Conclusion

Les FCL limitent efficacement les courants de court-circuit mais peuvent affecter la stabilité de puissance-angle/voltage, les paramètres de protection par relais et de reclosure. Une configuration optimisée et un contrôle coordonné de plusieurs FCL ou avec des dispositifs FACTS promettent des avantages significatifs. Les FCL futurs s'étendront au-delà de la limitation du courant pour améliorer la transmission DC, réduire les échecs de commutation, améliorer la qualité de l'énergie et soutenir l'intégration des énergies renouvelables.

Cependant, les barrières techniques et économiques retardent l'application à grande échelle des FCL haute tension et haute capacité. Les limiteurs à semi-conducteurs, limités par la capacité et les tensions des dispositifs, sont actuellement restreints aux réseaux de distribution. Les progrès dans les dispositifs de commutation à haut pouvoir autocommutés pourraient surmonter ces goulets d'étranglement et réduire les coûts.

Les FCL supraconducteurs offrent une réponse rapide et un déclenchement automatique mais font face à des coûts de refroidissement élevés, des défis de dissipation de chaleur et des temps de récupération longs après extinction. En considérant la faisabilité et l'économie à court terme, les FCL économiques basés sur des équipements conventionnels sont la solution préférée. Les limiteurs à semi-conducteurs, avec des barrières techniques plus faibles et une maturité, représentent la direction principale future.