Analyse de fiabilité des limiteurs de courant de défaut dans les postes à haute tension

1 Introduction

Pour répondre à la demande croissante d'énergie électrique, les systèmes de production, de transmission et de distribution d'électricité doivent se développer en conséquence. L'un des problèmes critiques résultant de ce développement est l'augmentation rapide des courants de court-circuit. L'augmentation des courants de court-circuit entraîne plusieurs dangers :

• surchauffe des dispositifs connectés en série le long du chemin de défaut ;
• augmentation des tensions transitoires et de récupération lors de l'interruption du courant, qui peuvent endommager les systèmes d'isolation ;
• génération de forces mécaniques extrêmement élevées dans les équipements à base de bobines (par exemple, transformateurs, alternateurs, réacteurs) ;
• instabilité potentielle du système en fonction de l'amplitude et du temps de suppression du courant de défaut ;
• les disjoncteurs existants peuvent ne plus être capables d'interrompre le courant de défaut accru, nécessitant des remplacements coûteux en termes de temps et d'argent ; pour éviter ces dépenses, les transformateurs parallèles peuvent être limités ou la connectivité du système réduite, ce qui compromet la capacité de transmission et la fiabilité du système ;
• l'augmentation des courants de défaut prolonge les actions correctives, conduisant à des durées d'interruption plus longues et à des pertes économiques plus importantes ;
• réduction de la fiabilité du réseau.

Actuellement, trois solutions principales sont disponibles pour atténuer ces effets :

• construction de structures de réseau avec une probabilité minimale de défaut ;
• utilisation de disjoncteurs avec une capacité d'interruption plus élevée ou remplacement des disjoncteurs moins performants par des modèles plus capables ;
• modification du réseau pour réduire les niveaux de court-circuit. Une combinaison de ces solutions est généralement employée pour atteindre une conception optimale du réseau tout en maintenant la fiabilité du système dans des limites acceptables. Cependant, la possibilité de défauts ne peut jamais être entièrement éliminée, et concevoir des équipements électriques sur la base de courants de court-circuit toujours croissants n'est pas commercialement réalisable. La troisième solution peut être subdivisée en :
  • réduction de la connectivité du système (par exemple, division de bus) ;
  • application de limiteurs de courant de défaut (FCL).

Remplacer les disjoncteurs par des modèles avec une capacité d'interruption plus élevée est une solution coûteuse et peut ne pas être réalisable dans certains cas. De plus, les systèmes de protection présentent des délais de détection de défaut basés sur les spécifications des relais. L'opération des disjoncteurs et l'extinction de l'arc ne sont pas instantanées, nécessitant généralement 3 à 5 cycles pour éliminer complètement un défaut. Par conséquent, les courants de défaut ne peuvent généralement pas être interrompus au cours des 2 à 8 premiers cycles après l'apparition d'un défaut. Pendant cette période, des courants très élevés circulent à travers les dispositifs en série sur le chemin de défaut, et même cette brève durée peut être destructrice, surtout pendant le premier cycle lorsque la composante continue du courant de défaut est particulièrement élevée.

La division de bus et la réduction de la connectivité du système peuvent être considérées comme des alternatives pour résoudre ce problème. Cependant, elles introduisent d'autres défis opérationnels, tels que la réduction de la capacité de transmission, la modification du flux de puissance et l'augmentation des pertes. La nécessité de FCLs découle de la nécessité de protéger les équipements coûteux et vulnérables. Généralement, toutes les stratégies de FCL proposées sont basées sur l'insertion d'une impédance élevée dans le chemin en série pendant un défaut, ne différant que par leur mise en œuvre. Les caractéristiques souhaitées d'un FCL idéal sont généralement :

• très faible impédance sous des conditions normales du système de puissance ;
• insertion d'une impédance élevée pendant un défaut ;
• fonctionnement rapide pour limiter la composante continue du courant de défaut ;
• capacité à effectuer plusieurs opérations en un court laps de temps et à se rétablir ;
• pas d'introduction d'harmoniques dans le système de puissance ;
• minimisation des surtensions transitoires ;
• haute fiabilité.

2 Fiabilité des limiteurs de courant de défaut

L'utilisation de FCLs dans les postes de transformation est généralement motivée par deux raisons principales :

• éviter la solution coûteuse de remplacer les disjoncteurs installés par des modèles ayant une capacité de court-circuit plus élevée ;
• maintenir la topologie du poste de transformation et éviter la division de bus en raison de problèmes opérationnels ou de fiabilité. Actuellement, aucune source fiable ou référence sur les caractéristiques de fiabilité des FCLs n'est disponible ; ainsi, dans cette étude, nous visons à analyser cette question en tenant compte des caractéristiques techniques. Certains FCLs utilisent des technologies hautement complexes, qui peuvent réduire leur fiabilité.

Il existe divers types de FCLs, parmi lesquels les FCLs résonnants et superconducteurs sont plus saillants.

A. FCLs résonnants

De nombreuses configurations de FCLs résonnants ont été proposées. Ils sont généralement classés en FCLs résonnants en série et en parallèle. Les FCLs résonnants possèdent plusieurs caractéristiques favorables pour la limitation des défauts, y compris :

• fonctionnement sans interruption de courant ;
• réponse rapide aux défauts ;
• capacité à supporter le courant de court-circuit pendant la durée du défaut ;
• capacité de réinitialisation.

Cependant, les FCLs résonnants comprennent généralement plusieurs composants, et la fiabilité globale dépend du bon fonctionnement de chaque composant. De plus, certains FCLs résonnants nécessitent un dispositif de déclenchement externe, signifiant qu'il faut des composants supplémentaires pour détecter le court-circuit et initier le déclenchement. Cela augmente la complexité du système et réduit la fiabilité. Par conséquent, les FCLs auto-déclenchés sont manifestement plus fiables.

B. FCLs superconducteurs

Comparativement aux FCLs résonnants, les FCLs superconducteurs nécessitent moins de composants et sont auto-déclenchés. La stratégie de limitation du courant de défaut est simple et basée sur le comportement naturel des matériaux supraconducteurs. La supraconductivité n'existe qu'à des températures très basses, donc les FCLs superconducteurs nécessitent un équipement de refroidissement supplémentaire, augmentant les coûts d'investissement. Le concept proposé dans cet article se limite à évaluer l'impact de l'application de FCLs sur la fiabilité des postes de transformation.

3 Modes de défaillance des FCLs

Comme d'autres composants dans les postes de transformation haute tension, les FCLs présentent différents modes de défaillance qui doivent être pris en compte lors de l'évaluation de la fiabilité des postes de transformation intégrant des FCLs. Cette section compare les taux de défaillance de différents types de FCLs.

Il existe une relation fondamentale entre la fiabilité d'un système complet et le nombre de ses sous-systèmes, tous lesquels doivent fonctionner correctement pour réaliser la fonction globale souhaitée.

• A. Modes de défaillance actifs
• B. Modes de défaillance passifs
• C. Modes de défaillance fixes

Il est clair que les FCLs nécessitant un système de déclenchement (FCLs déclenchés externement) ont des taux de défaillance plus élevés. En général, tout FCL impliquant un déclenchement ou une commutation implique des opérations séquentielles de plusieurs dispositifs de commutation, nécessitant une synchronisation et une coordination précises, augmentant considérablement la complexité par rapport aux disjoncteurs conventionnels.

Dans les FCLs résonnants (que ce soit déclenchés externement ou auto-déclenchés), des modes de défaillance fixes peuvent survenir en raison de variations des caractéristiques des éléments résonnants causées par des changements dans les conditions de fonctionnement, telles que la température, ou le fonctionnement dans des conditions non nominales.

Les FCLs superconducteurs ne présentent ces modes de défaillance que sous un refroidissement excessif, ce qui est rare. Ainsi, on peut dire que les FCLs superconducteurs n'ont essentiellement pas ce mode de défaillance. Dans la plupart des cas, les FCLs superconducteurs peuvent être conçus avec des paramètres prévisibles et résister à des milliers de cycles d'activation et de récupération. De plus, l'utilisation de FCLs plus petits plutôt que plus grands peut améliorer à la fois la fiabilité et la capacité de limitation de courant. Le tableau 1 compare brièvement les taux d'occurrence des différents modes de défaillance pour divers types de FCLs.

4 Application pratique

Un poste de transformation exemplaire illustré à la figure 1 est utilisé pour évaluer l'impact de la mise en œuvre de FCLs sur la fiabilité du poste de transformation. Il est bien connu que, pendant la maintenance, l'utilisation de disjoncteurs de sectionnement de bus pour gérer les schémas de protection et améliorer la flexibilité des configurations de postes de transformation est une pratique courante. Lorsque le niveau de courant de défaut dans un poste de transformation dépasse la capacité d'interruption des disjoncteurs, le remplacement du disjoncteur de sectionnement de bus par un FCL devient une solution viable. En effet, l'Inter-Bus FCL est l'une des applications les plus courantes des FCLs.

Supposons que toutes les charges connectées au bus 330 kV soient identiques. L'évaluation de la fiabilité se concentre sur la charge 1 au bus 330 kV gauche et la charge 5 au bus 330 kV droit. La fiabilité de la charge est évaluée à l'aide des indices suivants : (1) Probabilité de perte de charge (%) ; (2) Temps annuel d'interruption (U). On suppose que le bus 330 kV est totalement fiable. Pour éviter des calculs inutiles, les modes de défaillance impliquant la panne simultanée de plus de trois composants ne sont pas pris en compte. Comme le taux d'occurrence de tels modes de défaillance est très faible, cette hypothèse n'introduit pas d'erreur significative.

Le tableau 2 montre les taux de défaillance et les temps de réparation des composants. Pour l'analyse initiale, nous commençons par calculer les indices de fiabilité associés au bus 330 kV gauche. Pour effectuer une comparaison informée et complète, théoriquement, nous devrions calculer les indices de fiabilité pour tous les points de charge de L1 à L7. Cependant, étant donné que ces charges sont similaires et connectées au même bus, elles auront des modes de défaillance similaires. Par conséquent, nous n'avons besoin de calculer les indices de fiabilité que pour le point de charge 1 (L1) sur le bus gauche et le point de charge 5 (L5) sur le bus droit.

Comme mentionné ci-dessus, deux indices probabilistes sont utilisés pour l'analyse : la probabilité de perte de charge (en f/an) et le temps annuel d'interruption (en heures/an, A). Ces indices sont évalués pour le cas d'une panne d'un seul composant.

Pour le cas de la panne simultanée de deux composants, le taux de défaillance équivalent (λₑ), la durée moyenne d'interruption (r) et le temps annuel d'interruption (u) sont exprimés comme suit :

Pour le cas de la panne simultanée à trois niveaux, il est exprimé comme suit :

En tenant compte de tous les modes de défaillance, le taux de défaillance total et le temps annuel d'interruption total peuvent être calculés comme suit :

Le tableau 3 montre les résultats de l'analyse de fiabilité pour les charges.

Maintenant, le même calcul est effectué pour les alimentations sur l'autre bus 230 kV. Le tableau 4 montre les résultats liés au point de charge LS.

5 Conclusion

Ce document présente l'application des limiteurs de courant de défaut (FCLs) pour améliorer la fiabilité des postes de transformation, décrit le modèle mathématique et la procédure de calcul de la fiabilité, et évalue l'impact de la mise en œuvre des FCLs sur la fiabilité des postes de transformation. Les résultats indiquent que la fiabilité des postes de transformation est améliorée par l'utilisation de FCLs. Une analyse de sensibilité est également menée pour examiner l'influence de divers paramètres, tels que le taux de défaillance active, le taux de défaillance passive et le temps de réparation du FCL, sur les indices de fiabilité.