Commutation de courant en déphasage dans les disjoncteurs haute tension
Lorsque deux parties d'un réseau électrique avec la même tension de fonctionnement sont couplées, un phénomène de commutation de déphasage de phase se produit si leurs sources équivalentes ont des angles de phase différents, certains ou tous les phases étant en déphasage de 180°. Pendant l'opération de commutation, le disjoncteur rencontre des tensions de source avec des angles de phase différents, entraînant la présence de courants déphasés dans la connexion. Ces courants doivent être interrompus de manière fiable par les disjoncteurs des deux côtés de la connexion.
En particulier, la différence d'angle de phase entre les vecteurs tournants représentant les tensions de source entraîne des formes d'onde instantanées de tension hors de phase, provoquant des courants transitoires importants et des contraintes de tension au moment de la commutation. Pour la tension de récupération transitoire (TRV), cette tâche de commutation est caractérisée par des sources de puissance active des deux côtés du disjoncteur, augmentant la complexité et les défis de l'opération de commutation.
Comme le montre la Figure 1, supposons que les sources d'énergie S1 et S2 représentent deux sources avec des angles de phase différents. Lorsque le disjoncteur bascule entre ces deux sources, la différence d'angle de phase peut entraîner une augmentation substantielle du courant transitoire, imposant des exigences de coupure plus importantes sur le disjoncteur. Par conséquent, le disjoncteur doit avoir une capacité suffisante pour gérer ces conditions de stress élevées, assurant des opérations de commutation sûres et fiables.
Résumé des points clés
Commutation de déphasage de phase : Se produit lors de la commutation entre deux sources avec des angles de phase différents.
Courants transitoires : Des courants transitoires importants sont générés en raison des différences d'angle de phase.
Tension de récupération transitoire (TRV) : La tâche de commutation implique des sources de puissance active des deux côtés du disjoncteur, augmentant la complexité.
Exigences du disjoncteur : Le disjoncteur doit être capable de gérer des conditions de stress élevé pour assurer des opérations de commutation sûres et fiables.
Dans les tâches de commutation de défaut précédemment discutées, la composante de Tension de Récupération Transitoire (TRV) du côté charge finit par décroître à zéro. Cependant, dans la commutation de déphasage de phase, la composante TRV du côté S2 décroît progressivement vers la tension de récupération à fréquence de réseau (RV) de la source S2. Comme le montre la Figure 2, on suppose que la différence de phase entre les deux sources est de 90°, et que les réactances de court-circuit ont une impédance égale.
Par conséquent, la principale caractéristique de l'opération de commutation de déphasage de phase est des pics de TRV exceptionnellement élevés, tandis que le taux de montée de la tension de réapparition (RRRV) et le courant restent relativement modérés. Étant donné que le pic de TRV sous des conditions de déphasage de phase est le plus élevé parmi toutes les opérations de commutation, il est généralement utilisé comme référence pour évaluer d'autres conditions de commutation complexes, telles que la suppression de défauts sur des lignes de transmission à longue distance ou la gestion de défauts sur des lignes compensées en série.
Résumé des points clés :
TRV du côté charge : Dans tous les cas, la composante TRV du côté charge décroît à zéro. TRV du côté S2 en déphasage de phase : Décroît vers la tension de récupération à fréquence de réseau (RV) de la source S2.
Pic de TRV : Exceptionnellement élevé en cas de commutation de déphasage de phase.
RRRV et courant : Restent relativement modérés.
Norme de référence : Le pic de TRV sous des conditions de déphasage de phase est le plus élevé, ce qui en fait une référence commune pour évaluer d'autres conditions de commutation complexes.
Caractéristiques de la TRV en commutation de déphasage de phase
Dans les scénarios de commutation de défaut précédemment discutés, la composante de Tension de Récupération Transitoire (TRV) du côté charge décroît à zéro dans tous les cas. Cependant, en commutation de déphasage de phase, la composante TRV du côté décroît vers la tension de récupération à fréquence de réseau (RV) de la source . Ce comportement est illustré dans la Figure 2, où il est supposé que la différence de phase entre les deux sources est de 90°, et que les réactances de court-circuit sont considérées égales.
Description raffinée
Dans les scénarios de commutation de défaut précédemment discutés, la composante de Tension de Récupération Transitoire (TRV) du côté charge décroît toujours à zéro. Cependant, en commutation de déphasage de phase, la composante TRV du côté décroît vers la tension de récupération à fréquence de réseau (RV) de la source . Comme le montre la Figure 2, cela suppose une différence de phase de 90° entre les deux sources d'énergie et des réactances de court-circuit égales.
Par conséquent, les principales caractéristiques de l'opération de commutation de déphasage de phase sont :
Pics de TRV très élevés : Les valeurs de pic de TRV sont significativement plus élevées par rapport à d'autres modes de commutation.
RRRV et courant modérés : Le taux de montée de la tension de réapparition (RRRV) et les niveaux de courant restent modérés, malgré les pics de TRV élevés.
Étant donné que le pic de TRV sous des conditions de déphasage de phase est le plus élevé parmi tous les modes de commutation, ce scénario est souvent utilisé comme référence pour évaluer d'autres conditions de commutation spéciales, telles que :
Suppression de défauts sur des lignes de transmission longues
Gestion de défauts sur des lignes compensées en série
Résumé des points clés :
TRV du côté charge : Toujours décroissant à zéro dans tous les scénarios de commutation de défaut.
-TRV en déphasage de phase : Décroît vers la tension de récupération à fréquence de réseau (RV) de la source .
Pic de TRV : Exceptionnellement élevé en cas de commutation de déphasage de phase.
RRRV et courant : Restent relativement modérés.
Norme de référence : Le pic de TRV sous des conditions de déphasage de phase est le plus élevé, ce qui en fait une norme commune pour évaluer d'autres conditions de commutation complexes.
La Figure 3 illustre deux scénarios qui peuvent conduire à des conditions de déphasage de phase. Dans le premier scénario (image de gauche), un générateur est connecté accidentellement au réseau par un disjoncteur à un angle de phase incorrect. Dans le second scénario (image de droite), différentes parties du réseau de transport perdent leur synchronisation, souvent en raison d'un court-circuit quelque part dans le réseau.
Dans les deux cas, des courants déphasés circulent dans le réseau, qui doivent être interrompus de manière fiable par les disjoncteurs. Ces situations posent des défis importants pour le système de puissance, car le déphasage de phase peut entraîner des courants et tensions transitoires élevés, nécessitant que les disjoncteurs gèrent efficacement ces conditions extrêmes.
Résumé des points clés :
Scénario 1 (Image de gauche) : Un générateur est connecté au réseau à un angle de phase incorrect, entraînant un déphasage de phase.
Scénario 2 (Image de droite) : Différentes parties du réseau de transport perdent leur synchronisation, généralement en raison d'un court-circuit, causant un déphasage de phase.
Courants déphasés : Dans les deux scénarios, des courants déphasés circulent dans le réseau.
Exigence du disjoncteur : Les disjoncteurs doivent interrompre de manière fiable ces courants déphasés pour maintenir la stabilité et la sécurité du système.
Commutation entre le générateur et le système
Lorsqu'un transformateur élévateur est utilisé, la commutation entre le générateur et le système de puissance peut se produire soit du côté haute tension (HT) soit du côté moyenne tension (MT) du transformateur. Cette commutation peut se produire non seulement pendant les défauts du système ou les arrêts de centrale, mais aussi pendant les événements de synchronisation et de désynchronisation.
La gravité des conditions hors de phase dépend de :
Différence d'angle de phase : Plus la différence d'angle de phase entre le générateur et le réseau est grande, plus la condition hors de phase est grave.
État d'excitation du rotor : Le niveau d'excitation du rotor du générateur affecte également la gravité de la condition hors de phase. Généralement, le système de contrôle d'excitation réduit rapidement l'intensité du champ magnétique du rotor pour minimiser l'impact de la condition hors de phase.
Pour répondre à ces défis, les centrales électriques sont équipées de divers dispositifs de protection et de commande :
Dispositifs de protection hors de phase : Ces dispositifs détectent et empêchent le générateur de perdre sa synchronisation avec le réseau.
Dispositifs de vérification de la synchrone : Ces dispositifs s'assurent que le générateur est connecté au réseau à l'angle de phase correct, empêchant ainsi les conditions hors de phase.
Équipement de contrôle de la synchronisation : Ces équipements aident à réaliser une synchronisation en douceur entre le générateur et le réseau.
La Figure 4 illustre cette disposition typique, montrant la connexion entre le transformateur élévateur, le générateur et le système de puissance, ainsi que la configuration des dispositifs de protection et de commande associés.
Résumé des points clés :
Lieu de commutation : La commutation entre le générateur et le système de puissance peut se produire soit du côté haute tension (HT) soit du côté moyenne tension (MT) du transformateur élévateur.
Conditions hors de phase : La gravité des conditions hors de phase dépend de la différence d'angle de phase et de l'état d'excitation du rotor.
Dispositifs de protection et de commande : Les centrales électriques sont équipées de dispositifs de protection hors de phase, de dispositifs de vérification de la synchrone et d'équipement de contrôle de la synchronisation pour assurer des opérations de commutation sûres et fiables.
2-Commutation entre deux systèmes :
La commutation entre deux systèmes de puissance se produit généralement dans des situations de déséquilibre de puissance et d'instabilité du système. Cela inclut de grands perturbations du système, des situations pendant la restauration du système et en raison de la mauvaise opération des systèmes de protection.
Les lignes de transmission plus importantes peuvent être équipées d'une protection contre le déphasage dans leur système de protection et/ou une protection spécifique au système peut être appliquée pour prévenir la séparation des systèmes sous des conditions de déphasage sévères.
Conclusions des phénomènes hors de phase :
Les courants hors de phase nominatifs ont été proposés à 25% du courant nominal de court-circuit. Pour des raisons économiques et statistiques, des valeurs minimales de pic issues des analyses TRV ont été proposées : une RV de 2,0 p.u. et un dépassement de 25%.
Comme la séparation du système s'accompagne d'une cascade de déclenchements de lignes aériennes et donc d'une augmentation de l'impédance du système, une valeur maximale de 25% du courant nominal de court-circuit semble raisonnable, même aujourd'hui. La valeur maximale du courant hors de phase est un paramètre important pour les capacités des disjoncteurs haute tension.
Les grandes perturbations montrent des angles de déphasage bien plus importants que les valeurs de 105 à 115 degrés associées aux pics de TRV dans les normes. Cela s'applique à la fois aux réseaux radiaux et maillés ; cependant, les événements historiques ont montré que de grands angles de déphasage peuvent se produire en même temps que des tensions de fonctionnement basses. La combinaison d'un grand angle de déphasage et d'une tension de fonctionnement basse donne des pics de TRV similaires à ceux mentionnés dans les normes pour des situations avec un angle de déphasage relativement faible et une tension nominale (tension de fonctionnement maximale).
Les disjoncteurs de système de transport utilisés pour connecter ou déconnecter des centrales électriques conventionnelles peuvent également être soumis à des commutations hors de phase. Pour déconnecter des centrales électriques pendant des oscillations de puissance instables, les mêmes considérations que pour la séparation du système s'appliquent, bien qu'il faille prendre soin de la possibilité qu'une condition de test de défaut limitée par un transformateur doive être spécifiée.
Pour déconnecter des centrales électriques en raison d'une synchronisation défectueuse, des conditions et des exigences similaires à celles décrites pour les disjoncteurs de générateurs en moyenne tension s'appliquent, et des simulations sont nécessaires pour juger si un design peut remplir la mission. Les simulations de tels événements devraient inclure le temps de réponse des systèmes de protection, le phénomène de dépression de la tension du générateur, et l'accélération/décélération du rotor pour identifier si le courant hors de phase et la TRV après une fausse synchronisation des générateurs couvrent les conditions prescrites par l'utilisateur, par exemple, 180 degrés.
