Traitement des défauts de phase unique à la terre sur une ligne de distribution 35 kV

Lignes de Distribution : Un Élément Clé des Systèmes Électriques

Les lignes de distribution sont un élément majeur des systèmes électriques. Sur la même barre d'entrée à un niveau de tension donné, plusieurs lignes de distribution (pour l'entrée ou la sortie) sont connectées, chacune avec de nombreuses branches disposées en étoile et reliées à des transformateurs de distribution. Après avoir été abaissée à basse tension par ces transformateurs, l'électricité est fournie à une large gamme d'utilisateurs finaux. Dans ces réseaux de distribution, des défauts tels que les courts-circuits phase-phase, les surintensités (surcharge) et les défauts monophasés à la terre se produisent fréquemment. Parmi ceux-ci, les défauts monophasés à la terre sont les plus courants, représentant plus de 70% des défauts totaux du système. De plus, de nombreux défauts de court-circuit se développent à partir de défauts monophasés à la terre qui s'aggravent en défauts multiphasés à la terre.

Les défauts monophasés à la terre se réfèrent aux situations où l'une des trois phases (A, B ou C) sur une ligne de distribution se rompt et tombe au sol, entre en contact avec des arbres, des bâtiments, des poteaux ou des pylônes, formant ainsi un chemin conducteur avec le sol. Ils peuvent également résulter d'une surtension causée par la foudre ou d'autres conditions atmosphériques, ce qui endommage l'isolation des équipements de distribution, entraînant une baisse significative de la résistance d'isolation à la terre.

Lorsqu'un défaut monophasé à la terre se produit dans un système de mise à la terre à faible courant, une boucle de défaut complète n'est pas directement formée. Le courant de mise à la terre capacitif est beaucoup plus faible que le courant de charge, et les tensions de ligne du système restent symétriques, donc l'alimentation électrique des utilisateurs n'est pas immédiatement interrompue. Par conséquent, les réglementations permettent une opération continue avec un défaut à la terre pendant jusqu'à 2 heures. Cependant, la tension sur les phases non défectueuses augmente par rapport à la terre, posant une menace pour l'isolation. Ainsi, les lignes présentant un défaut à la terre doivent être rapidement identifiées et traitées.

I. Identification des Défauts Monophasés à la Terre sur les Barres Auxiliaires 35kV

Lorsque des défauts monophasés à la terre, des ferro-résonances, des pertes de phase ou des ruptures de fusibles haute tension dans les transformateurs de tension (VT) se produisent, les phénomènes observés peuvent être similaires, mais une analyse minutieuse révèle des différences distinctes.

• Défaut Monophasé à la Terre:
  La sous-station et le système SCADA émettront des signaux tels que "mise à la terre de la barre 35kV" ou "bobine d'extinction d'arc No. X activée." La protection relais ne déclenche pas mais déclenche des signaux d'alarme. La tension de la phase défectueuse diminue, tandis que les tensions des deux autres phases augmentent. L'indicateur lumineux VT de la phase défectueuse s'assombrit, tandis que les deux autres s'éclaircissent. En cas de défaut de mise à la terre solide (métallique), la tension de la phase défectueuse tombe à zéro, et les tensions phase-sol des deux autres phases augmentent de √3 fois, tandis que les tensions de ligne restent inchangées. La sortie 3V₀ du VT lit environ 100V, et la lumière de suppression d'harmoniques s'allume. La bobine d'extinction d'arc transporte un courant égal au courant de compensation correspondant à son réglage. Si un sélecteur de ligne de défaut à faible courant est installé, il sera activé et identifiera la ligne défectueuse. Si le défaut est à l'intérieur de la sous-station, des signes physiques tels que des arcs visibles, de la fumée et des bruits électriques forts rendent le point de défaut plus facile à identifier.

• Ferro-résonance:
  Une tension de déplacement du point neutre est générée, modifiant les tensions triphasées. Généralement, la tension d'une phase augmente tandis que les deux autres diminuent, ou vice versa, et les tensions de ligne changent en conséquence. Comme la tension neutre n'est pas nulle, un courant circule à travers la bobine d'extinction d'arc, et des signaux de "mise à la terre de la barre" peuvent apparaître selon la magnitude de la tension de déplacement.

• Perte de Phase:
  La tension du côté amont de la phase perdue augmente à 1,5 fois la tension normale, tandis que la tension aval tombe à zéro. Le courant de la phase défectueuse devient nul, et les tensions des deux autres phases diminuent légèrement. Les tensions de ligne restent inchangées. 3V₀ lit environ 50V, la bobine d'extinction d'arc transporte un courant, et un signal de mise à la terre est émis. Les utilisateurs sont susceptibles de signaler des coupures de courant.

• Rupture de Fusible Haute Tension du VT:
  La tension de la phase défectueuse diminue considérablement (généralement en dessous de la moitié de la tension normale de phase), tandis que les tensions des autres phases ne montent pas. Les tensions de ligne deviennent déséquilibrées. Tous les circuits sortants de la barre déclenchent un signal d'alarme "circuit de tension ouvert". 3V₀ lit environ 33V, et un signal de mise à la terre est émis.

Bien que ces quatre conditions - défaut monophasé à la terre, ferro-résonance, perte de phase et rupture de fusible du VT - présentent des symptômes similaires, une analyse approfondie des tensions de phase, des tensions de ligne, de 3V₀, du courant de la bobine d'extinction d'arc, des signaux d'automatisation SCADA et des rapports des opérateurs de la salle de contrôle peut distinguer précisément un défaut monophasé à la terre.

II. Processus de Traitement des Défauts Monophasés à la Terre sur les Barres Auxiliaires 35kV

Lorsqu'un défaut de mise à la terre d'une ligne 35kV se produit, la barre 35kV de la sous-station Wan’an émet un signal d'alarme de mise à la terre. Le personnel de la station centrale doit être immédiatement informé pour inspecter les équipements de la station et l'état de la protection (y compris la tension 3V₀, l'état du sélecteur de ligne de défaut à faible courant, la température/courant de la bobine d'extinction d'arc, etc.), et l'équipe de patrouille de ligne doit être dépêchée pour inspecter la ligne. Après avoir reçu le retour de la station centrale confirmant un défaut de mise à la terre, des essais de commutation (essais de déconnexion) des lignes doivent être effectués. Avant les essais de commutation, les utilisateurs critiques doivent être informés. 

Pour les systèmes sans dispositifs d'essai de commutation, une déconnexion à distance via SCADA est possible, mais les charges des sous-stations en aval doivent d'abord être transférées. Dans les systèmes avec des connexions internes en pont, les interrupteurs de transfert automatique (ATS) doivent être désactivés pour éviter qu'ils ne transfèrent le défaut vers des sections saines.Une fois qu'une ligne spécifique est identifiée comme défectueuse, la priorité doit être donnée au transfert de sa charge avant de mettre hors service la ligne défectueuse. L'équipe de patrouille de ligne et le personnel de la station centrale doivent ensuite être informés pour patrouiller la ligne 35kV et inspecter les équipements 35kV associés à la sous-station 35kV concernée. 

Pour empêcher le défaut de se transformer en un court-circuit phase-phase, qui pourrait causer des coupures soudaines, l'équipement défectueux doit être rapidement localisé et isolé. De plus, pour prévenir la surchauffe et l'endommagement de la bobine d'extinction d'arc, l'équipement défectueux doit généralement être isolé dans les 2 heures. La montée en température de la bobine doit être surveillée et maintenue en dessous de 55°C. Si elle est dépassée, l'opération monophasée à la terre doit être arrêtée immédiatement, et l'équipement défectueux déconnecté. Si la condition de mise à la terre persiste au-delà de 2 heures, la situation doit être rapportée à la direction supérieure.

III. Conclusion

Lorsqu'un défaut monophasé à la terre se produit sur une ligne de distribution, l'amplitude et la phase de la tension de ligne restent inchangées, permettant une opération à court terme sans déconnexion de l'équipement défectueux. Bien que cela améliore la fiabilité de l'approvisionnement, la tension des deux phases saines augmente à des niveaux phase-phase, augmentant le risque de rupture d'isolation et de courts-circuits biphasés à la terre ultérieurs. Cela pose des risques importants pour le fonctionnement sûr et économique des équipements de sous-station et du réseau de distribution. Par conséquent, de tels défauts doivent être prévenus si possible, et une fois qu'ils se produisent, le point de défaut doit être rapidement localisé et éliminé pour améliorer la fiabilité globale de l'approvisionnement en électricité.