Quels sont les types et les caractéristiques courants de la surtension dans le réseau de distribution

Les réseaux de distribution, caractérisés par leur large dispersion, leur grand nombre d'équipements et leur faible niveau d'isolation, sont sujets à des accidents d'isolation causés par la surtension. Cela ne réduit pas seulement la stabilité du système de distribution dans son ensemble et les performances d'isolation des lignes, mais a également un impact négatif significatif sur le fonctionnement sûr du réseau électrique et le développement sain et durable de l'industrie électrique.

D'un point de vue circuit, à part la source d'énergie, le système électrique peut être représenté de manière équivalente par différentes combinaisons de trois composants typiques : la résistance (R), l'inductance (L) et la capacité (C). Parmi ceux-ci, l'inductance (L) et la capacité (C) sont des composants de stockage d'énergie, qui constituent les conditions de base pour la formation de la surtension ; la résistance (R) est un composant dissipateur d'énergie, qui peut généralement inhiber le développement de la surtension. Cependant, dans certains cas individuels, l'ajout inapproprié de résistance peut également conduire à la survenue de la surtension.

Types et caractéristiques courants de la surtension dans les réseaux de distribution

Les types courants de surtension dans les réseaux de distribution comprennent principalement la surtension de mise à la terre intermittente par arc, la surtension de résonance linéaire et la surtension de ferro-résonance (y compris la surtension de résonance de déconnexion et la surtension de saturation de PT).

Surtension de mise à la terre intermittente par arc

La surtension de mise à la terre intermittente par arc est un type de surtension de commutation. Son amplitude est liée à des facteurs tels que les caractéristiques des équipements électriques, la structure du système, les paramètres de fonctionnement, les formes d'opération ou de panne, et présente une aléatoire évidente. Elle est la plus courante dans les réseaux électriques dont le point neutre n'est pas effectivement mis à la terre.

L'énergie de la surtension de commutation provient du système électrique lui-même, et son amplitude est approximativement proportionnelle au voltage nominal du système. Elle est généralement exprimée en multiples de l'amplitude maximale de la tension de phase de service du système. Lorsque les opérations ou les pannes entraînent des changements dans l'état de fonctionnement du réseau électrique, l'énergie magnétique stockée dans les composants inductifs sera convertie en énergie électrique des composants capacitifs à un certain moment, générant ainsi un processus transitoire oscillant, produisant une surtension transitoire plusieurs fois supérieure à la tension d'alimentation, appelée surtension de commutation.

Les arcs intermittents provoquent des changements répétés dans l'état de fonctionnement du réseau électrique, entraînant des oscillations électromagnétiques dans les circuits inductifs et capacitifs, puis des processus transitoires se produisent dans la phase non défectueuse, la phase défectueuse et le point neutre, générant une surtension. C'est la surtension de mise à la terre intermittente par arc (également appelée surtension de mise à la terre par arc). Son mécanisme de formation est étroitement lié à l'extinction et à la reprise de l'arc : chaque fois que le courant de défaut de mise à la terre traverse naturellement zéro, l'arc de mise à la terre aura une courte période d'extinction ; lorsque la tension de récupération du canal d'arc est supérieure à sa force de récupération diélectrique, l'arc se rallumera. Plus précisément :

• Lorsque le courant de mise à la terre est important, le canal d'arc est fortement ionisé et l'arc brûle de manière stable ;

• Lorsque le courant est faible, la force diélectrique du canal d'arc se rétablit rapidement, l'arc est difficile à rallumer et l'extinction temporaire peut devenir permanente ;

• Lorsque le courant est modéré, un phénomène de mise à la terre intermittente par arc qui s'allume et s'éteint se forme.

La surtension de mise à la terre par arc sévère est causée par l'accumulation continue d'énergie dans le réseau électrique. Du point de vue de la limitation de la surtension, si l'excès de charge accumulé dans le réseau électrique pendant le processus d'allumage à l'extinction de l'arc peut fuir via la résistance dans la moitié d'un cycle de fréquence de puissance après l'extinction de l'arc, la tension de déplacement du point neutre sera pratiquement nulle et ne causera pas de surtension d'amplitude élevée.

Surtension de résonance linéaire

Dans le réseau électrique, la surtension générée par la résonance en série entre les composants inductifs sans noyau de fer (comme l'inductance de ligne, l'inductance de fuite du transformateur, etc.) ou les composants inductifs avec un noyau de fer dont les caractéristiques d'excitation sont proches de la linéarité (comme les bobines d'extinction d'arc, etc.) et les composants capacitifs du réseau électrique (comme la capacité ligne-terre, etc.) sous l'action de la tension asymétrique est appelée surtension de résonance linéaire. Sa forme la plus courante est le déplacement de la tension du point neutre.

Selon la norme industrielle DL/T620-1997 "Protection contre les surtensions et coordination de l'isolation des dispositifs électriques en courant alternatif", dans le système de mise à la terre par bobine d'extinction d'arc, dans des conditions de fonctionnement normales, le déplacement de tension du point neutre à long terme ne devrait pas dépasser 15% de la tension de phase nominale du système.

Surtension de ferro-résonance

Dans le circuit oscillant du système électrique, la surtension persistante et de haute amplitude excitée par la saturation de l'inductance à noyau de fer est appelée surtension de ferro-résonance. Il existe deux surtensions de ferro-résonance typiques dans les réseaux de distribution inférieurs à 35kV, à savoir la surtension due à la résonance de déconnexion et la surtension due à la saturation de PT, collectivement appelées surtensions de résonance non linéaire. Elle a des caractéristiques et propriétés complètement différentes de la surtension de résonance linéaire et de la surtension de mise à la terre intermittente par arc. Sous différentes combinaisons de paramètres, des surtensions de résonance à fréquence fondamentale, fractionnaire et haute fréquence peuvent se produire.

• Surtension de résonance de déconnexion : Lorsque le système est en fonctionnement non triphasé complet en raison de la rupture de fil, de l'action non triphasée complète des disjoncteurs, de l'asynchronisme sévère, de la fusion d'une ou deux phases des fusibles haute tension, etc., la surtension de ferro-résonance générée est la surtension de résonance de déconnexion. Lorsqu'une déconnexion se produit, le potentiel triphasé symétrique alimente généralement des charges triphasées asymétriques, et le circuit est complexe et contient des composants non linéaires. Il est donc nécessaire d'utiliser le théorème de Thévenin et la méthode des composantes symétriques pour convertir le circuit triphasé en un circuit monophasé équivalent, le simplifier en un circuit LC série le plus simple, puis analyser les conditions de résonance et effectuer des calculs et analyses. Il existe trois formes de pannes de déconnexion d'un fil : déconnexion sans mise à la terre, déconnexion avec mise à la terre côté alimentation, et déconnexion avec mise à la terre côté charge.

• Surtension de saturation de PT : Dans le système dont le point neutre n'est pas effectivement mis à la terre, des transformateurs de tension électromagnétiques (PT) connectés en Y0 sont généralement installés sur les bus des centrales électriques et des postes de transformation pour surveiller les conditions d'isolation. Pendant le fonctionnement normal, l'impédance d'excitation du transformateur de tension électromagnétique est très élevée, donc l'impédance de mise à la terre du réseau est capacitive, et les trois phases sont à peu près équilibrées. Cependant, après certaines opérations de commutation ou la disparition de pannes de mise à la terre, il formera un circuit de résonance triphasé ou monophasé spécial avec la capacité de fil ou la capacité parasite d'autres équipements, et peut exciter des surtensions de ferro-résonance de divers harmoniques, appelées surtensions de saturation de PT. Parmi elles, la surtension de résonance à fréquence fractionnaire est la plus nuisible. Elle causera une augmentation significative du courant d'excitation pendant une longue période, brûlera le fusible du transformateur, et même causera un surchauffage grave du transformateur, une émission d'huile, ou même une explosion. De plus, la surtension de saturation du transformateur de tension présente des caractéristiques évidentes de séquence zéro.

Surtension de foudre

Le décharge de foudre est essentiellement un phénomène de décharge non-spark dans un champ électrique extrêmement inhomogène avec un intervalle d'air ultra-long. Son processus de base comprend la décharge de leader, la décharge principale et la décharge de lumière après-coup. Chaque courant de foudre formé par la foudre de polarité négative a une forme d'onde pulsée unipolaire. Les paramètres principaux décrivant la forme d'onde sont la valeur crête, le temps de front d'onde et le temps demi-crête.

La surtension de foudre est divisée en surtension directe de foudre et surtension induite de foudre. Parmi celles-ci, la surtension induite de foudre comprend les composants d'induction électrostatique (principalement) et d'induction électromagnétique, avec les caractéristiques suivantes :

• La polarité est opposée à celle du nuage orageux, c'est-à-dire opposée à la polarité du courant de foudre ;

• Elle apparaît simultanément dans les trois phases avec des valeurs à peu près égales, et il n'y aura pas de différence de potentiel interphase ni de flashover interphase ;

• Si l'amplitude est grande, elle peut causer un flashover vers la terre ;

• La forme d'onde est plus plate et plus longue que celle de la surtension directe de foudre ;

• Si une ligne de protection contre la foudre est située au-dessus du fil, la surtension induite sur le fil sera réduite en raison de l'effet de blindage électromagnétique. Plus la distance entre les lignes est petite, plus le coefficient de couplage est grand, et plus la surtension induite sur le fil est faible.

Généralement, des lignes de protection contre la foudre ne sont pas érigées le long de toute la ligne pour les réseaux de distribution de 35kV et moins, et seules 1-2km de lignes de protection contre la foudre sont installées aux entrées et sorties des postes de transformation comme protection de section d'entrée.