Protection des lignes aériennes – Défauts et dispositifs de protection
Pannes courantes sur les lignes aériennes
Les causes les plus courantes de pannes sur les lignes aériennes comprennent :
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Dispositifs de protection des lignes aériennes
La protection par surintensité graduelle dans le temps est inefficace pour les lignes aériennes de transport haute tension (HT). Cela est dû à la présence de plusieurs sources interconnectées de courants de défaut, qui peuvent être limitées par des limiteurs de courant de défaut. Les exigences clés pour les schémas de protection des lignes aériennes HT sont les suivantes :
Pour répondre à ces exigences, les dispositifs de protection suivants sont couramment utilisés sur les lignes aériennes HT :
La protection différentielle est généralement appliquée aux lignes aériennes courtes, tandis que la protection par distance est plus adaptée aux lignes aériennes longues. La classification des lignes aériennes en courtes ou longues est basée sur une comparaison de l'inductance, de la résistance et de la capacité de la ligne. Une ligne est considérée comme courte lorsque sa résistance et sa capacité sont négligeables par rapport à son inductance. Cette évaluation est souvent effectuée à l'aide du diagramme π de la ligne aérienne.
Plusieurs facteurs influencent l'impédance de la ligne, sa réponse physique aux conditions de court-circuit et le courant de charge de la ligne. Ces facteurs incluent le niveau de tension, la construction physique de la ligne de transport, le type et la taille des conducteurs, ainsi que l'espacement entre les conducteurs. De plus, le nombre de terminaux de ligne affecte le flux des courants de charge et de défaut, que le système de protection doit prendre en compte. Les lignes parallèles ont également un impact sur la relève, car le couplage mutuel peut affecter le courant de terre mesuré par les relais de protection. La présence de transformateurs branchés ou de dispositifs de compensation réactive, tels que des bancs de condensateurs série ou des réacteurs shunt, influence davantage la sélection du système de protection et les paramètres des dispositifs de protection. Par conséquent, une étude détaillée de la ligne aérienne est nécessaire pour déterminer les relais de protection les plus appropriés. Généralement, une ligne d'une longueur allant jusqu'à 80 - 100 km peut être considérée comme courte, bien que cela puisse varier en fonction du niveau de tension et des caractéristiques du réseau.
Environ 90% des pannes sur les lignes aériennes sont de nature transitoire. Les pannes peuvent être classées comme suit :
Pour de telles pannes, un déclenchement monopolaire peut être nécessaire, permettant la restauration immédiate de la ligne après le déclenchement des disjoncteurs. Par conséquent, les schémas de déclenchement monopolaire et de reclosure automatique sont couramment utilisés dans les disjoncteurs associés aux lignes aériennes de transport (généralement avec une tension de 220 kV ou plus). Lorsque les disjoncteurs interrompent le courant de défaut, l'arc de flashover est éteint, et l'air ionisé se dissipe. La reclosure automatique est généralement réussie après un délai de quelques cycles seulement. Cependant, lors de travaux sous tension, les dispositifs de reclosure automatique sur les lignes en travail doivent être réglés en mode non-reclosure. Les disjoncteurs utilisés dans ces applications doivent être spécialement conçus pour gérer ces opérations et être insensibles à l'inconstance des pôles jusqu'à l'émission d'un ordre de déclenchement définitif.
Protection différentielle et comparaison de phase
La protection différentielle est basée sur la loi des courants de Kirchhoff. Dans le contexte d'une ligne de transport, elle fonctionne en comparant le courant entrant dans la ligne à un terminal avec le courant sortant de la ligne à l'autre terminal. Les relais différentiels de ligne à chaque extrémité de la ligne de transport échangent des données sur le courant de ligne via un lien de communication à fibre optique. Ce lien est souvent établi à l'aide du câble Optical Power Ground Wire (OPGW), qui est également utilisé pour la conception de protection contre la foudre de la ligne aérienne et contient des fibres optiques dans sa structure. La figure 1 illustre le diagramme du système de protection différentielle.
Figure 1 – Diagramme de protection différentielle des lignes aériennes
Un autre système de relais de protection pour les lignes de transport haute tension (HT), basé sur le principe de protection différentielle et maintenant utilisé même pour les lignes de longue distance, est la protection par comparaison de phase.
Ce système fonctionne en comparant l'angle de phase entre les courants aux deux extrémités de la ligne protégée. En cas de pannes externes, le courant entrant dans la ligne a le même angle de phase relatif que le courant sortant de la ligne. Par conséquent, les relais de comparaison de phase à chaque terminal enregistrent peu ou pas de différence d'angle de phase. Par conséquent, le système de protection reste stable, et aucun déclenchement ne se produit. À l'inverse, en cas de panne interne, le courant s'écoule dans la ligne des deux extrémités, provoquant une disparité d'angle de phase que les relais de comparaison de phase peuvent détecter. À l'identification de cette différence, les relais s'activent pour isoler et éliminer la panne.
Dans les schémas de comparaison de phase, les relais de démarrage jouent un rôle crucial. Ces relais initient le processus de comparaison de phase dès qu'une condition de panne est détectée. Leur conception assure leur fonctionnement pour les pannes internes et externes, offrant une surveillance complète.
Pour le bon fonctionnement de la protection par comparaison de phase, un canal de communication fiable est indispensable. Dans les applications modernes, les câbles à fibre optique intégrés dans les câbles Optical Ground Wire (OPGW) sont devenus le choix préféré pour établir ce lien de communication.
La figure 2 représente le diagramme monophase du système de balance de tension Merz Price, qui est utilisé pour la protection des lignes triphasées.
Protection par comparaison de phase et protection par distance
Protection par comparaison de phase
Figure 2 – Diagramme de protection par comparaison de phase
Dans la protection par comparaison de phase, des transformateurs de courant (TC) identiques sont stratégiquement positionnés dans chaque phase aux deux extrémités de la ligne de transport. Chaque paire de TC, un à chaque extrémité de la ligne, est connectée en série avec un relais. Dans des conditions normales, sans panne, les tensions secondaires générées par ces TC sont égales en magnitude mais opposées en direction, se compensant mutuellement.
Lorsque le système fonctionne correctement, le courant entrant dans la ligne à une extrémité correspond exactement au courant sortant à l'autre extrémité. Par conséquent, des tensions égales et opposées sont induites dans les secondaires des TC aux deux terminaux de la ligne. Cette balance de tension garantit qu'aucun courant ne circule à travers les relais, maintenant la stabilité du système de protection.
Cependant, lorsqu'une panne se produit à un point tel que F sur la ligne, comme illustré dans la figure 2, la distribution du courant est perturbée. Plus précisément, un courant beaucoup plus important circulera à travers le CT1 par rapport au CT2. Cette disparité de courant rend les tensions secondaires des TC inégales. Par conséquent, un courant de circulation est établi, circulant à travers les fils pilotes et les relais. En réponse à ce flux de courant, les disjoncteurs aux deux extrémités de la ligne sont déclenchés pour s'ouvrir, isolant rapidement la ligne défectueuse du reste du système de puissance.
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Protection par distance
La protection par distance repose sur des relais de distance, qui mesurent l'impédance d'une ligne de transport en analysant les signaux de tension et de courant qui leur sont appliqués. Lorsqu'une panne se produit sur une ligne, deux changements importants se produisent : le courant augmente fortement, et la tension chute brusquement.
Comme l'impédance d'une ligne de transport est directement proportionnelle à sa longueur, les relais de distance sont conçus pour mesurer l'impédance jusqu'à un point prédéfini appelé "point de portée". Ces relais, souvent appelés relais d'impédance, calculent l'impédance en utilisant la loi d'Ohm, exprimée par la formule Z = U/I, où Z représente l'impédance, U la tension, et I le courant.
Les relais de distance sont conçus pour fonctionner uniquement pour les pannes qui se produisent entre l'emplacement du relais et le point de portée sélectionné. Cette caractéristique de conception leur permet de distinguer efficacement les pannes dans différentes sections de ligne. L'impédance apparente calculée par le relais est ensuite comparée à l'impédance de portée prédéfinie. Si l'impédance mesurée est inférieure à l'impédance de portée, on en déduit qu'une panne existe sur la ligne entre le relais et le point de portée. Lorsque l'impédance calculée tombe dans la plage de réglage du relais, le relais s'active, déclenchant l'action de protection.
Pour assurer une protection complète, les systèmes de protection par distance sont installés aux deux extrémités de la ligne de transport, et un lien de communication est établi entre ces points, comme illustré dans la figure 3. Cette communication permet une opération coordonnée des relais à chaque extrémité, améliorant l'efficacité globale du schéma de protection.
Performance et caractéristiques des relais de distance
Figure 3 – Diagramme de protection par distance des lignes aériennes
La performance des relais de distance est principalement évaluée sur la base de deux paramètres clés : la précision de la portée et le temps de fonctionnement.
Précision de la portée
La précision de la portée implique la comparaison de la portée ohmique réelle d'un relais de distance dans des conditions pratiques réelles avec sa valeur ohmique prédéfinie. Ce paramètre est fortement influencé par le niveau de tension appliqué au relais pendant les conditions de panne. Une tension plus faible ou distordue peut entraîner des imprécisions dans l'impédance mesurée, affectant la capacité du relais à identifier correctement l'emplacement d'une panne dans sa portée désignée. De plus, les techniques de mesure d'impédance utilisées dans des conceptions de relais spécifiques jouent un rôle crucial. Différents algorithmes et configurations matériels peuvent donner lieu à différents niveaux de précision, influençant ainsi la précision globale de la portée du relais.
Temps de fonctionnement
Le temps de fonctionnement d'un relais de distance est une quantité variable qui dépend de plusieurs facteurs. La magnitude du courant de panne a un effet direct ; des courants de panne plus élevés peuvent parfois entraîner un fonctionnement plus rapide, tandis que des courants plus faibles peuvent entraîner des temps de réponse plus longs. La position de la panne par rapport au réglage du relais est également importante. Les pannes plus proches de la source ou à proximité du relais peuvent déclencher une réponse plus rapide par rapport à celles plus éloignées. De plus, le point sur l'onde de tension auquel la panne se produit peut introduire une variabilité dans le temps de fonctionnement.
Certaines erreurs transitoires de signal de mesure, qui sont associées aux techniques de mesure spécifiques utilisées dans la conception d'un relais, peuvent compliquer davantage les choses. Par exemple, les erreurs générées par les transformateurs de tension à condensateur (TVC) ou les transformateurs de courant saturés (TC) peuvent retarder considérablement le fonctionnement du relais, en particulier pour les pannes se produisant près du point de portée. Ces erreurs transitoires peuvent déformer les signaux de tension et de courant, conduisant à une mauvaise interprétation de l'impédance et à un retard dans l'activation du relais.
Caractéristiques des relais de distance
Les caractéristiques des relais de distance, souvent appelées forme de protection, sont représentées graphiquement en fonction de la résistance (R) et de l'impédance (X) de la ligne sur un diagramme R/X ou d'admittance. Deux des formes les plus typiques sont la forme circulaire (caractéristique mho) et la forme quadrilatère. Ces formes caractéristiques sont illustrées respectivement dans les figures 10 et 11. Chaque forme a ses propres avantages et est conçue pour optimiser la performance du relais dans différentes conditions de système électrique, offrant un moyen fiable de distinguer entre les conditions de fonctionnement normales et les pannes réelles dans la section de ligne protégée.
Figure 4 – Caractéristique mho
Caractéristiques des relais de distance, réglages de portée et reclosure
Figure 5 – Caractéristique quadrilatère
L'élément d'impédance mho tire son nom de son apparence caractéristique sur un diagramme d'admittance, où il apparaît sous forme de ligne droite. Cependant, les caractéristiques d'impédance polygonales, telles que la forme quadrilatère, ont gagné en popularité. Ces caractéristiques offrent une flexibilité remarquable pour couvrir les impédances de panne pour les pannes de phase et de terre. Cette adaptabilité en a fait le choix préféré pour la plupart des relais de distance modernes.
Les relais de distance peuvent être configurés avec jusqu'à cinq zones distinctes, dont certaines sont réglées pour mesurer l'impédance dans le sens inverse. Ces zones de mesure inverse servent de protection de secours pour les barres de bus. Chaque zone est associée à un temps d'action spécifique pour le relais, permettant une réponse nuancée et coordonnée aux pannes se produisant à différents emplacements dans le réseau électrique protégé.
Lorsque des relais de distance sont installés aux deux extrémités d'une ligne de transport, leurs temps de réponse à une panne varient en fonction de la distance du point de panne (F) par rapport à chaque extrémité de la ligne. Par exemple, considérons une ligne aérienne reliant les postes A et B. Le relais de distance situé dans le poste le plus proche du point de panne F détectera la panne en premier, et le disjoncteur correspondant sera déclenché avant celui de l'autre poste.
Pour éviter qu'une panne de court-circuit continue à recevoir de l'alimentation de l'extrémité opposée de la ligne jusqu'à ce que la protection de distance appropriée s'active, un lien de communication entre les relais de protection est essentiel. Généralement, cette communication est établie via des câbles à fibre optique intégrés dans les câbles Optical Ground Wire (OPGW). Cette configuration permet le déclenchement simultané des deux disjoncteurs, assurant une isolation rapide et efficace de la section défectueuse.
Il est impraticable de programmer un relais d'impédance pour mesurer précisément l'impédance de la ligne jusqu'au disjoncteur à l'extrémité éloignée. Cela est dû aux erreurs et imprécisions inhérentes aux composants tels que les transformateurs de courant (TC), les transformateurs de tension (VT), les relais eux-mêmes, ainsi que dans les calculs de l'impédance de la ligne. Pour tenir compte de ces incertitudes, la portée du relais est réglée pour mesurer une valeur d'impédance inférieure à l'impédance totale correspondant à la longueur totale de la ligne. Par exemple, régler la zone 1 pour couvrir jusqu'à 85% de l'impédance de la ligne est une pratique courante et sûre. Les 15-20% restants servent de marge de sécurité, empêchant effectivement la protection de la zone 1 de dépasser la ligne protégée en raison d'erreurs de mesure et d'imprécisions. Sans cette marge, il y aurait un risque de perdre la capacité de discriminer entre les pannes sur les sections de ligne adjacentes, en particulier lors de l'utilisation de schémas de protection rapides.
Une calibration minutieuse des réglages de portée et des temps de déclenchement pour chaque zone de mesure est cruciale pour assurer une coordination appropriée entre les relais de distance dans tout le système de puissance. Cette ajustement méticuleux garantit que les pannes sont éliminées dans le bon ordre, minimisant les perturbations et maintenant la stabilité du réseau électrique.
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Reclosure
Comme discuté dans la section 4.2, la majorité des pannes sur les lignes aériennes sont asymétriques et transitoires. Le reclosure automatique, une fonctionnalité critique dans les systèmes de puissance, est exécuté par un relais de reclosure automatique. Ce relais est déclenché par les dispositifs de protection de la ligne aérienne, comme illustré dans la figure 6.
Reclosure automatique dans les systèmes de puissance
Figure 6 – Relais de reclosure automatique
La décision de reclore une ligne électrique est influencée par de nombreux facteurs. L'apport et la guidance des équipes de planification et d'exploitation sont essentiels pour déterminer les meilleures pratiques de reclosure adaptées aux besoins spécifiques d'une entreprise de services publics et de sa région. Les principales considérations pour le reclosure au niveau de la transmission incluent :
Considérations majeures
