Protection contre les surtensions
Il y a toujours un risque que le système de distribution d'électricité soit soumis à des surtensions anormales. Ces surtensions anormales peuvent être causées par diverses raisons telles que l'interruption soudaine d'une charge importante, les impulsions de foudre, les impulsions de commutation, etc. Ces contraintes de surtension peuvent endommager l'isolation de divers équipements et des isolateurs du système électrique. Bien que toutes les contraintes de surtension ne soient pas suffisamment fortes pour endommager l'isolation du système, ces surtensions doivent néanmoins être évitées pour assurer le bon fonctionnement du système de distribution d'électricité.
Ces différents types de surtensions destructives et non destructives sont éliminés du système par le biais de la protection contre les surtensions.
Surge de tension
Les contraintes de surtension appliquées au système électrique sont généralement de nature transitoire. La tension transitoire ou surge de tension est définie comme une augmentation soudaine de la tension à un pic élevé en très courte durée.
Les surges de tension sont de nature transitoire, ce qui signifie qu'elles existent pendant une très courte durée. Les principales causes de ces surges de tension dans le système électrique sont les impulsions de foudre et les impulsions de commutation du système. Cependant, les surtensions dans le système électrique peuvent également être causées par des défaillances d'isolation, des arcs à la terre et des résonances, etc.
Les surges de tension apparaissent dans le système électrique en raison des surges de commutation, des défaillances d'isolation, des arcs à la terre et des résonances, mais leur magnitude n'est pas très grande. Ces surtensions peinent à dépasser deux fois le niveau de tension normal. Généralement, une isolation appropriée des différents équipements du système électrique est suffisante pour prévenir tout dommage dû à ces surtensions. Cependant, les surtensions causées par la foudre dans le système électrique sont très élevées. Si la protection contre les surtensions n'est pas fournie au système électrique, il y a un risque élevé de dommages graves. Par conséquent, tous les dispositifs de protection contre les surtensions utilisés dans le système électrique sont principalement destinés aux surges de foudre.
Examinons les différentes causes de surtensions une par une.
Impulsion de commutation ou surge de commutation
Lorsqu'une ligne de transmission sans charge est soudainement mise sous tension, la tension sur la ligne devient le double de la tension normale du système. Cette tension est de nature transitoire. Lorsqu'une ligne chargée est soudainement coupée ou interrompue, la tension à travers la ligne devient également assez élevée, principalement en raison de la coupure de courant dans le système, surtout lors de l'ouverture d'un disjoncteur à air comprimé, ce qui cause une surtension dans le système. Lors d'une défaillance d'isolation, un conducteur sous tension est soudainement mis à la terre. Cela peut également causer une surtension soudaine dans le système.
Si l'onde de force électromotrice produite par l'alternateur est distordue, le problème de résonance peut se produire en raison des 5e harmoniques ou supérieurs. En fait, pour les fréquences des 5e harmoniques ou supérieurs, une situation critique dans le système apparaît telle que la réactance inductive du système devient juste égale à la réactance capacitive du système. Comme ces deux réactances s'annulent mutuellement, le système devient purement résistif. Ce phénomène est appelé résonance et, à la résonance, la tension du système peut augmenter considérablement.
Mais toutes ces raisons mentionnées ci-dessus créent des surtensions dans le système qui ne sont pas très élevées en magnitude.
Cependant, les surges de tension dus aux impulsions de foudre qui apparaissent dans le système sont très élevés en amplitude et hautement destructeurs. L'effet des impulsions de foudre doit donc être évité pour la protection contre les surtensions du système électrique.
Méthodes de protection contre la foudre
Il existe principalement trois méthodes généralement utilisées pour la protection contre la foudre. Elles sont
Écran de mise à la terre.
Fil de terre aérien.
Paratonnerre ou diviseur de surtensions.
Écran de mise à la terre
L'écran de mise à la terre est généralement utilisé au-dessus d'une sous-station électrique. Dans cette configuration, un réseau de fil de fer galvanisé (GI) est monté au-dessus de la sous-station. Les fils de fer galvanisé, utilisés pour l'écran de mise à la terre, sont correctement mis à la terre via différentes structures de la sous-station. Ce réseau de fils de fer galvanisé mis à la terre au-dessus de la sous-station fournit un chemin de très faible résistance vers la terre pour les coups de foudre.
Cette méthode de protection contre les hautes tensions est très simple et économique, mais son principal inconvénient est qu'elle ne peut pas protéger le système contre les ondes de tension voyageuses qui peuvent atteindre la sous-station via différents alimentateurs.
Fil de terre aérien
Cette méthode de protection contre les surtensions est similaire à l'écran de mise à la terre. La seule différence est que l'écran de mise à la terre est placé au-dessus d'une sous-station électrique, tandis que le fil de terre aérien est placé au-dessus du réseau de transmission électrique. Un ou deux câbles de fer galvanisé de section appropriée sont placés au-dessus des conducteurs de transmission. Ces câbles de fer galvanisé sont correctement mis à la terre à chaque pylône de transmission. Ces fils de terre aériens ou fils de terre dévient tous les coups de foudre vers la terre plutôt que de les laisser frapper directement les conducteurs de transmission.
Paratonnerre
Les deux méthodes précédemment discutées, c'est-à-dire l'écran de mise à la terre et le fil de terre aérien, sont très adaptées pour protéger un système électrique contre les coups de foudre directs, mais ces méthodes ne peuvent pas fournir de protection contre les ondes de tension voyageuses de haute tension qui peuvent se propager le long de la ligne jusqu'aux équipements de la sous-station.
Le paratonnerre est un dispositif qui fournit un chemin de très faible impédance vers la terre pour les ondes de tension voyageuses de haute tension.
Le concept du paratonnerre est très simple. Ce dispositif se comporte comme une résistance électrique non linéaire. La résistance diminue lorsque la tension augmente et vice-versa, après un certain niveau de tension.
Les fonctions d'un paratonnerre ou d'un diviseur de surtensions peuvent être énumérées comme suit.
Sous un niveau de tension normal, ces dispositifs résistent facilement à la tension du système en tant qu'isolant électrique et ne fournissent aucun chemin de conduction pour le courant du système.
En cas de surgissement de tension dans le système, ces dispositifs fournissent un chemin de très faible impédance pour la charge excédentaire du surgissement vers la terre.
Après avoir conduit la charge du surgissement vers la terre, la tension revient à son niveau normal. Le paratonnerre retrouve alors ses propriétés d'isolation et empêche toute autre conduction de courant vers la terre.
Il existe différents types de paratonnerres utilisés dans les systèmes électriques, tels que le paratonnerre à trou unique, le paratonnerre à cornes, le paratonnerre à trous multiples, le paratonnerre à expulsion, le paratonnerre à valve.
Ajouté à cela, le paratonnerre sans trou en ZnO est également largement utilisé de nos jours pour la protection contre les surtensions.
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