Pannes et Gestion des Défauts de Mise à la Terre Monophasée sur les Lignes de Distribution 10kV
Champ: Fabrication
China
Caractéristiques et dispositifs de détection des défauts monophasés à la terre
1. Caractéristiques des défauts monophasés à la terre
- Signaux d’alarme centrale:
La cloche d’avertissement retentit et la lampe témoin portant la mention « Défaut à la terre sur le sectionneur de bus [X] kV, section [Y] » s’allume. Dans les systèmes dotés d’un bobinage de compensation (bobine de Petersen) reliant le point neutre à la terre, l’indicateur « Bobine de Petersen en service » s’allume également. - Indications du voltmètre de surveillance d’isolement:
- La tension de la phase en défaut diminue (en cas de mise à la terre imparfaite) ou chute à zéro (en cas de mise à la terre solide).
- Les tensions des deux autres phases augmentent — supérieures à la tension simple normale en cas de mise à la terre imparfaite, ou atteignant la tension composée en cas de mise à la terre solide.
- En cas de mise à la terre stable, l’aiguille du voltmètre reste immobile ; si elle oscille continuellement, le défaut est intermittent (mise à la terre par arc).
- Dans les systèmes à neutre relié à la terre via une bobine de Petersen:
Si un voltmètre de déplacement du neutre est installé, il affiche une valeur déterminée en cas de mise à la terre imparfaite ou atteint la tension simple en cas de mise à la terre solide. Le voyant d’alarme « Mise à la terre de la bobine de Petersen » s’active également. - Phénomènes de mise à la terre par arc:
La mise à la terre par arc génère des surtensions, provoquant une augmentation significative des tensions des phases saines. Cela peut faire sauter les fusibles haute tension des transformateurs de tension (TT) ou même endommager les TT eux-mêmes.
2. Distinction entre défauts réels à la terre et fausses alarmes
- Fusible haute tension grillé dans un TT:
Un fusible grillé sur une phase du TT peut déclencher un signal de défaut à la terre. Toutefois :- En cas de défaut réel à la terre : la tension de la phase en défaut chute, celle des deux autres phases augmente, mais la tension composée reste inchangée.
- En cas de fusible grillé : la tension d’une phase chute, les deux autres ne montent pas, et la tension composée diminue.
- Mise sous tension d’un transformateur alimentant un bus non chargé:
Lors de la mise sous tension, si le disjoncteur ferme de façon asynchrone, le couplage capacitif déséquilibré à la terre provoque un déplacement du neutre et des tensions triphasées asymétriques, déclenchant un signal de défaut à la terre erroné.
→ Ce phénomène ne se produit que pendant les manœuvres de commutation. Si le bus et les équipements raccordés ne présentent aucune anomalie, le signal est faux. La mise sous tension d’une ligne de dérivation ou d’un transformateur de service de poste élimine généralement ce signal. - Asymétrie du système ou réglage inadéquat de la bobine de Petersen:
Lors des changements de mode de fonctionnement (p. ex. modification des configurations), une asymétrie ou une compensation incorrecte par la bobine de Petersen peut provoquer des signaux de défaut à la terre erronés.
→ Une coordination avec le centre de conduite est requise : revenir à la configuration initiale, mettre hors tension la bobine de Petersen, ajuster son changeur de prises, puis la remettre sous tension et effectuer à nouveau le changement de mode.
→ La ferro-résonance lors de la mise sous tension d’un bus à vide peut également produire des signaux erronés. La mise immédiate sous tension d’une ligne de dérivation perturbe les conditions de résonance et efface l’alarme.
3. Dispositifs de détection
Le système de surveillance d’isolement se compose généralement d’un transformateur de tension triphasé à cinq colonnes magnétiques, de relais de tension, de relais de signalisation et d’instruments de surveillance.
- Structure : Cinq colonnes magnétiques ; un enroulement primaire et deux enroulements secondaires, tous bobinés sur les trois colonnes centrales.
- Configuration de raccordement : Ynynd (primaire en étoile, secondaire en étoile avec neutre, et tertiaire en triangle ouvert).
Avantages de cette configuration de raccordement:
- Le premier enroulement secondaire permet de mesurer à la fois les tensions composées et simples.
- Le deuxième enroulement secondaire est connecté en triangle ouvert pour détecter la tension homopolaire.
Principe de fonctionnement:
- En conditions normales, les tensions triphasées sont équilibrées ; théoriquement, aucune tension n’apparaît aux bornes du triangle ouvert.
- Lors d’un défaut monophasé à la terre solide (p. ex. phase A), une tension homopolaire apparaît dans le système, induisant une tension aux bornes du triangle ouvert.
- Même en cas de mise à la terre non solide (à haute impédance), une tension est induite aux extrémités ouvertes.
- Lorsque cette tension atteint le seuil de déclenchement du relais de tension, le relais de tension et le relais de signalisation se déclenchent simultanément, déclenchant des alarmes sonores et visuelles.
Les opérateurs utilisent ces signaux ainsi que les indications du voltmètre pour identifier l’apparition et la phase du défaut à la terre, puis en informent le centre de conduite.
⚠️ Remarque : Le dispositif de surveillance d’isolement est partagé par l’ensemble de la section de bus.
⚠️ Remarque : Le dispositif de surveillance d’isolement est partagé par l’ensemble de la section de bus.
Causes des défauts monophasés à la terre
- Conducteur cassé tombé au sol ou reposant sur une traverse ;
- Fixation ou liaison lâche des conducteurs sur les isolateurs, entraînant leur chute sur les traverses ou au sol ;
- Vent excessif rapprochant les conducteurs trop près des bâtiments ;
- Câble haute tension cassé provenant d’un transformateur de distribution ;
- Défaillance d’isolement des parafoudres ou fusibles 10 kV installés sur les plateformes de transformateurs ;
- Rupture d’isolement ou mise à la terre d’une phase de l’enroulement haute tension du transformateur ;
- Claquage ou perforation d’un isolateur ;
- Défaillance d’isolement des fusibles de dérivation ;
- Câble de hauban détaché de la traverse supérieure sur des pylônes multicircuits, entrant en contact avec les conducteurs inférieurs ;
- Foudroiement ;
- Contact avec des arbres ;
- Défaillances liées aux oiseaux ;
- Objets étrangers (p. ex. feuilles plastiques, branches) ;
- Autres causes accidentelles ou inconnues.
Risques associés aux défauts monophasés à la terre
- Dommages aux équipements de sous-station:
Après un défaut à la terre 10 kV, le TT du bus ne détecte aucun courant mais développe une tension homopolaire et un courant accru dans le triangle ouvert. Un fonctionnement prolongé peut endommager le TT.
En outre, des surtensions ferro-résonantes (plusieurs fois la tension normale) peuvent survenir, provoquant une rupture d’isolement et des pannes majeures d’équipements. - Dommages aux équipements de distribution:
La mise à la terre intermittente par arc et les surtensions peuvent percer l’isolement, entraînant des courts-circuits, des transformateurs brûlés, et des parafoudres/fusibles défectueux, pouvant potentiellement causer des incendies électriques. - Menace pour la stabilité du réseau régional:
Des défauts à la terre graves peuvent déstabiliser le réseau électrique local, déclenchant des pannes en cascade. - Risque pour les êtres humains et les animaux:
Les conducteurs tombés alimentent le sol, créant des risques de tension de pas. Les piétons, les techniciens (notamment lors des patrouilles nocturnes) et le bétail à proximité du site du défaut risquent des chocs électriques ou des électrocutions. - Impact sur la fiabilité de l’alimentation électrique:
- Nécessite une sélection manuelle de la dérivation en défaut.
- Les dérivations saines peuvent être injustifiées mises hors tension lors de la recherche de défaut, interrompant l’alimentation des clients non concernés.
- La localisation et la réparation du défaut nécessitent une coupure de ligne, particulièrement difficile pendant les saisons de croissance des cultures, les mauvaises conditions météorologiques (vent, pluie, neige), ou dans les zones montagneuses/boisées et la nuit, entraînant des coupures prolongées, généralisées.
- Pertes d’énergie sur les lignes:
Les défauts à la terre provoquent des courants de fuite vers la terre, représentant une perte directe d’énergie. Les réglementations limitent généralement le fonctionnement en défaut à la terre à pas plus de 2 heures afin d’éviter un gaspillage excessif. - Quantification des pertes d’électricité:
Le courant moyen de défaut à la terre varie entre 6 et 10 A. À des niveaux typiques de 10 kV, cela entraîne environ 34 560 kWh d’énergie gaspillée par période de 24 heures.
Méthodes et procédures de traitement des défauts monophasés à la terre
- Dispositifs automatiques de sélection des lignes en défaut à faible courant:
Installer des dispositifs automatiques de sélection des lignes en défaut à la terre dans les sous-stations. Ces dispositifs fonctionnent avec des transformateurs de courant homopolaire (TCHO) placés à chaque sortie de dérivation afin d’identifier précisément la ligne en défaut avant sa mise hors tension. - Systèmes de détection des défauts monophasés à la terre:
Les systèmes modernes de distribution déploient des injecteurs de signal au début, au milieu et à l’extrémité des dérivations. Des indicateurs de défaut localisent précisément l’emplacement exact du défaut, permettant une intervention rapide. - Mesures préventives:
- Effectuer des patrouilles régulières des lignes : vérifier les distances de sécurité entre les conducteurs et les arbres/bâtiments, les nids d’oiseaux sur les pylônes, la fixation correcte des conducteurs sur les isolateurs, les boulons lâches sur les isolateurs/traverses/câbles de hauban, les câbles de hauban cassés ou effilochés, et le fléchissement anormal des conducteurs.
- Tester périodiquement l’isolement des isolateurs, des fusibles de dérivation et des parafoudres ; remplacer immédiatement les éléments défectueux.
- Effectuer des essais réguliers sur les transformateurs de distribution ; réparer ou remplacer les unités défectueuses.
- Installer des fusibles de dérivation sur les lignes rurales afin de limiter l’étendue du défaut, réduire la zone et la durée des coupures,
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