Coordination de l'isolation dans le système électrique

La coordination de l'isolation dans le système électrique a été introduite pour organiser les niveaux d'isolation électrique des différents composants du système électrique de puissance, y compris le réseau de transport, de telle manière que, en cas de défaillance de l'isolateur, celle-ci se limite à l'endroit où elle causerait le moins de dommages au système, serait facile à réparer et à remplacer, et entraînerait le moins de perturbation possible sur l'alimentation en électricité.
Lorsqu'une surtension apparaît dans le système électrique de puissance, il peut y avoir un risque de défaillance de son système d'isolation. La probabilité de défaillance de l'isolation est élevée au point d'isolation le plus faible le plus proche de la source de surtension. Dans les systèmes électriques et les réseaux de transport, une isolation est fournie à tous les équipements et composants.

Les isolateurs sont, à certains endroits, plus facilement remplaçables et réparables que d'autres. L'isolation à certains points n'est pas aussi facilement remplaçable et réparable, et le remplacement et la réparation peuvent être très coûteux et nécessiter une longue interruption de l'alimentation. De plus, la défaillance d'un isolateur à ces points peut entraîner la mise hors service d'une grande partie du réseau électrique. Il est donc souhaitable qu'en cas de défaillance de l'isolateur, seuls les isolateurs facilement remplaçables et réparables soient touchés. L'objectif global de la coordination de l'isolation est de réduire à un niveau économiquement et opérationnellement acceptable les coûts et perturbations causés par la défaillance de l'isolation. Dans la méthode de coordination de l'isolation, l'isolation des différentes parties du système doit être graduellement ajustée de sorte que, si une flash-over se produit, elle se produise aux points prévus.
Pour comprendre correctement la coordination de l'isolation, nous devons d'abord comprendre certaines terminologies de base du système électrique de puissance. Discutons-en.

Tension nominale du système

La tension nominale du système est la tension phase à phase du système pour lequel le système est normalement conçu. Par exemple, 11 kV, 33 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV.

Tension maximale du système

La tension maximale du système est la tension fréquentielle maximale admissible qui peut se produire, peut-être pendant une longue période, lors d'une charge nulle ou faible du système électrique. Elle est également mesurée en phase à phase.
Liste des différentes tensions nominales du système et de leurs tensions maximales correspondantes du système ci-dessous pour référence,

NB – On observe dans le tableau ci-dessus que généralement la tension maximale du système est de 110 % de la tension nominale correspondante jusqu'à un niveau de tension de 220 kV, et pour 400 kV et au-delà, elle est de 105 %.

Facteur de mise à la terre

Il s'agit du rapport entre la tension sinusoidale efficace maximale phase à terre à la fréquence du réseau sur une phase saine pendant une défaut à la terre et la tension sinusoidale efficace phase à phase à la fréquence du réseau qui serait obtenue à l'emplacement sélectionné sans le défaut.
Ce rapport caractérise, en termes généraux, les conditions de mise à la terre d'un système telles qu'observées depuis l'emplacement de défaut sélectionné.

Système effectivement mis à la terre

Un système est dit effectivement mis à la terre si le facteur de mise à la terre ne dépasse pas 80 % et non effectivement mis à la terre s'il le dépasse.
Le facteur de mise à la terre est de 100 % pour un système neutre isolé, tandis qu'il est de 57,7 % (1/√3 = 0,577) pour un système solidement mis à la terre.

Niveau d'isolation

Chaque équipement électrique doit subir différentes situations de surtension transitoire anormale à différents moments au cours de sa durée totale de service. L'équipement peut devoir résister aux impulsions de foudre, aux impulsions de commutation et/ou aux surtensions de courte durée à la fréquence du réseau. En fonction du niveau maximal d'impulsions de tension et des surtensions de courte durée à la fréquence du réseau qu'un composant du système de puissance peut supporter, le niveau d'isolation du système de puissance haute tension est déterminé.
Lors de la détermination du niveau d'isolation du système de puissance inférieur à 300 kV, la tension d'impulsion de foudre supportée et la tension de courte durée à la fréquence du réseau supportée sont prises en compte. Pour les équipements de puissance égaux ou supérieurs à 300 kV, la tension d'impulsion de commutation supportée et la tension de courte durée à la fréquence du réseau supportée sont prises en compte.

Tension d'impulsion de foudre

Les perturbations du système dues à la foudre naturelle peuvent être représentées par trois formes d'onde de base différentes. Si une tension d'impulsion de foudre parcourt une certaine distance le long de la ligne de transmission avant d'atteindre un isolateur, sa forme d'onde s'approche de la forme d'onde complète, et cette onde est appelée onde 1,2/50. Si, pendant le trajet, l'onde de perturbation de foudre provoque une flash-over à travers un isolateur, la forme de l'onde devient une onde coupée. Si un coup de foudre frappe directement l'isolateur, la tension d'impulsion de foudre peut augmenter rapidement jusqu'à ce qu'elle soit soulagée par une flash-over, causant une chute de tension soudaine et très abrupte. Ces trois ondes sont assez différentes en durée et en forme.

Impulsion de commutation

Lors d'une opération de commutation, une tension unipolaire peut apparaître dans le système. La forme d'onde peut être périodiquement amortie ou oscillante. La forme d'onde de l'impulsion de commutation a un front abrupt et une queue oscillante amortie.

Tension de courte durée à la fréquence du réseau supportée

La tension de courte durée à la fréquence du réseau supportée est la valeur efficace prescrite de la tension sinusoidale à la fréquence du réseau que l'équipement électrique doit supporter pendant une période spécifique, généralement 60 secondes.

Tension de protection du dispositif de protection

Les dispositifs de protection contre les surtensions, tels que les parafoudres ou les paratonnerres, sont conçus pour résister à un certain niveau de surtension transitoire au-delà duquel les dispositifs drainent l'énergie de la surtension vers le sol, maintenant ainsi le niveau de surtension transitoire à un niveau spécifique. Ainsi, la surtension transitoire ne peut pas dépasser ce niveau. Le niveau de protection du dispositif de protection contre les surtensions est la valeur de tension crête maximale qui ne doit pas être dépassée aux bornes du dispositif de protection contre les surtensions lorsque des impulsions de commutation et des impulsions de foudre sont appliquées.

Examinons maintenant les méthodes de coordination de l'isolation une par une-

Utilisation d'un fil de protection ou fil de terre

Une surtension dans une ligne aérienne de transport peut être causée par des coups directs de foudre. Elle peut être protégée en fournissant un fil de protection ou un fil de terre à une hauteur appropriée au-dessus du conducteur supérieur de la ligne de transport. Si le fil de protection conducteur est correctement connecté au corps de la tour de transmission et que la tour est correctement mise à la terre, les coups directs de foudre peuvent être évités sur tous les conducteurs situés sous l'angle protecteur du fil de terre. Le fil de terre aérien ou le fil de protection est également utilisé pour protéger les différents équipements électriques d'une sous-station contre les coups de foudre.