Conception de sous-station électrique : Une introduction

Les postes électriques constituent des sections essentielles du réseau de distribution d'électricité, fonctionnant comme des nœuds pour la transmission et la distribution d'électricité. Ces installations complexes nécessitent une planification, une conception et une mise en œuvre rigoureuses pour assurer un approvisionnement en électricité constant et efficace.

Dans ce post, nous examinerons les fondements de la conception des postes électriques, y compris les différents composants, les préoccupations liées à la disposition et les facteurs environnementaux.

Critères de planification des postes

Le niveau maximal de défaut sur un nouveau bus de poste ne peut pas dépasser 80 % de la capacité de rupture nominale du disjoncteur.

La marge de 20 % est destinée à prendre en compte l'augmentation des niveaux de court-circuit au fur et à mesure du développement du système.

Le taux de courant de coupure et de génération, ainsi que les capacités de temps de suppression de défaut des équipements de commutation à différents niveaux de tension, peuvent être calculés comme suit :

La capacité d'une seule sous-station à différents niveaux de tension ne devrait généralement pas dépasser.

La taille et le nombre de transformateurs interconnectés (ICTs) doivent être planifiés de telle manière que la défaillance d'une unité unique ne surcharge pas les ICTs restants ou le système sous-jacent.

Un disjoncteur bloqué ne peut interrompre plus de 4 alimentations pour un système 220 kV, deux pour un système 400 kV, et une seule pour un système 765 kV.

Exigences du système de la sous-station

Nomenclature

Fiabilité : La fiabilité du système de puissance est la fourniture ininterrompue d'énergie à la tension et à la fréquence requises. Les barres de collecte, les disjoncteurs, les transformateurs, les interrupteurs sectionneurs et les dispositifs de régulation affectent la fiabilité de la sous-station.

Taux de défaillance : Il s'agit de la moyenne annuelle des défaillances.

Temps d'interruption : Le temps d'interruption fait référence au temps nécessaire pour réparer un composant défaillant ou basculer vers une source d'alimentation différente.

Temps de commutation : Temps entre le début de l'interruption et la restauration du service via une opération de commutation.

Schéma de commutation : L'emplacement des barres de collecte et des équipements prend en compte le coût, la flexibilité et la fiabilité du système.

Distance phase-terre : La distance phase-terre de la sous-station est 

• Distance entre le conducteur et la structure. 

• Distance entre les équipements sous tension et les structures &

• Distance entre le conducteur sous tension et la terre.

Distance phase-phase : Les distances phase-phase de la sous-station sont 

• Distance entre les conducteurs sous tension. 

• Distance entre les conducteurs sous tension et les appareils et 

• Distance entre les bornes sous tension dans les disjoncteurs, les interrupteurs sectionneurs, etc.

Distance au sol : C'est la distance minimale depuis n'importe quel endroit où un humain pourrait se tenir jusqu'à la partie la plus proche non connectée à la terre d'un isolateur supportant le conducteur sous tension.

Distance sectionnelle : C'est la distance minimale depuis n'importe quel emplacement de stationnement jusqu'au conducteur sous tension non écrané le plus proche. Prenez la hauteur d'un individu avec les bras tendus et la distance phase-terre pour calculer la distance sectionnelle.

Distance de sécurité : Cela inclut la distance au sol et la distance sectionnelle.

Champ électrostatique de la sous-station : Les conducteurs sous tension ou les parties métalliques créent des champs électrostatiques. Les postes EHV (au-dessus de 400 kV) ont des champs électrostatiques qui varient en fonction de la géométrie du conducteur sous tension/la partie métallique et de l'objet voisin mis à la terre ou du sol.

Général

• Lignes de transport,

• Alimentations de sous-transmission,

• Circuits de production, et

• Transformateurs élévateurs et abaissants

se connectent aux postes de transformation ou aux postes de commutation.

Les postes de 66 à 40 kV sont appelés EHV. Au-dessus de 500 kV, ils sont UHV.

Les préoccupations et méthodes de conception pour les postes EHV sont similaires, cependant certains éléments dominent à différents niveaux de tension. Jusqu'à 220 kV, les surtensions de commutation peuvent être ignorées, mais au-dessus de 345 kV, elles sont essentielles.

Critères de conception et études de sous-station

Les exigences de conception de la sous-station seront déterminées par les études suivantes.

• Études de flux de charge

• Études de court-circuit

• Études de stabilité transitoire

• Études de surtension transitoire

Études de flux de charge

• Une sous-station assure une transmission fiable de l'énergie électrique vers les charges du système.

• Les besoins en intensité de la nouvelle sous-station (ou) poste de commutation sont déterminés par les études de flux de charge lorsque toutes les lignes sont en service et lorsque certaines lignes sont hors service pour maintenance.

• Après avoir évalué plusieurs conditions de flux de charge, les capacités continues et d'urgence des équipements peuvent être calculées.

Études de court-circuit

• En plus des valeurs de courant continu, les équipements de sous-station doivent avoir des valeurs pour de courtes durées.

• Ces valeurs doivent être suffisantes pour permettre aux équipements de résister à la chaleur et aux pressions mécaniques du courant de court-circuit sans subir de dommages.

• Pour fournir une capacité d'interrompion adéquate dans les disjoncteurs, une solidité dans les isolateurs postes, et un réglage approprié pour les relais de protection qui détectent la panne.

• Les courants de court-circuit maximum et minimum pour divers types et emplacements de courts-circuits et configurations de systèmes doivent être établis.

Études de stabilité transitoire

• L'entrée mécanique normale du générateur est égale à la sortie électrique en plus des pertes du générateur.

• Les générateurs du système tournent à 50 Hz tant que cela continue. Toute perturbation dans le flux mécanique ou électrique cause la vitesse du générateur de s'éloigner de 50Hz et d'osciller autour d'un nouveau point d'équilibre.

• Une perturbation très courante est le court-circuit. Les courts-circuits près du générateur réduisent la tension de la borne inférieure et accélèrent la machine.

• Après la correction de l'erreur, l'appareil injectera de l'énergie excédentaire dans le système électrique pour restaurer son état original.

• Lorsque les liaisons électriques sont fortes, la machine ralentit rapidement et se stabilise. Des liaisons faibles causeront une instabilité de la machine.

• Les facteurs affectant la stabilité incluent:

• La gravité de la panne,

• La vitesse de détection de la panne,

• Les liaisons entre la machine et le système après la résolution de la panne.

• La stabilité transitoire de la sous-station dépend de

• Le type et la vitesse de relais de protection de lignes et de barres,

• Le temps d'interruption des disjoncteurs, et

• La configuration de la barre une fois la panne éliminée.

• Le dernier point affecte la disposition de la barre.

• Une seule ligne sera affectée si la panne est résolue pendant la première phase de relais.

• Un disjoncteur bloqué peut causer la perte de plusieurs lignes pendant le relais de défaillance de disjoncteur, affaiblissant la liaison du système.

Études de surtension transitoire

• La surtension transitoire peut résulter de la foudre ou du commutateur de circuit.

• Les études d'analyseur de réseau transitoire (TNA) sont la méthode la plus précise pour déterminer la surtension de commutation.

Disposition de la sous-station

La disposition de la sous-station est déterminée par des considérations physiques et électriques, y compris les suivantes:

• Sécurité des systèmes

• Flexibilité des opérations

• Facilité des arrangements de protection

• Limitation des niveaux de court-circuit

• Installations de maintenance

• Extension facile

• Facteurs du site

• Économie

Sécurité des systèmes

• Les sous-stations idéales comprennent des disjoncteurs distincts pour chaque circuit et permettent le remplacement des barres ou des disjoncteurs pendant la maintenance ou les pannes.

• La sécurité du système peut être déterminée en permettant une dépendance de 100% à l'intégrité de la sous-station ou en permettant un pourcentage de temps d'arrêt dû à des pannes périodiques (ou) à la maintenance.

• Bien qu'un système de double barre avec un design de double disjoncteur soit parfait, il s'agit d'une sous-station coûteuse.

Flexibilité des opérations

• Le contrôle de la charge en MVA et MVAR sous toutes les conditions de connexion du circuit est essentiel pour l'efficacité de la charge du générateur.

• Les circuits de charge doivent être regroupés pour fournir un contrôle optimal dans les conditions normales et d'urgence.

Dispositions de protection faciles

• Si un disjoncteur commande de nombreux circuits ou si plus de disjoncteurs sont défectueux, cela peut être atténué par le sectionnement de bus.

• Même si la relève de protection est simple, un système à bus unique est rigide pour une protection complexe.

Limitation des niveaux de court-circuit

• Une sous-station peut être divisée en deux parties, soit entièrement, soit par connexion de réacteurs, pour réduire les niveaux de court-circuit.

• L'utilisation appropriée des disjoncteurs dans les systèmes en anneau peut offrir une facilité similaire.

Installations de maintenance

• La maintenance est nécessaire pendant l'exploitation de la sous-station, qu'elle soit planifiée ou d'urgence.

• La performance de la sous-station pendant la maintenance dépend des dispositions de protection.

Extension facile

• La disposition de la sous-station doit permettre l'extension de baies pour de nouveaux alimentateurs.

• À mesure que le système s'améliore, il peut être nécessaire de passer d'un système à bus unique à un système à double bus ou d'agrandir une station en réseau à une station à double bus.

• L'espace et les installations d'extension seront disponibles.

Facteurs du site

• La disponibilité du site est essentielle pour la planification de la sous-station. La construction d'une station avec moins de flexibilité peut être nécessaire dans des espaces limités.

• La sous-station avec moins de disjoncteurs et un schéma plus simple occupe moins d'espace.

Économie

• Si les économies sont réalisables, un aménagement de commutation amélioré pour les exigences technologiques peut être créé.

Disposition de la sous-station et de l'agencement de commutation

La disposition de la sous-station et de l'agencement de commutation doivent être soigneusement conçus sur la base de IEEE 141 pour assurer l'efficacité et la sécurité du système de distribution électrique.

• Transformateurs,

• Disjoncteurs, et

• Interrupteurs

doit être choisi en fonction des exigences de tension et de charge.

Pour maximiser l'espace, faciliter la maintenance et permettre les extensions, le plan doit être soigneusement élaboré. Les barres de liaison doivent relier efficacement l'équipement, et les circuits doivent améliorer le flux d'énergie et la fiabilité.

Pour une détection et une isolation rapides des pannes, des systèmes de protection et de contrôle robustes sont nécessaires. Les normes réglementaires et les préoccupations environnementales déterminent la conception de la sous-station pour assurer la sécurité, la fiabilité et la conformité environnementale.

Plusieurs aspects doivent être pris en compte lors de la conception d'un schéma EHV et de configurations de commutation :

• Il doit être fiable, sécurisé et assurer une excellente continuité de service.

Les schémas de barres de liaison typiques de sous-station et la protection sont expliqués en détail dans :

1. Qu'est-ce qu'une barre de liaison électrique ? Types, avantages, inconvénients &

2. Schémas de protection des barres de liaison

Différentes configurations de barres de liaison offrent différents avantages en termes de redondance, de flexibilité opérationnelle et d'accessibilité à la maintenance.

Une disposition efficace des barres de liaison assure un flux d'énergie efficace et facilite l'expansion future.

Structures de poste d'interconnexion

Des structures sont nécessaires pour supporter et installer l'équipement électrique de la barre de liaison et terminer les câbles de ligne de transmission.

Les structures peuvent être en acier, en bois, en Béton armé (RCC) ou en Béton précontraint (PSC). En fonction du sol, elles nécessitent des fondations.

Les sous-stations utilisent des constructions en acier préfabriquées pour leurs avantages.

Le

• Écart de phase, 

• Écart au sol, 

• Isolateurs, 

• Longueur du bus, et 

• Poids des équipements 

influencent la conception structurelle.

• Flexion, 

• Flambage de la platine, 

• Cisaillement vertical et horizontal, et 

• Effondrement du web 

doivent prévenir l'échec des poutres et poutrelles en acier. 

Les poutrelles à caisson treillis doivent être de 1/10 à 1/15 de la portée & carré. Généralement, la déflexion de la poutre ne peut pas dépasser 1/250 de la longueur de la portée. 

Les boulons et écrous de structure doivent avoir un diamètre de 16 mm, sauf dans les sections faiblement chargées où ils peuvent être de 12 mm.

La charge de conception pour les colonnes et les poutrelles devrait comprendre 

• Tension du conducteur, 

• Tension du fil de terre, 

• Poids des isolateurs et du matériel, et 

• Charge fractionnaire (environ 350 kg), 

• Poids du travailleur et des outils (200 kg) 

• Charges de vent et d'impact 

pendant le fonctionnement de l'équipement.

La portée de téléchargement de la ligne aérienne doit être terminée par les structures de potence de la sous-station. Elle peut aller jusqu'à +15 degrés verticalement et +30 degrés horizontalement.

Les structures de la cour peuvent être peintes ou galvanisées à chaud. 

Les structures fabriquées avec de l'acier galvanisé nécessitent un entretien minimal. 

Cependant, les structures peintes offrent une meilleure résistance à la corrosion dans certaines zones extrêmement contaminées.

Espacements de phase normalement employés comme :

Conception de la barre de liaison

Afin de faciliter la connexion entre les nombreux composants qui constituent une sous-station, les barres de liaison sont des barres conductrices utilisées pour transmettre l'énergie électrique à travers toute la sous-station.

Les pertes électriques sont réduites, la distribution d'énergie est plus cohérente et la performance de la sous-station s'améliore lorsque les barres de liaison sont conçues et dimensionnées correctement.

Sous-station – Systèmes de contrôle

L'automatisation de la sous-station optimise le fonctionnement et l'efficacité en combinant des systèmes de contrôle, des dispositifs intelligents et des réseaux de communication.

La surveillance en temps réel, le contrôle à distance, l'analyse des données et la maintenance prédictive améliorent la fiabilité et réduisent les temps d'arrêt grâce à l'automatisation.

Des systèmes de contrôle avancés comme le SCADA améliorent l'automatisation de la sous-station, la collecte de données et le contrôle à distance.

L'automatisation de la sous-station utilise des systèmes SCADA pour le contrôle et la surveillance centralisés.

Les systèmes SCADA collectent les données de la sous-station pour améliorer le flux d'énergie, prendre des décisions et résoudre rapidement les pannes.

Conception de la sous-station – Protocoles de communication

Les équipements de la sous-station et les centres de contrôle ont besoin de réseaux de communication efficaces pour partager les données et contrôler.

L'architecture de conception des postes électriques nécessite des protocoles de communication fiables comme IEC 61850, DNP3, ou Modbus pour l'interopérabilité, l'intégrité des données et la cybersécurité.

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