Limitation du courant de court-circuit dans les systèmes électriques et l'application des limiteurs de courant de défaut (FCL)

0 Introduction​
Avec le développement des systèmes électriques et l'augmentation de la demande en charge, l'intégration d'unités de production de grande capacité et d'équipements de sous-stations - en particulier l'émergence de grandes centrales électriques dans les centres de charge et l'interconnexion de grands systèmes électriques - a inévitablement conduit à une augmentation continue des niveaux de courant de court-circuit. Sans mesures de limitation efficaces, cette tendance ne ferait pas seulement augmenter de manière significative l'investissement en équipement pour les nouvelles sous-stations, mais aurait également un impact sévère sur les lignes de communication et les conduites des installations de sous-station existantes, nécessitant potentiellement des fonds importants pour la rénovation et la mise à niveau.

Au début du développement du système, lorsque la capacité du système est faible et que les niveaux de courant de court-circuit sont bas, l'augmentation des courants de court-circuit peut généralement être traitée en remplaçant les dispositifs de commutation - d'autres équipements de sous-station ont souvent une marge suffisante à ce stade. Cependant, lorsque la capacité du système électrique est grande, les niveaux de court-circuit élevés et les courants de court-circuit continuent à augmenter en raison de l'interconnexion du système ou de l'expansion de la capacité, le simple remplacement des disjoncteurs n'est plus suffisant. Les sous-stations existantes peuvent nécessiter non seulement le remplacement des disjoncteurs, mais aussi des améliorations ou des remplacements des transformateurs principaux, des interrupteurs, des transformateurs de mesure, des barres de collecteur, des isolateurs, des structures, des fondations et des systèmes de terre. De plus, les lignes de communication peuvent nécessiter un blindage ou même une conversion en câbles de communication souterrains.

En raison de divers facteurs, de nouvelles unités de production de grande capacité et de centrales électriques continuent d'être intégrées au réseau 220kV, entraînant une augmentation excessive rapide des niveaux de courant de court-circuit. La capacité d'extinction et les performances de stabilité dynamique de nombreux disjoncteurs 220kV - et même de l'ensemble des sous-stations - ne correspondent plus aux niveaux de court-circuit en hausse, créant des défis techniques et économiques sérieux. La recherche sur la limitation des courants de court-circuit est donc urgente.

​1 Mesures traditionnelles de limitation du courant et leurs limites​
La limitation du courant de court-circuit peut être abordée du point de vue de la structure, de l'exploitation et de l'équipement du système. Les mesures traditionnelles comprennent les catégories suivantes, mais chacune présente des limites importantes :

• ​a. Ajustement de la structure du réseau​
  Comprend le développement de réseaux de tension supérieure, la division des réseaux de basse tension / des barres de collecteur et la séparation du réseau.
• Développement de réseaux de tension supérieure : Nécessite des investissements importants et soulève des préoccupations environnementales.
• Division / séparation des réseaux de basse tension : Simple à mettre en œuvre avec des effets de limitation du courant significatifs, mais réduit les marges de sécurité du système et limite la flexibilité opérationnelle, ne convenant qu'à des scénarios nécessaires.
• ​b. Technologie d'interconnexion par courant continu​
  L'interconnexion par courant continu peut réduire considérablement les courants de court-circuit, mais l'investissement dans les postes de conversion aux deux extrémités est extrêmement élevé. Pour les interconnexions courtes avec un échange de puissance faible, cette solution n'est pas économiquement viable.
• ​c. Transformateurs à haute impédance​
  L'utilisation de transformateurs à haute impédance pour limiter les courants de court-circuit du côté basse tension est une mesure couramment adoptée. Cependant, ces transformateurs présentent des pertes plus élevées en fonctionnement en régime permanent, affectant l'économie du système.
• ​d. Réactances en série​
  Les réactances en série, avec une technologie de fabrication mature et des effets de limitation du courant clairs, sont déjà utilisées dans les systèmes auxiliaires des centrales électriques et dans les sous-stations 10-35kV. Cependant, leur application dans les systèmes extra-haute tension augmente les pertes du réseau et réduit la stabilité du système, limitant leur adéquation.
• ​e. Extension de la capacité de l'équipement et réaménagement​
  Le remplacement des disjoncteurs et le réaménagement des sous-stations existantes pour gérer des courants de court-circuit plus élevés abordent directement le problème, mais impliquent des investissements élevés et des travaux de construction complexes, entraînant une mauvaise efficacité économique et une opportunité temporelle.

Étant donné les limites importantes des mesures traditionnelles, le développement de nouveaux dispositifs de limitation du courant adaptés aux systèmes électriques modernes est devenu impératif. Le Limiteur de Courant de Défaut (FCL) est apparu comme une solution et est également un composant important des Systèmes de Transmission Alternée Flexible (FACTS).

​2 Application des Limiteurs de Courant de Défaut (FCL) dans les systèmes électriques​

​2.1 Modèle et principes de base du FCL​
Le principe de base du FCL est dérivé de la technologie de limitation du courant par réactance en série, améliorée par l'électronique de puissance pour surmonter les inconvénients des réactances en série traditionnelles (par exemple, des pertes élevées en régime permanent et des impacts sur la stabilité du système). Son modèle de base peut être abstrait comme suit : "Aucune réactance en fonctionnement normal ; insertion rapide de la réactance en cas de défaut pour limiter le courant."

• Fonctionnement normal : Dispositif de commutation fermé, impédance équivalente du FCL proche de zéro, sans impact sur le système.
• Condition de défaut : Ouverture rapide du dispositif de commutation, insertion de la réactance de limitation du courant pour supprimer le courant de court-circuit.

Les composants clés du FCL comprennent quatre éléments essentiels :

1. Élément de détection rapide du courant de défaut : Surveille en temps réel le courant du système et identifie rapidement les défauts de court-circuit.
2. Dispositif de commutation rapide : Agit rapidement en cas de défaut pour passer entre les états "sans réactance" et "avec réactance".
3. Réactance de limitation du courant : Composant clé de limitation du courant, qui supprime le courant de court-circuit par l'impédance.
4. Élément de protection contre les surtensions : Empêche les surtensions lors de la commutation en cas de défaut, protégeant les équipements du système.

​2.2 Fonctions et exigences de conception du FCL​

​2.2.1 Fonctions clés du FCL​
Le FCL offre une nouvelle approche de la limitation du courant de défaut dans les systèmes électriques et est un composant critique des systèmes électriques modernes. Ses avantages incluent :

• Réduction de la charge sur les disjoncteurs : Des niveaux de tension plus élevés correspondent à des courants de défaut plus importants et plus difficiles à interrompre. Le FCL réduit directement le courant d'extinction des disjoncteurs, prolongeant la durée de vie des équipements.
• Amélioration de la stabilité du système : La limitation rapide des courants de court-circuit réduit les chutes de tension sur les lignes et les probabilités de déphasage des générateurs, améliorant la stabilité de l'angle de puissance, de la tension et de la fréquence.
• Augmentation de l'utilisation des équipements et des lignes : Si le FCL agit avant que le courant de court-circuit n'atteigne son pic, il réduit les exigences en termes de limites thermiques et dynamiques, augmentant ainsi la capacité de transmission réelle des lignes.
• Optimisation de la qualité de la tension : La limitation rapide du courant avant l'élimination du défaut raccourcit la durée de la chute de tension sur les lignes non déficientes, assurant la stabilité de la tension du réseau.
• Réduction des interférences avec les installations environnantes : La limitation des courants de court-circuit dans les réseaux haute tension réduit l'interférence électromagnétique avec les lignes de communication et les systèmes de signalisation ferroviaire voisins.

​2.2.2 Exigences de conception pour le FCL​
Pour s'adapter aux caractéristiques de fonctionnement des systèmes électriques, le FCL doit répondre aux normes de conception suivantes :

• Aucun impact sur le système en fonctionnement normal (chute de tension proche de zéro).
• Réponse rapide en cas de défaut (en 1-2 ms), limitant à la fois le courant de crête et le courant de régime permanent de court-circuit sans effets secondaires tels que les surtensions.
• Rétablissement automatique après l'élimination du défaut sans intervention manuelle.
• Aucune interférence avec la logique de fonctionnement normale des relais de protection.
• Coût raisonnable et rentabilité élevée, répondant aux besoins des applications d'ingénierie.

​2.3 Comparaison des différents schémas de mise en œuvre du FCL​

​2.3.1 Comparaison des schémas​

• ​Conclusion : Les limiteurs de courant de défaut basés sur de nouveaux matériaux (en particulier supraconducteurs) et sur l'électronique de puissance sont actuellement les solutions optimales. Le premier est simple et fiable, mais limité par la technologie des matériaux ; le second offre une forte contrôlabilité, et avec la baisse des coûts de l'électronique de puissance, il est devenu ingénierie faisable, en faisant la direction de R&D la plus prometteuse.

​2.5 Directions futures de recherche pour le FCL​
Les recherches futures sur le FCL devraient se concentrer sur "l'optimisation des performances, l'intégration des fonctions et l'adaptation à l'ingénierie". Les directions clés incluent :

1. Convertisseurs d'impédance réglables en continu : Dépasser la limitation actuelle de "deux états d'impédance (zéro ou infini)" pour développer des convertisseurs d'impédance réglables en continu qui s'ajustent dynamiquement à une impédance plus élevée en cas de courants de défaut plus importants. Ces convertisseurs devraient également incorporer la compensation du facteur de puissance et l'absorption des surtensions, combinés avec des théories de contrôle (par exemple, la rétroaction négative, le contrôle PID) pour améliorer l'automatisation du système.
2. Intégration avec les contrôleurs FACTS : Développer des dispositifs de contrôle complets qui combinent le FCL avec d'autres composants FACTS (par exemple, SVG, SVC) pour améliorer l'efficacité globale et avancer vers des systèmes de transmission et de distribution alternée contrôlables.
3. Breakthroughs technologiques clés :
• Mécanismes d'impact du FCL sur la stabilité du système électrique.
• Logique de coordination entre le FCL et les relais de protection.
• Optimisation des systèmes de détection ultra-rapide de signaux de défaut et des contrôleurs.
• Effets du FCL sur la qualité de l'énergie (par exemple, harmoniques, fluctuations de tension) et mesures d'atténuation.

​3 Conclusion​

• a. La limitation des courants de court-circuit dans les systèmes électriques est devenue une question critique nécessitant une résolution urgente. En tant que nouveau dispositif de protection, le Limiteur de Courant de Défaut (FCL) offre une solution efficace, et le développement de FCL adaptés aux réseaux modernes présente une valeur théorique et ingénierie importante.
• b. Les FCL basés sur l'électronique de puissance possèdent déjà une base théorique et une praticabilité ingénierie. Leurs excellentes performances de contrôle et la baisse des coûts des dispositifs électroniques de puissance indiquent des perspectives de développement larges.
• c. Avec le développement avancé des technologies FACTS/CusPow, le FCL, en tant que membre clé de la famille FACTS, devrait non seulement aborder de manière indépendante les problèmes de limitation du courant dans les réseaux de transport et de distribution, mais aussi collaborer avec d'autres contrôleurs FACTS pour promouvoir davantage le développement des systèmes de transmission et de distribution alternée contrôlables.