Solution collaborative pour le limiteur de courant de défaut (FCL) et la reclosure automatique monophasée (SPAR) dans les réseaux électriques EHV d'Asie du Sud-Est

1. Introduction : Contexte et Signification de la Recherche​
   Avec le développement économique rapide en Asie du Sud-Est, l'ampleur des réseaux électriques continue de s'étendre, et les charges augmentent constamment. Cela a conduit à ce que les courants de court-circuit du système approchent ou dépassent même les limites de capacité d'interruption des disjoncteurs, menaçant sérieusement la sécurité et la stabilité des opérations des réseaux électriques. En outre, les lignes de transport d'énergie très haute tension (EHT) servent de colonne vertébrale pour les interconnexions régionales de l'énergie. Plus de 70% des pannes sont des pannes de mise à la terre monophasée, et environ 80% de celles-ci sont des pannes transitoires (par exemple, des coups de foudre, des objets étrangers emportés par le vent). La technologie de Recommandation Automatique Monophasée (SPAR) est une méthode clé pour éliminer rapidement les pannes, restaurer l'alimentation électrique et assurer la stabilité et la fiabilité du réseau.

Les Limiteurs de Courant de Défaut (FCL), en particulier les FCL de type limiteur d'ondes (MOA) économiques, sont des mesures efficaces pour limiter les courants de court-circuit et ont été progressivement appliqués dans les réseaux EHT. Cependant, la recherche existante s'est principalement concentrée sur l'impact des FCL sur la stabilité transitoire du système et la protection par relais, négligeant leurs effets potentiellement négatifs sur les taux de réussite de la SPAR. Cette proposition vise à combler cette lacune en effectuant une analyse approfondie de l'interaction entre les FCL et la SPAR, et en proposant un ensemble de stratégies de contrôle collaboratif adapté aux réseaux électriques d'Asie du Sud-Est. Ces stratégies assurent à la fois une limitation efficace du courant et une alimentation électrique fiable.

​1. Principe de Fonctionnement du FCL de Type Limiteur d'Ondes Métalliques​
Ce type de FCL se compose principalement des composants suivants, qui fonctionnent en coordination pour réaliser la fonction centrale de "faible impédance en exploitation normale et haute impédance en cas de panne" :

Processus de travail : En exploitation normale du système, Lf et Cf résonnent → l'impédance du FCL est presque nulle → aucun impact sur le flux d'énergie. Lorsqu'un court-circuit se produit, le MOA agit rapidement pour court-circuiter Cf → le réacteur limiteur de courant L est inséré dans le système pour supprimer le courant de court-circuit → l'interstice de déclenchement se rompt et envoie un signal pour fermer le commutateur de contournement K → après la fermeture de K, il dévie le courant pour protéger le MOA.

​2. Analyse des Problèmes : Effets Négatifs du FCL sur le Courant d'Arc Secondaire et la SPAR​
Le courant d'arc secondaire est le courant qui maintient le point de panne après l'ouverture du disjoncteur de la phase défectueuse lors de l'opération de la SPAR, soutenu par le couplage électromagnétique et électrostatique des phases saines. L'amplitude et les caractéristiques de ce courant déterminent directement si l'arc de panne peut s'éteindre spontanément, ce qui est crucial pour la réussite de la SPAR.

L'analyse par simulation (basée sur EMTP, avec des paramètres de modèle référencés sur un système 500 kV du sud de la Chine) montre que l'installation d'un FCL peut introduire de nouveaux problèmes :

• Impact du Timing du Commutateur de Contournement (K) : Si le commutateur de contournement K est ouvert lorsque le disjoncteur se déclenche, le courant d'arc secondaire inclura un composant d'amplitude élevée (jusqu'à 225 A), à décroissance lente et de très basse fréquence (environ 3-3,25 Hz). Ce composant de basse fréquence réduit considérablement le nombre de passages par zéro du courant, rendant difficile l'extinction spontanée de l'arc et diminuant nettement les taux de réussite de la SPAR.
• Impact de la Résistance du Chemin d'Arc (Rg) : Lorsque la résistance de transition au point de panne est grande (par exemple, 300 Ω), le courant de court-circuit est faible, ce qui peut empêcher l'activation du FCL à l'extrémité de la ligne (le MOA n'atteint pas la tension de fonctionnement). Dans ce cas, Cf reste non court-circuité et forme un circuit oscillant de basse fréquence avec le réacteur shunt de la ligne, générant également un composant de basse fréquence préjudiciable à l'extinction de l'arc.

​3. Étude du Mécanisme : Origine du Composant de Basse Fréquence​
L'analyse théorique utilisant des réseaux d'impédance équivalents et des transformations de Laplace révèle le mécanisme derrière le composant de basse fréquence :
La cause racine est le condensateur Cf dans le FCL. Après le déclenchement du disjoncteur et l'isolement de la phase défectueuse, l'énergie stockée dans Cf se décharge à travers le réacteur shunt et la résistance d'arc du point de panne. Ce circuit de décharge forme un circuit oscillant de basse fréquence, avec une fréquence d'oscillation (environ 3 Hz) principalement déterminée par Cf et les paramètres du réacteur shunt de la ligne, largement indépendante de l'emplacement de la panne. Cette oscillation de basse fréquence n'est éliminée que lorsque le commutateur de contournement K reste fermé, court-circuitant complètement Cf.

​4. Solution Centrale : Stratégie de Coordination Temporelle pour le FCL et la SPAR​
Pour assurer une limitation efficace du courant par le FCL sans affecter la SPAR, cette proposition propose la stratégie de coordination temporelle précise suivante, avec une durée totale contrôlée entre 0,66 et 0,73 secondes :

Cœur de la Stratégie : Utiliser le signal de déclenchement du disjoncteur de la protection par relais comme commande pour forcer la fermeture rapide du commutateur de contournement K et le maintenir fermé pendant toute la période de combustion de l'arc secondaire (environ 0,2 secondes). Cela court-circuite efficacement Cf, éliminant complètement le composant d'oscillation de basse fréquence dans le courant d'arc secondaire et créant des conditions favorables à l'extinction spontanée de l'arc.

​5. Efficacité et Avantages du Schéma​
Les simulations EMTP vérifient que cette stratégie de coordination temporelle permet d'atteindre les objectifs suivants :

1. Élimination des Effets Négatifs de Basse Fréquence : Élimine complètement le composant de 3 Hz dans le courant d'arc secondaire, évitant ses effets négatifs sur l'extinction de l'arc.
2. Optimisation des Caractéristiques d'Extinction de l'Arc : Réduit le temps d'extinction de l'arc secondaire d'environ 4,5% et diminue le courant de composante de fréquence secteur de 10,5%, améliorant considérablement les taux de réussite de la SPAR.
3. Compatibilité et Fiabilité : La stratégie ne modifie pas les caractéristiques de récupération de tension du système et équilibre la sécurité du FCL (protection du MOA) avec les besoins de récupération rapide.
4. Simplicité de Mise en Œuvre : Basée sur les signaux de protection existants, la stratégie nécessite des modifications minimales des systèmes secondaires, est à faible coût et convient aux projets EHT existants ou nouveaux dans les pays d'Asie du Sud-Est.

​6. Conclusion et Recommandations​
Pour les réseaux électriques EHT d'Asie du Sud-Est qui planifient ou sont déjà équipés de FCL de type limiteur d'ondes métalliques, il est essentiel d'accorder une attention particulière au problème potentiel des oscillations de basse fréquence dans les courants d'arc secondaires, qui peuvent réduire les taux de réussite de la SPAR et menacer la fiabilité de l'alimentation électrique.