Relais de protection de ligne Solution de protection de ligne basée sur microordinateur

1. Résumé et contexte​
   Avec l'augmentation de la complexité des structures de réseau électrique, en particulier le développement de la transmission à courant continu à très haute tension (UHVDC), l'intégration à grande échelle des énergies renouvelables et les multiples lignes de transmission parallèles, les exigences de performance pour la protection des lignes de transmission ont atteint des niveaux sans précédent. Le défi central réside dans l'équilibre entre deux demandes critiques : assurer un fonctionnement extrêmement rapide des dispositifs de protection en cas de défaut pour maintenir la stabilité du système, tout en garantissant une sélectivité forte pour éviter les coupures inutiles et l'escalade des défauts. Cette contradiction est particulièrement prononcée dans des configurations de réseau complexes comme les lignes doubles en parallèle, où les principes de protection monopolaire traditionnels font face à des limitations significatives.

Cette solution utilise une technologie de protection avancée basée sur microordinateur, intégrant trois modules clés : la protection de distance par variation de fréquence, la localisation de défaut bidirectionnelle par ondes de propagation et les stratégies d'autorefermeture adaptative. Elle vise à améliorer de manière globale la fiabilité, la rapidité et l'intelligence de la protection des lignes, fournissant un soutien crucial pour la construction d'un réseau robuste et intelligent.

​2. Analyse des défis centraux​

• ​Conflit entre vitesse et sélectivité : Les schémas de protection traditionnels nécessitent souvent un fonctionnement retardé pour assurer la sélectivité, ce qui entre en conflit avec la nécessité d'une élimination rapide des défauts pour maintenir la stabilité du système.
• ​Localisation précise des défauts sur les lignes doubles en parallèle : L'induction mutuelle entre les lignes doubles complique les caractéristiques des défauts, réduisant considérablement la précision des méthodes de localisation de défaut traditionnelles et entravant l'identification des défauts et la restauration de l'alimentation.
• ​Incertitude introduite par l'intégration des énergies renouvelables : L'intégration des parcs éoliens et solaires modifie les niveaux et les caractéristiques des courants de court-circuit, pouvant entraîner un dysfonctionnement ou une absence de fonctionnement de la protection. De plus, leurs fluctuations de production mettent au défi le taux de réussite des stratégies d'autorefermeture.

​3. Technologies clés de la solution​

​3.1 Protection de distance par variation de fréquence (ΔZ Protection)​​

• ​Principe technique : Cette technologie n'est pas affectée par le courant de charge pendant le fonctionnement normal du système. Elle calcule l'impédance de défaut en utilisant uniquement les variations de fréquence de puissance de tension et de courant générées à l'instant du défaut. Avec des seuils de déclenchement élevés, elle est intrinsèquement directionnelle, hautement sélective et insensible aux oscillations du système et à la résistance de transition.
• ​Avantages de performance:
• Fonctionnement ultra-rapide : Réponse extrêmement rapide, avec des temps de fonctionnement typiques inférieurs à 10 ms.
• Haute fiabilité : Évite efficacement les dysfonctionnements dus aux influences du courant de charge.
• ​Cas d'application : Sur une ligne de transmission UHVDC ±800 kV, cette technologie a réduit le temps total d'élimination des défauts (fonctionnement de protection + coupure du disjoncteur) pour les défauts proches à moins de 80 ms, améliorant considérablement la stabilité transitoire du système UHVDC.

​3.2 Localisation de défaut bidirectionnelle par ondes de propagation​

• ​Principe technique : Un défaut génère des ondes de propagation qui se propagent vers les deux extrémités de la ligne. En utilisant des horloges GPS/BDS synchronisées à haute précision, les dispositifs de protection aux deux extrémités enregistrent précisément les temps d'arrivée des premières ondes de courant de propagation (t1 et t2). La localisation du défaut est calculée de manière précise en utilisant la formule L = (v * Δt) / 2, où v est la vitesse de l'onde et Δt = |t1 - t2|.
• ​Avantages de performance:
• Precision ultra-haute : La localisation du défaut est largement indépendante de l'inductance mutuelle de la ligne, du mode de fonctionnement du système, de la résistance de transition ou de la saturation du transformateur de courant (TC).
• Indépendance des paramètres : Ne dépend pas des paramètres d'impédance de la ligne, éliminant les erreurs causées par des paramètres inexactes dans les méthodes traditionnelles basées sur l'impédance.
• ​Cas d'application : Le déploiement sur une ligne double de 500 kV sur la même tour a réduit l'erreur de localisation du défaut à moins de 200 mètres, améliorant la précision de plus de 80% par rapport aux méthodes traditionnelles monopôles basées sur l'impédance. Cela facilite grandement l'identification rapide des défauts et la maintenance.

​3.3 Stratégie d'autorefermeture adaptative​

• ​Principe technique : Le dispositif de protection basé sur microordinateur distingue intelligemment les types de défaut (transitoire ou permanent) :
1. ​Défauts transitoires : Après la coupure, la résistance diélectrique de la ligne se restaure. Le dispositif détecte la récupération de l'isolation et émet rapidement une commande d'autorefermeture.
2. ​Défauts permanents : Le dispositif détecte le défaut persistant et bloque l'autorefermeture pour éviter une deuxième coupure du disjoncteur, assurant la sécurité des équipements.
   De plus, la stratégie ajuste dynamiquement le temps mort de l'autorefermeture en fonction des conditions du système en temps réel (par exemple, la part de production d'énergie renouvelable) pour s'adapter aux caractéristiques de récupération du système.
• ​Avantages de performance:

• Taux de réussite accru : Évite l'autorefermeture sur des défauts permanents, améliorant considérablement le taux de réussite de l'autorefermeture et la fiabilité de l'alimentation.
• Réduction de l'impact : Empêche les chocs secondaires inutiles au système, protégeant les équipements.

• ​Cas d'application : La mise en œuvre sur une ligne de sortie critique d'un parc éolien a augmenté le taux de réussite de l'autorefermeture de 72% à 93%, réduisant efficacement les déconnexions des éoliennes dues aux défauts transitoires de ligne.

​4. Résumé de la valeur de la solution​
Cette solution de protection basée sur microordinateur intégrée apporte une valeur centrale aux clients grâce à l'application synergétique de ses trois technologies clés :

1. ​Amélioration de la stabilité du système : La protection ultra-rapide isole les défauts rapidement, sécurisant le temps critique pour maintenir la stabilité du réseau.
2. ​Amélioration de la fiabilité de l'alimentation : L'autorefermeture adaptative intelligente maximise la restauration de l'alimentation, réduisant la durée et les pertes de coupure.
3. ​Augmentation de l'efficacité opérationnelle : La localisation de défaut de haute précision transforme la maintenance de "patrouille de ligne" en "inspection de point", réduisant considérablement les coûts et le temps de recherche.
4. ​Adaptabilité aux nouveaux systèmes électriques : Ses performances exceptionnelles en font une solution hautement adaptée aux scénarios de réseau moderne complexes, y compris l'UHVDC, l'intégration des énergies renouvelables et les lignes multicircuits.