RETOUR D EXPERIENCE ET PERSPECTIVES FUTURES DES MONITORING DIGITAUX DE POSTES A ISOLATION GAZEUSE

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1 RETOUR D EXPERIENCE ET PERSPECTIVES FUTURES DES MONITORING DIGITAUX DE POSTES A ISOLATION GAZEUSE FIELD EXPERIENCE AND FUTURE PERSPECTIVES OF DIGITAL MONITORING OF GAS INSULATED SUBSTATIONS Claude FOURNET, AREVA T&D, (France), claude.fournet@areva-td.com Philippe PONCHON, AREVA T&D, (France), philippe.ponchon@areva-td.com Rémi PAGES, AREVA T&D, (France), remi.pages@areva-td.com Arnaud FICHEUX, AREVA T&D, (France), arnaud.ficheux@areva-td.com RESUME Le monitoring des postes haute-tension (HT) à isolation gazeuse (GIS) est maintenant basé sur les dernières technologies digitales. Cela répond efficacement aux attentes des clients en matière de contrôle SF6 et de disponibilité maximale des sous-stations. L expérience en service avec de telles technologies est essentielle et a maintenant été cumulée depuis Ces références couvrent diverses fonctionnalités telles que le contrôle du SF6, les tendances en terme de fuites, la localisation et détection d arc interne, les outils d aide à l exploitation et maintenance, les connexions à distance, etc. Une architecture optimisée a ainsi été mise en place, offrant le maximum de sécurité, flexibilité et capacité de traitement des informations. Un tel système modulaire offre de nouvelles perspectives en matière de fonctionnalités futures de monitoring de postes GIS, comme par exemple le monitoring des organes de manœuvre, les communications sans fil, les communications avec des systèmes de contrôle à distance avec protocoles Ethernet de la CEI ABSTRACT Monitoring of high voltage gas insulated substations (GIS) is now based on latest digital technologies. It is an effective solution to deal with customer concerns of better control of SF6 gas and maximum availability of their substations. Field experience with such modern digital monitoring solutions is essential and has now been cumulated since The references cover various monitoring functions like SF6 monitoring, SF6 leakage trends, supporting tools for commissioning and maintenance, internal arc localization and detection, remote access, etc. The system is modular and offers new perspectives in terms of future GIS monitoring functionalities, like monitoring of switches, wireless communications, communication to remote control systems using IEC Ethernet protocols. KEYWORDS Poste à isolation gazeuse, GIS, monitoring, communication à distance INTRODUCTION Les premiers systèmes de monitoring de postes à isolation gazeuse (GIS) Haute Tension ont fait leur apparition dès Il s agissait alors principalement de résoudre la problématique du déport de l affichage des densités de gaz SF6 mesurées dans les compartiments de l appareillage HT. En effet, en raison de la compacité et de la taille néanmoins importante de l appareillage HT, il est difficile de lire des mesures sur un cadran à aiguilles directement fixé sur l enveloppe. Pour cette raison, certains exploitants se sont vus contraints d imposer dans les cahiers des charges l usage de tuyauteries afin de ramener au niveau du sol les cadrans à aiguilles. Outre le surcoût engendré, le principal problème de ces installations est le risque accru de fuites provoqué par l existence même des tuyauteries. Par ailleurs, le nombre de compartiments de gaz à surveiller dans une travée de poste HT, et par conséquent le nombre de capteurs associés, pouvait justifier l existence d une plate forme commune d acquisition équipée d un afficheur et localisée dans l armoire de contrôle commande locale. Le développement de tels systèmes construits avec de l électronique analogique a alors été rendu possible par l existence même de capteurs de densité à communication, elle aussi analogique. Ces systèmes ont permis des avancées considérables. En effet, il était jusqu alors impossible de s assurer du fonctionnement permanent d un densimètre à contact. Celui-ci pouvait défaillir sans que l exploitant ne s en rende compte, ce qui nécessitait des campagnes de maintenance rapprochées. Plusieurs centaines de ces systèmes ont été installés de part le monde, marquant ainsi l entrée de l électronique sur les postes HT. Cette expérience montre cependant les limites de la technologie employée. On peut citer notamment : - une précision limitée principalement en raison d un manque de puissance de calcul dans le capteur, - une communication entre capteurs et unité d acquisition susceptible d être affectée par les perturbations

2 électromagnétiques, particulièrement lors des manœuvres d appareils HT. L avènement des technologies numériques ainsi que leur vulgarisation dans l industrie en générale a depuis ouvert de nouvelles perspectives. Les points clés conditionnant la création d un système de monitoring de nouvelle génération comme le BWatch3 sont les suivants : - maîtrise de l environnement électromagnétique des postes HT, - prise en compte de la CEM à la base dans la conception de toute électronique, - disponibilité de micro contrôleurs performants - disponibilité sur le marché de l automation d IED (Intelligent Electronic Device) avec entrées sorties modulaires (Fig. 1). que nous allons voir au travers d exemples de réalisations. Fig. 3 : Architecture d un système moderne Fig. 1: IED modulaires Phoenix Contact L utilisation de composants issus du secteur des automatismes industriels permet de bénéficier du durcissement acquis en utilisation dans une grande variété de processus industriels et de prix de revient intéressants permis par la taille des séries de fabrication. Il est devenu possible d embarquer des algorithmes puissants dans les capteurs permettant d atteindre une précision inégalée sur des plages de fonctionnement étendues, de mesurer plusieurs paramètres physiques dans un même transmetteur (par exemple pression et température), de communiquer ces mesures par le biais d une communication numérique bénéficiant ainsi des avantages d une communication de ce type comme l insensibilité des mesures à la CEM, un câblage simplifié, une capacité de franchissement de distances importantes (Fig. 2). FONCTIONS DE BASE D UN SYSTEME MODERNE DE MONITORING Monitoring de la densité du gaz Fonctionnalité essentielle d un système de monitoring de poste à isolation gazeuse, elle a été naturellement la première à être développée. Elle repose sur le choix de capteurs mesurant et communiquant deux paramètres physiques : pression et température au lieu de densité. Ces capteurs disposent d une grande précision et répétabilité sur l étendue de mesure en pression (0 11 bars abs) et en température ( degc). Leur référence ne dépend pas de la pression nominale à laquelle le compartiment est gonflé, ce qui est souvent le cas par exemple avec des densimètres mécaniques ou analogiques. Comme le calcul de densité est réalisé dans l automate de travée (ou Gas Module), il est tout aussi possible de surveiller des mélanges gazeux avec le même capteur. La Figure 4 montre un exemple d un premier poste 420kV réalisé et mis en service en juillet 2004 pour Enelpower en Italie à Tavazzano avec ce système de monitoring BWatch3. C est un poste de sortie de centrale qui est installé en extérieur. Fig. 2: Architecture capteur/système de monitoring Une architecture moderne de système de monitoring est le reflet de cette évolution profonde, qui conduit à fournir non pas une simple unité d acquisition reliée à des capteurs, mais un système complet, modulaire et interconnecté dans son environnement (Fig. 3). Ces systèmes de monitoring digitaux on été largement déployés dans le domaine du GIS est ont ainsi cumulé plusieurs années de références en service. Le niveau de fiabilité maintenant démontré de tels équipements de monitoring permet d envisager sérieusement l extension des fonctionnalités et la généralisation de ces systèmes. Cela couvre les fonctions de base comme le contrôle du SF6, ainsi que des fonctions plus évoluées liées à la sécurité et l aide à l exploitation et maintenance des postes. C est ce Fig. 4 : Exemple de monitoring de poste GIS à Tavazzano, Italie Les capteurs sont installés puis questionnés par l unité d acquisition (ou Gas Module) par l intermédiaire d une communication numérique, autorisant ainsi une architecture

3 de câblage en bus pouvant atteindre 1000m de longueur. La généralisation de la connectique M12 surmoulée en usine soustrait à tout risque d erreur de câblage sur un site (Fig. 5). Point décisif pour les équipes de maintenance, la calibration des capteurs se fait sans démontage, sans nécessité d attendre une quelconque stabilisation thermique, grâce à un capteur de référence livré comme outil et monté par l opérateur sur la vanne de remplissage puis connecté au bus. Un outil de maintenance, qui se présente sous la forme d une application logicielle pourvue d une interface graphique très soignée et pouvant être exécutée sur différentes plates formes hardware (PDA ou UMPC ou laptop ou panel PC) permet de dérouler le test. effectuées manuellement. La précision dans la gestion des quantités de gaz SF6 utilisées et donc des rejets à l atmosphère s en trouve considérablement améliorée. Affichage local, archivage et base de données Pour chaque station, un IHM central est prévu en local, remplaçant avantageusement les petits afficheurs digitaux de travée montés en face avant de chaque armoire locale. Cet IHM central est situé dans une armoire dédiée située dans la salle GIS. Les petits afficheurs restent néanmoins disponibles suivant les demandes des clients. Un logiciel de supervision (Supervision BWatch3) est exécuté sur un PC industriel monté en face avant de l armoire local (Fig. 7). Le PC est aussi équipé d un disque dur de grande fiabilité. Une base de données, sauvegardée sur ce disque, est alimentée par les événements de chaque travée du poste et peut enregistrer et stocker un nombre important de données, sans affaiblir les capacités de monitoring du système. Fig. 5 : Gaz module, boîtiers passifs de dérivation et bus capteurs Les densités mesurées sont comparées aux seuils d alarmes à la baisse et à la hausse. Il est aussi possible, par comparaison des densités entre deux compartiments soumis à des pressions différentes, de détecter une fuite inter-compartiment. Les possibilités d évolution d un tel système digital seront rapidement mises à profit pour répondre à une préoccupation majeure : la préservation de l environnement. Cela se traduit concrètement par un durcissement des normes de rejet de gaz à effet de serre mais aussi par une demande accrue du contrôle des rejets. Seul un système de monitoring bénéficiant de capteurs particulièrement répétitifs et d algorithmes puissants comme le BWatch3, pourra fournir la mesure nécessaire. L objectif principal ne sera pas seulement de quantifier les masses de gaz perdues durant une année d exploitation, mais bien de réduire autant que possible la masse de gaz perdu au moyen d une détection précoce des fuites dites lentes. Cela permettra de mettre rapidement en place les actions correctives, sans attendre l apparition des premiers seuils d alarme et ce dès la fin du montage du poste, avant même la mise sous tension. La figure 6 montre un exemple de mesure de fuite sur une échelle assez courte pour une phase donnée, avec une succession de remplissages intermédiaires. Fig. 6 : Exemple de détection de fuite sur une phase. Cet exemple sur un poste en service assez âgé (rétrofit) permet également de visualiser l intérêt en terme de rigueur du suivi des opérations de compléments de remplissage Fig. 7 : PC industriel avec affichage local et bases de données L heure du système est synchronisée avec les autres systèmes de la station, permettant de dater les événements. Tous sont visualisables en local sur un des onglets de la supervision ou éventuellement à distance. Cet archivage facilite la préparation des opérations de maintenance ainsi que les réparations. FONCTIONS OPTIONNELLES DE SECURITE D EXPLOITATION Localisation d arc interne Cette fonctionnalité permet de localiser un compartiment ayant subit un arc interne, lequel a été éliminé préalablement par les disjoncteurs grâce aux systèmes de protection, et permet ainsi de reconfigurer le poste HT dans les meilleures conditions. Elle est active en permanence. L exemple type est celui d un poste deux jeux de barres avec un défaut survenant dans un sectionneur d aiguillage. Sans système de localisation approprié, il est difficile de localiser où se situe le défaut. Le risque existe donc de reconfigurer le poste sur le second jeu de barres. Ceci peut amener à remettre de nouveau sous tension le compartiment initialement en défaut. Cela conduirait à la perte du 2 ème jeu de barres, et donc la perte totale du poste. La localisation du compartiment pollué va permettre un basculement sur le jeu de barres sain à l exception de la travée en défaut. La reconfiguration du poste est donc sécurisée, et l intervention ultérieure de maintenance sera

4 facilitée. Le principe de localisation d arc interne d un système de monitoring digital comme le BWatch3 repose sur la mesure de la surpression engendrée par l énergie libérée dans le gaz par l arc interne. L énergie libérée dépend principalement des paramètres courant, longueur d arc, durée d arc. Le principe de localisation basé sur le delta de pression est intrinsèquement fiable en raison du caractère non fugitif de l énergie libérée qui laisse le temps nécessaire à un diagnostic fiable. Autre avantage d un tel système, la pression se répartit dans l ensemble d un compartiment indépendamment de sa géométrie. Le seuil minimal de localisation est positionné au dessus du bruit intrinsèque du capteur de pression, lequel est proche de 2 mbar. Le seuil de courant de court-circuit minimum détecté dépend de sa durée d arc ainsi que du volume du compartiment concerné. Le système permet de détecter un courant de défaut de l ordre de 6kA pour des travées standard. Cette valeur a été confirmée par un essai réel effectué en laboratoire. Cette fonctionnalité ne requiert que peu de matériel supplémentaire par rapport au monitoring de densité du gaz. Mais, elle apporte une valeur ajoutée importante dans l exploitation de postes GIS. C est un outil précieux de diagnostic et d aide à l exploitation en cas de défaut. Le client peut donc reconfigurer son poste dans un délai beaucoup plus court par rapport à une localisation classique, comme la mesure de la qualité du gaz dans chaque compartiment par exemple. Elle peut même être réalisée à distance sur un poste non gardienné depuis un centre d exploitation régional, grâce aux fonctions de contrôle à distance du BWatch3. Cette reconfiguration s effectue aussi sans le risque de mauvaises manœuvres ou décisions pouvant entrainer un second défaut encore plus grave pour la stabilité du réseau que le premier. A ce jour, ce système de localisation est principalement installé sur des postes très haute tension 420kV et 550kV où l impact d un défaut peut vite devenir critique pour la stabilité de tout le réseau. Ce système a été installé par exemple sur les postes 420kV à la demande de GECOL en Libye. (Fig. 8). Fig. 8 : Postes 420kV en Libye Détection d arc interne Contrairement à la localisation, la détection implique une notion de temps de réponse puisqu une action automatique peut suivre. Le cas d application le plus bénéfique pour le GIS se situe sur un départ de ligne aérienne afin d éviter une ré-enclenchement sur un défaut se situant sur le tronçon de GIS. En effet, sur un départ de ligne aérienne, des ré-enclenchements unipolaires sont souvent requis pour pouvoir éliminer des défauts pouvant être fugitifs. Par contre, si le défaut a lieu sur le tronçon de départ GIS et non sur la ligne aérienne, le ré-enclenchement entrainerait de nouveau un arc interne dans le GIS, pouvant cette fois-ci engendrer de graves conséquences sur le matériel. A ce jour, certains client exigent de mettre une protection différentielle entre le disjoncteur de départ GIS et l interface SF6/air pour pouvoir localiser plus précisément le défaut et donc interdire le ré-enclenchement. Ceci amène à rajouter des transformateurs de courant et protections supplémentaires. La solution de détection d arc interne par un système de monitoring peut éviter ces surcoûts matériels. Le fonctionnement de l ensemble du système BWatch3 en cas d arc interne a été vérifié en laboratoire par des essais d arc. Un compartiment GIS a été soumis à des séries d arc de différentes intensités. Les pressions à l intérieur du compartiment ont été mesurées et le fonctionnement correct de l ensemble du système électronique dans ces conditions particulièrement difficile a été prouvé (Fig. 9). Fig. 9 : Essai du système en arc interne FONCTIONS OPTIONNELLES D AIDE A L EXPLOITATION ET A LA MAINTENANCE Outil de maintenance BW3 Les systèmes de monitoring fédérant dores et déjà plusieurs fonctions sont amenés, pour des raisons économiques, à s ouvrir d avantage. Devant la multiplication des données, le choix de plates formes puissantes est une nécessité pour aboutir à des applications de maintenance d utilisation simple et intuitive. Les bénéfices sont considérables. L édition automatique de rapports de contrôle (comprenant par exemple les numéros de série des capteurs, les valeurs de seuils, le nom des compartiments ), accessible par clé USB et exploitable sous Excel, permet un gain en qualité et en temps. A cela s ajoute évidemment les fonctions de maintenance indispensables pour un tel système : affichage de la liste des compartiments avec indication d état des capteurs, gestion des capteurs, affichage des valeurs mesurées et

5 des seuils d alarme, simulation des seuils et activation des sorties sans interruption de surveillance des compartiments, calibration des capteurs au moyen d un capteur étalon, chargement de paramètres. Cela se fait au moyen d un outil type tablet PC qui est aussi utilisé pendant la mise en service du poste (Fig. 10). prenant en compte le temps de rafraîchissement. Le poste RATP Lachaise A et B à Paris a fait l objet d un rétrofit de contrôle commande et de monitoring gaz avec un tel système digital. Ce dernier a été mis en service en décembre 2005 et illustre bien ce propos. Le système de monitoring BWatch 3 communique sur une couche physique RS485 et via un protocole propriétaire avec un calculateur de travée livré par AREVA. Quelques sorties à relais ramènent en redondance les informations critiques remplaçant ainsi plus de 200 liaisons filaires (Fig. 11). Fig. 10 : Outil de maintenance BWatch3 standard Monitoring disjoncteur Organe principal d un poste HT, le disjoncteur fait l objet d un monitoring pointu qui implique un grand nombre de capteurs rendant cette fonctionnalité globalement coûteuse, expliquant la diffusion relativement limitée des plates formes dédiées à cette fonction. Pour ce faire, le système n a besoin que des capteurs de course disjoncteur, pour fournir un monitoring simplifié basé sur une acquisition en mode déclenché. Les principales fonctions pouvant être associées à un tel monitoring sont par exemple la mesure des courants primaires, la courbe de déplacement, les temps des contacts auxiliaires, bien entendu la mesure de la densité, les temps de fonctionnement (ouverture, fermeture, déclenchement), les taux de fuite, cumul du nombre de manœuvres, le calcul de la somme des courants coupés ainsi que la datation. Ce monitoring répond aux besoins courants. L ensemble des données est visualisé sur l écran graphique du PC de supervision permettant ainsi une exploitation immédiate et/ou si besoin à distance des enregistrements. Une évolution possible dans le futur d un tel système ouvert est le rajout de fonctions encore plus évoluées de monitoring, comme par exemple la perturbographie de la pression du gaz durant les manœuvres, la mesure du courant des bobines de déclenchement ou la mesure courant des bobines de fermeture et aussi la mesure de la tension moteur. COMMUNICATION NUMERIQUE Communications par liaison filaire La complexité apparente des armoires de contrôle commande conventionnelles contenant un système de monitoring, peut laisser perplexe. Elle provient des lourdes interfaces constituées de sorties digitales, de relais et autres bornes nécessaires à la communication entre un objet numérique et un environnement conventionnel. Ces interfaces, coûteuses et encombrantes, vont conduire mécaniquement à la généralisation des solutions numériques. L introduction de ces liaisons nécessite cependant quelques précautions de mise en œuvre, Fig. 11 : Poste équipé en rétrofit, RATP, France Un autre exemple a été réalisé pour un poste GIS installé en Algérie pour SNC Lavalin avec aussi une autre liaison série RS485 entre le système digital BWatch3 et le système de contrôle commande d AREVA. Ce poste a été mis en service en novembre L avantage d un tel système digital ouvert sera aussi de communiquer dans un futur proche avec des systèmes de contrôle commande fournis par d autres fabricants. Ceci sera rendu possible au travers du protocole CEI Communication par liaison sans fil WiFi Force est de constater qu après une entrée pour le moins frileuse de l électronique dans le milieu de la transmission et distribution d énergie, cette dernière bénéficie dorénavant relativement rapidement des évolutions récentes du marché de l automation à l image des solutions «wireless». La communication sans fil, loin d être un gadget, est une façon de résoudre l épineux problème de la CEM et en particulier des perturbations conduites, dans les câbles cuivre des postes blindés HT. Naturellement, une fibre optique sera préférée pour une installation fixe et le sans-fil pour un outil de maintenance mobile. Le Wifi 2.4 GHz, qui bénéficie de produits arrivés à maturité (points d accès industriels, câbles et antennes outdoor, alimentation POE (Power Other Ethernet), d une communication particulièrement sécurisée, et qui est supporté en standard par les Ultra Mobile PC (UMPC) fait donc son apparition dans les postes HT. En particuliers, il permet la mise à disposition du personnel d exploitation et de maintenance d un affichage digital des informations SF6 données par le système de monitoring. Ces informations sont rendues accessibles depuis n importe quel endroit du poste et en particuliers, depuis les

6 compartiments pendant des opérations de complément de remplissage ou de contrôle par mise en place de capteur étalon. Ce système est mis en place sur le poste 420kV de Montagny pour RTE en France et ouvre de nouvelles perspectives d accès aux informations de surveillance du GIS. MISE A NIVEAU DE POSTES EXISTANTS Application Retrofit Les équipes de maintenance d anciens postes HT en conviendront: il est de plus en plus long et couteux de se procurer d anciens densimètres à contacts de rechange. Le système de monitoring digital est, dans une version restreinte à la surveillance du gaz, particulièrement adapté au rétrofit. Cette facilité provient principalement de sa capacité d adaptation de ses entrées sorties. Le produit, standardisé, se présente sous la forme d une armoire compacte, regroupant l ensemble des Gas Modules d un poste, ou d un demi-poste suivant les configurations, et bénéficiant d un panel PC tactile 17 pouces comme IHM central. Cette configuration permet de livrer sur sîte une armoire complètement câblée, paramétrée, et testée en usine minimisant ainsi le risque d un quelconque problème lors de l installation. Cet argument est particulièrement sensible pour les exploitants peu disposés à consigner durablement leur poste HT. L application de maintenance se déroule directement sur le PC en parallèle de la supervision (voir Figure 11 précédente). RETOUR D EXPERIENCE Les premières mises en service de ce système digital remontent maintenant à plus de 4 ans. Cela permet d avoir un très bon retour d expérience par rapport à la durée et à la quantité de systèmes installés et en service. Aujourd hui plus de 40 postes GIS dans le monde sont équipés de ce système de monitoring digital. Cela représente plus de 440 modules gaz. Pour l année à venir, ce système viendra équiper une douzaine de postes supplémentaires. Des difficultés de mise au point du capteur digital ont perturbé le lancement du produit dans sa phase industrielle. Ces difficultés concernaient essentiellement la tenue aux perturbations électromagnétiques de ces capteurs qui pouvaient conduire à une dérive de la mesure. Depuis, une nouvelle gamme de ces capteurs a été industrialisée et plus de 3000 capteurs digitaux sont aujourd hui installés et conduisent à fiabiliser le système dans son ensemble. Fig. 12 : Amélioration du montage des bornes raccordement Cette phase est maintenant complètement maitrisée et le retour d expérience en service est très tout à fait conforme aux attentes. Nous entrons réellement dans une ère industrielle pour ces applications de monitoring digital dans le domaine de la haute tension CONCLUSION Un système moderne et digital de monitoring de poste GIS permet de d assurer les fonctions première de contrôle de SF6 et des équipements principaux du GIS comme le disjoncteur. Ceci doit se faire dans un but de préservation de l environnement (détection rapide et précise de fuites), de sécurité pour l exploitant (limitation des impacts suite à certains défauts) ou de renforcement de la fiabilité d exploitation des réseaux haute tension (maintenance prédictive et donc préventive). Pour cela, ces systèmes doivent être modulaires, dotés de puissantes capacités de calcul et de traitement des informations provenant des capteurs digitaux de dernière génération. Ces capteurs offrent de nouvelles perspectives dans les traitements de l information et permettront demain d intégrer de nouvelles fonctions pour fiabiliser et sécuriser encore plus l exploitation des postes haute-tension à isolation gazeuse. Ces systèmes sont maintenant matures pour le domaine des postes à isolation gazeuse et ont montré leur fiabilité tout au long de ces dernières années. En terme de disponibilité, et compte tenu de l'auto surveillance du système, on peut espérer même mieux que les systèmes conventionnels actuels. De nouvelles perspectives s ouvrent donc aux clients en matière d exploitation, de maintenance et d accès à distance aux informations de leurs sous-stations GIS haute tension. de Une formation de nos superviseurs à l installation et à la mise en service de ce système de monitoring a été rendue nécessaire et a permis d améliorer et d optimiser certaines procédures d installation. Cette phase d installation et mise en service est désormais maîtrisée. La Figure 12 cidessous montre un exemple type du mode de raccordement des capteurs sur le bus qui a été amélioré avec le retour d expérience des premiers montages.