Généralités concernant les régimes de neutre

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1 Généralités concernant les régimes de neutre Ce document est un résumé du livre «La pratique des régimes de neutre» LES EXIGENCES...2 LA GESTION DES NEUTRES...2 LES REGIMES DE NEUTRE ET LE SYSTEME ELECTRIQUE...3 Les paramètres 3 Les déséquilibres 4 Les surtensions dynamiques 6 Le capacitif homopolaire 6 Les courants de défaut 7 LES MATERIELS DE MISE A LA TERRE DES NEUTRES...7 Les transformateurs 7 Les résistances de point neutre 8 Les inductances de point neutre 8 LES PLANS DE PROTECTION...11 EXISTE-T-IL UN BON REGIME DE NEUTRE?...11 Les régimes de neutre sur les réseaux publics 12 1

2 Les exigences Le régime de neutre d un réseau influe directement sur le comportement du système électrique soumit à un déséquilibre homopolaire. Il intervient également dans : La qualité de la fourniture d énergie. La sécurité des biens et des personnes La tenue thermique, diélectrique et mécanique des équipements. La définition du plan de protection associé. Le choix d un régime de neutre doit assurer, sur un réseau d énergie électrique la maîtrise des contraintes provoquées par les déséquilibres homopolaires. A l origine, les réseaux électriques ont été conçus pour répondre aux exigences de sûreté dans la desserte de l énergie. Le régime de neutre ayant une influence sur la valeur des courants de défaut à la terre et sur les niveaux des surtensions dynamiques, la préoccupation des exploitants allait vers la recherche d un compromis entre les investissements et la maîtrise des contraintes techniques. Aujourd hui, avec l ouverture des marchés, la qualité du produit électricité et des services associés, est devenue l élément essentiel de la concurrence. Dans ce contexte, puisque 80% des défauts sont des courts-circuits avec la terre, le choix du régime de neutre est pour un exploitant de réseau un élément stratégique de la qualité. La gestion des neutres La gestion des neutres d un réseau d énergie électrique est un acte d exploitation qui consiste à : Rechercher le compromis entre la maîtrise des courants de court-circuit avec la terre et le maintien du facteur de mise à la terre dans un intervalle donné. Garantir le mode de fixation du neutre à la terre. Etablir le schéma d exploitation des neutres du réseau pour un bon fonctionnement du plan de protection. On a l habitude de classer les régimes de neutre suivant leur mode de gestion. Les neutres isolés. Le neutre du réseau est physiquement isolé de la terre. Il existe cependant un lien virtuel constitué des réactances de capacité homopolaires transversales du réseau. Les neutres reliés directement à la terre. Le neutre du réseau peut être ou non distribué. Dans le premier cas il existe un conducteur de neutre qui assure l interconnexion des prises de terre du réseau. Le courant de déséquilibre homopolaire se partage alors entre la terre et le conducteur de neutre. Dans le second cas, le neutre du réseau est mis à la terre uniquement à la source. Le courant de déséquilibre homopolaire transite uniquement par la terre. Les neutres impédants. A la source, le neutre est relié à la terre par l intermédiaire d une impédance. A l exception des réseaux interconnectés, il n est généralement pas admis d autre point de mise à la terre. Le neutre compensé appartient à la catégorie des neutres impédants. 2

3 Les régimes de neutre et le système électrique Les paramètres Considérons un court-circuit monophasé sur un réseau HTA dont le neutre est relié à la terre par l intermédiaire du transformateur de puissance. Dans notre exemple, il n existe pas de lien entre les impédances homopolaires des réseaux 63 kv et 20 kv. A l endroit du défaut, les paramètres sont représentés dans le schéma équivalent. Zo est l impédance homopolaire du dispositif physique de mise à la terre du neutre du réseau. Zod et Zos correspondent aux capacités homopolaires du réseau. Zo ligne et Zo câble sont les impédances homopolaires longitudinales du départ en défaut. L ensemble de ces impédances constitue l impédance homopolaire (Zor) du réseau. Zd = Zd source + Zd câble + Zd ligne est l impédance directe du réseau. Elle est sensiblement égale à l impédance inverse Zi du réseau 1. Zo Le rapport F= est le facteur de mise à la terre du réseau. Zd Il dépend fortement du régime de neutre. Neutre isolé F > 300 Neutre direct à la terre F 3 Neutre impédant 3 < F < 300 En présence d un déséquilibre homopolaire, le comportement du réseau dépend de ce facteur. Sa connaissance permet d évaluer les contraintes diélectriques à la fréquence fondamentale ainsi que les performances du plan de protection. 1 Zd #Zi si le lieu du défaut est proche électriquement des groupes de production. 3

4 39V 402V Les déséquilibres Description Ils sont provoqués par les courts-circuits et les charges dissymétriques. Leur existence modifie l équilibre des grandeurs électriques en présence. Le déséquilibre homopolaire affecte le système des tensions simples. Il modifie le rendement des charges monophasées. Un déséquilibre homopolaire induit du déséquilibre inverse. Le déséquilibre inverse affecte le système des tensions composées. Il perturbe le rendement des charges raccordées entre phases. La valeur du déséquilibre inverse induite par le déséquilibre homopolaire dépend du régime de neutre du système électrique 2. Le taux de composante inverse est d autant plus important que la puissance de court-circuit est faible et que la charge dissymétrique est importante. Afin de clarifier les notions de déséquilibre inverse et homopolaire, nous examinons quelques exemples Exemple 1: Déséquilibre de charge sur un réseau basse tension dont le neutre est distribué. V 3 281V 243V 54A I N 344V T 234V V 1 235V 54A 183V 163V N 392V I 2 V V3-N V1-N Il existe un courant dans le neutre et un déplacement de point neutre V N-T. L équilibre des tensions simples est affecté. On est en présence d un déséquilibre homopolaire. Les tensions composées sont légèrement déséquilibrées, le réseau est également le siège d un léger déséquilibre inverse. 190 V2-N Mesures effectuées le 8 Janvier 1995 au point P 180 0h 2h 4h 6h 8h 10h 12h 14h 16h 18h 20h 22h 2 L importance du déséquilibre inverse dépend alors de la valeur du courant de défaut. Il s ensuit qu un fort courant de défaut à la terre est susceptible de créer un fort déséquilibre inverse. Ce sera le cas par exemple d un défaut affectant un réseau dont le neutre est relié directement à la terre. 4

5 Exemple 2 :Courts-circuits sur un réseau 20 kv. Court-circuit monophasé Court-circuit biphasé C est un déséquilibre homopolaire Les tensions simples sont déséquilibrées. Il existe un courant dans le neutre. Les tensions composées sont dans une moindre proportion déséquilibrées. Il existe donc également un léger déséquilibre inverse. C est un déséquilibre inverse Les tensions composées sont fortement déséquilibrées. Il s ensuit un déséquilibre des tensions simples. Il n existe pas de courant dans le neutre. Il n y a donc pas de déséquilibre homopolaire. En conclusion Un déséquilibre homopolaire s identifie par la présence de composantes homopolaires dont l amplitude dépend du choix du régime de neutre. Action du régime de neutre sur les déséquilibres Considérons le cas d un réseau insulaire de très faible puissance de court-circuit, examinons le comportement du système électrique sur un court-circuit monophasé Le neutre 20 kv est mis directement à la terre U31 V3 V1 U23 V2 U12 Le taux de composante inverse aux bornes des groupes 400V est de 32 %. Le courant de défaut est de 350 A. On installe une impédance 80+j40 Ω U31 V3 U23 V1 V2 Le taux de composante inverse aux bornes des groupes 400V est de 10 %. Le courant de défaut est de 110 A. U12 En conclusion En augmentant l impédance homopolaire du réseau, on réduit la valeur du courant de défaut et le taux de composante inverse. 5

6 Les surtensions dynamiques Elles sont créées par les déséquilibres homopolaires. Ne durant que le temps de l événement, elles dépendent du régime de neutre et de l importance du déséquilibre homopolaire. Examinons le cas d un défaut monophasé affectant la phase 1 d un réseau 20kV. La simulation montre que les phases 2 et 3 sont le siège d une surtension. La tension V1 est égale, quant à elle, à la montée en potentiel de la prise de terre au lieu du défaut. Les tensions composées ne sont que faiblement modifiées. On est en présence d un déplacement de point neutre. Fixons la valeur de la résistance du défaut à 10 Ω et faisons varier l impédance de mise à la terre du neutre. Les surtensions dynamiques augmentent fortement à partir d une impédance de point neutre de 5 Ω. Pour cette valeur, le facteur de mise à la terre F est égal à 3. Les valeurs des surtensions dynamiques apparaissant sur les phases saines à l endroit du défaut dépendent de la valeur du facteur de mise à la terre en ce point. Tensions phases-terre (V) ,25 0,5 1 Résistance du défaut = 10 Ω V3 V2 V1 1, Impédance du neutre(ω (Ω) Lorsqu un exploitant souhaite maîtriser les surtensions dynamiques sur un réseau, il doit veiller à maintenir le facteur de mise à la terre à une valeur inférieure à 3 3. Le capacitif homopolaire C est le courant dérivé par les réactances de capacité homopolaire des lignes et des câbles. Les courants de capacité homopolaire amplifie les courants de défaut et sont susceptibles de perturber la sélectivité du plan de protection. Zo Pour un rapport 1,4, le Zd courant de capacité homopolaire est proche de sa valeur maximale. 3Ico(A) Capacitif homopolaire du réseau 3Ico=f(Zon) pour Zd= 10j Valeur max La norme CEI 909 précise que les capacités homopolaires doivent être prises en compte dans les études si le facteur de mise à la terre est égal ou supérieur à 1,4. Zon (Ω) 3 On considère qu un réseau a son neutre relié directement à la terre si, en tout point, F 3. Pour cette valeur, les surtensions sont limitées à 1,4 fois la tension simple du réseau. 6

7 Les courants de défaut Nous avons vu que les courants de défaut dépendaient du régime de neutre. Dans le cas du neutre direct à la terre (F 3), le comportement du réseau, en présence d un déséquilibre homopolaire présente une particularité que nous allons examiner. Considérons un réseau 20 kv. On étudie le courant de défaut à la terre pour un défaut biphasé à la terre. On compare ce courant à celui produit par un défaut monophasé pour différentes valeurs de F. Valeur du courant de défaut à la terre Jdéf= g(f) sur un réseau 20kV (Pcc= 200 MVA) Rapport des valeurs de courant à la terre Jdéfaut (A) Neutre direct à la terre Court-circuit biphasé avec la terre Court-circuit monophasé Neutre impédant Idef bi / Idef mono 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,7 0,5 RPN 40 Ω , Facteur de mise à la terre Facteur de mise à la terre Lorsque le facteur de mise à la terre est inférieur à 1 (cas des réseaux Nord Américains), le courant de défaut à la terre maximal est obtenu pour un court-circuit biphasé à la terre. Le rapport des courants de défaut à la terre varie fortement avec la valeur du facteur de mise à la terre. Jdéfaut bi 2 > > 0,5 Jdéfaut mono L exploitant doit tenir compte de ces propriétés pour le réglage des protections contre les défauts d isolement à la masse.(tableau, cuve, etc ) et pour le dimensionnement des circuits de terre. Les matériels de mise à la terre des neutres Les transformateurs Le tableau résume l utilisation des différents transformateurs. Régime de neutre Couplage Utilisations F 3 Neutre direct ou faiblement impédant F 3.yn Y.zn, Yn.zn Transformateur de groupe Distribution Basse Tension Faibles puissances F 1 Y.yn.d HTA, HTB, THT Interconnexion Réseaux nord Américain Neutre moyennement ou fortement impédant Yn.yn Flux forcé et tous couplages Tous niveaux de tension et toutes puissances 7

8 Les résistances de point neutre Lorsque l on souhaite limiter fortement le courant dans le neutre du réseau, on utilise souvent une résistance de point neutre connectée entre le neutre du réseau et la terre Insertion dans le neutre du transformateur Neutre artificiel crée par une bobine triphasée Une Résistance de point neutre est définie par sa tenue thermique et son intensité maximale admissible en permanence. Elle doit être capable de supporter les contraintes imposées par les pratiques d exploitation (manœuvres et cycles d automatismes). Les inductances de point neutre Une inductance est définie par sa tenue thermique et par l intensité maximale admissible en permanence. Elle doit en outre résister aux effets dynamiques des courants de défaut. En présence d un capacitif homopolaire important, l utilisation d une inductance pure risque de provoquer le dysfonctionnement d un plan de protection constitué de relais à maximum d intensité résiduelle. Une telle pratique est réservée aux réseaux essentiellement aériens ou lorsque l on réalise un régime de neutre très faiblement impédant 4. Les inductances monophasées Elles sont insérées dans les connexions de mise à la terre des neutres des transformateurs. Par rapport aux résistances, elles présentent l avantage d être plus robustes, moins encombrantes et ne nécessitant qu un entretien réduit. Elles sont d un coût d exploitation beaucoup plus faible. La plus simple est constituée d un solénoïde bobiné autour d un support amagnétique. Afin de pouvoir installer ces inductances au sol tout en garantissant la sécurité des personnes, on peut immerger l inductance dans une cuve remplie d un diélectrique liquide. Les dispositifs de fixation sont alors constitués de shunts magnétiques chargés de préserver la cuve de la circulation du flux produit par la bobine. 4 Les réseaux HTA Britanniques utilisent ces dispositifs pour limiter le courant dans le neutre à 4000 A. 8

9 Les inductances triphasées La plus connue est la bobine zigzag. On privilégie l installation de ces dispositifs lorsque l on veut : limiter l amplitude de certaines perturbations, éliminer le couplage homopolaire entre deux réseaux reliés à un même transformateur, assurer la mise à la terre du neutre au niveau du jeu de barres.. Photo TRANSFIX Sur un réseau fortement capacitif, il est nécessaire d insérer dans la connexion de mise à la terre du neutre une résistance de point neutre Convenablement dimensionnée, cette association présente l avantage d assurer la compensation partielle du capacitif homopolaire du réseau et de pouvoir être associé à un plan de protection constitué de relais de courant homopolaire. R BPN Zigzag Principe de fonctionnement La figure ci-contre représente un défaut monophasé affectant un réseau 20 kv. La mise à la terre du neutre est constituée d une inductance j40 Ω présentant un facteur de qualité de 6. L impédance homopolaire d un tel dispositif est: Zo= j. Le dispositif se comporte comme un générateur de courant homopolaire Les générateurs homopolaires Pour limiter l ampleur des dommages causés aux groupes de production par les défauts à la masse, les exploitants limitent les courants de défaut à la terre à une dizaine d Ampères. Ils utilisent souvent un dispositif, raccordé au jeu de barres de la centrale, abusivement appelé «générateur homopolaire». Le transformateur dispose d un enroulement couplé en triangle chargé par une résistance. L ensemble se comporte alors comme une résistance. Le TC placé dans la mise à la terre du neutre alimente la protection masse stator des groupes raccordés au jeu de barres. Ce dispositif doit comporter un circuit magnétique à flux libre ou être constitué de trois transformateurs monophasés de puissance. On utilise également des transformateurs de tension. Dans ce dernier cas, le «générateur homopolaire» 5 peut assurer l alimentation des circuits de mesure et de protection. Le dispositif peut comporter un tertiaire couplé en étoile pour alimenter les auxiliaires. EDF déconseille cette solution. 5 Cette appellation est normalement attribuée à tous les dispositifs chargés de créer un point neutre artificiel. 9

10 Les impédances de compensation Principe Le principe de la bobine d extinction a été présenté par le Professeur PETERCEN au début du 20 éme siècle. Elle est constituée d inductances accordées au capacitif du réseau et associées à une résistance de forte valeur. A l accord, l impédance homopolaire du réseau est fixée par la valeur de la résistance. Le courant de Bobine Alstom défaut est alors très faible (15 à 40 A). Sous réserve d être convenablement accordée au capacitif homopolaire du réseau, une bobine d extinction, par son action sur l amplitude du courant de défaut, assure les fonctions suivantes : Elle transforme certains défauts fugitifs en défauts auto extincteurs. Elle réduit les montées en potentiel des prises de terre Le comportement du réseau dont le neutre est compensé est très proche de ceux exploités avec un neutre isolé. La mise en œuvre d une bobine d extinction doit être associée à un plan de protection comportant des relais de puissance active homopolaire (PWH), spécifiés pour les réseaux compensés. On complète le dispositif par des relais à maximum de tension homopolaire dont le rôle est de détecter les défauts résistants. Constitution Le point neutre artificiel est créé par une bobine zigzag. L inductance de réglage est constituée d une combinaison de quatre gradins commandés par un automate, lui même piloté par un système d accord. L insertion d une résistance de forte valeur en parallèle sur l inductance de réglage permet d injecter une composante active injectée dans le circuit homopolaire qui est détectée par le plan de protection constitué de relais PWH. Réalisation à partir de la documentation aimablement fournie par la Société ALSTOM à Petit Quevilly. Sur les réseaux 20 kv Français fonctionnant avec un neutre compensé, la valeur du courant de défaut est limitée à 40 A avec une composante active supérieure à 20 A. Pour atteindre ces objectifs, la valeur de la résistance est environ de 600 Ω, le désaccord est alors limité à 35 A. 10

11 Les plans de protection Ils doivent respecter les principes généraux suivants: Afin de préserver la sécurité des personnes et l intégrité des matériels électriques, tout défaut intervenant sur un élément du réseau ou raccordé à celui-ci doit être détecté rapidement et éliminé par le plan de protection. Pour répondre aux obligations de continuité de la fourniture d énergie électrique, le processus d élimination du défaut doit respecter les principes de sélectivité. Les usagers et les processus industriels doivent bénéficier à tout moment des services définis d une manière contractuelle et réglementaire 6. La définition d un plan de protection doit être étudié en cohérence avec le régime de neutre. A titre indicatif, les critères de détection des défauts à la terre sont résumés dans le tableau cidessous. Régime de neutre Max Ur Max Ir Critères de détection des courts-circuits monophasés Max Pr Max Qr Max Sr ϕ Mini Z Mini X Max Ir ϕ I Ir Isolé *** ** * (étude) Direct *** *** *** *** *** *** *** Impédant R+jX ** *** ** *** *** *** * (étude) ** Impédant jx * (étude) Compensé ** *** *** *** *** * (étude) ** Existe-t-il un bon régime de neutre? La réponse est complexe. Pour s en convaincre, il suffit d assister à une réunion d experts sur le sujet. «S il y avait un régime de neutre autorisant un faible investissement, un coût réduit d exploitation et une excellente qualité de service, on le saurait». On peut cependant émettre les opinions suivantes: Sur les réseaux présentant un faible capacitif homopolaire, l utilisation du neutre isolé apporte une bonne qualité de service mais pose le problème de la sélectivité du plan de protection. Le neutre compensé offre une bonne qualité de service, le plan de protection est sélectif mais onéreux à réaliser. Le coût des accessoires pour l exploitation du réseau est important. Sur ces réseaux, le niveau des surtensions dynamiques est maximal. Les équipements doivent absolument être isolés en mode commun pour la tension composée. Sur les réseaux dont le neutre est relié directement à la terre, le niveau des surtensions dynamiques est maîtrisé (F 3). L isolement en mode commun des équipements peut être réduit. Ces réseaux sont bien adaptés à l alimentation des charges monophasées lorsque le neutre est distribué. Les plans de protection sont simples et sélectifs. La détection des défauts résistants est par contre difficile à obtenir. La qualité de service est mauvaise, elle nécessite une mise en œuvre soignée et coûteuse des circuits et des prises de terre. 6 Les services essentiels concernent la qualité de service, le régime de neutre, le plan de tension, la puissance de court-circuit, la pureté de l onde électrique, etc. 11

12 Le neutre impédant cumule les inconvénients. Il permet cependant de maîtriser les montées en potentiel des prises de terre et de limiter les tensions de pas et de contact tout en autorisant l utilisation d un plan de protection sélectif et sensible. Les régimes de neutre sur les réseaux publics Le choix du régime de neutre est conditionné par le poids de l histoire. Son évolution dépend du niveau de développement du pays, de sa géographie et de la répartition de sa population. Il arrive cependant que les influences géopolitiques fassent abstraction des critères techniques et économiques. Les erreurs peuvent alors s avérer coûteuses. On est souvent amené à examiner, à titre de comparaison, le comportement des réseaux actuellement exploités dans le monde par les différentes compagnies d électricité. On découvre alors que quelque soit leur régime de neutre, ces réseaux fonctionnent à peu près correctement. Aujourd hui, la tendance est la suivante: Haute tension (HTB) Neutre impédant ou neutre direct à la terre Moyenne tension (HTA) Basse tension EUROPE ETATS UNIS AUSTRALIE ASIE AFRIQUE Neutre impédant ou compensé Neutre direct à la terre Selon influences Neutre direct à la terre Quelques pays exploitent encore des réseaux HTA à neutre isolé:italie, IRLANDE, RUSSIE, JAPON, ALLEMAGNE En GRANDE BRETAGNE les réseaux HTA sont exploités avec des neutres directs à la terre ou faiblement impédant. Sur les réseaux HTA ALLEMAND, la pratique est la suivante: 10kV 20kV 30kV Neutre isolé 9,6% km 655 km 1052 km Neutre compensé 85,7% km km km Neutre impédant 4,7% km 3988 km 11 km Certaines compagnies d électricité ALLEMANDE réfléchissent cependant à l opportunité de passer au neutre faiblement impédant sur des réseaux de câbles vieillissants. Actuellement, les réseaux HTA FRANCAIS sont essentiellement exploités avec un neutre impédant et résistif. Afin de répondre aux exigences de qualité et de sécurité, EDF entreprend la migration des réseaux ruraux vers le neutre compensé. Les démarches initiées par la FRANCE et certaines compagnies ALLEMANDES peuvent paraître contradictoires. Elles s expliquent cependant par l histoire et la constitution de leurs réseaux HTA. «En ALLEMAGNE, les réseaux HTA essentiellement souterrains commencent à vieillir. La réduction de l impédance homopolaire permettrait de réduire les contraintes diélectriques et donc de différer le renouvellement des câbles vétustes. En FRANCE les réseaux HTA, constitués de lignes aériennes et de câbles souterrains, ont été nettement améliorés ces dernières années. La part croissante du câble provoque une augmentation sensible des courants de défaut à la terre et par là même, des montées en potentiel des prises de terre difficilement maîtrisables dans le régime actuel.». 12

13 Dans quelques dizaines d années, l exploitant Français devra peut-être migration de son régime de neutre vers un régime faiblement impédant. réfléchir à une 13