Atténuation des surtensions dans les postes de transformation haute tension par l emploi des parafoudres ZnO

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1 4h Ieraioal Coferece o Compuer Iegraed Maufacurig CIP November 2007 Aéuaio des suresios das les poses de rasformaio haue esio par l emploi des parafoudres ZO Samir BEDOI Abdelhafid BAYADI Laboraoire d Auomaique, Dépareme d Elecroechique. Faculé des scieces de l igéieur, iversié FEHAT Abbas de Séif bs_1182@yahoo.fr a_bayadi@yahoo.fr ésumé Les suresios de foudre so les plus difficiles e les plus coraigaes que subisse les poses de rasformaio à cause de la fréquece élevée mise e jeu. L éude préseée cocere la simulaio des suresios dues à des coups de foudre direcs sur des modèles de liges réelles. Pour ore objecif, u des aspecs les plus imporas es de cosidérer les caracérisiques dyamiques des parafoudres à oxyde méallique ZO. Pour cela le modèle IEEE do les paramères dépede de la fréquece es uilisé pour évaluer la proecio core les suresios de foudre das u schéma comple riphasé d'u pose de rasformaio. L ATP-EMTP es uilisé à ce effe. Mos Clés ATP-EMTP, Modèle IEEE, Suresios, Foudres, Parafoudre ZO, Pose de rasformaio. I. INTODCTION Les sysèmes d éergie élecrique peuve êre assujeis à des suresios de oue aure. Ces suresios so rès dagereuses das la mesure où elles cause des dégâs imporas au iveau de l isolaio des liges de rasmissio e au iveau des équipemes cosiuas le sysème d éergie élecrique. Par sui la écessié de se proéges core ces suresios es idispesable. Pour cela, il fau uiliser des moyes de proecios rès performas e fiables.chose qui es pas facile à aeidre e il a fallu des déceies pour arriver au moye le plus uilisé acuelleme qui es le parafoudre a base d oxyde de zic [1]. Das le raspor d éergie élecrique les chercheurs o éé oujours cofroés à la foudre qui es u phéomèe perurbaeur impora sur la gamme de puissace e ous les iveaux de esio. O uilise des modèles pour évaluer la proecio core les suresios de foudre das u schéma comple riphasé d'u ouveau pose de rasformaio complexe opéraioel de la régio de Séif. Le coup de foudre es soi direc s il ombe direceme sur u coduceur de phase ou idirec s il ouche le pylôe ou le câble de garde. Das la présee éude o s iéresse au premier ype de coup de foudre. Nore ravail a éé éabli à parir d ue éude réelle sur le pose de rasformaio opéraioel de la régio de Séif. Il es modélisé par u schéma comple riphasé aisi que ous les élémes coecés aux jeux de barre, les simulaios so répèes pour plusieurs posiios du parafoudre e iclua le cas de l absece de celui ci. Les suresios résulaes e plusieurs pois fodameaux so eregisrées e préseés. II. MODELISATION DES ELEMENTS D SYSTEME ELECTIAQE A. Modèle IEEE du parafoudre Plusieurs ravaux avaie représeé les parafoudres à oxyde méalliques seuleme par leurs caracérisiques saiques oliéaires (-I). Das ce modèle (IEEE WG ) [2].La caracérisique -I es représeée par u ombre arbiraire de segmes expoeiels où l'équaio de chaque segme es défii par: q v i = p ref (1) Avec i, v : Coura e esio du parafoudre respeciveme; p, q e ref : so des cosaes propres de l'appareil. Cepeda, l aalyse des doées collecées sur les caracérisiques des parafoudres à oxyde méallique idique que ces appareils avaie aussi des caracérisiques dyamiques (figure 3), rès imporas lorsqu il s agi des éudes de foudre ou d aures odes à fro rapide, e que l'uilisaio de ce modèle 'es pas adéquae pour ce gere de coraies [3]. Pour eir compe de la fréquece u des modèles proposés das la liéraure peu êre uilisé [4]. Ce modèle es illusré das la figure 1.

2 4h Ieraioal Coferece o Compuer Iegraed Maufacurig CIP November 2007 Les élémes A 0, A 1 peuve êre modélisées das l EMTP avec des équaios expoeielles esimées à parir des pois de esio-coura das la figure 2. La esio de décharge es obeue par l'applicaio de la formule (7) pour chacu des pois de (-I) des résisaces o liéaires[2]. ( k ) [ A ( i )] [ ] La décharge La esio e pu pour 0 * = (7) Avec: 10 : esio de décharge pour ue ode d'u coura de 10kA, 8/20 µs. A 0 (i) : ésisaces o liéaires. Fig.1. Modèle de IEEE. Das ce modèle la caracérisique o liéaire (-I) du parafoudre es préseée deux secios o liéaires séparées par u filre -L, pour les coraies lees, l'impédace des filres -L es exrêmeme faible e par suie les résisaces du modèle so praiqueme coecées e parallèle. Cepeda, pour les odes rès rapides l'impédace des filres -L devie plus imporae e de ce fai les couras à haue fréquece so forcés par les filres -L à circuler plus das la secio désigée par A 0 que das la secio désigée par A 1. La déermiaio des paramères du modèle se fai comme suiva la procédure de la référece [2]. e première esimaio des paramères du circui es faie e uilisa les équaios suivaes : L 1 = 15. [ µ H ] (2) 1 = 65. [ Ω ] (3) L 0 = 0, 2. [ µ H ] (4) 0 = 100. [ Ω ] (5) C = 100. [ pf ] (6) Où : es la logueur oale de parafoudre à oxyde méallique e mère. : es le ombre de coloes e parallèle des parafoudres à oxyde méallique. L 0 : représee l iducace associée avec le champ magéique das le voisiage immédia des parafoudres. 0 : la résisace uilisée pour sabiliser l iégraio umérique. C : représee la capacié oale du parafoudre. olage [p.u] A0 A1 1.0E-5 1.0E Curre [ka] Fig.2. C caracérisique saique des élémes o liéaires. Ces formules fourisse u bo poi de dépar pour choisir les meilleures valeurs des paramères du circui équivale. Il fau oé que le modèle es rès sesible à la variaio de L 1 alors que les aures paramères o qu ue ifluece miime. E résumé o pourra uiliser la procédure suivae pour choisir les paramères du modèle : 1. dériver les paramères iiiaux pour L 0, 0, L 1, 1, C, e les caracérisiques o-liéaires A 0 e A 1 e uilisa les formules précédemme défii. 2. les caracérisiques des résisace o-liéaires A 0 e A 1 pour obeir ue adéquaio avec la esio de décharge associée à u choc de maœuvre. 3. O règle la valeur de l iducace L 1 afi d obeir ue adéquaio avec la esio de décharge associée à des couras de décharge e ode 8/20µs. La figure 3 doe u exemple du comporeme dyamique des parafoudres ZO.

3 4h Ieraioal Coferece o Compuer Iegraed Maufacurig CIP November 2007 Ces élémes e fo pas parie iégrae du modèle de la lige e peuve êre crée e les représea par le modèle muliéages (figure 4) [5]. Ce modèle es adopé par plusieurs chercheurs [6] [7]. Das ce modèle, chaque roço de pylôe es modélisé par ue lige moophasée e série avec u filre -L. Les jeux de barres omibus so de ype AGS. D ue faço géérale, ils so réalisés e alliage d alumiium AGS 200 / 184 (diamère exérieur diamère iérieur e mm mm) qui coie, oure l alumiium, 0,6 % de silicium e 0,7 % de magésium. Ils so représeés par des roços de liges ype Clark riphasées. Le schéma riphasé comple de ce pose es implaé das l EMTP selo la figure 5. Fig.3. Caracérisique dyamique du parafoudre. B. Modèle des élémes du sysème élecrique cosidéré. Das la simulaio ue des liges aériees coecée au pose es cosidérée comme foudroyée. Cee lige es représeée par des modèles muli-phases e cosidéra la aure disribuée de ses paramères e leur dépedace e focio de la fréquece. Le modèle JMATI es choisi das ce cas. Les coduceurs de phase e les câbles de garde so explicieme modélisés ere les pylôes e seuleme quelques porées so cosidérées. Les doées écessaires au modèle de la lige so la cofiguraio géomérique des coduceurs, leurs diamères, géoméries des faisceaux, ec. La lige es cosidérée de logueur ifiie du coe opposé. Cela éviera les réflexios aux exrémiés de la lige. Le modèle à paramères disribués cosas ype K., C., Lee es uilisé pour les aures liges. Les paramères de la lige so calculés par le sous-programme LINE CONSTANTS de l'emtp e iroduisa les doées géomériques de la lige. Les pylôes qui pore les câbles de garde e les coduceurs de phase par les isolaeurs peuve êre des pylôes : d'arrê qu'o rouve juse à la sorie du pose, le coduceur de phase es poré par deux chaîes d'isolaio e forme de chapeau, les deux paries du coduceur so reliées par ue breelle qui assure la liaiso élecrique. d'aligeme uilisé das la parie de la lige de raspor sas agle. La phase es porée par ue seule chaîe d'isolaio moée vericaleme. d'agle uilisé das la parie où il es écessaire de chager la direcio de la lige. Le coduceur de phase es poré par deux chaîes d'isolaio. Fig.4. Modèle muliéage du pylôe uilisé. Pour la lige moophasé o irodui la viesse de propagaio de l ordre m/s. E les impédaces Z 1, Z 2 e Z 3 so prises égales à 220Ω, 220Ω, e 150 Ω respeciveme. Les élémes des filres peuve êre déermiés de la maière suivae : Pour les résisaces : e i 2Zi l γ = hi h1+ h 2 (i=1, 2) (8) 3 = 2Z 3 l γ (9) Avec : γ : Coefficie d aéuaio sa valeur peu êre prise égale à 0.8. i : Les résisaces des roços e [ohm]. Pour les iducaces : α i 2H L i = (i =1 à 3) (10) Avec L i : Les iducaces des roços e [mh]. : iesse de propagaio. α : Coefficie d amorisseme peu êre pris égal à l uié.

4 4h Ieraioal Coferece o Compuer Iegraed Maufacurig CIP November 2007 i H 0.46 km 0.3 km 0.37 km 0.45 km 0.31 km + f - + f - + f - Fig.5. Modèle d u pose de rasformaio implaée das l EMTP III. ESLTATS DE SIMLATION ET DISCSSION Avec le programme digial EMTP des réseaux complexes e des sysèmes de commades e de corôle de srucure arbiraire peuve êre simulés. L'EMTP es u ouil souhaiable pour l'aalyse des suresios de foudre das les poses de rasformaios e les éudes de coordiaio des isolemes. modèle comple du sysème ous perme d'aalyser le problème de la proecio core les suresios d'u pose de rasformaio das sa complexié. Cee éude a pour bu esseiel d évaluer e premier lieu les coraies e esio das le pose de rasformaio e absece des parafoudres e d éudier e secod lieu, le cas de leur présece e explicia l effe du coura de foudre (ampliude, emps de fro), l effe de la disace de proecio. Le choc de foudre es représeé par ue source de coura de forme d'ode 1/50µs frappa u coduceur de phase de la lige cosidérée. A. Coraies subies par le pose de rasformaio Das le cas sas e avec parafoudre e e faisa varier l ampliude du coura de foudre de 10 à 18 ka, ous pouvos facileme voir que l'ampliude du coura de foudre egedre des suresios de plus e plus dagereuses (figure 6). Les résulas de simulaio morés das la figure 7 idique que l'ampliude du coura de foudre affece la disribuio des suresios das le pose de rasformaio. De plus les résulas more que les parafoudres focioe correceme e réduisa les esios aux bores des deux rasformaeurs. Le comporeme dyamique des parafoudres doi êre pris e cosidéraio das le bu de prédire correceme les esios aux bores des différes équipemes du pose e pariculièreme ceux do l isolaio es o auo-regéérarice el que les rasformaeurs. Le emps de moée T f de coura iflue d ue maière remarquable sur les esios des deux rasformaeurs; la forme d ode choisie es T f /50 µs où T f es variée ere 2 e 10 µs. Toues les liges so maieues coecées. O observe que les coraies de foudre avec des emps de fro rapide so les plus coraigaes pour le maériel du pose (figure 8 e 9). Suresios [k] Erée Trasformaeur 1 Trasformaeur ,0 14,0 16,0 18,0 Ampliude du coura de foudre [ka] Fig.6. L effe de l ampliude du coura de foudre (sas parafoudre).

5 4h Ieraioal Coferece o Compuer Iegraed Maufacurig CIP November 2007 Suresios [k] Erée Trasformaeur 1 Trasformaeur 2 B. Performace de proecio des parafoudres ZO L espace dispoible das le pose éudié es de 27.5m selo le pla de masse. La posiio des parafoudres par rappor aux rasformaeurs peu êre varié ere 3 e 24m. Les résulas de simulaio obeus so morés das la figure 10. Ces résulas more que cee disace joue u rôle rès impora das la qualié de proecio. E effe, les parafoudres doive êre isallés le plus proche possible des rasformaeurs pour balacer parfaieme les pics des suresios à des iveaux favorableme bas. La figure 11 doe u exemple des formes d ode obeues. 8,0 1 12,0 14,0 16,0 Ampliude du coura de foudre [ka] Fig.7. L effe de l ampliude du coura de foudre (avec parafoudre). 200 Erée Tasformaeur 1 Tasformaeur Erée Trasformaeur 1 Trasformaeur 2 Suresios [k] 120 Suresios [k] 120 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0 Disace de proecio [m] Fig.10. L effe de la disace de proecio. 2,0 4,0 6,0 8,0 1 Temps de fro [µs] Fig.8. L effe du emps de fro du coura de foudre (sas parafoudre). 120 Erée Trasformaeur 1 Trasformaeur Erée Trasformaeur 1 Trasformaeur 2 Suresios [k] Suresios [k] Temps [µs] 2,0 4,0 6,0 8,0 1 Temps de fro [µs] Fig.11. Exemple de forme d ode de la phase A pour le cas de parafoudre au iveau du rasformaeur. Fig.9. L effe du emps de fro du coura de foudre (avec parafoudre).

6 4h Ieraioal Coferece o Compuer Iegraed Maufacurig CIP November 2007 I. CONCLSION Cee éude a préseé ue aalyse de la proecio d u pose de rasformaio core les suresios suie à des coups de foudres direces oucha u des câbles de phase. e première ivesigaio avai pour bu de recoaîre les coraies subies par le pose e absece de proecio. Cee derière a révéler que des coraies imporaes peuve uire aux bo focioeme du pose e à la coiuié de service. Il es moré das ue secode ivesigaio qu ue proecio efficace e coveable exige que le parafoudre soi isallé le plus proche du rasformaeur. Nous aoos à la fi qu u ravail es e cours pour réaliser ue opimisaio du ombre e de l emplaceme des parafoudres ZO. Cela coduira écessaireme à ue répariio opimale e uiforme des esios de ous les pois fodameaux du pose de rasformaio. EFEENCES [1] Caalogue sur les parafoudres SIEMENS.2000 [2] IEEE Workig Group , Modellig Of Meal Oxide Surge Arresers, IEEE Trasaios o power Delivery, ol 7, 1, 1992, pp [3] Bayadi A., Harid N., Zehar K., ad Belkhia S., Simulaio of meal oxide surge arreser dyamic behaviour uder fas rasies, Proceedig Ieraioal Coferece o Power Sysems Trasies, New Orleas, SA, [4] W. Schmid ad K. Feser, Behaviour of MO surge arresers blocks o fas rasies, IEEE Trasacios o Power delivery, vol. 4, No. 1, Jauary 1989, pp [5] T. Yamada e al, experimeal evaluaio of a H ower model for lighig surge aalysis, IEEE rasacios o power delivery,vol.10, 1,jauary 1995, pp [6] J. A. Tarchii ad W. Gimeez, lie surge arreser selecio o improve lighig performace of rasmissio lies, IEEE Bologa powerech coferece, Bologa,Ialy, jue 23-26,2003. [7] Masaru Ishii e al, Mulisory rasmissio ower model for lighig Surge aalysis IEEE Trasacios o Power Delivery,vol 10, 1,17, pp