OUTILS D ANALYSE DES PERTURBATIONS AFFECTANT LE RESEAU ELECTRIQUE

Transcription

1 EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH ORGANISATION EUROPÉENNE POUR LA RECHERCHE NUCLÉAIRE CERN - ST Division ST-Note janvier 2002 OUTILS D ANALYSE DES PERTURBATIONS AFFECTANT LE RESEAU ELECTRIQUE A. Funken Résumé Une brève description des diverses perturbations qui peuvent affecter les réseaux et installations électriques est présentée. Sont ensuite décrits les principaux moyens mis en œuvre au CERN pour surveiller le réseau et les installations électriques, tant au niveau de la distribution 18 kv que de la basse tension, et permettre l identification et la localisation de la perturbation à l origine d un événement : le système SCADA de supervision électrique et les oscilloperturbographes. Finalement, leur utilisation pour le diagnostic et l analyse d événements est illustrée au travers d un cas concret. Présenté au 5 ème ST Workshop Echenevex, France, janvier 2002

2 1 INTRODUCTION Une brève description des diverses perturbations pouvant survenir sur un réseau électrique est présentée. Ces perturbations pouvant engendrer le dysfonctionnement voire l arrêt d un équipement, il est nécessaire de surveiller le réseau en permanence afin de les identifier et de les localiser. A cette fin, les différents sites du CERN sont équipés d appareils permettant de détecter et d enregistrer les événements et d en déterminer l origine. L historique d un événement peut alors être établi et des remèdes apportés. Sont ensuite décrits les principaux moyens mis en œuvre au CERN pour surveiller le réseau électrique, tant au niveau de la distribution 18 kv que de la basse tension : le système SCADA de supervision électrique et les oscilloperturbographes. Le service électrique dispose également de divers équipements portatifs d analyse, parmi lesquels les analyseurs d harmoniques, oscilloscopes et enregistreurs d événements de tension de type Fluke VR101S, ceux-ci ne sont pas développés dans le cadre de cet article. Finalement, l utilisation du SCADA électrique et des oscilloperturbographes pour le diagnostic et l analyse d événements est illustrée au travers d un cas concret. 2 LES PETURBATIONS ELECTRIQUES ET LEURS EFFETS Il s agit de perturbations conduites à basse fréquence (< 9 khz) affectant l alimentation électrique. Elles peuvent être classifiées comme suit : 2.1 Les creux de tension Un creux de tension est une baisse brutale de la tension en un point du réseau d énergie électrique à une valeur comprise entre 90 % et 1 % de la tens ion nominale suivie d un rétablissement de la tension après un court laps de temps compris entre 10 ms et une minute (EN 50160). Les creux de tension sont principalement causés par la commutation de charges de forte puissance (transformateurs, moteurs, condensateurs) ou par des défauts de type court-circuit sur le réseau de transport (HT), de distribution (MT ou BT) ou sur l installation elle -même. 2.2 Les coupures Les coupures sont un cas particulier de creux de tension. La tension baisse à une valeur supérieure à 99 % de la tension nominale. On distingue les coupures longues d une durée supérieure à 3 minutes et les coupures brèves qui sont de durée inférieure à 3 minutes. Les coupures longues et brèves sont dues à des défauts de type court-circuit, surcharge, déclenchement intempestif. Les coupures longues sont le résultat de l isolement définitif d un défaut permanent par les dispositifs de protection. Les coupures brèves résultent du fonctionnement des automatismes du réseau, tels que les réenclencheurs (défaut fugitif), les permutations de transformateurs ou de lignes. 2.3 Les surtensions Une surtension est une tension supplémentaire qui vient se superposer à la tension normale. Les surtensions peuvent être temporaires à fréquence industrielle dues notamment à un défaut d isolement en régime de neutre impédant ou au phénomène de ferrorésonance. Ou elles peuvent être transitoires. On distingue les surtensions transitoires de manœuvre dues à la commutation d appareillages électriques (onde oscillatoire amortie) et d origine atmosphérique due à la foudre (onde impulsionnelle apériodique). 2.4 Les variations et fluctuations de tension Les variations de tension sont des variations dont la valeur est inférieure à 10 % de la tension nominale. Les fluctuations de tension sont une suite de variations de tension. 2

3 Les fluctuations de tension sont principalement dues à des charges industrielles rapidement variables comme les machines à souder et les fours à arc. Le principal effet des fluctuations de la tension est la fluctuation de la luminosité des lampes, dénommé effet flicker ou papillotement Variations de fréquence La périodicité de la sinusoïde n est plus constante. Les variations de fréquence sont très faibles (< 1%) au sein des grands réseaux interconnectés européens et ne causent aucun préjudice aux équipements électriques ou électroniques. Les variations de fréquence du réseau électrique sont essentiellement dues à la production d énergie électrique par un groupe électrogène dont la vitesse n est pas constante. C est notamment le cas lorsque la charge varie. 2.6 Déséquilibres de tension Un système triphasé est déséquilibré lorsque les trois tensions ne sont pas égales en amplitude et/ou ne sont pas déphasées les unes par rapport aux autres de 120 degrés. Les déséquilib res de tension résultent de l alimentation de charges déséquilibrées telles que les charges monophasées de forte puissance. 2.7 Les harmoniques Les harmoniques sont des tensions multiples de la fréquence de base 50 Hz qui viennent se superposer sur la sinusoïde pour la déformer. Ces harmoniques proviennent principalement de charges non linéaires dont la caractéristique est d absorber un courant qui n a pas la même forme que la tension qui les alimente : convertisseurs de puissance, lampes fluorescentes, ordinateurs et imprimantes. Ces courants harmoniques circulant à travers les impédances du réseau créent des tensions harmoniques qui peuvent perturber le fonctionnement des autres utilisateurs raccordés à la même source. 2.8 Effets des perturbations sur les charges Les récepteurs raccordés au réseau électrique ont des niveaux de sensibilité différents vis-à-vis des perturbations conduites à basse fréquence. Il est donc important de connaître leur courbe de tolérance. A titre d exemple, les équipements informatiques sont sensibles aux creux de tension dont l amplitude est supérieure à 10 % de la tension nominale alors que la plupart des moteurs, du fait de leur inertie, offre une bonne immunité aux creux de tension. La norme IEC définit trois catégories d environnements électromagnétiques susceptibles d être rencontrées dans les installations industrielles. Les équipements doivent être choisis de façon à fonctionner correctement dans un environnement donné. 3 OUTILS D ANALYSE D EVENEMENTS DONT LE CERN DISPOSE Les outils d analyse principaux sont au nombre de deux : le système SCADA de supervision électrique et les oscilloperturbographes. Ces outils permettent notamment d établir l historique d un événement ayant affecté le réseau électrique, d en déterminer l origine et d apporter des améliorations. 3.1 SCADA électrique Le SCADA électrique permet de collecter les événements détectés au niveau des divers équipements électriques surveillés (changements d état, alarmes, déclenchements) et leur archivage sur différents servers au travers de bus de terrain, réseaux Ethernet et FDDI. Depuis 1999, le système développé par le CERN pour le LEP est progressivement remplacé par un système SCADA industriel. 3

4 3.2 Enregistreurs de perturbations ou Oscilloperturbographes Oscillostores Il s agit d équipements qui permettent l enregistrement de signaux analogiques et d états logiques en vue de l analyse de phénomènes survenant sur le réseau électrique. Ces enregistreurs sont constitués de modules de saisie analogiques ou binaires. La fréquence de scrutation maximum de 5 khz par voie assure une résolution temporelle élevée. Actuellement, le service électrique dispose de sept oscillostores installés aux points 1, 2, 4, 6 et 8 du LHC, au bâtiment électrique de Prévessin (BE) et à la sous -station principale Jura de Meyrin. Ces équipements, de générations différentes, communiquent avec des PC d évaluation pour permettre le stockage et le traitement des données enregistrées. L enregistrement des signaux - courants, tensions ou états (On, Off, ) démarre lorsque l un des seuils préalablement définis est dépassé. Après le déclenchement de la saisie, les données correspondant à l évolution du défaut sont stockées dans la mémoire de l oscillostore avec la date et l heure, ainsi qu une période précédant et suivant l apparition de l événement. Deux modes de représentation des signaux enregistrés existent : valeur instantanée et sous forme d enveloppe, mode dans lequel la valeur efficace du signal est affichée avec le temps de moyennage. Les enregistreurs de perturbations de type oscillostore présentent les possibilités suivantes : - Saisie des signaux décentralisée et possibilité d évaluation centralisée bien que les oscillostores soient de générations différentes. La mise en réseau de l ensemble des oscillotores en vue de la centralisation des données a fait l objet d une étude qui est en attente de financement. Cette mise en réseau conduira à une utilisation plus optimale des oscillostores. - Surveillance du réseau de distribution 18 kv et du réseau basse tension. - Equipements dédiés à l enregistrement et l évaluation de perturbations. - Extension du nombre de signaux surveillés par un même équipement. Les oscillostores ne sont actuellement pas intégrés dans le SCADA électrique. Seules deux informations relatives à leur état sont transmises : oscillostore hors service, mémoire pleine. En outre, les PC d évaluation ne sont pas connectés au réseau informatique du CERN. La communication est réalisée soit par des liaisons dédiées, soit par le réseau téléphonique Fonction oscilloperturbographie des Sepam Les Sepam sont des équipements numériques qui assurent les fonctions de relais de protections, de contrôle/commande et de mesures. Ils disposent également d une interface de communication. La dernière génération, disponible depuis 1999, intègre en outre la fonction oscilloperturbographie. Ces équipements, chacun associé à un disjoncteur, sont utilisés en moyenne tension (18 kv et 3.3 kv) pour notamment assurer la protection de l appareillage constituant le réseau électrique : transformateurs, câbles, jeux de barres, moteurs et redresseurs. L enregistrement est constitué des valeurs échantillonnées sur les différents signaux, de la date et des caractéristiques des voies enregistrées. Le transfert des données enregistrées par le Sepam peut se faire localement, à l aide d un PC muni du logiciel adéquat, ou à distance. La reconstitution des signaux à partir d un enregistrement - visualisation des formes d ondes - nécessite un logiciel spécifique. La fonction oscilloperturbographie présente les caractéristiques suivantes : - Fonction intégrée dans les relais de protections numériques des réseaux de distribution 18 kv et 3.3 kv. - Possibilité de télécharger, via le SCADA électrique, les fichiers du Sepam qui contiennent les événements enregistrés. Chaque Sepam peut mémoriser un maximum de deux événements. La visualisation des formes d ondes n est pas, quant à elle, intégrée dans le SCADA électrique. 4

5 Les équipements Sepam, multifonctions et liés à un seul départ électrique moyenne tension, sont complémentaires des oscillostores. 4 EXEMPLE L utilisation des outils d analyse d événements décrits au 3 est illustrée au travers d une perturbation survenue le 2 juin 2001 qui a eu comme conséquence la mise hors tension des sites de Meyrin et du LHC Informations disponibles Un extrait de la liste des alarmes équipements fournie pas le SCADA électrique est donnée à la fig.1. SITE SYSTEME EQUIPEMENT SIGNAL ETAT DATE, HEURE BEH9 Depart 66kV EHD2101/9E I >> haut Normal -> Declenchement 2/6/2001 9:59:45 BEH9 Depart 66kV EHD2101/9E ST/C. I>> Normal -> Starting contact 2/6/2001 9:59:45 BEH9 Depart 66kV EHD2101/9E ST/C. I>> Starting contact -> Normal 2/6/2001 9:59:45 SE18 18KV s-g EMD101/E18 ST/C. I>> I0 Normal -> Starting contact 2/6/2001 9:59:46 SE18 18KV s-g EMD101/E18 ST/C. I>> I0 Starting contact -> Normal 2/6/2001 9:59:46 SE18 18KV s-g EMD106/E18 ST/C. I>> I0 Normal -> Starting contact 2/6/2001 9:59:46 SE18 18KV s-g EMD106/E18 ST/C. I>> I0 Starting contact -> Normal 2/6/2001 9:59:46 SE18 18KV s-g EMD106/E18 max Io Normal -> Declenchement 2/6/2001 9:59:46 SE18 18KV s-g EMD106/E18 Disj.position ON -> Invalid 2/6/2001 9:59:46 SE18 18KV s-g EMD106/E18 Disj.position Invalid -> OFF 2/6/2001 9:59:46 SE18 18KV s-g EMD106/E18 max I >> Normal -> Declenchement 2/6/2001 9:59:46 SEM12 18KV liaisons sites EMD701/1E Disj.position ON -> Invalid 2/6/2001 9:59:47 SEM12 18KV liaisons sites EMD701/1E ST/C. I>> I0 Normal -> Starting contact 2/6/2001 9:59:47 SEM12 18KV liaisons sites EMD701/1E ST/C. I>> I0 Starting contact -> Normal 2/6/2001 9:59:47 SEM12 18KV tabl principal EMD801/1E ST/C. I>> I0 Normal -> Starting contact 2/6/2001 9:59:47 SEM12 18KV tabl principal EMD801/1E ST/C. I>> I0 Starting contact -> Normal 2/6/2001 9:59:47 SEM12 18KV tabl-mach-sm18 EMD803/1E ST/C. I>> I0 Starting contact -> Normal 2/6/2001 9:59:48 SEM12 18KV tabl-mach-sm18 EMD803/1E ST/C. I>> I0 Normal -> Starting contact 2/6/2001 9:59:48 Fig.1 Extrait de la liste des alarmes équipements suite à la perturbation du 2/06/2001 La fig.2 indique de quelle façon les événements enregistrés par un oscillostore de type Siemens sont visualisés sur un PC d évaluation équipé du logiciel Oscop P. Pour chaque événement figurent la date et l heure de la détection, ainsi que ses caractéristiques. Fig.2 - Liste des événements mémorisés par l oscillostore Siemens P531 de la sous-station 18 kv Jura La représentation de la valeur instantanée des tensions simples d un des jeux de barres 18 kv de la sous-station Jura est donnée fig.3. 5

6 Fig.3 Représentation des valeurs instantanées des tensions simples du jeu de barres 18 kv EMD3*9 4.2 Analyse des événements Sur base des différentes informations disponibles, il a été possible de reconstituer l historique de la perturbation : - Dépouillement des alarmes équipements enregistrées par le SCADA électrique : Défaut phase/terre des extrémités 18 kv dans la cellule EMD106/E18 dégénérant en court-circuit triphasé 18 kv. Déclenchement par protection surintensité phase de la ligne 66 kv alimentant le LHC1 et le site de Meyrin. - Les enregistrements de l oscillostore de la sous-station Jura ont permis de confirmer qu un défaut phase/terre a eu lieu. Ces enregistrements ont permis également d établir qu il s agit d un défaut franc à la terre de la phase S, suivi d un défaut triphasé. 4.3 Mesure prise à l issue des événements survenus La perturbation provient d une mauvaise mise en oeuvre des extrémités 18 kv. Cela a donné lieu à une campagne de remplaceme nt de toutes les extrémités 18 kv du même type ayant été installées au CERN. 6