Le plan de protection coordonné

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1 RACCORDEMENT D UN RESEAU INDUSTRIEL SUR UN RESEAU DE DISTRIBUTION PUBLIQUE HTA Le plan de protection coordonné Michel Lambert 06/01/2007 1

2 LE CONTEXTE...3 Architecture d un raccordement...4 Le plan de protection coordonné...4 DEFINITION D UNE PROTECTION C La détection des défauts polyphasés...5 La définition des transformateurs de courant...5 La détection des défauts à la terre...6 La sélectivité...7 DEFINITION DE LA PROTECTION DE DECOUPLAGE...7 La détection des défauts à la terre...7 La détection des défauts polyphasés...8 La sélectivité...8 La détection de la marche en la marche en réseau séparé...9 DEFINITION DE LA PROTECTION DU DEPART «AUTO-PRODUCTEUR»...11 Le contexte des réseaux Français...11 La détection des défauts polyphasés...11 La définition des TC...12 La détection des défauts à la terre...12 La sélectivité...12 Document de synthèse du stage «raccordement d un réseau industriel» Réalisé par Michel LAMBERT Michel Lambert 06/01/2007 2

3 Le contexte Avec l ouverture des marchés de la distribution de l énergie électrique, la qualité du produit électricité et des services associés, est devenue l élément essentiel de la concurrence. Les gestionnaires des réseaux publics doivent s adapter aux exigences de leurs clients et des autorités concédantes. Pour cela, ils doivent exploiter en cohérence les réseaux dont ils ont la charge en tenant particulièrement compte des exigences de qualité et de sécurité. La qualité du produit électricité fait l objet d engagements contractuels. Elle répond à trois critères : la pureté de l onde, les valeurs de la tension et de la fréquence, la sécurité de l alimentation et la continuité de la fourniture. Les aspects réglementaires traitent généralement de la sécurité des biens et des personnes: les régimes de neutre, les valeurs de tension de pas, de contact et de toucher, la manière d exploiter les réseaux en défaut. Le raccordement d un réseau industriel comportant des générateurs couplés au réseau peut provoquer des contraintes d exploitation et modifier la performance du réseau du distributeur. Lorsqu il s agit de raccorder un réseau industriel, on doit examiner l impact de cette installation sur le fonctionnement du système électrique du réseau public. On doit notamment étudier : les perturbations du plan de protection, la modification du profil de tension, la modification du profil de la puissance de court-circuit, l atténuation de la transmission tarifaire si le réseau est utilisé pour cela. Une convention d exploitation signée par les exploitants des différents réseaux doit fixer les obligations de chacun pour l exploitation des parties communes. Une convention de raccordement doit quant à elle, définir l interface au point de raccordement (protections, réglages, automatismes, etc.). Ce document a pour objet de présenter les dispositions générales applicables au plan de protection des réseaux Français de distribution publics HTA lorsqu il s agit de raccorder sur celui-ci un réseau industriel comportant des générateurs. Il ne remplace pas les documents de références (normes et guides techniques). Ces derniers sont étudiés d une manière plus précise dans le stage «raccordement d un réseau industriel». Documents de référence: Le Guide Technique de la Distribution B61-41 édité par EDF-GDF SERVICES traite des protections des installations de production raccordées à un réseau de distribution. Nous reprenons dans ce chapitre quelques généralités développées dans ce document. La norme C définit les conditions de mise en œuvre de la protection générale d un réseau industriel. Michel Lambert 06/01/2007 3

4 Architecture d un raccordement Groupes Réseau industriel Charges Marche anormale INTERFACE Courts-circuits Réseau de distribution publique HTA Réseau RTE Principes généraux ❶ Afin de préserver la sécurité des personnes et l intégrité des matériels électriques, tout défaut intervenant sur un élément du réseau HTA ou raccordé à celuici doit être détecté rapidement et éliminé par le plan de protection coordonné. ❷ Pour répondre aux obligations contractuelles de la continuité de la fourniture d énergie électrique, le processus d élimination du défaut doit respecter les principes de sélectivité. ❸ Les usagers des réseaux publics HTA doivent bénéficier à tout moment des services associés à la fourniture de l énergie. Le plan de protection coordonné Constitution Il met en oeuvre trois dispositifs : Les protections du réseau de distribution publique HTA équipent généralement les postes sources. La protection générale du réseau industriel raccordé au réseau de distribution publique, conformément à la réglementation est définie par la norme C Elle assure la sélectivité du plan de protection coordonné en cas de défaut d isolement sur le réseau privé. Dans le cas ou l installation comporte une source autonome, la section 435 de la norme C impose qu il soit prévu : - soit une architecture, telle que la source autonome ne puisse en aucun cas fonctionner en parallèle avec le réseau d alimentation, - soit une protection de découplage, déterminée en accord avec le Distributeur, ayant pour but d interrompre le fonctionnement en parallèle lors d un défaut sur le réseau d alimentation. Les protections des groupes n appartiennent pas au plan de protection coordonné. Elles protègent les équipements des conséquences d une avarie interne ou d un défaut sur le réseau du distributeur. Elles doivent cependant être sélectives avec le plan de protection coordonné. Mise en oeuvre Lorsqu il s agit de raccorder un réseau industriel au réseau de distribution publique, il convient d en vérifier l impact sur le fonctionnement du plan de protection du réseau HTA. Cela consiste à définir en cohérence: Les protections générales contre les courts-circuits sur les équipements du réseau industriel. Les protections de découplage suivant les recommandation du GTD B Au poste source, le réglage de la protection du départ «Auto-producteur». Michel Lambert 06/01/2007 4

5 Définition d une protection C Elle a pour rôle de détecter les courts-circuits apparaissant sur le réseau industriel et dont les effets pourraient être préjudiciables au bon fonctionnement du réseau du distributeur. La protection C doit être suffisamment sensible pour détecter la grande majorité des défauts mais être également sélective de manière à ne pas perturber le réseau public. La détection des courts-circuits est essentiellement ampèremétrique. Dans quelques cas cependant, cette détection peut être complétée ou remplacée, en accord avec le distributeur, par des relais de puissance ou de courant directionnels. La détection des défauts polyphasés La détection étant essentiellement ampèremétrique. Le réglage «Irϕ» de la protection doit respecter quatre conditions: Iccbi mini représente le courant de court-circuit polyphasé minimal. Ib est la somme des courants nominaux des transformateurs en interface avec le réseau du distributeur. Icharge est le courant maximal de charge du réseau industriel IccTri G est le courant de court-circuit maximal fourni par les générateurs dans la période transitoire (X d) La définition des transformateurs de courant On choisit des TC de classe protection 5P ** et de calibre défini en cohérence avec la valeur des charges. On définit la tension limite de fonctionnement des TC C est la F.E.M maximale fournie par le TC pour un fonctionnant spécifié. Elle est donnée par la relation Ual (V) = Icc max InsTC Ktd InpTC R La valeur de Rct, résistance interne du TC, est déterminée par le constructeur à partir des caractéristiques souhaitées. Rf est la résistance de la filerie. Re est la résistance du relais. Les régimes transitoires et la composante apériodique pourront être négligés 1, nous fixerons Ktd = 1,2. L intensité nominale du secondaire peut être fixée à 1 A ou 5 A. On privilégiera InsTC = 1 A qui, à performances égales, facilite le choix des TC. 1 On peut admettre cette approximation par le fait que les TC alimentent des protections Max de I. Michel Lambert 06/01/2007 5

6 Détermination de la puissance et du facteur limite de précision Ces deux caractéristiques sont liées par la relation Ual Flp S (VA) = Rct InsTC² InsTC S et Flp seront choisis de préférence parmi les valeurs suivantes: 5 ; 10 ;15 ; 20 ; 25 ; 30. La connaissance de la valeur de Rct est fondamentale pour la définition des TC. L étude doit être conduite en concertation avec le constructeur La détection des défauts à la terre Le neutre du réseau étant relié à la terre, la protection homopolaire est constituée d un relais de courant résiduel 2. Ce relais, appartenant à la protection C13-100, peut être alimenté de deux manières: Solution à éviter Solution préférable Dans le premier cas. Il existe des risques de fonctionnement anormaux du fait de la dispersion des caractéristiques des trois TC sur les forts courants de court-circuit. Ce risque était réel à l époque où la consommation des relais était importante. Les prescripteurs recommandaient alors de désensibiliser les protections résiduelles telle que Iro 6% In TC, la norme C évoquant, quant à elle, la règle Iro 12 % In TC. Aujourd hui, on peut considérer cette recommandation comme désuète du fait de la faible consommation des relais modernes. En outre une telle pratique a pour inconvénient de réduire fortement la sensibilité de la protection et de dégrader la sélectivité. Pour cette raison, on pourra régler la protection à la plus grande des deux valeurs ❶ Iro 6% Inp TC. ❷ Iro 1,2 le capacitif résiduel du réseau industriel. C est la solution retenue par EDF pour les réglages protections des départs au poste source On privilégiera la solution du tore homopolaire. Dans ce cas, on règlera la protection de manière à obtenir une grande sensibilité en veillant au respect de la deuxième condition. 2 Il faut noter que dans le cas d un neutre compensé, ce relais doit être remplacé par un relais de puissance résiduel (PWH) spécifié pour ce régime de neutre. Michel Lambert 06/01/2007 6

7 La sélectivité Elle est obtenue par le réglage de la temporisation qui, dans le cas d un raccordement au réseau de public, ne doit pas excéder 0,2s. t 0,2s Définition de la protection de découplage Elle est composée d une protection d exploitation et d une protection contre les courts-circuits. Sa présence est obligatoire si le réseau industriel comporte des générateurs susceptibles d être couplé au réseau de distribution publique. La détection des défauts à la terre Le réseau industriel ne participant pas à la mise à la terre du neutre du réseau public, la centrale ne peut donc pas développer de courant résiduel à travers l interface. La détection des défauts à la terre doit alors être assurée par un relais à maximum de tension résiduelle. La zone surveillée est limitée par les transformateurs encadrant le réseau de distribution. La sensibilité de la protection homopolaire est maximale lorsque la ligne alimentant le réseau industriel est séparée du réseau du distributeur et maintenu sous tension par la centrale. Le régime du neutre étant alors isolé, le Distributeur ne peut plus respecter ses engagements pour la sécurité des usagers de cette ligne. La valeur de la tension résiduelle étant sensiblement la même quelque soit l emplacement du défaut et du point de mesure, l utilisation du critère voltmétrique ne permet pas d obtenir une sélectivité naturelle. Sensibilité de la protection à maximum de tension homopolaire La valeur de la tension homopolaire au point de raccordement du réseau industriel dépend : de la puissance de court-circuit au point de défaut, de la résistance du défaut, de l impédance de mise à la terre du neutre, du capacitif homopolaire des tronçons de réseau reliés à la centrale. Dans le cas particulier d une étude, un défaut de résistance 2000Ω génère une tension homopolaire de 29 % en îloté. Dans l autre situation, la tension homopolaire est inférieure à 4 %. Dans ces conditions, un relais à maximum de tension homopolaire réglé à 4% offrira une sensibilité supérieure à 10 kω en régime îloté. Dans les mêmes conditions, cette sensibilité ne sera que de 3000 Ω pour un réglage à 20%. (Vo/Vn) % % 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Zn= 40+40jΩ 3 Ico réseau = 200 A 3Ico départ = 18 A Le départ Hôpital est ilôté Le départ Hôpital est couplé Ω Résistance du défaut Réglage de la protection à maximum de tension résiduelle. Rappelons que ces réglages sont soumis à l appréciation du distributeur. Une sensibilité trop importante risque de provoquer des découplages indésirables durant certaines manœuvres. On retiendra les valeurs suivantes : Michel Lambert 06/01/2007 7

8 Réseaux aériens ou mixtes Réseaux où les défauts résistants sont peu probables Vo 3% 5% Vn Vo 10% 30% Vn La détection des défauts polyphasés A proximité d une centrale, l utilisation du critère ampèremétrique pour la détection des défauts polyphasés n est pas recommandée. En effet, durant le défaut, la caractéristique du courant injecté sur le réseau par les générateurs, décroît fortement pour atteindre des valeurs souvent inférieures au courant nominal des machines. Icc U X''d U X'd U Xd In Subtransitoire Transitoire 60 ms t Les exploitants préfèrent donc mettre en œuvre un plan de protection utilisant le critère tension ou le critère impédance. Pour équiper les protections de découplage, EDF GDF SERVICES a retenu le dispositif triphasé comportant trois relais à minimum de tension composée. Détection voltmétrique des défauts On détecte les courts-circuits par la mesure du module des trois tensions composées. Il est alors nécessaire de prévoir trois dispositifs de mesure. On pourrait éventuellement mesurer la composante directe de tension. Le graphique ci-joint représente un courtcircuit entre les phases 1 et 2 sur le réseau public. Il montre l absence de sélectivité de la protection dans l environnement des barres au poste source (en E). On remarque également qu un défaut affectant le départ Autoproducteur (1) provoque un creux de tension Important. Variation des tensions en fonction de la position du défaut Valeurs des tension à l'interface de raccordement 120,00 % 100,00 U31 U23 80,00 60,00 Vd 2 40,00 départ Hôpital 20,00 1 U12 Départ adjacent E km 0, Distance du défaut à l'interface Réglage des relais à minimum de tension. L expérience montre que les chutes de tension provoquées par les conditions extrêmes d exploitation excèdent rarement 10%. Aussi, EDF GDF SERVICES préconise un réglage à 85 % de la tension de service au point de raccordement du réseau industriel. Ur = 85% Us La sélectivité A elle seule, la détection voltmétrique des courts-circuits ne permet pas d assurer la sélectivité du plan de protection coordonné. Aussi, s il le souhaite, l exploitant peu prévoir d associer aux relais détecteurs, une temporisation réglée à : Michel Lambert 06/01/2007 8

9 t = to + 0,5s Où «to» est la temporisation maximale retenue pour les protections de départs HTA au poste source. La détection de la marche en réseau séparé Tout système électrique doit être réglé et exploité en cohérence. L équilibre entre et les moyens et les besoins garantit le maintien de la tension et de la fréquence dans les limites fixées par les obligations contractuelles ou réglementaire. L exploitant doit également assurer la qualité de service fixé par le cahier des charges. Il arrive cependant que les aléas d exploitation modifient fortement les caractéristiques électriques de tout ou partie de réseau: Fonctionnement en régime îloté d une partie du réseau. Perte de stabilité générale du réseau. Modification du régime de neutre. Les conséquences peuvent alors être désastreuses : Plan de tension défaillant. Variation de la fréquence. Perturbation de l onde. Mise en danger des biens et des personnes. La protection de découplage doit être mesure de détecter ces anomalies en utilisant les variations de la tension et de la fréquence comme critères d anomalie. Les conditions dans lesquelles va s effectuer la détection de la marche en réseau séparé dépendent localement: Des probabilités d équilibre entre production et consommation. De l existence de réenclencheurs rapides sur le réseau HTA ou sur le réseau HTB. De l importance de la centrale pour le système électrique. Du caractère prioritaire du départ HTA. Le choix de la protection de découplage est le résultat d un compromis entre les exigences des exploitants des réseaux concernés. Dans tous les cas, la sécurité des biens et des personnes doit cependant être garantie. La détection de la marche en réseau séparé repose sur les critères de variation de tension et de fréquence. La détection de la marche en réseau séparé par la mesure de la fréquence Principe général Un écart entre la puissance mécanique produite par les groupes et la puissance consommée par les réseaux se traduit par une variation de vitesse et par conséquent de fréquence. La protection de découplage comporte des fonctions (F81) à mini/maxi de fréquence et à action instantanée. Les seuils de fonctionnement sont établis en fonction des risques d îlotage et du caractère prioritaire du départ dans le plan de défense du réseau du distributeur. La rapidité avec laquelle la protection détectera la marche en réseau séparée dépendra de la variation de la fréquence et de la performance de la régulation primaire de la machine. Réglages de la protection. On retiendra les seuils suivants: Détection rapide Michel Lambert 06/01/2007 9

10 On retient cette solution lorsque les départs HTA ou HTB alimentant le réseau industriel est équipé de réenclencheurs rapides 0,3 s. Ce réglage est exclu si les groupes participent aux services du système électriques du réseau ou si le départ est classé prioritaire dans le plan de défense du réseau. Détection lente Cette disposition est réservée aux installations participant aux services du système électrique ou lorsque le départ «Auto-producteur» est classé prioritaire dans le plan de défense. Fmini= 49,5 Hz Fmaxi= 50,5 Hz action instantanée Fmini= 47,5 Hz Fmaxi= 51 Hz action instantanée La détection de la marche en réseau séparé par la mesure de la tension Le passage en réseau séparé de toute ou partie du réseau provoque instantanément des modifications importantes dans le bilan des puissances active et réactive ce qui entraîne une variation de tension détectable par des relais sensibles à ce paramètre. Alimentation et réglages de la protection. Umini = 85% Us Triphasé Même temporisation que celle choisie pour la détection des défauts polyphasés Umax = 115% Us Une tension composée Action instantanée Dispositions complémentaires Afin d éviter un faux couplage provoqué par un à-coup important de tension, l exploitant de la centrale peut compléter le dispositif par des relais à minimum de tension instantanés réglés à 25%. Le graphique de la page 7 montre qu un court-circuit proche de la centrale provoque un creux de tension de l ordre de 80%. Lorsque le départ auto-producteur au poste source est équipé d un réenclencheur rapide 0,3s, le réenclenchement automatique est conditionné à l absence de tension ligne. La cellule doit alors être équipée d un dispositif de présence tension généralement réglé à 20 % 3. Umini = 25% Us Triphasé Action instantanée Umax = 20 % Us Triphasé Action instantanée Sur les départs Auto-producteurs prévus pour faire l objet de travaux sous tension, la protection de découplage doit être équipé d un dispositif de mise en régime spécial d exploitation constituée d une clé et éventuellement d un relayage pour une mise en «RSE» par télécommande. Détection de la marche en réseau séparé par téléaction Lorsque la centrale et les processus industriels nécessitent un niveau élevé de fiabilité et de rapidité d éxécution, la protection de découplage peut être constituée d une téléaction assurant le découplage rapide des groupes en cas d ouverture du départ «Auto-producteur» au poste source. Cette fonction 3 Il existe des cas ou le relais doit être réglé à 60% de Us. On se réfèrera au GTDE B Michel Lambert 06/01/

11 est associée à des détections voltmétrique et fréquencemétrique qui, en cas de panne de la liaison de télécommunication, assurent instantanément le découplage par dépassement de seuil. Ce dispositif permet de fiabiliser le processus de découplage durant un cycle de réenclenchement rapide du départ «Auto-producteur». Dans un premier temps, la téléaction assure le découplage de la centrale. Dans un deuxième temps, les détections fréquencemétrique et voltmétrique prennent le relais. Suivant les versions, les relais fréquencemétrique peuvent être réglés pour une détection rapide ou lente. Définition de la protection du départ «Auto-producteur» Le contexte des réseaux Français Les réseaux HTA Français ont leur neutre généralement 4 relié à la terre au poste source par une impédance à caractère résistive qui limite le courant dans le neutre à une valeur comprise entre 150 et 300 A. La protection des départs est constituée alors de relais à maximum d intensité. Ces équipements sont souvent complétés par des relais de puissance active homopolaire ou d une détection des défauts résistants. La détection des défauts polyphasés Elle est réalisée par des relais dont le réglage doit respecter les conditions suivantes : ❶ Irϕ < 0,8 Iccbi mini ❸ Irϕ > 1,5 Icharge max Réglage Irϕ ❹ Irϕ > 1,2 IccTri G ❷ Irϕ > 1,2 IMAP EDF remplace les conditions ❷ et❸ par la condition «Irϕ > 1,3 InpTC» où InpTC est le courant nominal primaire des TC. IMAP est l intensité maximale admissible en permanence qui peut transiter sur la ligne. IccTriG est le courant de court-circuit maximal généré par les groupes pour un défaut affectant le jeu de barre HTA du poste source ou un départ adjacent au départ Auto-producteur. Si les conditions ❷ et❸ sont faciles à déterminer, la condition ❶ est plus délicate à calculer lorsque des groupes de production sont raccordés sur le départ. Il faut en effet étudier l impact de ceux-ci sur la valeur du courant de court-circuit mesurée par la protection du poste source 5. 4 EDF GDF SERVICES a entrepris depuis 1990 une mutation du régime de neutre de ses réseaux HTA vers un neutre compensé. Les dispositions décrites dans le présent document ne sont pas applicables au régime de neutre compensé. 5 On constate que le courant le court-circuit mesuré par la protection du réseau public est sensiblement atténué, dans certaines configurations, par la présence des groupes de production. Michel Lambert 06/01/

12 Une condition ❹ incompatible avec les trois autres conditions nécessite l installation d un relais directionnel en association avec la protection à maximum d intensité. La définition des TC En standard, les cellules «Départ» sont livrées avec des TC /5A; 30 VA classe1. Le choix du calibre est déterminé par la charge maximale du départ telle que InTC > 1,2 Icharge max. La détection des défauts à la terre La protection principale est alimentée par la somme des courants secondaires des TC. Le réglage doit respecter les conditions ci-contre. L application de ces règles est susceptible de dégrader la sensibilité de la protection. l exploitant du réseau public peut alors installer une protection complémentaire 6 plus sensible, alimentée par un tore homopolaire et réglée à sa valeur minimale. La sélectivité ❶ Iro 6% Inp TC Inp TC est l intensité nominale primaire du TC Réglage Iro ❷ Iro 1,2x 3Ico départ 3Ico est le capacif résiduel du départ La sélectivité de la protection à maximum d intensité est assurée par une temporisation fixe réglée généralement à 0,5 s. Lorsque le réenclencheur rapide est activé, la temporisation est de 0,1 s environ. La figure ci-contre représente les chronogrammes des défauts pour, d une part, un court-circuit affectant le réseau industriel et d autre part, un court-circuit sur la ligne. La protection de découplage, si elle existe, doit provoquer l îlotage de la centrale avec un délai inférieur à 0,4 s. 6 PWH ou EPATR Michel Lambert 06/01/