Plan du cours Généralités Les surtensions Coordination d isolement Les dispositifs de protection contre les surtensions : éclateur et parafoudre 1 Généralités La coordination d isolement est l ensemble des dispositions prises pour réaliser la protection des personnes et des matériels contre les surtensions pouvant apparaître sur les installations électriques. Sa maîtrise repose : sur la connaissance des niveaux de surtension de coordonner les dispositifs de protection et les niveaux d isolements des matériels électriques requis. Défaillance Fonctionnement des protections dans le meilleur des cas Destruction dans le pire des cas interruption de service 1
Les surtensions Perturbations de mode différentiel : entre phases ou entre circuits Perturbations de mode commun : entre les conducteurs actifs et la terre. Les perturbations peuvent engendrer : * des interruptions courtes avec réenclenchements automatiques sur les résaeux de distribution MT aérien * des interruptions longues avec intervention après destruction d isolants ou de matériels. 3 Surtension à fréquence industrielle Ce sont les surtensions ayant des fréquences inférieure à 500Hz. Surtension provoquée par un défaut d isolement Elle est due à un défaut d isolement sur un réseau triphasé dont le neutre est isolé ou impédant. 4
Lors d un défaut d isolement entre une phase et la masse ou la terre, la phase concernée est mise au potentiel de la terre et les deux autres sont soumises, par rapport à la terre à : U =V. Pour un défaut d isolement sur la phase A, un facteur de défaut de terre S d est définit par le rapport de la tension des deux autres phases par rapport à la terre, à la tension du réseau : S d = ( k + k + 1) 3 k + avec 3 X k = 0 X d Réactance directe du réseau vu du point de défaut Réactance homopolaire Neutre parfaitement isolé Mise à la terre parfaite du neutre Cas général X 0 = S d = 3 X 0 = X d S d = 1 X 0 3X d S d 1. 5 5 Surtension sur une longue ligne : effet Ferranti Une surtension peut apparaître sur une ligne longue alimentée d un coté et à vide de l autre. Le facteur de surtension est donné par : Us : Tension entrée Ue : Tension sortie U s 1 = U e. LCω 1 Ligne de 300 km : facteur de surtension = 1.05 Ligne de 500 km : facteur de surtension = 1.16 L :Inductance totale de la ligne C : Capacité totale de la ligne Surtension par ferrorésonnance Cette surtension est produite lorsqu un comporte une capacité, une self avec circuit magnétique saturable. Elle peut apparaître lors qu une manœuvre d ouverture ou de fermeture est pratiquée sur le réseau avec un appareil qui ne réalise pas un fonctionnement simultanée des trois pôles. 6 3
Courbes : U c =f(i),u L =f(i), U L -1/Cωi=f(i) Diagramme Schéma La courbe U L -1/Cωi=f(i) montre deux points de fonctionnements (O et B) pour lesquels la tension aux bornes de l ensemble LC est nulle, deux points de fonctionnement stable M et P et un point de fonctionnement instable N. 7 Les tensions aux bornes de L et C au point P sont élevées. Le passage de M vers P peut être du à un transitoire qui augmente momentanément la tension e à une valeur supérieur à E. Risque de claquage diélectrique et danger pour les récepteurs en // sur C mais puissances mises en jeu réduites : 1 CV Surtension de manœuvre Elles sont provoquées par une modification brusque de la structure du réseau engendrant des phénomènes transitoires. Ces derniers provoquent la naissance d une onde de surtension ou d un train d ondes haute fréquence de type apériodique, oscillatoire ou d amortissement rapide. Surtension de commutation en charge normale Pour une charge normale (facteur de puissance > 0.7), le coefficient de surtension (rapport entre l amplitude de la tension transitoire et de la tension de service) est de l ordre de 1. à 1.5 et ne pose pas de problèmes. 8 4
Surtensions provoquées par l établissement et l interruption de petits courants inductifs Trois phénomènes en sont à l origine : L arrachement du courant le réamorçage le préamorçage Cp1 : Capacité du disjoncteur Lp1 : Inductance du disjoncteur L1 : Inductance de la source C1 : Capacité de la source L : Inductance de la charge Source sinusoïdale L0 : Inductance de ligne Schéma équivalent d un disjoncteur pour l étude des surtensions C : Capacité de la charge 9 Arrachement du courant La coupure des courants faibles s accompagnent d un arc soumis à un refroidissement important et donc qui peut présenter une instabilité. La tension peut alors présenter des variations relatives importantes qui développent dans les capacités des courants oscillatoires d amplitude non négligeable (10% du nominal). La superposition avec le courant de 50Hz donne plusieurs passages par zéro. Le disjoncteur peut couper au premier. Les courants dans le générateur et la charge ne sont pas nuls. La valeur i de l onde 50Hz à cet instant est appelé courant arraché. 10 5
Dans le cas de petits courants inductifs, la tension aux bornes de C est donnée par : Energie à l extinction de l arc Réamorçage 1 1 L I = CV Il apparaît lorsque l arrachement du courant a fait apparaître aux bornes du disjoncteur une tension différentielle supérieure à celle qu il peut supporter. Un arc se réamorce. En fait des phénomènes oscillatoires HF apparaissent dans les boucles D-L p1 -C p1 (quelques MHz), D-C 1 -L 0 -C (quelques 100 khz) et dans l ensemble du circuit (de 5 à 0 khz) qui provoquent des réamorçages multiples qui disparaissent avec l écartement des contacts.. Préamorçage Lors de la fermeture d un appareil, il arrive que la tenue diélectrique entre contact soit inférieure à la tension appliquée. Un arc s établit entre les contacts et le circuit voit une impulsion de tension correspondant à l annulation de la tension aux bornes de l appareil. Cette impulsion peut entraîner une oscillation des circuits parallèles. 11 Surtensions provoquées par les manœuvres sur des circuits capacitifs Elles peuvent être provoquées par la mise sous tension de batteries de condensateurs. Avec des appareil à manœuvre lente, un arc apparaît au voisinage de la tension crête qui engendre une oscillation du circuit LC L e ~ C La tension max observée est de l ordre de fois la valeur crête de l onde 50Hz. Ce phénomènes est amplifié si la batterie de condensateur est remis en service très peu de temps après sa séparation du réseau, avec une charge résiduelle. 1 6
mise sous tension d une ligne à vide (surtout en THT) Avec des appareil à manœuvre lente, un arc apparaît au voisinage de la tension crête. L échelon de tension appliqué à une extrémité va se propager et se réfléchir. La superposition des deux ondes donne une tension double de la tension appliquée. coupure de circuits capacitifs Montée de la tension lors de la séparation d un banc de condensateurs du réseau par un appareil de manœuvre lente Condensateur préchargé à la valeur crête de l onde 50Hz Après une demipériode, tension différentielle double => réamorçage Nouveau réamorçage Inversion de la tension aux bornes du condensateur qui se charge à une tension triple du réseau 13 Surtensions atmosphériques Les réseaux aériens sont les plus affectés. La polarisation des coups de foudre est en général négatif (nuage négatif et sol positif) dans l hémisphère nord. La norme définit un front de montée de 1.µs pour la tension et de 8µs pour le courant. On distingue le coup de foudre direct qui touche une ligne et l indirect qui tome à proximité sur un pylône métallique ou le câble de garde. Niveau isokérauniques sur le France continentale (gradué en nombre moyen annuel de jours d orage) - Source météorologie nationale 14 7
Coup de foudre direct Il se manifeste par l injection dans la ligne d une onde de courant de plusieurs 10 KA qui se propage de part et d autre du point d impact.. i => U = Zc Avec Z c (de 300 à 1000 Ω) impédance homopolaire de la ligne Après impact, l onde se propage sur la ligne et un point de celle-ci, en général un pylône, il y a amorçage sur la chaine d isolateurs. Suivant que l amorçage se produit ou pas (fonction du courant injecté dans la ligne) l onde qui continue à se propager après le pylône est dite coupée ou pleine. Pour différentes tensions du réseau, il n y a pas amorçage au dessous du courant critique indiqué sur le tableau suivant. 15 Coup de foudre indirect L impact de foudre sur un support ou à proximité peut induire des surtensions importantes dans la ligne. Si la foudre tombe sur le pylône ou le câble da garde, il y a augmentation du potentiel de la masse métallique par rapport à la terre. i L di U = R. + dt Inductance et résistance du pylône ou de mise à la terre 16 8
Si la foudre tombe à proximité de la ligne, l écoulement de l énergie vers le sol provoque un rayonnement électromagnétique intense qui induise dans la ligne une onde de front très raide (µs) et d amortissement rapide. L onde résultant du choc de foudre traversent les transformateurs par couplage capacitif. L amplitude transmise est de l ordre de 10% en passant du coté HT au coté BT. Surtension électrostatique Concerne les réseaux isolés de la terre Dans les minutes qui précèdent un orage, la ligne se charge en sens inverse de la polarité des nuages. D où risque de claquage peu énergétique. 17 Claquage des installations électriques à la suite d une surtension et réduction des risques Conséquences du claquage En HT, la coupure peut concerner une ville ou une région, en MT la zone est plus limitée Risque de déstabilisation du réseau Perte de facturation de l énergie Perte de production pour les industriels danger pour les personnes (hôpitaux, dialyse, ) et des données (centre informatique) En BT, plus la tension de service est faible, plus les conséquences d un claquage sont limitées vis à vis de la distribution de puissance. Mais le développement de l électronique fragilise les systèmes. Le niveau tenue des systèmes électroniques n est pas toujours coordonné avec celui de l installation. Or ceci interagissent avec la production, la sécurité et leur défaillance peut avoir des répercutions graves. 18 9
Réduction des risques et des niveaux de surtension Surtension due à la ferrorésonnance Pour l éliminer, il faut que 1/C.ω soit supérieur à la pente à l origine de Lω. On peut aussi, en particulier en MT : assurer la plus grande simultanéité possible de l enclenchement des trois phases du réseau rapprocher le plus possible les transformateurs des appareillages de mise sous tension pour réduire les capacités et on peut connecter une charge au préalable pour amortir les phénomènes mettre le neutre à la terre pour des résonances phase terre. Surtension provoquée par la coupure de courants capacitifs Il faut éviter les réallumages successifs par l augmentation de la vitesse des contactset l utilisation de bons diélectriques (vide, SF6 ). Surtension provoquée par la coupure de courants capacitifs Sur les réseaux de transport, elle est évitée par une mise sous tension progressive en associant au disjoncteur des résistances d insertion. 19 Surtension provoquée par un coup de foudre Il faut : disposer des câbles de garde pour éviter les chocs directs installer des protections aux points sensibles (éclateurs ou préférentiellement parafoudres) réaliser des prises de terre de bonne qualité Impact foudre sur carte Impact foudre sur câble téléphonique 0 10