Soutenance mémoire
Par : MAMPITRAKA Rafenomanana Valohery Théodore
Mémoire de fin de cycle en vue de l’obtention de diplôme de Master Professionnel
Mention : Génie des Systèmes Electriques – Energétique et Hydrauliques
Domaine : Sciences et Technologies
Parcours : Electrotechnique
Spécialité : Ingénierie de l’Energie Electrique et de Transport (IEET)
La protection des réseaux électriques désigne l’ensemble des appareils de surveillance et de protection assurant la stabilité d’un réseau électrique. Cette protection est nécessaire pour éviter la destruction accidentelle d’équipements coûteux et pour assurer une continuité de l’alimentation électrique. Un réseau électrique comporte trois parties : la production, le transport haute tension et la distribution en haute et basse tension. Dans l’une ou l’autre de ces parties, chaque ouvrage peut être l’objet d’incidents, tels que le court-circuit. Pour éviter que ces incidents ne détruisent les ouvrages et ne soient un danger pour l’homme, toute une gamme d’appareillages est installée pour assurer la protection. Parmi ces appareils, on peut citer les disjoncteurs, interrupteurs-sectionneurs commandés par des relais de protections chargés de mettre hors tension la partie en défaut. Pour cela, ils doivent pouvoir détecter et éliminer les défauts le plus rapidement, ainsi qu’assurer la protection des biens et des personnes. [1] [2] Pour assurer un bon fonctionnement du système de protection, on est amené à choisir le mode de sélectivité adéquat et assurer un bon réglage des protections. La sélectivité entre les protections a pour but d’assurer la continuité de service et de garantir la fonction de secours entre les différents éléments de la protection. Ils constituent le thème du présent travail de mémoire : « ETUDE DES PARAMETRES DE REGLAGE ET CONTROLE DE PROTECTIONS DES DEPARTS 5 kV ET 20 kV A LA SOUS STATION AMPOPOKA DE LA JIRAMA FIANARANTSOA ».
Présentation de la société JIRAMA
La JIRAMA a pour principales missions la production, le transport et les ventes de l’électricité et de l’eau potable à la population sur l’ensemble des territoires Malgaches. Son objectif est de satisfaire les besoins en énergie électrique et en eau potable de la population. A travers toutes ses activités, la JIRAMA vise surtout l’optimisation des performances techniques des moyens et équipements mise en œuvre, ainsi que la sécurité et l’amélioration de la fourniture d’électricité et d’eau. Elle prend aussi une large nécessité à la commercialisation de ses produits à travers les actions de développement de vente. Cependant, d’autres mesures plus pratiques ont été prises, à savoir la réduction au strict minimum des couts d’exploitation des centres hydrauliques dans l’extension à moindre cout, l’ajustement des tarifs d’électricité et d’eau en fonction de la situation économique du pays.
Faculté des Sciences et la mention Génie des Systèmes Electriques, Energétique et Hydraulique
La Faculté des Sciences de l’Université de Fianarantsoa, dispose en son sein d’une filière de formation professionnalisante en métiers de l’eau et de l’électricité de niveau Bac+5 pour l’obtention du diplôme de Master Professionnel. La filière de formation « Génie des Systèmes Electriques, Energétique et Hydrauliques » (GSEEH) a déjà recruté depuis sa création en 2017 bon nombre d’étudiants. Ce mémoire est réalisé dans le cadre du projet de fin d’études de la première promotion pour l’année universitaire 2017-2018. L’objectif professionnel de cette formation consiste à former des cadres de haut niveau spécialisés sur des pôles de compétence diversifiés, à savoir :
● Ingénierie de l’Energie Electrique et de Transport (IEET) ;
● Gestion Intégrée des Ressources en eau (GIRE) ;
● Energies Renouvelables (ER).
La spécialité IEET, de la mention GSEEH, est l’un des trois parcours du Master Professionnel de Département de Physique dans le cadre duquel nous avons pris le soin pendant la réalisation de ce mémoire de capitaliser le fruit d’une réflexion menée en étroite collaboration avec les partenaires industriels et les branches professionnelles dans le domaine de conception, gestion, protection des réseaux électriques et de la production de l’énergie électrique.
Présentation du site d’étude
La ville de Fianarantsoa est parmi les autres grandes villes à Madagascar que la JIRAMA exerce son activité actuellement, dont la puissance distribuée est aux environs de 10 MW. L’électrification de la ville de Fianarantsoa et de ses entourages est assurée par la société JIRAMA. Pour assurer cette mission qui est confiée à la société, celle-ci a besoin de produire de l’énergie électrique. La JIRAMA a deux moyens pour produire l’énergie électrique soit en utilisant la centrale hydroélectricité (à base de l’eau) et soit par du groupe électrogène. Quatre centrales assurent la production d’électricité de la ville de Fianarantsoa et ses environnants, dont deux hydrauliques (AMBODIKIMBA et MANANDRAY) et deux thermiques (ANKIDONA et AMPOPOKA).
Présentation de la Centrale Thermique ANKIDONA
La centrale thermique ANKIDONA (photo 1.1) était mise en service depuis 1956. Elle se situe au quartier d’Ankidona sur la route nationale 7 (RN7) à peu près 4 km de la Direction interrégionale de la JIRAMA TSIANOLONDROA Fianarantsoa. La CTA1 est construite sur environ 2 hectares (ha) ; elle comporte des équipements de production et de distribution d’énergie électrique, comprenant trois groupes-générateurs et trois transformateurs de puissance, dont deux sont élévateurs (5 / 20 kV) et un abaisseur (5 / 0,4 kV). Néanmoins, deux groupes sont actuellement hors services : le groupe N°2329 (MITSUBISHI) ayant disposé d’une puissance de 850 kW sous une tension de 400 V et le groupe N°103 (AGO) ayant délivré une puissance de 1400 kW sous une tension de 5 kV, alors que le N°511 (DEUTZ) , d’une puissance de 1600 kW sous la même tension, est toujours fonctionnel. C’était une centrale d’appoint dont la puissance installée était de 3,89 MW et la puissance utile était de 3,5 MW. Les principales activités de la centrale thermique ANKIDONA sont :
● la production de l’énergie électrique par le service d’exploitation ;
● la maintenance des différents équipements par le service mécanique et électrique.
Ces services sont constitués de techniciens spécialisés capables d’intervenir efficacement lors des multiples opérations de maintenance et d’exploitation.
Présentation de la Centrale Hydroélectrique MANANDRAY (CHM)
La centrale hydroélectrique MANANDRAY (photo 1.2) est construite en 1930 et mise en service depuis 1932. Elle estsituée sur la rivière VOHITSOA dans la Commune rurale de Talata Ampano à 18 km au sud de Fianarantsoa. La CHM comporte des équipements de production et distribution d’énergie électrique comprenant essentiellement :
● un barrage-poids ;
● deux conduites forcées ;
● une usine équipée de trois turbines de type FRANCIS HORIZONTAL et trois groupesgénérateurs ;
● trois transformateurs de puissance, qui sont tous élévateurs (208 V / 20 kV).
Présentation de la Centrale Hydroélectrique AMBODIKIMBA (CHA)
La centrale hydroélectrique AMBODIKIMBA (photo 1.3) est une usine hydroélectrique de 5 000 kW, construite en 1978 et mise en service depuis 1980, en vue de fournir de l’énergie électrique à la ville de Fianarantsoa et les agglomérations de la région. Des moyens de transport et de transformation sont installés pour relier la centrale aux réseaux de distribution des localités à desservir. L’aménagement d’AMBODIKIMBA est situé sur la rivière NAMORONA dans la Commune rurale de Ranomafana à 42,847 km à vol d’oiseau de Fianarantsoa. Cette centrale est munie :
● d’un barrage de prise d’eau ;
● deux bassins de sédimentation ;
● un tunnel d’amenée ;
● une chambre de mise en charge ou un réservoir de tête ;
● une conduite forcée de diamètre de 1,60 mètre ;
● deux turbines de type FRANCIS VERTICAL ;
● deux alternateurs ;
● deux transformateurs de puissance élévateurs (6,6/63 kV) ;
● un groupe de secours.
Présentation du Réseau Interconnecté de Fianarantsoa (RIF)
Le réseau de transport assure en permanence une liaison entre les centrales et les lieux de consommation par son poste d’interconnexion. Celui de la JIRAMA Fianarantsoa est situé à Ampopoka. Le transport de l’énergie électrique vers le poste d’interconnexion se fait en haute tension ou en très haute tension selon la puissance obtenue par la centrale et la longueur du trajet. Les lignes électriques du RIF, reliant la ville de Fianarantsoa et ses alentours avec les districts d’Ifanadiana, d’Ambohimasoa et d’Ambalavao, comportent (fig.1.1) :
– au niveau du transport d’énergie, 42,847 km de lignes de transport à 63 kV encadrées par deux postes de transformation du type extérieur de Namorona (élévateur) et Ampopoka Fianarantsoa (abaisseur) ;
– au niveau de la répartition et de la distribution publique de l’électricité, 55,91 km de lignes MT à 5 kV et 115,595 km de lignes MT 20 kV environ alimentant 162 postes de transformations MT /BT ; 210,01 km de lignes basse tensions desservant 11 029 abonnés (toutes catégories confondues).
Présentation de la Sous-Station AMPOPOKA (SSA)
Compte tenu de l’augmentation incessante de la demande en énergie de la ville de Fianarantsoa, une autre centrale de production thermique, basée à Ampopoka a été construite en 2014, constituée par deux groupes électrogènes en container d’une puissance de 900 kW chacun. En 2016, la JIRAMA a ajouté quatre autres groupes électrogènes en container (photo 1.4). Ces groupes ont deux marques différentes (CUMMINS et PERKINS (hors service)) et en 2019 : cinq groupes électrogènes (HENRI FRAISE) de marque GEO.
Méthodologie appliquée et moyens matériels
La méthodologie adoptée pour l’élaboration de cette étude comprend essentiellement :
➤ La recherche documentaire :
Elle a pour objectif de collecter les informations, les données d’étude, les normes et règles techniques d’utilisation.
➤ Les activités durant les études du contrôle de protection :
o contrôle du bon fonctionnement de la chaîne de déclenchement ;
o contrôle de la chaîne de signalisation visuelle et sonore ;
o contrôle de la chaîne de mesure Ampèremètre, Voltmètre et Wattmètre ;
o contrôle des appareils de manœuvre ;
o contrôle du réglage des seuils de protections en utilisant Megger Protective Relay Tester « MPRT » (Système universel de test pour les relais de protection).
Rappel du thème de l’étude
Il s’agit d’étude des paramètres de réglage et contrôle de protection des départs 5 kV et 20 kV de réseaux électriques. Ce projet a été réalisé à la sous-station d’Ampopoka du Réseau Interconnecté de Fianarantsoa.
Aperçu sur les différents défauts de ligne HT
Les ensembles des défauts peuvent être regroupés en quatre catégories à savoir :
– les courts-circuits entre phases ou entre phase-terre
– les surcharges prolongées
– les surtensions
– les déséquilibres dus à des coupures accidentelles de phase ou à des fonctionnements sur charges déséquilibrées
Les défauts sont classés :
➤ en fonction du nombre de conducteurs affectés, on distingue :
o défaut Monophasé : Il s’agit d’un défaut entre une phase et la terre.
o défaut Biphasé : Il s’agit d’un défaut entre deux phases par l’intermédiaire de la terre ou non.
o défaut Triphasé : Il s’agit d’un défaut entre trois phases par l’intermédiaire de la terre ou non.
o défaut simple : Il est localisé en un seul point.
o défaut double : Les défauts doubles à la terre résultent généralement d’une évolution des tensions du réseau suite à un premier défaut monophasé simple.
➤ en fonction du traitement des défauts par les automatismes de reprise de service (Réenclencheurs), on distingue :
o défauts auto-extincteurs : ils disparaissent naturellement avant fonctionnement des protections, en une durée inférieure à environ 100 ms.
o défauts fugitifs : ils nécessitent le fonctionnement des protections et sont éliminés par les automatismes de reprise de service après une ouverture d’environ 0,3 s.
o défauts semi-permanents : ils nécessitent le fonctionnement des protections et sont éliminés par les automatismes de reprise de service à l’issue du 1er ou du 2éme réenclenchement.
o défauts permanents : ils ne sont pas éliminés par les réenclenchements et nécessitent une intervention de l’exploitant.
o défauts évolutifs : défaut monophasé évoluant au même lieu en défaut biphasé ou triphasé (accompagné d’un creux de tension perceptible par les clients).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Cadre du projet
1.1. Présentation de la société JIRAMA
1.2. Faculté des Sciences et la mention Génie des Systèmes Electriques, Energétique et Hydraulique
1.3. Présentation du site d’étude
1.3.1. Présentation de la Centrale Thermique ANKIDONA
1.3.2. Présentation de la Centrale Hydroélectrique MANANDRAY
1.3.3. Présentation de la Centrale Hydroélectrique AMBODIKIMBA
1.3.4. Présentation du Réseau Interconnecté de Fianarantsoa
1.3.5. Présentation de la Sous-Station AMPOPOKA
1.4. Méthodologie appliquée et moyens matériels
1.4.1. Rappel du thème de l’étude
1.4.2. Aperçu sur les différents défauts de ligne HT
1.4.3. Aperçu sur les différentes protections de ligne HT
1.4.4. Méthodologie de dimensionnement des paramètres de réglage
Chapitre 2 : Généralités sur les réseaux HTA et les protections par relais
Introduction
2.1. Le réseau de distribution HTA
2.1.1. Modes de distribution des réseaux HTA
2.1.2. Différents types de réseaux électriques
2.1.3. Gamme des tensions utilisées
2.1.4. Modes d’alimentation des postes HTA
2.1.5. Architectures des postes HTA/BT supérieurs à 630 kVA
2.2. Protections contre les défauts entre phases
2.2.1. Principe de réglage en intensité des relais de courant de phase
2.2.2. Fonctionnement et sélectivité
2.3. Protections contre les défauts entre phase et terre
2.3.1. Rappel électrotechnique : impédance de limitation 300 A ou 150 A
2.3.2. Protection ampèremétrique à temps constant
2.3.3. Protection ampèremétrique à deux seuils homopolaires à temps constant
2.3.4. Protection ampèremétrique à temps dépendant (ou à temps inverse)
2.3.5. Protection wattmétrique homopolaire
2.3.6. Protection voltmétrique homopolaire
2.3.7. Protections contre les défauts résistants
Conclusion
Chapitre 3 : Réglage des protections
Introduction
3.1. Domaine d’application
3.1.1. Réseaux aériens et mixtes
3.1.2. Réseaux souterrains
3.2. Caractéristiques générales des protections
3.2.1. Rôle
3.2.2. Réalisation
3.2.3. Régimes d’exploitation
3.2.4. Principes du réglage
3.3. Réglage des protections d’un départ
3.3.1. Relais ampèremétrique de phase
3.3.2. Protection ampèremétrique homopolaire à temps constant
3.3.3. Protection ampèremétrique homopolaire à temps dépendant
3.3.4. Protection wattmétrique homopolaire
3.3.5. Relais de temps (protection ampèremétrique à temps constant)
Conclusion
Chapitre 4 : Applications de réglages des protections et présentation de résultats des essais
Introduction
4.1. Application du calcul pour les départs 5 kV et 20 kV à la sous-station d’Ampopoka
4.1.1. Détermination de diverses impédances relatives des éléments du RIF
4.1.2. Calcul des impédances de réseau avec les départs au SSA
4.1.3. Réglage des relais de phase (calcul de Iccb)
4.1.4. Réglage des relais homopolaires : Calcul de 3 Io
4.1.5. Tableau récapitulatif des résultats des calculs
4. 2. Essais de relais de la protection courant homopolaire sur un départ HTA 20 kV Itombana
4.2.1. Caractéristiques et architecture de départ Itombana 20 kV
4.2.2. Réglages de protection proposés
4.2.3. Résultats pratiques
4.3. Essais de relais de la protection maximum courant phase sur un départ HTA 5 kV N°1
4.3.1. Caractéristiques et architecture de départ SSA1 5 kV
4.3.2. Réglages de protection proposés
4.3.3. Résultats pratiques
4.4. Tableau récapitulatif des résultats des essais
Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexes
Mots clés : Réglage des protections, Sélectivité et Protections, Distribution électrique, Moyenne tension, Maximum de courant.
