LIGNE MONOPHASEE FERMEE SUR UNE IMPEDANCE

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LES SURTENSIONS DE MANŒUVRE

Introduction

On considère comme manœuvre dans un réseau tout ce qui contribue à modifier la topologie de ce  réseau (ouverture, fermeture d’une liaison…).
Le passage d’un régime de fonctionnement à un autre n’est pas instantané. Il se fait par l’intermédiaire d’un régime transitoire dans lequel la partie capacitive des impédances des différents éléments du réseau jouent un grand rôle. Ce changement de régime équivaut en fait à l’application au circuit d’un échelon de tension qui correspond à un spectre de fréquence très élevée.
Le phénomène transitoire créé étant une superposition d’ondes dont le décalage dans le temps est lié à la topologie du réseau, à la désynchronisation de la manœuvre entre les trois phases aux vitesses de pro pagation différentes suivant le mode tels que : mode symétrique, mode antisymétrique et mode homopolaire.

Onde de choc de manœuvre

Les surtensions de manœuvre se manifestent par des ondes de choc ou des oscillations amorties assimilées conventionnellement à l’onde de choc normalisée de la figure 2-02.

Surtension à l’enclenchement et au réenclenchement d’une ligne à vide

Une ligne à vide est généralisée, soit réellement déconnectée du réseau, soit terminée par un transformateur dont le secondaire est ouvert. L’enclenchement monophasé peut se généraliser au cas de la manœuvre d’un disjoncteur triphasé. Les ondes transitoires correspondent en première approximation à l’injection de tension égale à la différence de potentiel qui existe entre les bornes de chacun des pôles au moment de leur fermeture. De plus, le temps de fonctionnement de chacun des pôles s’explique par un phénomène d’ « amorçaged’ arc » qui crée une infinité de séquence d’enclenchement différent, chacun donnant lieu à un transitoire particulier.
Par conséquent, on peut considérer les transitoires de ce manœuvre par des distributions statistiques de leur valeur de crête suivant une loi normale.
A l’origine de la ligne, plus l’effet de manœuvre r essentira d’autant plus moins que le réseau d’alimentation est plus puissant.
En chaque point de la ligne, il existe une distribution de surtension dont la moyenne et l’écart – type croissent de l’origine à l’extrémité.
L’endroit le plus sollicité est l’extrémité ouvertede la ligne manœuvrée. Les paramètres ayant une influence sur le niveau de surtension sont la ligne, le disjoncteur, la configuration du réseau source, les tensions résiduelles avant réenclenchement.
Le réenclenchement sur défaut permanent se pose surtout lorsqu’on utilise le déclenchement triphasé en cas de défaut monophasé. Si le court-circuit est permanent, les tensions résiduelles sur les phases saines à l’ouverture peuvent être anormales. Mais surtout, la superposition de la surtension dynamique due au déplacement du point neutre conduit à des surtensions très élevées au réenclenchement.

Surtension à l’apparition et à l’élimination du défaut

L’apparition et l’élimination des défauts conduisent à des surtensions relativement faibles (<2.p.u). Mais un amorçage consécutif à ce type de surtension a une importance dans la mesure où :
– il peut faire évoluer un défaut monophasé en défaut polyphasé entraînant un déclenchement nécessaire des disjoncteurs triphasés;
– il peut entraîner un défaut sur une ligne voisine.
Comme dans le cas précédent, le transitoire est dû ici à l’injection d’un échelon de tension, mais la ligne étant bouclée à ses deux extrémités. Les surtensions sont plus particulièrement importantes dans le cas du défaut monophasé du fait de la dérive du point neutre, les paramètres essentiels sont ici la localisation du défaut, la puissance et la configuration du réseau et le facteur de mise à la terre.
Lors de l’ouverture de la ligne, ces surtensions ne sont que la superposition d’un régime transitoire d’amplitude généralement modeste aux surtensions temporaires apparaissant lors du défaut ou de son élimination.
Des résistances de faible valeur ohmique insérées à l’ouverture des disjoncteurs peuvent réduire ces surtensions d’une proportion très variable suivant la configuration du réseau.

Surtensions dues aux manœuvres des charges

Manœuvres des charges capacitives

Les charges capacitives sur les réseaux sont les batteries de condensateurs servant à la compensation des charges inductives, des lignes et les câbles à vide. Dans le cas d’un déclenchement des batteries de condensateurs, les capacités entre contact et contre terre sont négligeables devant la capacité C de la batterie de condensateurs.
Si un réamorçage a lieu avec une charge capacitive, le courant risque d’être si violent qu’il peut provoquer la fusion du métal des contacts. Lorsqu’il y a réamorçage de l’arc, la tension U aux bornes des condensateurs est brusquement ramenée à la tension Us(t)(en fait Us – Uarc).Le courant qui passe est alors plus grand puisqu’il n’est limité pratiquement que par la résistance de l’arc et de la ligne.

Manœuvres des charges inductives

On ramène l’étude aux cas de :
– mise sous tension de transformateur à vide et de réactance ;
– coupure des faibles courants inductifs.

Mise sous tension de transformateur à vide et de réactance

Cette manœuvre ne conduit pas normalement à des sur tensions notables mais plutôt à des surintensités dues à la saturation du circuit magnétique du transformateur (cette saturation dépend de l’instant d’enclenchement dans la période et du flux résiduel). Néanmoins, lorsque le transformateur est mis sous tension par l’intermédiaire d’une ligne aérienne ou d’un câble, des résonances peuvent se produire, se traduisant par des surtensions harmoniques faiblement amorties.

coupure des faibles courants inductifs

On considère ici les transitoires consécutifs à la mise hors tension des réactances, des transformateurs à vides, des transformateurs chargés par des réactances et des moteurs. Les surtensions sont dues à l’instabilité de l’arc au voisinage du zéro du courant et à un arrachement de courant.
Il y a en général plusieurs réamorçages jusqu’à ce que les contacts soient suffisamment séparés.

Manœuvres des charges résistives

Pour un circuit très résistif, on est amené à tenir compte d’une partie inductance dont l’effet est négligeable pour le calcul de courant avant l’interruption, mais qui empêche malgré tout l’arc de s’éteindre avant son passage naturel à zéro.

LES SURTENSIONS ATMOSPHERIQUES

Les lignes aériennes sont particulièrement exposées à la foudre. Chaque coup de foudre tombant sur un conducteur de phase ou un pylône ou simplement à proximité de la ligne engendre directement ou par induction un courant de choc très élevé.

Origine de la foudre

La foudre se traduit par une décharge électrique aérienne accompagnée d’explosion (tonnerre) et de la lumière se produisant entre :
– nuages chargés et ionosphère ;
– nuages chargés et autres nuages de charges opposées ;
– nuages chargés et le sol.
Un courant dit « de beau temps » s’écoule du ciel v ers la terre hors de la zone nuageuse.

ECLATEUR

Définition

L’éclateur est un dispositif de limitation des surtensions comportant un intervalle d’éclatement d’air libre entre une électrode reliée au conducteur à protéger et une électrode reliée à la terre. Le réglage de ’intervalle d’éclatement est souvent un compromis entre protection et continuité de service.

Types d’éclateur

– Un éclateur peut être utilisé comme dispositif normal de protection du poste lorsque le niveau des surtensions de coupure est relativement faible.
– Un autre éclateur est destiné à matérialiser le niveau de choc d’une isolation externe. Un tel type a pour rôle d’abaisser l’isolement externe d’un appareil peu au-dessus du niveau de tenue normal en onde plane.
– Un éclateur de localisation d’arc qui est chargé d’écarter les arcs des matériaux isolants et de les empêcher de se fixer sur les par ties vulnérables.

Caractéristiques du comportement de l’éclateur

Le comportement de l’éclateur à fréquence industrielle est caractérisé par sa tension d’amorçage, à sec, à fréquence industrielle. Son comportement au choc est défini en onde normalisée 1,2 / 50 s, pour la polarité qui donne la tension d’amorçage la plus élevée.
Le comportement de l’éclateur aux surtensions de manœuvre est caractérisé par la valeur de la tension d’amorçage pour ces surtensions. Cette valeur est intermédiaire entre la tension d’amorçage à fréquence industrielle et la tension d’amorçage au choc.

Méthode de protection et limite d’utilisation des éclateurs

Un éclateur est appelé à fonctionner assez fréquemment sous l’action de surtension de foudre, et de temps en temps sous l’action de surtension de manœuvre, dont les amplitudes sont inférieures aux tensions de tenue aux chocs de foudre des appareils à protéger.
Dans un grand nombre de cas, le fonctionnement de l’éclateur provoque l’amorçage d’un « courant de suite ». Du fait :
– de la dispersion de la tension d’amorçage d’un espace air ;
– de l’accroissement de la tension d’amorçage lorsque s’accroît la pente de la surtension appliquée dans le cas où l’amorçage a lieu sur le front de l’onde.
La protection par les éclateurs est moins précise et le niveau de protection ne peut pas être donné de façon aussi exacte que le niveau de protection d’un parafoudre.

PARAFOUDRE

Définition

Les parafoudres sont des appareils qui assurent l’écoulement d’une onde de courant lorsqu’une surtension arrive à leurs bornes, et maintiennent ainsi la surtension dans certaines limites. En outre, ils limitent eux-mêmes l’amplitude et la durée du courant que le réseau continue de débiter à travers eux après le passage de l’onde due à la surtension, sans que, généralement, les disjoncteurs de ce réseau aient fonctionné.

Eléments constitutifs d’un parafoudre

Un parafoudre est constitué d’un ou plusieurs éclateurs connectés en série avec une ou plusieurs résistances à caractéristiques non linéaires.

Principe de fonctionnement d’un parafoudre

Lorsque la tension dépasse un certain seuil, les éclateurs s’amorcent et provoquent l’écoulement du courant de décharge à travers les résistances variables du parafoudre.
Les valeurs de ces résistances diminuent rapidement lorsque la tension augmente. L’intensité du courant croît donc plus vite que latension. Après le passage de l’onde de courant de décharge, la tension aux bornes du parafoudre décroît mais la non linéarité des résistances entraîne une décroissanceplus rapide du courant.
Une fois la tension revenue à la valeur normale du réseau, le courant se trouve limité à une intensité assez faible(courant de suite), et peut être facilement interrompu par les éclateurs à son premier passage à zéro et même avant.

Caractéristiques d’un parafoudre

Un parafoudre est caractérisé par :
– la grandeur d’amorçage ;
– la période de décharge ;
– la tension résiduelle.

Grandeur d’amorçage

La tension la plus élevée qui ne produit jamais l’amorçage ou tension 0 % d’amorçage, et la tension la plus basse qui produit toujours l’amorçage ou tension 100% d’amorçage et c’est en choc de foudre ou en choc de manœuvre.
Pour les surtensions à la fréquence du réseau, les grandeurs caractéristiques sont la tension d’amorçage à fréquence industrielle et la ensiont de désamorçage ou d’extinction.

Période de décharge

L’amplitude maximale et la durée de l’onde de courant qui peut traverser un parafoudre sans l’endommager constituent une base de classement des parafoudres dont le paramètre est le courant nominal de décharge qui peut valoir 10 [kA], 5 [kA], 2.5[kA] lors de l’essai de fonctionnement.

Tension résiduelle

C’est la tension maximale qui apparaît aux bornes du parafoudre lorsqu’il écoule une onde de courant 8 / 20 sd’amplitude égale à celle du courant nominal de décharge.

Méthode de protection par parafoudre à résistance variable

Si le parafoudre n’est pas placé à proximité de l’appareil à protéger, ce dernier est soumis à une surtension supérieure au niveau de protection du parafoudre. Cette surélévation est due :
– à la chute de tension inductive dans les connexions du parafoudre et dans la liaison entre parafoudre et l’appareil à protéger ;
– à une élévation de courte durée de la tension auxbornes de l’appareil par rapport au niveau de protection du parafoudre si la durée de propagation entre parafoudre et appareil n’est pas négligeable devant la durée de front de l’onde incidente.
En général, on place les parafoudres aussi près que possible de l’appareil à protéger.

PRESENTATION DU LOGICIEL ATP-EMTP ET SA STRUCTURE

ATP-EMTP est un logiciel pour la simulation numérique des phénomènes électromagnétiques transitoires aussi bien qu’électromécaniques. La partie de l’EMTP que nous utilisons comprend deux programmes élémentaires :
ATPDRAW : permet de faire une construction graphique d’un ensemble de réseau électrique pour la simulation. Il est un produit de la SINTEF énergie et recherche, Norway par Dr Hans Kr Hoidalen. Ils contiennent 70 composants standards et 28 objets TACS(Transient Analysis of Control Systems) tels que : générateurs, lignes, câbles, transformateurs, machines électriques, équipements de protection, charges linéaires et non linéaires,etc. . Les réglages de la manipulation se font aussi dans ATPDRAW. On peut citer :
– la durée de la simulation ;
– les données de certaines caractéristiques des appareils.
PLOTXY : permet la visualisation des courbes (tension, courant, tension et courant )obtenues à partir du lancement de ATPDRAW. Ces courbes peuvent être exportées vers le logiciel Microsoft W ORD assez facilement.
La simulation peut se faire dans les domaines temporels ou fréquentielles.
Manipulation
En premier lieu, on travaille dans l’ATPDRAW en dressant le schéma du réseau. On choisit les appareils par un click droit sur l’écran (menu déroulant).
On peut caractériser les données ou paramètres des appareils choisis en cliquant deux fois ou par un click droit.
Après sélection d’un composant, on peut le faire tourner sur lui-même par un click droit.
Lorsque toutes les caractéristiques ont été introduites, on effectue les réglages de la simulation (début, durée ) en cliquant :ATP / Setting sur la barre d’outil.
On crée le fichier en cliquant :ATP / Make File. On lance la simulation en effectuant : ATP / run ATP. La simulation peut durer quelques secondes, le temps de calcul étant fonction de la puissance de l’ordinateur utilisé et de la complexité du réseau.
Après run ATP, on lance run PLOTXY pour visualiser les différentes allures des courbes de tension, courant, tension et courant, puissance dans chaque tronçon du réseau de l’ATPDRAW.
Pour la simulation, on ne regarde qu’aux extrémitésutilisées par les abonnés.

Les causes des états initiaux de mort apparente

En basse tension, il existe deux grandes causes des états initiaux de mort apparente :
– l’asphyxie d’origine ventilatoire qui peut être d ue à la tétanisation des muscles thoraciques et surtout du puissant muscle inspirateur essentiel dont le rôle est d’accroître les trois diamètres du thorax ;
– l’asphyxie d’origine circulatoire où elle fait suite à un arrêt cardiaque.

IMPACTS DES SURTENSIONS SUR LES APPAREILS DES ABONNES

Lorsque les surtensions appliquées à un matériel dépassent son niveau d’isolement, on peut avoir destruction de l’isolant ou des composants. De plus, on peut néanmoins à craindre un vieillissement prématuré dans le cas de la répétition de la surtension.
Les composants semi-conducteurs peuvent entraîner aussi des dysfonctionnements de matériels. Les surtensions à front raide peuvent provoquer des amorçages intempestifs ou des non-amorçages dethyristors, de transistor, ou de diodes. Ceci peut entraîner des courts-circuits dans l’équipement. Le composant peut être endommagé soit directement par la surtension, soit indirectement par le court-circuit consécutif à la mauvaise commutation.
Ces surtensions peuvent également provoquer dans les équipements traitant de l’information, des fonctionnements intempestifs, des pertes d’informations, des envois d’ordres erronés.
La norme C 15-100 définit des catégories de surtensions pour classifier les différents matériels électriques. Elle indique que les matériels doivent être choisis que leur tenue aux surtensions soit au moins égale à la valeur des surtensions présumées au lieu de leur installation.

IMPACTS SUR LE CHOIX D’ INFRASTRUCTURE ET DE LA QUALITE DE SERVICE LIES AUX CONDITIONS ATMOSPHERIQUES

Si l’on a de choix pour l’implantation de l’usine ou des locaux tertiaires, il convient de se renseigner préalablement sur le niveau kéraunique de la région et surtout du site choisis.
Les services de prévision des orages (météorage) donnent des informations sur l’approche des orages et de l’augmentation de la probabilité d’un coup de foudre.
Elles permettent cependant de prendre certaines précautions sur les procédés à risque.
Sauvegarde de programmes.
Interruption momentanée et propre de certain traitement informatique ou procédés industriels à risque, en attendant la diminution de la probabilité de perturbation.
Ilotage de l’installation sur les moyens de production internes du site tels que turboalternateurs, groupes électrogènes, s’ils existent.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 THEORIE GENERALE DES LIGNES A CONSTANTES REPARTIES
1.1. INTRODUCTION
1.2. LIGNES A CONSTANTES LOCALISEES -LIGNES A CONSTANTES REPARTIES
1.3. PROPAGATIONS DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES
1.4. REPRESENTATIONS APPROCHEES DES LIGNES A CONSTANTES REPARTIES
1.5. PARAMETRES DE PROPAGATION
1.6. SOLUTIONS DE L’EQUATION DE PROPAGATION
1.7. LIGNE MONOPHASEE FERMEE SUR UNE IMPEDANCE
1.8. LIGNE MONOPHASEE OUVERTE
1.9. LIGNE MONOPHASEE EN COURT-CIRCUIT
1.10. AMORTISSEMENT D’UNE ONDE GUIDEE PAR UNE LIGNE MONOPHASEE
1.11. LES AMORTISSEMENTS TRANSVERSAUX
1.12. INFLUENCE DU PASSAGE EN CABLE AU BOUT D’UNE LIGNE AERIENNE
1.13. LIGNES TRIPHASEES
Chapitre 2 LES SURTENSIONS TRANSITOIRES DANS LE RESEAU
2. 1. GENERALITES
2.2. LES SURTENSIONS TEMPORAIRES
2.3. LES SURTENSIONS DE MANŒUVRE
2.4. LES SURTENSIONS ATMOSPHERIQUES
Chapitre 3 MOYENS DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS
3.1. INTRODUCTION
3.2. LES PRISES DE TERRE
3.3. ECLATEUR
3.4. PARAFOUDRE
Chapitre 4 SIMULATIONS ET ANALYSE DES PHENOMENES
4.1. INTRODUCTION
4.2. PRESENTATION DU LOGICIEL ATP-EMTP ET SA STRUCTURE
4.3. PRESENTATION DE L’INSTALLATION B.T DES ABONNES
4.4. SURTENSION D’ORIGINE ATMOSPHERIQUE
4.5. SURTENSION TRANSITOIRE DUE A UN COUP DE FOUDRE SUR UNE PHASE DU RESEAU
4.6. SURTENSIONS DUES A L’ENCLENCHEMENT ET AU REECLENCHEMENT DES RESEAUX TRIPHASEES
Chapitre 5 IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
5.1. ENVIRONNEMENT
5.2. LES ACCIDENTS CORPORELS DUS AUX TENSIONS
5.3. IMPACTS DES SURTENSIONS SUR LES APPAREILS DES ABONNES
5.4. IMPACTS SUR LE CHOIX D’INFRASTRUCTURE ET DE LA QUALITE DE SERVICE LIES AUX CONDITIONS ATMOSPHERIQUES
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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