Soutenance mémoire
Le Gridlab Dispatching intègre une reproduction à l’échelle d’une usine de production hydroélectrique locale (la Lienne SA à Saint-Léonard). Dans la pratique, chaque groupe de production d’une centrale comporte un système de protection par relais numériques qui contrôlent que l’installation fonctionne correctement et commandent un disjoncteur en cas d’anomalie. L’installation a été conçue à une échelle de 1:5’000 par rapport à la puissance de l’installation réelle.
Description du projet et cahier des charges
L’installation est composée de quatre groupes de production. Ils sont composés d’une génératrice et d’un transformateur étoile-étoile. Deux de ces groupes sont directement reliés au réseau 400V. Les deux autres sont reliés au réseau par l’intermédiaire d’une ligne aérienne et d’une ligne enterrée.
Les génératrices génèrent un courant de 10A à puissance nominale. Les transformateurs ont un rapport de transformation unitaire. On se retrouve donc avec 40A au point d’injection du réseau. On peut également se retrouver avec un courant nominal de 20A sur une ligne si l’autre est déclenchée. Il existe également un banc de test de protections électrique qui utilise le logiciel RelaySimTest d’Omicron .
Le cahier des charges du projet s’articule comme suit :
• Commander les transformateurs de mesures nécessaires au plan de protection étudié dans le projet de semestre
• Designer et réaliser un chariot mobile qui permette de les contenir
• Tester, installer et câbler les transformateurs de mesures dans le chariot (si livrés à temps
• Compléter le banc de test avec l’installation et le test d’un relais REL650
• Identifier, parmi les scénarios d’anomalies possibles à l’échelle unitaire, ceux qui serait reproductible dans le RelaySimTest
• Validation du concept de protection élaboré (Réponse des relais au courant de défaut) pour les scénarios d’anomalies identifiés.
Protections
Un système de protection surveille en permanence l’état des éléments d’un réseau et ordonne la mise hors tension en cas de perturbation afin de limiter l’impact du défaut (endommagement des infrastructures).
Objectifs des protections
Un système de sécurité d’une installation de production électrique doit être conçue pour :
• Assurer la sécurité des personnes et des biens (électrocution, départ d’incendie,…)
• Minimiser ou éviter la destruction du matériel (élévation dangereuse des températures, incendie, explosion causée par l’amorçage d’un arc,…)
• Garantir la continuité de la fourniture du réseau électrique .
La conception d’un système de protection est un équilibre délicat entre :
• Rapidité : qui permet de réduire les conséquences d’un défaut
• Sensibilité : détecter tous les défauts
• Fiabilité : ne pas avoir de déclenchement intempestif et déclencher en cas de défaut
• Sélectivité : déclencher uniquement la partie en défaut
• Simplicité : pour faciliter la maintenance et la mise en œuvre
• Prix
Réalisation des protections
Une fonction de protection est composée d’instruments de mesure pour connaître l’état du système en tout temps. Ces mesures sont ensuite ramenées vers un relais de protection qui les traite et qui donne l’ordre à un organe de coupure (disjoncteur en général) d’ouvrir le circuit en cas d’anomalie. Les liaisons entre les capteurs et le relais ou entre le relais et l’organe de coupure sont principalement faites avec des câbles de cuivre. Des liaisons en fibres optiques commencent à être utilisées.
Cet ensemble doit pouvoir :
• Éliminer les défauts en séparant la partie saine du réseau et la partie défectueuse en ouvrant l’organe de coupure le plus proche.
• Prévoir des protections de secours
• Prévoir des protections spécifiques pour certains appareils (génératrice, transformateur, …)
• Prévoir la possibilité de changer temporairement le fonctionnement des protections afin de pouvoir effectuer des travaux de maintenances pendant l’exploitation .
Un plan de protection doit intégrer ces différentes contraintes afin d’assurer les objectifs du système de protection au meilleur prix. Le temps d’élimination des défauts est composé du temps de fonctionnement des protections et du temps d’ouverture de l’organe de coupure.
Mesures
La mesure de l’état du système n’est pas prise directement sur l’alimentation du matériel pour des raisons de sécurité, technique et économique. A la place, des instruments de mesures sont utilisés. Ils permettent d’avoir un découplage galvanique et une réduction de la valeur mesurée vers des valeurs normalisées (100V et 1A ou 5A). Les instruments de mesures couramment utilisés sont des transformateurs dédiés à la protection pour le courant et pour la tension. Le choix des transformateurs a été réalisé dans le cadre de mon travail de semestre qui est en annexe 1. Contrairement aux transformateurs de mesures, les transformateurs de protection sont conçus pour reproduire fidèlement l’évolution de la valeur de défaut.
Transformateur de courant
Un transformateur de protection de courant est prévu pour mesurer et transmettre aussi fidèlement que possible l’image d’un courant de défaut. Contrairement à un transformateur de mesure, la précision et la puissance de mesure ne sont pas prévues pour des courants nominaux mais bien pour ces courants de défauts.
Ils sont caractérisés par :
• Un courant primaire : Le courant nominal à pleine charge.
• Un courant secondaire : Le courant nominal de sortie accepté par les relais.
• Une puissance de précision : Puissance connectée au secondaire où la précision est garantie.
• Une classe de précision : Détermine l’erreur maximale au courant limite de précision selon la norme CEI 60044-1. Voir figure 4 et son explication.
• Un facteur de sécurité : Facteur entre le courant de défaut maximum où la précision est garantie et le courant nominal.
La classe de précision donne l’erreur maximale au courant limite de précision et l’erreur au courant nominale. Les classes normalisées sont 5P et 10P. L’indication de la classe de précision est suivie du facteur limite de précision. Les facteurs de sécurité standards sont 5, 10, 15, 20 ou 30. Par exemple pour le transformateur de la figure 3 : on a une erreur inférieur à ±5% pour un courant plus petit que 4KA et une erreur inférieur à ±1% pour un courant de 400A. Le choix de la classe dépend de l’utilisation de la mesure. Il ne faut pas oublier de tenir compte de l’erreur de l’appareil de mesure pour déterminer la précision du système complet.
Pour dimensionner un transformateur de courant, il faut respecter les points suivants:
1) Le ratio primaire doit être plus grand ou égale au courant de charge nominale à pleine charge.
2) Il faut s’assurer que le transformateur peut commander la charge (burden dans la littérature anglaise) dans le pire des cas (Courant de défaut maximum).
3) Vérifier qu’on ne sature pas .
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Table des matières
1 Introduction
2 Description du projet et cahier des charges
3 Protections
3.1 Objectifs des protections
3.2 Réalisation des protections
3.3 Mesures
3.3.1 Transformateur de courant
3.3.2 Transformateur de tension
3.4 Relais de protections numériques
3.4.1 REG670
3.4.2 RED615
3.4.3 REL650
3.4.4 REF615
3.5 Organe de coupure
3.6 Plan de protection
4 Concept de protection Gridlab et étude des défauts
4.1 Circuit du Gridlab
4.1.1 Repérage schéma Gridlab
4.1.2 Détermination des points de raccordement
4.2 Lignes
4.2.1 Lignes aériennes
4.2.2 Câbles souterrains
4.3 Transformateur
4.3.1 Surcharge
4.3.2 Court-circuit
4.3.3 Défaut à la masse
4.4 Génératrice
4.4.1 Court-circuit
4.4.2 Charge asymétrique
4.4.3 Surtension
4.4.4 Perte d’excitation
4.4.5 Perte de synchronisme
4.4.6 Retour de puissance
4.5 Défaut causé par le réseau
4.5.1 Défaut de fréquence
4.5.2 Défaut de tension
4.5.3 Court-circuit sur le réseau
4.5.4 Fonctionnement en îlotage
4.6 Transformateurs de mesures
4.6.1 Interruption du circuit secondaire
4.7 Défaillance disjoncteur
4.8 Etude de la simulation et de la réalisation des défauts
4.8.1 Court-circuit
4.8.2 Asymétrie du réseau
4.8.3 Perte d’excitation
4.8.4 Coup de foudre sur la ligne
4.8.5 Défectuosité ligne
4.8.6 Retour de puissance
4.8.7 Défaut réseau
4.8.8 Défaut transformateur de mesure
4.8.9 Défaillance disjoncteur
4.8.10 Surcharge
5 Conclusion
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