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Cahier Technique N°10 Protection des générateurs électriques Les Cahiers Techni

Cahier Technique N°10 Protection des générateurs électriques Les Cahiers Techniques de MICROENER Cahier N°10 Sce Technique : 01 48 15 09 03 Fax : 01 43 05 08 24 PROTECTION DES GENERATEURS Rev. A Page 2 sur 98 2 SOMMAIRE AVANT PROPOS................................................................................................................................................... 4 RAPPEL .................................................................................................................................................................. 5 Flux tournant triphasé ......................................................................................................................................... 5 Machines Synchrones ......................................................................................................................................... 7 Machines Asynchrones....................................................................................................................................... 7 MACHINE ASYNCHRONE .................................................................................................................................. 8 MACHINE SYNCHRONE ................................................................................................................................... 10 Introduction ...................................................................................................................................................... 10 Rappels 13 Les axes 13 Décomposition du courant statorique .......................................................................................................... 13 Caractéristique à vide ............................................................................................................................. 14 Caractéristique en charge ........................................................................................................................ 14 Le diagramme des flux ................................................................................................................................ 16 Machine à vide ........................................................................................................................................ 16 Machine en charge .................................................................................................................................. 16 Les réactances .............................................................................................................................................. 18 Décomposition des réactances ................................................................................................................ 18 Le diagramme de Potier d’un alternateur ................................................................................................ 19 Le diagramme de stabilité générale ........................................................................................................ 20 Diagramme de Behn-Eschenburg ..................................................................................................................... 21 Diagramme de Blondel ..................................................................................................................................... 23 Grandeurs caractéristiques des machines ......................................................................................................... 24 Réactances ................................................................................................................................................... 24 Constantes de temps électriques .................................................................................................................. 26 Exemples de réactances et de constantes de temps électriques ................................................................... 27 Forme du courant de défaut (sens direct et transversal) ................................................................................... 28 Mode de fonctionnement des alternateurs ........................................................................................................ 30 Principaux types d’excitation ........................................................................................................................... 31 Diagramme PQ de fonctionnement de l’alternateur ......................................................................................... 34 Machine à pôles saillants ............................................................................................................................. 34 Machine à pôles lisses ................................................................................................................................. 34 Technologie des alternateurs ............................................................................................................................ 35 COMPARAISON MACHINE ASYNCHRONE – MACHINE SYNCHRONE .................................................. 39 Machine asynchrone ......................................................................................................................................... 39 Machine synchrone .......................................................................................................................................... 40 DEFAUTS SUR LES ALTERNATEURS ............................................................................................................ 41 Nature des défauts ............................................................................................................................................ 41 Incidences des défauts ...................................................................................................................................... 42 Actions suite à un défaut .................................................................................................................................. 43 Stabilité de l'alternateur .................................................................................................................................... 44 Généralités ................................................................................................................................................... 44 La stabilité dynamique ................................................................................................................................ 44 La stabilité transitoire .................................................................................................................................. 46 Les Cahiers Techniques de MICROENER Cahier N°10 Sce Technique : 01 48 15 09 03 Fax : 01 43 05 08 24 PROTECTION DES GENERATEURS Rev. A Page 3 sur 98 3 Exemple de courant de défaut aux bornes d'un alternateur de centrale ............................................................ 48 Méthode à employer pour le calcul des courants de défauts triphasés et à la terre (complète ou simplifiée) 49 Calcul de défaut triphasé aux bornes de GR1 .............................................................................................. 52 PROTECTION DES ALTERNATEURS ............................................................................................................. 56 Choix des protections selon la puissance de la machine .................................................................................. 56 Choix des protections selon la nature du défaut ............................................................................................... 57 Présentation des protections ............................................................................................................................. 58 Protection de surcharge thermique (F49 – F26) .......................................................................................... 58 Protection de surintensité (F51 – F51V – F51/27 – F21) ............................................................................ 60 Protection ampèremétrique temporisée ................................................................................................... 61 Protection ampèremétrique temporisée à retenue de tension .................................................................. 62 Protection ampèremétrique temporisée à contrôle de tension ................................................................. 62 Protection à minimum d’impédance à temps constant ............................................................................ 63 Protection contre les déséquilibres de courant (F46) ................................................................................... 63 Protection de retour de puissance active (F32) ............................................................................................ 65 Protection à minimum de tension (F27) ...................................................................................................... 66 Protection à maximum de tension (F59) ...................................................................................................... 67 Protection à maximum et minimum de fréquence (F81O/81U) .................................................................. 68 Protection de surexcitation (F24 correspondant à F59/81) .......................................................................... 69 Protection masse stator (F64S) .................................................................................................................... 71 Choix du régime de neutre ...................................................................................................................... 72 Protection ................................................................................................................................................ 75 Protection de rupture de champ (F40) ......................................................................................................... 80 Protection de rupture de champ .............................................................................................................. 81 Détection de puissance réactive .............................................................................................................. 83 Protection de masse rotor (F64R) ................................................................................................................ 84 Injection de courant alternatif 50 Hz ...................................................................................................... 85 Injection de courant alternatif TBF (4 à 20 Hz) ...................................................................................... 85 Protections différentielles (F87G/F87N) ..................................................................................................... 86 Protection différentielle longitudinale basse impédance ......................................................................... 86 Protection différentielle longitudinale basse impédance à pourcentage ................................................. 86 Protection différentielle longitudinale haute impédance ......................................................................... 88 Protection différentielle homopolaire dite de «TERRE RESTREINTE» ............................................... 90 Détection défaut diodes (F58) ..................................................................................................................... 92 Protection directionnelle (F67/F67N) .......................................................................................................... 93 PROTECTIONS GENERATRICES ASYNCHRONES ...................................................................................... 95 Protection ......................................................................................................................................................... 95 Protection de séquence de phase (F47)............................................................................................................. 96 PROTECTIONS COMPLEMENTAIRES ............................................................................................................ 97 Protection défaillance disjoncteur (F51BF) ...................................................................................................... 97 Détection de fusion fusible (F60) ..................................................................................................................... 98 Les Cahiers Techniques de MICROENER Cahier N°10 Sce Technique : 01 48 15 09 03 Fax : 01 43 05 08 24 PROTECTION DES GENERATEURS Rev. A Page 4 sur 98 4 AVANT PROPOS Dans les différents chapitres l’appellation «machine électrique» est utilisée indifféremment pour les alternateurs synchrones et asynchrones, les moteurs synchrones et asynchrones, les transformateurs, seuls les récepteurs statiques (ex: résistance) ne sont pas concernés. Toute machine électrique est réversible. Lorsque l’on fournit un couple mécanique au rotor d’une machine, le stator fournira au réseau auquel il est raccordé une énergie électrique (fonctionnement en alternateur), réciproquement lorsqu’un réseau électrique fournit au stator une énergie électrique, le rotor produira un couple mécanique (fonctionnement en moteur). Un transformateur peut être alimenté soit par le primaire soit par le secondaire et servira donc soit en abaisseur soit en élévateur (mais en conservant la puissance). Les Cahiers Techniques de MICROENER Cahier N°10 Sce Technique : 01 48 15 09 03 Fax : 01 43 05 08 24 PROTECTION DES GENERATEURS Rev. A Page 5 sur 98 5 RAPPEL Flux tournant triphasé - Réalisé avec 3 inductions sinusoïdales triphasées dans le même plan dont les directions sont fixes dans l’espace et décalées de 120°. - Les expressions algébriques sont : b1 = Bm sin t b2 = Bm sin t - 2/3 b3 = Bm sin t - 4/3 Au même instant, chaque vecteur induction est représenté par les graphiques ci-dessous : B 1 A b1 à l’instant t = /2 0 3 2 b1 = Bm sin t = Bm sin /2 = Bm Les Cahiers Techniques de MICROENER Cahier N°10 Sce Technique : 01 48 15 09 03 Fax : 01 43 05 08 24 PROTECTION DES GENERATEURS Rev. A Page 6 sur 98 6 On peut remplacer b1 par 2 vecteurs circulaires OB et OA d’amplitude Bm/2 (vecteurs en phase àl’instant t = /2) et de vitesse angulaire . 1 D b2 à l’instant t = /2 (au même instant) 0 C 3 2 On peut remplacer b2 par 2 vecteurs circulaires OD et OC d’amplitude Bm/2 1 F b3 à l’instant t = /2 (au même instant) 0 E 3 2 On peut remplacer b3 par 2 vecteurs circulaires OF et OE d’amplitude Bm/2 b1 Les 3 inductions au même instant b1 = Bm sin t 1 BADF b2 = Bm sin t - 2/3 b3 = Bm sin t - 4/3 O b1, b2, b3 à l’instant t = /2 C E (au même instant) 3 2 b3 b2 Les Cahiers Techniques de MICROENER Cahier N°10 Sce Technique : 01 48 15 09 03 Fax : 01 43 05 08 24 PROTECTION DES GENERATEURS Rev. A Page 7 sur 98 7 Conclusion : Les 3 inductions circulaires OB, OC, OE s’annulent. Les 3 inductions circulaires OA, OD, OF coïncident, leur somme est égale à 3/2 Bm. Même résultat quel que soit l’instant d’observation. La somme en un point suivant trois directions décalées de 120° de 3 inductions sinusoïdales triphasées est une induction circulaire tournante. Pour les Générateurs 2 types de machines sont utilisés: Machines Synchrones Pour des fortes puissances (ordre de grandeur Sn > 2 MVA). Le rotor tourne en synchronisme avec le champ tournant statorique (en fonctionnement moteur) ou le flux dans le stator a une vitesse de variation égale à la vitesse de variation du rotor (en fonctionnement alternateur). Une machine synchrone est composée de: - Induit (généralement triphasé). - Inducteur alimenté en courant continu (par l’excitation pour la fourniture d’énergie réactive). - Amortisseurs (cages d’écureuils disposés sur le rotor pour supprimer les oscillations autour du point de synchronisme). Machines Asynchrones Pour des puissances plus faibles (ordre de grandeur Sn < 2 MVA). Le rotor tourne moins vite que le champ tournant statorique pour que la fréquence dans le stator soit égale à la fréquence du réseau, le rotor devra être entraîné à une vitesse supérieure à la vitesse théorique de synchronisme (compensation du glissement). La machine asynchrone est caractérisée par: - Pas d’excitation à courant continu (l’énergie réactive nécessaire au fonctionnement de la machine est empruntée au réseau). - Le rotor tourne moins vite que le champ tournant statorique il y a glissement: gl = (ns – nr) / ns ou ns = vitesse de synchronisme. nr = vitesse du rotor. - Le rotor est du type à cage d’écureuil (puissance Sn < 0.5 MVA) ou bobiné en court-circuit. Les Cahiers Techniques de MICROENER Cahier N°10 Sce Technique : 01 48 15 09 03 Fax : 01 43 05 08 24 PROTECTION DES GENERATEURS Rev. A Page 8 sur 98 8 MACHINE ASYNCHRONE a) Principe: N Stator Rotor S Inducteur = flux glissant de la machine (stator). Induit dont la vitesse relative est plus faible que la vitesse du champ tournant du stator (glissement). gl = [(ns – nr) / ns] x 100 où ns = vitesse de synchronisme. nr = vitesse du rotor. Le glissement d’un moteur asynchrone étant de l’ordre de 2%, le rotor devra donc tourner à une vitesse de 1.02 ns pour que le stator produise une tension de fréquence Fn. La technologie de réalisation des alternateurs asynchrones est soit «à cage» (voir amortisseurs des machines synchrones) soit à rotor bobiné (en court-circuit donc sans excitation). uploads/Industriel/ protection-des-generateurs-electriquesa.pdf