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Chapitre 2- Transitoires électromagnétiques dans le réseau électrique (Connaiss

Chapitre 2- Transitoires électromagnétiques dans le réseau électrique (Connaissances préalables : ¨surtensions¨ chapitre III de la matière QEE) I. Quelques rappels sur les transitoires électromagnétiques Un certain nombre de phénomènes électriques correspondant à des variations brutales des grandeurs électriques d’un système ou d’un réseau peuvent être regroupés sous l’appellation « transitoires électromagnétique». On peut y trouver les phénomènes de résonnance, de ferrorésonnance, de surtensions à front plus ou moins rapide telles que la tension transitoire de rétablissement aux bornes d’un disjoncteur ou celle suivant un impact de foudre, ou encore l’impact du courant d’enclenchement des transformateurs. Ces phénomènes peuvent être non linéaires comme la ferrorésonance, phénomène électromagnétique pouvant apparaitre dans certaines conditions sur les réseaux électriques comportant des transformateurs saturables (transformateurs de potentiel notamment) et des capacités (capacité parasite sur les câbles, bancs de compensation de réactif…). I.1. Catégories des phénomènes transitoires Les transitoires électromagnétiques peuvent causer des surtensions. On peut regrouper les surtensions dans les catégories suivantes: – temporaires (longue durée) ; – à front lent (manœuvre) ; – à front rapide (foudre) ; – à front très rapide. Dans chacune de ces catégories, on trouve différentes causes à l’origine des surtensions. Pour les surtensions à front lent, on peut distinguer l’enclenchement d’une ligne de transport à vide, l’élimination d’un défaut ou le débranchement d’une charge inductive. Pour les surtensions à front rapide, il faut distinguer les coups de foudre frappant directement un conducteur de phase d’une ligne et les coups de foudre frappant un câble de garde ou un pylône et provoquant l’amorçage en retour d’une chaîne d’isolateurs. Les surtensions temporaires peuvent, par exemple, être issues d’un défaut phase-terre ou d’une perte de charge. Le contenu fréquentiel des transitoires de réseau peut varier du courant continu (0 Hz) à 50 MHz. Les fréquences au-dessus de la fréquence fondamentale impliquent en général des phénomènes transitoires électromagnétiques, tandis que les fréquences inférieures à la fréquence nominale (industrielle) peuvent aussi inclure des modes électromécaniques. I.2 Notions de surtensions Les surtensions sont des perturbations qui se superposent à la tension nominale d’un circuit. Elles peuvent apparaître: - entre phases ou entre circuits différents, et sont dites de mode différentiel, - entre les conducteurs actifs et la masse ou la terre et sont dites de mode commun. Leur caractère varié et aléatoire les rend difficiles à caractériser et n’autorise qu’une approche statistique en ce qui concerne leur durée, leurs amplitudes et leurs effets. Dans les réseaux de transport THT, les coups de foudre sont amortis en quelques microsecondes et les surtensions de manœuvre en quelques millisecondes. Par contre, les surtensions temporaires ont des durées relativement importantes avec différentes amplitudes et atténuations. Les surtensions peuvent être classées selon la durée (ou la gamme de fréquence) ou en fonction de la nature du phénomène comme indiqué sur la figure 1. Figure 1. Classification et origines des surtensions. Notre intérêt Notre intérêt Tableau 1. Les différentes formes de surtensions. Ces phénomènes peuvent être la cause de dommages dans les réseaux et les systèmes électriques par surtension (claquage diélectrique). En fait, les risques se situent essentiellement au niveau des dysfonctionnements, de la destruction de matériel et, en conséquence, de la non continuité de service. Ces effets peuvent apparaître sur les installations des distributeurs d’énergie ou sur les installations des utilisateurs. Les perturbations peuvent conduire à : - des interruptions courtes (réenclenchements automatiques sur les réseaux de distribution publique MT par lignes aériennes), - des interruptions longues (intervention pour changement d’isolants détruits, voire remplacement de matériel). I.2.1. Surtensions et coordination des isolements La coordination de l’isolement a pour rôle de déterminer les caractéristiques d’isolement des réseaux en vue d’obtenir une tenue homogène aux tensions normales, ainsi qu’aux surtensions de diverses origines (Figure 2). C'est difficile pour la conception d'un matériel qui peut supporter tous les types de surtensions. Les chercheurs et les ingénieurs doivent trouver un compromis entre les niveaux de protection et le problème économique. La coordination de l’isolement électrique des ouvrages a pour objet de donner à chaque ouvrage les moyens de supporter sans Postes blindés Essai normalisé dommages les niveaux de tensions ou de surtension auxquels ils peuvent être soumis pendant leur fonctionnement. Elle comporte deux aspects: - un aspect passif visant à donner une bonne tenue du matériel aux contraintes électriques en Tension ; - un aspect actif visant à diminuer le niveau des surtensions par l’utilisation des dispositifs de protection comme les parafoudres, les éclateurs, les réactances shunt, les compensateurs statiques ... Figure 2. Coefficient de surtension sur les réseaux MT-HT. II. Transitoires électromagnétiques de manœuvres et de Foudre En général, une manœuvre (fermeture, ouverture de disjoncteur, etc.) effectuée dans un réseau d’énergie, modifie l’état du réseau en le faisant passer des conditions existantes avant la manœuvre celles qui existent après exécution de celle-ci. Il en résulte des phénomènes transitoires. La tension fréquence industrielle peut avoir, avant et après la manœuvre, des valeurs différentes par suite de la modification de l’état du réseau. L’amplitude totale de la surtension due à la manœuvre peut être décomposée en deux parties, à savoir une composante transitoire superposée à une composante fréquence industrielle. II.1.Manœuvre d’ouverture : Coupure des courants de charges et de défauts II.1.1. Principe de la coupure Un appareil de coupure idéal serait un appareil capable d’interrompre le courant instantanément, or aucun appareil mécanique n’est capable de couper le courant sans l’aide de l’arc électrique qui dissipe l’énergie électromagnétique du circuit électrique, limite les surtensions, mais retarde la coupure totale du courant. L’interrupteur idéal En théorie, pouvoir interrompre instantanément un courant c’est être capable de passer directement de l’état conducteur à l’état isolant. La résistance d’un tel interrupteur « idéal » doit donc passer immédiatement de zéro à l’infini, (figure 3). Figure 3. Coupure réalisée par un interrupteur idéal. Cet appareil devrait être capable : - d’absorber toute l’énergie électromagnétique accumulée dans le circuit avant la coupure, soit, en cas de court-circuit, ½(Li2) du fait de la nature selfique des réseaux ; - de supporter la surtension (Ldi/dt) qui apparaît à ses bornes et aurait une valeur infinie si le passage isolant-conducteur se faisait en un temps infiniment petit, ce qui conduirait inévitablement au claquage diélectrique. En imaginant que ces difficultés soient éliminées en réalisant une synchronisation parfaite entre le passage naturel à zéro du courant, et la transition isolant-conducteur de l’appareil un autre phénomène tout aussi délicat doit être surmonté, celui de la Tension Transitoire de Rétablissement (TTR). II.1.2. Notions de TTR et de VATR - Tension Transitoire de rétablissement (TTR) La tension transitoire de rétablissement (TTR, ou TRV de l'anglais Transient Recovery Voltage) est la tension électrique (figure 4) qui se rétablit aux bornes d'un appareillage électrique lorsqu'il interrompt un courant alternatif. C'est un paramètre qui influe fortement sur la réussite d'une coupure de courant dans un réseau à haute tension. Lors du développement d'un disjoncteur ou d'un interrupteur à haute tension, le constructeur doit démontrer que l'appareil supporte les TTR définies par les normes CEI ou IEEE. Pour leur part, les utilisateurs de ce matériel doivent définir les valeurs requises dans leurs spécifications. Figure 4. Illustration d'une TTR après coupure d'un courant alternatif. - Vitesse d’accroissement de la TTR (VATR) La VATR est un taux d’accroissement défini par une convention internationale pour caractériser l’allure de cette tension. Elle s’exprime en volt par micro-secondes. La VATR s’obtient par le quotient de la valeur maximale Umax de la tension atteinte par la durée tmax qu’il a fallu pour l’atteindre à partir de la coupure définitive du courant (figure 5). Figure 5. Illustration de la VATR. Tension réseau La Tension de Tenue Diélectrique (TTD) est la tension disruptive du milieu inter-électrode immédiatement après la coupure. La TTR dans les normes : Bien que la vitesse de croissance de la TTR à un rôle fondamental sur les capacités de coupure des appareils, sa valeur ne peut être déterminée précisément pour toutes les configurations de réseau. Le pouvoir de coupure d’un disjoncteur est alors défini, à sa tension assignée et avec la TTR II.1.3. Processus de coupure Juste après l’interruption du courant, la tension (de rétablissement) aux bornes de l’interrupteur rejoint la tension du réseau qui est maximale à cet instant là pour les circuits inductifs (figure 6). Ceci se fait sans discontinuité brutale du fait des capacités parasites du réseau. Un régime transitoire s’établit alors assurant le raccordement de la tension à celle du réseau. Figure 6. Tensions et processus de coupure. La tension transitoire de rétablissement (TTR) dépend des caractéristiques du réseau et sa vitesse de croissance (VATR) peut être considérable (de l’ordre du kV/µs). En simplifiant cela signifie que, pour éviter l’échec de la coupure, l’interrupteur idéal doit pouvoir supporter plusieurs kV à moins d’une micro seconde après la transition conducteur-isolant. Pour que la coupure soit réussie, il faut également que la vitesse de régénération diélectrique soit plus rapide que celle de la TTR sinon un claquage diélectrique apparaît. A l’instant où se produit la rupture diélectrique, le milieu redevient conducteur, ce qui génère des phénomènes transitoires. Ces échecs diélectriques post-coupure sont appelés : uploads/Ingenierie_Lourd/ chapitre-2-stabilite-dynamique-re.pdf