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n° 174 protection des réseaux HTA industriels et tertiaires André SASTRE Dès 19

n° 174 protection des réseaux HTA industriels et tertiaires André SASTRE Dès 1966 il se spécialise dans les mesures électrotechniques et les automatismes industriels. Ingénieur autodidacte en 1971. Il entre chez Merlin Gerin en 1988 et participe à la création de l’activité Protection-Contrôle-Commande HTA. Il est maintenant chargé de l’animation du réseau commercial pour cette activité. CT 174 édition décembre 1994 Cahier Technique Merlin Gerin n° 174 / p.2 électrisation : action de communiquer une charge électrique à un corps, état d’une personne reliée à un élément sous tension. électrocution : mort accidentelle causée par le courant électrique, phase ultime de l’électrisation. HTA et HTB : les niveaux de tensions font l’objet de différents classements selon les décrets, les normes, et autres spécifications particulières telles celles de certains distributeurs d’énergie, ainsi en ce qui concerne les tensions alternatives supérieures à 1 000 V : I le décret français du 14 novembre 1988 définit deux domaines de tension : HTA = 1 kV < U ≤ 50 kV, HTB = U > 50 kV. I la publication CEI 71 précise des gammes de tensions les plus élevées pour le matériel : I gamme A = 1 kV < U < 52 kV, I gamme B = 52 kV ≤ U < 300 kV, I gamme C = U ≥ 300 kV. AMDEC : méthode d’étude, «Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de leur Criticité», dans laquelle selon une définition de la CEI 812 «un mode de défaillance est un effet par lequel on observe la défaillance d’un élément du système étudié». BTA et BTB : catégories de tensions définies par le décret du 14 novembre 1988 : I en alternatif 50 V < BTA ≤ 500V 500 V < BTB ≤ 1000V I en continu (taux d’ondulation < 10 %) 120 V < BTA ≤ 750V 750 V < BTB ≤ 1500V Ces deux catégories sont regroupées dans le domaine I selon la CEI 364 et NF C 15-100, courant différentiel résiduel : somme vectorielle des courants parcourant tous les conducteurs actifs (phases et neutre) d’un circuit en un point de l’installation (aussi appelé courant résiduel). Une révision est prévue, elle retient seulement deux gammes : I gamme I = 1 kV < U ≤ 245 kV, I gamme II = U ≥ 245 kV. mesure RMS -Root Mean Square- : valeur du courant efficace, courants harmoniques compris = Ieff = Ih1 2 + Ih3 2 + Ih5 2 + ... + Ihn 2 + ... avec h1 = harmonique de rang 1, h3 = harmonique de rang 3, hn = harmonique de rang n. Pcc : puissance de court-circuit. stabilité dynamique d’un réseau : faculté qu’a un réseau, comportant plusieurs machines tournantes asynchrones et synchrones, de reprendre un fonctionnement normal à la suite d’une perturbation brutale ayant entraîné une modification provisoire (cas d’un court-circuit) ou définitive (ouverture d’une ligne) de sa configuration. lexique Cahier Technique Merlin Gerin n° 174 / p.3 protection des réseaux HTA industriels et tertiaires sommaire 1. protection électrique et sûreté les conséquences d’un p. 4 défaut électrique le besoin de l’exploitant p. 4 la structure d’un réseau p. 4 électrique le plan de protection p. 5 la sélectivité p. 7 la fiabilité des protections p. 8 les fonctions de protection p. 8 et de contrôle-commande réunies 2. les types de sélectivité et sélectivité ampèremétrique p. 10 sélectivité chronométrique p. 10 sélectivité logique p. 11 protection différentielle p. 12 protection directionnelle p. 14 protection à minimum p. 15 d’impédance la sélectivité optimale p. 16 synthèse d’emploi des p. 18 différents types de protections 3. emploi des protections précautions de choix et p. 19 d’emploi des protections précautions relatives p. 20 aux capteurs précautions relatives p. 21 au réseau 4. guide de choix p. 22 5. conclusion p. 24 6. informations pratiques données nécessaires p. 25 pour réaliser une étude de sélectivité diagramme de sélectivité p. 25 7. bibliographie p. 27 La protection des réseaux électriques nécessite la mise en œuvre de nombreuses et différentes techniques dont l’organisation, ou plan de protection, nécessite les compétences d’un spécialiste. En effet, ce travail impose de connaître les règlements et les normes, mais aussi de concilier des aspects technico- économiques qui parfois s’opposent. Ce spécialiste doit satisfaire le besoin de l’exploitant en termes de sécurité et de disponibilité de l’énergie électrique. L’atteinte de cet objectif de sûreté dépend pour une très grande part de la sélectivité entre les dispositifs de protection. Pour permettre à un non spécialiste de dialoguer utilement avec le concepteur d’une installation électrique HTA, ce Cahier Technique aborde simplement ces techniques de protection et de sélectivité. Un lecteur déjà informé pourra entamer sa lecture à partir du deuxième chapitre, et un praticien se porter directement au chapitre trois. de protection Cahier Technique Merlin Gerin n° 174 / p.4 fig. 1 : il y a sélectivité entre les protections A et B ainsi que B et C lorsque pour tout défaut en aval de A, seul le disjoncteur A s’ouvre, alors que le courant de défaut Id a aussi été détecté par B et C. le besoin de l’exploitant Si ce besoin devait être exprimé par un seul mot, ce serait SÛRETÉ. Ce mot a plusieurs acceptions (cf. Cahiers Techniques n° 134 et 144), dans ce document les deux sens retenus sont : I sécurité I disponibilité, mais abordés sous l’angle des protections électriques. Ainsi, les dispositifs de protection ont une forte incidence sur la sécurité, car ils doivent éliminer au plus vite un défaut pour protéger les personnes et les biens contre ses conséquences (accident corporel, dégât matériel). Ces mêmes dispositifs influent fortement sur la disponibilité, car : I leur sélectivité limite la zone affectée par un défaut, I ils minimisent le délai de rétablissement de la tension, I par leurs auto contrôles, mieux leurs auto diagnostics, ils réduisent le risque de non fonctionnement et de déclenchement intempestif, I ils donnent à l’exploitant la possibilité de diagnostiquer à distance (c’est la fonction communication), I ils peuvent intégrer des automatismes de reprise de service (relestage, séquences de redémarrage, permutation...). Il convient de remarquer que la sécurité s’oppose à la disponibilité puisque les dispositifs automatiques de protection provoquent souvent des interruptions de service. Ainsi le niveau de sûreté retenu pour une installation est le résultat d’un compromis qui tient compte d’une multitude de choix formalisés par le plan de protection. En conséquence toute modification, en cours d’étude ou ultérieure, doit être soigneusement analysée quant à ses répercussions sur la sécurité et la disponibilité. Pour cela, les différents niveaux de sûreté recherchés sur un réseau doivent impérativement être fixés : I dès l’étude de conception, donc bien avant le choix des constituants, I et lors du choix du mode de conduite. la structure d’un réseau électrique Elle est souvent représentée par un schéma unifilaire qui précise les principaux constituants du réseau (transformateur, alternateur, machines,…) et comment ils sont liés entre eux (ligne, jeu de barres, …). Le niveau de continuité de service dépend fortement de sa structure. En effet les types de protections et les techniques de sélectivité sont choisis selon le schéma retenu (en antenne, double dérivation, boucle, simple ou double jeu de barres,...), mais aussi selon la position relative des constituants (cf. Cahier Technique n° 169). Pour satisfaire le besoin de l’exploitant le plus économiquement possible, la méthode suivante peut être conseillée, elle comporte quatre phases : 1 - se fixer les objectifs de sûreté par zone d’utilisation de l’énergie, 2 - créer une structure de réseau en partant des utilisations (schéma unifilaire), 3 - élaborer le plan de protection qui précise le choix des techniques de protection et l’étude de sélectivité, les conséquences d’un défaut électrique Les conséquences d’un défaut électrique sont multiples, parfois non évidentes, à priori difficiles à imaginer, voici quelques exemples : I en aval du défaut, le réseau mis hors tension entraîne un arrêt partiel et inopiné de l’exploitation ; I le siège du défaut est souvent endommagé, d’où démontage, réparation, remplacement, retour en usine, expertise... ; I pendant la durée du défaut, le personnel est confronté à un risque d’électrisation, de brûlures (effets thermiques), voire même de traumatismes (projection ou chute). Des conséquences peuvent être ressenties également sur les parties saines du réseau, par exemple lors d’un court-circuit : I chute de tension préjudiciable aux accrochages électriques, aux automates et équipements informatiques. I perte de stabilité des machines tournantes qui peut, même après élimination du défaut, s’aggraver jusqu’à entraîner l’effondrement total de la distribution et des sources de secours prévues pour assurer la continuité de l’alimentation. Ainsi donc, dans presque tous les cas, un défaut provoque une interruption d’alimentation et de production. Interruption qui, du fait des contraintes économiques, est de moins en moins acceptable. L’arrêt d’exploitation peut cependant être circonscrit à une zone du réseau selon : I le lieu du défaut, I l’efficacité des protections, I la technique de sélectivité mise en œuvre. Cette réduction du risque d’interruption est obtenue par un plan de protection bien établi. Le uploads/Ingenierie_Lourd/ ct174.pdf