Les critères suivant lesquels le site d‟implantation est choisi, doivent permettre d‟avoir globalement la solidarité entre la sous-station de Houinmè et celle à implanter en cas de défaillance de l‟une d‟elles.
Toutefois, cette solidarité ne peut jouer que si les sous-stations présentent une capacité d‟accueil de charge optimale.
Ainsi, nous avons les critères suivants :
Position centrale de la zone à desservir électriquement ;
Disponibilité foncière ;
Espace suffisante : accueil de centrale solaire ou thermique ;
Faisabilité technique : raccordement possible des liaisons souterraines ou aériennes électriques à 63000 Volts ;
Accessibilité : terrain accessible aux convois lourds qui amèneront les transformateurs depuis la rue ;
Aptitude à une bonne intégration urbaine et architecturale du bâtiment.
C‟est la forte consommation en énergie électrique dans la ville de Porto-Novo qui explique clairement les puissances de pointe observées sur l‟ensemble du réseau HTA du grand Porto-Novo fournies par la sous-station de Houinmè. desservi chacun par un poste source donné:
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- Avrankou et Ifangni (dans le plateau) : poste source de Tanzoun ; - Porto-Novo et Adjarra : Poste source de Houinmè ;
- Akpro-Missérété, Dangbo, Adjohoun, Bonou et les zones de l‟hôtel La Capitale et de l‟hôpital El Fater: Poste à créer à l‟horizon 2030.
Au regard des autres critères, l‟arrondissement d‟Azowlisè dans la commune d‟Adjohoun est susceptible d‟accueillir la nouvelle sous-station.
Figure 3.1 : Découpage du grand Porto-Novo 3.2. Conception de la sous-station d’Azowlisè
3.2.1. Choix du niveau de tension
Pour être conforme aux autres sous-stations du pays exploitées par la SBEE, le niveau de tension coté HTB est 63KV et pour des raisons d‟ordre économique et technique (les transformateurs HTA/BT dans la zone à desservir sont à 15KV/0,4KV), le coté HTA en 15KV.
3.2.2. Type de centrale à l’horizon 2030
Nous proposons une centrale mixte, c‟est-à-dire centrale thermique et solaire Puissance crête de la centrale solaire (PCS)
Elle va représenter 70% de la puissance globale de pointe en 2030.
PCS = 0,7*fp* (3.1)
Avec fp est le facteur de puissance global de l‟installation solaire que nous fixons à 0,95.
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PCS = 0,7*48,2*0,95 PCS = 32,053 MW
Soit une puissance crête de 32 MW.
Puissance crête de la centrale thermique (PCT) PCT = 30% → PCT = 14,46 MVA
Soit une puissance crête de 14,5 MVA.
3.2.3. Configuration du poste HTB/HTA d’Azowlisè
Selon l‟environnement, les postes sources peuvent être ouverts ou en bâtiment. Ceux (63 kV/HTA ou 90 kV/HTA) destinés à l‟alimentation des réseaux de distribution sont généralement de type « Poste d » (jeux de barres HTB extensif). Pour notre étude, nous retenons alors un poste de type „‟ d‟‟ et à technologie ouverte (c‟est-à-dire l‟installation à l‟air des équipements de puissance).
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Figure 3.2 : Configuration du nouveau poste à l‟horizon 2030
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3.2.4. Calcul de la surface de terrain pour l’installation de la sous-station Surface de terrain minimale (S1) : centrale solaire
En solaire, pour produire une puissance de mégawatt, il faut environ un hectare de terrain.
S1 = 32 hectares
Surface de terrain minimale (S2) : centrale thermique S2 = 0,5hectare
Surface de terrain minimale (S3) : Poste HTB/HTA S3 = 0,25hectare
Surface de terrain minimale (S4) : Bâtiment S4 = 0,5hectaire
En somme, la surface de terrain totale minimale pour l‟installation de la sous station est environ 33,25hectares
3.3. Dimensionnement et choix des éléments du poste HTB/HTA à l’horizon 2030.
La construction d‟un poste de transformation repose sur deux parties de dimensionnement : génie civil et génie électrique.
Dans ce document, nous ne ferons que démontrer la partie « génie électrique » 3.3.1. Inventaire et définition de quelques éléments de puissance d’un poste
source HTB/HTA - Les jeux de barres
Les jeux de barres sont destinés à la répartition de l‟énergie sur les différents départs qui y sont raccordés. Leur dimensionnement tient compte de la tension de service du réseau et des paramètres électriques, mécaniques et thermiques des métaux, donc de la tenue thermique et électrodynamique.
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Les deux métaux les plus utilisés pour la construction des jeux de barres sont le cuivre et l‟aluminium. Les caractéristiques de ces métaux sont données en annexe4.
D‟après les caractéristiques de cuivre recuit et de l‟aluminium, le cuivre recuit présente une bonne performance en HTA et l‟aluminium en HTB, donc nous les choisissons respectivement au niveau de tension dans la suite.
Technologie des jeux de barres En HTB, deux technologies sont utilisées :
jeux de barres dits tendus, consistant en des conducteurs flexibles suspendus par des chaînes d'isolateurs à des structures métalliques dites portiques ; ils servent de raccordement ;
jeux de barres dits posés, consistant en des tubes reposant sur des isolateurs ;
En HTA, c‟est la technologie des jeux de barres plats qui est utilisée. Elle est déconseillée en HTB à cause de l‟effet couronne dû à la forme rectangulaire de ces derniers.
- Disjoncteur
Caractérisé par la tension assignée, le niveau d‟isolement assigné, le courant assigné en service continu, la fréquence assignée (50/60Hz), les pouvoirs de coupure et de fermeture assignés en court-circuit et les séquences de manœuvres assignées, il assure la commande et la protection d‟un réseau. Il est capable d‟établir, de supporter et d‟interrompre les courants de service ainsi que les courants de court-circuit.
Technologie des disjoncteurs
Les techniques de coupure des disjoncteurs sont variées. Les milieux de coupure utilisés pour l‟extinction d‟arc électrique sont en général l‟air, l‟huile, l‟air comprimé, le vide et le SF6. En effet, le choix du SF6 comme gaz des constructeurs d‟appareillages résulte de la conjonction peu commune d‟un ensemble de qualités, s‟exerçant à la fois dans les domaines diélectriques et d‟extinction de l‟arc, qualités qui reposent sur les propriétés physiques de ce gaz.
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- Sectionneur
Il est utilisé dans un réseau électrique pour isoler une partie de ce dernier. Il n‟a pas de pouvoir de coupure ni de fermeture.
- Transformateur de puissance
Il comporte trois phases par côté (primaire et secondaire) dont leur couplage peut être en étoile ou triangle. Le couplage en étoile est le moyen économique car il ne nécessite pas l‟usage d‟un transformateur de mise à la terre et techniquement ne crée pas de déséquilibre sur l‟un des côtés.
Il est caractérisé par la puissance nominale, le niveau d‟isolement, le mode de refroidissement, la tension de service et de tenue au choc de foudre. La protection de ce dernier contre tout défaut s‟avère indispensable.
3.3.2. Dimensionnement des éléments du poste HTB/HTA - Transformateur de puissance
La puissance maximale à installer en 2030 étant de l‟ordre de 21,425MVA, un transformateur de 21,5MVA en serait l‟idéal.
Les transformateurs de puissance que la SBEE utilise dans les postes 63/15KV ont les valeurs normalisées 5MVA, 20MVA et 40MVA.
Alors, nous retenons un transformateur à puissance nominale de 20MVA avec les autres caractéristiques ci-dessous :
Tableau 3.1 : Caractéristiques du transformateur de puissance Caractéristiques
Fabricant Nexans
Tension de service 63KV/15KV
Réglage en charge Avec un chargeur de prise
Couplage YNyn0
Tension en court-circuit (%) ≤ 10
Mode de refroidissement ONAN
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Tenue au choc de foudre 325KV (en phase et terre)
- Protection ligne HTB
Il s‟agit de la protection à courant maximal de phase. Elle va intervenir lorsqu‟il y a un défaut en amont du transformateur HTB/HTA ou surcharge non vue et de longue durée par le disjoncteur HTA.
Disjoncteur HTB
o Niveau d’isolement [10]
Le niveau d‟isolement d‟un disjoncteur est caractérisé par deux valeurs à savoir la tenue à l‟onde de choc (1,2/50µs) et la tenue à la fréquence industrielle pendant une minute.
Avec 63KV, on retient 325KV pour la tenue au choc de foudre et 140KV la tenue à la fréquence industrielle [CEI 694].
o Tension assignée Ur
Selon la norme CEI, elle est égale à 72,5KV
o Tension transitoire de rétablissement
La Tension Transitoire de Rétablissement assignée (TTR) est la tension qui apparaît entre les bornes d‟un pôle de disjoncteur après l‟interruption du courant.
La forme d‟onde de la tension de rétablissement est variable suivant la configuration réelle des circuits. Un disjoncteur doit être capable d‟interrompre un courant donné pour toute tension de rétablissement dont la valeur reste inférieure à la TTR assignée.
Elle se calcule par la relation 3.2 (selon la norme CEI) √
√ (3.2)
Robert Yédénou DJOSSOU // Mémoire d‟Ingénieur de Conception en Energie Electrique // EPAC 41 Facteur du premier pôle libéré, dépend du système de mise à la terre du réseau.
En général, s'appliquent les cas suivants :
- = 1,3 correspond aux défauts triphasés dans les systèmes à neutre à la terre (Ur > 72,5KV)
- = 1,5 correspond aux défauts triphasés dans les systèmes isolés ou les systèmes à neutre accordé (cas présent).
- = 1,0 correspond à des cas spéciaux, par exemple des systèmes biphasés
La norme CEI62271-100 définit la séquence de manœuvre de la façon suivante : O-t-CO-t‟-CO.
O désigne une manœuvre d‟ouverture, CO manœuvre fermeture suivie immédiatement de manœuvre d‟ouverture, t et t‟ respectivement la durée entre manœuvre d‟ouverture et de fermeture et entre deux manœuvre CO y compris le temps de réponse.
Il existe trois séquences assignées :
lent: O – 3 mn – CO – 3 mn – CO;
rapide 1: O – 0,3 s – CO – 3 mn – CO;
rapide 2: O – 0,3 s – CO – 15 s – CO.
Nous retenons la séquence rapide1.
Robert Yédénou DJOSSOU // Mémoire d‟Ingénieur de Conception en Energie Electrique // EPAC
D‟après la référence [10], les disjoncteurs utilisés en 63KV pour une installation neuve doivent avoir les courants assignés suivants 630A, 1250A, 2000A ou 3150A. Le choix va dépendre du pouvoir de coupure.
Le calcul du courant de court-circuit en un point d‟un réseau nécessite la connaissance des caractéristiques du réseau amont. Puisque nous ne connaissons pas la puissance de court-circuit de la centrale de production, nous allons nous référer directement à des valeurs normalisées.
Les valeurs du pouvoir de coupure assignés en court-circuit maximal (kA efficace) fixées par la CEI sont 6,3 ; 8 ; 10 ; 12,5 ; 16 ; 20 ; 25 ; 31,5 ; 40 ; 50 kA. Le choix de ces valeurs dépend du niveau de tension. [10]
o Pouvoir de fermeture If
C‟est le courant maximal que le disjoncteur peut maintenir ou établir sur un réseau en circuit. Selon la norme CEI, il est 2,5 fois le courant de court-circuit à 50Hz.
Tableau 3.2: Caractéristiques assignées des disjoncteurs HTB Disjoncteurs Courant calculé (A) Courant
assigné (A)
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Choix des disjoncteurs HTB
Nous optons prendre les disjoncteurs à commande tripolaire ABB (DJ 1 et DJ 2) de la gamme LTB-D qui présente en dehors des caractéristiques ci-haut, d‟autres éléments importants pour la surveillance du réseau et Schneider (DJ 3 et DJ 4).
Figure 3.3 : Pieds du disjoncteur type LTB D - Sectionneur HTB (ST 1)
Avec la disposition physique du disjoncteur HTB choisi, un sectionneur à deux colonnes est bien adapté. Il a les mêmes caractéristiques électriques à l‟absence du pouvoir de coupure, du TTR et If que le disjoncteur THB précédemment choisi.
Figure 3.4 : Sectionneur à deux colonnes
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- Jeux de barres HTB (Tubes cylindriques) o La tenue thermique statique
C‟est la résistance de la barre au passage sans arrêt du courant assigné, c‟est-à-dire supportée l‟échauffement. Elle est vérifiée si le courant assigné est inférieur au courant admissible I déterminé par la relation suivante :
, P , [11]
(3.4) S : La section du conducteur en mm2 ;
P : Le périmètre du conducteur en mm;
K : Coefficient de condition dépendant de neuf (9) facteurs Calcul de la valeur de K
La projection du tube dans un plan donne une barre plate creuse.
Figure 3.5 Vue d‟une barre plate creuse
Afin de déterminer la valeur de K, nous allons supposer une barre plate d‟épaisseur e égale à celle du tube et identifier les neufs facteurs.
D‟après l‟annexe 4, les neufs facteurs retenus sont consignés dans le tableau 3.3
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Tableau 3.3 : Les facteurs de la constante K
Ki (i = 1 à 9) Valeurs retenues
K1 ; K2 ; K3 ; K4 ; K6 ; K8 ; K9 1
K5 0,75
K7 1,14
K = ∏ → K = 0,855
Et puisque ce K est obtenu par supposition de barre rectangulaire creuse, il sera affecté d‟un coefficient correctif. D‟après la figure 3.5, nous remarquons qu‟il s‟agit de quatre barres plates d‟épaisseur identique deux à deux parallèles et perpendiculaires. Le coefficient correctif sera donc pris à 1,75.
o Tenue thermique au passage du courant de court-circuit Lors du court-circuit, la quantité de chaleur absorbée (milieu supposé adiabatique) par un tube et la puissance électrique qu‟il consomme sont données respectivement par les relations 3.5 et 3.6
(3.5) P (3.6) , la masse du tube ;
C, Chaleur massique du métal en J/Kg/°K;
R, la résistance électrique du tube ; , l‟échauffement dû au courant .
Robert Yédénou DJOSSOU // Mémoire d‟Ingénieur de Conception en Energie Electrique // EPAC 46
, Section totale (s‟il y a plusieurs tubes assemblés), , Masse volumique en Kg/m3;
La température maximale atteinte lors du court-circuit est :
= + [10] (3.8)
est la température au passage du courant assigné égale à 90°C avec l‟air ambiante prise à 45°C.
Il y a donc une bonne tenue thermique du tube au passage du courant de court-circuit si < .
100°C est la température de fusion des supports isolants.
o Tenue électrodynamique
Il s‟agit de la force d‟attraction qu‟exercent les tubes les uns envers les autres lors du passage du courant de court-circuit.
Figure 3.6 : Schéma montrant les efforts dans deux conducteurs parallèles En considérant un vecteur densité de courant linéique normal au force de Laplace et que les tubes sont parallèles et parcourus par le même courant de court-circuit, on a :
F = F‟ = LB (3.9) B : Induction magnétique (T);
Robert Yédénou DJOSSOU // Mémoire d‟Ingénieur de Conception en Energie Electrique // EPAC 47 : Courant (A) de court-circuit ;
L : Longueur du tube (m)
D‟après la loi de Bio et Savart, B = (3.10) Alors = =
(daN/m)
D = 0,76m en 63KV [10]
Dans le cas des circuits triphasés, on a :
, = 0,866* *F [12] (3.11)
La constante k dépend de la nature (résistive ou inductive) du circuit en défaut.
Figure 3.7 : Circuit en défaut
Pour une centrale thermique, la résistance est négligeable contrairement à une centrale solaire. Nous supposons alors dans le cas de la centrale mixte le rapport .
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Figure 3.8 : Variation de la constante k en fonction du rapport [12]
L‟effort sur le support isolateur est :
= (1+ * , [09] (3.12)
H est la hauteur du support isolant et h la distance de la tête du support au centre de gravité de la barre.
Nous choisissons le support isolant type C6-325-I-127-127 à cause de la technologie ouverte du poste définie ci-haut.
H = 770mm [10]
En considérant qu‟au moment du court-circuit, il y a une pression du vent sur les tubes, la force totale que va subir les supports isolants est :
= + SLPa (3.13) Pa pression du vent et SL la section latérale de la barre.
Il est recommandé quel que soit la situation du poste de se placer dans l‟hypothèse haute pression de vent(HVP). [10]
Pa = (108-2,4 ) daN/m2, si ( est le diamètre) Pa = 72daN/m2, si
Il aura bonne tenue électrodynamique si
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est la résistance à la flexion du support isolant.
Fréquence propre de résonance
Les fréquences propres de vibration à éviter pour les barres soumises à un courant de 50 Hz sont les fréquences voisines de 50 et 100 Hz. Cette fréquence propre de vibration est donnée par la formule 3.14
f √
o Choix et vérification des paramètres du tube
Les tubes normalisés et utilisés dans les postes de puissance sont 50x5, 80x5, 100x5, 120x8 et 200x8. [10]
Tableau 3.4 : Vérification de la tenue du tube choisi
Nature du tube EN AW – 6101 [EAI Mg Si] T6 Caractéristiques Vérifications des tenues Tubes Pmoy
D‟après le tableau 3.4, nous remarquons que le tube 50x5 ne vérifie pas toutes les tenues, par conséquent nous le rejetons et nous choisissons le tube 100x5.
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Vérification du non résonnance des tubes 100x5 choisis Calcul du moment d‟inertie I
Figure 3.9 : Calcul du moment d‟inertie par rapport à un axe ∫ (3.15)
: Masse élémentaire (elle est une constante dans notre cas) ∬
= ∫ , ; L = 250 cm = dm
= 250*0,0403*10459,458 I‟ = 105379,0427 daN.cm3 → I =2614864cm4
E = 0,67*106 daN/cm2 ; m = 0,0403daN/cm ; l = 240cm f √
,
Nous pouvons conclure que la fréquence de vibration des tubes est très éloignée de celle de l‟onde courant, donc pas de résonance.
Robert Yédénou DJOSSOU // Mémoire d‟Ingénieur de Conception en Energie Electrique // EPAC 51
Vérifions la résistance à la rupture du support isolant
, ( ) , , , , *10 = 377,5N/m
Le coefficient 2 dans le calcul est la prise en compte de la valeur maximale du courant de court-circuit.
≈ 860,92, d‟où une bonne tenue électrodynamique du support choisi.
- Transformateur TC (HTB)
Les TC sont insérés dans un circuit à forte puissance électrique selon la fonction qui les est destinée. La fonction « mesure » présente une plage étroite et ne prend que les courants inférieur ou égal au courant assigné primaire tandis que la fonction « protection » a une large plage (mesure de courant de court-circuit).
Pour cette raison, en HTB nous choisissons la fonction « protection ».
Le niveau d‟isolement reste le même comme définie dans le cas de disjoncteur HTB. Le courant nominal thermique Ith et maximal admissible sont respectivement Ic et If définies précédemment.
o Courant nominal(Ipn) au primaire du TC
o Courant nominal(Isn) au secondaire du TC
Sans prise en compte du régime transitoire, Isn peut être pris à 5A ou 1A.
Pour diminuer l'influence de la résistance de filerie, nous choisissons Isn = 1A.
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o Enroulement secondaire protection [13]
Il est défini par :
Classe et facteur limite de précision (Flp)
La classe 5P donne plus de garantie sur le déphasage du courant que 10P, donc nous l‟optons. Quant au facteur limite, il est ajustable et pris à 20 au maximum.
Puissance de précision SnP
Elle est définie par la relation suivante:
des manœuvres du disjoncteur). Il est déterminé d‟après la norme CEI 44-6 par la formule 3.19
ft ( e p ( )) t
(3.19) D‟après la référence [13], on a :
, temps admissible jusqu'à la limite de précision ; il est pris à 0,03s , taux d‟asymétrie du défaut (70%)
, constante de temps primaire est égale à 0,04s pour une fréquence f = 50Hz et une tension assignée 72,5KV.
L‟application de la relation 3.6 donne ,
, résistance dans la boucle secondaire, elle est la somme :
de la résistance de court-circuit ( ) du secondaire du TC ramené à 75°C généralement égale à 4ohm ;
de la résistance des différentes protections raccordées ; dans notre cas, il va s‟agir d‟un relais de protection ; nous supposons sa résistance négligeable ;
et de la résistance de la boucle L de filerie (aller et retour pour défaut phase-terre et aller pour défaut entre phases.
Robert Yédénou DJOSSOU // Mémoire d‟Ingénieur de Conception en Energie Electrique // EPAC
- Transformateur de tension TP (HTB)
En HTB, les TP se raccordent obligatoirement au primaire entre une phase et la terre (un pôle isolé), ils peuvent être du type inductif ou du type capacitif (pour la transmission des signaux de communication). C‟est le type capacitif qui est retenu ici. Dans la configuration de la figure 3.2, il va assurer la fonction
Pour tout régime de neutre 1,2*63 =75,6KV (entre phase) o Tension au primaire
Elle est égale à la tension nominale du réseau, Soit
√ , (entre phase et terre) o Tension au secondaire
La valeur normalisée la plus utilisée est 0,1KV entre phase-phase. Elle est alors retenue ici. Donc le rapport de transformation est égal à 630.
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o Enroulement secondaire mesure
Il est défini par une classe de précision, un facteur d‟échauffement généralement négligeable et une puissance de précision.
La classe de précision qui induit moins d‟erreur est 3P et la puissance de précision est celle normalisée de la consommation de la protection.
, → ,
→
R, résistance de la boucle de mesure en ohm ;
, puissance apparente du voltmètre indicateur en VA
Alors, le choix du voltmètre imposera la longueur de la boucle Réglage de DJ4
Surcharge (protection 51/51)
Elle est généralement estimée à 120% du courant nominal.. Elle, de longue durée provoque une élévation de température interne du transformateur, préjudiciable à la tenue des isolants et à sa longévité. La surcharge sera donc
Elle est généralement estimée à 120% du courant nominal.. Elle, de longue durée provoque une élévation de température interne du transformateur, préjudiciable à la tenue des isolants et à sa longévité. La surcharge sera donc