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.
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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 .
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, 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.
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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.
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- 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 connaissons pas encore. Raison pour laquelle, nous le mettons en attente.
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Protection contre les défauts à la terre (50/51N)
La protection côté haute tension sera à deux seuils d'intervention à temps constant.
Le premier seuil devra être réglé à:
; Temps = 0,8seconde (3.20) [15]
Si on a un seul disjoncteur en aval du disjoncteur au départ HT A, avec le courant nominal du transformateur côté HT (cas présent).
, ; Soit 366,594A au primaire du TC;
= 0,733A au secondaire du TC.
Il est réglé de façon à intervenir pour des courts-circuits intéressant le transformateur, tout en gardant la sélectivité avec les lignes HTA. Il constitue aussi la réserve de la protection de la ligne dans les limites permises par son réglage.
Le second seuil devra être réglé à :
,
√ ; Temps = 0,0seconde (3.21) [15]
, , le coefficient d‟insensibilité au défaut HTA ;
, la puissance nominale du transformateur en VA ;
, la tension composée nominale du transformateur côté HT en Volt ;
, la tension de court-circuit du transformateur en %.
,
√ → (au primaire du TC) → , (au secondaire du TC)
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Relais de protection
Il existe des relais numériques qui permettent d‟y implanter directement les trois protections définissent ci-hautes. Il s‟agit entre autres des relais Micom P122. La marque retenue ici est Schneider.
- Protection HTA
Disjoncteur HTA
Par la même démarche en HTB, nous avons les résultats enregistrés au tableau ci-dessous. Par contre le courant de court-circuit est calculé et a permis de déduire la valeur normalisée du pouvoir de coupure. La puissance en court-circuit maximale du transformateur est 200MVA ( , ). Le courant de court-circuit est 7,686KA ( √ ), soit un pouvoir de coupure assigné normalisé de 8KA.
Tableau 3.5 : Caractéristiques disjoncteur HTA
Nous choisissons le disjoncteur fixe intérieur LF2 avec une commande à
Séquence de manœuvre Rapide 2
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Les différents réglages ne sont pas traités mais néanmoins nous choisissons le relais Micom P123 Schneider.
Sectionneur HTA avec MALT
A l‟absence du pouvoir de coupure et de fermeture, il a les mêmes caractéristiques que le disjoncteur HTA.
- Transformateur de courant HTA Il sera choisi deux TC (protection et mesure)
o Courant nominal au primaire (Ipn) et au secondaire (Isn) D‟après la relation 3.16, on a :
Ipn =
→ Ipn = 800A
Nous pouvons prendre Isn = 5A
o Enroulement secondaire
La puissance et la classe de précision normalisées de 800/5A sont respectivement 50VA et 0,5.
- Transformateur de tension HTA
o Tension nominal au primaire et au secondaire Elles sont respectivement entre phase 15KV et 100V.
Nous choisissons un TT
√ /
√ /
√ (mesure et protection) avec une puissance de précision de 50VA.
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- Jeux de barres plats HTA Calcul du facteur K
Tableau 3.6 : Les neufs facteurs retenus pour jeux de barres plats
ki Valeur retenue
Les jeux de barres plats normalisés sont 100x10, 80x10, 80x6, 80x5, etc.
Tableau 3.7 : Vérification des déférentes tenues des jeux de barres HTA
Nature des jeux de barres
Cuivre recuit 1/4 dur
K = 1,292 Caractéristiques Vérifications des tenues
JDB P
Il ressort du tableau 3.7 que le jeu de barre 80x10 convient bien.
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Choix du support isolant HTA D‟après [09], on a :
Tableau 3.8 : Dimension du support isolant HTA
Désignations Distances Unité
Hauteur (H) 12 Cm
Distance entre phase (D) 20 Cm
Distance (h) 5 Cm
Nombre de supports/phase/cellule 1
Distance entre support extrême d‟une même phase
100 Cm
Vérifions la résistance à la rupture du support isolant HTA
Vérifions la résistance à la rupture du support isolant HTA