Module d'entrée

Le module d'entrée assure l'interface entre la carte microprocesseur de l'équipement et les signaux analogiques et numériques entrant dans l'équipement. Le module d'entrée est composé de deux cartes à circuits imprimés : la carte d'entrée principale et une carte de transformateurs. Les équipements P541 et P542 possèdent quatre entrées de courant. Les équipements P543 et P545 possèdent quatre entrées de tension et cinq entrées de courant.

Les équipements P544 et P546 possèdent trois entrées de tension et cinq entrées de courant.

42 3.3.3.5. Carte de transformateurs

La carte de transformateurs contient en configuration maximum quatre transformateurs de tension (TT) et cinq transformateurs de courant (TC). Les entrées courant acceptent une intensité nominale égale à 1 A ou à 5 A (options de câblage et de menu). La tension d’entrée nominale est de 110V.

Les transformateurs sont utilisés pour ramener les courants et les tensions à des niveaux compatibles avec les circuits électroniques de l'équipement. Ils servent également à assurer une isolation efficace entre l'électronique de l'équipement et le système d'alimentation électrique extérieur. Les raccordements secondaires des transformateurs de courant et de tension fournissent des signaux d'entrées différentiels sur la carte d'entrée principale pour réduire les interférences.

3.3.3.6. Carte d'entrée

Elle supporte les circuits pour les signaux d'entrées logiques, ainsi que ceux nécessaires à la conversion des signaux analogiques en signaux numériques. Elle acquiert les signaux analogiques différentiels des transformateurs de courant et de tension situés sur la (les) carte(s) de transformateurs, elle les convertit en échantillons numériques, puis elle transmet les échantillons à la carte microprocesseur par l'intermédiaire du bus de données série. Sur la carte d'entrées, les signaux analogiques passent au travers d'un filtre anti-repliement avant d'être multipliés vers un convertisseur analogique-numérique unique. Le convertisseur analogique-numérique (CAN) a une résolution de 16 bits et fournit une sortie de flux de données en série. Les signaux d'entrées logiques sont isolés optiquement sur cette carte pour éviter que des tensions excessives sur ces entrées n'endommagent les circuits internes de l'équipement.

Les équipements de la série P540 sont dotés d’entrées logiques optoélectroniques, toutes tensions pouvant être programmées pour la tension nominale de batterie du circuit dont elles font partie, permettant ainsi différentes tensions pour différents circuits, par exemple, signalisation, déclenchement. Elles fournissent nominalement un état 1 logique pour des tensions ≥ 80% à la tension paramétrée et

43 une valeur de 0 logique pour des tensions ≤ 60% à la tension paramétrée. Ce seuil inférieur élimine les détections fugitives qui peuvent se produire lors d'un défaut de terre de batterie survenant quand la capacité parasite présente jusqu'à 50% de la tension de batterie sur une entrée. Chaque entrée a aussi un filtrage sélectionnable.

Cette temporisation d’une ½ période rend l’entrée insensible aux parasites induits sur la filerie : bien que cette méthode soit sure, elle peut être lente, particulièrement pour le télédéclenchement. Elle peut être améliorée en supprimant le filtre à ½ période, dans ce cas l’une des méthodes suivantes pour réduire les parasites du courant alternatif doit être envisagée. La première méthode est d’utiliser une entrée et sa complémentaire, la seconde est d’utiliser du câble torsadé blindé sur le circuit d’entrée.

3.3.3.7. Module d'alimentation (contient les contacts de sortie)

Le module d'alimentation électrique contient deux cartes à circuits imprimés : une pour l'unité d'alimentation électrique proprement dite et l'autre pour les relais de sortie. La carte d'alimentation électrique contient également le matériel d'entrée et de sortie du port arrière de communication, assurant l'interface de communication EIA(RS) 485.

3.3.3.8. Carte d'alimentation électrique (inclus l'interface de communication EIA(RS) 485)

Une des trois configurations différentes de la carte d'alimentation électrique peut être installée sur l'équipement. Ce choix est défini à la commande. Il dépend de la nature de la tension d'alimentation appliquée à l'équipement. Les trois options disponibles sont présentées dans le tableau 3.1.

Tableau 3.1 : Options d’alimentation électrique

44 Les sorties de toutes les versions du module d'alimentation électrique fournissent une alimentation électrique isolée à tous les autres modules. L'équipement utilise trois niveaux de tension : 5,1V pour tous les circuits numériques, ±16V pour les composants électroniques analogiques comme la carte d'entrée, 22V pour la commande des bobines de relais de sortie. Toutes les tensions d'alimentation électrique, y compris la ligne de terre 0V, sont distribuées par l'intermédiaire du câble plat à 64 conducteurs. Un niveau de tension supplémentaire est assuré par la carte d'alimentation électrique. Il s'agit de la tension à usage externe de 48V. Elle est reliée aux bornes à l'arrière de l'équipement afin de lui permettre d'alimenter les entrées Modbus, CEI 60870-5-103 ou DNP3.0. Le matériel EIA(RS) 485 prend en charge les communications en semi-duplex et assure l'isolation optique des données série émises et reçues. Toutes les communications internes de données en provenance de la carte d'alimentation électrique sont effectuées par l'intermédiaire de la carte de relais de sortie connectée au bus parallèle.

L'alarme Défaut équipement (watchdog) dispose de deux contacts de sortie : un contact de "travail" (normalement ouvert) et un contact de "repos" (normalement fermé). Ils sont gérés par la carte microprocesseur. Ces contacts permettent d'indiquer si l'équipement fonctionne normalement.

La carte d'alimentation électrique incorpore un limiteur de courant d'enclenchement. Ce dispositif limite la pointe de courant d'enclenchement, pendant l'activation, à environ 10 A.

3.3.3.9. Carte de relais de sortie

La carte de relais de sortie contient sept relais : trois relais avec des contacts de

"travail" et quatre relais avec des contacts inverseurs. Les relais sont alimentés par la

45 ligne d'alimentation électrique de 22 V. La lecture et l'écriture de l'état des relais sont assurées par le bus parallèle de données. En fonction du modèle d'équipement, sept contacts de sortie supplémentaires peuvent être fournis grâce à l'utilisation d'un maximum de trois cartes de relais supplémentaires.

3.3.3.10. Carte IRIG-B

La carte IRIG-B est disponible en option à la commande. Elle fournit une référence de synchronisation précise à l'équipement. Elle est utilisable lorsqu'un signal IRIG-B est disponible. Le signal IRIG-B est connecté à la carte par l'intermédiaire d'un connecteur BNC à l'arrière de l'équipement. Les informations fournies permettent de synchroniser l'horloge interne en temps réel de l'équipement avec une précision de 1 ms. L'horloge interne ainsi réglée est utilisée pour l'horodatage des enregistrements d'événements, de défauts, de maintenance et de perturbographie.

La carte IRIG-B peut également être fournie avec un émetteur/récepteur à fibres optiques appliqué au port arrière de communication à la place d'un raccordement électrique EIA(RS) 485 (CEI 60870 uniquement).

3.3.3.11. Seconde carte de communication arrière

Pour les équipements utilisant le protocole Modbus, CEI 60870-5-103 ou DNP3 sur le premier port de communication arrière, un second port de communication arrière peut être monté en option pour utiliser le langage Courier. Cette connexion peut s'établir via l'une des trois liaisons physiques suivantes : paire torsadée K-Bus (non sensible à la polarité), paire torsadée EIA(RS) 485 (sensible à la polarité) ou EIA(RS) 232.

La seconde carte de communication arrière et la carte IRIG-B s'excluent mutuellement car elles utilisent le même emplacement. C'est pour cette raison qu'il y a deux versions pour la seconde carte de communication arrière : une avec entrée IRIG-B et l'autre sans. L'implantation physique de la seconde carte de communication arrière est illustrée à la figure 3.2.

46 Figure 3.3 : Port de communication arrière

3.3.3.12. Carte Ethernet

La carte Ethernet, actuellement uniquement disponible sur les équipements à variante de communication UCA2, prend en charge les connexions réseau de type suivant :

 10BASE-T ;

 10BASE-FL ;

 100BASE-TX ;

 100BASE-FX.

Pour toutes les connexions réseau de type cuivre, un connecteur RJ45 est pris en charge.

Les connexions réseau fibre 10Mo utilisent un connecteur ST tandis que les connexions 100Mo utilisent la connexion fibre SC.

La carte Ethernet est équipée d'un processeur supplémentaire, un PPC Motorola, avec un bloc mémoire, chargé de gérer toutes les fonctions de réseau telles que les fonctions TCP/IP/OSI fournies par VxWorks et les fonctions de serveur UCA2/MMS fournies par Sisco inc. Le bloc mémoire supplémentaire contient aussi le modèle de données UCA2 pris en charge par l'équipement.

47 3.3.4. Disposition mécanique

Le boîtier de l'équipement est fabriqué en acier préfini, recouvert d'un revêtement conducteur en aluminium et en zinc. Cela garantit une bonne mise à la terre au niveau de toutes les jointures, donnant ainsi un chemin de faible impédance vers la terre. Cette précaution est essentielle à un fonctionnement performant en présence d'interférences externes. Les cartes et les modules utilisent une technique de mise à la terre en plusieurs points pour améliorer l'immunité aux interférences externes et pour minimiser les effets d'interférences de circuits. Les plans de masse sont utilisés sur les cartes pour réduire les chemins d'impédance. Des pinces à ressort sont utilisées pour mettre les pièces métalliques des modules à la masse.

Les borniers à forte capacité servent aux raccordements de signaux d'intensité et de tension à l'arrière de l'équipement. Les borniers à capacité normale sont utilisés pour les signaux tout-ou-rien d'entrées logiques, pour les contacts de relais de sortie, pour l'alimentation électrique et pour le port arrière de communication. Un connecteur BNC est utilisé pour le signal IRIG-B en option. Des connecteurs type D femelles 9 broches et 25 broches servent à la communication des données à l'avant de l'équipement.

A l'intérieur de l'équipement, les cartes à circuits imprimés sont raccordées sur les connecteurs arrière. Elles ne peuvent être extraites que par l'avant de l'équipement.

Les connecteurs des entrées des transformateurs de courant de l'équipement sont dotés de court-circuiteurs internes à l'équipement. Ces liaisons permettent de court-circuiter automatiquement les circuits des transformateurs de courant avant le débrochage de la carte.

La face avant comporte un clavier à membrane avec des touches tactiles arrondies, un écran à cristaux liquides (LCD) et 12 diodes électroluminescentes (LED) montées sur une plaque support en aluminium.

48 3.3.5. Caractéristiques de la protection différentielle de phase

Le principe général de fonctionnement de la protection différentielle consiste à calculer la différence entre les courants entrant et sortant de la zone protégée. La protection entre en action dès que cette différence excède un seuil défini.

Les courants différentiels peuvent également être générés, en cas de défaut externe, par une saturation TC. Pour assurer la stabilité lors de défauts externes, l’équipement utilise une technique de retenue. Cette méthode augmente la valeur de réglage du seuil différentiel proportionnellement à la valeur du courant de défaut traversant pour éviter le déclenchement intempestif de la protection. La figure 3.3 montre les caractéristiques de fonctionnement de l’élément de protection différentielle de phase du P542.

49 Figure 3.4 : Courbe caractéristique de la retenue de l’équipement

Cette allure caractéristique est déterminée par quatre réglages de protection : Is1 : le réglage de base du courant différentiel qui détermine le seuil de détection minimum de la protection ;

k1 : le réglage bas du pourcentage de retenue utilisé lorsque le courant de retenue est inférieur à Is2. Ceci assure la stabilité vis-à-vis des petites erreurs de TC tout en conférant une bonne sensibilité aux défauts résistifs dans le cas de lignes très chargées ;

50 Is2 : le réglage du seuil du courant de retenue au-dessus duquel un pourcentage plus élevé de retenue k2 est utilisé ;

k2 : le réglage haut du pourcentage de retenue utilisé pour augmenter la stabilité de la protection lors de courants de défauts externes élevés.

Le courant différentiel (I_diff) est calculé en tant que somme vectorielle des courants entrant dans la zone protégée.

I_diff = I̅ + I₁ ̅ + I₂ ̅₃

Le courant de retenue Iret (appelé Ibias sur la figure de la caractéristique) est la moyenne des courants mesurés à chaque extrémité de ligne. Il est déterminé par la somme scalaire du courant à chaque extrémité, divisée par deux.

I_ret|I₁| + |I₂| + |I₃| 2

Chacun de ces calculs est effectué phase par phase. Le niveau de la retenue appliqué à chaque élément est la valeur calculée la plus élevée des trois pour obtenir le maximum de stabilité.

Les critères de déclenchement peuvent être formulés comme suit : 1- pour |𝐼_𝑟𝑒𝑡| < Ιs2 et |I_diff| > k1×|𝐼_𝑟𝑒𝑡| + Ιs1 ;

2- pour |𝐼_𝑟𝑒𝑡| > Ιs2 et |I_diff| > k2×|𝐼_𝑟𝑒𝑡| - (k2 - k1) × Ιs2 + Ιs1.

Lorsqu’un ordre de déclenchement est généré par l’élément différentiel, en plus du déclenchement du disjoncteur local, l’équipement envoie un signal de télé déclenchement différentiel aux extrémités distantes. Ceci assure le déclenchement de toutes les extrémités de la ligne protégée, même dans des conditions d'extrémité en antenne passive.

Pour calculer le courant différentiel entre les extrémités de la ligne, il est nécessaire que les échantillons de courant à chaque extrémité soient prélevés au même instant. Ceci peut être réalisé par la synchronisation temporelle de l’échantillonnage

51 ou, sinon, par le calcul en continu du retard de transmission entre les extrémités de ligne. La gamme des équipements P540 a adopté cette seconde technique. A cet effet, deux types de synchronisation sont utilisés pour l’alignement temporel des vecteurs de courant :

 synchronisation des vecteurs courant sans entrée GPS (technique classique) ;

 synchronisation des vecteurs courant avec entrée GPS qui nécessite le déploiement de réseaux HNS (Hiérarchie Numérique Synchrone).

3.4. Courant capacitif

Le courant capacitif d’une ligne ou d’un câble sera vu comme un courant différentiel. Si ce courant est d’une amplitude suffisamment élevée, comme c’est le cas pour les câbles et les lignes aériennes de grande longueur, un déclenchement intempestif de la protection peut se produire. Deux problèmes apparaissent avec le courant capacitif : le premier est le régime transitoire à la mise sous tension de la ligne et le deuxième le courant capacitif en régime permanent. Le courant capacitif en régime transitoire (ou courant d’appel) est constitué principalement d’harmoniques d’ordre élevé (9 et 11 par exemple). Le filtrage de Fourier utilisé par les protections P540 supprime ces composantes harmoniques et apporte donc une stabilité.

Le courant capacitif en régime permanent est à la fréquence fondamentale et peut donc provoquer le déclenchement intempestif de la protection.

Pour éviter ce risque, les protections P540 intègrent une fonction destinée à soustraire le courant capacitif du courant mesuré avant de calculer la valeur différentielle. Cette fonction nécessite une entrée de tension et, de ce fait, est uniquement disponible sur les modèles P543, P544, PP545 et P546 donc pas disponible sur notre relais. La figure 3.4 présente le modèle une ligne avec les courants capacitifs.

52

Figure 3.5 : Modèle électriqe d’une ligne

où

IL : Courant d'extrémité de ligne locale ; IR : Courant d’extrémité de ligne distante ; VL : Tension d’extrémité locale ;

VR : Tension d’extrémité distante ; ZL : Impédance de ligne ;

IchL : Courant capacitif d'extrémité locale ; IchR : Courant capacitif d’extrémité distante.

D’après la figure 3.2, il est évident que le courant capacitif de la ligne en un point donné est égal à la tension en ce point multipliée par la susceptance directe de ligne. Il est donc possible pour les équipements de protection à chaque extrémité de ligne de calculer les courants capacitifs de ligne respectifs et d’effectuer une correction en conséquence.

Le courant différentiel (Ιd) peut être calculé comme suit : Ιd = ΙL + ΙR - ( jVLBS /2) - ( jVRBS /2)

Ιd = {ΙL - ( jVLBS /2)} + {ΙR - ( jVRBS /2)}

Ιd = Courant équipement local + courant équipement distant

53 avec BS est la susceptance directe de ligne.

Cette fonction peut être activée ou désactivée. Si elle est sélectionnée, les données de courant réel de phase dans le message de protection sont remplacées par {I - (jVBS/2)}.

Un certain nombre de réglage permet la protection efficiente de la zone protégée.

3.5. Etude des réglages de la ligne sakété 2

Quatre réglages sont tous configurables par l’utilisateur pour assurer une bonne protection différentielle. Cette souplesse de réglage permet de personnaliser les caractéristiques de la protection afin de l’adapter à une sensibilité et des spécifications de TC particulières. Parmi ces quatre réglages trois sont recommandés par le fabricant après certaines expériences. Ainsi nous adoptons les trois réglages suivants :

 Is2 = 2,0 pu

 k1 = 30%

 k2 = 150%.

Ces réglages doivent donner une caractéristique de protection convenable dans la plupart des applications.

Seul le réglage Is1 reste à déterminer. La valeur de ce réglage doit être supérieure à la valeur éventuelle de l’écart entre les rapports des TC des extrémités de ligne, s’il se produit ; elle doit également prendre en compte le courant capacitif. La figure 3.4 décrit le principe du dispositif de protection de la ligne L210.

En observant le circuit montre à la figure 3.5, les valeurs de réglage pour l’élément différentiel du courant de phase peuvent être définies.

54 Figure 3.6 : Schéma de la protection

Les valeurs suivantes doivent être réglées comme suit : Is2 = 2,0 pu

k1 = 30 %

k2 = 150 % (pour une application a 2 extrémités)

Le réglage de Is1 reste à définir. Dans le cadre de notre travail nous utilisons le relais P542. Aucune possibilité de compensation du courant capacitif de la ligne n’est possible par le relais. La valeur de Is1 doit donc être réglée à 2,5 fois la valeur du courant capacitif en régime permanent.

 Détermination du courant capacitif la ligne L210

Le courant capacitif d’une ligne est obtenu par la formule [8]:

Ich =U(kV)xC(µF)xωx√3

1000 𝑥𝐿

où

U représente la tension de service la ligne en kV;

C représente la capacitance linéique de la ligne en µF/km ; L la longueur de la ligne en km ;

ω représente la fréquence du courant alternatif en rad/s.

Pour U = 161 kV, CxL = 0,55232 µF, ω = 2x50xpi = 314 rad/s, on a :

55 Ich = 161x0.55232x100x3,14x√3

1000

Ich = 48,36 A

 Determination de Is1 Is1 doit être supérieur à 2.5Ich D’ou Is1 > 2,5 x 48,36 A Soit Is1> 120,906 A.

Les TC de ligne ont au primaire une valeur nominale de 400 A et de 800A. Le courant de base adopté sera de 800A [9] puisque c’est ce courant qui offre le courant de seuil Is1 le plus bas. La valeur de Is1 doit donc être supérieure à 120,906/800 = 0,302 pu.

On choisit donc : Is1 = 0,4 pu.

Lorsque le courant capacitif est faible ou négligeable, le réglage d'usine par défaut de 0,2 In doit être applique.

3.6. Apport du dispositif à la qualité de l’énergie fournie et à la fiabilité du réseau La protection différentielle participe à la qualité du réseau en ce sens qu’elle permet d’isoler la portion en défaut et assure la continuité du service au client connecté au reste de la ligne.

De plus cette protection apporte un gain en terme de d’énergie puisque sa présence permet d’identifiera des poches de fuite de courant qui constituaient des sources de pertes énergétiques et un manque gagner à la société de transport.

De même du point de vue qualité sinusoïdale du courant, la protection différentielle jouera un rôle capital étant donné que les courants parasites qui s’ajouteraient au cours du transport sera constaté et des dispositions seront prises par les techniciens afin d’y pallier ou afin d’amoindrir leurs effets sur la qualité de l’énergie fournie aux clients.

56 La qualité de l’énergie fournie aux clients participe à la durabilité des équipements des clients au meilleur rendement de ceux-ci et donc une satisfaction permanente des clients du réseau.

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons étudié et proposé un système de protection différentielle de la ligne L210. Mais bien avant, nous avons effectué une brève présentation de la ligne à protéger. Le relais de protection proposé est le relais MiCOM P542. Grâce à ce relais la ligne L210 pourra être préservée des défauts différentiels. Nous avons également étudié les différents réglages nécessaires à la mise en œuvre de ce dispositif pour assurer la protection parfaite de la ligne L210.

57

Conclusion générale

58 Un réseau électrique est un système complexe constitué d’éléments passifs et d’éléments actifs (composants, matériels et équipements électriques) qui s’influencent mutuellement. Le fonctionnement du système dans le temps et dans l’espace est le résultat de toutes ces interactions, conformément aux lois de l’électricité. Etant donné que la fiabilité d’un réseau électrique dépend de trois facteurs à savoir :

- Qualité de l’énergie offerte aux clients ; - Disponibilité de l’énergie dans le temps ; - Coût de maintenance réduit ;

il est important de prévoir dès la conception du réseau, les moyens nécessaires qui concourent à son exploitation aisée. Parmi ces moyens, nous citons les protections qui constituent une partie essentielle des réseaux. Compte tenu de leur architecture très complexe et très sensible, les réseaux électriques nécessitent une protection contre les

il est important de prévoir dès la conception du réseau, les moyens nécessaires qui concourent à son exploitation aisée. Parmi ces moyens, nous citons les protections qui constituent une partie essentielle des réseaux. Compte tenu de leur architecture très complexe et très sensible, les réseaux électriques nécessitent une protection contre les

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