Relais de protection: des innovations au service de l`exploitant

RELAIS DE PROTECTION: DES INNOVATIONS AU SERVICE DE L’EXPLOITANT
C. Petit
Schneider Electric, France
L’innovation dans le domaine des protections moyenne
tension s'accélère pour servir les exigences toujours
croissantes des exploitants: réduire les coûts
d'investissement
et
d'exploitation,
réduire
l'encombrement, faciliter l'utilisation.
La nouvelle gamme d'unités de protection Sepam
introduit de nombreuses innovations, rendues possibles
par:
- les fortes évolutions technologiques des secteurs grand
public,
- les évolutions normatives majeures dans le domaine de
capteurs,
- l'organisation de développements conjoints protection /
appareillage.
L'une des principales innovations de Sepam est son
architecture distribuée et modulaire basée sur
l'exploitation d'une technologie issue de l'industrie
automobile: le bus CAN.
Ce bus a été conçu dans le but de réduire les coûts de
filerie dans les véhicules, avec des exigences qui
coïncident avec celles des relais de protection: la
fiabilité, la robustesse à l'environnement et le coût.
Il permet une architecture composée d'une unité de base
et de modules déportés.
L'unité de base comprend tout le matériel strictement
nécessaire pour assurer les fonctions de protection,
mesure et surveillance. Elle constitue le premier palier
de la gamme, répondant à la majorité des besoins
clients.
Pour enrichir le produit de fonctions supplémentaires,
des modules additionnels peuvent être raccordés par le
bus au boîtier principal. L'avantage pour l'exploitant: un
investissement initial optimisé autorisant l'évolution de
sa protection à tout moment.
De même, l'interface homme - machine du relais peut
être déportée à l'endroit le plus ergonomique dans la
cellule moyenne tension.
Le raccordement du relais Sepam aux nouveaux
capteurs de courant bas niveau est également une
innovation importante. Le projet de norme CEI 60044-8
définit un nouveau standard d'interface entre les capteurs
et le relayage et vient substituer au traditionnel
Transformateur de Courant un capteur LPCT (Low
Power Current Transducer) dont le niveau de sortie est
22,5mV.
La clé de cette technologie est la maîtrise de
l'électronique du relais qui conditionne ce type de signal.
Le capteur, par contre, est basé sur des technologies
matures puisqu'il est constitué d'un transformateur de
courant magnétique raccordé à un shunt de précision.
Les avantages de cette solution sont la compacité du
capteur, sa large plage de mesure et sa simplicité de
choix (la chaîne LPCT / Sepam est maîtrisée et validée
par de nombreux essais).
L'organisation de développements conjoints entre les
bureaux d'étude Protection et Appareillage est un moyen
d'amplifier l'impact des innovations réalisées dans
chaque domaine. Plusieurs exemples montrent les
bénéfices que peut tirer le client de cette démarche qui
optimise l'équipement complet.
Ainsi une nouvelle cellule de distribution secondaire
SM6 a été développée en tirant profit de la compacité
du relais Sepam 1000+. Résultat: le caisson basse
tension est supprimé, l'équipement est plus compact,
plus facile à transporter et installer et plus ergonomique
avec une interface homme machine à portée des yeux.
Autre exemple: le disjoncteur Evolis, développé en
exploitant les innovations de Sepam: utilisation des
capteurs LPCT de faible encombrement, déport
d'interface homme - machine sur la porte du
disjoncteur… Avantage : une chaîne capteur - relais
optimisée et une ergonomie remarquable.
Les innovations introduites dans la nouvelle gamme de
relais de protection Sepam conduisent à des produits
optimisés, plus riches, plus faciles à choisir, à mettre en
œuvre et à utiliser.
Mais de nombreuses potentialités d'innovation restent à
exploiter pour enrichir la gamme parmi lesquels
l'utilisation plus systématique des bus pour réduire
encore la filerie, l'invention de nouvelles fonctions
rendues possibles par l'augmentation des puissances de
calcul, l'utilisation des nouvelles technologies pour
développer le téléservice et l'exploitation de nouvelles
interface homme machines.
RELAIS DE PROTECTION: DES INNOVATIONS AU SERVICE DE L’EXPLOITANT
C. Petit
Schneider Electric, France
L’innovation dans le domaine des protections moyenne
tension s'accélère pour servir les exigences toujours
croissantes des exploitants: réduire les coûts
d'investissement
et
d'exploitation,
réduire
l'encombrement, faciliter l'utilisation.
La nouvelle gamme d'unités de protection et de mesure
Sepam introduit de nombreuses innovations, rendues
possibles par:
- les fortes évolutions technologiques des secteurs grand
public,
- les évolutions normatives majeures dans le domaine de
capteurs,
- l'organisation de développements conjoints protection /
appareillage.
UNE
ARCHITECTURE
MODULAIRE
DISTRIBUEE
température (-40°C à +110°C). Son immunité
électromagnétique est également de très haut niveau.
CAN résiste aux tests d'environnement les plus sévères,
représentatifs de l'environnement moyenne tension.
Du fait de son succès dans l'automobile mais également
dans tous les secteurs de l'industrie, CAN est maintenant
très répandu et intégré sans surcoût dans le silicium des
microcontrôleurs des principaux fabricants de
composants.
ET
L'une des principales innovations de Sepam est son
architecture distribuée et modulaire (fig.1) basée sur
l'exploitation d'une technologie issue de l'industrie
automobile: le bus CAN.
Ce bus a été conçu dans le but de réduire les coûts de
filerie dans les véhicules, avec des exigences qui
coïncident avec celles des relais de protection:
- la fiabilité,
- la robustesse à l'environnement
- le coût.
Les principes de fonctionnement de CAN ont été définis
pour atteindre un niveau de fiabilité élevé. Ainsi, des
mécanismes de contrôle de cohérence et de destruction
instantanée de toute trame erronée rendent impossible la
transmission de fausses informations. D'autre part, tout
dispositif raccordé au bus a la capacité de s'autosurveiller et de se retirer de la liaison en cas d'anomalie.
Ces dispositifs assurent une sécurité et une disponibilité
maximale du système.
Contrairement aux technologies développées pour
l'environnement bureautique (mémoires RAM rapides,
Ethernet, par exemple), CAN est implanté dans des
composants prévus pour les gammes étendues de
fig. 1: une architecture distribuée et modulaire
Le bus permet une architecture composée d'une unité de
base et de modules déportés.
L'unité de base comprend tout le matériel strictement
nécessaire pour assurer les fonctions de protection,
mesure et surveillance : l'unité de traitement, les
acquisitions analogiques, les sorties tout ou rien, une
interface homme machine minimale et l'alimentation.
Elle constitue le premier palier de la gamme, répondant
à la majorité des besoins clients, pour un coût optimal.
Pour enrichir le produit de fonctions supplémentaires,
des modules additionnels peuvent être raccordés par le
bus au boîtier principal (voir fig. 2): modules d'entrées
sondes de température, de sorties analogiques etc.
L'avantage pour l'exploitant: un investissement initial
optimisé autorisant l'évolution de sa protection à tout
moment.
De même, l'interface homme machine du relais peut être
soit fixée en face avant du produit, soit déportée (fig.2),
ce qui permet un positionnement ergonomique dans la
cellule moyenne tension.
modules
additionnels
Module
de base
Le raccordement du relais Sepam aux nouveaux
capteurs de courant bas niveau est également une
innovation importante. Le projet de norme CEI 60044-8
définit un nouveau standard d'interface entre les capteurs
et le relayage et vient substituer au traditionnel
Transformateur de Courant 1A/5A un capteur LPCT
(Low Power Current Transducer) dont le niveau de
sortie est 22,5mV (voir les caractéristiques normatives
dans le tableau 1).
La clé de cette technologie est la maîtrise de
l'électronique du relais qui conditionne ce type de signal.
En effet, contrairement au TC 1A/5A traditionnel qui
délivre un signal de forte puissance, le capteur LPCT
demande un savoir-faire important de traitement
analogique du signal afin de maîtriser la chaîne
d'amplification, le bruit, le filtrage et l'écrêtage des
perturbations électromagnétiques. Cette expérience est
exploitée de longue date dans la gamme Sepam, qui a
toujours su fonctionner avec des niveaux de signaux très
bas, de l'ordre de quelques millivolts.
IHM
déportée
fig.2: une implantation possible des différents modules
Autre innovation dans l'ergonomie, la capacité de
l'interface à s'adapter à toutes les langues et tous les
alphabets. Ainsi, l'exploitant peut lire les messages
d'alarme sous la forme qui lui est la plus familière,
avantage appréciable lorsqu'il s'agit de réagir rapidement
en situation de défaut du réseau (fig.3).
fig.4: le capteur LPCT et le module d’interface CCA670
fig.3: des messages personnalisables pour tous les
alphabets
LES CAPTEURS DE COURANT CEI 60044-8
Paramètre (selon CEI 60044-8)
valeur
courant primaire assigné
100 A
courant primaire assigné étendu
1250A
tension secondaire assignée
22.5 mV
classe de précision mesure
0.5
facteur limite de précision protection
250
classe de précision protection
5P
charge
≥ 2 kΩ
courant thermique assigné permanent
1500A
courant thermique assigné de courte
durée
31.5kA 4s
tension la plus élevée pour le matériel
0,72 kVeff
tension de tenue à fréquence
industrielle
conditions de service
3 kVeff
- 25°C
intérieur
Tab.1: caractéristiques normatives du capteur LPCT
Sepam se différentie de sa version pour capteur TC
1A/5A par le module CCA 670 (fig.4) qui permet le
raccordement des capteurs LPCT, la calibration de la
chaîne de mesure ( de 25 à 3150 A) ainsi que la fonction
test (injection de signal et mesure du signal de sortie du
capteur).
Le capteur LPCT est basé sur des technologies matures
puisqu'il est constitué d'un transformateur de courant
magnétique raccordé à un shunt de précision.
L'obtention d'une large dynamique de mesure dans un
faible volume est rendue possible par la faible puissance
de signal et la parfaite maîtrise de la charge du capteur,
du fait que le shunt est intégré.
Ce faible volume de l'enroulement autorise la réalisation
d'une version torique, sans isolement du capteur, destiné
à être utilisé soit sur traversée soit sur câble.
L'insensibilité à la saturation par les conducteurs
extérieurs est obtenue par une disposition particulière
des enroulements, savoir-faire utilisé de longue date
dans les applications de mesure de très grands courants
(protection des générateurs).
De nombreux essais du capteur ou de la chaîne complète
ont été réalisés (tab.2) et démontrent son excellent
fonctionnement (la classe 0,5 pour la mesure de 100 A à
2500A, la classe 5P pour la protection jusqu'à 25 kA,
voir fig.5 ), sa parfaite immunité aux champs
électromagnétiques basse et haute fréquence, et sa
grande stabilité en température.
Le plan de qualification appliqué à l'ensemble capteur
LPCT et Sepam s'appuie sur la norme capteur (projet
CEI 600044-8), les normes d'environnement relais (CEI
60255-21 et 22), les normes d'environnement génériques
(CEI 61000-4) et également sur des essais en
environnement réel moyenne tension, non normalisés
mais issus de l'expérience cumulée de Schneider Electric
dans les domaine de l'appareillage et de la protection.
essais
sanction
•
norme
•
précision de mesure
CEI 60044-8
classe 0,5
précision sur court-circuit
triphasé
• CEI 60044-8
classe 5P
25kA
(distance entre phases
180 mm)
immunité au champ
électrique MT sous 30kV
• non normalisé
pas d'erreur induite (ni
dérive, ni diaphonie)
immunité aux
commutations sous 20kV
• non normalisé
RAS
(150 cycles OFO)
tenue thermique
permanente
CEI 60044-8
OK pour
1500A
(∆T<<40°C)
tenue thermique courtcircuit
• CEI 60044-8
OK
classe 0,5 après
31,5kA 4s
stabilité en température
-25°C à 80°C
• CEI 60044-8
conforme à la classe 0,5
•
robustesse mécanique
(capteur + connectique)
• CEI 60255-21-1/2/3
immunité aux perturbations électromagnétiques
• CEI 60255-22-1
• CEI 60255-22-2
• CEI 60255-22-3
• CEI 60255-22-4
• CEI 61000-4-3
• CEI 61000-4-6
classe II
classe III
classe III
classe X (30V/m)
classe IV
niveau III (10V/m)
niveau III (10V)
tab.2: plan de qualification du capteur LPCT et de la
chaîne complète capteur + Sepam
Les avantages de cette solution sont la compacité du
capteur, sa large plage de mesure (un seul capteur
couvre une dynamique de mesure de quelques ampères à
25 kA) et sa simplicité de choix (la chaîne LPTC /
Sepam est maîtrisée et validée par de nombreux essais).
I1
I2
I3
courant
primaire
(10kA/div)
u1
u2
u3
tension
secondaire
(2,25V/div)
fig. 6: intégration de Sepam dans la cellule SM6, avec
(gauche) et sans (droite) optimisation
ε1
Autre exemple, le disjoncteur Evolis (fig.7), développé
en exploitant les innovations de Sepam: utilisation des
capteurs LPCT de faible encombrement, déport
d'interface homme machine sur la porte du disjoncteur…
Avantage : une chaîne capteur - relais optimisée et une
ergonomie améliorée.
ε2
ε3
erreur
instantanée
(4%/div)
fig.5: essai triphasé (entre-phase 180mm) 25 kA du
capteur LPCT. Erreur composite mesurée:
εc
1
= 2,2% ,
εc
2
= 1,3%
εc = 1%
3
L’INTEGRATION OPTIMISEE DANS L’APPAREILLAGE
L'organisation de développements conjoints entre les
bureaux d'étude Protection et Appareillage est un moyen
d'amplifier l'impact des innovations réalisées dans
chaque domaine. Plusieurs exemples montrent les
bénéfices que peut tirer le client de cette démarche qui
optimise l'équipement complet.
Ainsi une nouvelle cellule de distribution secondaire
SM6 (fig.6) a été développée en tirant profit de la
compacité du relais Sepam 1000+. Résultat: le caisson
basse tension est supprimé, l'équipement est plus
compact, plus facile à transporter et installer et plus
ergonomique avec une interface homme machine à
portée des yeux.
fig. 7: intégration de Sepam avec le disjoncteur Evolis
CONCLUSION
Les innovations introduites dans la nouvelle gamme
d'unité de protection et de mesure Sepam ont pour
finalité de mieux répondre aux attentes des utilisateurs.
Elles sont favorisées par un environnement
technologique et normatif en pleine évolution. Elles
conduisent à des produits optimisés, plus riches
fonctionnellement tout en étant plus faciles à choisir, à
mettre en œuvre et à utiliser.
Mais de nombreuses potentialités d'innovation restent à
exploiter pour enrichir la gamme Sepam:
• le développement de modules additionnels pour une
plus large couverture des besoins clients,
• l'utilisation plus systématique des bus pour réduire
encore la filerie,
• l'élargissement du domaine fonctionnel de Sepam
vers les fonctions de diagnostic de l'appareillage et
de la charge (diagnostic thermique [1], mécanique,
moteur…)
• l'invention de nouvelles fonctions rendues possibles
par l'augmentation, à coût constant, des puissances
de calcul et des capacités mémoire. Exemples:
l'auto-apprentissage des paramètres de protection,
la suppression de réglages par la mise en œuvre
d'algorithmes plus robustes,
• l'utilisation des nouvelles technologies pour
développer un téléservice basé sur les données
d'exploitation et de maintenance élaborées par le
relais et communiquées via Internet,
• l'utilisation de PDA (personnal digital assistant), de
téléphones WAP pour de nouvelles interfaces
homme machine, plus conviviales.
[1]: Petit C, 1999, "Diagnostic des tableaux MT, une
solution économique et sûre, basée sur un capteur
optique" CIRED.