Les relais à minimum d`impédance

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Extrait « LA PRATIQUE DES REGIMES DE NEUTRE »
Les relais à minimum d’impédance
Généralités
L’utilisation des relais à minimum d’impédance s’impose lorsqu’il s’agit de concevoir le plan
de protection d’un réseau insulaire où la puissance de court-circuit varie souvent dans de
grandes proportions. Si les performances des relais à minimum d’impédance pour la détection
des défauts polyphasés ne peuvent pas être remises en cause, il est indispensable de vérifier
leur comportement pour les défauts avec la terre.
Dans le cas d’un court-circuit monophasé, on définit l’impédance apparente de la boucle en
défaut par la somme des impédances situées dans la zone comprise entre le point de mesure et
le point de défaut.
Pour détecter les courts-circuits monophasés avec la terre, il faut que les trois relais à
minimum d’impédance soient correctement alimentés. Chaque unité est alimentée par une
tension simple et par l’intensité correspondante pour mesurer l’impédance de la boucle entre
le point de mesure et le court-circuit. Contrairement aux autres dispositifs, le fonctionnement
des relais MINI Z est indépendant de la puissance de court-circuit.
Principe de fonctionnement
Considérons une ligne 63 kV siège d’un court-circuit avec la terre sur la phase 3. La
résistance du défaut est fixée à 10Ω.
Us=63713 V
Scc=1300 MVA
P1,Q1
P2,Q2
Vn=36175 V
20 km438²aa
20 km 438²aa
P4,Q4
10 km 288 alm
10 km 288 alm
ph3
P3,Q3
10Ω
j50Ω
Le schéma homopolaire équivalent du court-circuit est le suivant:
20 km 438²
Zd+Zi
Zd+Zi
a
20 km 438²
Zo ligne
Zo T
Source(1300 MVA)
3 Vo
Jdéfaut
30 Ω
3 Rm
542 A
Zo
b
j150 Ω
3 Zn
3 Vn
108525 V
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Les lignes ont les caractéristiques suivantes:
20 km de ligne en 438² alu- acier
10 km de ligne en 288² almélec
Zd ( Ω ) = 1,7 + 8,3 j
Zi( Ω ) = 1,7 + 8,3 j
Zo( Ω ) = 4,76 + 25,1 j
Zd ( Ω ) = 1,16 + 4,27 j
Zi( Ω ) = 1,16 + 4,27 j
Zo( Ω ) = 2,77 + 12,72 j
Regardons ce que mesurent les relais durant un court-circuit monophasé.
On mesure les courants et les tensions en tête de chaque tronçon de ligne. On en déduit
V
pour deux configurations:
l’impédance apparente de la boucle en mode commun
I
• La ligne est à vide ;
• La ligne est en charge
a) La ligne est à vide
Us=62893 V
Scc=1300 MVA
20 km 438²aa
20 km 438²aa
10 km 288 alm
10 km 288 alm
ph3
533 A
10Ω
j50Ω
V1 =57396 V
V2 =51638 V
V3 =10047 V
V1 57396
=
⇒∞
I1
0
I1=0 A
I2=0 A
I3=533 A
V 2 51638
=
⇒∞
I2
0
V3 10047
=
= 18,85Ω
I3
533
En l’absence de charges sur le réseau en aval du point de mesure, le relais d’impédance
alimenté par V3 et I3 mesure l’impédance de la boucle représentée par le schéma homopolaire
équivalent.
ZoL
ZdL, ZiL, ZoL sont les impédances de
ZdL
ZiL
la ligne entre le point de mesure et le
défaut. Rm est la résistance du défaut.
3V 3
3V3
= ZdL + ZiL + ZoL + 3Rm
I3
I3
Si ZdL = ZiL
3V 3
3 Rm
= 2 ZdL + ZoL + 3Rm
I3
3V 3
38,16² + 41,7²
V3
= 2(1,7 + 8,3 j) + (4,76 + 25,1 j) + 30 = 38,16 + 41,7 j
=
= 18,84Ω
I3
I3
3
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La mesure de l’impédance apparente du réseau ne permet pas de situer le défaut à la terre par
le fait qu’elle intègre des paramètres d’erreurs:
• la résistance du défaut;
• les impédances homopolaires de la ligne en aval du point de mesure;
• les charges en aval du point de mesure.
La mesure de l’impédance de boucle comprend la somme des impédances de ligne dépendant
de la distance du défaut et de la résistance « 3 Rm » représentant le défaut.
Lorsque le défaut est franc, l’impédance de la boucle est une fonction de la distance du défaut.
3V 3
= 2(1,7 + 8,3 j) + (4,76 + 25,1 j) = 8,16 + 41,7 j et
I3
V 3 42,49
=
= 14,16Ω
I3
3
En première approximation on peut ne pas tenir compte des résistances de la ligne. On a alors
V 3 41,7
≈
≈ 13,9Ω . L’erreur introduite est inférieure à 2%.
I3
3
b) La ligne est en charge
Us=62893 V
Scc=1300 MVA
P2,Q2
20 km 438²aa
P4,Q4
10 km 288 alm
20 km 438²aa
10 km 288 alm
ph3
524 A
10Ω
j50Ω
V1 =56325 V
V2 =51994 V
V3 =9531 V
I1=237 A
I2=237 A
I3=616 A
V1 56325
=
≈ 237Ω
I1
237
V 2 51994
=
≈ 219Ω
I2
237
V3 9531
=
= 15,47Ω
I3
616
Les charges en aval du point de mesure modifient les
valeurs du courant I3 et réduisent l’impédance
apparente de la boucle de défaut.
I3
Icharge
I3
V3
ZiL
I1
ZoL
ZdL
3V3
Jdéfaut
I2
V1
3 Rm
V2
Ces deux exemples montrent que l’utilisation du critère impédance permet, sous certaines
conditions, de détecter les défauts monophasés. Le réglage des relais doit assurer la détection
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des défauts à la terre dans les conditions les plus défavorables tout en respectant les principes
de sélectivité.
On constate également qu’il est difficile d’utiliser ce critère pour assurer la sélectivité
longitudinale d’un plan de protection contre les défauts à la terre car l’impédance apparente
comporte des éléments d’erreur.
Le réglage des relais
On détermine l’impédance de service de la ligne.
L’impédance de service d’une ligne est définie comme étant le rapport de la tension de service
du réseau et de l’intensité maximal de transit dans la situation d’exploitation la plus sévère
(report de charge1, surcharge, etc.). On peut par exemple retenir la relation suivante2:
0,9.Vs
Zs =
où IMAP est l’intensité maximal admissible en permanence et Vs la tension
1,1.IMAP
simple de service. Dans notre exemple, la ligne a une IMAP de 525 A et une tension de service
0,9.63000
de 63 kV. L’impédance de service est donc Zs =
= 56,7Ω .
1,1.525 3.
On en déduit le réglage du relais
En retenant un coefficient de sécurité de 20%, on réglera le relais à une valeur ℜZ = 45Ω.
On détermine la compatibilité de ce réglage avec la topologie du réseau
P2,Q2
DA
j50Ω
•
•
•
1
20 km 438² aa
20 km 438² aa
DC
DB 10 km 288 alm
B
P4,Q4
10 km 288 alm
DE
C
A
L’impédance longitudinale de la ligne AC vaut 42,89 Ω.
La ligne AC étant à vide, pour un défaut Rm = 10 Ω au poste C, l’impédance de la
boucle est de 46 Ω.
La ligne AC étant chargée, l’impédance apparente de la boucle est de 38,14 Ω (avec un
défaut Rm= 10 Ω au poste C). La sensibilité de la protection est alors de 40 Ω.
Report de charge monophasé ou triphasé.
Les coefficients sont déterminés en fonction des conditions d’exploitation. Ils ne sont ici indiqués qu’à titre
d’exemple.
2