Brevet FR2449993A1 — publié le 19800919

La présente invention concerne la protection de machines contre les microcoupures d'un réseau électrique. Les microcoupures d'un réseau correspondent à des défauts dits fugitifs qui nécessitent, pour disparaître, une coupure très brève du réseau, de l'ordre de quelques dixièmes de seconde, et à des défauts dits semi-permanents et permanents que l'on tente d'effacer par une coupure ou plusieurs coupures de durée relativement longue, de l'ordre de quelques secondes, sans intervention du personnel d'exploitation. On utilise généralement,' avec des disjoncteurs de tête situés sur chacun des départs des postes de répartition à moyenne tension, des automatismes de déclenchementréenclenchement qui donnent un ordre de déclenchement instantané et un ordre de réenclenchement temporisé exécutable par exemple au bout de 300 millisecondes.Si le temps d'isolement de 300 millisecondes n'a pas été suffisant pour faire disparaitre le défaut, un ordre de déclenchement temporisé est donné. Ce second déplacement est suivi d'un temps d'isolement de 15 secondes par exemple. Si le défaut demeure lors du second réenclenchement, il se produit une troisième coupure durant 15 secondes par exemple. Si, au troisième réenclenchement, le défaut est toujours présent, le disjoncteur s'ouvre diéfinitivement, et une intervention humaine est nécessaire. Mais ces automatismes entrainent des microcoupures qui peuvent être dangereuses pour certaines machines reliées au réseau telles que des groupes électrogènes, des onduleurs, des moteurs synchromes, des moteurs aynchromes, etc.. Dans le cas particulier d'un groupe électrogène raccordé à un réseau muni de dispositifs de déclenchement-réenclenchement, il peut se produire - une non-extinction des défauts fugitifs pendant un cycle de déclenchement-réenclenchement rapide, avec pour conséquence un deuxième déclenchement du disjoncteur de tête, suivi d'un temps d'isolement du départ compris entre 15 et 30 secondes, - un faux couplage (c'est-à-dire un couplage dans des conditions ne permettant pas un bon déroulement de cette opération) au moment de la fermeture du disjoncteur de tête de départ, même dans le cas où l'arc du défaut s'est éteint pendant l'exécution du cycle de réenclenchement rapide. Ceci correspond à des conditions de fonctionnement dangereuses, particulièrement si le réseau et la source auxiliaire constituée par le groupe électrogène sont en opposition de phase.Elles engendrent des contraintes augmentant la fatigue du matériel quand elles n'en provoquent pas la destruction immédiate. I1 est ainsi indispensable de découpler rapidement certaines machines du réseau auquel elles sont reliées chaque fois qu'une microcoupure risque d'en provoquer la destruction tout en prévoyant un recouplage automatique, ce qui exclut une protection par fusibles ou appareils similaires. Le temps total nécessaire pour isoler une machine d'un réseau se compose de trois temps élémentaires qui sont - tel, le temps utile pour que le paramètre mesuré atteigne l'un des seuils de fonctionnement du relais de détection, - t2, le délai de fonctionnement du relais de détection, - t3, le délai de fonctionnement de l'organe de couplage. L'invention vise essentiellement la réduction des temps tl et t2 dont la somme est le temps total de détection. Le temps t3 est réduit en utilisant un disjoncteur rapide qui n'est pas en lui-même l'objet de l'invention, mais qui, combiné à l'objet principal de l'invention,contribue à une mise en oeuvre particulièrement efficace de celle-ci. Pour protéger les machines contre les microcoupures d'un réseau, on a proposé ces dernières années -d'utiliser des relais de fréquence. Ceux-ci jouent bien leur rôle seulement avec des machines de faible inertie et en régime de déséquilibre manifeste entre la production et la consommation, car ils provoquent alors ltouverture du disjoncteur de couplage de la machine avant le réenclenchement rapide du disjoncteur de tête de départ en moyenne tension. Mais, dans de nombreux cas intermédiaires, carac térisés- par des dérives de fréquence relativement lentes, ce mode de détection n'est ni suffisamment sensible, ni suffisamment rapide pour permettre d'apprécier le phénomène et de provoquer le déclenchement du disjoncteur de couplage de la machine en temps voulu, ce qui laisse subsister un risque de faux couplage. -L'invention se propose d'apporter un système de protection, contre les microcoupures d'un réseau, d'une machine couplée à ce réseau par un disjoncteur de couplage commandé par un relais de détection électronique, qui, par son principe de détection des microcoupures, agisse très rapidement pour isoler la machine du réseau pendant le temps de la microcoupure et qui puisse être réalisé de manière simple et peu coûteuse. L'invention prévoit, pour obtenir ce résultat, que le relais de détection électronique comporte, d'une part, à la fois un moyen de détermination de la vitesse de variation d'un courant de phase déhité par la machine et un moyen de détermination de sa valeur instantanée et, d'autre part, des moyens combinatoires transmettant un ordre de commande au disjoncteur de couplage lorsque la vitesse de variation du courant de phase et la valeur instantanée de ce courant dépassent l'une et l'autre des seuils préfixés. Les phénomènes de microcoupures font, en effet, apparaitre des surintensités à trois stades successifs : au moment du défaut sur le réseau ; à la disparition de la tension du réseau ; et au retour de la tension du réseau ; et ces surintensités se manifestent très rapidement. La détermination de la vitesse de variation du courant donne à la détection un important avantage de rapidité, car cette vitesse de variation atteint son maximum avant que l'intensité du courant n'ait atteint une valeur dangereuse. Toutefois, la seule détermination de la vitesse de variation du courant conduirait à des déclenchements intempestifs du fait notamment des harmoniques qui se produisent lors du branchement des réseaux aériens et des charges capacitives.Au contraire, la détermination combinée de l'intensité du courant et de sa vitesse de variation permet de bloquer le déclenchement en dessous d'une certaine valeur instantanée du courant pour éviter des déclenchements intempestifs, tout en bénéficiant de la rapidité d'action que procure la surveillance de la vitesse de variation du courant. Dans un réseau polyphasé, le relais de détection électronique comporte de préférence des moyens de détermination de la vitesse de variation du courant de phase et de sa valeur instantanée opérant sur chacune des phases du réseau. I1 est avantageux, selon une autre caractéristique de l'invention, que le relais de détection comporte un microprocesseur déterminant la variation du courant de phase, effectuant les comparaisons avec des seuils du courant instantané et de sa vitesse de variation et émettant l'ordre de commande. Ces opérations peuvent aussi, de manière préférentielle, être effectuées par un microcalculateur, intégré ou non. D'autres avantages et d'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description d'un exemple de réalisation qui va être donné en se référant au dessin joint dans lequel -- la figure 1 représente un exemple de schéma unifilaire d'ensemble d'un réseau d'alimentation en energie électrique auquel est couplé un groupe électrogène, - la figure 2 représente le schéma synoptique du relais de détection d'un dispositif de protection du groupe électrogène contre les microcoupures du réseau, conforme à la présente invention, - et la figure 3 représente le bloc de commande du disjoncteur, faisant partie du schéma de la figure 2. Sur la figure 1, une ligne à haute tension 1 alimente, par l'intermédiaire d'un transformateur de haute tension en moyenne tension 2, un ensemble de dérivations à moyenne tension 3. L'une de celles-ci a été représentée aboutissant à un poste de répartition 4 d'où partent un certain nombre de lignes à moyenne tension telles que 5, par l'intermédiaire de disjoncteurs de départ 6. On a notamment représenté une ligne 5 arrivant par l'intermédiaire d'un disjoncteur 7, à un transformateur de moyenne tension en basse tension 8, dont la sortie basse tension est reliée à un jeu de barres "normal" 9 alimentant- divers récepteurs 10. Un certain nombre de récepteurs 11 dont l'alimentation en énergie électrique est vitale, comme celà se rencontre notamment dans la chimie, la pétrochimie, les auxiliaires de centrales thermiques ou certaines chaînes de fabrication, sont raccordés non pas au jeu de barres normal 9, mais à un jeu de barres "assure" 12 qui est relié d'une part au réseau par un disjoncteur de couplage 13 et d'autre part à un groupe électrogène 14 par un disjoncteur 15. I1 est intéressant d'utiliser le groupe électrogène 14 non pas seulement comme secours en cas de défaillance du réseau, mais aussi comme appoint lorsqu'on a besoin d'une puissance supérieure à la puissance maximale que l'on s'est engagé à ne pas dépasser vis-à-vis du réseau. Mais on doit alors protéger le groupe électrogène contre les microcoupures du réseau. On commande pour celà, conformément à l'invention, l'ouverture du disjoncteur de couplage 13 en fonction de l'intensité du courant et aussi de la vitesse de variation du courant que débite la centrale auxiliaire et que l'on surveille par exemple aux bornes de lralternateur par le relais de détection. La figure 2 montre le schéma synoptique de ce relais de détection qui commande le disjoncteur 13. Chaque phase de l'alternateur comporte un transformateur d'in- tensité 16 à circuit magnétique à entrefer qui débite sur une résistance 17. Un multiplexeur 18 prélève successivement une me sure sur chacune des résistances 17 montées en potentiomètres et la transmet à un convertisseur d'analogique en numérique 19.Un microprocesseur 20, commandé par une horloge 21, associé à une mémoire programmé 22 et à une mémoire de données 23, ainsi qu'à des roues codeuses 24 et 25 pour le réglage respectif du seuil de mesure de l'intensité et du seuil de vitesse de variation de l'intensité provoquant-le déclenchement lit les valeurs successives mesurées de l'intensité données par le convertisseur 19, établit la vitesse de variation de cette intensité et envoie un ordre de commande sur le bloc 26 de commande du disjoncteur lorsque les seuils sont l'un et l'autre dépassés. Le microprocesseur 20 compare cycliquement,par par exemple toutes les deux ou trois microsecondes, la valeur i du courant instantané mesurée et numérisée avec la valeur du seuil ix préréglée et numérisée à l'aide de la roue codeuse 24. Dès'que i: ix, le microprocesseur effectue simultanément le contrôle de la valeur instantanée i et celui de la vitesse de variation du courant di Le microprocesseur calcule di en effectuant un échantillon dt nage des valeurs du courant instantané. A une fréquence d'échantil- lonnage élevée (par exemple toutes les deux ou trois microsecondes), il compare la valeur mesurée à la valeur de la mesure précédente gardée dans la mémoire 23, ce qui donne di, la valeur dt étant définie par la fréquence. Le microprocesseur compare ces valeurs de di à la valeur préréglée et numérisée à l'aide de la roue codeuse 25 qui règle le seuil de déclenchement.Lorsque ce seuil est atteint, le microprocesseur envoie un ordre de commande sur le bloc de commande 26 pour déclencher le disjoncteur de couplage 13. L'ensemble du microprocesseur et des organes qui lui sont associés pourrait avantageusement être remplacé par un microcalculateur intégré, par exemple du type 8748 de la société INTEL. L'intérêt de l'emploi d'un microprocesseur ou d'un microcalculateur intégré est de réduire considérablement le nombre de composants, d'augmenter la fiabilité et d'améliorer les performances en permettant une meilleure précision et un traitement des mesures effectuées. Le temps dé détection est inférieur à une milliseconde. Les roues codeuses ou les touches à contacts que l'on peut utiliser pour régler les seuils n'influent en aucune façon sur la précision d'une quelconque fonction et comportent une mécanique tres simple. Le bloc de commande 26 permet un déclenchement très rapide, grâce à sa réalisation particulière représentée sur la figure 3. Ce bloc comprend un condensateur 27, chargé par l'intermédiaire d'une résistance 28, qui peut se décharger brusquement sur la bobine 29 du déclencheur du-disjoncteur lorsqu'un ordre de commande venant du microprocesseur 20 rend conducteur un thyristor 30 monté en série avec la bobine 29 et une résistance 31. Il.faut évidemment utiliser un disjoncteur très rapide et il est particulièrement intéressant d'employer un disjoncteur limiteur dans lequel les contacts mobiles sont dans un premier temps écartés des contacts fixes par la force exercée sur les contacts mobiles sous l'action directe du courant de défaut qui traverse le disjoncteur, l'action de déclenchement exercée par le relais de protection intervenant pour maintenir les contacts dans la position écartée qu'ils -ont prise par ouverture directe. Ce type de disjoncteur introduit le délai t3 minimal, ce qui, joint aux dispositions décrites précédemment pour réduire les temps t1 et t2, permet d'obtenir l'isolement d'une machine dans un délai de l'ordre de 6 à 9 microsecondes avec limitation du courant de défaut à une valeur non dangereuse pour la machine. REVENDICATIONS 1/ Système de protection d'une machine contre les microcoupures du réseau électrique auquel elle est reliée par l'intermédiaire d'un disjoncteur de couplage commandé par un relais de détection électronique, caractérisé en ce que le relais de détection électronique comporte, d'une part, à la fois un moyen de détermination de la vitesse de variation d'un courant de phase débité. par la machine et un moyen de détermination de la valeur instan tanée de ce courant et, d'autre part, des moyens combinatoires transmettant un ordre de commande au disjoncteur de couplage lorsque la vitesse de variation du courant de phase et la valeur instantanée de ce courant dépassent l'une et l'autre des seuils préfixés. 2/ Système de protection selon la revendication 1 appliqué à un réseau polyphasé, caractérisé en ce que le relais de détection électronique comporte des moyens de détermination de la vitesse de variation du courant de phase et de la valeur de ce courant opérant sur chacune des phases du réseau. 3/ Système de protection selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le relais de détection comporte un microprocesseur déterminant la variation -du courant de phase, effectuant les comparaisons avec les seuils du courant instantané et de sa vitesse de variation, et émettant l'ordre de commande. 4/ Système de protection selon ltune des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le relais de détection comporte un microcalculateur déterminant la variation du courant de phase, effectuant les comparaisons avec des seuils du courant instantané et de sa vitesse de variation, et émettant l'ordre de commande. 5/ Système de protection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un bloc de commande du disjoncteur de couplage comprenant un condensateur et un thyristor montés en série avec une bobine de déclencheur du disjoncteur, le thyristor étant piloté par l'ordre de commande émis par le relais de détection. 6/ Système de protection selon l'une des revendications pré cédentes, caractérisé en ce que le disjoncteur de couplage est un disjoncteur limiteur dans lequel la séparation initiale des contacts est effectuée dirptement par le courant traversant le disjoncteur.