Brevet FR2692086A1 — publié le 19931210

La présente invention concerne les réseaux de distribution d'énergie électrique et, en particulier, les postes de distribution à moyenne tension Le réseau à protéger peut présenter plusieurs types de mise à la terre; il peut s'agir d'un réseau isolé, d'un réseau à neutre impédant à facteur de qualité très faible ou d'un réseau 'compensé avec mise à la terre par une bobine de compensation. Actuellement, on utilise essentiellement deux techniques de détection des défauts à la terre qui sont fondées sur deux analyses électrotechniques différentes; ces deux techniques traitent les deux mêmes grandeurs, à savoir le courant résiduel de chaque départ et la tension résiduelle homopolaire du poste au niveau du jeu de barres. Une première méthode, qui est la plus ancienne consiste à filtrer la composante fondamentale de ces deux signaux et en extraire la partie active et/ou réactive du courant La notion de courant actif et de déphasage n'est valide qu'en régime permanent et cette méthode n'est donc pas bien adaptée à la détection de défauts auto-extinc- teurs ou de défauts permanents intermittents dont les durées d'arc sont souvent inférieures à une période du courant Il faut noter que les signaux apparaissant pendant ces derniers défauts sont riches en composantes apériodiques ou de fréquence élevée (spectre très éten- du). Cette méthode de détection entraîne soit des détections intempestives soit des absences de détection pour des défauts réels; ces deux phénomènes entraînent des perturbations importantes sur le réseau. Une deuxième méthode traite également les mêmes signaux cités plus haut mais ne considère que leurs comportements transitoires Elle évalue le sens de variation du courant homopolaire au tout début d'un défaut Cette méthode suppose donc l'existence d'un courant transitoire et elle est particulièrement bien adaptée à la détection de défauts relativement francs. Par contre, lors de manoeuvres ou de réenclenche- ments sur un défaut ou sur un départ sain, l'efficacité de cette méthode est plus discutable; en particulier, elle risque de fournir des détections intempestives. Par ailleurs la sensibilité de cette méthode pour des défauts très résistants dans le cas d'un réseau compensé très capacitif est également plus réduite. La présente invention se propose de fournir un procédé et un dispositif de détection des défauts à la terre d'un réseau de distribution qui ne présentent pas les inconvénients précités, c'est-à-dire qui puissent détecter à la fois les défauts permanents et les défauts transitoires quel que soit le type de mise à la terre du réseau à protéger; par ailleurs, il est souhaitable d'éviter des détections intempestives en particulier lors des manoeuvres de réenclenchement dans le cas de défauts fugitifs. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de protection sélective contre les défauts à la terre d'un poste de distribution d'un réseau électrique, destiné en particulier à la protection des postes sources sur les départs à moyenne tension, caractérisé en ce que: on mesure en permanence, sur chaque départ, la puissance homopolaire instantanée sur une large bande de fréquences; la valeur mesurée est comparée avec une pre- mière valeur de seuil et, en cas de dépassement pendant une période de temporisation réglable, on engendre une signalisation de défaut permanent; la valeur mesurée est comparée à une deuxième valeur de seuil supérieure à la première et, en cas de dépassement pendant une durée égale à une période de la tension, on engendre une signalisation de défaut transi- toire; on mesure la tension homopolaire, on la compare à une valeur de seuil inférieure à la valeur de la tension nominale et, en cas de dépassement pendant une durée prédéterminée précédant le dépassement de la deuxième valeur de seuil précitée, les signalisations instantanées de tous les départs sont inhibées pendant un temps d'inhibition réglable. Le fait de mesurer la puissance homopolaire instantanée pour une large bande de fréquences permet de détecter les défauts auto-extincteurs ou les défauts permanents intermittents. L'inhibition des signalisations instantanées permet d'éviter les détections intempestives en particu- lier lors de manoeuvre ou de réenclenchement sur un défaut ou sur un départ sain. Selon une autre caractéristique de l'invention, on mesure la puissance réactive résiduelle, on la compare à la puissance active résiduelle et la signalisation de défaut permanent n'est validée que si la puissance active résiduelle est supérieure à un multiple de la puissance réactive. Cette condition supplémentaire permet d'éliminer des détections ne correspondant pas à un défaut réel. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mesure pour déterminer la puissance homopolaire instantanée à partir de deux signaux proportionnels respectivement à la tension homopolaire, Vl, et au courant homopolaire, V 2, caractérisé en ce qu'il comporte un premier circuit fournissant un signal égal à V 2, un oscillateur astable piloté par le signal Vl propor- tionnel à la tension homopolaire et un commutateur à fréquence constante supérieure à la fréquence la plus élevée des composantes des signaux Vl et V 2, ledit commutateur recevant le signal V 2, en ce que ledit oscillateur astable commande ledit commutateur de telle manière que, pour chaque période de commutation, le temps de conduction varie de O à 100 % de manière proportion- nelle à la valeur instantanée du signal Vl, en ce que les signaux fournis par ledit commutateur et par ledit premier circuit sont envoyés dans un sommateur dont la sortie est reliée à un filtre passe-bas. Ce dispositif, qui constitue en fait un multipli- cateur, permet d'obtenir une valeur exacte de la puis- sance homopolaire instantanée avec une largeur de bande de fréquences importante. Avantageusement, un signal de correction négative est appliqué à la sortie du circuit multiplicateur rece- vant le signal V 2 proportionnel au courant homopolaire. On peut également réaliser une correction à partir de la puissance réactive élaborée à l'aide d'un autre multiplicateur. Le fait de réaliser une telle correction permet de s'affranchir des erreurs dues aux imperfections des réducteurs de mesure. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description qui suit, faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma bloc expliquant le fonctionnement général du procédé selon l 'invention; la figure 2 est un schéma bloc d'un mode de réalisation du multiplicateur; les figures 3 à 6 sont des figures explicatives du fonctionnement du circuit de la figure 2; la figure 7 est un schéma d'un mode de réalisa- tion d'un multiplicateur; la figure 8 illustre un mode de contre-réac- tion; et la figure 9 illustre un deuxième mode de contre-réaction. La figure 1 illustre de manière schématique le procédé selon l'invention On utilise comme grandeurs d'entrée des grandeurs significatives de la tension homopolaire sur le jeu de barres (vr) et du courant homopolaire sur chaque départ (ir). Ces deux grandeurs sont envoyées sur un circuit 1 qui est essentiellement constitué par un multiplicateur et qui fournit la valeur instantanée de la puissance homopolaire pour une large bande de fréquences, pour des fréquences allant par exemple jusqu'à 3 k Hz. Le circuit 1 comprend également au moins un circuit à seuil de telle sorte qu'il fournit à sa sortie au moins un signal de détection de dépassement de seuil. Un de ces signaux de détection fournit en 2 une signalisation instantanée; un autre signal de détection fournit en 3 une signalisation de défaut temporisée. La signalisation instantanée 2 est envoyée sur un circuit d'inhibition 7 qui fournit à sa sortie un signal instantané de défauts Le signal de détection 3 corres- pondant à un défaut permanent est envoyé dans un circuit de temporisation 4 qui fournit à sa sortie un signal de défauts temporisé. Le circuit d'inhibition 3 est commandé par un signal fourni par le signal vr significatif de la tension homopolaire sur le jeu de barres Le circuit multiplica- teur à seuil 1 comprend une entrée d'inhibition 5 par laquelle il peut recevoir un signal externe d'inhibition de la détection de défauts Le circuit de temporisation 4 peut présenter une temporisation variable et il com- porte une entrée 6 d'inhibition de la temporisation. Le circuit multiplicateur 1 calcule l'énergie ou la puissance homopolaire dans une largeur de bande de fréquences minimale de 25 Hz à 1 Khz; ceci signifie que l'énergie véhiculée par les signaux de tension et de courant homopolaires dans cette -ande de fréquence doit être prise en compte avec les performances indiquées ci- après. En ce qui concerne la dynamique de fonctionne- ment, les relations entre la tension résiduelle Vr et le courant résiduel actif Ira sur les divers types de réseaux à considérer sont les suivantes: 4000 N Vr)30 Q en 20 kv Ira 2000 Q vr) 15 N en entrée de protec- ira tion, pour toute tension MT ceci a été établi en supposant que les vecteurs de mesure des courants homopolaires ont un rapport de /1 et que le rapport des transformations de tension est également de 100/1. En ce qui concerne la plage de variation fonc- tionnelle des courants et tensions, les relations suivan- tes seront respectées: 0 Il y a lieu de noter que le dispositif de protec- tion ampèremétrique classique de chaque départ prendra le relais de la protection wattmétrique selon l'invention à partir d'une valeur inférieure à 250 -A et pour toutes les valeurs de courant supérieures. La détection en régime permanent des défauts aval- s'effectue de la manière suivante Lorsque la puissance active résiduelle qui remonte du réseau vers le poste source (pour être consommée en majeure partie dans les pertes actives de la bobine ou de la résistance de point neutre) dépasse un certain seuil réglable SW de puissance active résiduelle en moyenne tension, le système de protection doit fournir l'information de détection instantanée. La plage de réglage du seuil SW est à bas niveau, comprise entre 0,4 et 4 W; ces valeurs correspondent, pour un réseau à 20 k W à 8 et 80 k W. La précision du seuil de fonctionnellement réel par rapport à la valeur affichée doit être inférieure à %. En plus de ces conditions sur le seuil SW préci- té, des conditions certaines de fonctionnement et de non fonctionnement sont nécessaires Elles font intervenir la puissance réactive Pour que la définition de la puis- sance réactive résiduelle Qr ait une signification claire, on considère que l'on ne traite que des signaux à 50 Hz Dans cette hypothèse, les conditions de non détections certaine sont les suivantes Qr I > 30 ou Pr SW Pr Le pourcentage de dégagement de la protection sur le seuil précité SW devra être de 85 à 95 %. En dehors de la zone o ce seuil SW est opérant, la montée et le dégagement de la protection doivent rester dans la zone définie par: SW Pr En ce qui concerne la détection de défauts transitoires, qu'ils soient en amont ou en aval, les conditions sont les suivantes. A partir d'un réseau sain, si, pendant une durée d'une période, c'est-àdire 20 ms, on voit passer une énergie négative (ou positive) vers le réseau, dont la valeur absolue est supérieure à un seuil E, alors on doit détecter la présence d'un défaut en aval (ou en amont). Le seuil E est défini en fonction du seuil SW défini plus haut par la relation: E(en joules) = 0,200 SW(en W) En ce qui concerne les temps de réponse, en régime transitoire, le temps de montée doit être tel que le fonctionnement de la protection doit se produire moins de 100 ms après le début de la période de 20 ms considé- rée pour l'analyse; en ce qui concerne le régime perma- nent, le temps de montée doit être tel que tout signal dont la puissance dépasse le seuil SW défini plus haut pendant plus de 60 ms doit provoquer la montée de la protection au moins de 100 ms. En ce qui concerne les temps de retombée, en ce qui concerne tout d'abord des défauts permanents à 50 Hz préalablement établis, lors de leur disparition, le temps de retombée de la protection doit être compris entre 220 et 260 ms En ce qui concerne la détection de défauts transitoires, la protection devra rester montée pendant un temps compris entre 220 et 260 ms. Le circuit d'inhibition fonctionne de la manière suivante Lorsqu'un défaut à la terre se produit dans le réseau, les départs sains sont parcourus par leurs courants capacitifs A la disparition du défaut, la capacité homopolaire des départs sains se décharge dans l'impédance de neutre avec un régime apériodique ou oscillatoire amorti selon la valeur de l'impédance de neutre. Il est donc nécessaire d'inhiber la protection (signalisation instantanée) pendant cette remontée d'énergie du réseau vers le poste source sur l'ensemble des départs. Si la tension homopolaire a excédé, même de façon temporaire, une valeur égale à 40 % de la tension nominale pendant les 100 ms qui ont précédé, au sens strict, l'application du signal responsable de la montée de la protection, on inhibe les sorties instantanées. De même, si pendant une période de 100 ms, on a vu passer vers le réseau une énergie supérieure au seuil E décrit plus haut, on inhibe les sorties instantanées. La durée totale de l'inhibition peut par exemple être réglée à 400 ms. Il y a lieu de noter que, si une sortie ou une signalisation instantanée de défauts aval était déjà montée avant l'émission de ce signal d'inhibition, il ne produit pas d'inhibition L'inhibition ne peut alors avoir lieu que si ce signal de détection instantanée de défauts aval est absent. Comme on le voit sur la figure 1, le circuit d'inhibition n'agit pas sur les signalisations tempori- sées. Le circuit de temporisation fonctionne de la manière suivante Si le circuit 1 fournit une information de détection pendant une durée supérieure à la temporisa- tion affichée, qui peut par exemple être comprise entre 0,3 et 3 secondes, le circuit de temporisation 4 fournit des signalisations de défaut temporisées La précision de la valeur de la temporisation par rapport à l'affichage doit être inférieure à 20 ms ou à 5 % de la valeur affi- chée. Le temps de dégagement du circuit de temporisa- tion 4 para rapport à la retombée de l'information de défaut instantané doit être inférieur à 20 ms Le temps de récupération de la temporisation du circuit 4 doit également être inférieur à 20 ms. Le dispositif décrit à la figure 1 comporte également des possibilités de commande d'inhibition extérieure La première entrée d'inhibition qui agit sur l'entrée 5 du circuit 1 inhibe le fonctionnement du circuit 1, ce qui fait retomber instantanément le signal de sortie de détection On peut également prévoir une inhibition extérieure de la temporisation qui agit sur l'entrée 6 du circuit 4 Lorsque cette entrée est acti- vée, le temps de réponse du circuit de temporisation devient inférieur à 20 ms. La figure 2 représente schématiquement un circuit multiplicateur qui permet de calculer dans une bande de fréquences large la valeur de la puissance homopolaire. Les tensions Vl et V 2 représentent respectivement une tension proportionnelle à la tension homopolaire sur le jeu de barres et une tension proportionnelle au courant homopolaire La tension V 2 est envoyée sur un circuit 11 qui fournit en sortie un signal égal à V 2. La tension V 2 est également appliquée à un commutateur analogique 12 qui est commandé par un oscil- lateur astable 13 qui est piloté par la tension Vl Les signaux de sortie du circuit 11 et du commutateur 12 sont il envoyés sur un circuit sommateur 14 dont la sortie est filtrée par un filtre passe-bas 15. La tension obtenue VS est comparée à un seuil fourni par un potentiomètre 16 dans un comparateur de seuil 17. Le commutateur 12 bat à une fréquence élevée qui est supérieure à la bande de fréquences dans laquelle on veut déterminer la puissance homopolaire En d'autres termes, cette fréquence est grande par rapport à la fréquence la plus élevée contenue dans les signaux Vl et V 2 Le battement du commutateur 12 s'effectue selon un facteur de forme qui est fonction du signal Vl par l'intermédiaire de l'oscillateur astable 13. Le facteur de forme FA fourni par l'oscillateur astable 13 est de la forme FA = 1/2 + 1/2 a Vl dans laquelle a est un terme constant tel que la valeur absolue de a Vl est toujours comprise entre O et 1. De cette manière, lorsque le signal Vl est égal à 0, le temps d'ouverture et le temps de fermeture du commutateur 12 sont égaux à 1/2 ou 50 % comme représenté sur la figure 3 Lorsque le signal Vl est positif, le temps de fermeture est plus grand que le temps d'ouver- ture comme représenté à la figure 4 et lorsque Vl est négatif c'est le temps de fermeture qui est inférieur au temps d'ouverture. Il en résulte que le signal fourni par le commu- tateur Ci peut être représenté comme à la figure 6 o T est la période du commutateur 12. Le signal issu du circuit 11, à savoir V 2 et le signal du commutateur 12 sont additionnés dans le somma- teur 14 dont le signal de sortie est donc égal à V, = 1/2 a Vl V 2. Ce dispositif est d'autant plus rapide que la fréquence du commutateur est élevée, et dans ce cas la tension de sortie Vm correspond donc bien à la valeur instantanée de la puissance homopolaire. Le circuit de filtrage 15 permet d'extraire la valeur moyenne du signal découpé fourni par le commuta- teur 12 de manière à supprimer la composante à fréquence double de celle du réseau qui résulte de la multiplica- tion des deux signaux suivis de dos VI et V 2. La figure 7 est un schéma plus détaillé du circuit représenté à la figure 2 Dans ce circuit, la valeur V 2 est fournie par un amplificateur inverseur 21 et le circuit sommateur et le circuit de filtrage sont constitués par l'amplificateur opérationnel 22, les résistances 23,24 et 25 et le condensateur 26. Du fait des imperfections des réducteurs de mesure 27 et 28 utilisés pour obtenir les signaux Vl et V 2, des erreurs apparaissent et sont amplifiées dans les différents circuits en fonction de l'amplitude des grandeurs appliquées. Pour s'affranchir de ces imprécisions, le circuit des figures 2 et 7 peut être optimisé par limitation de la zone de fonctionnement angulaire à la fréquence fondamentale au moyen d'une contre-réaction proportion- nelle à la valeur absolue du courant ou à la puissance réactive. La figure 8 représente un circuit comportant une contre-réaction à partir du courant homopolaire Dans ce cas, le circuit de contre- réaction est branché entre l'entrée et la sortie du circuit multiplicateur 14 et il comprend en série une diode 31, une diode Zener 32 et une résistance 33. La figure 9 représente un exemple de réalisation d'une contre-réaction à partir de la puissance réactive Q Dans ce cas, la puissance réactive est obtenue à partir d'un deuxième circuit multiplicateur 41 identique au circuit multiplicateur 14 et recevant un signal Vl déphasé de 90 par un déphaseur 42. On voit -que l'invention permet de réaliser une protection qui fonctionne de manière très fiable et pour tous les cas de mise à la terre du réseau En particu- lier, le dispositif selon l'invention est également adapté à la détection de défaut sur une mise à la terre peu impédante, par exemple 40 Ohms pour un réseau à 20 k V. En outre, le circuit multiplicateur conforme à la présente invention présente l'avantage d'être de struc- ture simple; il peut être réalisé avec des composants de faible coût. REVENDICATIONS 1 Procédé de protection sélective contre les défauts à la terre d'un poste de distribution d'un réseau électrique, destiné en particulier à la protection des postes sources sur les départs à moyenne tension, caractérisé en ce que: on mesure en permanence, sur chaque départ, la puissance homopolaire instantanée sur une large bande de fréquences; la valeur mesurée est comparée avec une pre- mière valeur de seuil (SW) et, en cas de dépassement pendant une période de temporisation réglable, on engen- dre une signalisation de défaut permanent; la valeur mesurée est comparée à une deuxième valeur de seuil (E) supérieure à la première et, en cas de dépassement pendant une durée égale à une période de la tension, on engendre une signalisation de défaut transitoire; on mesure la tension homopolaire, on la compare à une valeur de seuil inférieure à la valeur de la tension nominale et, en cas de dépassement pendant une durée prédéterminée précédant le dépassement de la deuxième valeur de seuil précitée, les signalisations instantanées de tous les départs sont inhibées pendant un temps d'inhibition réglable. 2 Procédé de protection sélective selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième valeur de seuil (énergie transitoire) est liée à la première valeur de seuil (en puissance) dans un rapport donné, tel que 0,2, et homogène à un temps. 3 Procédé de protection sélective selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure la puissance réactive résiduelle, en ce qu'on la compare à la puissance active résiduelle et en ce que la signalisa- tion de défaut permanent n'est validée que si la puis- sance active résiduelle est supérieure à un milttiple de la puissance réactive. 4 Procédé de protection sélective selon la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur de la puissance active résiduelle est comparée à une valeur égale à 15 fois la valeur de la puissance réactive rési- duelle. Procédé de protection sélective selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps d'inhibi- tion est de 400 ms. 6 Procédé de protection sélective selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de temporisation est comprise entre 0,3 et 3 secondes. 7 Procédé de protection sélective selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de la puissance homopolaire instantanée est réalisée pour une bande de fréquences allant jusqu'à 3 Khz. 8 Dispositif pour déterminer la puissance homopolaire instantanée à partir de deux signaux propor- tionnels respectivement à la tension homopolaire, Vl, et au courant homopolaire, V 2, caractérisé en ce qu'il comporte un premier circuit ( 11) fournissant un signal égal à V 2, un oscillateur astable ( 13) piloté par le signal proportionnel à la tension homopolaire et un commutateur ( 12) à fréquence constante supérieure à la fréquence la plus élevée des composantes des signaux Vl et V 2, ledit commutateur recevant le signal V 2, en ce que ledit oscillateur astable commande ledit commutateur de telle manière que, pour chaque période de commutation, le temps de conduction varie de O à 100 % de manière propor- tionnelle à la valeur instantanée du signal Vl, en ce que les signaux fournis par ledit commutateur et par ledit premier circuit sont envoyés dans un sommateur ( 14) dont la sortie est reliée à un filtre passe-bas ( 15). 9 Dispositif selon la revendication 8, caracté- risé en ce qu'un signal de correction est appliqué à la sortie du circuit multiplicateur ( 14) recevant le signal V 2 proportionnel au courant homopolaire.5 10 Dispositif selon la revendication 9, caracté- risé en ce qu'il comporte un deuxième circuit multiplica- teur ( 41) élaborant ledit signal de correction à partir de la puissance réactive.