Brevet FR2808388A1 — publié le 20011102

Procédé et système de protection pour réseau de distribution moyenne tension, et procédé de modification d'un système existant. Le domaine de l'invention concerne de façon générale les systèmes de protection contre les forts courants, en particulier dans les réseaux de distribution moyenne tension HTI (Haute Tension Intermédiaire 3,2 - 5,5 kV), tels les réseaux d'éclairage public, encore appelés réseaux HT.EP (Haute Tension Eclairage Public, norme NFC 17 200). Il convient de rappeler que les réseaux HTI :;ont économiquement justifiés lorsque il faut fournir une puissance électrique importante sur des espaces étendus entre l'utilisation et la livraison de l'énergie par le distributeur. II en est ainsi pour de nombreuses catégories d'éclairage public, mais aussi pour d'autres usages et notamment pour des sites industriels où l'absence de réseau basse tension (BTA) nécessite la construction d'un réseau de distribution créé spécialement. L'invention concerne plus particulièrement un système numérique de protection contre les courants de court-circuit à l'enclenchement d'un réseau moyenne tension, encore appelés courants de court-circuit initiaux, associé à un système numérique de protection contre les courants de surintensité (aussi appelés courants de surcharge). Le système global est d'abord destiné à être installé comme équipement nouveau, mais peut aussi se greffer sur un système existant de protection de surcharge dans un réseau HTI. Tout réseau HTI est électriquement isolé des réseaux basse tension BTA qu'il alimente en énergie par l'intermédiaire de transformateurs HTI/BTA. L'impédance d'un réseau HTI est donc très élevée, de l'ordre du MO, contrairement à celle d'un réseau BTA comprenant des appareils dissipateurs de courant tels des candélabres. Le système de protection selon l'invention intéresse d'abord les réseaux de distribution moyenne tension. Toutefois, il va de soi qu'un défaut détecté sur un réseau HTI, par exemple un courant de surcharge ou de court circuit, peut provenir d'une surcharge ou d'un court circuit sur le réseau basse tension associé. En ce sens, les fonctions assurées par le système objet de l'invention n'intéressent pas uniquement la protection des réseaux moyenne tension. Les systèmes de protection contre les courants de surcharge utilisent couramment des relais (de type Relais Eclairage Public). Il convient de rappeler que tout relais dédié à la protection contre les courants de surcharge se déclenche par définition aussi bien lors d'une surcharge qu'à l'amorce d'un court-circuit. En effet, tout court-circuit passe d'abord par une phase de surcharge plus ou moins brève, et donc la protection se déclenche dès que le courant dépasse un seuil déterminé. L'enclenchement d'un réseau HTI est en général assuré par un contacteur associé à un relais de protection. Il y a toujours dès l'enclenchement un pic de courant atteignant son maximum typiquement en moins de 0,1 seconde, et décroissant à une valeur environ 20 % supérieure au courant nominal In en une durée typiquement de l'ordre de la seconde. Ce pic est dû aux transformateurs HTI/BTA et à certains appareils connectés à la basse tension, tels que lampes à iodures métalliques. Il est inévitable et ne dénote pas un fonctionnement anormal, mais il dépasse le seuil In de déclenchement du relais de protection surcharge, de sorte que le fonctionnement de cette protection surcharge doit obligatoirement être inhibé pendant au moins la durée Td de dépassement du seuil par ce pic. Il est donc nécessaire d'introduire, dès la fermeture du contacteur d'un départ réseau, une temporisation To d'inhibition du fonctionnement de la protection surcharge, supérieure à la durée Td précitée, ce qui a pour inconvénient de requérir d'autres moyens de protection pour couper un éventuel courant de court-circuit initial pendant la phase d'enclenchement du réseau. C'est en effet à l'enclenchement, après une période d'arrêt du fonctionnement du réseau pendant laquelle une dégradation a pu survenir, telle la période diurne pour les réseaux HT.EP, que les risques de court- circuit sont les plus importants. La protection contre les courants de court-circuit pendant cette temporisation To est couramment assurée par des fusibles. Cette solution présente tout d'abord l'inconvénient d'obliger au remplacement des fusibles en cas de court-circuit. En outre, même sans atteindre des courants de court-circuit, le pic de courant à l'enclenchement est en général suffisamment élevé pour conduire à une dégradation progressive des fusibles. Enfin, le principal inconvénient de cette solution est qu'elle nécessite pour chaque réseau une adaptation des fusibles en fonction de sa puissance. De ce fait, toute modification des caractéristiques du réseau, même pour une courte période, impose un changement de fusibles et un stock disponible. Ce cas est fréquent dans les réseaux HT.EP, à cause du maillage reliant des conduites parallèles alimentées chacune par un départ du réseau différent. La variété des configurations possibles du maillage induit une large gamme de puissances consommées possibles. Il convient de rappeler que le maillage des conduites d'un réseau permet d'isoler une partie défaillante et de raccorder les parties saines en aval à des conduites voisines du même réseau, afin d'assurer pour ces parties saines la continuité de l'éclairage. Ainsi, la solution actuelle présente des inconvénients en termes de coûts de remplacement et de stockage des fusibles, incluant les coûts liés à l'intervention de l'exploitant sur site. L'invention remédie à ces inconvénients et propose un dispositif économique et unique quel que soit le réseau à protéger, utilisant pour chaque phase de courant du réseau un relais numérique de protection associé à un contacteur. Le relais est associé à un capteur de courant, par exemple à effet Hall. Des moyens sont prévus pour activer la surveillance du courant par ce relais grâce à la mesure transmise en continu par le capteur. Ladite surveillance consiste, pendant des périodes déterminées, à comparer cette mesure à des valeurs de seuils déterminées, et à protéger le réseau en déclenchant l'ouverture du contacteur si un seuil critique a été dépassé. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens d'activation de la surveillance du courant par le relais numérique de protection agissent à l'enclenchement du réseau pendant un intervalle de temps Tcc déterminé de façon à assurer une fonction de protection court-circuit si le courant dépasse un seuil de court-circuit Icc déterminé, et agissent ensuite dès la fin d'une temporisation To déterminée, de façon à assurer une fonction de protection surcharge si le courant dépasse un seuil de surintensité In déterminé inférieur à Icc. Dans un mode de réalisation particulier selon l'invention, l'intervalle de temps Tcc est fixé égal à la durée de la temporisation To. Dans un autre mode de réalisation particulier selon l'invention, le réglage du seuil du courant de court-circuit Icc est effectué automatiquement en fonction de la valeur du seuil du courant de surintensité In fixée par l'utilisateur. Dans un autre mode de réalisation particulier selon l'invention, le système de protection utilise un capteur de courant à effet Hall, et le réglage automatique mentionné ci dessus est effectué comme suit - pour In inférieur à 40 A, Icc = k * In avec k étant une constante, - pour In supérieur à 40 A, Icc est environ 20 % inférieur au seuil de saturation du capteur de courant. Dans un autre mode de réalisation particulier selon l'invention, la valeur maximale du courant d'enclenchement mesuré en continu pendant le temps de la protection court- circuit est mémorisée et est affichée après la fin de ladite protection, afin de permettre à l'exploitant d'ajuster le réglage de la valeur In du seuil de surintensité. Dans un autre mode de réalisation particulier selon l'invention, il existe pour chaque phase de courant deux capteurs de courant à réponse rapide, dont un possède une plus grande dynamique de mesure que l'autre et est en liaison avec le relais numérique de protection pour assurer la protection de court-circuit. Ainsi, pendant la phase d'enclenchement du réseau, l'association du capteur de courant et du relais numérique assure la même fonction de protection court-circuit qu'un fusible, tout en offrant principalement les avantages suivants - avec un même type de cellule CCN, l'exploitant peut définir pour chaque départ de réseau, pour des réseaux de type monophasé ou polyphasé, un seuil de protection court-circuit indépendamment pour chaque départ et chaque phase en fonction des caractéristiques du réseau, - en cas de court-circuit, le défaut peut être recherché sans consommation de fusibles : l'exploitant peut effectuer une succession d'enclenchements du réseau afin de localiser progressivement le défaut par modification de la structure du réseau, la protection court-circuit étant active à chaque ré-enclenchement. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit avec les figures 1 et 2 ci-dessous. La figure 1 A représente de façon schématique un exemple de poste de distribution alimentant deux départs de réseaux débouchant notamment sur deux conduites HTI 18 en parallèle. Des cellules 5A de contrôle commande numérique alimentant les départs HTI sont montées dans un tableau 10 comprenant aussi une cellule 15 pour l'isolation et l'alimentation basse tension du tableau. Les conduites HTI 18 sont reliées chacune à des réseaux basse tension BTA 27 par l'intermédiaire de transformateurs HTI/BTA 25. Les conduites HTI voisines sont en général reliées entre elles par des boîtiers de coupure 30 permettant en cas de panne de mailler une zone du réseau déficient sur le réseau voisin. Sur le terrain, la distance entre les boîtiers de dérivation 20 peut être de l'ordre du kilomètre. Dans un souci de simplification, l'alimentation en triphasé est représentée par un seul câble en sortie du transformateur HTA/HTI 16 et dans tout le reste du circuit jusqu'aux candélabres 26. De même, les cellules 5A de contrôle commande numérique sont représentées pour une seule phase, de sorte que dans la plupart des cas un seul élément est représenté au lieu de trois. Chaque cellule 5A comporte par phase un relais numérique 1 de protection associé à un contacteur et relié à un capteur rapide de courant 3, tel un capteur à effet Hall, tous deux reliés à un module 2A de contrôle commande numérique (CCN) en liaison avec un module unité centrale (CPU) non représenté, lequel intègre un logiciel permettant de piloter les fonctions de protection contre les courts-circuits et les surcharges. Dans un mode préféré de réalisation, la cellule 5A comporte un seul module 2A (CCN) en liaison avec un module unité centrale (CPU), le logiciel est stocké dans des mémoires de type EPROM, l'ensemble étant agencé pour piloter les relais numériques 1 au nombre de trois pour un réseau triphasé. La cellule 15 est de type connu, et permet de garantir la coupure aval par un interrupteur 7, ainsi que la sécurité de l'isolation amont par un sectionneur de mise à la terre 6. Elle comporte un transformateur HTIBTA 17 nécessaire à l'alimentation du tableau 10. Dans les cellules 5A de contrôle commande numérique sont représentés divers éléments optionnels comme les sectionneurs ou interrupteurs 7, le tore de protection homopolaire 8, le verrouillage mécanique 9 des sectionneurs, ou encore le diviseur capacitif pour voyant de présence de tension 11. La figure 1B représente une cellule 5B de contrôle commande numérique pour l'alimentation d'un départ HTI dans un exemple d'art antérieur utilisant un relais numérique de protection surcharge. La cellule comprend des fusibles 4 pour la protection court-circuit. Le module 2B de contrôle commande numérique (CCN) est associé au relais numérique pour assurer une fonction de protection surcharge uniquement. Le module unité centrale (CPU) non représenté intègre un logiciel permettant de piloter la fonction de protection surcharge. La figure 2 représente un exemple de la variation du courant consommé par un départ de réseau de type éclairage public en fonction du temps, depuis l'instant t = 0 correspondant à l'enclenchement du départ, c'est à dire la fermeture du contacteur relié au relais de protection. Le pic de courant caractéristique de l'enclenchement atteint sa valeur maximale très rapidement, typiquement en moins de 0,1 seconde. S'en suit une décroissance de forme asymptotique pour atteindre une valeur stabilisée correspondant au courant typiquement consommé par le réseau en période de service, soit autour de 10 A dans l'exemple illustré. La nécessité d'introduire une temporisation To d'inhibition du fonctionnement de la protection surcharge, à cause du seuil In de surintensité toujours inférieur au pic de courant initial, apparait clairement sur cette figure où la plage de réglage de cette temporisation est comprise entre 0,1 s et 1,5 s. Pour un capteur de courant à effet Hall, la plage de réglage possible du seuil de surintensité In s'étend de 1 A à 125 A, cette plage étant indiquée par I sur la figure. En supposant que l'opérateur souhaite définir In égal à 30 A, il apparaît que la durée Td de dépassement du seuil par le pic d'enclenchement est environ égale à 0,5 s. La temporisation To précitée devra donc être supérieure à 0,5 s. Si par ailleurs l'opérateur souhaite pouvoir faire varier In entre 20 A et 30 A sans avoir à modifier To, il devra choisir To au moins égal à 1,5 s dans cet exemple. Le système de protection selon l'invention utilise le relais numérique à l'enclenchement du réseau, et plus précisément pendant un intervalle de temps Tcc déterminé inférieur ou égal à To, afin de permettre au relais d'assurer la fonction de protection court-circuit avant que la fonction de protection surcharge soit activée. En pratique, l'intervalle Tcc est généralement choisi égal à To, même si la période effective de risque de court circuit d'enclenchement se situe dans les 0,1 s à 0,2 s suivant la fermeture du contacteur. La figure 3 est un logigramme représentant au cours du temps, pour une phase de courant, les étapes principales réalisées par la fonction de protection court-circuit après l'ordre d'enclenchement du départ réseau. L'état physique du départ du réseau (pour la même phase) est décrit parallèlement dans la colonne de droite. A l'ordre d'enclenchement du départ réseau, le module CCN de la cellule active le relais numérique de protection afin de fermer son contacteur. La fonction de protection court-circuit est démarrée par l'exécution du logiciel installé dans l'unité centrale (CPU). La mesure du courant d'enclenchement renvoyée par le ou les capteurs du départ réseau est acquise par le logiciel et analysée pour la surveillance d'un éventuel court-circuit. En cas de dépassement de la consigne, c'est à dire d'un seuil de court-circuit Icc déterminé, ordre est donné par le logiciel au module CCN de déclencher le relais de protection afin d'ouvrir son contacteur. Après ouverture du contacteur, la fonction de protection court-circuit est arrêtée, la valeur maximum du courant mesuré est mémorisée et affichée. Si le seuil Icc n'est pas franchi, le relais de protection reste fermé et le logiciel poursuit l'analyse de la mesure du courant pendant sa décroissance jusqu'à l'expiration d'une durée Tcc déterminée, au plus tard jusqu'à la fin de la temporisation To d'inhibition de la protection surcharge si Tcc est fixée égale à To. La fonction de protection surcharge est alors démarrée, pendant que le courant se stabilise peu à peu. La mesure du courant est à présent analysée par cette fonction, comme réalisé dans l'art antérieur. Sauf détection d'une surintensité, la surveillance dure jusqu'à l'ouverture du contacteur suite à l'ordre d'arrêt du réseau, c'est-à-dire à la fin de la période nocturne pour un réseau d'éclairage public. La solution proposée par l'invention peut être intégrée dans des équipements neufs, mais peut aussi s'appliquer dans toutes les cellules de contrôle commande numérique d'équipements existants, moyennant quelques modifications. Ces modifications ne nécessitent pas d'investissement matériel, hormis éventuellement les capteurs de courant si ceux existants ne sont pas suffisamment rapides. On entend par rapide un capteur permettant au relais associé de déclencher l'ouverture de son contacteur typiquement en moins de 20 ms, ce qui est généralement suffisant pour permettre qu'un courant de court-circuit ayant dépassé le seuil de protection du relais soit coupé avant d'atteindre des valeurs pouvant détériorer le réseau. Les capteurs utilisés dans l'art antérieur récent sont le plus souvent à effet Hall et suffisamment rapides, et n'ont pas besoin d'être modifiés tant que la valeur maximale souhaitée du seuil de déclenchement court-circuit ne dépasse pas la plage de fonctionnement limite de ces capteurs avant saturation, soit dans les 400 A à 500 A pour les capteurs à effet Hall actuels. Il est en premier lieu nécessaire d'effectuer une modification relativement mineure de l'électronique (hardware) du module 2 afin de supprimer le retard d'activation du relais numérique permettant dans l'art antérieur la temporisation d'inhibition de la fonction de protection surcharge. Ceci ne signifie pas pour autant la suppression de la temporisation d'inhibition de la fonction de protection surcharge, mais implique que dans un système selon l'invention, le relais numérique peut être actif sans que cette fonction de protection surcharge le soit. Dans les cellules de contrôle commande numérique classiques, ce retard d'activation du relais numérique est réglable avec un pas minimum de 0,1 s et ne peut pas être réglée à zéro, de sorte que le relais ne peut être actif avant 0,1 s. Sans la suppression de cette limite de nature électronique (hardware), des fusibles seraient indispensables pour assurer la protection court-circuit dans les 0,1 s suivant l'enclenchement, car cette durée est en général suffisante pour qu'un courant de court-circuit initial atteigne des valeurs critiques. Cette suppression permet d'activer le relais numérique de protection en le rendant réceptif à la mesure du courant pendant un intervalle de temps déterminé Tcc pouvant commencer dès l'ordre d'enclenchement du départ réseau. Quant à la nouvelle fonction de protection court- circuit, elle est définie de façon appropriée pour le fonctionnement logique décrit précédemment et représenté à la figure 3. Pour autant, la fonction de protection surcharge n'est pas modifiée dans son principe puisqu'elle est toujours activée à la fin d'une temporisation fixée par l'opérateur. Le logiciel existant dans l'unité centrale (CPU) a en général une structure consistant en des modules rattachés à un noyau. Sa modification consiste à adjoindre un nouveau module gérant la protection contre les courants de surintensité. Dans une forme de réalisation préférée selon l'invention, le seuil de déclenchement Icc de la protection court-circuit est réglé automatiquement en fonction de la valeur In du seuil fixé par l'utilisateur pour la fonction de protection surcharge, selon la relation Icc= k * In, k étant une constante. Il va de soi qu'un seuil Icc réglable manuellement ne sort pas du cadre de l'invention. Avec par exemple k fixé à 10, et In pouvant être fixé entre 1 A à 125 A, on obtient une plage de valeurs possibles pour Icc comprise entre 10 A et 400 A (environ 20 % de moins que les 500 A du seuil de saturation du capteur de courant à effet Hall). Le domaine d'application de la protection court-circuit selon l'invention n'est toutefois pas limité à Icc inférieur à 400 A. L'utilisation éventuelle de deux types de capteurs de courant à réponse rapide, dont un possédant une précision moindre insuffisante pour la mesure des courants de surintensité mais une dynamique de mesure suffisante pour atteindre la valeur maximale souhaitée du seuil de déclenchement court-circuit, ne sort pas du cadre de l'invention. Il est en effet à la portée d'un homme du métier, d'après la présente description, de réaliser un système de protection numérique contre les courants de court-circuit, utilisant un capteur de courant à grande dynamique de mesure mais faible précision pour la mesure des courants de court-circuit, permettant de se passer de fusibles. Les deux capteurs peuvent alors fonctionner en alternance, le capteur de courant à grande dynamique ne nécessitant d'être actif que pendant le temps d'inhibition de la protection de surintensité. Cette solution concerne toutefois des configurations de réseau relativement rares. En effet, il est actuellement exceptionnel que des départs de réseaux doivent supporter plus de 50 A en courant nominal. REVENDICATIONS 11 Système de protection pour réseau de distribution moyenne tension, notamment pour réseau d'éclairage public HT E.P possédant par départ et pour chaque phase de courant un relais numérique (1) de protection associé à au moins un capteur de courant, le système comprenant des moyens utilisant ledit capteur et ledit relais pour activer la surveillance du courant, caractérisé en ce que ces moyens agissent à l'enclenchement du réseau pendant un intervalle de temps Tcc déterminé de façon à assurer une fonction de protection court-circuit si le courant dépasse un seuil de court- circuit Icc déterminé, et agissent ensuite dès la fin d'une temporisation To déterminée de façon à assurer une fonction de protection surcharge si le courant dépasse un seuil de surintensité In déterminé inférieur à Icc. 2/ Système de protection selon la revendication 1 dans lequel ledit intervalle de temps Tcc est fixé égal à la durée de ladite temporisation To. 3/ Système de protection selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel le réglage du seuil du courant de court-circuit Icc est effectué automatiquement en fonction de la valeur du seuil du courant de surintensité In fixée par l'utilisateur. 4/ Système de protection selon la revendication 3, utilisant un capteur de courant à effet Hall, et dans lequel ledit réglage est effectué comme suit - pour In inférieur à 40 A, Icc = k * In avec k étant une constante, - pour In supérieur à 40 A, Icc est environ 20 % inférieur au seuil de saturation du capteur de courant. 5/ Système de protection selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la valeur maximale du courant d'enclenchement mesuré en continu pendant le temps de la protection court-circuit est mémorisée et est affichée après la fin de ladite protection, afin de permettre à l'exploitant d'ajuster le réglage de la valeur In du seuil de surintensité. 6/ Système de protection selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel il existe pour chaque phase de courant deux capteurs de courant à réponse rapide, dont l'un possède une plus grande dynamique de mesure que l'autre et est en liaison avec le relais numérique de protection pour assurer la protection de court-circuit. 7/ Procédé de modification d'un système de protection pour réseau de distribution moyenne tension, notamment pour réseau d'éclairage public HT E.P possédant pour chaque départ de réseau et chaque phase de courant au moins un fusible ou appareil de coupure contre les courants de court-circuit pendant la phase d'enclenchement du réseau et un relais numérique assurant une fonction de protection surcharge après cette phase d'enclenchement, caractérisé en ce qu'il consiste à - retirer et remplacer tout fusible ou appareil de coupure d'un départ par une connexion de faible résistance sans pouvoir de coupure, - permettre la surveillance du courant par une fonction de protection court-circuit pendant un intervalle de temps Tcc déterminé, - introduire des moyens pour assurer le déclenchement du relais si pendant ledit intervalle le courant dépasse un seuil de court-circuit Icc déterminé, - activer la fonction de protection surcharge après l'arrêt de la fonction de protection court-circuit. 8/ Procédé de protection contre les forts courants pour réseau de distribution moyenne tension, notamment pour réseau d'éclairage public FIT E.P utilisant pour chaque phase de courant d'un départ un relais numérique de protection associé à des moyens de mesure du courant du départ, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - le relais numérique de protection ainsi que les moyens de mesure du courant sont activés à l'enclenchement du réseau pendant une période Tcc déterminée, - la surveillance du courant d'enclenchement est effectuée par des moyens assurant une fonction de protection court-circuit pendant la période Tcc, fonction permettant le déclenchement du relais si le courant mesuré dépasse un seuil de court-circuit Icc déterminé, - après la période Tcc, ladite fonction de protection court-circuit est remplacée par une fonction de protection surcharge permettant le déclenchement du relais si le courant mesuré dépasse un seuil de surintensité In déterminé.