Brevet FR2899339A1 — publié le 20071005

PROCÉDÉ DE DÉTECTION DE SATURATION D'UN TRANSFORMATEUR DE COURANT DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine de la détection de saturation dans un transformateur de courant, en particulier pour une application à la protection d'un jeu de barres. 10 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les transformateurs de courant jouent un rôle essentiel dans la protection des réseaux haute tension. En effet les relais assurant l'isolation de l'élément du réseau à protéger ne pouvant être montés directement 15 sur le réseau, on utilise des transformateurs de courant permettant d'estimer indirectement l'intensité de courant dans l'élément en question. Si l'intensité primaire est élevée on utilise des transformateurs de courant à conducteur traversant, c'est-à-dire à 20 primaire non bobiné. On connaît plusieurs types de protection à l'aide de transformateurs de courant. Selon un premier type de protection dite à maximum d'intensité, le courant mesuré au secondaire du transformateur de courant (TC) est comparé à une valeur 25 maximale autorisée, le dépassement de cette valeur déconnectant de l'alimentation HT l'élément en question au moyen d'un relais. Selon un second type de protection visant à se prémunir contre les défauts entre phase et neutre et pour cette raison dite 30 homopolaire, des transformateurs de courant sont montés respectivement sur les trois conducteurs de phase alimentant l'élément à protéger. Les courants apparaissant au secondaire de ces transformateurs sont sommés et des relais de protection sont activés lorsque la somme dépasse une valeur de seuil prédéterminée. Selon un troisième type de protection, dite différentielle, la différence entre les courants entrant et sortant de l'élément à protéger est estimée au moyen de transformateurs de courant montés en amont et aval dudit élément. Si ladite différence excède une valeur de seuil prédéterminée, le relais de protection est activé. La Fig. 1 représente schématiquement un exemple de protection différentielle d'un élément E d'un réseau HT. Des transformateurs de courant TC1 et TC2 sont prévus en amont et en aval de cet élément. Le courant Id, différence entre les courants le et Io apparaissant respectivement au secondaire de TC1 et TC2, traverse le relais R. Moyennant des caractéristiques identiques des transformateurs TC1 et TC2 et un fonctionnement hors saturation, le courant Id est proportionnel à la différence des courants entrant et sortant de l'élément E. Lorsque le courant Id excède le courant Ir de réglage du relais, c'est-à-dire en cas de défaut interne de l'élément, le relais est activé et l'élément est isolé du réseau. Quel que soit le type de protection envisagé, celle-ci n'est efficace que si les transformateurs de courant fournissent une mesure correcte des courants au primaire. Ceci impose notamment que les transformateurs ne soient pas saturés. Comme on le verra plus loin, une saturation du transformateur intervient pour des valeurs élevées de champ magnétique H ou, de manière équivalente, pour des valeurs de flux magnétique élevées. Pour des raisons tant pratiques qu'économiques, il n'est pas possible d'utiliser des transformateurs de courant dont on puisse garantir l'absence de saturation dans toute la plage de mesure. On est donc conduit à utiliser des transformateurs de courant saturables. La Fig. 2 montre le schéma électrique d'un transformateur de courant saturable. On a représenté par TP un transformateur de courant parfait de rapport de transformation n, débitant par conséquent au secondaire un courant Is=Ip/n où Ip est le courant primaire. En outre, Lm indique l'inductance magnétique, Im le courant d'excitation qui la traverse, Is le courant réel mesuré au secondaire, Rot la résistance du secondaire, Ls l'inductance de fuite du secondaire généralement négligeable et Z l'impédance de la charge aux bornes du secondaire. Dans la suite on supposera l'impédance de charge Z purement résistive : Z=RL. Dans les conditions normales de fonctionnement, c'est-à-dire hors saturation, le courant d'excitation Im est faible et le courant mesuré Is est sensiblement proportionnel au courant primaire I. En revanche, si le transformateur de courant sature, c'est-à-dire si le flux magnétique atteint sa valeur maximale, l'inductance magnétique Lm décroît alors brusquement, ce qui entraîne une augmentation du courant d'excitation Im. On voit ainsi que, dans ce cas, le courant mesuré Is n'est plus une représentation fidèle du courant primaire I. Les Figs. 3A et 3B représentent les caractéristiques respectives de deux types de transformateurs de courant. Il convient de rappeler préalablement que les transformateurs de courant sont classés et caractérisés par les normes NF C 42-502 et CEI 185. On peut distinguer deux grandes classes de transformateurs selon qu'ils sont utilisés pour la simple mesure de courant ou pour la protection. Ces deux classes correspondent à des marges d'erreur de Ip /nûIs mesure différentes. Ipin La Fig. 3A représente la caractéristique d'un transformateur de courant appartenant à la classe TPX ou X (sans entrefer). On a fait figurer en abscisse le courant d'excitation Im et le flux magnétique en ordonnée. Etant donné que le flux magnétique est proportionnel à l'amplitude du vecteur induction B et que le courant d'excitation est proportionnel à l'amplitude du champ magnétique H, cette caractéristique est similaire à la courbe de magnétisation B=f(H). La caractéristique présente à la fois une hystérésis et une saturation pour des courants d'excitation élevés. Sur la figure, max et rem désignent respectivement la valeur du flux magnétique à la saturation et la valeur du flux rémanent, la saturation pouvant bien entendu intervenir tant pour des valeurs positives que négatives du flux. Pour les transformateurs de courant appartenant à la classe TPX, le flux magnétique rémanent n'excède pas 80% du flux magnétique à la saturation, autrement dit (Drem Le procédé de détection de saturation précité présente toutefois plusieurs inconvénients. Tout d'abord, l'intégration continue du courant secondaire entraîne une dérive importante du flux estimé et donc une probabilité de fausse alerte importante du second critère. Ensuite, le seuil d'erreur de prédiction du premier critère ne permet pas de discriminer efficacement les cas où le transformateur est non saturé mais l'amplitude du courant secondaire est relativement élevée, de ceux où le transformateur est saturé mais l'amplitude du courant secondaire est relativement faible. Il en résulte que la combinaison des deux critères peut conduire à une fausse détection, soit qu'une saturation est détectée alors que le transformateur n'est pas saturé, soit qu'une saturation réelle du transformateur reste non décelée. Cela se traduit, suivant le cas, par une inhibition injustifiée de la protection, c'est-à-dire un défaut de protection, ou par une activation injustifiée de la protection pouvant entraîner une déconnexion intempestive de l'élément du réseau HT. De manière générale, l'objet de la présente invention est de proposer un procédé de détection de la saturation d'un transformateur de courant remédiant aux inconvénients précités et présentant un taux de fausse détection sensiblement plus faible que dans l'état de la technique. En outre, l'objet de l'invention est de détecter rapidement un début de saturation du transformateur lorsqu'elle apparaît et une fin de saturation du transformateur lorsque cette dernière disparaît. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un procédé de détection de saturation d'un transformateur de courant comprenant : - une étape de détection d'un défaut de la forme d'onde du courant secondaire du transformateur ; - une estimation du flux magnétique dans le secondaire du transformateur au moyen d'une intégration du courant secondaire pendant une fenêtre temporelle partant de la détection dudit défaut ; - une comparaison du flux magnétique ainsi estimé avec une valeur de seuil, la saturation du transformateur étant détectée sur franchissement de ladite valeur de seuil par ledit flux magnétique. Ainsi l'estimation du flux par intégration ne présente pas de dérive et se fait seulement sur apparition d'un défaut. Ladite valeur de seuil est avantageusement choisie 5 égale à 20% de la valeur du flux magnétique à la saturation du transformateur. En outre, si un second défaut de la forme d'onde du courant secondaire est détecté pendant ladite fenêtre temporelle, la borne supérieure de ladite fenêtre est 10 réactualisée en fonction du temps d'apparition du second défaut. On prend ainsi en compte l'apparition de défauts successifs. En revanche, une fin de saturation est détectée si un intervalle de temps de durée prédéterminée s'écoule 15 sans qu'un défaut de forme d'onde du courant secondaire soit détecté. Selon un mode de réalisation, la détection d'un défaut de la forme d'onde du courant secondaire comprend le calcul d'une grandeur caractéristique de la 20 dérivée du signal et une comparaison de ladite grandeur avec une fraction prédéterminée de l'amplitude du courant secondaire, un défaut étant détecté si ladite grandeur excède en valeur absolue ladite fraction. Ladite fraction est choisie égale à 16% pour un 25 réseau électrique à 50 Hz et à 20% pour un réseau électrique à 60 Hz. Selon une variante, la détection de saturation est inhibée tant que le courant secondaire du transformateur n'a pas atteint un extremum. De 30 surcroît, la détection de saturation peut être inhibée pendant une durée prédéterminée après que le courant secondaire du transformateur soit devenu supérieur en valeur absolue à un seuil de bruit. On évite ainsi une détection intempestive de la saturation lors de la mise en service du système. L'invention concerne aussi un programme d'ordinateur comprenant des moyens logiciels adaptés à mettre en oeuvre les étapes du procédé ci-dessus, lorsqu'il est exécuté sur un ordinateur. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La Fig. 1 représente schématiquement un exemple de protection différentielle à l'aide de transformateurs de courant, connu de l'état de la technique ; La Fig. 2 représente le schéma électrique équivalent d'un transformateur de courant réel ; Les Figs. 3A et 3B représentent les caractéristiques de deux types de transformateur de courant connus de l'état de la technique ; La Fig. 4 représente un organigramme du procédé de détection de saturation selon un mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 5 illustre un exemple de forme d'onde du courant secondaire en absence et en présence 25 de saturation ; La Fig. 6 montre les chronogrammes de différentes variables illustrant le procédé de détection de saturation ; La Fig. 7 illustre un système de protection 30 d'un jeu de barres à l'aide de transformateurs de 20 courant utilisant le procédé de détection de saturation selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est de n'effectuer une mesure du flux magnétique que de manière ponctuelle, sur apparition d'un défaut dans la forme d'onde du courant (ou de la tension) au secondaire du transformateur. La mesure se fait de manière classique par intégration de la différence de potentiel aux bornes du bobinage. Selon l'invention, l'intégration est effectuée au sein d'une fenêtre temporelle de durée finie de sorte que l'estimation du flux magnétique ne puisse dériver indéfiniment. Le flux magnétique est mesuré par intégration dans une fenêtre temporelle [td,td+T] de largeur T où td est l'instant d'apparition du défaut dans la forme d'onde, et peut s'écrire, en adoptant les notations de la 20 Fig. 2 et en supposant que le flux est nul au temps td t CI) meas (t _ ùR f is (z)dz (1) avec t e Ltd,td +T] ; R =RcT +RL où RCT est la résistance 25 interne du secondaire du transformateur et RL est la résistance de charge (appelée aussi résistance de boucle). En pratique, le courant est échantillonné et la somme (1) est approximée par la méthode des trapèzes : (1)meas --R ris(k)+ls(kù1)) e/2 (2) k où Te est la période d'échantillonnage. Le flux magnétique réel (Dr dans le secondaire du transformateur s'exprime quant à lui par : r(t)_-Je2(2)d2=1mlm(t) (3) to où to est un instant d'initialisation où le flux est nul. Le flux magnétique réel diffère du flux mesuré par la valeur du flux rémanent d)rem, qui peut être considéré comme la composante continue du flux réel : (1) r (1) meas +rem (4) Comme on l'a vu plus haut la composante de flux rémanent ne peut être déterminée simplement. Afin de détecter si le transformateur est saturé, le procédé selon l'invention effectue la comparaison : 1.1.meas (t.T (5) où (DT est une valeur de seuil convenablement choisie. De manière avantageuse on prendra (DT =0.2(Dmax quelle que25 soit la classe du transformateur de courant utilisé. En effet, en se plaçant dans le pire cas (Fig. 3A) le flux rémanent peut atteindre au plus la valeur rem max Dès lors, un flux réel supérieur à (Dmax se traduira nécessairement par un flux mesuré supérieur à 0.2d)max• La saturation du transformateur sera par conséquent détectée au moyen de la comparaison (5) quelle que soit la classe du transformateur. La valeur de saturation d)max peut être estimée en fonction de l'expression suivante : ~max Vk IN (6) où Vk est la tension de coude de la courbe d'excitation 15 e2=f (Im) avec les notations de la Fig.2, IN est le courant nominal du secondaire du transformateur et F est la fréquence du réseau. On rappelle que la tension de coude est définie comme la tension aux bornes du secondaire à partir de laquelle une augmentation de 50% 20 du courant d'excitation (lm) ne génère plus qu'une augmentation de cette tension. Les paramètres Vk,IN du transformateur sont données par le constructeur. La Fig 4 représente un organigramme simplifié du procédé de détection de saturation. L'algorithme est 25 initialisé en 410. L'étape d'initialisation 410 comporte tout d'abord l'acquisition des paramètres du transformateur à savoir IN, Vk, RcT, de la résistance de charge RL, des fréquences réseau F et échantillonnage Fe. Au départ, le courant est nul, le flux est 2tFTe initialisé à zéro, (1)711eas(0)=0 et le drapeau de saturation est mis à zéro (flag sat=0). A l'étape 420, on mesure le courant (ou la tension) au secondaire du transformateur et l'on applique un critère estimant la déformation de la forme d'onde du signal mesuré, comme il sera détaillé plus loin. A l'étape 430, on détecte si un défaut est présent, c'est-à-dire si la forme d'onde présente un défaut au sens de ce critère. Dans la négative, le procédé reboucle sur l'étape 420. Dans l'affirmative, si un défaut survient à un temps tdo le procédé se poursuit par l'ouverture en 435 d'une fenêtre temporelle d'intégration de largeur T( , c'est-à-dire la détermination d'une borne temporelle supérieure d'intégration tdO+T( ). L'étape d'intégration 440 correspond à une itération de calcul de l'expression (2) à savoir : d)meas(k)= Dmeas(kù1)ùR(is(k)+is(kù1))Te/2 (7) A l'étape 450, on compare si le flux mesuré par intégration est supérieur à la valeur de seuil(I)T. Dans l'affirmative, une saturation est signalée à l'étape 455 en levant le drapeau de saturation (flag sat=1). Quel que soit le résultat de la comparaison, on passe ensuite à l'étape 460. On applique à nouveau le critère estimant la déformation de la forme d'onde du courant. On teste en 470 si un nouveau défaut est apparu et dans la négative on passe au test suivant 480. Si un second défaut est détecté en 470 à un instant td1 (à l'intérieur de la fenêtre [tdo,tdo+TI), on calcule la somme tdl +T i où T(' est la durée d'une seconde fenêtre d'intégration et si tdi +T(i)> tdo +T0) la fenêtre d'intégration initiale est prolongée jusqu'à tdi +T(i) à l'étape 475. A chaque fois qu'un nouveau défaut survient, la fenêtre d'intégration est actualisée, c'est-à-dire éventuellement prolongée comme indiquée plus haut. Avantageusement, la suite T0), T(i) , .. , T(n) est choisie décroissante. Par exemple T0)=100 ms et T(1)=. .=T(n)=50 ms. En 480, on teste si l'on atteint la borne supérieure d'intégration. Si c'est le cas, on abaisse le drapeau de saturation (flag sat=0) en 485 et l'on revient en 420 à la boucle de surveillance de défaut. Si la borne d'intégration n'est pas atteinte, le procédé se poursuit par une nouvelle itération d'intégration en 440. On notera qu'une fin de saturation est détectée si un intervalle de temps de durée T(n) s'est écoulé sans qu'un défaut de forme d'onde du courant secondaire ait été détecté. Le critère de défaut ou de déformation de la forme d'onde mis en oeuvre aux étapes 420 et 460 est avantageusement fondé sur l'estimation de la dérivée du signal mesuré. Plus précisément, on a représenté en Fig. 5 la forme d'onde du courant secondaire en absence (courbe en trait interrompu) et en présence (courbe en trait plein) de saturation du transformateur. En absence de saturation, la forme d'onde est sensiblement sinusoïdale et les échantillons de courant s'expriment sous la forme : is (k) = A sin(27zk /M + çp) (8) 5 où M est le rapport en la fréquence d'échantillonnage et la fréquence du courant, A son amplitude, ç son déphasage et k le numéro de l'échantillon. La dérivée peut être estimée sous forme d'un 10 accroissement normalisé : Dis (k) ù is (k + 1) ù is (k) ù 2 sin(z / M ). cos(z(2k +1)/M + ~p) A A Cette expression est bornée en valeur absolue par la 15 grandeur G=2sin(TZ/Ml qui ne dépend que du rapport de la fréquence d'échantillonnage à la fréquence du courant. Ainsi, pour une fréquence d'échantillonnage de 2400 Hz, et une fréquence du réseau F=50 Hz, on a G=0.16. Pour une fréquence du réseau F=60 Hz, on a G=0.19. 20 On peut alors choisir comme critère de déformation Dis (k) de la forme d'onde l'expression A . Si cette expression possède une valeur supérieure à G, un défaut est détecté. Sur la Fig. 5, une saturation apparaît au point P, 25 entraînant une décroissance plus rapide de la forme d'onde que dans le cas non saturé. De même une saturation apparaît au point Q, entraînant une croissance plus rapide de la forme d'onde que dans le cas non saturé. (9) Le critère fondé sur le rapport présente l'avantage d'être robuste et facile à mettre en oeuvre. En règle générale, l'amplitude A de la forme d'onde peut varier dans le temps et on l'estime comme le maximum de is(k) pris sur la dernière période. Afin de ne pas obtenir des dépassements de calcul, on borne l'amplitude estimée de manière à ce qu'elle soit toujours supérieure à la moitié du courant nominal IN du transformateur. Selon un autre mode de réalisation, la déformation de la forme d'onde est détectée au moyen d'un filtrage numérique à une fréquence harmonique du réseau, exemple 2F. Si le rapport de la puissance l'harmonique à la puissance du fondamental est supérieur à un certain seuil, un défaut est détecté. Selon une variante de réalisation de l'invention, le signal de saturation en 455 est inhibé tant que le courant secondaire augmente sur trois échantillons successifs à savoir : is (k -2)1 un seuil de bruit. Ce temps de garde est avantageusement choisi inférieur à la somme du temps minimum nécessaire pour déceler un défaut et du temps minimum de saturation du transformateur garanti par le constructeur. La Fig. 6 montre les chronogrammes de différentes variables illustrant le procédé de détection de saturation selon l'invention. En (A), on a représenté l'évolution du courant secondaire is(k) du transformateur au cours du temps. On reconnaît sur la courbe des déformations de la forme d'onde caractéristique d'une saturation similaires à celle vue en Fig. 5. En (B), on a représenté l'évolution de l'accroissement Ais(k) en fonction du temps ainsi que l'évolution de l'amplitude A. En (C), on a représenté le résultat de la détection Ai s (k) de défaut. On rappelle que si A >G un défaut de forme d'onde est détecté. En (D), on a représenté la fenêtre temporelle d'intégration ; celle-ci est ouverte sur détection du premier défaut en tdo et est prolongée plusieurs fois jusqu'à td +T . En (E), on a représenté le flux estimé par intégration selon l'expression (2). On remarque que, dès lors que le flux estimé franchit la valeur de seuil (DT, le drapeau de saturation est levé. En (F), on a représenté le drapeau logique de saturation. Le drapeau est remis à zéro après que la borne d'intégration td+T ait été atteinte. Dans un souci de simplification, on n'a pas pris en compte ici l'inhibition du signal de saturation. La Fig. 7 illustre un exemple de système de protection d'un jeu de barres à l'aide de transformateurs de courant utilisant le procédé de détection de saturation selon l'invention. On a représenté par T un transformateur de courant à haute tension, les phases par a,b,c et le neutre par n. Des transformateurs de courant TCa, TCb, TCc, TCn sont disposés autour des barres de phase et du neutre. Des relais de protection Ra,Rb,Rc et Rn (non représentés) sont reliés aux bobinages secondaires des transformateurs TCa, TCb, TCc, TCn sont prévus pour déconnecter respectivement les phases a,b,c ainsi que le neutre, au moyen d'appareils de coupure. Les transformateurs de courant TCa, TCb, TCc sont par ailleurs montés en parallèle et connectés à une extrémité du transformateur de courant TCn, l'autre extrémité étant mise à la terre. Ainsi, les systèmes de protection sont montés en parallèle, le retour se faisant via le neutre. Si un défaut sur une barre (excès de courant) apparaît, la phase concernée et le neutre sont déconnectés. Dans ce montage avec retour par le neutre, on peut montrer que le flux magnétique relatif à un transformateur de courant s'exprime sous la forme suivante similaire à celle de (2) . CI) meas 1 R(is (k) + is (k -1))+ RBN (iN (k) + iN (k -1)) Te/2 (11) k où RBN est la résistance de boucle du neutre et iN(k) est le courant parcourant le neutre au temps k. La détection de la saturation se fait selon le même procédé que celui décrit en Fig.4 : sur apparition d'un défaut de forme d'onde de is, le flux est calculé par intégration dans une fenêtre temporelle, à partir de l'expression (11). Comme précédemment, la saturation du transformateur de courant est détectée si le flux mesuré est supérieur à la valeur de seuil (I)T. Si une saturation est détectée, la protection est inhibée. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de saturation d'un transformateur de courant, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de détection d'un défaut de la forme d'onde du courant secondaire du transformateur ; - une estimation du flux magnétique dans le secondaire du transformateur au moyen d'une intégration du courant secondaire pendant une fenêtre temporelle partant de la détection dudit défaut ; - une comparaison du flux magnétique ainsi estimé avec une valeur de seuil, la saturation du transformateur étant détectée sur franchissement de ladite valeur de seuil par ledit flux magnétique. 2. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur de seuil est égale à 20% de la valeur du flux magnétique à la saturation du transformateur. 3. Procédé de détection de saturation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, si un second défaut de la forme d'onde du courant secondaire est détecté pendant ladite fenêtre temporelle, la borne supérieure de ladite fenêtre est réactualisée en fonction du temps d'apparition du second défaut. 4. Procédé de détection de saturation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une fin de saturation est détectée si un intervallede temps de durée prédéterminée s'est écoulé sans qu'un défaut de forme d'onde du courant secondaire ait été détecté. 5. Procédé de détection de saturation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détection d'un défaut de la forme d'onde du courant secondaire comprend le calcul d'une grandeur caractéristique de la dérivée du signal et une comparaison de ladite grandeur avec une fraction prédéterminée de l'amplitude du courant secondaire, un défaut étant détecté si ladite grandeur excède en valeur absolue ladite fraction. 6. Procédé de détection de saturation selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite fraction est de 16% pour un réseau électrique à 50 Hz et de 20% pour un réseau électrique à 60 Hz. 7. Procédé de détection de saturation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détection de saturation est inhibée tant que le courant secondaire du transformateur n'a pas atteint un extremum. 8. Procédé de détection de saturation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la détection de saturation est inhibée pendant une durée prédéterminée après que le courant secondaire du transformateur soit devenu supérieur en valeur absolue à un seuil de bruit. 9. Programme d'ordinateur comprenant des moyens logiciels adaptés à mettre en oeuvre les étapes du procédé selon l'une des revendications précédentes, lorsqu'il est exécuté sur un ordinateur.