Brevet FR2922028A1 — publié le 20090410

LOCALISATION D'UN DEFAUT DANS UN RESEAU DE DISTRIBUTION PUBLIQUE MOYENNE TENSION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne la localisation d'un défaut, en particulier monophasé, apparu dans un réseau de distribution, et notamment un réseau de distribution publique moyenne tension, le réseau pouvant être mis à la terre par impédance. Le procédé et le dispositif de localisation selon l'invention utilisent les mesures du courant et de la tension circulant avant et pendant le défaut pour déterminer une distance séparant le défaut du point de mesure. Les hypothèses de calcul sont telles que le résultat obtenu est fiable quelle que soit la nature du défaut et la valeur de sa résistance. ETAT DE LA TECHNIQUE Tel qu'illustré en figure 1, les réseaux 1 de distribution (voir les flèches grisées) peuvent être décomposés en différents niveaux, avec un premier réseau de transport et de répartition 20 très haute et haute tensions THT/HTB (de 35 à plus de 200 kV), utilisé pour transporter ou répartir l'énergie électrique depuis les centrales de production 2 sur de grandes distances. Un réseau de distribution moyenne tension HTA, usuellement entre 1 et 35 kV, et plus précisément 15 ou 20 kV en France, lui succède pour des transports à plus petite échelle, vers des clients de type industriels 3 ou d'autres postes de transformation 4 ; la mise à la 25 terre du réseau HTA, c'est-à-dire la connexion du neutre du transformateur 5, peut être très variée, et est désormais généralement réalisée par une impédance Zn. Le réseau basse tension BT (en particulier 0,4 kV en France) alimente les clients 6, 6' de faible demande énergétique. 30 Le réseau HTA peut être composé de lignes aériennes et/ou de câbles souterrains. Quelle que soit la solution, le réseau est sujet à des défauts variés, qu'il est important de détecter et localiser afin de pallier les problèmes générés : rupture d'alimentation, dégradation de la 15 tenue des matériels d'isolation, sans compter la sécurité des personnes. Parmi ces défauts, les plus fréquents sont les défauts monophasés, dans lesquels une phase est en contact avec la terre, localisés hors du poste source ; en moyenne, par an, une dizaine de ce type de défauts pour 100 km de ligne persiste malgré une mise hors tension du réseau concerné : ces défauts permanents notamment nécessitent une intervention humaine, et donc une localisation dans le réseau. De nombreuses études se sont penchées sur la localisation des défauts dans les réseaux de distribution (voir par exemple US 5 839 093), ou plus généralement entre un poste source 7 et une charge 8, sur la ligne 9 d'impédance linéique Zl ; en général, une distance x du défaut 10 par rapport au poste source 7 est déterminée, tel qu'illustré en figure 2. Bien que des méthodes de type heuristiques (réseau de neurones ou logique floue, nécessitant un apprentissage complexe) soient en développement, les déterminations de la distance de défaut x se font usuellement par calculs. Par exemple, les signaux transitoires à haute fréquence qui prennent place immédiatement après l'apparition du défaut sont mesurés, ce qui nécessite cependant des appareils de mesure onéreux, ou les courbes en régime de défaut sont comparées. Ces options imposent une très bonne connaissance du réseau et de sa topologie, ce qui n'est pas toujours possible, ni même réaliste. De fait, la détermination la plus fréquente utilise un calcul d'impédance, la distance de défaut x étant la solution d'un système d'équations. Certaines méthodes de résolution (par exemple décrites dans WO 00/50908) comprennent des mesures de chaque côté 7, 8 de la ligne, avec la lourdeur inhérente à la communication des données. Les méthodes de localisation en un point de mesure doivent, quant à elles, compenser le fait de ne pas connaître les courants circulant dans les différentes parties du circuit, et des modélisations variées pour résoudre le système d'équations à nombreuses inconnues ont été proposées : voir par exemple US 5 661 664 ou US 5 773 980. Cependant, les procédés actuels ne donnent pas de résultats suffisamment fiables dans certaines circonstances, notamment pour les défauts 10 monophasés très résistifs (50 EXPOSE DE L'INVENTION Parmi autres avantages, l'invention vise à pallier des inconvénients des méthodes de calcul de la distance de défaut existantes, notamment dans le cas d'un défaut monophasé avec une résistance à la terre élevée. En particulier, l'invention prend en compte la valeur de la charge alimentée, et, en utilisant les mesures avant défaut, introduit les impédances directe et inverse de la charge dans une modélisation en composantes symétriques du réseau en défaut. La précision du calcul de la distance de défaut est améliorée, et notamment l'erreur sur la distance de défaut, ramenée à la distance maximale dans un réseau HTA donné, est inférieure à 5 %. Sous un aspect, l'invention concerne un procédé de localisation d'un défaut dans un réseau, en particulier un réseau de distribution moyenne tension triphasé, comprenant la détermination de la distance séparant le défaut d'une première extrémité d'une ligne électrique d'impédance linéique prédéterminée, représentant le réseau. Le procédé selon l'invention utilise la mesure du courant et de la tension à la première extrémité avant l'apparition du défaut et en situation de défaut, et considère la charge du réseau comme non modifiée par l'apparition du défaut, c'est-à-dire que l'impédance de la charge du réseau en défaut est calculée par le rapport entre les valeurs complexes du courant et de la tension mesurées avant le défaut ; ces valeurs complexes peuvent être déterminées par la mesure des courants de chacune des trois phases et des tensions entre chaque phase et la terre. La connaissance de l'impédance de charge et les mesures des paramètres du courant pendant le défaut (c'est-à-dire avant le déclenchement des appareillages de sécurité) permettent l'établissement d'un système d'équations pour la distance de défaut, et ce par l'intermédiaire d'une modélisation en composantes symétriques du réseau ; le système d'équations est obtenu en considérant dans un premier temps que l'impédance de la ligne est négligeable par rapport à l'impédance de charge en situation de défaut, la charge de départ comme équilibrée et le défaut comme résistif. Le système est de préférence résolu par itérations successives, avec par exemple une initialisation avec une distance de défaut nulle, c'est-à-dire un défaut apparaissant à la première extrémité de la ligne. En particulier, le système d'équations permettant la détermination de la distance x de défaut peut être le suivant : x _ 3(Z) Z _ Vphase ù Zld x (Ichd + lai) > > X I def avec X réactance de ligne par unité de longueur (c'est-à-dire partie imaginaire de la somme des composantes symétriques de l'impédance linéique de ligne), Z,d composante directe de l'impédance linéique de ligne, Vphase somme des composantes symétriques des tensions mesurées pendant le défaut, IChd et Iehi respectivement composantes directe et inverse du courant traversant la charge pendant le défaut, et Idef courant de défaut égal à la différence entre les composantes directes des courants mesurés Im et de charge Ieh. L'invention se rapporte également à un dispositif apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Le dispositif comprend en particulier des moyens de mesure du courant et de la tension sur une ligne électrique de départ d'un réseau, de préférence pour chacune des phases ; avantageusement, les mesures avant apparition de défaut notamment peuvent être stockées. Le dispositif comprend en outre des moyens pour calculer une impédance de charge du réseau en fonction des mesures du courant et de la tension avant défaut, des moyens pour déterminer le courant de charge pendant le défaut en fonction de l'impédance de charge calculée et des mesures du courant et de la tension pendant le défaut, et des moyens, de préférence par itérations successives, permettant de calculer la distance séparant le défaut du point de mesure des courant et tension en fonction du courant de charge déterminé et du courant et de la tension mesurés pendant le défaut. Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend des moyens pour déterminer les composantes complexes des valeurs mesurées, et les différents moyens de détermination sont adaptés pour des calculs effectués par l'intermédiaire des composantes symétriques d'une modélisation du réseau. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs, représentés dans les figures annexées. La figure 1, déjà décrite, illustre un réseau de distribution électrique. 15 La figure 2 schématise l'apparition d'un défaut dans un réseau HTA. Les figures 3A et 3B illustrent schématiquement le modèle utilisé pour le calcul de la distance de défaut. 20 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE Tel que schématisé en figure 3A, la détermination de la distance de défaut x repose sur le calcul d'une impédance � vue � au niveau d'un point de mesure, en général situé au poste source 7, modélisée par l'impédance Zl•x de la partie de la ligne 9 entre la source 7 et le 25 défaut 10. L'impédance linéique Zl de la ligne 9 est généralement supposée linéaire, de sorte que la valeur obtenue est proportionnelle à la distance x de défaut. Il est possible à cet égard de décomposer l'impédance de la ligne 9 en fonction de la nature du réseau : si le réseau HTA comprend un pourcentage n de câbles souterrains d'impédance linéique Zi et le reste de ligne aérienne d'impédance ZIL, l'impédance résultante de la ligne 9 peut être 30 considérée comme égale à Z, =100 [n • Z. + (100 ù n). Z,L ] . La source 7 est représentée, tel qu'usuel, comme un générateur parfait de tension V associé à une impédance de court-circuit Zt, correspondant à l'impédance du réseau THT/HTB amont et du transformateur HTB/HTA 5. Il est possible de déterminer, à tout instant et notamment avant le défaut, par des moyens usuels, les paramètres complexes Vn,, I,,, (tension et intensité) du courant circulant après le transformateur 5, et notamment des moyens classiques mesurent les trois tensions de phase Vm 1,2,3, et les trois courants de phase Im 1,2,3, au niveau du point de mesure 7, ici la première extrémité de la ligne 9, ou source du réseau. Le réseau HTA présente une charge totale qui est répartie sans qu'il soit possible de connaître précisément l'état de charge d'un réseau, c'est-à-dire que les différentes valeurs affectées aux utilisateurs 3, 4 et la répartition des charges afférentes ne sont pas connues individuellement. Il est classique de représenter le réseau par une charge de départ concentrée en bout de ligne, distante de la longueur L de ligne 9 du poste source 7. En supposant que le réseau est équilibré, la valeur de l'impédance de charge 8 avant défaut peut être déterminée directement : (1) Zch = Vm avant_defaut _ Z, L , Lavant defaut avec Vm avantdéfaut valeur complexe de la tension phase-terre et Im avant_ défaut mesure complexe du courant de ligne pris en paire sur n'importe laquelle des trois phases, Zi impédance par unité de mesure des conducteurs 9 et L distance entre le point de mesure 7 et la charge 8. L'invention utilise la théorie des composantes symétriques pour le calcul de la distance x : le réseau triphasé déséquilibré suite à l'apparition du défaut 10 monophasé, qui est illustré en figure 3A, est ramené à un schéma tel que présenté en figure 3B, comprenant trois systèmes équilibrés, avec une composante directe d, une composante inverse i et une composante homopolaire o où se retrouve notamment l'impédance de mise à la terre du neutre Z,,. En particulier, la charge 8 est décomposée en Zchi et Zchd ; sa composante homopolaire est considérée comme de valeur infinie car les charges dans un réseau HTA ne sont pas connectées à la terre et, de fait, le réseau ne comprend pas de composante homopolaire de charge. L'exemple illustré concerne le cas le plus fréquent, et le plus problématique au niveau fiabilité et précision par les méthodes actuelles, du défaut monophasé 10, symbolisé par une impédance de défaut Zdef mettant une phase en contact à la terre, et dont la valeur est inconnue ; les autres situations peuvent naturellement être représentées de la même façon par l'homme du métier. Pour la localisation, on considère alors la boucle de courant 12, aussi appelée boucle de défaut à 50 Hz et schématisée en figure 3A, que fait le courant de défaut Idef et qui dépend directement de la distance de défaut x. Par la modélisation en composantes symétriques, l'impédance équivalente ZB de la boucle 12 répond à l'équation suivante : VphaseùZld•x•(Ichd+Ichi) (2) ZB =3•Zdef +(Z1d+Z,1+Z,o) x= Idef avec Vphase Vmden_defaut + Vmlen_defaut + VmOen_defaut valeur de la tension phase-terre de la phase détectée en défaut, les valeurs Vm en défaut étant calculées en utilisant les mesures réalisées sur chaque phase en régime de défaut permanent (entre l'apparition du défaut 10 et le déclenchement des appareillages de sécurité). Classiquement, on considère le défaut 10 comme étant de nature résistive. Le courant de défaut peut être déduit des valeurs des composantes directes du courant 20 mesuré Im au niveau du poste source 7 et du courant Ich circulant dans la charge 8 pendant le défaut : (3) Idef = I .d - hnd Le problème pratique est que, bien que choisie répartie uniquement en bout de ligne 8, la 25 charge exacte du départ Zch pendant le défaut n'est pas connue ; en outre, tel que mentionné, un état de charge du réseau de distribution n'est pas disponible, par manque de mesures réparties dans le réseau qui permettraient de l'établir. Ainsi les courants de charge direct Iehd et inverse Ichi en régime de défaut ne sont pas connus avec précision. 30 Il a été vérifié que l'hypothèse d'une charge équilibrée, avec une impédance directe égale à l'impédance inverse, est réaliste ; de plus, au vu des fonctionnalités d'un réseau HTA, il est concevable de négliger les impédances linéiques Z1 de la ligne 9 en régime sans défaut pour calculer l'impédance de charge Zeh. Selon l'invention, l'impédance de charge 8 est en outre supposée de valeur Zch constante avant et pendant le défaut ; ainsi, les mesures des caractéristiques du courant avant défaut, c'est-à-dire des trois tensions phase-terre V,ii 1,2,3 et des trois courants Iiii 1,2,3 sont utilisées pour, indirectement et par l'intermédiaire du calcul de l'impédance de charge Zeh, calculer respectivement les courants direct et inverse dans la charge pendant le défaut. Selon l'invention, les hypothèses suivantes ont donc été adoptées : - le réseau est unifilaire et homogène (composé d'un seul type de conducteur 9, ce type pouvant comprendre des composantes aériennes et souterraines tel que mentionné plus haut), avec une totalité de la charge 8 connectée en bout de ligne, c'est-à-dire toujours en aval du défaut 10 ; - la charge du départ 8 et la charge de la ligne 9 sont équilibrées, avec une impédance directe égale à l'impédance inverse : Zchd = Zchi et Zld = Zli û on rappelle que la charge 8 ne comprend en outre pas de composante mise à la terre Zcho = oo ; - les capacités directes, inverses et homopolaires des conducteurs sont négligées ; les impédances des conducteurs Zl sont négligées pour le calcul des courants de charge Ieh en régime de défaut : (4) Ichl Imlen_defaut Ztl et (5) Ichd = Imden defaut ù Imlen_defaut + Ichl Zchi On note par contre qu'aucune hypothèse n'a été faite en ce qui concerne la valeur de la résistance de défaut Zdef ou le courant de défaut Idef qui la traverse : le procédé et le dispositif de détermination selon l'invention s'appliquent ainsi indépendamment de cette valeur, et en particulier continuent à donner des résultats fiables lorsque l'impédance Zdef est élevée, y compris lorsqu'elle approche son maximum statistique de 300 S2. On obtient donc un système : (6) x _ 3(Zs) X ; (2) phase ù Z1d • x (Iend + lai) ZB Idef les valeurs Iehi, lehd, Idef étant données par les équations respectives (4), (5) et (3) ; avec S(ZB) partie imaginaire de l'impédance de la boucle 12, et X réactance de ligne par unité de longueur (en général le kilomètre), correspondant à X = S(2 • Z,d + Z,o) = 3(Z,d + + Z,o) . Pour résoudre ce système d'équations, on procède de préférence par itérations, avec par exemple une initialisation par une distance de défaut nulle (xo = 0). Le calcul de la distance de défaut x est considéré comme accompli lorsque la différence entre deux valeurs successives xj+1 est inférieure à une précision donnée. L'invention trouve une application particulière pour les réseaux de distribution moyenne tension de nature aérienne, ou avec peu de câbles souterrains, composant la majorité du réseau français, et dans lesquels la précision des calculs existants est la moins fiable. Cependant, elle ne s'y limite pas. En particulier, bien que l'invention ait été décrite en référence à un défaut monophasé dans lequel elle présente des améliorations notables par rapport à l'état de la technique, la modélisation précédente et les hypothèses faites peuvent tout autant être appliquées pour le calcul de la distance de défaut biphasé, isolé ou à la terre, ou de défaut triphasé : dans ces cas, des simplifications apparaissent dans les équations précédentes, avec notamment la disparition des composantes homopolaires ou inverses. De même, le calcul proposé a été validé avec des charges � réalistes � 8 et pour les différents types de neutre. En particulier, pour les réseaux HTA du type �à neutre impédant �, différentes valeurs de l'impédance du neutre Zr, ont été étudiées, avec un courant de défaut 'clef> 50 A pour une résistance de défaut nulle : mise à la terre directe, purement résistive ou comprenant une partie impédante, notamment Zä = 0, Zä = 40j, Zn = 12 + 12j, Zn = 40 S2, Zn = 8052,... (avec j2 = -1). Pour tous les signaux de défauts, le même traitement des données peut ainsi être effectué, et il est possible de réaliser le calcul de la distance de défaut x dès les premières 100 ms qui suivent son apparition. Cet intervalle est généralement suffisant pour l'établissement d'un régime permanent en défaut, tout en restant inférieur à la durée minimale usuelle précédant l'actionnement des organes de protection. La localisation selon l'invention peut donc être réalisée sur les réseaux HTA existants avec fiabilité et précision. Par ailleurs, la méthode selon l'invention peut être appliquée dans le cas où des générateurs d'énergie dispersés 14 (GED), c'est-à-dire des sources d'énergie de faible puissance nominale comme des éoliennes ou des groupes synchrones, sont mis en place sur le réseau moyenne tension, par exemple tel qu'illustré en figure 1. Bien que ces GED 14 perturbent le réseau du point de vue plan de tension et harmoniques en introduisant de l'énergie en sens inverse (voir les flèches creuses), la connaissance de leurs paramètres peut être intégrée dans les algorithmes de calculs selon l'invention, sans modification des autres données, et permettre une localisation de même précision. REVENDICATIONS 1. Procédé de localisation d'un défaut (10) dans un réseau représenté par une ligne électrique (9) d'impédance linéique prédéterminée (Z1) entre une première extrémité (7) et une charge (8) comprenant : a. la mesure du courant et de la tension (Im avant_ défaut, Vm avant_ défaut) du réseau à la première extrémité (7) avant l'apparition du défaut (10) ; b. la détermination de l'impédance (Zeh) de la charge (8) par le rapport entre les valeurs complexes des courant et tension mesurés avant défaut (Im avant défaut, Vm vant_défaut) ; c. la mesure du courant et de la tension (Im en_défaut, Vm en_défaut) à la première extrémité (7) en situation de défaut ; d. la détermination du courant (Ieh) circulant dans la charge (8) en situation de défaut, en considérant l'impédance de la charge (Zeh) inchangée ; e. la détermination de la distance de défaut (x) par rapport à la première extrémité (7) par l'intermédiaire des valeurs mesurées du courant et de la tension (Im en_défaut, Vm en_défaut) et de la valeur déterminée du courant circulant dans la charge (th) pendant le défaut. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la mesure (a.) du courant et de la tension du réseau à la première extrémité (7) avant le défaut et/ou la mesure (c.) du courant et de la tension du réseau à la première extrémité (7) pendant le défaut comprennent la mesure des trois courants de chaque phase (I,,, 1,2,3) et la mesure des trois tensions entre chaque phase et la terre (V,,,1,2,3). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel les déterminations (b., d., e.) sont réalisées par l'intermédiaire d'une modélisation en composantes symétriques, c'est-à-dire directe, inverse et homopolaire, du réseau. 1130 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le défaut (10) est monophasé et la distance de défaut (x) est donnée par le système d'équations : x = 3XZ) et Z Vphase ù Z,d . x (lad + lai) = , avec : Idef X réactance de ligne par unité de longueur, et partie imaginaire de la somme des composantes de l'impédance linéique prédéterminée X = 3(41 + Z,i + Z,o) ; - VPhase tension à la terre de la phase détectée en défaut et somme des composantes de la tension mesurée en défaut Vphase = Vmdendefaut + Vmlen defaut + VmOen_defaut - Idef valeur du courant de défaut et différence entre les composantes directes du courant mesuré (Im) et du courant de charge (Ieh) en défaut Idef = Imd - Iehd ; les composantes inverse et directe du courant de charge (Ichi, Iehd) étant données Zi respectivement par : Ichi = ùLien defa.t• Z t et Iehd = Imden_defaut ù Imlen_defaut + Ic,i ch Zt impédance équivalente en amont de la première extrémité (7), Zeh impédance de charge (8) du réseau déterminée précédemment (b.), Im ei défaut mesure du courant en défaut à la première extrémité (7). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la détermination de la distance de défaut (x) est effectuée par itérations successives pour résoudre un système d'équations. 20 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le réseau est un réseau de distribution moyenne tension et le défaut (10) est monophasé et résistif. 7. Système de localisation d'un défaut dans un réseau de distribution par rapport à un point de mesure (7), le réseau étant assimilé à une ligne électrique (9) d'impédance 25 linéique prédéterminée (Z1) entre le point de mesure (7) d'impédance amont prédéterminée (Zt) et une charge (8) comprenant : des moyens de mesure du courant et de la tension (Im, V,,,) du réseau au point de mesure (7) avant le défaut et pendant le défaut ;15des moyens de calcul de l'impédance (Zeh) de la charge (8) par le rapport entre les valeurs complexes des courant et tension mesurés (I,,,, Vttt) avant le défaut ; des moyens de détermination du courant (Ieh) circulant dans la charge (8) du réseau en situation de défaut, en considérant son impédance (Zeh) inchangée ; - des moyens de détermination de la distance de défaut (x) par rapport au point de mesure (7) par l'intermédiaire des valeurs mesurées en défaut du courant et de la tension (h, en_défaut, Vn, en_défaut) et de la valeur déterminée du courant circulant dans la charge (Ieh). 8. Dispositif selon la revendication 7 dans lequel les moyens de mesure du courant sont adaptés pour mesurer le courant sur chacune des trois phases du réseau, et les moyens de mesure de la tension sont adaptés pour mesurer la tension à la terre de chacune des trois phases du réseau. 9. Dispositif selon la revendication 8 comprenant des moyens pour déterminer les composantes symétriques des paramètres du réseau. 10. Dispositif selon la revendication 9 dans lequel les moyens de détermination de la distance de défaut sont adaptés pour résoudre le système : x = 3X) et Vphase ùZld'x.(Ichd+lehi) Z = , avec : Idef - X réactance de ligne par unité de longueur, et partie imaginaire de la somme des composantes de l'impédance linéique prédéterminée X = 3(Zld + Zli + Zlo) ; - Vphase tension à la terre de la phase détectée en défaut et somme des composantes de la tension mesurée en défaut Vphase = Vmdendefaut + Vmien_defaut + Vmoendefaut - Idef valeur du courant de défaut et différence entre les composantes directes du courant mesuré (Im) et du courant de charge (I,h) en défaut Idef = Imd - Iehd ; Ichi et Iehd respectivement composantes inverse et directe du courant de charge (Ieh), Zti données par : Ieh1= ûImlenaefant et Iehd = lmden_defaat û Imlen_defaut + Ieh Z i , avec Z, chl'impédance amont au point de mesure (7), Zeh impédance déterminée de charge (8) du réseau et I. en défaut mesure du courant en défaut.