Brevet FR2976414A1 — publié le 20121214

PROCEDE DE PROTECTION DIFFERENTIELLE D'UNE LIAISON ELECTRIQUE DE GRANDE LONGUEUR AVEC COURANT CAPACITIF ELEVE DANS UN RESEAU MOYENNE, HAUTE OU TRES HAUTE TENSION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé de protection différentielle d'une liaison électrique monophasée, biphasée ou triphasée, de grande longueur avec courant capacitif élevé, par exemple une ligne aérienne ou un cable souterrain, dans un réseau moyenne tension, haute tension ou très haute tension. Dans la suite de la description, pour des raisons de simplification de la description, on considère un réseau triphasé de phases A, B et C. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le document référencé [1] en fin de description décrit un réseau électrique comportant des relais de protection différentielle situés aux deux extrémités El et E2 d'un segment de ligne 10, comme illustré sur la figure 1. Des données analogiques (sinusoides des courants entrant dans la liaison) mesurées aux deux extrémités de ce segment sont échantillonnées, codées numériquement, multiplexées et transmises à l'autre extrémité du segment où elles sont décodées et comparées avec les données obtenues localement. Les disjoncteurs en chaque extrémité de la liaison sont déclenchés par les relais de protection 2 aux extrémités El et E2 si la différence entre les données locales et éloignées est supérieure à une valeur déterminée. Le prélèvement des données électriques, aux deux extrémités El et E2, est synchronisé afin de pouvoir détecter tout défaut de fonctionnement, par exemple un courant de court-circuit. Les relais de protection différentielle situés en ces deux extrémités dialoguent entre eux en s'échangeant mutuellement des informations. Chacun de ces relais utilise un programme de calcul pour comparer, à un instant donné, les données mesurées localement avec les données transmises par l'autre dispositif situé à distance en prenant en compte le temps de propagation de l'information d'une extrémité à l'autre. Pour permettre un fonctionnement correct des dispositifs de protection différentielle en cas d'inégalité entre le temps de propagation aller et le temps de propagation retour, il est également connu de synchroniser des dispositifs de protection par un équipement externe, par exemple une horloge GPS. Un relais de protection différentielle effectue ainsi la somme vectorielle du courant entrant à une extrémité El et du courant entrant à l'autre extrémité E2. Le résultat obtenu est le courant différentiel. Lorsqu'il n'y a aucun défaut à l'intérieur de la ligne, la différence est égale à zéro. En cas de défaut sur la ligne, le courant différentiel est supérieur à un seuil déterminé. Le relais de protection différentielle déclenche alors les disjoncteurs. 3 Le courant capacitif est le courant alternatif permanent qui apparait à la mise sous tension de la ligne. Ce courant traverse la capacité de la liaison entre phase et terre, qui est une capacité linéique (par mètre de liaison). Ce courant entre phase et terre est donc vu comme un courant différentiel. Si ce courant est d'une amplitude suffisamment élevée, comme c'est le cas pour les câbles souterrains et les lignes aériennes de grande longueur, un déclenchement intempestif de la protection peut se produire. Deux problèmes apparaissent avec le courant capacitif : le premier est le régime transitoire à la mise sous tension de la ligne et le deuxième le courant capacifif en régime permanent. Le courant capacitif en régime transitoire (ou courant d'appel) est constitué principalement d'harmoniques. Un filtrage de Fourier peut supprimer ces composantes harmoniques et apporter donc une stabilité. Le courant capacitif en régime permanent est à la fréquence fondamentale et peut donc provoquer le déclenchement intempestif de la protection. Comme défini dans le document référencé [2], une solution pour résoudre un tel problème consiste à augmenter le seuil déterminé de manière arbitraire, ce qui rend le relais de protection moins sensible. Dans une mise en oeuvre améliorée le courant capacitif attendu est estimé en utilisant les caractéristiques de la ligne. Une telle valeur estimée est alors introduite dans le relais de protection de telle sorte que celui-ci puisse soustraire ce courant 4 capacitif attendu (calculé) de la valeur du courant différentiel. Cette solution nécessite toutefois de déterminer l'angle de phase du courant capacitif dans le diagramme de Fresnel des courants différentiels mesurés, par une mesure de la tension des trois phases A, B et C. Le relais de protection doit alors mesurer la tension du réseau, ce qui entraine une augmentation de coût global du fait de l'ajout des transformateurs de tension, d'une connexion de ces transformateurs de tension au relais de protection, auxquels s'ajoutent les coûts induits tels que les essais de mise en service sur site De plus, cette solution n'est plus opérationnelle dans le cas d'un défaut du circuit secondaire des transformateurs de tension, ce qui réduit la disponibilité globale de la protection. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un procédé de protection différentielle d'une liaison électrique de grande longueur avec courant capacitif élevé facile à mettre en oeuvre et de faible coût. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de protection d'une liaison électrique dans un réseau moyenne, haute ou très haute tension, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque phase, les étapes suivantes . - une étape de mesure du courant capacitif Icapa de cette liaison lors de la mise sous tension, à une extrémité, de cette liaison, - une étape de soustraction de ce courant capacitif mesuré du courant différentiel pour obtenir un courant différentiel corrigé, - une étape d'asservissement de la phase de 5 ce courant capacitif mesuré de telle sorte que le courant différentiel corrigé soit proche de zéro, - une étape éventuelle de déclenchement d'un relais de protection en cas de défaut sur la liaison. Avantageusement ce procédé, comprend une étape de stockage en mémoire de l'amplitude et de la phase du courant capacitif Icapa après l'étape de mesure, cette étape de stockage ayant lieu après un temps déterminé après le début de la mesure, ce temps déterminé étant égal à environ 500 ms. Pendant ce temps déterminé, le courant capacitif Icapa est comparé à un premier seuil déterminé Idiff High pour déterminer s'il y a un défaut sur la liaison. De plus, lors de l'étape d'asservissement, le courant différentiel corrigé est comparé à un second seuil déterminé Idiff low pour déterminer s'il y a un défaut sur la liaison. De plus l'angle de phase du courant différentiel mesuré et mémorisé est ajusté en continu pour que le courant différentiel corrigé soit minimal. Dans un mode de réalisation avantageux le réseau est un réseau triphasé. La liaison peut être une ligne aérienne ou un cable souterrain. 6 Le procédé de l'invention présente de nombreux avantages par rapport aux solutions de l'art antérieur utilisant une mesure de tension et notamment: - une facilité de mise en oeuvre ; - une réduction de coût ; - une amélioration de la disponibilité. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1 à 4 illustrent un système de protection différentielle d'une liaison électrique mettant en oeuvre le procédé de l'invention et les signaux électriques correspondant. Les figures 5 et 6 représentent deux organigrammes illustrant les différentes étapes du procédé de l'invention, respectivement dans le cas général et dans un cas particulier. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS L'invention est basée sur la mesure directe du courant capacitif Icapa de la ligne 10, à la fois en amplitude et en phase, et l'utilisation de cette mesure comme paramètre de correction lorsque le courant différentiel est comparé à un seuil déterminé. Un ajustement de phase du courant capacitif mesuré est également réalisé. L'invention est basée sur le fait que le courant mesuré par le relais de protection lorsque la ligne est fermée à une extrémité El, comme illustré sur la figure 2, correspond au courant capacitif de la ligne 10. En stockant en mémoire l'amplitude et la phase du courant ainsi mesuré, lorsque la ligne 10 est 7 alimentée à une seule extrémité El (IE2 = 0), il est possible de soustraire ce courant capacitif du courant différentiel qui est mesuré lorsque la seconde extrémité E2 va être fermée, comme illustré sur la figure 3. Une ligne, en effet, est toujours alimentée initialement en une seule extrémité : cette extrémité est fermée soit au début soit après un travail de maintenance, la seconde extrémité étant fermée ultérieurement. La ligne pouvant être réalimentée sans fonctionnement des disjoncteurs de la ligne, le courant capacitif ayant été mesuré à la précédente fermeture d'un disjoncteur (première alimentation ou après une opération de maintenance), la méthode reste néammoins valide. Ainsi, une première extrémité d'une ligne est mise sous tension, en fermant un seul disjoncteur. Le courant mesuré peut être un courant de défaut ou un courant de ligne capacitif. Après environ 500 ms, si aucun défaut n'est détecté, alors le courant mesuré est un courant différentiel qui est le courant capacitif de la ligne. Sa valeur est alors stockée en mémoire, et utilisée plus tard, pour réaliser des corrections sur la protection de courant différentiel, lorsque la ligne est fermée à ses deux extrémités. En agissant ainsi, le courant capacitif est soustrait du courant différentiel. Il n'est pas nécessaire alors d'augmenter le seuil déterminé, ce qui est possible car le courant capacitif est une caractéristique intrinsèque de la ligne et ne varie pas durant son fonctionnement. Ceci est réalisé sans mesure de tension, ce qui supprime les inconvénients de l'art 8 antérieur. La connexion d'un transformateur de tension au relais différentiel n'est plus nécessaire. D'importantes économies peuvent être ainsi obtenues. Lorsque la ligne nécessite une mesure de tension avant la fermeture du disjoncteur, pour vérifier que la tension de chaque côté du disjoncteur est la même, seul un transformateur de tension, et non plus trois, est nécessaire. Le procédé de l'invention peut être appliqué à une ligne avec des dérivations, avec trois extrémités ou plus : étant donné que le courant de charge (capacitif) est une caractéristique de la ligne, le nombre d'extrémités n'a aucune influence sur le procédé. Le procédé de l'invention peut être utilisé même en présence de l'effet Ferranti, qui modifie le courant capacitif entre une condition pleine charge et une condition pas de charge aux extrémité éloignées. En effet, le facteur Ferranti est négligeable parce qu'il entraine une modification du courant capacitif de quelques pour cents seulement. Le procédé de l'invention peut être appliqué à des relais différentiels standards utilisant le procédé « ping-pong » pour déterminer le délai de propagation ou à des relais de protection différentiels utilisant le « procédé auto-adaptatif », comme décrits dans le document référencé [1], ou un procédé synchronisé par une horloge GPS. Description détaillée du procédé de l'invention Préalablement à cette description, on va décrire les différents modules représentés sur les figures 5 et 6 correspondant aux étapes du procédé de l'invention. La figure 5 illustre successivement les modules et étapes suivants : - un module 10 illustrant le fait qu'aucun courant n'est mesuré aux extrémités El et E2 (1E1 = 1E2 = 0)r - un module de test 11 : un courant est mesuré à une seule extrémité El ou E2 (IEi = 0 ; IEi 0) ? - un module de test 12, si la réponse au test 11 est négative (« N ») : un courant est mesuré aux deux extrémités (IEE 0 ; 1E2 0) ? o si la réponse au test 12 est négative, il y a retour au module 10, o sinon la réponse au test 12 est positive (« 0 ») on passe en figure 6 (module 13). Si la réponse au test 11 est positive, au temps t=0 : - un module 14 de mesure de Idiff meas phX, - un module 15 de test : Idiff meas phX >Idiff High ? o si la réponse au test 15 est négative on a, au temps t=500ms : - Icapa mem phX est mémorisé (module 17), 25 - (p (Icapa mem phX) est mémorisé (module 18), - Idiff meas phX - Icapa mem phX est calculé (module 19). Ces trois modules 17, 18 et 19 étant suivis de : - un module 20 illustrant le fait que : cp(Icapa mem phX) est ajusté de manière continue de telle sorte que Idiff meas phX - Icapa mem phX est minimal, Idiff meas phX - Icapa mem phX > Idiff Low ? o en cas de réponse positive à ce test 21 déclenchement du relais de protection (module 16), o en cas de réponse négative à ce test 21 : - un module de test 22 : un courant est-il mesuré à une ou deux extrémités (IE1 0) ? o si réponse positive à ce test 22, retour au module 20, o si réponse négative à ce test 22, retour au module 10. La figure 6 illustre successivement les modules suivants . 20 - un module 25 correspondant au module 16 de la figure 5, - un module 26 de mesure de Idiff meas phX, au temps t=0, - un module 27 de test : Idiff meas phX >Idiff High ? 25 o si réponse positive à ce test 27, déclenchement du relais de protection (module 28), o si réponse négative à ce test 27 : - un module de test 21 : 15 - un module 29 illustrant le fait qu'un courant Idiff superp phX est augmenté progressivement et superposé au courant différentiel et la phase de ce courant est ajustée de manière continue pour réduire le courant différentiel. L'amplitude de ce courant est augmentée jusqu'à la valeur de Icapa mem phX qui a été stockée en mémoire lors de l'alimentation de la ligne, - un module de test 30 : Idiff meas phX Idiff superp phX > Idiff High ? o si réponse positive à ce test 30, déclenchement du relais de protection (module 28), o si réponse négative à ce test 30 : - un module de test 31 : l'amplitude de courant superposé Idiff superp phX atteint Icapa mem phX ? o si réponse négative à ce test 31, retour au module 29, 20 o si réponse positive à ce test 31 : - Idiff meas phX - Icapa mem phX est calculé (module 32), - cp (diff mem phX) est ajusté de manière continue de telle sorte que Idiff meas phX - Icapa mem phX soit 25 minimal (module 33), - un module de test 34 : Idiff meas phX - Icapa mem phX > Idiff Low ? (module 34), o si réponse positive, déclenchement du relais de protection (module 28), o si réponse négative, retour au module 32. On va alors décrire le fonctionnement des différentes étapes du procédé de l'invention illustrées sur ces figures 5 et 6 : 1) Etape préliminaire Comme illustré sur la figure 1, au début aucun courant n'est mesuré aux extrémités El et E2 : IE1 = 1E2 = 0. 2) Etape au temps t=0 Aux temps t=0, comme illustré sur la figure 2, un relais de protection détecte qu'un courant Idiff meas phX est mesuré sur chaque phase X e {A, B, C} à une extrémité El. Ceci signifie que le disjoncteur a été fermé à cette extrémité El. S'il n'y a aucun défaut sur la ligne, ce courant différentiel est le courant capacitif. Un premier seuil Idiff High doit être établi supérieur à ce courant pour éviter tout ordre de déclenchement errone. Ce premier seuil Idiff High est établi de manière typique à 2,5 fois le courant capacitif. Si le courant capacitif est soustrait du courant différentiel il n'est pas nécessaire de conserver un seuil élevé une fois la soustraction effectuée. Ceci est réalisé comme décrit ci-dessous. 3) Etape au temps 0 500ms Après ces 500 ms nécessaires pour des besoins de mesure (le délai doit être inférieur à 1s 20 qui est normalement la différence de temps la plus petite entre la fermeture de la première extrémité et la fermeture de l'extrémité éloignée), l'amplitude du courant différentiel qui a été mesurée est stockée en mémoire :Icapa mem phX 25 Ces valeurs ne nécessitent plus d'être ajustées et vont être conservées dans les étapes suivantes. En effet, le courant capacitif est une valeur qui ne peut fluctuer de manière significative. L'angle de phase du courant différentiel, qui a été 14 mesuré pendant les 500 premières ms, est aussi mémorisé : (p (Icapa mem phX). Ces angles de phase vont être ajustés automatiquement et de manière continue, comme décrit ci-dessous (ADJ en figure 4). Ces valeurs stockées en mémoire sont alors soustraites des courants différentiels mesurés et comparées à un second seuil Idiff Low. Si, pour toute phase X e{A, B, C}, on a Idiff meas phX - Icapa mem phX On a ainsi la garantie que l'angle de phase du courant capacitif soustrait du courant différentiel reste correct même si la fréquence du réseau change lentement. Comme mentionné ci-dessus, il est pas 20 nécessaire d'ajuster de façon continue l'amplitude Icapa mem phX parce que l'amplitude du courant capacitif ne change pas, bien qu'un tel ajustement soit possible. Si pour une phase X e{A, B, C}, on a Idiff meas phX - Icapa mem phX Idiff Low, cela 25 signifie qu'il y a un défaut sur la ligne sur la phase X et le relais de protection donne un ordre de déclenchement (TRIP sur la figure 5). Ensuite, à n'importe quel moment (typiquement de quelques secondes à quelques minutes), 15 comme illustré sur la figure 3, la charge Ich à travers la ligne apparait, lorsque le disjoncteur est fermé à l'extrémité éloignée. Le courant capacitif est calculé encore 5 comme décrit ci-dessus. - Si pour toute phase X e{A, B, C}, on a Idiff meas phX - Icapa mem phX 0) sont illustrées sur la figure 4. Lorsque la ligne est réalimentée avec les deux disjoncteurs situés aux deux extrémités, fermés, 20 l'algorithme est légèrement différent, comme illustré sur la figure 6. Dans ce cas le relais différentiel détecte le fait que le courant de charge apparait simultanément à chaque extrémité. La valeur 1 Idiff mem phX 1 qui a été 25 stockée en mémoire à la précédente alimentation de la ligne est utilisée pour l'algorithme. L'invention consiste donc à soustraire au courant différentiel mesuré lors de la réalimentation de la ligne avec les deux disjoncteurs fermés, un courant qui est 30 progressivement augmenté jusqu'à Idiff mem phX 16 L'angle de ce courant est adapté de manière continue pour minimiser le courant différentiel mesuré. L'algorithme correspondant est illustré sur la figure 6. REFERENCES [1] US 5 267 231 [2] « Guide technique ; MICOM P541, P542, P543, P544 ; Protections différentielles de courant » ; (TG 8613A ; volume 1, chapitre 2 « Notes d'application » ; pages 1 à 139) . REVENDICATIONS1. Procédé de protection d'une liaison électrique (10) dans un réseau moyenne, haute ou très haute tension, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque phase, les étapes successives : - une étape de mesure du courant capacitif (Icapa) de cette liaison lors de la mise sous tension, à une extrémité, de cette liaison, - une étape de soustraction de ce courant capacitif mesuré du courant différentiel pour obtenir un courant différentiel corrigé, - une étape d'asservissement de la phase de ce courant capacitif mesuré de telle sorte que le courant différentiel corrigé soit proche de zéro, - une étape éventuelle de déclenchement d'un relais de protection en cas de défaut sur la liaison. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape de stockage en mémoire de l'amplitude et de la phase du courant capacitif mesuré (Icapa) après l'étape de mesure. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel cette étape de stockage a lieu après un temps déterminé après le début de la mesure. 30 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel ce temps déterminé est égal à environ 500 ms.25 18 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel, pendant ce temps déterminé, le courant capacitif (Icapa) est comparé à un premier seuil (Idiff High) pour déterminer s'il y a un défaut sur la liaison. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel lors de l'étape d'asservissement, le courant différentiel corrigé et comparé à un second seuil (Idiff Low) pour déterminer s'il y a un défaut sur la liaison. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'angle de phase du courant capacitif mesuré est ajusté en continu pour que le courant différentiel mesuré soit minimal. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, le réseau est un réseau triphasé. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la liaison est une ligne aérienne. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la liaion est un cable souterrain.25