Cours Installation MT (HTA) - BT - AREVA [PDF]

Zitiervorschau

SERVICE T&D

Formation

Installations HTA et BT Choix de l’appareillage et des canalisations

–1 –

Sommaire Partie HTA PRO1/D2102/CH1/DISNT/3.0/F

Le réseau distributeur

THE3/A2112/CH6/STRUC/3;0/F

Structure générale des réseaux industriels

PRO4/D2302/CH3/TRANSMES/3.0/F

Introduction aux transformateurs de mesure

PRO1/D00/SLT/HTA/3.0/F

Schémas des liaisons à la terre d’une installation haute tension HTA

THE3/A2112/CH5/CANELEC/3.0/F

Les canalisations électriques

PRO1/D00/CAL/ICC/3.0/F

Calculs des courants de court-circuit

PRO4/D2302/CH1/RAPRES/3.0/F

Rappels sur la protection des réseaux industriels

THE1/A3112/CH5/APPAR/3.0/F

L’appareillage électrique

HTA1/DEFIN/SF6/3.0/F

L’hexafluorure de soufre, coupure d’un arc en HTA

THE1/A3112/CH8/EXEM/3.0/F

Exemples

Documents externes M24-TECH/fre/MVB/02.03/3201

Brochure : Fluokit M24 – Caractéristiques techniques

A001 – AMT 01/2000

Brochure : Orthofluor FP - Disjoncteur SF6 de 7,2 à 36 kV

AQ07F-2004-10

Partie B T A12-1

Caractéristiques générales des installations BT

A12-2

L’appareillage BT

A12-3

Les canalisations électriques BT

A12-4

Estimation des courants de courts-circuits

A12-6

Annexes

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THE0/BUSTERR/SOMA3202F/3.0/F

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–1 –

Le réseau distributeur

Fonction du réseau Types de réseau Caractéristiques

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–2–

Fonction du réseau L'énergie n'est pas directement stockable (ou si peu). Il est donc nécessaire d'équilibrer, en permanence, l'énergie livrée à la clientèle avec celle produite par les centrales électriques. Entre les centrales hydrauliques et thermiques (conventionnelles ou nucléaires), les kilowatts doivent parcourir des chemins plus ou moins longs et plus ou moins complexes.

Ces chemins constituent le réseau électrique.

L’électricité est produite

…transportée…

… et distribuée

Après avoir été produits dans les différentes usines hydrauliques, thermiques ou nucléaires, les kilowattheures obtenus ont besoin de parvenir à leurs utilisateurs et doivent, de ce fait parcourir des chemins plus ou moins longs, plus ou moins complexes. En suivant le trajet de l'énergie électrique, depuis sa production jusqu'à son utilisation, on trouve successivement différents types de réseaux fonctionnant à différents niveaux de tension. AREVA T&D - DAFEP

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–3–

réseaux de production

centrale nucléaire

centrale thermique

centrale hydraulique

réseaux de transport

poste de transformation (départ)

poste de transformation (départ)

transport à longue distance

réseaux de répartition ou centres de consommation

interconnexion (arrivée)

grande distribution

réseaux de distribution d'énergie (utilisateurs)

transport à moyenne distance poste de transformation rural

petite distribution abonné

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–4–

Types de réseaux Réseaux de production À l'échelon national, la production a lieu dans des centrales thermonucléaires, thermiques, hydrauliques. Il existe aussi des centrales diesel (pays en voie de développement) et des turbines à gaz (groupes d'appoint). Les alternateurs fonctionnent en HTA (5,5 à 20kV) et débitent sur le réseau de transport en passant par des transformateurs élévateurs (20/400kV par exemple). Les puissances développées sont grandes (50 à 1300MW). Micro-centrales : de petites chutes d'eau sont équipées d'une centrale hydraulique privée (micro-centrale). L'énergie produite est revendue au réseau national. Les puissances vont de 0,1 à quelques MW. Les alternateurs, souvent de type asynchrone, fonctionnent en basse tension et débitent sur le réseau de distribution HTA par des transformateurs BT/HTA. Leurs protections sont simplifiées en regard de celles de machines plus puissantes, avec cependant des problèmes spécifiques (îlotage, délestage...).

Réseaux de transport, réseaux de répartition Les réseaux de transport assurent le transport de l'énergie et l'interconnexion, à l'échelon national, en HTB et en THT (225 et 400kV en France, 800kV aux Etats Unis). Les réseaux de répartition assurent l'irrigation en électricité au niveau d'une région en HTB (63, 90, 150kV en France,30 à 150kV à l'étranger). Ces réseaux se composent de lignes aériennes longues (plusieurs centaines de kms) ; les câbles souterrains sont rares. Les postes sont généralement extérieurs et étendus. Il existe toutefois des postes blindés au SF6, extérieurs ou intérieurs. AREVA T&D - DAFEP

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–5–

Les hauts niveaux de tension utilisés, imposent une mise à la terre rigide du neutre (pour assurer les isolements quelle que soit la structure d'exploitation : les mises à la terre du neutre sont multiples). Il y a raccordement de sources d'énergie en des points multiples du réseau. La qualité de service demandée est très sévère : les puissances transitées sont énormes et le maintien du synchronisme (entre les centrales) doit être assuré sans faille. Ceci est obtenu, entre autre, par le maillage du réseau et l'emploi d'un déclenchement-réenclenchement mono-triphasé. Sellindge Avelgem Gravelines

Les Attaques

Warande Weppes

Mandarins

Gavrelle

Paluel

Tollevast Flamanville Menuel

La Martyre

Chevalet

Penly

La Vaupalière Le Havre Rougemontier

Achene

Avelin Mastaing

Mazures

Argœuves Barnabos

Latena

Uchtelfangen

Lonny Cattenom

Terrier Vigy Herse Veslé Remise Plessis-Gassot Cergy Chambry Tilleul Revigny Bezaumont Terrette Tourbe Villevaudé Mézerolles Neuves-maisons Marlenheim Morbras Méry Boctois /Seine Villejust Houdreville Launay Plaine-Haute Cirolliers Eichstetten Cheney Le Chesnoy Vincey Dambron Gatinais Logelbach Domloup Chaingy Laufenbourg Muhlbach Serein Les Quintes Sierentz Verger La Louisfert Tabarderie Picocherie Asphard Gauglin Villerbon Mambelin Chanceaux Vielmoulin Cordemais Larcey Marmagne Bassecourt Distré Avoine Saint Éloi Bois Tollot Les Jumeaux Chamoson Verbois Grosne Eguzon Bayet CERN Granzay Valdivienne Grépilles Génissiat St Rondissone La Cornier Boisse Vulbas Albertville Creys Preguillac Charpenay Plaud Le Rulhat Gde Île Mions Chaffard La Coche Échalas Pivoz-Cordier

Braud Le Breuil

Cubnezais

Le Marquis

Le Cheylas Praz Vaujany Champagnier

Villarodin

Venaus

Coulange

Rueyres Saucats

Le Tricastin Tavel

Donzac

Cantegrit

Verfeil Marsillon

Issel Cazaril

Réf. Tech. Ing. - D 4 080

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Agasses Jonquières

Tore-Supra Le Broc-Carros Boutre Réaltor Neoules

La Gaudière

Hernani

Structure du réseau 400kV en 2000

Tamareau

Baixas

Vich

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–6–

L'interconnexion par la mise en commun des moyens de production et des réseaux de transport de l'énergie électrique assure la continuité et la distribution de l'électricité aux clients. Chacun d'eux, quelle que soit sa consommation bénéficie ainsi de l'apport de l'ensemble des centrales.

Le schéma présenté illustre la façon dont l'énergie électrique produite par les centrales transite par les différents réseaux et arrive dans l'agglomération à l'usine ou chez le particulier qu'il faut desservir.

Réseaux de distribution HTA Un réseau public de distribution a son origine dans le poste source. Le poste source reçoit du réseau de répartition les arrivées HTB (60, 90, 150kV en France) qui alimentent les transformateurs extérieurs HTB/HTA (90/20kV par exemple). AREVA T&D - DAFEP

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–7–

La puissance de ces transformateurs varie de 10 à 100 MVA afin de limiter le courant de court-circuit dans le réseau de distribution. Le 20kV repart en câble pour entrer dans le bâtiment du poste et alimenter le tableau HTA, constitué de cellules métalliques placées côte à côte. Chaque cellule comporte : disjoncteur, TC, compartiment basse tension. Un couloir traverse toutes les cellules et contient le jeu de barres. L'ensemble est très bien protégé par l'enceinte métallique et par le cloisonnement entre chaque fonction. D'où une vulnérabilité réduite au minimum. Le câble issu du transformateur aboutit à une cellule arrivée, passe par un disjoncteur et alimente le jeu de barres. Le mouvement inverse se présente pour une cellule départ, partant du jeu de barres, le départ est alimenté en passant par un disjoncteur. Sous forme de câble en sortie de cellule, il se prolonge à l'extérieur du poste soit en câble souterrain soit en ligne aérienne. Dans les zones urbaines à très forte densité existe une autre structure : alimentation à partir du 220kV et poste source 220/20kV (type blindé au SF6). Ces réseaux se composent de lignes aériennes de longueurs moyennes (quelques dizaines de kms) et/ou de câbles relativement longs (quelques kms). Le poste source se présente en extérieur (partie HTB et transformateur) et en intérieur (partie HTA - tableau). Le tableau HTA présente une bonne invulnérabilité. La tenue des isolements est plus facile à assurer qu'en HTB (régime de neutre). Une mise à la terre assez rigide du neutre est recommandée, elle est unique pour le poste (le courant de terre de défaut franc pouvant varier de 100 à 1000A). L'absence de machines tournantes (moteur ou alternateur) en liaison galvanique (les impositions des constructeurs concernant la limitation du courant de défaut phase-terre avec le réseau n'intervient pas).

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La structure du réseau est en antenne avec alimentation unique du poste (pas de maillage). La mise en parallèle d'éléments est peu fréquente. Exceptionnellement une micro-centrale peut être raccordée mais sera traitée en parasite. La qualité de service doit être très bonne, une brève interruption est tout de même admissible en autorisant un déclenchement-réenclenchement triphasé.

Réseaux de distribution BT Ces réseaux ont leur origine dans un transformateur HTA/BT. Ils desservent des installations dont la puissance appelée n'excède pas 36kVA (tarif bleu) ou 250kVA (tarif jaune).

réseau indépendant interconnexion courant continu

réseau 2 transformateur pour liaison à courant continu réseaux interconnectés

réseau 1 transformateur élévateur

transformateur d’interconnexion

HTB/HTB bobine d’inductance shunt

HTB/HTA

HTA/BT

livraison abonnés HTB/HTA/BT transformateurs de puissance, de distribution spéciaux

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Présence de câbles ou de lignes de faibles longueurs à structure en antenne. Les niveaux de courants de court-circuit peuvent être énormes près des sources mais en forte diminution avec l'éloignement. La qualité de service est moins critique, elle peut être augmentée par adjonction d'une source de secours. Ces réseaux desservent des zones accessibles à tous, ce qui entraîne des précautions spécifiques pour la sécurité des travailleurs (décret du 14 novembre 1962).

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– 10 –

Caractéristiques Contraintes Lorsqu'un industriel envisage de s'implanter en un endroit déterminé, il est important qu'il sache ce dont il pourra disposer, notamment en matière de mode de raccordement et de qualité de l'alimentation électrique : •

tolérances sur les niveaux de tension,

•

puissances de court-circuit effectives en schéma normal et en schéma de secours,

•

tolérances de fréquence sur les réseaux,

•

qualité de service,

•

niveaux de perturbations.

Types et caractéristiques du réseau français Types de réseaux

Plage de tension dans le monde Interconnecxion 225 à 800 kV Répartition 33 à 225 kV Distribution HTA5 à 33 kV

Tensions en France

Tolérances Tolérances tension fréquence

400 kV 63, 90 ou 220 kV 10 kV 15 kV 20 kV 30 kV 110-130 V 220 ou 380 V

Distribution BT 100 à 440 V

Distribution du neutre

non ±8% ± 10 % ±7%

50 Hz ± 2 %

non

50 Hz ± 2 %

non

50 Hz ± 2 %

oui

± 10 % (voir 7 ou 5 %)

Niveaux de tension Définitions - norme CEI •

haute tension (HT) ensemble des échelons de tension généralement supérieurs à 35kV et utilisés pour le transport de l'énergie électrique

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– 11 –

•

moyenne tension (MT) ensemble des échelons de tension généralement compris entre 1 et 35kV et utilisés dans les réseaux de distribution. Note Pour des raisons administratives propres au Royaume Uni, la notion de moyenne tension peut s'étendre aux échelons jusqu'à 132kV.

•

basse tension (BT) ensemble des échelons de tension généralement utilisés pour l'alimentation des installations des usagers ; on considère des tensions inférieures à 1000V.

Publication UTE (novembre 1988) Tableau des domaines de tension Domaines de tension

Valeurs de la tension nominale en courant alternatif (2) en courant continu lisse(1)

Très basse tension

Un < 50 V

(domaine TBT)

Un < 120 V

Basse tension

domaine BTA

50 V < Un


B

I'B1 IRN

Idc1

Idc2

A Idc2

Idc1

RN

IRN

Idc2

Io > VA

VB

I'B1

I'C1

VC IRN

IRN

Idc1 IRN

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Idc1

Idc2

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Tableau de comparaison des schémas de liaisons à la terre des réseaux industriels HTA Neutre isolé - Ixx

Neutre à la terre par résistance - Txx

•

•

aucun point neutre de l’installation relié à la terre

Principe

un point neutre de l’installation relié à la terre par une résistance

•

premier défaut d’isolement : pas dangereux

•

premier défaut d’isolement : dangereux

•

continuité d’exploitation malgré un premier défaut d’isolement

•

coupure au premier défaut d’isolement

•

second défaut d’isolement : court-circuit biphasé

•

en cas de défaut, le courant dans le neutre IRN doit être supérieur ou égal à deux fois le courant de défaut

éliminé par les protections contre les surintensités

capacitif total Idc IRN ≥ 2 x Idc Idc = 3 x VN x C x ω

Coût

élevé

•

•

personnel qualifié

•

fourniture d’une résistance haute tension

•

matériel surisolé

•

fourniture d’un CPI haute tension

•

protections directionnelles

•

TT à trois enroulements

•

temporaires élevées VN.

•

pas de surtensions importantes si IRN ≥ 2.Idc

Surtensions

Courants de défaut à la terre

faible

•

•

3

transitoires élevées

•

risques de ferrorésonance

•

premier défaut : faible

•

installation avec moteurs (3,3 kV < UN < 6,6 kV) 10 A < Id < 30 A

•

second défaut : très élevé

•

installation sans moteur (UN ≤ 20 kV) 20 A < Id < 200 A

Id : courant de défaut

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– 17 –

Générateur homopolaire Réf. Cahiers Techniques P&C - CT005-54

Pourquoi un générateur homopolaire ? Un générateur homopolaire est un matériel destiné à créer artificiellement un point neutre dans les installations pour lesquelles : •

le choix du régime de neutre est Txx : mise à la terre par résistance impliquant un déclenchement au premier défaut d’isolement,

•

le neutre de l’alimentation est inaccessible,

•

il existe plusieurs alimentations,

•

l’exploitant désire un et un seul chemin pour la circulation du courant de défaut monophasé à la terre.

Constitution d’un générateur homopolaire Il est généralement constitué d’un transformateur de puissance associé à une résistance basse tension. Schéma d’un générateur homopolaire A

B

C

transformateur de couplage HT étoile (neutre sorti et mis à la terre) couplage BT triangle ouvert et relié à la…

R

…résistance BT extérieure

Suivant la valeur de la résistance, il permet de fixer à un niveau convenable, le courant de défaut monophasé à la terre. AREVA T&D - DAFEP

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10 A < Id < 100A.

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– 18 –

Exemple de calcul d’un générateur homopolaire Données Tension nominale du réseau :

6,6 kV

Courant de défaut choisi

20 A

:

A

B

C

Rapport des enroulements homologues d’une même colonne : n=

VS 6600 3 = 200 VP

Vs

Vs

Vs

Is

R

Lors d’un défaut monophasé à la terre, la résistance R sera soumise à une tension égale à 3 Vs : 3 x 200 = 600 V

A

B

C

Cette résistance peut être remplacée par trois résistances équivalentes dans le secondaire de chaque enroulement R VS RS = = 3 IS

Vs

Rs

Vs

Rs

A

Vs

Rs

B

C

Cette nouvelle résistance peut être remplacée par une résistance équivalente au primaire du transformateur. 2 2 R RP = n . RS = n . 3

Rp

Vs

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Rp

Rp

Vs

Vs

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– 19 –

A

B

C

Ces trois résistances placées au primaire peuvent être remplacées par une résistance équivalente Rp

placée entre le neutre et la terre.

Rp

Rp

Vs

Vs

Vs

A

B

C Id VN

2

RP RN = = 3

n .

R 3

3

RN

R =n . 9 2

Vs

Vs

Vs

Si l’on veut limiter le courant à 20 A et si l’on considère que la valeur de cette résistance RN est très importante en regard de X1 et X2 du réseau, on a la loi d ‘Ohm qui s’exprime comme suit lors d’un défaut monophasé à la terre : VN = R N . Id RN =

V N 6600 / = 20 Id

3

=191 Ω 2

R 200 9 RN ⇒ R = 2 = 9 x 191 x RN = n . 9 6600 / n 2

R = 9 191 x 2,75 . 10

–3

3

= 4,7 Ω

Puissance de la résistance pendant 10 s (coefficient de sécurité de 1,5) P = R x I2 x 1,5 = 191 x 202 x 1,5 = 114,6 kW P ≈ 120kW / 10 s

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– 20 –

Puissance du transformateur Dy

S ≈ 120 kVA / 10 s

Puissance permanente de la résistance I = 10 A (réglage de la protection ultime dans la mise à la terre du neutre) coefficient de sécurité : 1,5 P = R x I2 x 1,5 = 191 x 202 x 1,5 = 28,7 kW P ≈ 30 kW

Puissance permanente du transformateur SN ≈ 30 kVA

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– 21 –

Principes de réglage des protections contre les défauts à la terre

Régime de neutre terre

Réglage des protections contre les défauts à la installation de relais de protection à maximum de courant homopolaire non directionnels, si la condition suivante est réalisée pour les réglages :

Idc dep < Irg < Idc autres

neutre isolé

installation de relais de protection à maximum de courant homopolaire directionnels, avec les réglages suivants :

Irg < Idc autres installation de relais de protection à maximum de courant

neutre mis à la terre homopolaire non directionnels, avec les réglages par une résistance

suivants :

Idc dep < Irg < Irg amont < IRN Irg

:

courant de réglage du relais de protection du départ considéré

Idc dep

:

courant de défaut capacitif du départ considéré

Idc autres :

courant de défaut capacitif de tous les autres départs, excepté le départ considéré

Irg amont :

courant de réglage du relais de protection placé en amont du départ considéré

IRN

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:

courant limité par la résistance de mise à la terre du neutre.

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–1 –

Les canalisations électriques

Généralités Dimensionnement des canalisations électriques pour les régimes permanents Dimensionnement des canalisations électriques pour les régimes transitoires Tableaux de choix des câbles

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–2 –

Généralités Définitions Canalisation Ensemble constitué par un ou plusieurs conducteurs électriques et les éléments assurant leur fixation et leur protection mécanique. réf. NFC 13 200 - 2

Conducteurs Ensemble constitué d’une âme et de son enveloppe isolante.

Câble Canalisation constituée de conducteurs électriquement distincts et mécaniquement solidaires. Câble tripolaire Coupe d’un câble multiconducteur tripolaire

âme

cuivre aluminium

rigide massive rigide câblée souple sectorale conducteur

isolant

PR ou XLPE : polyéthylène réticulé PVC : polychlorure de vinyle PE : polyéthylène

gaine de protection mécanique

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PVC feuillard acier plomb

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–3 –

Câble unipolaire Coupe de câbles monoconducteurs unipolaires âme

isolant

gaine

Exemple de constitution d’un câble HTA Câble unipolaire non armé

1 âme conductrice classe 2, cuivre ou aluminium 2 écran semi-conducteur intérieur extrudé 3 isolant PR extrudé 4 écran semi-conducteur extérieur extrudé étanchéité : poudre, ruban, compound 5 écran métallique cuivre ou aluminium, fils posés en hélice ou à pas alterné, ruban posé en long, ruban posé en hélice, plomb extrudé 6 matelas sous armure papier ou PVC ou PE rubané, extrudé, posé en long 7 armure aluminium, feuillards rubanés, fils posé en nappe 8 protection extérieure PVC ou PE ou mélange sans halogène, gaine extrudée AREVA T&D - DAFEP

Câble unipolaire armé

1

1

2

2

3 3 4

5 4

6 5 7 8

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8

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–4 –

Installation de câbles monoconducteurs unipolaires réf. NFC 13 200 - 527.1.3 Installation en trèfle (conseillée)

Installation en nappe

Caractéristiques des canalisations électriques Courant admissible Iz Courant efficace maximum qu’un conducteur peut supporter en permanence dans des conditions de référence définie par les normes. réf. NFC 13 200 - 2 Si l’isolant est du PR, l’âme peut supporter 90°C. Si l’isolant est du PE, l’âme peut supporter 70°C. Si l’isolant est du PVC, l’âme peut supporter 70°C. La température ambiante de référence est 30°C Le courant admissible est donné pour un mode de pose spécifié et une canalisation spécifiée. (Voir tableaux page 12).

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–5 –

Impédance Une canalisation électrique est composée de conducteurs ayant une résistance R, une inductance L et une capacité C.. R

L

R

L

C

C R

L C

Dans les calculs de courants de court-circuit triphasés, seules les valeurs de la résistance et de l’inductance sont considérées. Ces valeurs sont données par les câbliers. Des valeurs indicatives sont données par la norme

réf. : NFC13-200

En l’absence de données plus précises, les valeurs pratiques suivantes peuvent être utilisées : ρ. résistance : R = S réactance inductive : X = L x

x ω

impédance : Z = R + j X Pour les câbles ρ ≈ 20 Ω.mm2/km pour du cuivre à 50°C, ρ ≈ 32 Ω.mm2/km pour de l’aluminium à 50°C, X ≈ 0,1 Ω/km à 50Hz. Pour les lignes aériennes ρ ≈ 36 Ω.mm2/km pour de l’almélec à 50°C, X ≈ 0,4 Ω/km à 50Hz (15 kV ≤ Un ≤ 225 kV). R (Ω)

:

résistance d’un conducteur de phase,

ρ (Ω.mm2/km) : (km)

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:

résistivité du matériau constituant l’âme des conducteurs,

longueur de la canalisation,

S (mm2) :

section de l’âme des conducteurs,

X (Ω)

:

réactance inductive d’un conducteur de phase,

L (H/km) :

inductance linéique d’un conducteur de phase,

ω (rad/s) :

pulsation = 2 . π . f ≈ 314 rad/s à 50 Hz

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–6 –

Critères de dimensionnement des canalisations électriques Régime permanent • La température de l’âme θp ne doit pas excéder la limite admissible par l’isolant : - PE et PVC : 70°C - PR : 90°C • La chute de tension ∆Up doit être compatible avec le bon fonctionnement

des consommateurs :

∆Up < 5 % Un

Régime transitoire • La température de l’âme θT ne doit pas excéder la limite admissible par l’isolant pour une durée inférieure à ≈ 5 s : - PE et PVC : 160°C - PR : 250°C • La chute de tension ∆UT, à la mise sous tension d’un appareil d’utilisation doit être compatible avec le bon fonctionnement de celui-ci (moteurs en particulier) : 10 % < ∆UT < 20 % Un.

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–7 –

Dimensionnement des canalisations électriques pour les régimes permanents Protection contre les surcharges Courant d’emploi IB Courant destiné à être transporté dans un circuit en service normal. Ce courant est issu d’une étude des charges. C’est un courant qui pourrait être mesuré par une pince ampèremétrique.

Courant corrigé IC C’est un courant basé sur le courant d’emploi mais qui est corrigé en fonction des contraintes d’environnement : -

la température ambiante,

-

la pose jointive d’autres canalisations chargées,

-

le choix du dispositif de protection.

(voir tableaux page 12).

Échelle des courants 1*

IC

IZ I

IN (fusibles) Ir (disjoncteurs) IBmax

IB :

courant d’emploi = courant absorbé par le récepteur

IN :

courant assigné = calibre du fusible

Ir :

courant de réglage du relais commandant le disjoncteur

Inf :

:

courant de non fusion du fusible I B max Ir I nf ou ou courant corrigé = f f f facteur de correction = f1 x f2 x f3 x f4

IZ :

courant admissible de la canalisation

Ic : f

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Inf (fusibles)

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(voir tableaux page 12).

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–8 –

Utilisation des tableaux page 12 - Déterminer IB, IN, Inf, Ir - Déterminer f1, facteur de température - Déterminer f2, facteur de pose jointive à côté de câbles totalement chargés - Déterminer f3, facteur de mode de pose - Déterminer le courant corrigé IC - Déterminer la colonne à utiliser en fonction des conditions de pose et du type de canalisation - Déterminer IZ ≥ IC et la section correspondante.

Chute de tension C’est la tension minimale admise par un récepteur qui va imposer la chute de tension dans les câbles qui l’alimentent. Elle s’exprime en pourcentage de la tension nominale du réseau, de manière à permettre l’addition arithmétique de chutes de tension des différents éléments consituant le réseau. En pratique, la chute de tension est limitée comme suit : -

transformateur et moteur en régime permanent : ∆U < 5 % Un

-

moteur en régime de démarrage

: 10 % < ∆U < 20 % Un

Cette chute de tension est la chute de tension totale qui existe entre la source et le circuit terminal. La chute de tension d’un câble tripolaire est la suivante : R θ cos ϕ + X sin ϕ x ∆V % = Un V

3 x IB x d

Dans cette dernière formule : ∆V % U n : chute de tension exprimée en pourcentage de la tension V nominale Un Rθ (Ω/km)

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:

résistance linéique à la température θ

Lω (Ω/km) :

inductance linéique

IB (A)

:

courant d’emploi

d (km)

:

longueur de la canalisation

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–9 –

Diagramme vectoriel de la chute de tension

∆V V Ica

n

Vmot

Lω

ϕ

R I cos ϕ ϕ RI can

ϕ

Lω I sin ϕ

I

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– 10 –

Dimensionnement des canalisations électriques pour les régimes transitoires Comportement des canalisations électriques soumises aux régimes transitoires Exemples de régimes transitoires : -

les courts-circuits francs ou impédants,

-

les démarrages de moteurs,

-

certaines surcharges importantes.

Contrainte thermique dans les conducteurs Nous prendrons le cas du court-circuit qui pourra être étendu aux autres causes. Lors d’un court-circuit, l’énergie produite par effet joule est transformée en chaleur. 2

R x I cc x t = m x C x ∆θ énergie

chaleur

Icc (A) :

ρ. S valeur efficace du courant équivalent de court-circuit

t (s)

temps d’élimination du défaut

R (Ω) : :

m (kg):

résistance du conducteur =

masse de l’âme

C (J / °C.kg) :

chaleur massique du matériau constituant l’âme

∆θ (°C ou K) :

élévation de température de l’âme

Cette transformation est réalisée de manière adiabatique, c’est-à-dire que l’on considère que la durée du court-circuit est suffisamment faible (t < 5s) pour qu’il n’y ait aucun échange de chaleur entre l’âme du conducteur et le milieu ambiant.

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– 11 –

D’autre part, la résistance varie en fonction de la température. La résolution simplifiée de l’équation ci-avant est la suivante et donne la valeur de la section minimum résistant à la contrainte thermique provoquée par un court-circuit : réf. NFC 13 200 - 542.1 C13 205 E1

S ≥

I cc

t

K3

S (mm2) :

section minimum de l’âme résistant au court-circuit

Icc (A)

:

valeur efficace du courant équivalent de court-circuit

t (s)

:

temps d’élimination du défaut

K3

:

facteur dépendant de la nature du matériau conducteur, de la nature de l’isolant et de la température initiale de l’âme : Cuivre - PR

: K3 =

143

→

θi = 90°C

K3 =

176

→

θi = 30°C

: K3 =

115

→

θi = 70°C

K3 =

143

→

θi = 30°C

: K3 =

109

→

θi = 70°C

K3 =

138

→

θi = 30°C

Aluminium - PR : K3 =

94

→

θi = 90°C

K3 =

116

→

θi = 30°C

Aluminium - PVC : K3 =

76

→

θi = 70°C

K3 =

95

→

θi = 30°C

Aluminium - PE : K3 =

72

→

θi = 70°C

K3 =

91

→

θi = 30°C

Cuivre - PVC

Cuivre - PE

θi (°C)

:

température initiale de l’âme juste avant le court-circuit

Chutes de tension au démarrage de moteurs La chute de tension au démarrage des moteurs est calculée avec la même méthode que celle employée pour le calcul de la chute de tension en régime permanent. Toutefois, dans ce cas, il faut tenir compte de l’impédance du transformateur et de celle du réseau. Elles deviennent parfois prépondérantes en regard de l’impédance des câbles. AREVA T&D - DAFEP

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– 12 –

Tableaux de choix des câbles réf. NFC 13 200

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Tableau ICU avec âme cuivre

page 13

Tableau IAL avec âme aluminium

page 14

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B conduits en montage encastré

f3 = 0,9

A conduits en montage apparent

f3 = 0,9

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0 5 10 15 20 25 30 35 40

1,18 1,14 1,10 1,05 1,00 0,95 0,89 0,84 0,77

1,13 1,10 1,07 1,04 1,00 0,96 0,93 0,89 0,85

0,85 0,75 0,70 0,65 0,60

0,90 0,85 0,80 0,80 0,80

Iz ≥

f

I nf ou I r

Règle de protection

0,90 0,80 0,75 0,70 0,70

0,5m

f2

Iz (A) : courant admissible Inf (A) : courant de non fonctionnement d’un fusible Ir (A) : courant de réglage ou courant limite de non fonctionnement d’u disjoncteur f : facteur de correction = f1 * f2 * f3

0,80 0,70 0,60 0,55 0,55

f1

Temp Nature de l’isolant du sol (°C) PVC PR

Fact. temp. sol

0,75 0,65 0,60 0,55 0,50

Nbre de Distance entre les câbles circuits nulle 1 Ø 0,125m 0,25m

2 3 4 5 6

f3 = 0,8

L1 conduits dans caniveaux ouverts ou ventilés

f3

1,22 1,17 1,12 1,06 1,00

10 15 20 25 30

1,15 1,12 1,08 1,04 1,00

PR 35 40 45 50 55

Temp 0,94 0,87 0,79 0,71 0,61

PVC 0,96 0,91 0,87 0,82 0,76

PR

f1

G

0,8

3

0,75

4

0,7

6

Nombre de circuits

1 71 90 120 145 175 215 260 300 340 385 450 520

section (mm2)

10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630

2 enterré régime discontinu

1 enterré régime permanent

TRI 3 PVC non enterré U ≤12 régime permanent RA

80 100 130 160 185 230 275 310 345 390 450 500

2

TRI PVC U ≤12 RA

71 95 125 150 180 230 280 320 370 425 500 580 670 760 870

3

UNI PVC U ≤ 12

80 105 135 160 190 235 285 320 360 410 475 540 610 680 780

4

UNI PVC U ≤12

78 100 130 165 205 255 310 360 410 460 550

5

TRI PR U ≤7,2 NR

87 115 145 175 205 255 305 345 385 435 500 560

6

TRI PVC U ≤12 RA

85 110 140 170 215 260 315 360 405 450 525

7

TRI PR U ≤7,2 NR

89 115 150 180 215 285 320 385 410 470 540 610 700 780 880

8

UNI PVC U ≤ 12

125 160 190 225 270 330 370 415 465 540

10

TRI PR U ≤36 RA

125 165 195 230 280 335 385 430 490 560 640 720 810 910

11

TRI PR U >7,2 U ≤36

92 120 155 190 225 280 340 385 445 510 590 680

12

125 160 195 230 280 345 395 450 510 600

13

TRI TRI-PR PR U >7,2 U ≤12 U ≤36 RA RA

0,7

94 120 155 190 240 295 355 405 455 505 590

14

TRI PR U ≤7,2 NR

93 120 160 200 235 295 360 420 475 550 650 740 860 990 1140

15

UNI PR U ≤ 12

140 175 210 250 305 370 420 465 525 810

16

TRI PR U ≤36 RA

18 130 140 170 185 200 220 245 260 305 320 375 385 425 440 485 495 550 560 660 850 750 730 870 830 1000 940 1150 1060

17

UNI PR U >7,2 U ≤36

UNI PR U >7,2 U ≤36

0,90 0,80 0,80 0,75 0,75

sur tablettes horizontales perforées treillis corbeaux échelles

2

sur tablettes horizontales 0,85 non perforées

Disposition

F

Mode

f2 ≥9

G pose sur corbeaux ou sur échelles à câbles

Facteurs de correction pose jointive

F pose sur chemins de câbles ou tablettes

Âme cuivre - Tableau des courants admissibles - Iz en Ampères (RA = radial, NR= non radial)

PVC

Temp

f3 = 0,8

L4 pose directe dans caniveaux fermés

Facteur de correction temp.

f3 = 0,9

L3 pose directe dans caniveaux ouverts ou ventilés

Ensemble de Câbles trois câbles Nature du terrain tripolaires unipolaires 1,25 1,20 1,14 1,10 argile 1,06 1,05 et 1,00 1,00 calcaire sable 0,93 0,95 cendres 0,85 0,88 et 0,75 0,79 mâchefer 0,68 0,72 0,62 0,68

Facteurs de correction pose jointive

Résistivité du sol Humidité k.m/W 0,5 terrain très humide 0,7 terrain humide 0,85 terrain dit normal 1 terrain sec 1,2 1,5 terrain très sec 2 2,5 3

Facteur de correction résistivité du sol

S1 enterré directement (câbles armés)

-

13 -

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f3 = 0,9

THE3/A2112/CH5/CANELEC/3.0/F

0 5 10 15 20 25 30 35 40

1,18 1,14 1,10 1,05 1,00 0,95 0,89 0,84 0,77

1,13 1,10 1,07 1,04 1,00 0,96 0,93 0,89 0,85

0,85 0,75 0,70 0,65 0,60

0,90 0,85 0,80 0,80 0,80

Iz ≥

f

I nf ou I r

Règle de protection

0,90 0,80 0,75 0,70 0,70

0,5m

f2

Iz (A) : courant admissible Inf (A) : courant de non fonctionnement d’un fusible Ir (A) : courant de réglage ou courant limite de non fonctionnement d’u disjoncteur f : facteur de correction = f1 * f2 * f3

0,80 0,70 0,60 0,55 0,55

f1

Temp Nature de l’isolant du sol (°C) PVC PR

Fact. temp. sol

0,75 0,65 0,60 0,55 0,50

Nbre de Distance entre les câbles circuits nulle 1 Ø 0,125m 0,25m

2 3 4 5 6

f3 = 0,8

L1 conduits dans caniveaux ouverts ou ventilés

f3

1 115 135 165 205 235 265 300 355 405

section (mm2)

35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630

2 enterré régime discontinu

1 enterré régime permanent

TRI 3 PVC12 non enterré régime permanent 52C31

1,22 1,17 1,12 1,06 1,00

10 15 20 25 30

1,15 1,12 1,08 1,04 1,00

PR 35 40 45 50 55

Temp 0,94 0,87 0,79 0,71 0,61

PVC 0,96 0,91 0,87 0,82 0,76

PR

f1

G

120 145 180 210 240 270 305 350 395

2

TRI PVC12 52C31

115 140 175 216 250 285 330 390 455 530 610 710

3

UNI PVC12 52C21

125 150 180 220 250 280 320 370 420 480 540 620

4

UNI PVC12 52C21

135 160 195 235 270 300 340 390 440

5

140 170 205 250 285 320 365 425 485 550 630 720

6

TRI UNI PVC12 PVC12 52C31 52C21

145 175 210 255 290 320 360 420

7

150 175 215 255 290 325 365 425

8

150 180 220 260 300 335 380 440 500 570 640 740

10

UNI TRI TRI PR12/36 PR36 PR12 52C25 52C35 52C33 52C35

145 175 215 260 300 345 395 465 530

11

150 175 220 265 305 345 395 470

12

150 185 230 280 325 370 425 510 580 680 790 920

13

TRI TRI UNI PR12 PR36 PR12 52C33 52C35 52C23

0,8

3

0,75

0,7

4-5 6 à 8

Nombre de circuits

0,7

≥9

f2

165 195 235 285 325 360 410 475

14

165 195 240 285 325 370 415 480 540

15

TRI TRI PR36 PR12 52C35 52C33

160 190 235 290 330 375 430 510 590 680 790 930

16

UNI PR36 52C25

170 205 250 300 340 385 435 510 570 660 740 850

17

175 205 250 300 345 385 440 510 580 660 750 860

18

UNI UNI PR36 PR12 52C25 52C23

0,90 0,80 0,80 0,75 0,75

sur tablettes horizontales perforées treillis corbeaux échelles

2

sur tablettes horizontales 0,85 non perforées

Disposition

F

Mode

f3 = 1

G pose sur corbeaux ou sur échelles à câbles

Facteurs de correction pose jointive

f3 = 1

F pose sur chemins de câbles ou tablettes

Âme aluminium - Tableau des courants admissibles - Iz en Ampères

PVC

Temp

f3 = 0,8

L4 pose directe dans caniveaux fermés

Facteur de correction temp.

f3 = 0,9

L3 pose directe dans caniveaux ouverts ou ventilés

Ensemble de Câbles trois câbles Nature du terrain tripolaires unipolaires 1,25 1,20 1,14 1,10 argile 1,06 1,05 et 1,00 1,00 calcaire sable 0,93 0,95 cendres 0,85 0,88 et 0,75 0,79 mâchefer 0,68 0,72 0,62 0,68

Facteurs de correction pose jointive

Résistivité du sol Humidité k.m/W 0,5 terrain très humide 0,7 terrain humide 0,85 terrain dit normal 1 terrain sec 1,2 1,5 terrain très sec 2 2,5 3

f3 = 0,9

A B conduits en conduits en montage apparent montage encastré

Facteur de correction résistivité du sol

S1 enterré directement (câbles armés)

-

14 -

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–1 –

Calculs des courants de court-circuit

Introduction aux calculs des courants de court-circuit Calcul du courant de court-circuit triphasé au point de livraison Calcul du courant de court-circuit triphasé aux bornes d’un transformateur Calcul du courant de court-circuit en un point d’un réseau Régime transitoire d’établissement d’un courant de court-circuit Alternateur Aide mémoire pour l’estimation des courants de court-circuit

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–2–

Introduction aux calculs des courants de court-circuit Nécessité de calculer les courants de court-circuit En tout point d’un réseau, il est nécessaire de connaître la valeur du courant de court-circuit maximum et minimum. Ces deux valeurs dépendent de la configuration du réseau à l’instant du défaut. La valeur du courant de court-circuit maximum permet : •

de choisir l’appareillage convenable (fusibles, disjoncteurs, interrupteurs, sectionneurs) : pouvoir de coupure, de fermeture, courant de courte durée admissible,

•

de choisir les équipements convenables (cellules, tableaux, câbles) : tenue aux contraintes thermiques et électrodynamiques.

La valeur du courant de court-circuit minimum permet : •

de choisir le réglage convenable des protections : leur fonctionnement doit être assuré en cas de court-circuit dans les conditions les plus défavorables.

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–3–

Court-circuit en courant continu Le schéma équivalent d’un circuit alimenté par une batterie d’accumulateurs est le suivant Schéma équivalent d’un circuit alimenté par une batterie

Ri I U

E

I

Rc

La tension U aux bornes de la batterie est exprimée comme suit U = E – Ri . I E (V) :

force électromotrice de la batterie

Ri (Ω) :

résistance interne de la batterie

Rc (Ω) :

résistance de charge

La courbe de la tension exprimée en fonction du courant est la suivante pour une tension de 12 V et une résistance interne de 10 mΩ. Caractéristique U = f ( I ) d’un circuit alimenté par une batterie

U (V)

12 10 8 6 4 2

I (A) 200

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400

600

800

1000

1200

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–4–

Si le démarreur d’une automobile demande 300 A sur cette batterie, sa tension passe de 12 à 9 V. Le courant de court-circuit de cette batterie est 1200 A (U = 0, Rc = 0). Ce courant n’est limité que par la résistance interne Ri de la batterie.

Court-circuit dans un circuit monophasé Le courant de court-circuit franc résulte de l’action de la force électromotrice de l’alimentation sur la somme des impédances directes interposées entre l’alimentation et le défaut.

R1 E

X1

R2

résistance

Impédance du circuit :

X2 réactance

Z=

R1 + R2 + … + Rn

Z=

ΣR

Icc =

E = Z

2

+ ΣX

2

+ X1 + X2 + … + Xn

2

2

E ΣR

2

+ ΣX

2

Court-circuit triphasé symétrique en régime établi Le courant de court-circuit triphasé symétrique en régime établi est celui qui existerait dans un réseau triphasé si les trois phases étaient réunies entre elles pendant un temps suffisamment long (entre 20 et 100 ms) pour que sa valeur soit stabilisée. Il permet de dimensionner le matériel en fonction des contraintes thermiques dues au court-circuit, de déterminer le pouvoir de coupure de l’appareillage et régler les protections.

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–5–

Le courant de court-circuit franc triphasé résulte de l’action de la force électromotrice de l’alimentation sur la somme des impédances directes par phase interposées entre l’alimentation et le défaut. Schéma équivalent d’un circuit triphasé en court-circuit V

V Icc R1

A

X1

R2

X2

U Icc B

N

Icc

C

Dans un système triphasé équilibré, les trois forces électromotrices VA, VB, VC sont égales à V et déphasées de 120°. Les impédances par phase sont égales.

Z=

R1 + R2 + … + Rn

Z=

ΣR

2

+ ΣX

2

+ X1 + X2 + … + Xn

2

2

Le court-circuit étant triphasé, le potentiel du défaut se retrouve à celui du point neutre et l’on se ramène à un circuit monophasé. Nous pouvons écrire : V V Icc = = 2 Z ΣR + ΣX

2

U

Icc =

2

3.

ΣR

2

+ ΣX

Pour calculer le courant de court-circuit, il faut donc connaître la force électromotrice appliquée au circuit et les impédances qui sont traversées par ce courant de court-circuit.

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–6–

Calcul du courant de court-circuit triphasé au point de livraison Caractéristiques d’un réseau Un réseau est défini par les grandeurs suivantes.

La tension nominale Un (V), notée U dans ce Chapitre, C’est la valeur efficace de la tension par laquelle un réseau est désigné réf. : NFC 13-200-2, CEI 38-1 En courant alternatif triphasé, cette valeur est celle de la tension composée. La tension réelle peut différer de la tension nominale dans les limites des tolérances admissibles. Ces tolérances sont les suivantes : U < 63 kV

➟ ±

U < 63 kV

➟ ± 10 %

U = 63 kV

➟ ±

8%

réf. : NFC13-200/313-1

U > 63 kV

➟ ± 10 %

réf. : NFC13-200/313-1

7%

réf. : NFC13-200/313-1 réf. : CEI 38 .

La fréquence nominale f n (Hz) La puissance de court-circuit Scc (VA) C’est la puissance apparente qui serait mise en jeu si un court-circuit survenait en un point du réseau amont. Elle s’exprime par la relation : Scc = U . Icc . 3 où Scc(VA) :

puissance de court-circuit en un point du réseau,

U (V)

:

tension nominale du réseau,

Icc (A)

:

courant de court-circuit triphasé en un point du réseau

On en déduit : Icc =

Scc . U. 3

Ce courant de court-circuit permettra de dimensionner correctement le matériel à mettre en œuvre en ce point du réseau.

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–7–

En cas de besoin, le distributeur donne les puissances de court-circuit maximum et minimum en un point désigné du réseau. Cette puissance dépend de la configuration du réseau distributeur, du nombre et caractéristiques des générateurs débitant sur le réseau, des transformateurs et des lignes. Pour information le tableau suivant donne des estimations des puissances de court-circuit des réseaux du distributeur. Ordre de grandeur des puissances de court-circuit des réseaux de distribution réf. : Guide ingénierie électrique 1-16, 10-34 Tension nominale du réseau U (kV)

Scc min (MVA)

1200

Scc max (MVA) 25 000 40 000 12 000

200

2 000

20

300

400 225 63 90 15 20

Icct max de tenue des matériels (kA) 40 63 31,5 20 12,5

Calcul du courant de court-circuit triphasé au point de livraison Un réseau en court-circuit peut être représenté par le croquis suivant. V A V

U B

R

X = Lω

Icc

R

ZR X = Lω

Icc

R

ZR X = Lω

Icc

U

V C

ZR Dans le réseau de tension nominale U et de puissance de court-circuit Scc, l’impédance équivalente par phase ZR est la suivante :

ZR =

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V = Icc

U = 3 . Icc

2

U.U U = Scc 3 . Icc . U

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–8–

Exemple Quelle est l’impédance par phase d’un réseau de tension assignée 20 kV et de puissance de court-circuit 200 MVA ? 2

2

ZR =

20 000 U = 2Ω = 6 Scc 200 . 10

L’impédance équivalente de ce réseau peut être représentée par une résistance R équivalente en série avec une réactance réductive équivalente : X = L ω. En réalité la résistance est de valeur très faible devant la réactance. En effet, le rapport R/X est compris entre 0,03 et 0,3. Dans ce cas, il est sensiblement égal au facteur de puissance en court-circuit.

V

ZR.Icc ϕ

X.Icc

R.Icc Icc

V = Z R . Icc = R . Icc + X . Icc = ( R + X ) . Icc V =

2

2

R + X . Icc = Z . Icc

cos ϕ =

R = Z

cos ϕ ≈

R 2

R +X

2

R X

Exemple Quelle est la résistance équivalente d’un réseau de tension assignée 20 kV, de puissance de court-circuit 200 MVA et de rapport R/X = 0,2 ? ZR = 2 Ω

R≈

R . Z ≈ 0,2 . 2 ≈ 0,4 Ω X

Pour les calculs de courant de court-circuit au point de livraison, la résistance équivalente par phase du réseau amont est négligée.

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–9–

Ce courant de court-circuit en ce point peut s’exprimer comme suit :

Icc =

VR VR = = ZR XR

UR 3 . XR

où

UR (V):

tension composée du réseau avant l’apparition du court-circuit,

XR (Ω)

:

réactance équivalente par phase du réseau.

Si la tension du réseau et l’impédance du réseau peuvent prendre plusieurs valeurs, le courant de court-circuit devra être calculé pour chaque configuration. En particulier il est intéressant d’en connaître les valeurs maximum et minimum.

Icc max =

U max 3. X R min

Icc min =

U min 3. X R max

Exemple Quelles sont les valeurs maximum et minimum du courant de court-circuit dans le réseau suivant ? Un = 20 kV ± 10 % 90 MVA < Scc ≤ 200 MVA 2

2

Z R min =

2

Z R max =

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2

20 000 20 U = =2Ω = 6 200 Scc max 200 . 10 2

20 U = = 4,44 Ω Scc min 90

Icc max =

20 000 . 1,1 U max = = 6,35 kA ≈ 6,4 kA 3 .2 3 . Z R min

Icc min =

20 000 . 0,9 U min = = 2,34 kA ≈ 2,3 kA 3 . 4,44 3 . Z R max

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– 10 –

Calcul du courant de court-circuit triphasé aux bornes d’un transformateur Caractéristiques d’un transformateur Un transformateur est défini par les grandeurs suivantes.

Les tensions assignées UNP, UNS (V), notées UP et US dans ce Chapitre. Ce sont les tensions composées mesurées à vide

réf. : CEI 76 .1/3.4

Sa puissance assignée SN (VA), notée S dans ce Chapitre Conventionnellement elle s’exprime comme suit :

S = UP . IP . 3

réf. : CEI 76 .1/3.4

S = US . IS . 3 IP, IS (A) : courants assignés primaire et secondaire du transformateur.

IS =

S US . 3

IP =

S UP . 3

Le courant assignée est celui qui est utilisé pour dimensionner l’enroulement du transformateur. En régime permanent ce courant ne doit pas être dépassé. Il en résulte que la puissance apparente utile d’un transformateur, celle qu’il peut fournir, est pratiquement toujours inférieure à sa puissance assignée car la tension secondaire en charge à ses bornes est inférieure à sa tension à vide.

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– 11 –

Exemple Un transformateur triphasé a les tensions assignées suivantes 20 kV et 5,75 kV, et une puissance de 8 MVA. Sa chute de tension à cos ϕ = 0,8 est de 5,63 %. Quelle est la valeur du courant assigné secondaire et de sa puissance apparente utile ? 6

IS =

8 . 10 S = 803 A = US 5 750 . 3

Tension aux bornes du transformateur en pleine charge :

UC = U – ∆ U =

5 750 (1 – 0,0563) = 5 426 V

Puissance apparente utile : P = UC . IS .

3 = 5 426 . 803 . 3 = 7,55 MVA

Rappel sur l’essai en court-circuit L’essai en court-circuit d’un transformateur consiste, après avoir réalisé un court-circuit au secondaire, à alimenter au primaire avec une tension réduite telle que le courant circulant dans les phases soit égal au courant assigné. Schéma équivalent pour l’essai en court-circuit d’un transformateur triphasé RP

XP

RS

XS

RP et XP, sont les impédances par phase au primaire du transformateur, RS et XS, sont les impédances par phase au secondaire du transformateur.

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– 12 –

Nous pouvons ramener toutes les impédances d’un même côté, par exemple au secondaire. Schéma équivalent simplifié pour l’essai en court-circuit d’un transformateur triphasé transformateur parfait

RS

transformateur parfait

u

u n

Is

u

u n

Is

XS

RP n2

RTS

XTS

XP n2

ZTS

Is

RS (Ω)

:

résistance secondaire

RP (Ω)

:

résistance primaire

XS (Ω)

:

réactance secondaire

XP (Ω)

:

réactance primaire

RTS (Ω) :

résistance équivalente du trnsformateur ramenée au secondaire

ZTS (Ω)

:

n

:

UP (V)

:

réactance équivalente du transformateur ramenée au secondaire rapport de transformation = U P US tension assignée primaire

US (V)

:

tension assignée secondaire

u (V)

:

tension alimentant le montage en court-circuit

IS (A)

:

courant assigné secondaire du transformateur.

La tension alimentant le montage en court-circuit est très faible en regard de la tension assignée du transformateur. On exprime la tension de court-circuit de la manière suivante : u cc % =

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u u = UP n . US

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– 13 –

Au secondaire, l’impédance ZTS est soumise à une tension simple :

v=

u n. 3

La loi d’Ohm peut s’exprimer comme suit : u n.

3

= Z TS . I S ⇒ Z TS =

u cc % =

u n.

3 . IS

u u u = = . UP n . US n . US

u cc % = Z TS (Ω) .

3 . IS 3 . IS

.

US US

S U2S

Cette valeur u cc % est sans dimension et correspond aussi à une valeur dite «valeur réduite» de l’impédance du transformateur. Elle est donnée par le constructeur du transformateur (voir tableaux extraits du catalogue AREVA en fin de ce Chapitre). u cc % = z T % = Z TS (Ω) .

S 2

US 2

Z TS (Ω) = z T % .

US S

2

UP Z TP (Ω) = z T % . S

Exemple Quelle est la valeur de l’impédance ramenée au secondaire d’un transformateur de 8 MVA de tensions assignées 20 kV et 5,75 kV, et de tension de court-circuit : 8 %. 2

Z TS (Ω) = z T % .

2 US = 0,08 . 5 750 = 0,331 Ω 6 S 8 . 10

La puissance dissipée lors de l’essai en court-circuit, appelée «pertes dues à la charge» Pch est presque exclusivement une puissance perdue par effet Joule. En effet, les pertes fer, qui sont proportionnelles à la tension et à la fréquence, sont négligeables car la tension d’alimentation du transformateur lors de l’essai en court-circuit est très inférieure à la tension assignée.

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– 14 –

Pertes dues à la charge d’un transformateur triphasé : 2

2

Pch = 3 . R TS . I S = 3 . R TP . I P R TS =

2

Pch 2

3 . IS

=

Pch . U S 2

2

3 . IS . US

2

= Pch .

US S

2

Les pertes à la charge sont indiquées par le constructeur. Exemple Quelle est la résistance et la réactance ramenées au secondaire d’un transformateur de 8 MVA dont les pertes dues à la charge sont 69 kW ? 2

R TS = Pch .

ZT =

US S

2

=

69 000 .

5 750 8 . 10

2

6 2

= 35,6 mΩ

0,331 Ω

XT =

2

2

331 – 35,6

= 329 mΩ

La résistance est négligeable devant la réactance.

Courant de court-circuit triphasé aux bornes d’un transformateur Imaginons qu’un court-circuit survienne au secondaire avec une tension primaire non pas égale à u mais à la tension assignée UP. Le courant secondaire ne sera plus égal à IS mais à Icct, le courant de court-circuit triphasé. Schéma d’un transformateur en court-circuit VS

VS

US

Icct

ZTS

Nous pouvons considérer que l’impédance du transformateur reste constante. Le courant est alors proportionnel à la tension.

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– 15 –

Dans ce cas, nous avons : VS = Z TS

Icc t =

Icc t =

VS zT % .

2 US

=

VS . U S . I S . 3 zT % .

2 US

=

IS zT %

S

IS IS = zT % ucc %

Icct(A):

courant de court-circuit triphasé,

IS (A):

courant assigné secondaire du transformateur,

ucc % :

tension de court-circuit du transformateur,

zt %

valeur réduite de l’impédance du transformateur.

:

Cette expression ne tient pas compte de l’impédance du réseau amont, ni de l’impédance des canalisations électriques. Exemple Quel est le courant de court-circuit triphasé aux bornes secondaires d’un transformateur de 8 MVA, de tensions assignées 20 kV et 5,75 kV, et de tension de court-circuit 8%, l’impédance du réseau n’étant pas prise en compte ? 6

IS =

8 . 10 S = 803 A = 5 750 . 3 U. 3

Icc =

803 IS = 10 000 A = 0,08 zT %

d’une autre manière Icc T = VS = ZT

5 750 / 3 = 10 000 A 0,331

Si la tension du réseau n’est plus la tension assignée et si l’impédance du transformateur possède une tolérance, le courant de court-circuit peut varier dans la plage suivante :

Icc t max =

Icc t =

VS . k 1 = ZT . k2

Icc t =

k1 :

V max Z T min

Icc t min =

V min Z T max

US . k 1 3 . ZT . k2

US . k 1 3 . ZT . k2

facteur de variation de tension du réseau. Par exemple pour une tension variant de plus ou moins 10 %, les limites sont k1 = 1,1 et k1 = 0,9,

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– 16 –

k2

:

facteur de tolérance de l’impédance du transformateur. Par exemple si la tolérance est ± 10 %, les limites sont k2 = 1,1 et k2 = 0,9

Nous en déduisons : Icc t =

VS . k 1 = Z TS . k 2

Icc t =

VS . k 1 zT % .

2 US

S

= . k2

VS . U S . I S . zT % .

2 US

3 . k1 . k2

=

IS . k 1 zT % . k2

IS . k 1 zT % . k2

Exemple Quels sont les courants de court-circuit triphasés maximum et minimum d’un transformateur de 8 MVA sachant que la tension du réseau 20 kV varie de plus ou moins 10 % et que la tension de court-circuit est connue à plus ou moins 10 % ?

Icc t =

U1 . k 1 3 . Z TS . k 2

Icc t max =

Icc t min = Icc t =

IS . k 1 zT % . k2

Icc t max =

Icc t min =

Annexe pages F14, F19, F36 du catalogue AREVA «Les Chemins de l’énergie».

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– 20 –

Calcul du courant de court-circuit en un point d’un réseau Calcul du courant de court-circuit triphasé Composition d’un réseau industriel Un réseau industriel est composé : •

du réseau amont distributeur,

•

des transformateurs abaisseurs de tension,

•

des canalisations électriques : lignes, jeux de barres, câbles, pour amener l’énergie aux consommateurs

Impédance des canalisations électriques Une canalisation électrique est composée d’une résistance, d’une réactance inductive et d’une réactance capacitive. Dans les calculs de courants de court-circuit triphasés, seules les valeurs de la résistance et de la réactance inductive sont considérées. R

X

Les valeurs sont données par les câbliers. Des valeurs indicatives sont données par la norme

réf. : NFC13-200

En l’absence de données plus précises, les valeurs pratiques suivantes peuvent être utilisées :

R =

ρ.l S

R (Ω)

X =L.ω :

résistance du câble par phase,

ρ (Ω.mm2/km) l (km)

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:

:

résistivité du matériau constituant l’âme des conducteurs,

longueur de la canalisation,

S (mm2) :

section de l’âme des conducteurs,

X (Ω)

réactance inductive de la canalisation par phase,

:

L (H/km) :

inductance de la canalisation,

ω (rad/s) :

pulsation = 2 . π . f ≈ 314 rad/s Toute reproduction sans autorisation de AREVA T&D est strictement interdite

– 21 –

Pour les câbles ρ ≈ 20 Ω.mm2/km pour du cuivre à 50°C, ρ ≈ 32 Ω.mm2/km pour de l’aluminium à 50°C, X ≈ 0,1 Ω/km à 50Hz.

Pour les lignes ρ ≈ 36 Ω.mm2/km pour de l’almélec à 50°C, X ≈ 0,4 Ω/km à 50Hz (225 kV < Un ≤ 20 kV), X ≈ 0,33 Ω/km à 50Hz (Un = 400 kV).

Courant de court-circuit triphasé en un point du réseau Le courant de court-circuit en un point d’un réseau est exprimé par la formule du paragraphe « Introduction aux calculs de courants de court-circuit». UR

Icc t =

2

3.

ΣR

2

+ ΣX

Icct (A):

valeur efficace de courant de court-circuit triphasé,

UR (V):

tension du réseau avant l’apparition du défaut,

∑R (Ω):

somme des résistances des éléments du réseau ramenées dans une tension commune,

∑X (Ω):

somme des réactances des éléments du réseau ramenées dans une tension commune.

Les impédances prises en compte sont toutes ramenées dans le réseau considéré alimenté par sa tension nominale, même si celles-ci sont situées en dehors de ce réseau. Si la tension du réseau UR varie et si les impédances peuvent prendre plusieurs valeurs, les valeurs maximum et minimum du courant de court-circuit sont les suivantes :

U R min

Icc t min = 3.

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2

U R max

Icc t max =

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2

Σ R max + Σ X max 2

Σ R min + Σ X min

2

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– 22 –

Exemple Quelles sont les valeurs maximum et minimum du courant de court-circuit aux points A

et B

dans l’installation suivante.

Caractéristiques

Schéma équivalent Réseau amont Un =

20 kV ± 10 %

Scc min

= 90 MVA

fem = US = 5,75 kV

Scc max = 200 MVA

XR

Transformateur SN =

8 MVA

RT

UP / US

= 20 kV/5,75 kV

ucc

8 % ± 10 %

=

XT

A

A

Réseau 5,5 kV câble l

=

RC

2 km

S = 3 . 50 mm2 - alu XC

B

XR -

B

Réactance du réseau ramenée dans le réseau 5,5 kV 2

X R min =

US = Scc max

X R min = X min (20 kV) .

1 n

2

=

2

X R max =

US = Scc min

X R max = X max (20 kV) . AREVA T&D - DAFEP

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1 n

2

=

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– 23 –

ZT -

Impédance du transformateur ≈ XT (car RT

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Dec 0,1 s

Dec 0,1 s

&

IBP inst I>

Dec 0,1 s

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–7–

Second exemple

Sel Ph 0,5 s

IBP inst I>

Dec 0,1 s

&

Sel Ph 0,3 s

IBP inst I>

Dec 0,1 s

IBP inst I>

IBP inst I>

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Dec 0,1 s

&

Dec 0,1 s

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–8–

Protections d’un poste de livraison Dispositions à prendre, selon la norme NFC 13-100, concernant les protections d’un poste de livraison.

Article

Disposition

art 313-1

•

comptage en basse tension si un seul transformateur et courant assigné secondaire BT : INS ≤ 2 000 A

art 433-1

•

protection générales par disjoncteur si le courant de base HTA : IB ≥ 45 A,

•

protection générale par interrupteur et fusibles ou disjoncteur si le courant de base HTA : IB < 45 A

art 431-2

•

le courant de base (IB) est égale à la somme des courants assignés HTA (INP) de tous les appareils

art 433-3

•

protection contre les défauts polyphasés par disjoncteur HTA : 8 IB ≤ Ir < 0,8 IccBmin t ≤ 0,2 s

art 433-2

•

protection contre les défauts polyphasés par fusibles (voir tableau 43A)

art 434

•

protection contre les défauts monophasés à la terre : - protection obligatoire si la somme des longueurs de circuits HTA est supérieure à 100 m, - protection obbligatoire si la protection HTA générale est équipée de relais indirects - si la mesure est réalisée par un tore homopolaire 1,2 Idc ≤ Ir < Ir dep t ≤ 0,2 s Idc

: courant de défaut capacitif de l’installation

Ir

: courant de réglage du relais de protection

HTA du client contre les défauts monophasés à la terre Ir dep : courant de réglage du relais du départ correspondant du poste source (en amont) - si la mesure est réalisée par la sommation du courant de trois TC phase : 0,12 INTC ≤ Ir < Ir dep t ≤ 0,2 s INTC

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: courant assigné primaire des TC

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–9–

Choix et réglages des relais de protection Les principaux relais à prévoir, et leur réglage, pour la protection et la surveillance des éléments d’un réseau industriel sont donnés dans les tableaux suivants respectivement pour : •

les réseaux,

•

les moteurs,

•

les transformateurs,

•

les alternateurs.

Relais pour la protection des réseaux industriels Réseaux en antenne Type de Type de Relais défaut

neutre

défaut

tous les

entre

types de de courant

phases

neutre

relais maximum

Réseaux bouclés Réglage

Relais

Réglage

seuil 2 à 16In

relais à maximum

seuil 2 à 16In

temps 0,1 à 2s

de courant

temps 0,1 à 2s

à temps indépendant

à temps indépendant et élément directionnel

relais à maximum

seuil 1,5 à 6In

relais à maximum

seuil 1,5 à 6In

de courant

temps suivant

de courant

temps suivant

à temps dépendant

caractéristiques

à temps dépendant et caractéristiques

du réseau

et élément directionnel du réseau

défaut

neutre

relais à maximum

seuil 0,1 à 0,5In

relais à maximum

seuil 0,1 à In

entre

mis à la

de courant

temps 0,3 à 3s

de courant

temps 0,3 à 3s

phase

terre

et élément directionnel directionnalité

et terre

135° ± 90° neutre

relais à maximum

seuil < au courant

isolé

de courant sensible

capacitif du réseau de courant résiduel

et élément directionnel

relais différentiel temps 0,3 à 3s

seuil > au courant capacitif de la ligne surveillée

directionnalité 135° ± 90°

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– 10 –

Relais pour la protection et la surveillance des transformateurs Défaut

Type de relais

Réglage

surcharge

relais à maximum de courant

seuil 1,2 In

échauffement

à temps indépendant

temps 20s

relais à maximum de courant à temps dépendant

surtension

relais à image thermique

suivant constante de temps

relais à maximum de température

des enroulements

relais à maximum de tension

seuil 1,2Un

à temps indépendant ou

temps 3s

à temps dépendant défaut d’isolement

relais à maximum de courant résiduel5 à 20% de In

entre enroulement

relais différentiel homopolaire

et masse

masse cuve relais Buccholz

défaut entre phases

relais à maximum de courant

seuil ≥ 5In

relais différentiel

pourcentage 30 à 40%

temps 0,2s relais Buccholz surtension de

protection par parafoudre ou

manœuvre ou

éclateur

atmosphérique

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–1 –

L’appareillage électrique

Définition et rôle de l’appareillage Différents appareillages Exemple de caractéristiques de cellules HTA Annexes Exemple de calculs

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–2–

Définition et rôle de l'appareillage Le mot «appareillage» désigne l’ensemble des appareils de connexion destinés à fermer et à ouvrir un ou plusieurs circuits électriques. Exemples : sectionneurs, interrupteurs, contacteurs, fusibles, disjoncteurs. L’appareillage assure deux types de fonctions : •

des fonctions actives relatives au rôle de l'appareil dans le réseau et que l'on retrouve dans les circuits auxiliaires de commande,

•

des fonctions passives, communes à tout l'appareillage. Elles matérialisent l'aptitude de ce dernier à supporter les contraintes imposées par le fonctionnement normal ou perturbé du réseau sur lequel il est installé.

Fonctions actives Elles sont au nombre de quatre et sont regroupées dans le tableau ci-dessous, en fonction du type d'appareillage. Appareil de base

Fonctions actives de l'appareillage séparation commande élimination de défaut

fusibles

•

contacteurs sectionneurs

surveillance •

• •

interrupteurs

•

disjoncteurs

•

•

Fonction séparation ou isolement C'est une fonction de sécurité qui a pour but de séparer du réseau une partie d’installation afin de pouvoir y travailler sans risque.

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–3–

Fonction commande C'est une opération volontaire, automatique ou manuelle, qui consiste à fermer et à ouvrir un circuit dans ses conditions normales de fonctionnement.

Fonction élimination du défaut, protection Cette fonction consiste à séparer de sa (ou ses) source(s), une portion de circuit en situation anormale dont les conséquences peuvent être dangereuses pour les personnes et les biens. Cette fonction est parfois improprement appelée «protection». C’est le système de protection qui, agissant sur l’appareillage, permet à celui-ci d’ouvrir le circuit en défaut.

Fonction surveillance Cette fonction consiste à surveiller des paramètres d'exploitation (tension, courant, température…) et provoque une alarme ou une ouverture du circuit.

Association des fonctions Certaines de ces fonctions peuvent être regroupées pour former des appareils composés et utilisés comme un tout : •

par association de deux fonctions sur un même appareil telles que séparation et commande (interrupteur-sectionneur),

•

par association de deux ou trois appareils de base pour obtenir des «combinés», comme par exemple l'association avec des fusibles d'un interrupteur ou d'un contacteur pour réaliser les fonctions commande et élimination de défaut,

•

par association avec d'autres éléments, comme le démarreur ou discontacteur qui réunit un contacteur et un relais réalisant les fonctions commande, élimination de défaut et surveillance.

Il est nécessaire, dans le cas d'association, que les caractéristiques des éléments composants soient coordonnées afin que le fonctionnement d'un élément ne perturbe pas l'accomplissement des fonctions demandées aux autres.

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–4–

Pouvoir de coupure - Pc Les fonctions de commande et élimination de défaut exigent que l’appareillage soit capable de couper un courant ; sans provoquer de dommage et sans altérer ses performances. Il est définit à cet effet le pouvoir de coupure qui est la valeur efficace du courant qu’un appareillage est capable d’interrompre dans des conditions spécifiées.

Pouvoir de fermeture - Pf Le pouvoir de fermeture d’un appareillage est la valeur crête du courant qu’il est capable d’établir dans des conditions spécifiées. Le pouvoir de fermeture caractérise l’aptitude d’un appareillage à établir un courant sans que les contraintes électrodynamiques engendrées ne provoquent de dommage.

Fonctions passives Les appareils de connexion installés sur le réseau subissent au cours du temps des contraintes indépendantes de leur fonction active. Elles peuvent être permanentes ou transitoires et ont leur origine dans le fonctionnement du réseau en marche normale ou en régime perturbé. Ces contraintes ont des valeurs inférieures ou égales à des valeurs maximales, fonctions des paramètres du réseau. L'aptitude de l'appareil à les supporter est : •

matérialisée par des grandeurs dimensionnantes (de tension et de courant) coordonnées entre elles et fixées par les normes,

•

sanctionnée par des essais de types.

Grandeurs dimensionnantes de tension Tension assignée maximale en régime permanent (UN) (anciennement tension nominale d'isolement) •

La tension assignée est la valeur efficace la plus élevée de la tension entre phases que peut supporter l’appareillage en permanence sans provoquer de dommage et sous laquelle il conserve ses performances.

• AREVA T&D - DAFEP

Elle est supérieure à la tension la plus élevée du réseau.

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Tension de tenue assignée à fréquence industrielle Elle est sanctionnée par un essai de durée de une minute à une valeur supérieure à la précédente. Cette grandeur est représentative de la qualité des isolants et de leur mise en oeuvre. Tension de tenue assignée aux ondes de chocs (anciennement BIL : Basic Insulation Level) Cette épreuve définit le comportement du matériel aux surtensions transitoires d'origine externe (coup de foudre) ou issues du réseau (manoeuvres).

Exemples de niveaux d’isolement assignés Tension assignée - UN kV efficaces HTA

HTB

3,6 7,2 12 17,5 24 36 52 72,5 100 123 145 170 245 362 420 550 800

Tension de tenue assignée aux chocs de foudre - Ucf

CEI 60694-4.2

Tension de tenue assignée à fréquence industrielle durant 1 min - Ufi kV efficaces

kV crête 40 60 75 95 125 170 250 325 450 550 650 750 1 050 1 425 1 575 1 760 2 420

10 20 28 38 50 70 95 140 185 230 275 325 460 520 610 800 1 150

Courbe du choc de foudre plein 1,2/50 µs - Ucf = f (t) Ucf 100 %

50 %

t (µs) 1,2 AREVA T&D - DAFEP

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Grandeurs dimensionnantes de courant Courant assigné en service continu (IN) (anciennement courant nominal thermique ou courant nominal) C'est la valeur efficace du courant que l'appareil peut supporter en permanence sans que son échauffement ne dépasse des valeurs compatibles avec les matériaux qui le composent. C'est l'expression de son aptitude à transmettre l'énergie. Courant de courte durée admissible assigné (It) Valeur efficace du courant qu’un appareil mécanique de connexion peut supporter en position de fermeture pendant une courte durée spécifiée (1 s ou 3 s). Ce courant exprime l'aptitude de l'appareil à supporter sans dommage les courants de défaut du réseau. C'est en fait la vérification que les échauffements subis par le matériel pendant un court-circuit n'altèrent pas son bon fonctionnement. Valeur de crête du courant admissible assigné Valeur de crête du courant dans la première grande alternance du courant de courte durée admissible. La valeur normale de crête du courant admissible assigné est égale à 2,5 fois la valeur du courant de courte durée admissible. Cette grandeur exprime la capacité de l'appareillage à supporter les efforts électrodynamiques dont la valeur maximale apparaît 10 ms environ après l’apparition d’un court-circuit.

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Différents appareillages Sectionneur Organe de séparation assurant la sécurité Parmi les constituants classiques d’appareillage, seuls les sectionneurs échappent à la contrainte d’avoir à dominer un arc de coupure ou de fermeture. Ils sont en effet prévus pour ouvrir ou fermer les circuits lorsque ces derniers ne sont parcourus par aucun courant. Ce sont, avant tout des organes de sécurité chargés de séparer, par rapport au reste du réseau, un ensemble de circuits, un appareil, une machine, une section de ligne ou de câble, afin de permettre au personnel d’exploitation d’y accéder sans danger. Manoeuvre Hors charge ou charge très faible. Le temps de manoeuvre est lent que celle-ci soit manuelle, dépendante de l’opérateur ou motorisée. Caractéristiques IN :

courant assigné,

It :

courant de courte durée admissible,

Pc :

pouvoir de coupure nul ou très faible : il ne peut pas couper son courant assigné et encore moins des courants de court-circuit.

Interrupteur Organe de coupure Les interrupteurs sont des appareils destinés à établir, supporter et interrompre des courants dans des conditions normales de charge. Leurs performances sont limitées ; elles leurs permettent néanmoins d’éliminer les surcharges, mais en aucun cas les courts-circuits. AREVA T&D - DAFEP

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Certains interrupteurs sont susceptibles de remplir également, avec quelques réserves, des fonctions de sectionnement, c’est à dire d’assurer la sécurité. Manoeuvre En charge. Coupure rapide de l’arc, le temps de manoeuvre est rapide et ne dépend pas de l’opérateur. Caractéristiques IN :

courant assigné,

It :

courant de courte durée admissible,

Pc :

pouvoir de coupure proche de IN : il ne peut pas couper des courants de court-circuit.

Contacteur Organe de commande Les contacteurs jouent un rôle comparable à celui des interrupteurs mais ils sont capables d’assurer des cadences de fonctionnement élevées grâce à leur commande électrique. Ils possèdent une grande endurance électrique et mécanique et assurent généralement la commande de fours, de moteurs à haute tension ou d’équipements industriels divers devant être manoeuvrés fréquemment. Ils ne peuvent jamais être utilisés comme sectionneurs et ne restent fermés que si leur bobine de commande est constamment alimentée. Manoeuvre En charge. Coupure rapide de l’arc. La manoeuvre est réalisée par un électroaimant qui permet, à partir de puissances faibles, de commander des puissances importantes. Il est intégré dans un système d’automatisme. Caractéristiques

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IN :

courant assigné,

It :

courant de courte durée admissible,

Pc :

pouvoir de coupure de 10 à 25 IN,

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Coupe circuits à fusible Organe de protection contre les courts-circuits Les fusibles permettent d’interrompre automatiquement un circuit parcouru par une surintensité, grâce à la fusion d’un conducteur métallique calibré. Ils sont surtout efficaces pour la protection contre les courts-circuits, vis-à-vis desquels ils agissent, le plus souvent, en limiteurs de la valeur crête du courant à interrompre. Ils sont assez souvent générateurs de surtensions de coupure et exigent malheureusement d’être remplacés après chaque fonctionnement. En triphasé, ils n’éliminent que les phases parcourues par un courant de défaut, ce qui peut présenter des dangers pour le matériel. Ils présentent des risques de fonctionnement intempestif en cas de surcharge prolongée. Pour pallier cela, les fusibles sont généralement associés à des interrupteurs ou à des contacteurs avec lesquels ils constituent des combinés susceptibles d’assurer la protection contre les surcharges et les courts-circuits dans des conditions satisfaisantes. Les combinés présentent généralement l’avantage d’une coupure triphasée en cas de fusion d’un seul ou de deux fusibles. Manoeuvre Fusion d’un élément : une lame fusible. Caractéristiques IN :

courant assigné, correspond au calibre, c’est un courant de référence inscrit sur la cartouche du fusible,

Inf :

courant conventionnel de non-fusion : valeur limite spécifiée du courant qui peut être supportée par le fusible pendant un temps spécifié (de une à trois heures suivant le calibre) sans fondre,

If :

courant conventionnel de fusion : valeur limite spécifiée du courant qui provoque le fonctionnement du fusible dans un temps spécifié (de une à trois heures suivant le calibre)

Pc :

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pouvoir de coupure très élevé de 20 à 63 kA.

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– 10 –

Disjoncteur Associé à des relais c’est un organe de coupure et de protection contre les surcharges, les courts-circuits et les défauts monophasés à la terre. Les disjoncteurs sont capables d’établir, de supporter et d’interrompre des courants dans les conditions normales ou anormales de leurs circuits. Tous les types de relais et de systèmes de protection peuvent leur être associés afin d’assurer, dans les meilleures conditions, l’élimination des défauts survenant dans les circuits qu’ils contrôlent, ainsi que la remise en service automatique de ces circuits lorsque les défauts présentent un caractère fugitif ou ont été éliminés par un autre appareillage. Le disjoncteur constitue l’appareil de protection par excellence, doué à la fois d’intelligence et d’une totale capacité d’intervention. Manoeuvre En charge. Coupure rapide de l’arc. Manoeuvre automatique en cas de défaut détecté. Caractéristiques IN :

courant assigné,

Pc :

pouvoir de coupure de 10 à 100 IN,

Pf :

pouvoir de fermeture de l’ordre de 2,5 Pc (A crête).

Éclateurs et parafoudres Organe de protection contre les surtensions transitoires. Ces surtensions peuvent être soit d’origine atmosphériques, c’est à dire externes, soit consécutives à des manoeuvres ou à des phénomènes de résonance, auquel cas elles sont dénommées internes.

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– 11 –

Les plus simples de ces appareils sont les éclateurs ; chaque fois qu’ils fonctionnent, ils restent amorcés et un disjoncteur doit intervenir pour éliminer le courant de défaut qui en résulte. Les plus perfectionnés, tels que les parafoudres à oxyde de zinc, sont constamment connectés au réseau car ils sont pratiquement isolants à la tension nominale. En cas de surtension, leur résistance devient temporairement très faible, mais ils redeviennent automatiquement isolants dès que la tension retrouve sa valeur normale. Ils jouent ainsi leur rôle d’écrêteur sans entraîner d’interruption de service. Caractéristiques Um :

tension la plus élevée pour le matériel, par exemple 24 kV,

Ûrc:

tension résiduelle apparaissant aux bornes du parafoudre lors d’un choc de foudre provoquant le courant nominal de décharge, par exemple 70 kV crête,

Îde :

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courant nominal de décharge, par exemple 5 kA crête.

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– 12 –

Exemple de caractéristiques de cellules HTA Caractéristiques électriques de cellules fixes FLUOKIT Tension assignée (kV) 7,2 12 Désignation FLUOKIT M12 ou M24 (1) Cellule tension assignée de tenue : à la fréquence industrielle 50 Hz1 min (kVeff.) 20 28 au choc de foudre 1,2/50 µs (kV crête) 60 75 courant de courte durée admissible 1s (kA crête) 12,5 à 40 courant assigné permanent des jeux de barres (A) 400 - 630 - 1 250 degré de protection des enveloppes IP 2XC Interrupteurs IS, PF, PFA courant assigné permanent (A) 400 - 630 pouvoir de coupure assigné à cos ϕ = 0,7 (A) 400 - 630 courant de courte durée admissible (1) (kAeff.) 12,5 - 16 - 26,3 pouvoir de fermeture assigné sur court-circuit (kA crête) 31,5 - 40 - 66 31,5 - 40 Disjoncteurs FP courant assigné permanent (A) 400 - 630 - 1 250 pouvoir de coupure assigné (kAeff.) 12,5 à 40 pouvoir de fermeture assigné sur court-circuit (kA crête) 31,5 à 100 durée de fermeture (ms) 50 durée de coupure (ms) 70 tenue à l’arc interne (kA) (2) 12,5 pouvoir de fermeture du sectionneur de mise à la terre (kA crête) (2) cellules IS/LST 31,5 - 40 (3) cellules PF/PFA 2,5 Contacteurs GFA courant assigné (A) 400 400 pouvoir de coupure (kA) symétrique, sans fusibles, cos ϕ = 0,1 10 6 avec fusibles 250 A 50 avec fusibles 125 A 31,5 pouvoir de fermeture (kA crête) sans fusibles 25 15 avec fusibles 250 A 50 avec fusibles 125 A 30 pouvoir de coupure capacitif (A) 250 100 courant de courte durée admissible (kA/1s) 10 6 durée de fermeture (ms) 90 à 120 durée d’ouverture (ms) 45 à 175 Coupe circuit à fusibles FNw pouvoir de coupure (kA) 50 31,5 Coupe circuit à fusibles FD/FDw pouvoir de coupure (kA) 63 31,5

17,5 24 FLUOKIT M24

36 FLUOKIT M36

38 95 12,5 à 25

70 170 12,5

50 125

12,5 - 16

12,5 - 16 31,5 - 40

12,5 à 31,5 31,5 à 63

40 - 50

12,5 31,5

25

20

25 - 50

20 - 31,5

(1) FLUOKIT M12 pour performances supérieures à 25 kA (2) FLUOKIT M24 uniquement (3) pour cellules PGC : 5 kA crête AREVA T&D - DAFEP

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– 13 –

Annexes Résumé de l’aptitude de l’appareillage à la coupure des courants Courant normal de service

Surcharge

Court-circuit

Sectionneur Interrupteur Contacteur Coupe circuit à fusibles Interrupteur à fusibles Disjoncteur

Variation du courant de court-circuit en fonction du temps icc = f (t) L

e

R

C

Icc 2Icc V 2

Icc V 2

t 0

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– 14 –

Degré de protection IP∗∗∗ degré de protection des enveloppes des matériels électriques selon normes CEI 529, DIN 40 050 et NFC 20 010

1er chiffre : protection contre les corps solides

2e chiffre : protection contre les liquides

IP

IP

tests

0

pas de protection Ø 50mm

protégé contre les corps solides supérieurs à 50 mm (ex. contacts involontaire de la main)

1

Ø 12mm

2

protégé contre les corps solides x supérieurs à 12 mm (ex. doigt de la main)

Ø 2,5mm

3

Ø 1mm

4

protégé contre les corps solides supérieurs à 2,5 mm (ex. outils, fils)

protégé contre les corps solides supérieurs à 1 mm (ex. outils fins, petits fils)

protégé contre les poussières (pas de dépôt nuisible)

5

totalement protégé contre les poussières

6

0

pas de protection

1

protégé contre les chutes verticales de gouttes d’eau (condensation)

2

60

protégé contre les projections d’eau de toutes directions

5

protégé contre les jets d’eau de toutes directions à la lance

6

protégé contre les projections d’eau assimilables aux paquets de mer

8

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protégé contre l’eau en pluie jusqu’à 60° de la verticale

4

1m

IP 5 4

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°

3

protégé contre les poussières

protégé contre les projections d’eau toutes directions

protégé contre les chutes de gouttes d’eau jusqu’à 15° de la verticale

15°

7 Exemple

tests

m

...m

15cm mini

protégé contre les effets de l’immersion protégé contre les effets prolongés de l’immersion sous pression

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– 15 –

Symboles Normes CEI 60617-7, NF C13-200.

sectionneur

fusible

sectionneur de terre

fusible à percuteur

interrupteur

fusible-sectionneur

interrupteur-sectionneur

transformateur de tension

interrupteur-sectionneur

transformateur

à ouverture automatique

de courant

combiné interrupteur-

verrouillage

fusible

contacteur

comptage

disjoncteur

parafoudre

transformateur de puissance

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– 16 –

Quel est le rôle de l’appareillage ?

Séparer

Établir I normal

Couper I normal

Couper I défaut

Établir I défaut

Surveiller I

Sectionneur Interrupteur Contacteur Fusible Disjoncteur

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– 17 –

Exemple

20kV

20kV

500MVA

500MVA

20kV 1c 2 3x50 45m

TR9

TR8

1c 3x502 45m

TR1

+6% -14% 6MVA 7%

TR6

2c 3x2402 35m

2c 3x2402 35m

TR2

+6% -14% 6MVA 7%

1c 3x502 45m

TR3

+6% -14% 6MVA 7%

TR4

TR5

TR7

2c 3x2402 35m

250kW 250kW 925kW

30m

2

M

M

M

190m

2

3x95

190m

2

3x95

120m

3x952

M

3x95

35m

2

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3x95

2

M

1650kW 1650kW

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70m

2

3x240

70m

M

30m

M

3x95

M

35m

M

3x95

2

120m

3x952

190m

3x952

190m

3x95

2

3x2402

6kV

M

925kW 250kW 250kW

1650kW 1650kW

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– 18 –

554A

20kV

500MVA

383A

20kV 169A 145A

1c 2 3x50 45m

+6% -14% 6MVA 7%

TR4

TR5

TR7

4MW cos ϕ = 0,8

5MW cos ϕ = 0,9

3MW cos ϕ = 1

170A

561A

M

30m

2

3x95

196A

M

M 925kW

1650kW η = 0,9 1650kW

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M 250kW cos ϕ = 0,9 η = 0,9

190m

3x952

190m

3x952

120m

70m 35m

3x952

3x2402

6kV

3x952

196A

87A

TR3

2c 3x2402 35m

392A

161A

M 250kW

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– 19 –

Icc3ϕ

Icc2ϕ

14 434A

11 547A

Icc3ϕ/In

20kV

554A

500MVA

1

383A

26 20kV

14 013A

7 012A

11 210A

1c 2 3x50 45m

2

169A

TR3

3

2c 3x2402 35m

5 610A

83

+6% -14% 6MVA 7%

4

12,5 170A

561A

6kV

5

196A

M 1650kW

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2

7

196A

30m

5 340A

3x95

6 675A

17,4

6

5 456A 35m

6 820A

70m

392A

3x2402

5576A

3x952

6 970A

17,8

34

M 1650kW

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–1 –

L’hexafluorure de soufre, coupure d’un arc en HTA L’arc électrique Le SF6 agent de coupure L’ozone

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–2–

L’arc électrique L’éclair, colère des dieux pour nos ancêtres Aujourd’hui chacun sait qu’il est la liaison entre deux éléments chargés électriquement , à des potentiels différents. Il relie ainsi entre-eux, soit deux nuages, soit la terre et un nuage. Lors de l’ouverture ou de la fermeture d’un circuit, un phénomène similaire prend naissance, dans de nombreux appareillages électriques : •

contacteur,

•

interrupteur,

•

disjoncteur.

Ce phénomène, appelé «arc électrique», peut atteindre des températures de 15 000 °C, et si rien ne se produit, nous allons vers une dégradation rapide du matériel. Il faut donc mettre au point un système qui permettre de refroidir l’arc, évidemment pas avec des glaçons ! Donc refroidir, mais avec un corps non conducteur qu’on appelle «diélec-

trique». L’air et l’huile sont deux agents de coupure utilisés dans de nombreux appareillages, ce sont les performances de ces «diélectriques» qui déterminent l’architecture et l’encombrement des matériels.

Coupure d’un arc dans le SF6 C’est en 1900 que fut réaliser la première synthèse de L’hexafluorure de soufre SF6. Cette synthèse, par action directe du fluor gazeux sur le soufre, fut réalisée à Paris par MM. MOISSAN et LEBEAU. Doté d’une rigidité diélectrique particulièrement élevée, le SF6 a permis une évolution dans les dimensions et dans les performances des matériels.

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–3–

Le SF6 est l’un des gaz les plus lourds actuellement connus. Il est environ cinq fois plus lourd que l’air. Sa masse spécifique est 6,14 g par litre. Le SF6 est une substance inerte et dépourvue de toxicité à l’état pur. Il est incolore, inodore, ininflammable et exempt d’oxygène, il n’entretient pas la vie. La vitesse de propagation du son dans le SF6 est trois fois inférieure à celle dans l’air. Comme tous les gaz, il se liquéfie sous l’effet : •

soit de la température,

•

soit de la pression.

Dans des conditions ordinaires de température, il se liquéfie sous une pression de 20 bar. Dans des conditions ordinaires de pression, il se liquéfie à une température de – 60°C. Stocké dans des bouteilles sous une pression de 20 bar, il se présente donc en phase liquide. Le SF6 est un gaz de synthèse, qui s’obtient par la combinaison de un atome de soufre et de six atomes de fluor.

F

F

F S

F

F

F

On note que cette réaction se fait avec un grand dégagement de chaleur, de même ordre de grandeur que la combustion du charbon : S2 + 6 F2 AREVA T&D - DAFEP

HTA1/DEFIN/SF6/3.0/F

⇒ 2SF6 + 524kcal. Toute reproduction sans autorisation de AREVA T&D est strictement interdite

–4–

Comme l’on sait que l’énergie qui se libère lors d’une synthèse est celle qu’il faudra donner pour décomposer le produit, on peut déjà prévoir que le SF6 sera un refroidisseur énergique et un composé stable. Dans des conditions normales de température, le gaz est inerte et ne réagit pas avec son environnement. Aux températures élevées, développées par l’arc électrique, le SF6 se décompose. Cette décomposition commence en fait à 400 °C, pour donné des produits comme : •

l’hydrogène sulfuré, caractérisé par son odeur d’œuf pourri,

•

l’anydride sulfureux, irritant l’arbre pulmonaire,

•

l’acide fluoridrique qui attaque les métaux pour donner une poudre blanchâtre connue sous le nom de fluorure métallique.

On trouve également : •

fluorure de thyonyle,

•

fluorure de sulfuryle,

•

tétrafluorure de thyonyle.

Tous ces produits de décomposition sont en majeur partie absorbés par un tamis moléculaire, c’est à dire qu’ils sont traités et restitués en grande partie en SF6 pur. Un second avantage à ce tamis moléculaire est son pouvoir d’absorption de l’humidité. l’humidité est génératrice, en outre, de l’acide fluorhydrique noté précédemment. Ces tamis équipent tous les disjoncteurs au SF6. Pour minimiser les produits de décomposition, tous les compartiments devant contenir du SF6, sont traités par le vide en usine. Cela sera le gage d’un taux d’humidité très faible. À ce titre, on demande au fabricant de SF6 de livrer un gaz avec une teneur en humidité inférieure à 120 parts par million en volume, soit 15 ppm poids.

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–5–

Le SF6 agent de coupure Caractéristiques

;;

Le SF6 est remarquable pour ses qualités d’agent isolant à la pression

atmosphérique, ses performances sont plus de deux fois supérieures à celle de l’air.

À cette même pression atmosphérique, ses performances avoisinent celles de l’huile sous une pression de 3 bar. Regardons ceci d’un peu plus près.

À ce générateur haute tension, sont reliées deux rampes munies d’électrodes dont l’écartement augmente à partir du bas.

Plaçons autour de ces électrodes, un cylindre transparent, appliquons une tension aux bornes de ce dispositif, un arc s’établit entre les électrodes les plus rapprochées.

Introduisons lentement le SF6 par le bas. La nappe de gaz emplit progressivement le volume ainsi formé, l’arc est repoussé vers le haut, là où les électrodes sont encore dans l’air.

SF6

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;; ;;; ;;;; ;; –6–

SF6

SF6

SF6

Ce phénomène se répète au fur et à mesure de la montée du SF6.

Lorsque le SF6 a complètement rempli le cylindre, étant plus lourd que l’air,

il va s’écouler à l’extérieur des parois, la dernière rangée d’électrodes est toujours dans l’air.

L’arc ne pourra être éteint.

Reprenons le dispositif initial, mais seulement avec deux électrodes. créons un arc.

Dans ce volume, versons du SF6, l’arc s’éteint. Que s’est-il passé ?

SF6

SF6

À une température de 2 000 °C, la molécule de SF6 se dissocie, le fluor se

détache du soufre.

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Cette dissociation nécessite une quantité très importante d’énergie, énergie puisée dans la chaleur de l’arc. Aux alentours de 3 000 °C, le soufre perd ses électrons, immédiatement captés par le fluor. À 6 000 °C, le fluor, à son tour, lâche des électrons, on se retrouve ainsi avec une quantité importante d’électrons libres. Dans le cas de notre arc, le courant transite par les électrons libres, conducteurs immatériels. La résistance de l’arc s’écroule d’environ 300 fois, le milieu devient conducteur, seul le passage du courant par zéro conjugué à un soufflage énergique de SF6 frais assure la coupure de l’arc. En résumé ! Le SF6 est un excellent agent de coupure. la haute énergie nécessaire à sa dissociation entraîne le refroidissement efficace de l’arc. La régénération rapide du SF6 autoriser des rétablissements de tension très sévères.

Précautions et hygiène Aujourd’hui, nous ne connaissons pas de meilleur diélectrique et agent de coupure combinés que l’hexafluorure de soufre SF6. Ce gaz, à l’état initial est sans danger : •

il est non toxique,

•

il n’est pas combustible, ni comburant,

•

il ne présente aucun risque d’explosion.

Il est toutefois nécessaire de prendre certaines précautions. Le SF6 est cinq fois plus lourd que l’air. En cas de fuite, il va donc s’accumuler dans les parties basses du local, les caniveaux, les caves…. De ce fait il faut expressément prévoir une aspiration en partie basse et une ventilation, car à forte concentration, il peut prendre la place de l’air ambiant et provoquer l’asphyxie.

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Sachez toutefois que la Commission Électrotechnique Internationale affirme que cinq souris, laissées pendant 24 heures dans une ambiances composée de 79 % de SF6 et de 21 % d’oxygène, restent en vie et ne présentent aucun comportement anormal. Il faut proscrire, à l’intérieur des locaux toute source de chaleur (cigarette, moteur thermique, postes à souder…) qui serait en mesure de déclencher un processus de décomposition du gaz. Cette décomposition est comparable à celle qui prend naissance dans le disjoncteur lors de l’ouverture ou de la fermeture du circuit. Sur le plan médical, certains de ces produits de décomposition sont des irritants violents des muqueuses et de l’arbre pulmonaire. Toutefois, il faut savoir que ces composés gazeux sont présents en quantité infime et qu’ils ne seront donc que très rarement agressifs. Ceci grâce aux tamis moléculaires présents dans toutes les chambres de coupure. Ces tamis assurent le traitement de ces produits et la restitution de SF6 pur, à plus de 99% Le SF6 pollué est facilement décelable, dans la mesure où il dégage une forte odeur nauséabonde que l’odorat perçoit bien avant que le seuil de toxicité ne soit atteint. Il faut alors quitter le poste et assurer l’élimination par une forte ventilation. Il est conseillé d’équiper les locaux d’un système de détection qui déclenche automatiquement cette ventilation. La décomposition du SF6 génère également des composés solides ,sous forme de poudre blanchâtre, agressifs par réaction avec l’humidité des mains et des muqueuses. Toute intervention sur du matériel endommagé se fera donc obligatoirement avec les protections appropriées : masque à gaz, gants, vêtements. Pour la petite histoire, sachez que le SF6 ne détruit pas la couche d’ozone et sachez aussi qu’il n’entraîne aucun accroissement des risques encourus dans les postes. L’absence de danger spécifique est d’ailleurs confirmée par le fait qu’il n’y a jamais eu à déplorer d’accident depuis les nombreuses années que le SF6 est utilisé comme agent de coupure. AREVA T&D - DAFEP

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Les appareils utilisants le SF6 ont un taux de fuite annuel garanti inférieur à 1 % de la masse. Ceci exclut tout danger en régime normal. La situation anormale est l’explosion d’un appareil, fait très rarissime. Toutefois, si un tel accident se produisait, une odeur nauséabonde signalerait immédiatement l’anomalie laissant aux opérateurs présents le temps d’agir en toute sécurité. En conclusion ! Le SF6 n’est pas un produit dangereux. En cas d’incident, il y a certaines précautions à prendre. Ayons simplement l’esprit sécurité.

Tension disruptive en fonction de la pression absolue kV (valeur crête) 100

SF6 80 2 mm

gaz 60

air 40

huile 2,5 mm

20

huile bar (absolu) 0 1

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2

3

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4

5

6

7

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Analyse du gaz SF6 neuf H2O < 130ppm (vol/vol)

eau

CO2

dioxyde de carbone

traces CF4

t trafluorure de carbone

Air < 0,05% SF6 99,9%

Principaux produits gazeux après coupure

CF4

air

ciel gazeux

2

CO H2O

phase liquide

HF

acide fluorhydrique

CO2

dioxyde de carbone

SO2

anhydride sulfureux

CF4

tétrafluorure de carbone

SiF4

tétrafluorure de silicium

SOF2

fluorure de thionyle

SOF4

tétrafluorure de thionyle

SO2F2

fluorure de sulfuryle

SF4

tétrafluorure de soufre

H 2O

eau

S2F10

décafluorure de soufre

Analyse du SF6 après coupure couleur SO2F2

0,12%

Air

0,17% 0,03%

H2O

0.20% 0.05

CO2

0.24%

sans tamis moléculaire avec tamis moléculaire (alumino-silicate)

CF4

2,83% 2,80%

SiF4

2,88% 0,25%

SO2

2,99% traces SOF2

3,95% traces SF6

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Caractéristiques physiques

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Caractéristiques physiques, réponses

5 fois plus lourd que l’air

incolore inodore non toxique sans saveur (insipide)

ni combustible ni comburant exempt d’oxygène

La vitesse du son dans le SF6, est trois fois inférieur à celle dans l’air

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L’ozone L’ozone est un allotrope de l’oxygène (formule 03) donc de même forme que l’oxygène, mais avec des propriétés différentes. L’ozone sert à la purification des eaux. Du fait de sa grande agressivité, il est utiliser en particulier pour le vieillissement artificiel. L’ozone a un pouvoir d’oxydation bien supérieur à l’oxygène. Nous sommes de grands fabricants d’ozone : tous les arcs électriques génèrent de l’ozone. L’ozone a une odeur âcre et une couleur vaguement bleutée.

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Exemples

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Schéma

20kV 500MVA

20kV 500MVA 20kV 1c 3 x 502 45m

1c 3 x 502 45m TR9

TR8

TR6 2c 3 x 2402 35m

TR1 + 6% – 14% 6MVA 7%

2c 3 x 2402 35m

1c 3 x 502 45m TR2 + 6% – 14% 6MVA 7%

2c 3 x 2402 35m

TR3 + 6% – 14% 6MVA 7%

TR4

TR5

TR7

6kV

3 x 2402 70m

3 x 2402 70m

3 x 952 190m

M 250 kW

3 x 952 190m

M 250 kW

3 x 952 120m

3 x 952 120m

M 925 kW

3 x 952 35m

M 1650 kW

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3 x 952 30m

M 1650 kW

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3 x 952 35m

M 1650 kW

3 x 952 30m

M 925 kW

3 x 952 190m

M 250 kW

3 x 952 190m

M 250 kW

M 1650 kW

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Installation Fluokit M24 - 24 kV Fluokit M24 - 24 kV

PGC

PGB

PGC

PGC

PGC

PGC

PGC

TR3

TR4

TR5

TR6

20 kV

TR2

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Fluokit M24 - 7,2 kV

PGB

PGC

PGC

DPMC

DPMC

DPMC

925kW

250kW

250kW

6 kV

TR3

IS

1650kW

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1650kW

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Calculs

Point de calcul

1

Source

2

Jeu de barres

3

Câble : 3 x 502

R

X = Lω

∑R

∑X

mΩ

mΩ

mΩ

mΩ

Z=

Ω

∑R

2

+ ∑X

2

Icc =

U 3 .Z

A

(20kV)

1 + 2 + 3 (6kV)

4

Sortie transfo

5

2 Câbles 3 x 2402

6

Câble 3 x 2402

7

Câble 3 x 952

7"

Câble 3 x 952

120m

7"

Câble 3 x 952

190m

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LA SATISFACTION CLIENT COMME CULTURE QUALITÉ

N TIO CA

IQUE DES CHN IND TE US ON TI AD

ES ET DE COM IQU MU ON NI TR É IT

RI LECT QUES, É L SÉ IE CHARTE Q EC TR RENT UA L HÉ

FO RM A

Certifié ISO 9001 : 2000 par

> La charte FIEEC Qualité formation Le Centre de formation T&D de Villeurbanne adhère depuis 1985 à la charte qualité établie par la FIEEC (Fédération des Industries Électriques, Électroniques et de Communication). > La conformité avec les normes AFNOR Depuis 1994 un système d’assurance qualité a été mis en place dans ce Centre de formation, il intègre les recommandations des normes françaises en matière de qualité de la formation professionnelle : X50-760 - Offre de formation X50-761 - Prestations de formation.

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> La certification ISO 9001 (2000) Ce système d’assurance et de management de la qualité est audité régulièrement. Il est certifié depuis 1999 selon le référentiel ISO 9001 par Bureau Veritas Quality International (certificat n°122189).

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