Surtension dans les réseaux électriques

La surtension est une tension qui dépasse l'amplitude de la tension de fonctionnement la plus élevée (Unom) sur l'isolation des éléments du réseau électrique. Selon le lieu d'application, on distingue les surtensions de phase, d'interphase, d'enroulements internes et d'intercontact. Ces derniers se produisent lorsque la tension est appliquée entre des contacts ouverts des mêmes phases d'appareils de commutation (interrupteurs, sectionneurs).

On distingue les caractéristiques de surtension suivantes :

• valeur maximale Umax ou multiplicité K = Umax / Unom ;

• durée d'exposition;

• forme incurvée;

• la largeur de portée des éléments de réseau.

Ces caractéristiques sont sujettes à dispersion statistique car elles dépendent de nombreux facteurs.

Lors de l'étude de la faisabilité des mesures de protection contre les surtensions et du choix de l'isolation, il est nécessaire de prendre en compte les caractéristiques statistiques des dommages (espérance mathématique et écart) dus aux temps d'arrêt et aux réparations d'urgence de l'équipement du système électrique, ainsi qu'à la défaillance de l'équipement , rejet du produit et perturbation du processus technologique chez les consommateurs d'électricité.

Les principaux types de surtension dans les réseaux à haute tension sont illustrés à la figure 1.

Riz. 1. Les principaux types de surtensions dans les réseaux à haute tension

Surtension interne provoquée par les fluctuations de l'énergie électromagnétique emmagasinée dans les éléments du circuit électrique ou qui lui est fournie par des générateurs. Selon les conditions d'apparition et la durée possible d'exposition à l'isolement, on distingue les surtensions stationnaires, quasi-stationnaires et de manœuvre.

Surtensions de manœuvre - se produisent lors de changements soudains des paramètres du circuit ou du réseau (commutation planifiée et d'urgence des lignes, des transformateurs, etc.), ainsi qu'à la suite de défauts à la terre et entre les phases. Lors de la mise sous ou hors tension des éléments du réseau électrique (conducteurs de ligne ou enroulements des transformateurs et des selfs) (interruption de la transmission de l'énergie), des transitoires oscillatoires se produisent, pouvant entraîner des surtensions importantes. Lorsque l'effet corona se produit, les pertes ont un effet amortissant sur les premiers pics de ces surtensions.

L'interruption des courants capacitifs des circuits électriques peut s'accompagner d'arcs répétés dans le disjoncteur et de transitoires et de surtensions répétés et du déclenchement de petits courants inductifs au ralenti des transformateurs - interruption forcée de l'arc dans le disjoncteur et transition oscillatoire de l'énergie du champ magnétique du transformateur dans l'énergie du champ électrique de ses puissances parallèles. Avec défauts à la terre d'arc dans un réseau avec un neutre isolé de multiples amorçages d'arc et l'apparition de surtensions d'arc correspondantes sont également observés.

La principale raison de l'apparition de surtensions quasi-stationnaires est l'effet capacitif provoqué, par exemple, par une ligne de transmission asymétrique alimentée par des générateurs.

Les modes de ligne asymétriques se produisant, par exemple, lorsqu'une phase est court-circuitée à la terre, une rupture de fil, une ou deux phases du disjoncteur, peut entraîner une augmentation supplémentaire de la tension de fréquence fondamentale ou provoquer des surtensions à certaines harmoniques supérieures - multiple de la fréquence du générateur EMF ….

Tout élément du système présentant des caractéristiques non linéaires, par exemple un transformateur à noyau magnétique saturé, peut également être une source d'harmoniques supérieures ou inférieures et des surtensions ferrorésonnantes correspondantes. S'il existe une source d'énergie mécanique qui modifie périodiquement le paramètre du circuit (inductance du générateur) en fonction de la fréquence naturelle du circuit électrique, une résonance paramétrique peut se produire.

Dans certains cas, il est également nécessaire de prendre en compte la possibilité que des surtensions internes se produisent avec une multiplicité accrue lorsque plusieurs commutations ou d'autres facteurs défavorables sont imposés.

Pour limiter les surtensions de manoeuvre dans les réseaux 330-750 kV, où le coût d'isolement s'avère particulièrement important, puissant restricteurs de soupape ou des réacteurs. Dans les réseaux de classes de tension inférieures, les parafoudres ne sont pas utilisés pour limiter les surtensions internes, et les caractéristiques des parafoudres sont choisies pour qu'ils ne déclenchent pas sous les surtensions internes.

Les surtensions de foudre font référence à des surtensions externes et se produisent lorsqu'elles sont exposées à des champs électromagnétiques externes. Les surtensions de foudre les plus importantes se produisent lorsqu'un coup de foudre direct se produit sur la ligne et la sous-station. En raison de l'induction électromagnétique, un coup de foudre à proximité crée une surtension induite, ce qui entraîne généralement une nouvelle augmentation de la tension d'isolement. Atteindre une sous-station ou une machine électrique, se propager à partir du point de défaite ondes électromagnétiques, peuvent provoquer des surtensions dangereuses sur leur isolation.

Pour assurer un fonctionnement fiable du réseau, il est nécessaire de mettre en place sa protection foudre efficace et économique. La protection contre les coups de foudre directs est réalisée à l'aide d'un paratonnerre vertical haut et de câbles de protection contre la foudre au-dessus des conducteurs des lignes aériennes supérieures à 110 kV.

La protection contre les surtensions provenant de la ligne est assurée par des parafoudres à soupapes et à conduites de sous-stations avec une protection améliorée contre la foudre aux abords des sous-stations sur des lignes de toutes les classes de tension.Il est nécessaire de fournir une protection contre la foudre particulièrement fiable des machines tournantes à l'aide de parafoudres spéciaux, de condensateurs, de réacteurs, d'inserts de câble et d'une protection contre la foudre améliorée pour l'approche des lignes aériennes.

L'utilisation de la mise à la terre de la partie neutre du réseau au moyen d'une bobine de suppression d'arc, la refermeture et le raccourcissement automatiques des lignes, la prévention soigneuse de l'isolement, les arrêts et la mise à la terre augmentent considérablement la fiabilité des lignes.

Il convient de noter que la rigidité diélectrique de l'isolant diminue avec l'augmentation de la durée d'exposition à la tension. A cet égard, des surtensions internes et externes de même amplitude présentent un danger différent pour l'isolement. Ainsi, le niveau d'isolement ne peut être caractérisé par une seule valeur de tension de tenue.

Sélection du niveau d'isolation requis, c'est-à-dire la sélection des tensions d'essai, appelée coordination d'isolement, est impossible sans une analyse approfondie des surtensions se produisant dans le système.

Le problème de la coordination de l'isolement est l'un des principaux problèmes. Cette situation est due au fait que l'utilisation de l'une ou l'autre tension nominale est finalement déterminée par le rapport entre le coût de l'isolation et le coût des éléments conducteurs du système.

Le problème de coordination de l'isolement comprend comme tâche de base — le réglage des niveaux d'isolement du système… La coordination de l'isolement doit être basée sur les amplitudes et les formes d'onde spécifiées des surtensions appliquées.

Actuellement, la coordination de l'isolement dans le système jusqu'à 220 kV est effectuée pour les surtensions atmosphériques, et au-dessus de 220 kV, la coordination doit être effectuée en tenant compte des surtensions internes.

L'essence de la coordination de l'isolation dans les surtensions atmosphériques est la coordination (adaptation) des caractéristiques d'impulsion de l'isolation avec les caractéristiques des vannes, en tant que principal dispositif de limitation des surtensions atmosphériques. Selon l'étude, l'onde standard de la tension d'essai est adoptée.

Lors de la coordination des surtensions internes, en raison de la plus grande variété de formes de développement des surtensions internes, il est impossible de se concentrer sur l'utilisation d'un seul dispositif de protection. La brièveté nécessaire doit être apportée par le schéma du réseau : inductances shunt, utilisation d'interrupteurs sans rallumage, utilisation d'éclateurs spéciaux.

Pour les surtensions internes, la normalisation des formes d'onde des tests d'isolement n'a pas encore été effectuée jusqu'à récemment. Beaucoup de matériel a déjà été accumulé et une normalisation correspondante des vagues de test devrait être effectuée dans un proche avenir.