Protection des réseaux électriques

Salle de commande d'une centrale électrique en Allemagne.

La protection des réseaux électriques désigne l'ensemble des appareils de surveillance et de protection assurant la stabilité d'un réseau électrique. Cette protection est nécessaire pour éviter la destruction accidentelle d'équipements coûteux et pour assurer une alimentation électrique ininterrompue.

La plupart des systèmes de fourniture d’énergie électrique sont interconnectés et doivent bénéficier de telles protections.

Description sommaire

Un poste de distribution électrique à Galesburg, Illinois.

Un réseau électrique comporte trois parties :

• Les unités de production, chargées de fournir l'énergie au réseau ;
• Le réseau de transport à haute tension, chargé de transporter massivement l'énergie sur de grandes distances et d'assurer l'interconnexion entre les centrales de production ;
• Les réseaux de distribution à moyenne et basse tension, chargés de livrer l'énergie aux utilisateurs.

Dans l'une ou l'autre de ces parties, chaque ouvrage peut être l'objet d'incidents, tels que panne, fonctionnement aberrant, fuite ou court-circuit dû à une cause externe. C'est pourquoi toute une panoplie d'appareils est installée pour éviter que ces incidents ne détruisent l'ouvrage, ou ne compromettent la qualité de fourniture d'énergie. Parmi eux, nous distinguons 3 catégories :

• Les relais de protection (ou simplement protections) chargés de mettre hors tension la partie malade de l'ouvrage ou du réseau ;
• Les automates chargés d'effectuer les manœuvres automatiquement et surtout sans délais ;
• Les équipements de surveillance chargés de collecter des informations et de les envoyer aux personnes chargées de conduire le système.

La qualité de fonctionnement de ces appareils et plus particulièrement des protections, est toujours primordiale. Elle peut cependant être appréciée de manière différente suivant que l’on s’intéresse à l’une ou l’autre des trois parties du système.

Protection des groupes de production

Unité de production à la centrale hydroélectrique d'Hydro-Québec, à Shawinigan.

Pylône à haute tension.

Dans une centrale de production, les protections ont pour but d'éviter la détérioration des alternateurs ou transformateurs en cas de fonctionnement dans de mauvaises conditions, générées par des défaillances internes, telles que défauts d'isolement ou panne de régulation. De telles défaillances sont rares sur des matériels correctement conçus, fabriqués, installés, entretenus et exploités, les protections n'ont à fonctionner que très exceptionnellement.

Par contre si une protection est défaillante lors d'un incident, les dommages causés à l'alternateur ou au transformateur peuvent avoir des conséquences financières importantes. Ces dernières restent internes à la compagnie de production d'électricité : perte de production, qui devra être compensée par des moyens de production moins économiques, sous réserve que la compagnie dispose de moyens de production disponibles, déjà synchronisés au réseau ; et bien évidemment la réparation de l'appareillage endommagé.

Protection des ouvrages du réseau de transport

Sur un réseau de transport, le problème se pose de manière totalement différente :

D'abord, une ligne aérienne, qui passe sur le domaine public, est périodiquement sujet à des courts-circuits (ou « défauts » dans le jargon de l'exploitant), dus à la foudre, aux arbres mal élagués, aux grues et engins de grande hauteur travaillant au voisinage, au vent, à la pollution, ... Une bonne conception de la ligne et une bonne maintenance peuvent les minimiser, mais jamais les éliminer. Par exemple, en France, sur le réseau de transport de RTE (gestionnaire du réseau de transport d'électricité), le nombre de courts-circuits observés en moyenne pour 100 km de liaison aérienne est de 2 par an en 400 kV, 8 en 225 kV, 12 en 90 kV et 18 en 63 kV.

Par ailleurs, le courant du court-circuit circulant dans la terre (au voisinage du pylône en court-circuit) entraîne une surtension dans le sol qui peut avoir des conséquences importantes à l'intérieur d'un certain périmètre autour du pylône concerné, comme la déterioration des matériels électriques et électroménagers, ou l'électrisation des hommes et des animaux. Les dimensions de ce périmètre "à risque" sont très variables suivant le niveau de tension, le type de sol (granite, gravier, marais...)et l'humidité du sol, et le risque considéré. Les conséquences d'un dysfonctionnement des relais de protection ne sont dans ce cas pas uniquement financières, mais peuvent mettre en danger des vies humaines ! C'est pourquoi les systèmes de protection sont redondés : la défaillance d’une protection est ainsi palliée par le fonctionnement d'autres protections localisées éventuellement en d’autres points du réseau. Ceci peut conduire à la mise hors tension de plusieurs ouvrages. L’alimentation électrique de toute une région peut alors se trouver perturbée.

Le fonctionnement défectueux d'une protection peut donc avoir pour conséquence la coupure d'un ou plusieurs clients, voire d'une ville entière, clients prioritaires compris. Or, l'impact de la coupure d'un client industriel ne se limite pas à l'énergie non vendue pendant la coupure, mais aussi aux pertes de production pour l'industriel. Pour minimiser l'occurrence de telles situations, l’étude du fonctionnement des protections, normal et en secours, fait l’objet d’un plan d’ensemble.

Protection des ouvrages du réseau de distribution

Relais de protection utilisé en distribution

Sur un réseau de distribution, les mêmes considérations peuvent s’appliquer, mais les conséquences d’un dysfonctionnement sont à une échelle moindre. C'est en général au niveau du réseau de distribution qu'on implante un plan de délestage électrique.

Notion de sélectivité

L'ensemble des protections d'un réseau constitue un système. La sélectivité a pour but d'isoler le plus rapidement possible la branche en défaut, et d'éviter de couper injustement des branches saines. On distingue trois types de sélectivité :

Sélectivité ampèremétrique

La sélectivité ampèremétrique repose sur des réglages de courant de déclenchement décroissant vers l'aval du réseau. Plus on est près du consommateur, plus le courant réglé sera faible. C'est la sélectivité ampèremétrique qui est par exemple utilisée dans les tableaux résidentiels (un disjoncteur général 40 ou 63 A différentiel en tête, et des disjoncteurs 10 à 32 A pour les différents équipements de la maison).

Sélectivité chronométrique

La sélectivité chronométrique agit indépendamment du courant. On augmente la temporisation (généralement 300 ms) par étage de réseau. Ainsi, on attend à chaque niveau que les niveaux avals aient le temps de couper le défaut, avant de couper une plus grande partie du réseau.

Sélectivité logique

La sélectivité logique requiert un échange d'informations entre les différents organes de protection. En effet, la première protection détectant un défaut envoie un ordre de « blocage » aux autres protections, les empêchant ainsi de déclencher.

Généralement, on utilise au moins deux des trois types de sélectivité sur les réseaux de distribution, afin d'avoir un système de protection sûr, efficace et fiable.

Voir aussi

Articles connexes

• Réseau électrique

Liens externes

• protection et surveillance du réseau de transport d'énergie électrique

Les principes de fonctionnement des différents appareils utilisés sur les réseaux de transport y sont décrits, ainsi que leurs modalités d'installation et le calcul de leurs réglages. Quelques informations sont aussi données sur les protections des groupes de production. En revanche, la protection des réseaux de distribution n'est pas abordée.

• cahiers techniques Schneider Electric

• Portail de l’électricité et de l’électronique