Gestion des surcharges des équipements des postes

Chef de file (BR)
A. CARVALHO

Secrétaire (BR)
J. AMON

C. LINDNER (CH), R. KARRER (CH), M. HOOIJMANS (NL), M. LACORTE (BR), K. EDWARDS (US), P. MOREAU (FR), S. NKOSI (ZA), S. ANNADURAI (IN)

Membres Correspondants : J. OLIVEIRA (BR), A. MERCIER (CA), K. TSUBOI (JP)

Dans le cadre de ses travaux le Groupe de Travail CIGRE A3.30 s'est intéressé aux contraintes excessives, c. à d. au-delà des capacités nominales, appliquées aux équipements, et classées comme surcharges. Sa mission a consisté à analyser quelles étaient les pratiques en matière de détection et de réduction des surcharges qui pouvaient affecter les équipements des postes. Les résultats de ses investigations sont présentés dans la Brochure Technique (BT) CIGRE "Substation Equipment overstress management", dont le présent rapport constitue un résumé.

L'approche traditionnelle de gestion de la fin de vie requiert un suivi permanent du bon fonctionnement des équipements, des conditions de leur exploitation et des pratiques de maintenance. Une solide base de données concernant la vie des équipements permet au gestionnaire des actifs de définir des indicateurs qui sont essentiels pour la détection du début de la fin de vie, et pour la prise des décisions de rénovation ou de remplacement. ^[1]

Le vieillissement des équipements a aussi une influence effective sur leur fonctionnement. Le GT A3.29 du CIGRE, “Ageing High Voltage Substation Equipment and Possible Mitigation Techniques”, a publié la BT 725 ^[2], traitant du processus de vieillissement des équipements des postes à haute tension, et proposant des recommandations de techniques de mitigation envisageables pour gérer cette détérioration des performances.

Le vieillissement est la conséquence de la détérioration des capacités de tenue des équipements, comme on le montre sur la Figure 1. Deux mécanismes sont en général observés, le mécanisme lent de vieillissement avec le temps, et la réduction par étapes de la tenue provoquée par les défauts.

Figure 1 – Risque de défaillance des équipements due à l'affaiblissement de sa tenue – processus du vieillissement [1]

Les surcharges sont des contraintes au-delà de la tenue des équipements HT, telle qu'elle est définie dans les normes et/ou dans les spécifications. La Figure 2, où on présente la corrélation entre la distribution statistique de la tenue des équipements et la distribution des contraintes appliquées aux équipements, illustre bien le concept de surcharge.

Figure 2 - Risque de défaillance liée aux surcharges d'un équipement

Les équipements sont soumis à des surcharges quand la distribution de probabilité des contraintes est déplacée vers la droite, induisant ainsi un risque de défaillance de l'équipement, représenté sur la Figure 2 par l'intersection des distributions des contraintes externes appliquées et de la tenue de l'équipement. Dans une telle circonstance il faut agir, pour accroître la capacité de l'équipement ou le remplacer, ou pour mettre en œuvre des mesures de mitigation ^[3].

Causes des surcharges

Il existe deux principaux types de surcharge affectant les équipements HT :

Les surcharges électriques dont l'origine est le système électrique ;
Les surcharges d'origine environnementale.

Les surcharges électriques, dont l'origine est le système électrique, étaient traditionnellement associées aux développements de capacité ^[4],et ce jusqu'à l'arrivée de la dérégulation dans les années 1990. A cette époque il était possible de déterminer clairement l'impact des futures surcharges et c'était là le pricipal moteur de la stratégie de remplacement des équipements.

Mais dans un environnement en rapide évolution, qui a vu l'abandon de la planification intégrée de la production, du transport et de la distribution au profit d'une planification pilotée par le marché, la gestion des surcharges est devenue plus difficile qu'auparavant.

De plus les surcharges d'origine environnementale, comme la température ambiante, la foudre, le givre, les activités sismiques, etc., peuvent atteindre des niveaux supérieurs aux valeurs des normes ou des spécifications des équipements. Des contraintes ambiantes extrêmes telles que les tsunamis, les inondations, les tremblements de terre d'un niveau supérieur à 8 sur l'échelle de Richter, etc., sont aussi possibles et plus fréquentes, et elles peuvent détruire les équipements électriques ^[5].

On classe les causes de surcharge en deux catégories principales, les surcharges contrôlables et les non contrôlables, comme montré sur la Figure 3. Dans la partie basse de l'arbre des surcharges on trouve les origines initiales des surcharges.

Figure 3 - Classification des causes de surcharge

Les causes contrôlables : Leur origine vient de l'action humaine ou des actions d'exploitation du système électrique et elles sont fortement liées aux activités d'exploitation ou d'expansion du système électrique et des activités de la vie.

Les causes incontrôlables : L'origine se trouve dans des phénomènes naturels. On peut en plus les classer en causes prévisibles ou imprévisibles.

La plupart des causes incontrôlables peuvent être prévisibles sur la base des données historiques. Au-delà des valeurs normales les phénomènes naturels ont une probabilité beaucoup plus faible. Ils sont donc considérés comme imprévisibles et les dommages qu'elles provoquent peuvent être extrêmes. ^[6]

En planification ou en exploitation il n'est possible de prendre en compte que les causes contrôlables, et les causes incontrôlables mais prévisibles. Les causes imprévisibles sont associées à des risques faibles et c'est pour cela que des contremesures pour y faire face ne sont pas prises, sauf dans certains cas très spécifiques ^[7]

Le Tableau 1 présente une classification détaillée des surcharges en fonction de leur origine.

Tableau 1 – Classification détaillée des causes des surcharges selon leur origine

Paramètres du bon fonctionnement des équipements

Les paramètres du bon fonctionnement des équipements haute tension peuvent être regroupés en quatre catégories principales, à savoir électriques, diélectriques, mécaniques et thermiques, comme montré sur la Figure 4. Les paramètres de bon fonctionnement présentés sur cette figure sont en lien direct avec la capacité de tenue des équipements HT aux contraintes externes. En pratique, cet ensemble de paramètres de bon fonctionnement se trouve transcrit dans les spécifications des normes des équipements, en général CEI et IEEE, qui sont adoptées pour les besoins de l'analyse des surcharges.

Figure 4 – Classification des capacités des équipements HT dans le cadre de l'analyse des surcharges

On a appliqué une approche systématique pour prioriser les causes de surcharge, en examinant l'impact potentiel de la surcharge sur les équipements HT. La méthode Delphi ^[8], bien connue, a été choisie pour cette priorisation des causes de surcharge.

Pour chaque cause de surcharge, la fréquence d'occurrence a été estimée et notée de 1 (se produisant rarement ou jamais) à 4 (plusieurs occurrences sur une année), et la sévérité pour l'équipement a été évaluée, allant de 1 (impact très faible) à 5 (perte complète de fonctionnalité). L'impact de la cause de surcharge est mesuré par le produit des valeurs de fréquence et de sévérité.

Impact = Fréquence d'occurrence x Sévérité

Chaque expert du GT a apprécié, individuellement et anonymement, la fréquence d'occurrence (F) et la sévérité (S) des causes de surcharge des équipements HT. En suivant la méthode Delphi, les évaluations individuelles des experts ont été collectées, analysées et présentées à l'ensemble du GT. Les experts dont les réponses étaient les plus éloignées ou les plus contradictoires étaient appelés pour un second tour d'appréciation, de façon à obtenir une réponse commune négociée.

Le groupe d'experts a conclu que la valeur de 6 était celle à partir de laquelle il était justifié de procéder à une analyse complémentaire de la cause de surcharge. Mais, dans certains cas, le groupe n'a pas suivi cette règle et a décidé d'inclure dans l'analyse complémentaire une cause dont l'impact était particulièrement important pour l'exploitation du système électrique.

Causes de surcharges et paramètres de bon fonctionnement des équipements

Pour les surcharges les plus significatives des équipements, les documents CEI, IEEE et CIGRE ont été analysés pour vérifier que les paramètres de fonctionnement des équipements ont bien été couverts (Tableau 2).

La question des surcharges peut être prise en compte à différents horizons, au stade de la planification ou en exploitation. Mais il faut, dans tous les cas, identifier la surcharge potentielle suffisamment tôt pour permettre la mise en œuvre des contremesures avant que l'intégrité des équipements soit affectée.

Au niveau de l'exploitation, les processus temps réel prennent en compte les capacités nominales des équipements, et les niveaux limites de courant et de tension, pour définir des règles d'exploitation qui préservent l'intégrité des équipements.

Tableau 2 - Vue d'ensemble des origines des surcharges contrôlables et non contrôlables et de leur impact sur les équipements HT

Pratiques des compagnies d'électricité

Il existe deux types d'analyse des surcharges électriques, une analyse systématique et une analyse non systématique. La première est réalisée à intervalles prédéfinis, habituellement une fois par an ou tous les deux ans selon les pratiques des compagnies d'électricité. Le Tableau 3 présente les contraintes et les équipements concernés par cette analyse.

Tableau 3 – Suivi systématique des surcharges sur le court terme

Les analyses non systématiques sont réalisées dans les cas où la compagnie d'électricité a identifié des indices d'une surcharge potentielle, au cours de l'exploitation temps réel et détectés par les systèmes de surveillance, ou lors d'études de planification court terme. Dans cette analyse non systématique des paramètres électriques spécifiques du fonctionnement des équipements sont vérifiés, comme montré dans le Tableau 4.

Tableau 4 – Suivi non systématique des surcharges sur le court terme

Conclusions

Les travaux du GT A3.30 portent sur les surcharges affectant les équipements des postes HT et BT en présente les résultats. La définition appropriée de la surcharge en est un point important : pour le GT A3.30 la surcharge est comprise comme un renforcement du faisceau des contraintes appliquées à un équipement dont les capacités de fonctionnement restent inchangées. On considère dans ces travaux que les équipements sont correctement maintenus et ne sont pas affectés par un vieillissement (L'influence du vieillissement a été couverte dans la BT 725 du CIGRE ^[9]).

L'approche pas à pas adoptée pour analyser les impacts des surcharges sur les équipements HT des postes couvre :

L'identification des causes des surcharges qui peuvent impacter les performances des équipements ;
La sélection des paramètres pertinents du fonctionnement des équipements qui peuvent être impactés par les surcharges ;
La corrélation entre les causes et les paramètres précédents, qui permet de prioriser la nature des causes de surcharge les plus pertinentes pour chaque type d'équipement considéré ;
Pour chacune des causes de surcharge retenues, l'examen et la discussion de la façon dont elles sont couvertes dans les normes existantes, et/ou les documents CIGRE pertinents, pour les équipements concernés ;
Les pratiques des compagnies d'électricité en matière d'évaluation des surcharges qui peuvent impacter le bon fonctionnement des équipements, ainsi que l'examen des mesures de mitigation qui sont prises.

Les compagnies d'électricité qui recherchent des instructions sur la façon de procéder pour gérer les surcharges affectant les équipements HT peuvent se reporter à la BT, les étapes étant les suivantes :

Déterminer quel équipement peut être affecté par le type de la surcharge considérée ;
Vérifier comment la surcharge peut affecter un équipement spécifique, comment ce point est couvert dans la norme technique et par les références techniques qui s'y rapportent ;
Voir s'il existe une pratique définie de la compagnie pour traiter cette surcharge particulière ;
Mettre en œuvre la solution qui convient le mieux pour résoudre le cas particulier de surcharge analysé. Mais si la solution optimale à envisager est le remplacement, l'accroissement de capacité, la mise en œuvre de mesures de mitigation au niveau local ou au niveau du système, la décision relève de la responsabilité de la compagnie d'électricité. Les aspects économiques, les conditions réglementaires, les responsabilités, ainsi que la stratégie de gestion des actifs, doivent être pris en compte.

Les pratiques des compagnies en matière de gestion des surcharges des équipements ont toutes un point commun: les mesures sont à prendre pour éviter d'exposer les équipements à des surcharges, puisque ces équipements ne sont pas en général conçus pour les supporter.

L'évolution rapide des conditions de réseau, observée du fait de la libéralisation du marché de l'électricité et de la forte pénétration des productions renouvelables, peut être vue comme la source principale des survenues de surcharges électriques des équipements HT. De même l'évolution des conditions environnementales observée sur ces dernières décennies est l'origine la plus fréquente des surcharges externes.

Recommandation de futures études

Les travaux réalisés par le GT A3.30 ont permis de d'identifier certaines causes spécifiques de surcharge qui requièrent des études complémentaires de la part de la communauté technique qui permettront d'apporter une meilleure aide aux gestionnaires d'actifs et aux opérateurs des systèmes électriques. Des propositions d'amélioration des normes, et en particulier des méthodes d'essai, des procédures de mise en service et de maintenance, sont demandées.

Tension de réseau supérieure à la valeur nominale

L'exploitation du réseau à des tensions supérieures aux tensions nominales maximales des équipements de transport est un cas spécifique de surcharge électrique. Cette situation est habituellement la conséquence combinée du caractère intermittent des productions renouvelables et de leur pénétration rapide de ce type de sources de production, dont les productions décentralisées raccordées au réseau de distribution, d'une part, et de leur mise en place dans des délais relativement courts, d'autre part. Ceci peut conduire à un déficit de ressources de régulation de la tension dans le réseau, et ainsi imposer des fonctionnements à des tensions supérieures aux valeurs nominales des équipements. C'est un sujet appelant des études complémentaires, puisque les normes actuelles ne couvrent pas ces conditions d'exploitation.

Capacité de tenue des surtensions temporaires

Il est aussi considéré qu'il faut avoir une vision plus claire de la capacité de tenue des équipements HT soumis à des contraintes de surtension temporaires. Le manque d'essais spécifiques concernant ce type de contrainte, ainsi que l'absence d'informations dans les normes d'équipement sur les limites des surtensions transitoires, appellent des études spécifiques de la communauté technique sur ce point.

Les utilisateurs spécifient les équipements pour qu'ils tiennent les contraintes électriques et environnementales en regard de la topologie du système électrique et de l'emplacement où ils seront installés. De plus des solutions réseau secondaires peuvent être adoptées, comme la commande contrôlée ou la surveillance, pour réduire ou prévoir les contraintes qui pourraient affecter les équipements HT, et ainsi éviter les surcharges potentielles et leurs conséquences. La réponse de CIGRE à ce type de surcharge a consisté à créer un Groupe de Travail Commun aux Comités d'Etudes A3, A2, A1, et B1 pour étudier "Les conditions limites d'exploitation des équipements à haute tension liées aux surtensions temporaires fréquentes".

Performance de la commande contrôlée

La commande contrôlée est une mesure de réduction des transitoires de manœuvre. Néanmoins il a été rapporté que dans certains cas la performance sur site n'est pas celle qui était attendue. Les études de ce problème sont en cours à CIGRE, par le GT A3.35 (Guidelines and Best Practices for Commissioning and Operation of Controlled Switching Projects) et une Brochure Technique, traitant des pratiques de mise en service et de maintenance de ce type de technique, devrait faire ressortir un ensemble de recommandations et de meilleures pratiques adaptées à l'obtention des performances attendues de la commande contrôlée, et ceci tout particulièrement pour les pratiques de mise en service et de maintenance.

Fonctionnement des transformateurs de mesure

L'attention des spécialistes a été attirée par des défaillances qui ont affecté récemment différents types d'instruments de mesure. Une cause possible de ces occurrences peut être une surcharge due à des surtensions transitoires à hautes fréquences (VTFO) causées par la compacité des configurations des postes à isolation dans l'air (AIS). En conséquence un Groupe de Travail, A3.42 (Failure Analysis and Risk Mitigation for Recent Incidents of AIS Instrument Transformers), a été mis en place pour examiner ces évènements, essayer d'en expliquer les possibles raisons et, in fine, proposer des réponses applicables.

^[1] [a] Brochure Technique CIGRE 309 (2006), “Asset management of transmission systems and associated CIGRE activities”, GT C1.1, www.e-cigre.org. [b] Brochure Technique CIGRE 486 (2012), “Integral decision process for substation equipment replacement”, GT B3.06, www.e-cigre.org.
^[2] [3] Brochure Technique CIGRE 725 (2018), “Ageing High Voltage Substation Equipment and Possible Mitigation Techniques”, GT B3.29, www.e-cigre.org
^[3] [a] Carvalho, A.C., Muniz, M., Sinder, D., D’Ajuz, A., “Managing HV equipment replacement due to overrating”, CIGRE Session 2008, paper A3-106, September 2008, Paris. [b] Carvalho, A.C., D’Ajuz, A., Monteiro, A.M., Sinder, D., “Overrating mitigation measures for HV circuit breakers CIGRE SC 13 Colloquium”, paper PS2-10, September 2007, Rio de Janeiro. [c] Carvalho, A.C., Tenorio, R., Waldron M., Escoto M., Lemaitre N., “Criteria for Tracking Transmission Equipment Overstress”, paper A3-207, CIGRE SC A3 Technical Colloquium, 2011, Vienna. [d] Carvalho, A.C., Amon, J.F., Lindner, C. Karrer, R., Moreau, P., Hoijmans, M., Annaudari, S., Nikosi, S., Mercir, A., “Managing Substation Equipment Overstresses”, CIGRE SC A3 Technical Colloquium, paper 103, 2015, Nagoya. [e] Pereira, F. P., Peralta, J. M., Sereno, M. G., Fontes, M. A. P., Amon, J.,” Equipment overrating – transmission companies alternatives to avoid equipment replacement”, XIX SNPTEE, paper SGE 14, 14-17/10/2007, Rio de Janeiro, (in Portuguese). [f] E. Carlini, M.L. Crociani, D. Falorni, A. Freddo, V. Iuliani, E. Colombo, G. Pucci “Upgrading of the short-circuit power of a 380 kV substation: problems to cope and possible solutions in a unified context” CIGRE 2010 Session, paper B3-213.
^[4] Carvalho, A.C., Tenorio, R., Waldron M., Escoto M., Lemaitre N., “Criteria for Tracking Transmission Equipment Overstress”, paper A3-207, CIGRE SC A3 Technical Colloquium, 2011, Vienna
^[5] [a] Ohno, T. Ito, H. Nakakoji, T. Kobayashi, H. Sato, “Study of seismic design and guideline of substation equipment based on the Great East Japan Earthquake”, CIGRE 2014 Session, paper A3-304. [b] H. Miyakawa, H. Takada, Y. Ito, M. Toyoda, J. Kida, H. Koyama, “Investigation of composite insulators in extreme environments – Heavy snow and severe pollution”, CIGRE 2014 Session, paper A3-305. [c] CIGRE Technical Brochure 614 (2015), “Air Insulated Substation Design for Severe Climate Conditions”, WG B3.31, www.e-cigre.org.
^[6] [a] Ohno, T. Ito, H. Nakakoji, T. Kobayashi, H. Sato, “Study of seismic design and guideline of substation equipment based on the Great East Japan Earthquake”, CIGRE 2014 Session, paper A3-304. [b] H. Miyakawa, H. Takada, Y. Ito, M. Toyoda, J. Kida, H. Koyama, “Investigation of composite insulators in extreme environments – Heavy snow and severe pollution”, CIGRE 2014 Session, paper A3-305. .
^[7] [a] Ohno, T. Ito, H. Nakakoji, T. Kobayashi, H. Sato, “Study of seismic design and guideline of substation equipment based on the Great East Japan Earthquake”, CIGRE 2014 Session, paper A3-304. [b] H. Miyakawa, H. Takada, Y. Ito, M. Toyoda, J. Kida, H. Koyama, “Investigation of composite insulators in extreme environments – Heavy snow and severe pollution”, CIGRE 2014 Session, paper A3-305.
^[8] Sackman, H., Delphi Assessment: Expert Opinion, Forecasting and Group Process, R-1283-PR, 1974
^[9] [3] Brochure Technique CIGRE 725 (2018), “Ageing High Voltage Substation Equipment and Possible Mitigation Techniques”, GT B3.29, www.e-cigre.org .