Manœuvre des condensateurs shunt dans les réseaux de distribution et de transport

Objectifs de la Brochure Technique

En règle générale, les performances d'un dispositif de commutation de condensateurs effectivement requises en exploitation sont très proches de ses capacités, nominales et vérifiées dans les essais de type, et représentent une forte contrainte sur le dispositif tout au long de la vie des équipements. Cette contrainte n'est pas seulement la contrainte électrique liée à la tension de rétablissement élevée, mais aussi une contrainte mécanique due au nombre élevé des manœuvres. La nature du dispositif de commutation, c. à d. à gaz SF₆ ou à vide, joue sur les processus physiques qui prennent place lors de la connexion ou la déconnexion des bancs de condensateurs, et fait l'objet d'une attention spéciale dans la BT.

Il y a 20 ans, les résultats du Groupe de Travail CIGRE 13.04 ont induit une révision de deux normes CEI et IEEE particulières, les CEI 62271-100 et IEEE C37.09, et la mise en place d'une nouvelle procédure d'essai de type élargi sur la manœuvre capacitive. La première question qui se pose donc est de savoir si cette procédure révisée répond aux attentes des utilisateurs et se traduit par une meilleure performance des appareillages de connexion en exploitation. La seconde question est de s'assurer que la procédure et les paramètres d'essai correspondent toujours aux conditions de l'exploitation. Ce sont ces interrogations qui ont motivé de lancer des travaux sur ce sujet, en créant en 2016 le Groupe de Travail (GT) A3.38.

Contenu de la Brochure Technique

Le GT a cherché à évaluer la performance des appareillages de connexion à moyenne et haute tensions en matière de manœuvre des condensateurs shunt. Ceci a été obtenu, d'une part, en recueillant des données d'essai et d'exploitation dans les réseaux de distribution et de transport, par le biais d'une enquête après des compagnies d'électricité, dans de nombreux pays. D'autre part, le GT a établi un état de l'art en la matière, à partir de l'analyse des publications traitant du fonctionnement des appareillages de manœuvre des condensateurs, et à partir de sa propre expérience. Les questions de l'enquête portaient sur la taille des bancs de condensateurs des postes et des lignes, la nature des appareillages de connexion, les fréquences des manœuvres et les moyens de contrôle des courants d'appel, les pratiques de maintenance et l'âge des équipements. Les publications sur le comportement des dispositifs de commutation lors des coupures des courants capacitifs ont été examinées, en rapport avec les paramètres des courants d'appel lors des mises sous tension des bancs de condensateurs. Un objectif important du GT consistait à évaluer le comportement sur le long terme des dispositifs de commutation, en particulier en regard de la probabilité des réamorçages.

La BT fournit aussi une évaluation des normes CEI 62271-100 et IEEE C37.09 du point de vue des séquences d'essai, et des paramètres d'essai tels que le courant capacitif et les courants d'appel. En particulier, on y analyse l'efficience de la procédure d'essais accélérés appliquée, qui est focalisée sur des temps d'arc minimaux et des courants d'appels élevés, et son adéquation aux conditions de l'exploitation sur le terrain. On présente aussi les aspects particuliers des essais synthétiques, qui sont la seule méthode d'essai raisonnablement envisageable en laboratoire des dispositifs de manœuvre capacitive à haute tension.

L'état de l'art des dispositifs alternatifs permettant d'améliorer le comportement des appareillages de manœuvre capacitive est également présenté dans la BT, et couvre la commande contrôlée, les résistances de pré-insertion, les limiteurs de courants à inductance et l'utilisation des semi-conducteurs. Les aspects positifs et négatifs, et l'intérêt, de ces moyens alternatifs sont examinés, certains étant connus depuis longtemps et certains ayant été introduits ces dernières années.

Un chapitre de la BT traite du cas particulier des bancs de filtrage. On explique quels sont les paramètres des bancs de filtrage. Comparés aux courants d'appel lors des connexions des bancs de condensateurs shunt, les courants d'appel lors des connexions des bancs de filtrage sont beaucoup plus faibles, et par conséquent moins exigeants pour les dispositifs de manœuvre. Par contre la coupure des courants peut être plus exigeante parce que la tension de rétablissement est modifiée par la contribution additionnelle de l'inductance et par la superposition d'une tension transitoire à haute fréquence. Ce transitoire est dû à la résonance entre les inductances du filtre et les capacités des câbles. La tenue en tension du dispositif de commutation en présence de la tension de rétablissement appelle par conséquent une attention spéciale.

Principaux résultats

L'enquête portant sur l'utilisation et le retour d'expérience des utilisateurs des dispositifs de manœuvre capacitifs, a recueilli 52 réponses de compagnies d'électricité, en provenance de 18 pays différents, parmi lesquelles seulement 38 apportaient suffisamment de données pour être exploitées. Chaque compagnie qui a répondu a fourni des données portant sur trois ou quatre plages de tension, ce qui fait que l'enquête porte au total sur 146 cas compagnie-plage de tension, allant de 3,6 kV à 550 kV (Figure 1).

Voir une image plus grande

Les réponses concernent des disjoncteurs à SF₆ et à vide, des disjoncteurs à huile, des dispositifs de manœuvre de condensateur et de charge et des dispositifs de connexion de circuits. Il faut faire remarquer que les fréquences présentées sur la Figure 2 ne représentent pas le pourcentage moyen des utilisations dans une compagnie mais le pourcentage de contributeurs utilisant le dispositif de commutation indiqué.

Voir une image plus grande

Il n'est pas étonnant de constater que la manœuvre des condensateurs soit aussi populaire, puisque pour maintenir raisonnablement la tension et la puissance réactive dans le réseau, il faut manœuvrer le dispositif de commutation autour d'une fois par jour (connexion et déconnexion), comme le confirme la Figure 3.

Voir une image plus grande

Le tableau 1 présente de façon synthétique les questions les plus importantes de l'enquête, et les réponses correspondantes :

 

Un des objectifs importants de la BT est d'aider les utilisateurs à choisir un appareillage adapté aux courants capacitifs et aux courants d'appel calculés pour les bacs de condensateurs utilisés dans leurs réseaux de distribution et de transport. Ces paramètres peuvent être différents de ceux qui sont spécifiés et testés selon les normes. Comme les principes de commutation mis en œuvre aujourd'hui dans les appareillages de connexion sont essentiellement basés sur les technologies du vide et du SF₆, on traite séparément dans la BT, quand c'est approprié, des performances de ces types d'appareillages, et on ne mentionne que rapidement les autres technologies. Cependant le traitement séparé des deux technologies n'a pas pour but de les opposer, mais plutôt de bien en faire comprendre les performances différentes. On peut résumer les résultats ainsi :

Coupure de courant capacitif

Les essais de type réalisés pour un courant nominal de 400 A, comme spécifié par les normes, sont non seulement valides pour les courants inférieurs ou égaux à 400 A, mais aussi pour des courants capacitifs supérieurs, parce que les courants plus élevés exercent un effet positif. Cet effet est plus prononcé avec les interrupteurs à vide, essentiellement au plan des surfaces de contacts, que pour les interrupteurs SF₆. Le Groupe de Travail conclut que même des courants capacitifs significativement plus élevés que le courant d'essai n'ont pas d'impact sur la classe de performance de l'appareillage. Une approche prudente pourrait être de se limiter à des courants supérieurs de 50% à la valeur d'essai. Le comportement à la coupure dépend dans une certaine mesure de la valeur crête du courant d'appel et de l'érosion associée des contacts.

Valeur crête du courant d'appel

Tant que le courant d'appel est inférieur à la valeur de l'essai, on peut considérer que la détérioration des surfaces de contact au cours d'une manœuvre est inférieure à celle qui est constatée dans un essai de type où la valeur crête la plus élevée du courant d'appel (la valeur nominale) est appliquée. En particulier les interrupteurs à vide affichent une relation opposée entre valeur crête du courant d'appel et capacité de coupure. Par conséquent, les courants d'appel crêtes au-dessus de la valeur nominale ne peuvent pas être autorisés, sauf à prouver que la détérioration des contacts par les courants d'appel plus élevés est inférieure à celles constatée lors des essais, ce qui dépend de la fréquence du courant d'appel. Un nouveau paramètre a donc été introduit qui est l'intégrale du courant d'appel, ICI, qui est une mesure indirecte approchée de l'érosion des contacts. Dans la figure 4 on compare les valeurs ICI pour la commutation de bancs en cascade et de banc simple pour différents courants capacitifs, avec cependant la même durée de pré-arc et le même facteur d'amortissement. Comme le courant capacitif et la valeur crête du courant d'appel sont fixés dans la Figure 4, les fréquences du courant d'appel varient entre 1 400 Hz et même 16 800 Hz pour la manœuvre de cascade et entre 300 Hz et 950 Hz pour celle du banc simple. Dans l'hypothèse d'un ICI égal ou moindre le Groupe de Travail pense qu'une extension à des courants d'appel de valeur crête supérieure pourrait être possible, sans impact négatif sur la performance de commutation. L'intérêt des dispositifs alternatifs est de réduire la valeur crête du courant d'appel.

Voir une image plus grande

Fréquence du courant d'appel

Sauf pour les interrupteurs à huile, le comportement des dispositifs de commutation ne dépend pas de la fréquence du courant. Des fréquences sensiblement plus élevées ou plus faibles que la fréquence spécifiée dans les normes (4 250 Hz) peuvent être appliquées aux interrupteurs à vide et SF₆. En tout cas la manœuvre d'un bac simple implique des fréquences beaucoup plus basses de courant d'appel que celle d'un banc en cascade, et la norme n'exige pas d'essais séparés si la commutation de cascade a été vérifiée. Pour réduire la valeur crête du courant d'appel et ICI, des inductances série additionnelles peuvent être installées. Elles ont pour effet automatique de réduire la fréquence du courant d'appel et ont un impact positif sur le comportement à la coupure du fait de la réduction du courant d'appel. La fréquence est spécifiée dans les normes essentiellement pour définir un circuit d'essai commun.

Endurance électrique

Au vu des réponses à l'enquête le Groupe de Travail conclut que les essais de type actuels, conformes aux normes, sont une méthode appropriée d'évaluation de la performance des équipements de manœuvre des bancs de condensateurs. L'enquête a révélé que les utilisateurs sont en général satisfaits de ces performances. Cette satisfaction doit être appréciée à la lumière du constat que plus de 50% des réponses indiquent que leurs équipements sont manœuvrés journellement, ce qui représente facilement plus de 1000 opérations sur deux ans. Ceci conforte la perception positive du Groupe de Travail du fait que comportement au réamorçage des appareillages et des disjoncteurs de condensateurs, testés conformément à la norme, est satisfaisant en exploitation, ou tout du moins que s'il y a des réamorçages, ils me sont pas perçus et ne sont donc pas destructifs.

Le bon comportement dans la commutation des cascades de condensateurs, vérifié par les 104 opérations triphasées ou les 168 opérations monophasées, demandées par les normes CEI 62271-100 et IEEE C37.09 pour la classe C2 peut être extrapolé à au moins 500 opérations aléatoires en exploitation, si on tient compte de la procédure d'essai accélérée requise dans les normes, et il peut probablement être étendu à un nombre d'opérations beaucoup plus élevé. Parfois lors d'expérimentations plusieurs milliers d'actions de connexion et de déconnexion ont été réalisées. Les contacts de coupure ont montré, lors d'une inspection post essai, une détérioration allant jusqu'à une érosion sévère et une fonte. On n'a pas pu déterminer son impact sur la probabilité de réamorçage. Dans le Chapitre 4 de la BT on examine dans le détail les facteurs qui influencent les réallumages et les réamorçages après la coupure du courant, séparément pour les cas des dispositifs à vide et à SF₆. Les caractéristiques du courant d'appel sont, parmi d'autres, le facteur qui influence le plus la performance de coupure. Pour les interrupteurs à vide, pour lesquelles il reste encore beaucoup de questions ouvertes sur les processus physiques prépondérants, la détérioration des contacts due à la rupture de soudures microscopiques créées par les pré-arcs, et à la fonte de grandes zones de la surface provoquée par les courants d'appel élevés est essentielle. Pour les interrupteurs à SF₆, c'est la modification graduelle de la géométrie des contacts et des buses, provoquée par l'érosion due aux courants d'appel élevés, qui est déterminante.

Conclusion

Le CE A3 du CIGRE maintient à jour l'état de l'art en matière d'appareillages de connexion. La BT donnera à ses lecteurs une compréhension très complète des capacités de manœuvre et des performances des dispositifs destinés à mettre sous tension, et hors service, les bancs de condensateurs. Les spécificités des interrupteurs à vide et à SF₆ sont exposées et évaluées, afin que les utilisateurs puissent en comprendre les performances et comportements différents en exploitation. Des instructions sur le choix des dispositifs de commutation destinés à l'exploitation de bancs de condensateurs, simples ou cascades, en fonction des spécifications et des capacités annoncées par les constructeurs et vérifiées par les essais de type.