Problèmes liés à la mise en oeuvre de la compensation série dans les réseaux électriques en cas de surcompensation de ligne

Il existe au moins une ligne à 400 kV surcompensée, entre la Suède et la Finlande ^[1]. A l'origine, en 1997, la ligne d'interconnexion était compensée série, avec un taux de compensation d'environ 70%. La création en 2016 d'un poste sur le parcours de la ligne a créé une ligne compensée à 140%, comme montré sur la Figure 1.

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On manque de littérature accessible sur la façon dont les lignes surcompensées affectent le fonctionnement du réseau électrique, la tension en régime  permanent et en régime dynamique, les résonances, les tensions transitoires, les tensions transitoires de rétablissement des disjoncteurs des lignes, et la protection des lignes surcompensées et des lignes qui leur sont adjacentes. Il existe des publications sur ces sujets mais pour des systèmes électriques pour lesquels le niveau de compensation est normal, de 40 à 80%

Dans la Brochure Technique (BT) on traite également du cas des lignes compensées à un niveau classique, dont un tronçon est surcompensé, même si la réactance effective de la liaison complète reste inductive. Un tronçon de ligne surcompensé correspond à la portion de la ligne proche de l'extrémité où les condensateurs série sont installés, et où la création d'un poste crée une ligne surcompensée. Sur la Figure 2 on montre des tronçons de ligne surcompensés pour trois positions de condensateurs série sur une ligne compensée à 70%.

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Quelques BT CIGRE ont traité du sujet de la compensation série pour des niveaux de compensation normaux. Par exemple la BT CIGRE 693 traite des équipements utilisées pour la compensation série (et shunt), et la BT CIGRE 554 s'est intéressée à l'évaluation des performances et a analysé les dispositifs existants de condensateurs séries commandés par thyristor. La BT CIGRE 411 a traité de la protection, du contrôle et de la surveillance des réseaux série compensés.

La présente BT s'intéresse plus particulièrement des impacts de la surcompensation des lignes de transport, sur les problèmes suivants du fonctionnement et de la protection des réseaux électriques, impacts bien connus dans le cas de niveau de compensation normaux :

• Les niveaux de tension en régime permanent et les fluctuations  de tension qui peuvent impacter le choix des niveaux d'isolement de base ;
• La stabilité et les tensions dynamiques d'un réseau électrique comportant des lignes surcompensées ;
• Les tensions anormales apparaissant en cas de défaut en réseau, dont les tensions transitoires ;
• Les tensions transitoires de rétablissement des disjoncteurs ;
• La ferrorésonance ;
• Les phénomènes de résonance subsynchrone, et
• Les problèmes et les stratégies de protection.

Les compensations série, dont la surcompensation, améliorent la stabilité en cas de défauts de réseau, affectent les courants de défaut, les tensions en régime permanent, les surtensions dynamiques et transitoires, et accroissent les tensions transitoires de rétablissement aux bornes des disjoncteurs.

Enseignements retenus

Les principaux enseignements sont les suivants :

• Dans les postes raccordés aux tronçons de ligne surcompensés, les variations de tension et les risques de surtension sont accrus, avec l'augmentation de la capacité des condensateurs série et l'augmentation du niveau de compensation.
• Les surtensions transitoires ont tendance à être plus élevées en cas de surcompensation, avec des valeurs de capacité plus fortes, des lignes plus longues et courants capacitifs nominaux plus élevés. Les valeurs plus élevées de capacité sont associées à des degrés de compensation élevés, ou à des lignes plus longues avec le même niveau de compensation. De même un courant nominal plus fort du condensateur série conduit à une charge maximale plus forte du condensateur, qui entraine des surtensions plus élevées. On peut envisager des contremesures mais elles sont coûteuses. A titre d'illustration une augmentation du niveau de compensation de 60% à 140% peut faire passer les surtensions transitoires de 1,25 p.u. à 2,59 p.u.
• Les tensions transitoires de rétablissement sont affectées des mêmes problèmes que les surtensions transitoires. Les tensions transitoires de rétablissement et la vitesse de montée de la tension de rétablissement semblent croître avec le niveau de compensation, mais il existe des contremesures applicables.
• Les problèmes de contrôle de la tension et de coordination d'isolement augment avec la surcompensation.
• La surcompensation conduit à des risques accrus de ferrorésonance, avec entre autres un risque de résonance à la fréquence fondamentale. Une ligne surcompensée connectée aux capacités réparties du réseau et des réseaux connectés peut provoquer une situation dans laquelle, au point de connexion, un système de contrôle actif de tension voit un système compensé à 100%, qui est résonant à la fréquence fondamentale.
• Quand on planifie le réseau on doit éviter une compensation à 100% . S'il n'est pas possible d'éviter la compensation à 100%, il faut procéder à des études de simulation détaillées pour vérifier le bon fonctionnement.
• La surcompensation peut conduire à des pertes supplémentaires si des axes de transport parallèles présentent des ratios X/R différents.
• Avec une surcompensation il devient plus important d'utiliser des protections différentielles comme protection principale de ligne pour plusieurs raisons , dont en particulier un risque plus élevé d'inversion du courant avec la surcompensation.

Les études n'ont pas trouvé de raisons techniques qui interdiraient complètement la surcompensation d'une ligne. Les conséquences listées auparavant peuvent appeler des mesures coûteuses de correction des phénomènes néfastes, ou conduire à des coûts d'exploitation plus élevés (par ex. des pertes élevées). Il faut donc procéder à des analyses techniques et économiques rigoureuses avant de décider qu'investir dans une surcompensation est faisable. La surcompensation conduit à un système électrique plus complexe et il peut souvent être préférable d'abandonner cette option. Des études et analyses sérieuses sont par conséquent nécessaires et la BT donne un éclairage sur ce qu'il faut étudier et sur la façon d'organiser les recherches.  

Les contrôles de la tension et de la puissance sont habituellement conçus pour des systèmes électriques inductifs. Il faut donc que la somme totale des réactances du réseau série compensé, incluant les impédances équivalentes des sources, des transformateurs, des lignes et des capacités série, soit inductive. Les lignes surcompensées, ou compensées normalement, comportent un tronçon surcompensé (capacitif) à proximité des condensateurs série. Ajouter un contrôle de tension actif sur le tronçon entraine une augmentation de la tension quand la charge est active, un comportement qui est contraire au cas normal et qui est expliqué dans la BT. La seule solution viable pour le réglage de la tension du tronçon surcompensé (ou compensé à près de 100%), est indirecte et consiste à régler la tension hors du tronçon surcompensé.

Avec des lignes surcompensées la ferrorésonance a plus de probabilité de se produire en association avec des transformateurs à vide connectés radialement aux lignes série compensées.

Les manœuvres inopinées de lignes surcompensées peuvent produire des fréquences naturelles dans mode super-synchrone et les couples transitoires et leur impact doivent être étudiés pour confirmer qu'aucune résonance de fréquences super-harmoniques ne se manifestera.

Une analyse rigoureuse est nécessaire pour écarter le risque d'interaction sub-synchrone du contrôleur avec un réseau surcompensé. Plusieurs  cas d'interactions sub-synchrones de contrôleur sont relatés dans la littérature.

La protection des lignes surcompensées et des lignes adjacentes appelle une attention particulière. Les inversions de tension et de courant peuvent se produire lors de certains défauts, pour des lignes série compensées ou surcompensées. La surcompensation modifie l'inversion de la tension et semble augmenter les tronçons de ligne sur lesquels les défauts provoquent une inversion de courant, comme les résultats de simulation le montrent sur la Figure 3. La Figure 2 montre quels sont les tronçons de ligne où un défaut en ligne peut provoquer des inversions de tension et de courant, pour deux niveaux de compensation. Le système simulé comporte une ligne série compensée, des lignes adjacentes aux deux extrémités, et des réseaux équivalents. La BT propose deux méthodes de calcul des tronçons de ligne sur lesquels des défauts  peuvent provoquer des inversions de tension et de courant. Elles aident à planifier et à analyser le système de protection.

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Pour les lignes surcompensées il est préférable d'utiliser des protections différentielles plutôt que des protections de distance. Les protections différentielles ne sont pas affectées par les inversions de tension, mais elles peuvent dans certains cas rencontrer des problèmes avec les inversions de courant, si des actions correctives appropriées ne sont pas apportées. Si des protections de distance sont utilisées elles doivent être adaptées à l'inversion de tension.