Techniques de mesure et caractéristiques des surtensions transitoires rapides et très rapides dans les postes et les stations de conversion

Pour la majorité des matériaux isolants, le niveau de tenue de tension et le vieillissement dépendent des caractéristiques de la forme d'onde de la tension appliquée, alors que pour la plupart des équipements électriques à haute tension, les essais de tenue d'isolation sont réalisés, en appliquant des formes d'onde de la tension spécifiées dans les différentes normes internationales spécifiques particulières à chaque produit (telles que l'impulsion normalisée de tension de foudre, l'impulsion normalisée de tension de manœuvre, etc.). Cependant les formes d'ondes de tension réelles qui apparaissent en exploitation peuvent être sensiblement différentes des impulsions normalisées de tension mises en œuvre dans les essais à haute tension (voir Figure 1), et peuvent donc faire courir un risque imprévisible de dommage pour l'isolation des équipements électriques ^[1].

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L'occurrence de tels transitoires de tensions en exploitation, présentant des caractéristiques nouvelles et non prises en considération, rend nécessaire de réexaminer l'applicabilité des normes existantes d'essais haute tension et des normes de coordination d'isolement, tout particulièrement dans le cas des réseaux électriques opérant à des niveaux de tensions nouveaux et plus élevés, en présence de réseaux mettant en œuvre de nombreux équipements électriques nouveaux. En plus les transitoires de tension causés par les défauts de réseau contiennent beaucoup d'informations sur les origines et le développement des défauts, informations qu'on peut utiliser pour analyser les causes des défauts et pour les localiser. Les mesures sur site des tensions transitoires effectives, rapides et très rapides, présentent donc un intérêt, et peuvent aider à mettre au point des méthodes acceptables d'essais diélectriques et des schémas de conception de l'isolation plus économiques, en plus de contribuer à l'analyse des causes des défauts de réseau.

Les transitoires de tension rapides et très rapides présentent normalement des durées de front (temps de montée) très rapides et, donc, un spectre de fréquences très large. La durée de front peut être inférieure à quelques nanosecondes, ce qui correspond à des plages de fréquence allant de la fréquence du réseau à 100 MHz. En même temps l'occurrence de certains transitoires de tension, tels que les transitoires de foudre ou de défaut, n'est pas prédictible. Malheureusement les équipements classiques de mesure de la tension (comme les transformateurs capacitifs de tension, les transformateurs de potentiel, etc.) qu'on trouve normalement dans les postes, sont habituellement incapables de mesurer des transitoires de tension rapides et très rapides, du fait de leur bande passante réduite et de leur faible fréquence d'échantillonnage.

Les mesures in situ les caractéristiques des transitoires de tension rapides et très rapides impliquent des systèmes de mesure présentant des performances très élevées. Au cours des dernières années certains instituts, des universités et des compagnies, ont mis au point plusieurs sortes de système de mesure pour répondre au cas des transitoires de tension rapides et très rapides. Les mesures de telles tensions transitoires réalisées sur site ont aidé les chercheurs à mieux comprendre les nouveaux phénomènes de surtensions, à résoudre les problèmes d'isolation correspondants, et à examiner l'applicabilité des normes existantes d'essais haute tension et des normes de coordination des isolements, mais il subsiste toujours, pour les transitoires de tension dans les réseaux existants, de nombreuses questions sans réponse. En même temps la mise en œuvre de nouveaux équipements électriques, et de nouvelles technologies de transport de l'électricité, fait en permanence apparaitre de nouveaux phénomènes, et il peut y avoir un besoin à long terme de mesures in-situ des transitoires de tension. Comme on ne dispose pas de guides ou de normes pertinents, les chercheurs et les ingénieurs appelés à réaliser des mesures sur site peuvent avoir à répondre aux questions suivantes :

1. Comment choisir les capteurs, les techniques de transmission de signaux et les instruments d'enregistrement appropriés à la mise en place d'un système de mesure qui permette de répondre à la situation rencontrée ?
2. Comment spécifier les exigences de fonctionnement du système de mesure, pour assurer la précision des mesures des transitoires de tension ?
3. Comment tester les performances du système de mesure pour vérifier si elles répondent aux attentes, et comment calibrer le système ?
4. Pour l'exécution des mesures sur le site, quelles sont les configurations correctes, et quels sont les résultats typiques obtenus par certains chercheurs et ingénieurs ?

Contenu de la Brochure Technique

Afin de fournir des éléments des référence fondamentaux à ceux qui sont concernés par les questions de surtension en exploitation, et pour constituer une base technique pour une éventuelle préparation d'une norme technique, la Brochure Technique (BT) couvre les aspects suivants:

1. On examine les classifications, les définitions, et les caractéristiques des transitoires de tension, ainsi que les concepts de base de la mesure des transitoires spécifiés dans les normes existantes.
2. On présente les principes de base, les aspects techniques clés, les avantages et les inconvénients, ainsi que les performances, de multiples techniques de capteurs. On décrit les techniques appropriées de transmission et d'enregistrement des signaux.
3. On suggère des exigences de performances et des méthodes d'essai des systèmes de mesure, avec des instructions sur la sélection des paramètres de performance, tels que la précision de mesure, la largeur de bande, les facteurs d'échelle, etc.  
4. A titre de références pour les utilisateurs, on donne des exemples d'étude de cas de mesures sur site.
5. On donne des directives destinées à aider les utilisateurs à traiter les problèmes connexes de compatibilité électromagnétique (EMC) rencontrés quand on procède à des mesures de transitoires très rapides (VFT), comme les conditions de mise à la terre et le blindage, la prévention des dommages aux équipements sensibles, etc.

Dans la BT les résultats des examens réalisés montrent que le capteur de traversée et le capteur de champ électrique sans contact sont les principales techniques de mesure des tensions transitoires de manœuvre dans les postes à isolation dans l'air (AIS). En outre un capteur de traversée bien conçu présente une limite de fréquence haute se situant entre 1 à 2 MHz. ^[2]

Le capteur sans contact basé sur la technique électrotechnique traditionnelle présente une limite de fréquence haute de plusieurs MHz ^[3], alors que la technique de mesure optique sans contact possède des possibilités en fréquence allant du courant continu CC à plus de 100 MHz. ^[4]B. Filipovic-Grcic, B. Jurisic, S. Keitoue, I. Murat, D. Filipovic-Grcic and A. Zupan, “Analysis of Overvoltages on Power Transformer Recorded by Transient Overvoltage Monitoring System,” in 5th International CIGRE Colloquium "Transformer Research and Asset Management", Opatija, Croatia, 2019.Lubomir Kocis. FTO and VFTO – Generation and measurement techniques during decades in EGU HV LAB. C4.45 working group report, 2017

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En règle générale le capteur à électrode intégré et le capteur hublot conviennent pour les mesures des tensions transitoires dans les GIS. Le capteur intégré à électrode présentant une limite en fréquence supérieure à 10 MHz ^[5]. Généralement un capteur hublot bien conçu présente une limite en fréquence basse de plusieurs mHz et une limite en fréquence haute dépassant 100 MHz ^[6].

Pour garantir la précision de la mesure, une série d'exigences de performances du système de mesure est spécifiée. Une incertitude inférieure à 10% est acceptable pour des mesures sur site. Les limites à 3 dB et à 1 dB des fréquences basses du système de mesure sont proposées se situer en dessous de 10 Hz et de 50 Hz, respectivement. Quant aux limites des fréquences hautes les valeurs recommandées sont pour les SFO, les FFO, et les VFFO, respectivement de 20 kHz, 2 MHz, et 100 MHz. La fréquence d'échantillonnage ne doit pas être inférieure 20 fois l'inverse du temps de montée, ou inférieure à 4 fois la fréquence la plus élevée de la composante d'oscillation

Pour guider les utilisateurs dans le test de leur système de mesure on présente également dans la BT les méthodes de test concernant la largeur de bande et le facteur d'échelle. La méthode du balayage en fréquence est privilégiée pour la détermination des caractéristiques de fréquence du système de mesure, pour une limite en fréquence haute inférieure à quelques MHz. Pour un système de mesure VFFO, on peut déterminer les deux limites de largeur de bande par une réponse à un échelon et une réponse CC, ou une réponse à une impulsion "longue queue", respectivement. La méthode de calibration du facteur d'échelle doit être choisie soigneusement en fonction de la configuration, du principe de captation et de la dépendance du système de mesure à l'installation de l'alimentation en puissance.

Les résultats de mesure amènent à conclure que le transitoire de tension le plus rapide pour un poste AIS est représenté par un temps de montée de quelques centaines de nanosecondes. A titre d'exemple pratique on montre sur la Figure 3 un transitoire de tension typique mesuré en exploitation. Dans les projets CA THT, la forme d'onde de transitoires à longue durée de front mesurée constitue une référence importante pour proposer des essais de tenue aux chocs de tension à long temps de montée pour les équipements CA THT.

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Les formes d'onde des transitoires de tension de foudre réels auxquels sont soumis les équipements de poste sont essentiellement représentées par une forme d'onde amortie d'une oscillation bipolaire, de temps de montée de l'ordre de 1 microseconde à 0,1 milliseconde, qui est tout à fait différente de la forme d'onde normalisée actuelle de l'impulsion de tension de foudre. En conséquence des discussions sont lancées du fait de cette différence avec la forme d'onde de l'impulsion de tension du choc de foudre appliquée très communément dans les essais haute tension.

Les résultats de la mesure sur site montrent que les VFFO les plus rapides présentent une durée de front de quelques nanosecondes seulement, avec une composante à haute fréquence à plus de 50 MHz. Le VFFO réel dépend de la phase de l'action de manœuvre, de la charge résiduelle, de la longueur du jeu de barres, de la capacité répartie du circuit, etc. Ils confirment aussi l'effet positif de la résistance d'amortissement du circuit, qui réduit l'amplitude des VFFO.

Conclusion

La Brochure Technique peut contribuer à aider les utilisateurs à concevoir et à développer leur propre système de mesure des transitoires de tension, à garantir la précision et la reproductibilité des mesures en exploitation réalisées par des groupes différents, et à mieux comprendre les phénomènes des transitoires rapides et très rapides et leurs effets dans les réseaux électriques.