Evaluation des surtensions temporaires dans les réseaux électriques dues aux résonances harmoniques de rang faible

On considère que la durée d'une TOV impacte les caractéristiques de la tenue en tension, et ceci a été reconnu en 1998 par CIGRE avec la publication de courbes de tenue en fonction du temps pour différents équipements (Figure 1) dans “Caractéristiques de tenue aux surtensions temporaires des équipements à très haute tension”, ELECTRA 179). 

La dimension importante qui manque dans la norme CEI, et dans les autres documents de référence, vient de ce que les fréquences autres que la fréquence industrielles ne sont pas prises en considération. Comme la norme CEI le note quand elle définit la TOV "Dans certains cas sa fréquence peut être plusieurs fois plus bases ou plus élevée que la fréquence industrielle". De même le document de référence CIGRE de 1998 mentionne que" ce problème devrait un sujet d'études supplémentaires".

La Brochure Technique (BT) se propose d'apporter un certain éclaircissement sur le sujet, en se focalisant sur les TOV provoquées par les résonances harmoniques de rang faible. Ce dernier type de TOV n'était pas significativement fréquent jusqu'à ces derniers temps, mais il est en train de devenir plus en plus probable avec l'utilisation grandissante des câbles dans les réseaux de transport, avec l'accroissement des distances entre les réseaux maillés et les centres de production raccordés par des liaisons radiales (par ex. les parcs éoliens offshore), et avec l'affaiblissement de la robustesse des réseaux (c. à d. puissance de court-circuit plus faible). Tous ces facteurs contribuent à décaler les résonances vers les fréquences harmoniques de rang faible (par ex. 2ème et 3ème rang). En cas d'excitation par un courant harmonique (par ex. une saturation de transformateur lors de la mise sous tension programmée ou lors d'une élimination de défaut), une TOV se produit contenant à la fois une composante à la fréquence industrielle et une composante harmonique significative. La tenue en tension pour ces conditions n'est définie ni dans les publications, ni prise en compte dans les essais normalisés des équipements, ce qui amène des interrogations sur l'impact potentiel de ces TOV sur le vieillissement des équipements, leur détérioration, et même leur défaillance.

La BT commence par une présentation générale des événements qui peuvent conduire à des TOV, en s'intéressant plus particulièrement aux résonances harmoniques de rang faible. Les impacts de ces composantes harmoniques sur l'isolation des transformateurs et des inductances shunt et sur les parafoudres (Sas) sont décrits. Une méthode nouvelle de modélisation et de sélection des parafoudres est proposée pour la simulation et les études des TOV contenant des composantes harmoniques.

De plus dans la BT on présente, et on décrit en détail, diverses méthodes d'évaluation des TOV contenant des harmoniques de rang faible. Les méthodes sont destinées aux opérateurs de système et aux experts des systèmes électriques, et leur développement est fondé sur diverses hypothèses. Il en résulte qu'il est possible que résultats obtenus soient différents et il faut donc que leur fondement théorique soit compris par leur utilisateur. Plus précisément ces méthodes d'évaluation des TOV sont (Figure 2) :

• La méthode des fenêtres mobiles utilisant les valeurs efficaces et crêtes: Une fenêtre mobile est déplacée sur la forme d'onde d'un pas de temps fixé, les valeurs efficaces et crête maximales sont enregistrées. Le processus est répété avec des tailles différentes de la fenêtre mobile, tailles définies comme des multiples entiers de la période de la fréquence industrielle, Les données enregistrées sont ensuite positionnées sur un plan temps-tension, avec la taille de la fenêtre correspondant au temps-(durée), et sont comparées aux courbes de tenue de référence. Les valeurs efficaces correspondent à la contrainte thermique et les valeurs crêtes à la contrainte diélectrique.
• L'utilisation de la méthode du gabarit: développée conjointement par un opérateur de système électrique et de constructeurs de transformateurs, la méthode associe différentes limites de surtension, de la plus haute à la plus basse, pour déterminer une durée "acceptable de surtension". Au terme gabarit pour différents types de transformateurs. correspondent des tableaux de référence donnant des limites de tension phase à phase et phase terre 
• La méthode d'évaluation pour transformateurs de puissance, basée sur la fréquence: Dans cette méthode on considère que la tenue d'un transformateur est liée à chaleur emmagasinée et à sa dissipation. La tension de tenue à la fréquence industrielle - qui devrait être une information disponible- est convertie en utilisant le ratio de tenue diélectrique pour la fréquence harmonique dominante de la TOV.
• La méthode d'évaluation de la tenue des parafoudres: L'absorption d'énergie des parafoudres est évaluée au moyen de simulations EMT et les résultats sont comparés à la limite de tenue en énergies des parafoudres. Pour l'évaluation des TOV avec composante harmonique, une caractéristique V-I minimale est définie et doit être utilisée pour modéliser le parafoudre, comme proposé dans la BT.

La BT propose en outre des informations sur l'approche et la réalisation des études de simulation des TOV causées par des résonances harmoniques. A cette fin un réseau d'essai est utilisé pour produire de telles TOV en simulant différents événements, comme par ex. l'alimentation d'un transformateur, l'élimination d'un défaut, un réenclenchement... Les méthodes d'évaluation sont appliquées pour certaines de ces TOV, dans le but de montrer au lecteur à la fois leur mise en œuvre et une comparaison de référence. A titre d'exemple le Tableau I permet de comparer les différentes méthodes pour le cas de l'élimination d'un défaut proche d'un transformateur pour deux charges. Dans cet exemple particulier, il est montré que toutes les méthodes concluent à une absence de risque si la charge est supérieure à 50 MW, alors que deux des méthodes concluent au besoin d'une analyse détaillée pour une charge inférieure à 30 MW.

La mise en œuvre de mesure d'atténuation devient une nécessité quand il existe un risque de surtensions temporaires avec composante harmonique excessives. Diverses mesures d'atténuation sont présentées dans la BT. Certaines sont bien connues pour les TOV à fréquence industrielle, comme leur atténuation par des contraintes d'exploitation, par la manœuvre contrôlée de transformateurs, par l'utilisation de résistances de pré-insertion ou  l'utilisation de protection à minimum de tension. Les autres parades sont spécifiques à la maitrise des contraintes due à la composante de résonance, telles que l'atténuation par des filtres harmoniques de type C ou un désaccord temporaire des résonances du système électrique. La procédure de mise en œuvre, les besoins et les limitations de ces mesures sont exposées de façon détaillée. Le Tableau II donne une vue d'ensemble des méthodes, avec leurs principaux avantages et inconvénients, et leur degré de maturité, en matière d'atténuation des résonances harmoniques.

Du fait des évolutions rapides que connaissent les réseaux de transport existants, on s'attend à ce que ces types de TOV deviennent de plus en plus fréquents, les mises en souterrain du réseau (c. à d. avec l'utilisation de câbles de puissance) et les longues liaisons d'évacuation continuant à se multiplier. Ceci aura pour résultat de voir de nouvelles solutions tirées de l'expérience. Bien que la BT couvre de nombreux aspects de la question, il reste des questions en suspens qui appellent des réponses, et qui requièrent des études et des consensus supplémentaires. Il est recommandé qu'un nouveau groupe de travail soit créé dans un avenir proche, intégrant des experts des équipements nouveaux iles plus importants. L'objectif de ce groupe de travail serait de décrire en détail et de quantifier les impacts des harmoniques de la tension sur le comportement des isolations. Il est considéré que les TOV de résonance harmonique entrent dans la catégorie des formes d'onde non normalisées, et que la pertinence des essais de type existants pour caractériser ces contraintes de TOV devrait par conséquent être révisée et, si c'est jugé nécessaire, que soit examinée la possibilité de définir des formes d'onde et des procédures d'essai nouvelles. Cette information pourrait être ensuite utilisée par les experts du fonctionnement des réseaux pour améliorer encore les outils d'évaluation existants, pour mettre au point les stratégies les meilleures pour minimiser l'impact de ce type de TOV sur le réseau, et pour recommander des spécifications d'équipement.