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8/2/2019 ct174 - protection des rseaux HTA industriels
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n 174protection desrseaux HTA
industriels ettertiaires
Andr SASTRE
Ds 1966 il se spcialise dans lesmesures lectrotechniques et lesautomatismes industriels.Ingnieur autodidacte en 1971.Il entre chez Merlin Gerin en 1988 etparticipe la cration de lactivitProtection-Contrle-Commande HTA.
Il est maintenant charg delanimation du rseau commercialpour cette activit.
CT 174 dition dcembre 1994
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lectrisation :action de communiquer une chargelectrique un corps, tat dunepersonne relie un lment sous
tension.lectrocution :mort accidentelle cause par le courantlectrique, phase ultime dellectrisation.
HTA et HTB :les niveaux de tensions font lobjet dediffrents classements selon lesdcrets, les normes, et autresspcifications particulires telles cellesde certains distributeurs dnergie, ainsien ce qui concerne les tensionsalternatives suprieures 1 000 V :s
le dcret franais du 14 novembre1988 dfinit deux domaines detension : HTA = 1 kV < U 50 kV,HTB = U > 50 kV.s la publication CEI 71 prcise desgammes de tensions les plus levespour le matriel :s gamme A = 1 kV < U < 52 kV,s gamme B = 52 kV U < 300 kV,s gamme C = U 300 kV.
AMDEC :mthode dtude, Analyse des Modesde Dfaillance, de leurs Effets et deleur Criticit, dans laquelle selon une
dfinition de la CEI 812 un mode dedfaillance est un effet par lequel onobserve la dfaillance dun lment dusystme tudi.
BTA et BTB :catgories de tensions dfinies par le
dcret du 14 novembre 1988 :
s en alternatif
50 V < BTA 500V500 V < BTB 1000V
s en continu (taux dondulation < 10 %)
120 V < BTA 750V750 V < BTB 1500V
Ces deux catgories sont regroupesdans le domaine I selon la CEI 364 et
NF C 15-100,
courant diffrentiel rsiduel :somme vectorielle des courants
parcourant tous les conducteurs actifs(phases et neutre) dun circuit en unpoint de linstallation (aussi appel
courant rsiduel).
Une rvision est prvue, elle retient
seulement deux gammes :
s gamme I = 1 kV < U 245 kV,
s gamme II = U 245 kV.
mesure RMS -Root Mean Square- :valeur du courant efficace, courants
harmoniques compris =
Ieff = Ih12
+ Ih3
2
+ Ih5
2
+ ... + Ihn
2
+ ...
avec
h1 = harmonique de rang 1,
h3 = harmonique de rang 3,
hn = harmonique de rang n.
Pcc :puissance de court-circuit.
stabilit dynamique dun rseau :
facult qua un rseau, comportantplusieurs machines tournantes
asynchrones et synchrones,
de reprendre un fonctionnement normal
la suite dune perturbation brutale
ayant entran une modification
provisoire (cas dun court-circuit)
ou dfinitive (ouverture dune ligne)
de sa configuration.
lexique
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protection des rseaux HTAindustriels et tertiaires
sommaire
1. protection lectrique et sret les consquences dun p. 4dfaut lectrique
le besoin de lexploitant p. 4
la structure dun rseau p. 4lectrique
le plan de protection p. 5
la slectivit p. 7
la fiabilit des protections p. 8
les fonctions de protection p. 8et de contrle-commanderunies
2. les types de slectivit et slectivit ampremtrique p. 10
slectivit chronomtrique p. 10
slectivit logique p. 11
protection diffrentielle p. 12
protection directionnelle p. 14
protection minimum p. 15dimpdance
la slectivit optimale p. 16
synthse demploi des p. 18diffrents types de protections
3. emploi des protections prcautions de choix et p. 19demploi des protections
prcautions relatives p. 20aux capteurs
prcautions relatives p. 21au rseau
4. guide de choix p. 225. conclusion p. 24
6. informations pratiques donnes ncessaires p. 25pour raliser une tudede slectivit
diagramme de slectivit p. 25
7. bibliographie p. 27
La protection des rseaux lectriquesncessite la mise en uvre denombreuses et diffrentes techniquesdont lorganisation, ou plan deprotection, ncessite les comptencesdun spcialiste.
En effet, ce travail impose de connatreles rglements et les normes, maisaussi de concilier des aspects technico-conomiques qui parfois sopposent.Ce spcialiste doit satisfaire le besoinde lexploitant en termes de scurit etde disponibilit de lnergie lectrique.Latteinte de cet objectif de sretdpend pour une trs grande part de laslectivit entre les dispositifs deprotection.
Pour permettre un non spcialiste dedialoguer utilement avec le concepteurdune installation lectrique HTA, ceCahier Technique aborde simplementces techniques de protection et deslectivit. Un lecteur dj informpourra entamer sa lecture partir dudeuxime chapitre, et un praticien seporter directement au chapitre trois.
de protection
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fig. 1 : il y a slectivit entre les protections A
et B ainsi que B et C lorsque pour tout dfaut
en aval de A, seul le disjoncteur A souvre,
alors que le courant de dfautId a aussi t
dtect par B et C.
le besoin de lexploitant
Si ce besoin devait tre exprim par unseul mot, ce serait SRET.Ce mot a plusieurs acceptions (cf.Cahiers Techniques n 134 et 144),dans ce document les deux sensretenus sont :s scurits disponibilit,mais abords sous langle desprotections lectriques.
Ainsi, les dispositifs de protection ontune forte incidence sur la scurit, carils doivent liminer au plus vite undfaut pour protger les personnes etles biens contre ses consquences
(accident corporel, dgt matriel).
Ces mmes dispositifs influentfortement sur la disponibilit, car :s leur slectivit limite la zone affectepar un dfaut,s ils minimisent le dlai dertablissement de la tension,s par leurs auto contrles, mieux leursauto diagnostics, ils rduisent le risquede non fonctionnement et dedclenchement intempestif,s ils donnent lexploitant la possibilitde diagnostiquer distance (cest lafonction communication),
s ils peuvent intgrer desautomatismes de reprise de service(relestage, squences de redmarrage,permutation...).
Il convient de remarquer que la scuritsoppose la disponibilit puisque lesdispositifs automatiques de protectionprovoquent souvent des interruptionsde service. Ainsi le niveau de sretretenu pour une installation est lersultat dun compromis qui tientcompte dune multitude de choixformaliss par le plan de protection.
En consquence toute modification, encours dtude ou ultrieure, doit tresoigneusement analyse quant sesrpercussions sur la scurit et ladisponibilit. Pour cela, les diffrentsniveaux de sret recherchs sur unrseau doivent imprativement trefixs :s ds ltude de conception, donc bienavant le choix des constituants,s et lors du choix du mode de conduite.
la structure dun rseau
lectriqueElle est souvent reprsente par unschma unifilaire qui prcise lesprincipaux constituants du rseau(transformateur, alternateur,machines,) et comment ils sont lisentre eux (ligne, jeu de barres, ). Leniveau de continuit de service dpendfortement de sa structure.
En effet les types de protections et lestechniques de slectivit sont choisis selonle schma retenu (en antenne, doubledrivation, boucle, simple ou double jeu debarres,...), mais aussi selon la positionrelative des constituants (cf. CahierTechnique n 169).Pour satisfaire le besoin de lexploitantle plus conomiquement possible, lamthode suivante peut tre conseille,elle comporte quatre phases :1 - se fixer les objectifs de sret parzone dutilisation de lnergie,2 - crer une structure de rseau enpartant des utilisations (schmaunifilaire),3 - laborer le plan de protection quiprcise le choix des techniques deprotection et ltude de slectivit,
les consquences dundfaut lectriqueLes consquences dun dfautlectrique sont multiples, parfois nonvidentes, priori difficiles imaginer,voici quelques exemples :s en aval du dfaut, le rseau mis horstension entrane un arrt partielet inopin de lexploitation ;s le sige du dfaut est souventendommag, do dmontage,rparation, remplacement, retour
en usine, expertise... ;s pendant la dure du dfaut, lepersonnel est confront un risquedlectrisation, de brlures(effets thermiques), voire mme detraumatismes (projection ou chute).
Des consquences peuvent treressenties galement sur les partiessaines du rseau, par exemple lorsdun court-circuit :s chute de tension prjudiciable auxaccrochages lectriques, auxautomates et quipementsinformatiques.
s perte de stabilit des machinestournantes qui peut, mme aprslimination du dfaut, saggraverjusqu entraner leffondrement totalde la distribution et des sources desecours prvues pour assurer lacontinuit de lalimentation.
Ainsi donc, dans presque tous les cas,un dfaut provoque une interruptiondalimentation et de production.Interruption qui, du fait des contraintesconomiques, est de moins en moinsacceptable.Larrt dexploitation peut cependant
tre circonscrit une zone du rseauselon :s le lieu du dfaut,s lefficacit des protections,s la technique de slectivit miseen uvre.Cette rduction du risque dinterruptionest obtenue par un plan de protectionbien tabli. Le rle des protections estde provoquer rapidement la mise horstension de la partie du rseau affectepar le dfaut afin den limiter lesconsquences. La slectivit vise nemettre hors tension que cette partie durseau et seulement celle-ci (cf. fig. 1).
1. protection lectrique et sret
C
B
A
dI
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4 - vrifier que les objectifs de sretsont tenus.Si ce nest pas le cas, il faut modifierpartiellement la phase 2 (structure),
puis recommencer les phases 3 et 4.Pour les seules tudes de disponibilitles concepteurs peuvent utiliser dessystmes experts. Par exemple lesystme ADELIA est courammentemploy lors des tudes de rseaux dedistribution dnergie confis laSocit Merlin Gerin. Ces systmestravaillent partir des donnes defiabilit AMDEC -Analyse des Modesde Dfaillance, de leurs Effets et deleur Criticit- et des arbres dedfaillance (cf. Cahier Techniquen 144). Il est ainsi possible de chiffrer
la disponibilit de diffrentes structurespour ensuite slectionner la plusadquate.
le plan de protectionCest un ensemble cohrent et efficacede protections choisies dans le but desatisfaire aux objectifs de disponibilitde lnergie, de scurit des personneset des quipements.Le plan de protection prcise lesconditions daction et de non action desprotections en priode de dfauts, lorsdes transitoires normales (dues auxmanuvres dexploitation, parexemple), mais aussi en prsencedharmoniques, de perturbationsinduites et/ou rayonnes...
Le plan sappuie sur des donnesgnrales et inhrentes linstallationconsidre, telles que :s les rglements,s les normes,s les habitudes,s les conditions dexploitation,s les rcepteurs,s le rgime de neutre,s la coordination des protections,s les consquences dun dfaut,s la prsence de diverses sourcesdnergie (ou non).
Toutes ces donnes rpertorient lesdiffrents risques potentiels qui sonttrs varis, souvent interdpendants etdifficilement quantifiables. Parexemple :s ceux lis la structure du rseau (enantenne, en boucle ferme, sources enparallle, dlestage, rgime deneutre,...), qui sont relis au type dergime de neutre retenu, mais aussi lenvironnement (voie daccs,humidit, altitude,).
s ceux inhrents aux rcepteurs : untransformateur nest pas sujet auxmmes risques quun moteur, unlaminoir na pas les mmes contraintes
quun concasseurEn final, pour tous les constituants durseau, y compris les gnrateurs, lesconducteurs et les rcepteurs, le plande protection dfinit au minimum leschoix et rglages des dispositifs deprotection contre les dfauts de court-circuit phase-phase et phase-terre.
Les rglementsCe sont tous les textes de loi, ou ayantvaleur de loi, qui imposent des choixincontournables (par exemple : enFrance le dcret concernant laprotection des travailleurs).
Les normesIl faut toujours considrer les normesapplicables linstallation concerne.Pour les installations lectriques lesnormes appliquer dpendent desniveaux de tension de chaque circuit etsont gnralement assujetties diffrents paramtres. Ainsi, en Francela norme NF C 13-200 qui a pourdomaine dapplication Les installationsprives haute tension prend aussien compte le climat et lenvironnement.
Les habitudesBien quelles concernent les choix destructure, de type de protection commede mode dexploitation, les habitudesne sont pas toujours crites.Cependant leur application rendlexploitation plus aise : lutilisateurnest ainsi confront qu des principesde fonctionnement quil connat bien.
Les conditions dexploitationConduite centralise ou non du rseau,possibilit de conduite locale,constitution des quipes, astreinte surplace ou non, dlai dintervention, etc,sont autant de conditions qui influent
sur le plan.Les rcepteursTous les rcepteurs ont leur propreinfluence : les moteurs par leurscaractristiques de dmarrage, lesalternateurs par leurs ractances, lestransformateurs par leur tension decourt-circuit, les cbles par leurscapacits et leurs tenues au court-circuit,
Le rgime de neutre(cf. Cahier Technique n 62)Le schma des liaisons du rseau laterre, ou rgime de neutre, est
dtermin en fonction du niveaurecherch pour :s la scurit du personnel et desquipements,
s les impratifs de continuit de service.Il doit tenir compte :s de la qualification du personneldexploitation,s des risques de dtrioration dumatriel,s de la volont de limiter lessurtensions.
Le rgime retenu affecte la valeur ducourant de dfaut terre fixe par lesystme de mise la terre, valeur quirsulte dun compromis entres avoir un courant suffisamment fortpours
raliser un bonne slectivit : lecourant rsiduel doit tre dtect sanstre confondu avec les courantscapacitifs des liaisons saines (cbles),sse protger contre les surtensionspar rduction dimpdance entre lerseau et la terre ;set avoir un courant faible pour limiter lesdgts (notamment dans les machinestournantes et les transformateur) maisaussi les risques dincendie ou dexplosiondans les zones sensibles (ptrochimie,mines,).
Pour une installation existante, lesprotections mises en uvre et ltude
de slectivit sont directementinfluences par le rgime de neutreexistant.
Pour une installation nouvelle, ltudede slectivit permet de valider lesoptions retenues (rgime de neutre,valeur maximale du courant de dfautterre et lemplacement adquat dusystme de mise la terre), sinondaider faire dautres choix.
La coordination des protectionsPar coordination il faut comprendremettre en harmonie le fonctionnementdes dispositifs de protection, et plus
prcisment veiller leur slectivit.
Il est rare quun rseau de distributionlectrique soit totalement indpendantdune autre installation, en particuliercette coordination est imprative entres le rseau de linstallation projete etcelui de linstallation existante,ou entres le rseau de linstallation projete etle rseau amont et/ou public.
Son tude se fait partir :s des courbes de fonctionnement desprotections, par exemple il est judicieuxde prvoir une protection temps
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notamment ncessaire de doublerles fusibles par des protectionsindirectes pour assurer la slectivitlorsque les courants de dfaut peuvent
tre de faible intensit (forte impdancelors du dfaut ou puissance limite dela source) ; cas prsent dans lafigure 2b oIcctransformateur >> Iccalternateur.
Une solution pratique est le tlrglage,mais la solution idale est la tlvalidationou choix distance de valeurs prdfinieset testes (cf. fig. 2c).
extrmement inverse pour secoordonner avec un fusible ;s des temps de dclenchement(slectivit).
Nota : les distributeurs publicsdnergie lectrique imposentgnralement des rglages maximauxapplicables au poste de livraison (enFrance, EDF demande pour les postesHTA 20 kV un temps de 0,2 s).
Une tude de coordination, prcise lestemps dlimination des dfauts quidoivent tre :s satisfaisants pour la scurit dupersonnel,s conformes la tenue du matriel,(chauffement, tenue aux effortslectrodynamiques),
s slectifs avec les installationsvoisines.
Les consquences dun dfautCe sont les accidents corporels, lesdgts voire destructions de matriel,les pertes de production...Elles sont estimes en termes derisques :
s pour le personnel, partir du courantde dfaut, de llvation du potentieldes masses accessibles, delimpdance des circuits de terre...Ils diminuent si le temps de contact,direct ou indirect avec une partie sous
tension, est court.s pour le matriel, partir de sa tenuethermique et/ou lectrodynamique, desprobabilits de brlage ou de perforationdes tles de circuits magntiques desquipements, de sa sensibilit auxmanques ou baisses de tension.sles chauffements et effortslectrodynamiques affectent plus ladure de vie du matriel lorsquils sontimportants et maintenus. Lesinterrompre rapidement vite unvieillissement rapide (fatigue) dumatriel.s
les manques de tension, souvent dus un dfaut dtect par un appareil deprotection. Ils concernent tout le rseauaval.- ils peuvent tre brefs, cest le cas decoupures suivies de renclenchementsautomatiques ou de permutation desource. Ils gnent surtout les matrielslectroniques (rgulation,informatique,), moins les machines forte inertie (four, ventilateur,).- ils peuvent tre longs du fait destravaux pralables de remise en ordreavant la remise sous tension, et alorsaffecter financirement lentreprise.
sles baisses de tension, souvent dues un court-circuit. Elles sont plusimportantes lorsquelles sont prochesdu point de dfaut, elles peuvent tre
source de graves dsordres, mme surles parties saines du rseau.Limiter la dure de tous ces dfauts detension contribue rduire leursincidences sur les utilisations.
s selon le type dquipement (moteurssynchrones ou asynchrones,transformateurs enrobs ou immergs,alternateurs).
s en fonctionnement spar du rseaude distribution publique, selonlimportance relative des puissancescumules des machines tournantes(moteurs et alternateurs) il est possible
quune perte de stabilit entraneleffondrement total de la distribution etdes sources de secours sensesassurer la prennit de lalimentation.Il est noter que mme aprsllimination du dfaut, cette perte destabilit peut saggraver.Le maintien en service de toutes lesmachines tournantes, synchrones etasynchrones, est dautant plusprobable que le creux ou manque detension est de plus courte dure.En rsum il savre que la rapiditdlimination dun dfaut est essentiellepour rduire les risques, de plus elle
amliore la disponibilit et lamaintenabilit.
Une fois estimes, les consquencesdun incident sont discutes pourfinalement tre acceptes ou refuses,avec des dispositions particulires :s slectivit partielle,s transformateur disolement,s rgime de neutre temporaire,s protection chronomtrique ou logique,s autorisation ou non du fonctionnementdes sources en parallle,s gnrateur homopolaire sur jeu debarres,s etc.
Prsence de sources diversesLorsquun rseau peut, pendantcertaines priodes, tre aliment selondes configurations et des sourcesdiffrentes, il faut pour chaque cas,dterminer les courants de court-circuitphase-phase et phase-terre. Ils sontgnralement trs diffrents et leurconnaissance est indispensable pourassurer la protection et la slectivitdans tous les cas. Les protectionsncessitent alors des seuils ettemporisations diffrents selon lesconfigurations (cf. fig. 2a). Il est
fig. 2 : exemple dintrt de la tlvalidation.
Lors du changement de la source
dalimentation, il est ncessaire dadapter
les rglages des protections des dparts par
changement de seuil (a) et/ou mise en
service de protection complmentaire (b).
La tlvalidation (c) amliore la sret
(disponibilit et scurit).
t (s)
(kA)I
G
a
fusible f
I
t (s)
(kA)I
protection indirecte P
qui double le fusible
lors de l'alimentation
par seul.G
courbe cc de G
b
G
tlvalidation
des rglages
prdfinis
f Pavec
dlestage
avec
dlestage
1MVA 800 kVAc
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la slectivitLa slectivit consiste ne mettre horstension que la partie du rseauconcerne par un dfaut et seulementcelle-ci. Elle organise lesdclenchements, des diffrentsdispositifs de protection phases etterre, qui doivent tre les plus rapidespossible (cf. Cahier Technique n 62).
Pour cela chaque installation faitnormalement lobjet dune tude deslectivit. Son but est de confirmerque tout dfaut envisageable sera bienlimin dans les limites techniquesfixes pour le matriel dinstallation(ex. : pourvoir de coupure) et pour lesutilisations (ex. : dure maximaledinterruption). Pour ce faire,
larchitecture la plus approprie estrecherche en plaant ou non desprotections en tel ou tel point delarborescence du rseau lectrique.
Contenu dune tude de slectivitDans la pratique, une tude deslectivit consiste dterminer lesdiffrents rglages (temporisations etseuils) des appareils de protection touten vrifiant la compatibilit entre lestemps dintervention dfinis pour lesappareils amont et ceux dfinis pour lesappareils aval.
Une telle tude est un travail important
car :s elle considre les diffrentes valeursdes courants de dfauts pouvantapparatre en diffrents points dunrseau ;s elle vrifie que chaque dfautprobable peut tre limin par deuxprotections diffrentes, pour palierlventuelle dfaillance de la protectionla plus proche ou dun de ses lmentsassocis tels que filerie, rducteurs,disjoncteur, connectique...
A noter que les rglages des appareilsen amont du rseau (arrive) sontsouvent imposs par le distributeurdnergie, et ceux des appareils en aval(dparts) le sont par le circuit de plusforte puissance.
Prsentation dune tude deslectivitUne telle tude doit comprendre :sla description des modes
dexploitation retenus pour ltude,sun schma unifilaire simplifi,sles diagrammes de slectivit, ceuxdes protection de phases, et ceux desprotections de dfaut terre,sune note technique,sle carnet de rglage.
s schma unifilaire simplifi.Il reprsente lossature du rseau, lesorganes de manuvres essentiels, lesprotections repres (cf. fig. 3a).
s diagrammes de slectivit.Sur ces diagrammes (cf. fig. 3b) sont
visualiss les courbes dedclenchement de chacune desprotections avec leurs represcorrespondants ceux nots sur le
schma unifilaire (cf. fig. 3a).s note technique.Elle dcrit les principes de slectivitqui ne peuvent pas tre reprsentspar les diagrammes (slectivitslogique et diffrentielle par exemple).Elle prsente et explique les rsultats,notamment la dure de dclenchementobtenue au niveau du disjoncteur dette. Elle signale les risques et sincessaire propose des solutions qui,comme indiqu prcdemment,peuvent influencer larchitecture de
3
4
2
1
BT
HBT
HTA
a
t (s)
(kA)I
0,7
en
BT
en
HTA
en
HTB
niveaux des
courants de
court-circuit
421 3
b
fig. 3 : exemple dun schma unifilaire (a) et du diagramme de slectivit de ses protections (b).
A noter que, pour tre compars, lesIcc sont exprims un mme niveau de tension.
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distribution. Quelques exemples sontdonns dans le tableau de la figure 4.Cette liste non exhaustive montre lesliens importants entre les tudes :
sdarchitecture,sde courants de court-circuit,sde slectivit.Entreprendre ces tudes ds le dbutdun projet savre doncparticulirement utile.
s carnet de rglage.Ce document runit toutes les valeursde rglage de toutes les protections.Indispensable lors de la mise enservice, il est laboutissement de ltudede slectivit.
la fiabilit des protectionsLa fiabilit des protections est un facteuressentiel de la scurit et de ladisponibilit dune installation lectrique.Les constructeurs de dispositifs deprotection poursuivent, lors dudveloppement et de la fabrication, undouble objectif :
s tre sr du dclenchement scurit,
s ne pas avoir de dclenchement
intempestif
disponibilit.
Cet objectif est maintenant atteint avecdes protections technologie
numrique, car :
s aprs avoir subi, en conception et
fabrication, de nombreux tests decompatibilit lectromagntique, elles
peuvent tre places dans desenvironnements svres ;
s une fois installes :
sen permanence, elles pratiquent des
auto-contrles (cest la fonction chiende garde),
slors dune dfaillance, elles
fournissent un auto-diagnostic qui
indique la cause et ainsi diminue letemps dindisponibilit.
Toutefois, quel que soit le type deprotection, lobjectif global ne peut tre
atteint que si :
s les capteurs sont de bonne qualit,
s lalimentation auxiliaire est fiable,
s la mise en uvre est correctement
effectue et les rglages bien faits.
les fonctions de protectionet de contrle-commanderuniesLes dispositifs de protections, avec lescapacits de travail tendues desmicroprocesseurs (cf. fig. 5),
remplissent de nombreuses fonctions :
s ainsi, ils traitent linformation fourniepar les capteurs de courant et de
tension , ils affichent diverses mesures(I, W, cos , P, Q, etc.) et ralisent lesdiffrentes protections paramtres.
s en plus ils peuvent aussi remplir desfonctions locales dautomatisme :
sla permutation (ou transfert
automatique),
s
le pr-traitement des alarmes,sla mmorisation des informations(dclenchement, blocage...),
slinter dclenchement entre deux
extrmits dune ligne ou sur leprimaire et le secondaire dun
transformateur,
sla slectivit logique (cf. Cahier
Technique n 2),sle dlestage - relestage.
Ces automatismes rpartis sont aussi
importants que la slectivit du point devue de lobjectif de continuit service.
Ces ensembles ou units de protectionet de contrle-commande ont de plus la
facult de pouvoir communiquer entre
eux, en cela ils rpondent au principe
de lintelligence rpartie.
Par intelligence rpartie il faut
comprendre que la dcision est laisse
linitiative du dispositif le plus proche
de laction accomplir :
s un dclenchement suite un court-
circuit se dcide et se fait
immdiatement en amont du point de
dfaut ;
s un dlestage se commande selon
limportance de la surcharge, soit auniveau de latelier (unit de gestion
locale), soit au niveau de larrive (unit
de gestion centrale).
Ce principe a pour avantage de
favoriser grandement la disponibilit et
la gestion du rseau lectrique.En effet, ces units communiquantes
associes des calculateurs autorisent
la prise en compte de nombreuxparamtres qui compars des valeurs
de rfrence permettent de dtecter
des drives dangereuses. Une alerte
risques rvls remdes
incompatibilit entre les temps s revoir l'architecture pour gagnerd'intervention des protections. un ou plusieurs crans de slectivit.
s modifier le plan de protection pourutiliser une slectivit logique oudiffrentielle.s ngocier avec le distributeur d'nergieun temps plus lev au poste de livraison.s changer la tension de distribution et/ou
d'utilisation.
incompatibilit entre courant de court-circuit s empcher la mise en parallle deset quipements. sources.
s augmenter l'Ucc des transformateurs.s rajouter des inductances de limitation.s choisir d'autres quipements.
non fusion fusible s changer le calibre des fusibles.s
ajouter un relais de protection indirectassoci un interrupteur.s remplacer les fusibles par un disjoncteur.s modifier la source :s augmenter la puissance de court-circuit,s baisser l'Ucc du transformateur amont.
dure d'interruption trop longue s alimenter en double drivation.s prvoir une source de remplacement
rapide mettre en service (gnrateurde secours) et, si ncessaire, dlester les
utilisations non prioritaires.s utiliser une permutation automatique etmotoriser l'appareil de coupure.
fig. 4 : risques et solutions qui peuvent influencer une architecture de distribution.
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est alors possible pour assurer une
maintenance prdictive, par exemple :
s un risque de blocage venir peut tre
signal lorsque le courant de
dmarrage dun moteur augmente defaon significative,
s le vieillissement prmatur dun
quipement peut tre annonc lasuite dune surcharge prolonge,
s un prochain court-circuit peut tre
indiqu partir de laugmentation duncourant rsiduel (baisse disolement).
fig. 5 : Sepam, une gamme de dispositifs de protection mais aussi de contrle-commande
base de microprocesseurs (Merlin Gerin).
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Les protections choisies lors dellaboration du plan de protection ont
un impact direct sur la slectivit.
Dans ce chapitre, sont rapidement
voqus les diffrents types deslectivit et de protection.
Ces types de slectivit et de
protection ont des origines diverses :
s habitude,
s mode dexploitation,
s influence des distributeurs dnergie
nationaux,s volution technologique,s techniques labores par les
constructeurs.
Ils perdurent car ils ont tous leurs
avantages. Pour tre judicieux, le choix
doit donc, en un point prcis du rseau,se porter sur lun deux : celui qui
procure le maximum davantages.
Cette libert doptimiser le choix estfacilite par lemploi de dispositifs
susceptibles doffrir plusieurs solutions
dans un mme quipement.
slectivit ampremtriquePour assurer une slectivit de typeampremtrique, la grandeur contrleest le courant.
Sur un rseau, un courant de court-circuit est dautant plus faible que lepoint de dfaut est loign de la source.
La slectivit peut donc thoriquementtre obtenue en ajustant le seuil desdispositifs de protection au courant decourt-circuit prvisible selon leuremplacement dans la distribution(cf. fig. 6a).
Ce type de slectivit, ne fait pasintervenir de dlai de fonctionnement(instantan), car chaque protection estindpendante des autres. Il estfrquemment utilis en BTA terminale.Il lest peu en HTA car les variationsrelles dun courant de court-circuitentre deux points sont trop peusignificatives (les impdances deliaison sont ngligeables), la slectivitn'est donc que partielle (cf. fig. 6b). Anoter qu'en HT gnralement un dfaut
rCI rBI rAI
ccCI ccBI ccAI
(kA)I
0
zones de non slectivit
Intensits
de rglages
Intensits
de dfauts
BT
HTA
B
A
C
rCI rAIrBI
ccCI ccAIccBI
Intensitsde rglages
Intensits
de dfauts
a
b
I
fig. 6 : en thorie(a)pour raliser une slectivit ampremtrique, il faut vrifier que
IccA >IrA >IccB >IrB >IccC >IrC.
En pratique(b)la proximit des valeurs de rglage fait que cette slectivit nest que partielle.
impdant volue trs rapidement endfaut franc.Linconvnient majeur de cetteslectivit est quil ny a pas de secoursde laval par lamont (pas deredondance).Enfin lhandicap essentiel de la
slectivit ampremtrique est que leseuil dune protection est dautant pluslev quelle est proche de la source,do des risques de dgts plusimportants. Elle ne permet donc passouvent datteindre lobjectif sretdfini au chapitre 1 puisquelleprivilgie la scurit.
slectivit chronomtriqueCette slectivit associe une notion detemps la grandeur contrle quest lecourant : une temporisation est affecte
volontairement laction des dispositifsde protection ampremtrique.Pour cela, les seuils dintervention sontdfinis avec des temps defonctionnement croissants de lavalvers lamont. Ainsi, en amont dundfaut plusieurs dispositifs sont
sensibiliss (redondance), et lors dundfaut seule la protection situeimmdiatement en amont de celui-cidclenche : le dfaut nest alors plusaliment et les autres protectionscessent de le voir avant datteindre leterme de leurs temporisationsrespectives.
La vrification peut se faire parcomparaison (superposition) descourbes de fonctionnement (cf. fig. 7)qui doivent tre suffisamment espacespour assurer cette slectivit (parexemple 0,3 s).
2. les types de slectivit et de protection
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Cahier Technique Merlin Gerin n 174 / p.11
Cependant lorsque deux dispositifs
contrlent un mme courant nominal
(avec ou sans changement de tension),
pour saffranchir des tolrances de
fonctionnement il est ncessaire de
prvoir aussi un cart de rglage des
seuils denviron 20 % de laval verslamont.
Les temporisations sont, soit du type
temps dpendant de limportance du
courant de dfaut, soit du type
indpendant (cf. fig. 8).
La slectivit chronomtrique est
frquemment utilise car simple. Elle
prsente cependant un inconvnient :
le temps dintervention augmente de0,2 0,3 s chaque tage au fur et
mesure que lon sapproche de la
source. Un tel cart est ncessaire
pour tenir compte des tolrances destemps de rponse des lments de la
chane de protection (capteurs,lectronique, dclencheur et
disjoncteur) ainsi que du temps darcdu disjoncteur aval. Ce sont donc les
dfauts de plus forte nergie et situs
au plus prs de la source qui sont
aliments le plus longtemps (dgtsplus importants).
Lobjectif sret nest pas totalementatteint, mais en appliquant cette
slectivit entre deux ou trois tages un
compromis satisfaisant entre la scuritet la disponibilit peut tre trouv.
Nota 1 : du fait de sa simplicit de miseen uvre, ce type de slectivit estintressant pour protger une liaison
entre deux sous-stations distantes.
Nota 2 : le mixage des slectivitschronomtrique et ampremtrique est
particulirement intressant pour
protger le primaire duntransformateur. En effet, les diffrencesde courant de court-circuit entre les
circuits primaire et secondaire sont trs
significatives (cf. fig. 9). Il est alors
possible davoir une protection rapide
( 100 ms) sur le circuit primaire si son
seuil est rgl au dessus du courant Icc
secondaire vu depuis le primaire.
slectivit logique(cf. Cahier Technique n 2)
Ce type de slectivit est aussi appel
Systme de Slectivit Logique ou
SSL. Il fait lobjet dun brevet dpos
par Merlin Gerin et met en uvre des
changes dinformations entre les
units de protection. La grandeur
contrle est le courant.
Toutes les units de protections SSLcommuniquent via une liaison filaire
(liaison pilote) : par ce circuit toutes les
units sollicites par un dfaut envoient
instantanment une impulsion dattentelogique lunit amont. Ainsi, seule la
protection situe immdiatement en
amont du dfaut reste libre de
t (s)
(kA)IccIBA
1
2
1 = rglage "temps" minimal
2 = rglage "temps" maximal
plage de rglage "temps" = 1 2
A = rglage "seuil" minimal
B = rglage "seuil" maximal
plage de rglage "seuil" = A B
fig. 8 : courbes de dclenchement temps
indpendant (ou constant [ ]) et
temps dpendant (ou inverse [ ]).
fig. 9 : les slectivits chronomtrique et
ampremtrique appliques aux postes de
transformation.
fig. 7 : la superposition des courbes de
dclenchement (a) permet de vrifier que la
slectivit est effective entre les disjoncteurs
A et B (b) qui dtectent le mme courant de
dfaut Id.
B
A
dI
BT
HTA
t (s)
(kA)I
B
A
dI
0,3
a
b
t (s)
(kA)I
100 ms
A B'
B
B
rAI r1BI r2BI
ccAI ccBI
B
A
Ir1B = seuil bas 1,2 . IrA pour s'affranchir desimprcisions. Un intervalle de slectivit de
300 ms (courbe B') est habituellement prvu en
secours de A.
Ir2B = seuil haut IccB, mais Ir2B IccA, dclenchement rapide 100 ms pour accepter
la surintensit d'enclenchement.
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Cahier Technique Merlin Gerin n 174 / p.12
fonctionner puisquelle na pas reudordre dattente logique (cf. fig. 10).Lavantage du SSL est de pouvoirraccourcir les temps de dclenchement
(cf. fig. 11) et notamment proximitde la source :
s soit en rglant toutes les units avecla mme temporisation,
s soit en ayant des temps dinterventionde plus en plus courts de laval verslamont contrairement ce qui estralis avec la slectivitchronomtrique (cf. prcdent).
Comme avec la slectivitchronomtrique toutes les protectionssitues en amont dun dfaut sontsollicites (redondance).
fig. 10 : principe de la slectivit logique.
Cependant, malgr la contrainte de
devoir relier par une liaison pilote
toutes les units de protection SSL, ce
type de slectivit est plus satisfaisant
dans la recherche de lobjectif de
sret que ceux prsents
prcdemment.
Nota : cette slectivit est duneapplication intressante pour la
protection des arrives et dparts dun
mme tableau. Ici, les fils de liaison ne
sont pas une contrainte dinstallation :ils ne parcourent que le tableau. Ils
peuvent donc tre intgrs en usine.
De plus cette solution autorise destemps dinterruption de dfaut sur les
arrives infrieurs ceux des dparts.
protection diffrentiellePar principe, en labsence de dfaut,
les courants entrant dans chaque
lment dune installation de
fig. 11 : exemple dun schma unifilaire et dun diagramme de slectivit des protections
incluant un tage de slectivit logique (entre 2 et 3).
Ce diagramme est comparer celui de la figure 3 (les courbes modifies sont en orange). Il
montre que, pour un mme circuit, cette slectivit permet une importante rduction des dlais
de dclenchement (sur le disjoncteur 3 par exemple, de 0,7 0,1 s).
distribution lectrique sont gaux,
phase phase, ceux qui en sortent.
La protection diffrentielle a pour rle
de contrler ces galits, de mesurer la
diffrence ventuelle entre deuxcourants (due un dfaut), et pour un
seuil prdtermin de donner un ordre
de dclenchement. Llmentdfectueux est alors isol du rseau
(cf. fig. 12)
Cette protection permet de surveillerune zone bien dlimite par deux jeux
de rducteurs de courant (ou
transformateurs de courant) : elle estauto slective et peut donc tre
instantane. Cet avantage doit tre
conserv dans des priodes o se
produisent des phnomnestransitoires ; mais sa sensibilit doit
cependant tre limite aux
phnomnes dus des dfauts, et non
pas dautres qui sont normaux
(courants denclenchement, courant deDn
D3
D2
D1
dispositif en amont
du dfaut, en attente
(dure limite).
dispositif en amont
du dfaut, en attente
(dure limite) : met
un ordre d'attente.
premier dispositif en
amont du dfaut : met un
ordre d'attente et un ordre
de dclenchement.
dispositif non sollicit
(situ en aval du dfaut).
protection
n4
protection
n3
protection
n2
protection
n1
liaison pilote
ordre d'attente logique
3
4
2
1
BT
HBT
HTA
t (s)
(kA)I
0,1
en
BT
en
HTA
en
HTB
niveaux des
courants de
court-circuit
4321
a b
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de sa valeur intrinsque ou desconsquences inacceptables dunemise hors service longue sur dfaut
La mise en uvre de ce type deprotection impose aussi certainescontraintes :
s un TC -Transformateur de Courant-par phase chaque extrmit de lazone contrle.
s une liaison entre les deux dispositifspour la protection diffrentielle decble. De plus avant de retenir cetteprotection il est utile de sassurer deson efficacit sur tous les types dedfauts imaginables. En effet le
principe de dtection, souvent utilis
pour une protection diffrentielle filspilote, fait que la sensibilit dpend de
la phase en dfaut et du type de dfaut(phase-phase ou phase-terre).
s pour la protection diffrentielle demachine : les extrmits des
enroulements du ct point neutre
doivent tre accessibles pour placertous les TC.
s pour la protection diffrentielle de
transformateur :
s selon que le relais de protection estinstall dans la cellule amont ou aval, la
filerie vers lautre jeu de TC serarelativement longue ; il est alors
indispensable de veiller sa section
(consommation) et son cheminement(perturbations).
s si le rgime de neutre est trsdiffrent de part et dautre du
transformateur, les dfauts terre ne
sont pas tous dcelables ; ils doivent
dans ce cas faire lobjet dun traitementparticulier.
s pour la protection diffrentielle de jeude barres : avec certains typesdappareils tous les TC doivent avoir un
mme rapport gal celui du plus gros
TC. Cette protection hauteimpdance, surtout employe dans les
pays sous influence anglo-saxonne,
prsente de grosses difficults :
s pour laiguillage des circuits
secondaires des TC, lorsque le jeu de
barres alimente de nombreux dpartsavec diffrentes configurations ;
s pour la ralisation des fileries, car saforte impdance peut pendant le dfaut
engendrer des surtensions sur la filerie
au secondaire des TC. Ces surtensions
a
b
point neutre
d
liaison
pilote
c
fig. 12 : exemples demploi de la protection diffrentielle.
a - protection diffrentielle de cble : sur dfaut les 2 disjoncteurs ouvrent,
b - protection diffrentielle de machine, moteur ou alternateur,
c - protection diffrentielle de transformateur : sil y a des sources en aval, sur dfaut les 2
disjoncteurs ouvrent,
d - protection diffrentielle de jeu de barres : sil y a des sources en aval, sur dfaut tous les
disjoncteurs ouvrent.
dfauts traversants dont le sige estextrieur la zone...).
Les caractristiques des transitoiressont particulires chaque lment derseau : les protections diffrentiellessont donc technologiquementspcialises, soit :s diffrentielle de lignes et cbles,s diffrentielle de jeu de barres,s diffrentielle de transformateur,s diffrentielle de moteur,s diffrentielle d'alternateur.
Lemploi de cette protection est limitcar elle ncessite une filerie (fils pilotesou raccordements de secondaires des
transformateurs de courant), desrducteurs de courant, et des rglagesparticulirement soigns pour garantirles non dclenchements intempestifs.Elle est utilise chaque fois quunelimination trs rapide des dfauts estimprative :s rduction du temps amont dans unechane de slectivit chronomtrique,par suppression dun tage de cettechane,s amlioration de la stabilit dynamiquedune installation comportant desmachines tournantes,s protection supplmentaire dunlment de grande importance du fait
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peuvent ncessiter la mise en place de
dispositifs parasurtenseurs.
Rappel : la slectivit logique, plus
pratique demploi, rpond aussi auproblme du gain de temps.
protection directionnelleCe type de protection fonctionne partir du courant, de la tension et dusens dcoulement de lnergie. Elleagit lorsque simultanment le courantou la puissance dpasse un seuil etque lnergie se propage dans unedirection anormale. Il existe desprotections directionnelles :
s de courant phase,s
de courant rsiduel,s de puissance active,
s de puissance ractive,
s de puissance homopolaire (nondveloppe dans ce Cahier Techniquecar essentiellement utilise sur lesrseaux de distribution publique neutre compens).
Protection directionnelle de courantphaseLorsque deux sources, deux liaisons,ou plus, fonctionnent normalement enparallle, il y a un risque darrt gnralde la distribution lors dun dfautnaffectant quun de ces lments. Eneffet tous ces lments sont parcouruspar le courant de dfaut, avec unchangement de sens du courant dansllment dfectueux (cf. fig. 13).
Les protections directionnelles sontdonc utilises pour distinguer le seullment dfectueux et commander sonisolement des autres lments encoresains. Pour pouvoir isoler llmentdfectueux ces dispositifs sont plusrapides d'environ 250 ms que lesprotections maximum de courant
concernes par le mme dfaut.Protection directionnelle de courantde dfaut terreSi un rseau est aliment par deuxtransformateurs ou plus (ou par desalternateurs) avec leurs points neutressimultanment relis la terre, lors dundfaut terre sur une seule de sessources, toutes sont parcourues par uncourant rsiduel. Seule celle qui estaffecte par le dfaut voit un courantrsiduel de sens inverse des autres. Lesdispositifs de protection directionnelle
protection directionnelle
de courant phase
protection maximum
de courant
courant de dfaut transitant
par l'artre saine
courant de dfaut "direct"
y
x
fig. 13 : principe de la protection directionnelle de courant phase.
Sur une mme liaison un dispositif directionnel est plus rapide ( 250 ms) quun dispositif
maximum de courant, do une slectivit : ici, il y a dclenchement en x puis en y.
A noter que si ces liaisons sont remplaces par deux transformateurs en parallle, le principe
reste identique.
de terre peuvent ainsi faire ladistinction entre les lments sains etcelui qui est en dfaut (cf. fig. 14).La direction est dtermine partirdune mesure du dphasage entre lesvecteurs courant rsiduel et tensionrsiduelle.Ces dispositifs sont aussi employspour slectionner le dpart en dfautsur des rseaux fort courant capacitif,notamment lorsque les liaisons parcbles sont longues : tous les dpartssains sont parcourus par un courantrsiduel de mme sens, et ce courant
est de sens oppos dans un dpart endfaut (cf. fig. 15).
Nota : Dans ce dernier cas, pourraliser la slectivit sans protectiondirectionnelle, une autre solution estaussi utilise. Elle exploite desprotections ampremtriques de dfautterre. Mais le seuil Is de cesprotections doit satisfaire :
Ic dpart < Is
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Protection directionnelle depuissance ractive
Ce type de protection est utilis parexemple pour couper lalimentation dunemachine synchrone lors dun manquedexcitation. En effet lnergie ractive demagntisation du fait dune excitationinsuffisante sera apporte par le rseauvers la machine. Outre la mesure descourants et des tensions, ce type deprotection mesure aussi le dphasagepour dterminer la puissance :
Q = 3 . U . I . sin
protection minimum
dimpdanceCe type de protection fonctionne
partir des grandeurs mesures quesont le courant, la tension et le sens
dcoulement de lnergie. A laide de
ces informations le dispositif de
protection calcule limpdance delquipement contrl, ses seuils sontajustables (minimum dimpdance Z -
en ohm- ou dadmittance 1/Z -en mho-).
Cette protection exploite le principe dela baisse importante dimpdance dunlment lorsquil est en court-circuit.
fig. 15 : lemploi de dispositifs de protection directionnelle de courant de dfaut terre dans
une installation comportant des dparts de grande longueur permet de distinguer le dpart en
dfaut des dparts sains.
protection directionnelle
du courant rsiduel.
courant rsiduel gnr
par les capacits des
dparts sains de grande
longueur.
capacit de la phase en dfaut
capacits des
phases saines
fig. 14 : une protection directionnelle de courant de dfaut terre permet de discriminer le transformateur en dfaut (a), ou tre insensible un
dfaut sur un dpart (b).
Ce mme principe sapplique des alternateurs coupls sur un mme rseau et ayant leurs points neutre relis la terre.
x
a b
courant rsiduel gnr par
le point neutre du
transformateur en dfaut
protection directionnelle
de courant phase
courant rsiduel gnr par
le point neutre de chaquetransformateur sain en
prsence d'un dfaut
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zonesavant
zonesarrire
X
R
Z de la ligne
protge et
saine
a b
Z transitoire
(sans effet si
la zone 3 est
dfinie par le
paralllogramme)
Z de la ligne
protge
mais en dfaut
zone 1, temporisation courte = t1
zone 2, temporisation = t2 t1
zone 3, temporisation = t3 t2
X
R
fig. 16 : diagramme de fonctionnement dune protection de zones (a).
Le dclenchement est obtenu lorsque lextrmit du vecteur dimpdance de la ligne protge
entre dans lune des zones de fonctionnement du dispositif (b), une temporisation tant
affecte chacune de ces zones.
Pour viter des dclenchements intempestifs dus aux variations de charge (vecteur
dimpdance transitoire), les zones de fonctionnement peuvent avoir diffrentes formes,
cercles ou quadrilatres : cest le cas sur le dessinblorsque la zone 3 est dfinie par le
paralllogramme au lieu dun cercle.
Elle est surtout employe sur les lignes
de transport dnergie (rseauxmaills), mais aussi sur des jeux de
barres et de grosses machines
tournantes. Elle est galement appeleprotection de zones. Elle effectue
ses mesures dans une direction ou de
part et dautre de son lieu
dimplantation (cf. fig. 16). Ltendue de
son contrle dpend de la plage de la
mesure et de la variation linaire de
limpdance de lquipement protg.
Plusieurs dispositifs peuvent tre
disposs sur un mme rseau, et tre
indpendants les uns des autres, car
leur zone de contrle individuelle est
bien dlimite. Pour cette mme raison,
leurs temps de raction peuvent trefortement rduits.
Remarques :s les brusques variations de charge, et
les appels de courant sont vus parces protections comme des variations
dimpdance.
Pour viter des dclenchementsintempestifs leurs caractristiques de
fonctionnement (circulaire, elliptique,
polygonale...) doivent tre bien choisies
(cf. fig. 16).
s la variation dimpdance est
proportionnelle la longueur surveille.Cette variation longitudinale est plusrapide pour les machines tournantes ou
transformateurs que pour les cbles et
les lignes ariennes. Pour cette raison,
une protection minimum dimpdance
peut surveiller une petite zone limite
par une machine ou un transformateur.
Cependant, lorsquun tel dispositif est
prvu pour surveiller un jeu de barres,
sa zone de contrle peut stendre
une partie des enroulements des
transformateurs qui sont raccords ce
J de B. Ce qui peut sembler tre un
inconvnient savre tre un avantage :
les premires spires dun
transformateurs qui sont les plus
exposes (surtension, claquage,)
sont ainsi mieux protges. Cette
protection est essentiellement exploitedans les postes HTB/HTB du rseau de
transport ou dalimentation de trs gros
sites industriels.
Cas particulier : protection dedistanceIl sagit dune protection dimpdance
particulire dont lapplication concerneles lignes HT des rseaux de transportdnergie, et parfois certains rseauxde distribution.
la slectivit optimaleLexprience montre que tous ces
types de slectivit et protection font
lobjet de domaines demploiprfrentiels, par exemple :
s slectivit ampremtrique =
distribution basse tension,
s slectivit chronomtrique et
logique = distribution HTA,s protection de distance =
transport HTB.
Retenir un type plutt quun autre
savre donc souvent tre un choix
technico-conomique avec une forte
influence des habitudes.
Lvolution technologique, et surtout
lavnement du numrique, autorisentle panachage des divers principes de
protection et de slectivit. Il devient
ainsi possible dappliquer, chaque
tronon dun rseau, la plus optimise
des solutions.
Association de diverses slectivitsLe schma de la figure 17 montre
quune slectivit optimale peut
ncessiter la mise en uvre des
diffrents type de protection prsents
prcdemment. Cette association
autorise une limination plus rapide des
dfauts.
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t (s)
(kA)I
1
2
45
3
700 ms1
1,3
400 ms
100 ms
cc (20 kV)Ib - Diagramme des courbes en exploitant
diffrents types de slectivit et de dispositifs
de protection.
t (s)
(kA)I
1
2
45
3
t
700 ms1
1,3
400 ms
100 ms
cc (20 kV)I
a - Diagramme des courbes de slectivit en
n'exploitant que la slectivit chronomtrique avec
des dispositifs de protection temps constant.
A noter entre les courbes 2, 3, 4, et 5, il faut
t = 300 ms et r = 20%.I
t
rI
4
5
60 kV
3
2
M
1
slectivit
ampremtrique
et
chronomtrique
slectivit
logique
slectivit
ampremtrique
et
chronomtrique
20 kV
5 kV
slectivit
ampremtrique
et
chronomtrique
410 V
solution a b
repres desprotections
1 fusible fusible
2 400 80
3 700 300
4 700 300
5 100 100
c- comparaison des temps dlimination (ms)des courts-circuits entre les deux solutions a etb prsentes ci-dessus.
fig. 17 : la slectivit optimale est, dans cet exemple, obtenue par la mise en uvre des diffrentes techniques.
diagrammea: techniques ampremtrique, chronomtrique et logique,
diagrammeb: technique chronomtrique avec des courbes temps extrmement inverse , inverse (et logique) et , et constant .2 3 4 5
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synthse demploi desdiffrents types deprotections
type applications principales
ampremtrique sentre amont et aval d'un transformateur
chronomtrique sentre deux sous stations
logique sentre arrives et dparts d'un mme
tableau
sentre amont et aval d'un transformateur
sentre deux sous stations lorsque la liaison
logique peut tre installe
diffrentielle ssur tout lment pour lequel la scurit
doit tre maximale (cble, machine, ).
directionnelle ssur liaisons, alternateurs, transformateurs
fonctionnant en paralllle
ssur dparts fort courant capacitif
ssur rseaux ayant plusieurs points neutres
ssur rseaux neutre compens
mini d'impdance smme application que diffrentielle et
lorsque la zone est d'une tendue ou
d'une complexit telle que faire la somme
des courants entrants et sortants
est prohibitif
de distance spour les rseaux maills
(transport d'nergie)fig. 18 : synthse demploi des diffrents types de protection slective abords dans ce
chapitre.
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3. emploi des protections
Lemploi comme la mise en uvre des
diffrents dispositifs de protectionimpose certaines prcautions.
Ce chapitre a pour objectif de les faire
connatre, mais aussi de proposer des
solutions pratiques.
Il est bien vident que certaines
configurations de rseaux, et
lalimentation de machines ayant des
caractristiques particulires,
ncessitent des tudes spcifiques qui
ne peuvent pas tre dtailles dans cedocument.
prcautions de choix etdemploi des protectionsLe choix dun type puis dun dispositifde protection se fait aprs avoir valules risques encourus par llment protger et les consquences quidcoulent dun ventuel dfaut.
Par principe, pour tous les lmentsdun rseau, le minimum prvoir estla protection contre les risques de :
s court-circuit phase - phase(protection maximum de courant
phase),
s court-circuit phase - terre(protection maximum de courant
rsiduel).
Lorsque les courants de dfauts
terre et de phases sont de mme
ordre de grandeur, une seule protection
triphase couvre les deux types de
risques, sans toutefois les discriminer.
Protection maximum de courantphaseUne telle protection ne peut tre
correcte que si son fonctionnement
satisfait aux inquations :
I seuil phase < Icc mini
et
I seuil phase > I maxi hors dfaut
(transitoire dappel ou denclenchement)
Pour cela il faut effectuer les contrles
suivants :
s la condition seuil de dclenchement
infrieur Icc mini est vrifier pour le
cas de dfaut biphas se produisant :
ssur un rseau aliment par un seultransformateur alors que normalementaliment par plusieurs transformateursen parallle,ssur un rseau aliment par unesource de remplacement,s lextrmit dune liaison de grandelongueur ;s la condition seuil de dclenchementsuprieur en valeur et/ou entemporisation aux courants maximauxhors dfaut est vrifier pour :s
le dmarrage des moteurs,slenclenchement des transformateurs,sla mise sous tension des batteries decondensateurs.s vrifier lincidence des surintensitsconscutives des baisses de tension,coupures brves, permutations desources
Protection maximum de courant dedfaut terreLe seuil, qui doit tre adapt ausystme de mise la terre, doit aussisatisfaire aux deux inquations :I seuil rsiduel < 0,2 Io limit
etI seuil rsiduel > 1,3 Io capacitif gnrpar le tronon protg.Do :s un seuil objectif de 0,1 0, 2 Io limitde faon protger un minimum de80 % de la longueur des enroulementsdes bobinages.s un seuil suprieur 1,3 Io capacitifde la liaison protge pour viter lesdclenchements intempestifs lors dedfauts sur une autre portion durseau.Dans le cas dune installation (ou zone)de scurit exploite avec le neutre
isol de la terre, les rglages desdispositifs de protection contre lesdfauts terre se calculent partir desseuls courants capacitifs du rseau(Io limit = Io capacitif).
Rappel : pour amliorer la continuit deservice, certains rseaux peu tendussont exploits avec le neutre isol de laterre. En France, la lgislation imposelusage dun contrleur permanentdisolement -CPI- destin avertir desbaisses disolement et viter ainsi undclenchement sur dfaut terre.
Protection par image thermique etsondes de tempratureLa protection par image thermique nedoit tre envisage que si unesurcharge est possible. Ses constantesde temps lchauffement et aurefroidissement, doivent tre adaptesaux caractristiques de lquipementprotg.Les sondes de temprature insresdans les bobinages (le plus souvent dutype PT 100 selon la norme CEI 751)
sont indispensables quand :s lambiance poussireuse est unhandicap la bonne ventilation delquipement protg,s le fonctionnement de la machinedpend dune ventilation forceindpendante.Dans ces deux cas, le manque deventilation ne provoque pas desurintensit mais peut tre loriginedun chauffement destructeur.
HarmoniquesLes charges non linaires sont
lorigine de la pollution des rseauxlectriques. Cette pollution secaractrise par une distorsion detension, et par des courantsharmoniques qui sont principalementnuisibles la tenue thermique desmachines tournantes et destransformateurs. Cette prsencedharmoniques peut tre traite de troisfaons :
s soit par la mise en uvre de filtresdont les caractristiques et le lieudimplantation sont dfinis par unetude dharmoniques.
s soit des protections qui prennent encompte le courant efficace rsultant dela somme quadratique desharmoniques de rangs impairs (RMS :Root Mean Square).
s soit, si les protections ne prennentpas en compte le courant efficace, pardclassement des quipements pourne les faire fonctionner qu 0,8 ou 0,9fois leur puissance nominale. Le seuilde leurs protections de surcharge tantabaiss dautant si elles ne traitent quele fondamental.
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prcautions relatives auxcapteursNombreLe nombre de capteurs ncessaires,pour dtecter les dfauts polyphass, avolu avec la technologie : lesprotections lectromcaniquesncessitent trois capteurs pourdistinguer le conducteur phase endfaut, avec la technologie numriquedeux capteurs suffisent (la valeur ducourant du troisime conducteur estcalcule). Mais attention, pour un bonfonctionnement du plan de protection ilest indispensable que dans tout lerseau les deux capteurs soient placssur les mmes conducteurs de phase.
Rappel : il existe trois modes dereprage des conducteurs :- par numros = 1, 2, et 3,- par lettres = A, B et C, ou R, S et T.
Transformateurs de courant -TC-Ils doivent tre dfinis pour satisfaire aubon fonctionnement de la protection, etne pas fournir un signal dform quiserait vu par la protection comme undfaut, entranant par l mme undclenchement intempestif.Ainsi :s leur puissance doit tre adapte au
dispositif de protection et la filerie ;
s leur calibre nominal doit tre suprieurou gal lintensit contrler ;s leur linarit doit tre vrifie surlensemble de la plage de courant utile
(une saturation par des courants telsceux dappels peuvent dsquilibrer lessignaux aux secondaires) ;s leur tolrance doit tre cohrenteavec la prcision de mesure (seuil).
A noter aussi que lutilisation dumontage de Nicholson (cf. fig. 19) pourla mesure de courant rsiduel de faibleniveau impose souvent un appairagedes TC. De plus, lerreur absolue dansla mesure interdit de faibles seuils decourant rsiduel. Par contre lescapteurs sans fer, ou amagntique, ditsde ROGOWSKI (cf. Cahier Technique
n 170) , liminent un grand nombredes inconvnients ci-dessus du fait deleur linarit et dynamique importantes.
Tores homopolairesLutilisation de protections de terresensibles est particulirement utile pourlimiter les dgts dans les quipementscar elles autorisent des impdances delimitation plus fortes. La dtection defaibles courants rsiduels se fait deprfrence avec un capteur toriqueentourant les trois phases.A noter que la mise en uvre de cescapteurs ncessitent quelques
prcautions :
s la tresse de mise la terre delarmature du cble doit passer lextrieur du tore, ou repasser lintrieur (cf. fig. 20) ;s lisolement entre les conducteursactifs et le tore doit tre vrifi, mais ilest souvent apport par lenveloppedes cbles ;s pour viter des fonctionnementsdfectueux, il est prfrable de grouperet centrer les conducteurs dans le tore.
fig. 19 : le montage de Nicholson.
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avec bote cbles
tresse de
mise la
terre de
la bote
cbles
fond de la cellule
isolant cellule /
bote cbles
bote
cbles
tore
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conducteur
isol
armature
tore
tresse de
mise la
terre de
l'armature
avec cbles secs
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fig. 20 : montages d'un tore sur un cble haute tension.
I1
I2
I3
P1 P2
S1 S2
Io
P1 P2
P1 P2
S1 S2
S1 S2
protection
de dfaut
"terre"
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Transformateurs de potentielPour viter le phnomne destructeur
de ferrorsonance (surtension), les TPdoivent tre chargs une valeur
proche de leur puissance nominale.
prcautions relatives aurseau
Rseau avec plusieurs points neutremis la terreUn rseau comportant plusieurs pointsneutre est le sige de courantsdharmoniques 3 et multiples de 3circulant entre ces points. Pour viterdavoir dsensibiliser les protections
de dfaut terre, il est judicieux de leschoisir quipes de filtres H3.
Rseaux avec alternateurs etmoteursPendant les priodes defonctionnement sur groupe si une partieimportante de la puissance estabsorbe par des moteurs, lesdispositifs de protection doivent agirsuffisamment vite pour viterlcroulement du rseau (maintien de lastabilit dynamique).
SurtensionsLes distributions par cbles gnrentau moment des dfauts terre uncourant capacitif qui peut crer, outre
les dclenchements par sympathie,(voir chapitre 2, protectiondirectionnelle), des surtensions parrsonance (cf. fig. 21).Pour minimiser ces surtensions, lemeilleur moyen est que la mise laterre du neutre soit faite par unersistance. Cette solution est souventapplique dans les rseaux industriels.La rgle habituelle respecter est :IoR 2 IoCavecIoR = courant rsiduel rsistif volontaire,IoC = courant rsiduel capacitif inhrent
au rseau.Lors dvolution dun rseauDu point de vue des protections, deuxvrifications sont utiles lors dunemodification de rseau :s le rgime de neutre et les protectionsde dfaut terre existants sont-ilscompatibles avec les nouveauxcourants capacitifs ?s les protections phases et les TC djen place sont-ils bien adapts auxnouveaux courants nominaux et decourt-circuit ?
RI
1
2
3
4
10,5 1,5 2 CI
U
U
o
o
fig. 21 : niveau des surtensions par
rsonance pouvant tre gnres, au
moment dun dfaut terre, par le courant
capacitif des distributions par cbles.
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Le tableau de la figure 22 donne un
choix indicatif de protections en
fonction de llment protger.
En effet, la grande varit
darchitectures de distribution etdimpratifs dexploitation ne permet
pas daffirmer quune solution soit
dapplication universelle.
4. guide de choix
Rappel : pour chaque lment protg,il convient de prvoir systmatiquement
une protection contre les courts-circuits
et les dfauts la terre (ou disolement).
lment installation risque envisag protection commentairesprotger concerne prvoir
lignes et cbles cbles en antenne, court-circuit s diffrentielle filen parallle ou en piloteboucle ferme.
cbles en parallle court-circuit et dfaut s directionnelle de courantou en boucle la terre phase et rsiduel
dparts fort dfaut la terre s directionnelle decourant capacitif, courant rsiduelmises la terremultiples,cbles en parallleou en boucle.
jeux de barres tableaux court-circuit s SSLreprsentant un s diffrentielle denud important de barresdistribution,tableaux forte Pcc.
s mini d'impdance protge aussi unepartie des transformateurs
alternateurs surcharge s image thermique
interruption de s sondes deventilation force tempratureet/ou prsence depoussires
machine coteuse dfaut interne s mini d'impdance protections trsou importante pour ou rapidesl'exploitation s diffrentielle alternateur
s perte d'excitationous retour de puissanceractive
s marche en moteur si autre source en parallle
s maxi et mini de tension si marche iltes frquence
s dsquilibre et si charges monophasesrupture de phase > 10 % des charges
condensateurs gradins en parallles s dsquilibre des(double toile) points neutres
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ventilateur, lev ou tension tropconvoyeur, faiblecompresseur
lment installation risque envisag protection commentairesprotger concerne prvoir
transformateur surcharge s image thermiqueinterruption de s contrle deventilation force tempratureet/ou prsence depoussires
surintensit au s 1er seuil temporissecondaire < Icc primaire
dfaut interne s 2me seuilinstantan > Iccsecondaire
transformateur dfaut interne s diffrentielleimportant transformateur
moteur asynchrone surcharge s image thermique
interruption de s contrle deventilation force tempratureet/ou prsence depoussires
machine importante s diffrentielle moteur
malaxeur, couple anormalement s dmarrage trop long
s blocage rotor contrle du courantmoteur en service aprs dmarrage
blocage rotor moteur s mini d'impdanceau dmarrage ou contrle de vitesse
chauffement interne s contrle des selon process et lorsdmarrages successifs de la mise en service
d'une usine (essais)
s
contrle des intervallesde temps entredmarrages successifs
pompes dsamorage s mini de courant oude puissance active
dsquilibre de s composante
tension d'alimentation inverse (cf. Cahierou rupture de phase Technique n 18)
moteur synchrone mmes protections quepour un moteurasynchrone, avecen plus :s perte de synchronismes contrle d'excitation
fonctionnement en s directionnelle de dcouplage rapide dugnrateur lors d'un courant ou de puissance rseau d'alimentationdfaut
couple moteur faible s mini de tensiondirecte
racclration la vole s mini de tension
rmanente
fig. 22 : choix indicatif de protections en fonction de llment protger.
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Les techniques de protection sontnombreuses et varies et il convient debien les connatre avant de faire unchoix.
Depuis la mise sur le march de laslectivit logique, elles ont peu volu.Cest normal car ces protections sonttoujours destines rduire lesconsquences des mmes dfautsdorigine lectrique ou mcanique.Par contre, leurs technologies ontvolu :
srelais lectromcaniquemonofonctionnel.
srelais lectronique analogiquemonofonctionnel.
sensemble lectronique analogique(rack) multi fonctions.Le Vigirack, cr en 1970 parMerlin Gerin en est un exemple.Ce type dunit de protection nedemande que peu dnergie auxcapteurs et dispose de relais dalarmeet de dclenchement prcbls enusine.
sunit numrique multi fonctions, elle
exploite des microprocesseurs.Le Sepam, autre dispositif defabrication Merlin Gerin en est unexemple.La multi fonctionnalit regroupe :sles fonctions de protection,sde la mesure et du comptage,
leves, des processus industrielssensibles.sni isoles, particulires, oublies,mais intgres dans un systme multifonctionnel communicant qui traite etmatrise toutes les donnes concernantllment contrl.
La communication avec les systmesde gestion du rseau permet toutinstant de :sconnatre les donnes lectriques,sconnatre les dfauts et lesvnements dans leur ordrechronologique,sconnatre la position des disjoncteurset d'autres organes de manuvre,ssavoir si tout fonctionne bien (chiende garde),sdeffectuer des manuvresdexploitation,sdanalyser les nombreuses mesurespour une exploitation plus efficace,sde mieux conduire ce rseau grce un tableau de bord complet et convivial.
Les consquences directes de cesvolutions sont une amlioration de lascurit et de la disponibilit delnergie, ainsi quune plus grandeefficacit et facilit de la maintenance.
sdes automatismes locaux,sde lauto diagnostic,sde laffichage et du traitement desalarmes,sde la communication.
Ces units intelligentes, peuvent parsimple modification de paramtres,ralisable par tout lectricien, assurerplusieurs de ces fonctions.
Ce type de matriel rduit au minimumle nombre de capteurs puisquil secontente des seuls TC de protection
pour effectuer :sles mesuressles comptagesset les protections.
Le concepteur gagne en souplessedans llaboration du plan de protectionet ltude de slectivit.
Quant aux capteurs sans fer, ilsamliorent la sensibilit et la stabilitdes protections, et leurs variantespermettent de concilier les fonctionsmesure et protection : de fait leuremploi rduit le temps dtude.
Les composants actuels permettentgalement dabaisser le cot deprotections trs compltes etperformantes telles que lesdirectionnelle. Ainsi elles ne sontdonc plus :sni rserves seulement desmachines puissantes, des tensions
5. conclusion
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6. informations pratiques
s couplage,s rgleur en charge (valeurs minimaleet maximale),
Alternateurs type dalternateur (turboalternateur oumachine ples saillants),s puissance nominale,s tension nominale,s facteur de puissance nominal,s ractances subtransitoires (dans laxedirect et en quadrature),s courant de court-circuit permanent
(valeurs minimale et maximale),ous tension dexcitation / valeur nominale,s ractance synchrone sature.
Moteurs type (synchrone ou asynchrone),s puissance nominale,s tension nominale,s courant de dmarrage,s temps de dmarrage,s risque ou non de rotor bloqu (si oui,le temps de tenue rotor bloqu),s nombre de dmarrages et duresautorises des intervalles ( froid, et
chaud),s constante de temps thermique dustator.
diagramme de slectivitPrsentation d'un diagrammeUn diagramme de slectivit, courant-temps est de prfrence reprsent encoordonnes orthonormes log-log carces variables peuvent voluer dans degrandes proportions :s les courants de quelques ampres plusieurs kiloampres,
s les temporisations de quelquesdizaines de millisecondes (pour desdclenchements instantans) des
La liste des donnes ci-aprs permetde raliser une tude de slectivitavec une prcision suffisante.
Lorsque certaines de ces donnes nesont pas connues (avant projet parexemple) lhomme de lart lesdfinira dans ses hypothses. Sonexprience lui permettra de choisir desvaleurs pratiques habituelles tellesque :s Icc pour un niveau de tensiondalimentation,s
Ucc selon les types detransformateurs,s temps de dmarrage des moteurs enfonction de leur utilisation.
donnes ncessaires pourraliser une tude deslectivitRseaus schma unifilaire,s configurations possiblesdexploitation,s tensions,s frquence,s puissance de court-circuit du rseauamont (valeurs minimale et maximale),s schmas des liaisons la terre(rgimes de neutre),s liaisons (longueur et type de cbles,nombre de cbles en parallle),s calibre des transformateurs decourant (TC) existants,s calibre des fusibles existants,s rglages des protections existantes(amont et aval).
Transformateur
s puissance nominale,s tension de court-circuit (Ucc %),s pertes cuivre,
centaines de secondes (pour lefonctionnement des protections desurcharge -image thermique-).
Pour que les courbes reprsentessoient comparables, il faut dfinir unetension de rfrence, de prfrencecelle qui est la plus utilise danslinstallation. Ainsi, un maximum decomparaisons et dtudes se font surdes courbes en lecture directe,lobservation des courbes concernantles autres tensions se fait alors selon le
rapport inverse des tensions.Exemple, sur un diagramme o latension de rfrence est HTA et donc
s les courants en HTA sont en lecturedirecte,
s les courants en BT
= valeurBTxtension BT
tensionHTA
s les courants en HTB
= valeurHTBxtensionHTB
tensionHTA
s les courants de dfaut terre et lescourants phase dpendent de systmes
diffrents et sont donc reprsents surdes diagrammes diffrents.s pour amliorer la lisibilit desdiagrammes, seule la partie utile descourbes est reprsente : du courantminimal de service au courant de court-circuit maximal de la zone considre.
Principes de slectivit
s au moins deux courbes doiventconcerner chaque niveau de courant dedfaut.
s la slectivit est totale entre deuxprotections lorsque leurs diffrentes
courbes ne se croisent pas, exceptel'utilisation de slectivit logique(cf. fig. 11).
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Lecture dun diagramme)Un tel diagramme (cf. fig. 23) regroupede nombreuses informations.s sur laxe des courantssles courants nominaux,sles courants de court-circuit,sles seuils des protections.
a = seuil bas de
a = seuil haut de
b = seuil de
c = seuil de
d = seuil bas de
d = seuil haut de
s sur laxe des tempsm = temporisation du seuil haut
de et de
n = temporisation du seuil
de et du seuil bas de
o = temporisation de
p = temporisation du seuil bas de
Les valeurs des seuils et destemporisations sont runies dans lecarnet des rglages utilis lors de la
mise en service de linstallation.
1
1
3
4
4
2
4
3
12
1 4
fig. 23 : exemple dun diagramme de slectivit (a) des protections du schma unifilaire (b).
A noter que pour tre compars les Icc sont exprims un mme niveau de tension, ici HTA.
t (s)421 3
p
o
n
m
1
700 ms
400 ms
100 ms
a a' b c d d' (kA)I
Icc
BT
Icc
HTA
Icc
HTB
In
1
In
2
In
3 et 4
a
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2
1
BT
HTB
HTA
b
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7. bibliographie
Normes
s ANSI C 37-2 : Numrotation desprotections.
s CEI 117-3 : Symbolisation desprotections.
s CEI 255-3 : Relais de mesure temps indpendant.
s CEI 255-4 : Relais de mesure temps dpendant.
s CEI 812 : Techniques danalyse de lafiabilit des systmes - Procduresdanalyse des modes de dfaillance etde leurs effets (AMDE).
s NF C 13-100 : Postes de livraisontablis lintrieur dun btiment etaliments par un rseau de distributionpublique de deuxime catgorie.
s NF C 13-200 : Installationslectriques haute tension : Rgles.
Cahiers Techniques Merlin Gerin
s Protection des rseaux par lesystme de slectivit logique.Cahier Technique n 2 -F. SAUTRIAU.
s Analyse des rseaux triphass enrgime perturb l'aide descomposantes symtriques.Cahier Technique n 18 -B. DE METZ NOBLAT.
s Mise la terre du neutre dans un
rseau industriel.Cahier Technique n 62 -F. SAUTRIAU.
s Calcul des courants de court-circuit.Cahier Technique n 158 -R. CALVAS, B. DE METZ NOBLAT,A. DUCLUZAUX et G. THOMASSET.
s Le transformateur de courant pour laprotection en HT.Cahier Technique n 164 -M. ORLHAC.
s La conception des rseaux industrielsen HT.
Cahier Technique n 169 -G. THOMASSET
s Des transformateurs de courant auxcapteurs hybrides.Cahier Technique n 170 -C. TEYSSANDIER
Publications diverses
s Guide de la protection MT.Merlin Gerin, rfrence CG0021X.
s Choix du rgime de neutre dunrseau industriel HT de 1 36 kV.J. VERSCHOORE,Revue RGE n11, Novembre 1980.
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