Chap1_Théorie

Formation sur les Relais de Protection:

Chapitre 1 : Théorie

Mention de protection / Droits d’auteur

© Siemens SAS 2015

Sommaire : Introduction : § Origine des défauts § Natures § Types Ø Courants de court-circuit : § Rappel sur le système complexe § Composantes symétriques § Courant de court-circuit Ø Instruments de mesure : § Transformateurs de courant § Transformateurs de Tension Ø Principe de fonctionnement d’un relais de protection:

Ø

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Sommaire : Introduction : § Origine des défauts § Natures § Types Ø Courants de court-circuit : § Rappel sur le système complexe § Composantes symétriques § Courant de court-circuit Ø Instruments de mesure : § Transformateurs de courant § Transformateurs de Tension Ø Principe de fonctionnement d’un relais de protection:

Ø

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Introduction : Origine : Lignes aériennes (65%) l Orages l Tempêtes l Objets : arbres, grues, oiseaux, avions … l Casse d ’isolateurs l Conditions extrêmes (chaud, froid … surcharge) Câbles souterrains (10%) l Travaux ou autres influences mécaniques l Défauts d ’isolation l Humidité (boites de jonction etc...) Page 4

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Introduction : Nature : Défauts fugitifs (80-90%) l arcs électriques l objet détruit par amorçage (branches, oiseaux…)

Défauts permanents l défauts métalliques (perche de MALT, grues … l arbres l lignes tombées, isolateurs défaillants l défauts câbles l conducteurs interrompus

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Type de défaut : Monophasé (phase -terre) : (>80%) Biphasé Isolé (phase-phase) : (10%) Biphasé-Terre : (5%) Triphasé : (1,5%) Triphasé-Terre (0,5%) Evolutifs (1%)

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t1

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t2

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Sommaire : Introduction : § Origine des défauts § Natures § Types Ø Courant de court-circuit : § Rappel sur le système complexe § Composantes symétriques § Courant de court-circuit Ø Instruments de mesure : § Transformateurs de courant § Transformateurs de Tension Ø Principe de fonctionnement d’un relais de protection:

Ø

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Rappel sur le système complexe: Plan Temporel :

I V

I(t)

V(t)

f0

V(t) = V cos (360° t / T)

180°

T

-V -I

f)

Plan Complexe :

t

V

V

180°

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I(t) = I cos (360° t / T -

T = 20 ms --> f = 1/T = 50 HZ

j Im

I

t

360°

V =Ve

0°

Re

I =Ie

360°

w

I 26-01-2015

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jwt

j (w t - f)

= 360° f = 360° / T Mention de protection / Droits d’auteur Région / Secteur / Division / Département

Pour un système triphasé : Plan Temporel :

a = 120°

V(t) 120°

0

T

t

360°

Plan Complexe :

V

j Im

t V

0°

180°

Re Page 9

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360°

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Opérations algébriques sur les nombres complexes : Ø Addition :

j Im Z

2

Z1+2

Re

Z1

parties réelles

t

0°

360°

Z1+2 = Z1 + Z2 Z1+2 = (Ré(Z1 ) + Ré(Z2 )) + j (Im(Z1 ) + Im(Z2 )) Page 10

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Coordonnées Cartésiennes Coordonnées Angulaires Vecteur donné en REEL / IMAGINAIRE

Z=a +jb

f b = Z sin (f)

a = Z cos ( )

j Im

f a

Z = Ö (a2 + b2)

Z

f = arctan ( b / a )

b Re

Vecteur donné en AMPLITUDE /PHASE

Z : Z , Ang = (Z= Z ej

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f

f)

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Multiplication - Division Ø Multiplication :

A = A e j fa B = B e j fb C = A * B = A e j fa

B e j fb

*

= A*B e j fa * e j fb C = A*B e j (fa+ fb ) Ø Division :

6 D = A/B e Page 12

j (fa- fb )

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j Im 2

3 1.5

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Re

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IMPEDANCES CLASSIQUES : Résistance

Inductance

R

X

I

I

V V(t)

Z=

I e j 0° j Im

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V(t)

=Z e

j 0°

Ie

Z

=Z e - j 90° j Im

XC I

V

I(t)

V e j 0°

Capacitance

R X I V

I(t)

V e j 0°

Elément R- X

V(t)

+ j 90°

Z

V e j 0° Ie

I(t)

=Z e - j 45° j Im

V V(t)

+ j 45°

Z

I(t)

V e j 0° Ie

- j 90° = Z e + j 90°

j Im

Z

RE

RE

RE

RE

Z= V / I

Z= V / I

Z= V / I

Z= V / I

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Composantes symétriques : Utilisation : calcul des systèmes NON - symétriques l 3 schémas monophasés au lieu de 1 schéma triphasé l simplification du calcul Application : Protections (distance, directionnelle …) l indicateur défaut : monophasé, biphasé, triphasé l permet de traiter ces défauts (phénomènes) de manière différente l compréhension couplage mutuelle de deux lignes l …..

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Système asymétrique A-B-C = 3 systèmes symétriques

A-B-C

=

w

w

directe

+

w

inverse

+ homopolaire

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w

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Transformation courant : A-B-C ---> composantes symétriques

(di) :

Id = 1/3 *( IA + a IB + a2 IC )

(in) :

Ii = 1/3 *( IA + a2 IB + a IC )

(ho) :

I0 = 1/3 *( IA +

IB +

IC )

a

= 1 e j120°

1 = 1 e 0° a2 = 1 e j240°

Transformation courant : composantes symétriques ---> A-B-C

(A) :

IA =

(B) :

IB = a2 Id + a Ii +

I0

(C) :

IC =

I0

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Id +

a Id

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Ii +

+ a2 Ii +

I0

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Courant de Court-circuit : Défaut triphasé

( ou charge 3 ~ équilibrée)

(Normalement transformation non nécessaire, car équilibré)

IC

(di) :

IA IB

(in)

système directe = phase inverse = 0

(ho) : IC

homopolaire = 0

Id = 1/3 *( IA + a IB + a2 IC )

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IB +

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a2 IB

=0

IA IA IB

=0 a

= 1 e j120° 1 = 1 e 0°

Ii = 1/3 *( IA + a2 IB + a IC ) I0 = 1/3 *( IA +

I1

:a IC

Défaut triphasé:

IA a IB a2 IC

a2 = 1 e j240°

IC ) Siemens SAS

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Courant de Court-circuit : Défaut biphasé

IC =0

IA

IA

IB

(di) :

Défaut biphasé:

(in) :

a IB

I1 I2

IA

système directe existe

a2 IB

système inverse existe homopolaire = 0

(ho) : IA IB

Id = 1/3 *( IA + a IB + a2 IC ) Ii = 1/3 *( IA + I0 = 1/3 *( IA + Page 18

a2

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a

= 1 e j120° 1 = 1 e 0°

IB + a IC ) IB +

=0

a2 = 1 e j240°

IC ) Siemens SAS

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Courant de Court-circuit : Défaut monophasé

IC = 0 IA

(di) :

IB = 0 (in) :

Défaut monophasé: directe

existe

inverse

existe

homopolaire existe

(ho) :

Id = 1/3 *( IA + a IB +

a2

IC )

Ii = 1/3 *( IA + a2 IB + a IC ) I0 = 1/3 *( IA + Page 19

IB +

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IC ) Siemens SAS

IA I1

IA I2

IA I0

a

= 1 e j120° 1 = 1 e 0°

a2 = 1 e j240° Mention de protection / Droits d’auteur Région / Secteur / Division / Département

Courant de Court-circuit :

défaut

direct

inverse

homopolaire

monophasé biphasé triphasé n Application : l l l l

directionnelle terre --> élément inverse ou homopolaire directionnelle phases --> élément inverse Power-Swing : Annulation du bocage si élément inverse démarre (--> défaut) Surveillance disjoncteur

l Surveillance de perte de potentiel ( coupure fil) … Page 20

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Sommaire : Introduction : § Origine des défauts § Natures § Types Ø Courants de court-circuit : § Rappel sur le système complexe § Composantes symétriques § Courant de court-circuit Ø Instruments de mesure : § Transformateurs de courant § Transformateurs de Tension Ø Principe de fonctionnement d’un relais de protection:

Ø

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Transformateur de Courant :

Rôle des transformateurs de courant : § fournir côté basse tension, l’exact reflet du courant circulant sur le réseau HT, § protéger le circuit secondaire des défauts apparus sur le réseau HT, § fournir une isolation galvanique entre le réseau HT et les instruments de mesure et relais de protection au secondaire

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Schéma équivalent d’un TC

X1 = Réactance de fuite primaire R1 = Résistance de l'enroulement primaire X2 = Réactance de fuite secondaire Zm = impédance de magnétisation R2 = Résistance de l'enroulement secondaire Zb = Charge secondaire Les réactances X1 et X2 peuvent être négligées. Page 23

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Modèle simplifié du TC

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Norme CEI §

CEI44-1 : transformateurs de courant TC pour la mesure, 5P20, 5PR20, PX, 5PR20

§

CEI44-6 TC pour protection pour la réponse en régime transitoire TPS, TPX, TPY, TPZ

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TC de mesure selon la CEI 44-1 600/1 A

n: rapport de transformation =Ipn/Isn,

Classe 0.5

Classe de précision en % du courant défini entre 5 & 120% de In pour 25 à 100% de la puissance assignée,

5 VA

puissance assignée Pn ( 2.5-5-10-15-30 VA),

FS=10

facteur de sécurité (FS=5-10) défini le courant primaire limite, Ipl=FS*Isn pour lequel l ’erreur composée devient > 10%

FS' = FS* Pn + Pi Pr + Pi

Pr: puissance réelle consommée < Pn Pi: puissance interne consommée

FS’ donne un courant Ipl’ supérieur, qui doit rester compatible avec les équipements secondaires Page 26

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TC de protection selon la CEI 44-1 600/1 A

n: ratio de transformation entre Ipn et Isn,

5P

classe de précision

5 VA

puissance assignée Pn ( 2.5-5-10-15-30 VA),

Kalf=5

facteur limite de précision (Kalf=5-10-15-20-30) Ipl=Kalf*Isn

Pour un TC 5P20 à Ipl=20Isn l ’erreur composite est < 5%

Kalf' = Kalf * Pn + Pi Pr + Pi

ÞIpl’ respecte encore la classe de précision, et doit rester compatible avec le niveau d ’entrée de la protection Protection

Erreur Log In 0.05

1

30 10

Mesure

Zones de fonctionnement Page 27

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Les classes de TC classe

Applications typiques

P

TPY

Protection à max de courant, directionnelles, mais assi différentielles, distance, …. Idem classe P sur des lignes où le ré-enclenchement est utilisé. Très rarement utilisé Protections hautes impédances (différentielle barres, différentielles transfo, terre restreinte. Idem ancienne classe X de la BS) Idem PX, quand bon comportement en transitoire demandé. Utiliser de préférence PX. Protection de distance quand bon comportement en transitoire demandé. Utilisé à proximité des centrales. Idem TPX avec réenclenchement.

TPZ

????

PR PX TPS TPX

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La classe P et PR 600/1 A 5P 5 VA Kalf=5

n: rapport de transformation entre Ipn et Isn, classe de précision puissance assignée Pn ( 2.5-5-10-15-30 VA), facteur limite de précision (Kalf=5-10-15-20-30)

Pour un TC 5P20 à Ipl=20Isn l’erreur composite est < 5% D’après la norme, on n’est pas sensé spécifier la résistance du secondaire du TC. Et pourtant c’est un paramètre fondamental du TC. Classe PR : idem P avec prise en compte du rémanent

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Classe PX §La classe X de la BS a disparu depuis longtemps. Pour les nostalgiques, il y a le PX. §Pas de spécification des puissances et précision § On spécifie une tension de coude en V § Possibilité en interne de spécifier sous la forme UkN > A*( Rct+B) §Possibilité de calculer un équivalent entre la tension de coude en PX et les VA en 5P20

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Relation entre la tension de coude et le facteur limite de précision

Avec : • Uknee : la tension de coude • ALFn : Le facteur limite de précision nominal •RCT : Charge interne du TC •Rn : Charge externe nominale Exemple : Pour un TC IEC classe 5P: 600/1A,5P35 15 V,RCT = 4 Ω

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IEC 44-6: 3

Est un complément de la CEI 44-1pour les

2.5 2

performances en transitoire, correspondant à la

1 0.5

1.5

300

270

240

210

180

150

120

90

60

30

résorption de la composante asymétrique du

0

0 -0.5 -1 -1.5

courant de défaut. Définie une tension secondaire limite:

Ual ³ K.Id. Isn .(Rct + Rb) Ipn

Cycle de réenclenchement : f Ual2 Ual1 tfr

fr

t’

t’’

t’al

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t’’al

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t Mention de protection / Droits d’auteur Région / Secteur / Division / Département

Définition d’un TC suivant la norme 44.6 Les paramètres de spécification pour les différentes classes de TC sont détaillés dans le tableau suivant: TPS TPX Ipn (A) x x Isn (A) x x f (Hz) x x Tension + élevée pour le matériel Um (Kv) rms x x et niveau d’isolement assigné (Kv) peak x x Ith (A) x x Idyn (A) x x Rapport auquel s’applique la spécification x x Kssc x x Tp (ms) o x Ts (ms) o o F-O: t’, t’al (ms) o x FO-FO: t’-t’al-tfr-t’’-t’’al (ms) x x Rb (W) K x o Ial max à Ual (mA) x o x o Rct (W) x applicable / o non applicable

TPY x x x x x x x x x x o x

TPZ x x x x x x x x x x o o

x o o o

x o o o

Paramètres de spécification. La méthode de spécification est différente de celle utilisée pour des TC suivant la norme CEI 44-1, on a pas à calculer une tension de coude, ou une puissance de précision, il suffit de préciser les paramétres ci-dessus.

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Définition d’un TC suivant la norme 44.6

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Pourquoi utilise-t-on plusieurs enroulement par TC

§ Les exigences des appareils de mesure et de protection sont parfois incompatibles § Les habitudes des clients sont parfois d’avoir un enroulement par protection § Certaines protections sont dites « haute impédance »; elles développent dans le circuit secondaire du TC une tension peu compatible avec les autres TC.

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Exemple d’arrangement des enroulements de TC

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Notion de saturation d’un TC

I2

I1/n Z1

B

Z2

I1

Z n=n2/n1

Ie

V

Z

m H

I2=I1/n+Ie

H=n2*Ie/L

Tant que Ie est négligeable

Après le coude de saturation, Ie ää

=>I2 image fidèle de I1

=>I2 n ’est plus l’image fidèle de I1

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Saturation d’un TC : Calcul…

• En régime permanent : kALF = kALF,N

PN + Pi P + Pi

Avec : kALFN

= facteur limite de précision nominal (à la Charge nominale PN)

kALF

= facteur limite de précision (à la Charge réelle P) PN= Nominal VA P = Chargé actuelle connectée Pi = Charge interne du transformateur de courant

Autres désignations : kALFN = KSSC = nN kALF = K‘SSC = n‘ Page 38

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Saturation d’un TC : Exemple de calcul… Exemple:

CT1

CT2

1000/1

100/1

Données du TC : 5P20 20VA Pi = 4 VA P_rel = 0,2 VA L= 200 m (longueur du câble(lead)) A = 4 mm2

(10 x IN)

R lead =

(100 x IN)

2×ρ ×l = A

k ALF = 20

10 kA

W × 200m 2 mm = 1,8W 2 4mm

2 × 0,018

20 + 4 = 80 2+4

=> CT sature à 80 x IN Conclusion CT1 ne sature pas CT2 sature Page 39

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Notion de note de calcul TC § Données d’entrées : schéma unifilaire détaillé, courants de court-circuit, constante de temps du réseau, caractéristiques des lignes et transfos… et résistance du CT § Les formules de calcul sont normalement données par les constructeurs § TPS, TPX, TPY,TPZ : en théorie pas de calcul à faire § PX : but calculer la tension de coude § P : vérifier que la puissance définie est conforme au besoin.

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Qu’est ce qu’un TP ? § Un transformateur de tension est un « transformateur de mesure dans lequel la tension secondaire est, dans les conditions normales d'emploi, pratiquement proportionnelle à la tension primaire et déphasée par rapport à celle-ci d'un angle voisin de zéro, pour un sens approprié des connexions ». § On l’utilise faire l'adaptation entre la tension élevée du réseau (des kV) et un appareil de mesure ou un relais de protection (des V). Il fournit côté basse tension, l ’exact reflet de la tension présente sur le réseau HT. §Il fournit une isolation galvanique entre le réseau HT et les instruments de mesure et relais de protection au secondaire. Page 41

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TP inductifs ou capacitifs § Les TP AIS peuvent être soit de type inductifs soit de type capacitifs (CVT ou CCVT) §Les TP capacitifs (CVT) servent aussi de « coupleur » pour injecter des signaux de télécommunications sur les lignes HT (communication par courant porteur . Ceci est impossible avec un TP GIS. §Les TP GIS sont tous inductifs §Dans les postes GIS, on choisit donc souvent sur les lignes de ne pas prévoir de TP GIS, mais de prévoir un TP AIS.

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Circuit équivalent d’un CVT :

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TP : normes et classes de précision § Norme CEI 60044-2 pour les TP inductifs § Transformateurs utilisés pour la mesure Cl 0.1, Cl 0.2, Cl 0.5, Cl 1, Cl 3 La mesure est correcte de 80 % à 120 % de la tension nominale La classe 0.1 correspond à moins de 0.1 % d’erreur garantie, la classe 0.2 à 0.2 %, … § Transformateurs utilisés pour la protection : 3P ou 6P La mesure est correcte de 5 % à 120 % de la tension nominale La classe 3P correspond à 3 % d’erreur, la 6P à 6 %, ….

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Pourquoi a-t-on parfois 2 secondaires ? § Un pour la mesure (cl 0.5) et un pour la protection (3P) §Il serait techniquement possible de faire un TP ayant à la fois les caractéristiques de la classe 0.5 et de la classe 3P, mais ceci n’est pas normalisé. §Il n’y a pas de difficulté à avoir à la fois un appareil de mesure et une protection branchés sur le même secondaire de TP.

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Paramètres à spécifier §

Ratio : On utilise en tension secondaires : 100, 100/Ö3, 100/3 V, 110, 110/Ö3, 110/3 V

§

Classe

§

Puissance limite de précision sur chaque enroulement Valeurs normalisées 10, 15, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500 VA

§

Facteur de tension assigné

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Facteur de tension assigné

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Pourquoi essayer de limiter la puissance § Faisabilité douteuse si grosse demande de VA §Impact sur le coût §Logique technique : les protections et appareils de mesure actuels consomment très peu §La précision n’est garantie que de 25 à 100 % de charge

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Notion de Ferrorésonnance §La ferrorésonance est un phénomène de résonnance affectant les réseaux électriques implicant une inductance non linéaire et une capacité alimentées par une source sinusoïdale. § Un circuit ferrorésonnant comporte en général deux états : un état stable, correspondant au régime nominal du circuit (associé en général à un état non saturé de l'inductance), et un ou plusieurs autres états dits ferrorésonnants (associés en général à un état saturé de l'inductance) §La ferrorésonance est un phénomène rare, mais potentiellement perturbateur ou destructeur. Une portion de réseau affectée par la ferrorésonance sera fréquemment génératrice de courants harmoniques, de surintensité et sera sujette à surtensions temporaires ou permanentes

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Cas impliquant un TP § Configuration classique présentant un risque de ferrorésonance : un TP inductif et un la capacité de répartition d’un disjoncteur double chambre § Dans ce cas, spécifier expréssément que le TP doit avoir un dispositif contre la ferorésonance.

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Sommaire : Introduction : § Origine des défauts § Natures § Types Ø Courants de court-circuit : § Rappel sur le système complexe § Composantes symétriques § Courant de court-circuit Ø Instruments de mesure : § Transformateurs de courant § Transformateurs de Tension Ø Principe de fonctionnement d’un relais de protection:

Ø

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Relais de protection Numérique - SIPROTEC 4

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Relais de protection Numérique - SIPROTEC 4

Mesure de courant

Ordre de Déclenchement

Mesure de tension

Signal d’alarme envoyé (BO)

Interface de communication

Signal reçu (BI)

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Relais de protection Numérique - SIPROTEC 4 Ø Processeur : MPC860 (32 bit/PC) Ø Mémoire : Flash-EPROM (3 Mbyte) + SRAM ( 1 Mbyte ,batterie-tampon) Ø Conversion Analogique / Numérique : 16 Bit

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Analyse de Fourier des signaux simples (Tensions/courants)

Calcul des phaseurs Traitement avec filtres orthogonaux

Signal simple i(t)

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26-01-2015

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Calcul d’impédance à l’aide des phaseurs U et I

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