Application du relais différentiel
[Résumé] Relais d'action de courant résiduel, en tant que protection principale ou protection de secours utilisée dans le système de distribution basse tension, principalement pour éliminer le rôle important des dommages corporels ou des risques d'incendie, l'utilisation correcte du relais d'action de courant résiduel et la compréhension de son principe, pour assurer le fonctionnement sûr et fiable du système électrique est d'une grande importance.
[Mots clés] Relais différentiels, système de distribution basse tension, risque d'incendie
Introduction : Avec le développement continu des réseaux électriques basse tension et l'essor de la construction économique en Chine, l'augmentation du nombre d'équipements électroniques de puissance, notamment les équipements de redressement, de conversion de fréquence et de commutation, la distorsion des signaux de ligne s'accentue. L'amélioration de la capacité et de la sécurité de l'alimentation électrique impose des exigences plus strictes. En particulier, certains systèmes d'alimentation alimentés par des transformateurs indépendants spécifiques souffrent d'une supervision insuffisante et la sécurité du personnel de maintenance n'est pas garantie. Des contacts accidentels avec les équipements de ligne, des fuites accidentelles et des courts-circuits à la terre, causés par des incendies et d'autres risques, ainsi que des pertes économiques, sont fréquents. Le relais différentiel est un dispositif de protection plus performant pour prévenir ces accidents. Son rôle principal est de protéger les personnes contre les chocs électriques et de prévenir les fuites d'équipements électriques ou de lignes électriques causées par un incendie important.
1 : Nécessité d'utiliser le relais différentiel
Ces dernières années, avec l'augmentation de la consommation d'électricité et de la construction résidentielle, la protection différentielle des lignes de distribution basse tension nécessite souvent l'installation de dispositifs d'alarme différentiels. La norme GB13955-2005, récemment révisée, « Installation et fonctionnement des dispositifs de protection différentiels », stipule clairement que : si le courant résiduel dépasse la valeur nominale, l'alimentation électrique doit être coupée en cas de pertes économiques importantes et d'impact social négatif sur les appareils ou les lieux électriques. Par exemple, pour l'alimentation de secours et l'éclairage des voies publiques ; pour les équipements de sécurité des lieux publics ; pour l'alimentation des équipements de lutte contre l'incendie, tels que les ascenseurs, les pompes à incendie, l'éclairage des voies d'incendie ; et pour l'alimentation des alarmes antivol. Le code de conception résidentielle GB50096-1999 stipule que le disjoncteur de la ligne d'alimentation générale de chaque maison doit être doté d'une fonction de protection différentielle. Afin d'éviter la déconnexion du disjoncteur de la ligne d'alimentation générale en cas de panne de courant résidentielle, la fonction d'alarme différentielle est généralement conçue pour la protection de la ligne d'alimentation générale.
2 : Relais de courant résiduel de la série Acrel ASJ
Le relais différentiel Acrel série ASJ offre une protection contre les fuites et peut être connecté à un déclencheur à distance, ce qui permet de couper l'alimentation électrique à temps, d'éviter les contacts indirects et de limiter le courant de fuite. Il peut également servir de relais de signalisation pour la surveillance des équipements électriques. Il est particulièrement adapté aux écoles, bâtiments commerciaux, ateliers, marchés, entreprises industrielles et minières, unités nationales de lutte contre l'incendie, bâtiments intelligents et zones résidentielles, métros, industries pétrochimiques, télécommunications et défense nationale, pour la protection de la sécurité électrique.
Les produits de la série ASJ se distinguent par deux méthodes d'installation principales. La série ASJ10 s'installe sur rail DIN. Les illustrations et les fonctions sont présentées dans le tableau suivant :
Fonctions principales
1. Mesure du courant résiduel
2. Alarme de dépassement de limite
3. Le courant d'action restant nominal peut être réglé. 4. La limite du temps sans entraînement peut être réglée.
5. Relais de sortie à 2 canaux
6. fonction de test/réinitialisation locale/à distance
Différence:
1. Mesure du courant résiduel de type AC
2. Indication d'alarme de courant sur-limité
Fonctions principales
1. Mesure du courant résiduel
2. Alarme de dépassement de limite
3. Le courant d'action restant nominal peut être réglé. 4. La limite du temps sans entraînement peut être réglée.
5. Relais de sortie à 2 canaux
6. fonction de test/réinitialisation locale/à distance
Différence:
1. Mesure du courant résiduel de type A
2. Affichage du pourcentage actuel de la colonne lumineuse
Fonctions principales
1. Mesure du courant résiduel
2. Alarme de dépassement de limite
3. Le courant d'action restant nominal peut être réglé. 4. La limite du temps sans entraînement peut être réglée.
5. Relais de sortie à 2 canaux
6. fonction de test/réinitialisation locale/à distance
Différence:
1. Mesure du courant résiduel de type A
2. Écran LCD
3. Alarme de déconnexion mutuelle
4. La valeur d'avertissement de prévision peut être définie et la valeur de retour peut être définie
5. 25 Enregistrements d'événements
Fig. 1 Câblage électrique d'une centrale 10 kV
1. Motif de la reconstruction du dispositif de protection électrique de 10 kV
Le dispositif de mesure et de contrôle de protection complet d'origine de la centrale électrique 10 kV utilise le dispositif de protection intégré MiCOM-P122 importé de Shanghai Areva. Cet équipement est en service depuis mai 2007. Les composants électroniques du dispositif de protection sont très anciens et les composants d'entrée du couplage optique de protection sont plus fréquemment endommagés, ce qui compromet la sécurité et la stabilité de la production de la centrale. De plus, le fabricant ne produit plus de pièces de rechange du même type ; seules les mises à niveau sont disponibles. Les données du dispositif de protection ne sont pas conformes aux exigences, et il n'existe aucune pièce de rechange pour la protection du commutateur de secours. Le faible niveau d'automatisation, la faible numérisation, la gestion des informations du dispositif sont complexes et ne répondent pas aux exigences actuelles. L'interface homme-machine et les logiciels en anglais sont peu conviviaux, ce qui rend le travail plus fastidieux et réduit l'efficacité. Compte tenu de ces facteurs, il est nécessaire de procéder à une transformation technique du système de mesure et de contrôle de protection complet de la consommation électrique 10 kV.
3 Exigences relatives à la protection et à la transformation de l'énergie des installations de 10 kV
L'appareillage et son emplacement d'installation restent inchangés. Ils remplacent tous les interrupteurs de charge d'alimentation, les interrupteurs de bus, l'armoire de transformateurs de courant, les câbles secondaires internes et les rangées de bornes d'origine. Le panneau de l'appareillage est repensé et modifié en fonction de la taille du nouvel appareil. Le câblage du système de surveillance de l'alimentation et de l'interface de communication du nouvel appareil est terminé. Lors de la transformation, la boucle de fonctionnement est optimisée sans modification de la configuration de protection d'origine.
4 Sélection de nouveaux équipements complets de mesure et de contrôle de protection
Le nouveau dispositif intégré de mesure et de contrôle-commande de protection doit intégrer les fonctions de contrôle, de protection, d'enregistrement des ondes de défaut, de mesure, d'alarme, d'acquisition du volume de commutation et de communication. Intégrant une protection de courant non directionnelle à trois niveaux, il est équipé d'une fonction de surveillance et de collecte des paramètres de ligne. Les données de mesure et les informations de protection peuvent être transmises au système de surveillance de l'énergie via le port de communication, facilitant ainsi l'automatisation du réseau de distribution. Suite à l'appel d'offres public des fournisseurs nationaux pour le projet de transformation des dispositifs de protection de la centrale hydroélectrique 10 kV, le dispositif de mesure et de contrôle de la série AM5SE, fabriqué par Acrel Co., Ltd., a finalement été retenu. En fonction des différentes caractéristiques de charge du bus de puissance de la centrale 10 kV, les fonctions de protection de chaque modèle sont présentées dans le tableau suivant :
| modèle | fonction de protection |
| AM5SE-F Dispositif de mesure et de contrôle de protection de ligne | Protection contre les surintensités à trois niveaux (peut être fermée par basse pression, peut être protégée dans le sens), protection contre les surintensités à limite de temps inverse (peut être protégée par basse pression fermée W, protection contre les surintensités à deux niveaux d'ordre zéro 101 / protection contre les surintensités à limite de temps inverse, protection contre les surintensités à deux niveaux d'ordre zéro 1. 2 Courant / temps inverse, réenclenchement, protection accélérée contre les surintensités (par fermeture basse tension), alarme de surcharge, déclenchement de surcharge, déclenchement de perte de pression, alarme de perte de pression, protection contre les surtensions, protection contre les surtensions d'ordre zéro, protection contre les inversions de puissance, réduction de charge basse fréquence / protection haute fréquence (par différence de glissement), alarme de rupture de PT, alarme de rupture de circuit de commande, boucle FC avec fonction de verrouillage de surintensité, protection sans alimentation, alarme de rupture de TC et vérification |
| AM5SE-T Dispositif de mesure et de contrôle de la protection de la distribution électrique | Protection contre les surintensités à trois niveaux (peut être complétée par une fermeture de tension composite), protection contre les surintensités à limite de temps inverse (peut être complétée par un verrouillage de tension composite), protection contre les surintensités d'ordre zéro à deux niveaux 101, protection contre les surintensités d'ordre zéro à deux niveaux 102, protection contre les surintensités à limite de temps inverse d'ordre zéro, alarme de surcharge, déclenchement de surcharge, alarme de rupture de PT, alarme de rupture de circuit de commande, protection hors tension, alarme de rupture de TC, boucle FC avec fonction de verrouillage de surintensité |
| AM5SE-B le dispositif de mesure et de contrôle de la protection contre l'autoprojection | Protection contre les surintensités à trois sections (par verrouillage de tension composite, avec verrouillage de direction), protection contre les surintensités à temps inverse (par verrouillage de tension composite), protection contre les surintensités accélérées (par verrouillage de tension composite), fonction de veille (prend en charge 11 types de systèmes d'alimentation), alarme de rupture de PT, alarme de rupture de circuit de contrôle, protection de charge de bus, réenclenchement, couplage/alarme de surcharge, protection contre les surintensités d'ordre zéro à deux sections, protection contre les surintensités d'accélération homopolaire, vérifier la même période |
| AM5SE-M Dispositif de mesure et de contrôle de la protection du moteur | Protection de courant (démarrage, fonctionnement), protection de courant à deux étages, protection de temps inverse, protection de séquence négative à deux étages, protection de limite de temps inverse d'ordre négatif, protection de surintensité d'ordre zéro à deux étages, surcharge à chaud, protection de surcharge, alarme de surcharge, déclenchement de surcharge, protection de blocage, temps de démarrage long, protection hors tension, alarme de rupture de PT, alarme de rupture de circuit de commande, protection basse tension, alarme de surtension d'ordre zéro, boucle FC avec fonction de verrouillage de surintensité, protection contre les déséquilibres de tension, protection de séquence de phases, protection de phase de tension, protection de surtension |
Outre les fonctions de protection susmentionnées, chaque microcontrôleur de mesure et de contrôle est doté d'une interface de communication RS485 permettant la communication avec le système de surveillance de l'alimentation, la surveillance indépendante des circuits de fonctionnement et la gestion de l'état des commutateurs. La surveillance des circuits de commutation est plus complète ; la fonction de saut intégrée permet aux utilisateurs de choisir librement leur investissement. Le nouveau microcontrôleur de mesure et de contrôle de la série AM5SE offre de nombreuses fonctions de protection, et chaque menu est librement paramétrable en chinois ou en anglais, ce qui facilite l'exploitation et la maintenance.
5. Conception d'une installation 10 kV
Le dispositif de mesure et de contrôle de protection informatisé nouvellement configuré de la série AM5SE, ainsi que ses plans, ont été conçus par Acrel Co., LTD. La conception schématique du circuit secondaire doit être basée sur les plans secondaires originaux de l'armoire haute tension 10 kV. La disposition des bornes est basée sur le plan, lequel doit être conforme aux exigences de la réglementation en vigueur. Pour une même charge, le numéro de borne et le numéro de ligne sont très uniformes et soumis à certaines règles. La précision du plan détermine la fluidité de la construction et de la mise en service, ainsi que la sécurité de la production après exploitation.
6. Processus de protection et de transformation de puissance de 6 centrales de 10 kV
La centrale 10 kV doit respecter les conditions de construction : plan et plans détaillés ; réception des nouveaux équipements par les responsables des équipements ; formation du personnel de construction à la sécurité ; outillage et matériaux complets. La construction est réalisée en stricte conformité avec le plan et les plans, afin de garantir le bon déroulement de chaque liaison.
6.1 Transformation du matériel de protection de puissance de l'installation 10 kV
La construction de rénovation de l'usine 10 kV comporte principalement trois étapes : le remplacement de la rangée de bornes dans l'armoire de commande, le retrait de l'ancien dispositif de mesure et de contrôle de protection complet, et l'installation et l'assemblage de la chaîne de montage et de la disposition des câbles du nouveau dispositif de protection complet.
6.1.1. Remplacer la rangée de bornes
Le remplacement des bornes doit être effectué une par une. Il est interdit de remplacer deux bornes ou plus simultanément afin d'éviter toute erreur de connexion et tout câblage incorrect. Il est également interdit de remplacer la rangée de bornes dans une armoire électrique seule. L'isolation des alimentations CA et CC, des circuits de déclenchement et de signalisation doit être renforcée afin d'éviter tout court-circuit entre les bornes. Pour remplacer la rangée de bornes, il faut s'assurer que la borne de boucle et le numéro de ligne d'origine restent inchangés, afin que la prochaine étape de câblage et de vérification des lignes puisse se dérouler sans problème.
6.1.2 Démolition de l'ancien dispositif de mesure et de contrôle de protection intégrale
Conformément au plan et aux plans de construction, retirez les composants à démonter, notamment les anciens dispositifs de protection, de mesure et de contrôle intégrés, les relais intermédiaires de l'appareillage, les relais de tension, les relais temporisés et autres composants, ainsi que les câbles secondaires associés. Lors du démontage, veillez à éviter tout dommage artificiel aux composants et à ne pas retirer par erreur les câbles secondaires utiles. Organisez et démontez les composants, classez-les et spécifiez leur stockage local afin d'éviter toute perturbation sur le chantier. Le chantier doit respecter les exigences 6S.
6.1.3 Installation et montage de la chaîne de montage et disposition des câbles d'un dispositif de mesure et de contrôle de protection complet
En raison des différences de taille entre les dispositifs de mesure et de contrôle de protection intégrés, nouveaux et anciens, la taille de la fenêtre d'installation du panneau de l'armoire électrique n'est pas adaptée à celle du nouveau dispositif. Cette fenêtre doit être découpée et agrandie pour installer le nouveau dispositif et éviter de rayer le panneau lors de la découpe. Le câble connecté au nouveau dispositif doit être neuf et tous les câbles inutilisés doivent être retirés afin d'éviter tout circuit parasite. Le câblage doit être réalisé en stricte conformité avec les plans de conception afin d'éviter les fuites, les erreurs de connexion et les erreurs de commutation. Le câblage du nouveau dispositif doit être net, uniforme et rationnel, facilitant ainsi l'inspection et la maintenance.
6.2 Protection de puissance et mise en service d'une installation de 10 kV
La protection et le débogage se divisent principalement en quatre étapes : vérification de la ligne de boucle secondaire, vérification du fonctionnement de la boucle, débogage statique du dispositif de protection et test de transmission. Vérifiez soigneusement chaque borne et chaque numéro de ligne conformément aux plans de construction. Vérifiez l'absence de circuit ouvert dans le circuit secondaire du TC et du TP, la polarité et le câblage ; vérifiez la télémétrie, la communication à distance et le câblage de la télécommande ; vérifiez l'absence de court-circuit dans le circuit de commande CC et entre le circuit de terre et le LN ; mesurez la résistance d'isolement du circuit de commande CC conformément aux exigences (1 000 V) ; et vérifiez la connexion du circuit CA/CC. Il est important de noter que, la méconnaissance du circuit secondaire de l'usine par l'unité d'externalisation peut entraîner des erreurs de connexion lors de la transformation.
Les boucles de régulation de tension alternative et continue sont mises sous tension afin de vérifier leur bon fonctionnement. Vérifiez l'exactitude des signaux de télémétrie, de télésignalisation et de télécommande, ainsi que le bon fonctionnement des compteurs, des voyants, de l'éclairage et des circuits de chauffage. La fonction anti-saut du corps de l'interrupteur est également assurée. Mettez la boucle de régulation sous tension afin de vérifier le bon câblage de chaque boucle.
Le débogage statique du dispositif de protection consiste à effectuer un contrôle par échantillonnage, le téléchargement et la vérification de la valeur fixe, ainsi qu'un contrôle fonctionnel. Le dispositif de protection de ligne AM5SE-F, le dispositif de protection de transformateur AM5SE-T, le dispositif de protection de moteur AM5SE-M, le dispositif de commutation automatique de secours AM5SE-B et la surveillance du transformateur de puissance sont vérifiés en appliquant un courant au secondaire du TC et une tension analogique aux bornes de l'armoire du transformateur de puissance. L'affichage du dispositif AM5SE-UB, du voltmètre, de l'ampèremètre et du système de surveillance est correct, et l'ordre et la phase de la tension alternative et de la boucle de courant alternatif sont vérifiés. La valeur fixe est définie conformément au dispositif de protection à paire fixe et vérifiée. Le contrôle fonctionnel de la protection consiste à vérifier l'exactitude de la logique d'action et du temps d'action du dispositif de mesure et de contrôle de protection micro-ordinateur de la série AM5SE en ajoutant une quantité analogique. Il n'y aura ni rejet ni dysfonctionnement, et le temps d'action doit être conforme aux exigences. Le débogage statique du dispositif de protection garantit que le dispositif de protection peut réagir de manière sensible aux défauts et envoyer des signaux d'alarme et des instructions de déclenchement de manière fiable et rapide.
La connexion de données entre le dispositif de mesure et de contrôle de protection et le système de surveillance de l'énergie est correcte. L'état de fonctionnement, les valeurs de réglage, l'historique des événements et d'autres informations sur le dispositif de protection peuvent être collectés en temps réel en arrière-plan. La connexion du dispositif de protection en arrière-plan améliore la gestion du système de protection du relais et l'automatisation du traitement des informations de défaut.
Le test de transmission vise à simuler le niveau de défaut collecté par le dispositif de protection. Ce dernier doit être connecté à l'interrupteur de déclenchement afin de vérifier l'exactitude de la logique de protection, du circuit de déclenchement et du circuit de signalisation ; et de vérifier que l'interrupteur peut être correctement ouvert et fermé à distance via l'ordinateur hôte. Un test de transmission complet doit être effectué pour chaque ensemble de dispositifs de protection afin de garantir la conformité de la logique de protection de chaque dispositif de protection de l'armoire électrique, du déclenchement de la sortie de protection, de l'ouverture et de la fermeture à distance, et de l'indication correcte du signal.
6.3 Problèmes rencontrés lors de la transformation et de l'optimisation
Après la transformation du nouveau dispositif de mesure et de contrôle de protection complet, lors du test de transmission, il a été constaté que l'interrupteur ne pouvait être fermé qu'une seule fois. Toute fermeture ultérieure ne pouvait se faire qu'après redémarrage de l'alimentation de contrôle. L'analyse a révélé l'absence de point de fermeture dans la bobine de fermeture du disjoncteur. Le relais de fermeture étant intégré au dispositif de protection pour garantir une fermeture fiable du disjoncteur, l'énergie du relais de fermeture et de maintien ne peut être libérée après la fermeture. Il est donc nécessaire de redémarrer le disjoncteur et de le libérer avant la fermeture suivante. Après de nombreuses communications avec le fabricant du disjoncteur et le personnel concerné de la centrale hydroélectrique, un ensemble de points de fermeture a été connecté en série avant la bobine de fermeture, ce qui a permis de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus. En prenant comme exemple le dispositif de mesure et de contrôle de protection du transformateur AM5SE-T, le schéma secondaire du circuit d'ouverture et de fermeture de la reconstruction de la centrale hydroélectrique est présenté dans la figure 2.
Figure 2 Diagramme quadratique du circuit divisé AM5SE-T
7 Transformation du système de surveillance de l'énergie électrique 10 kV
Afin de surveiller en temps réel le fonctionnement et la collecte de données de l'ensemble de la salle de distribution, un système de surveillance de puissance Acrel-2000Z a été configuré pour la centrale hydroélectrique. Il permet de télécharger les données de protection du micro-ordinateur vers le système de surveillance afin de gérer et de surveiller la puissance du poste 10 kV et d'améliorer le niveau d'automatisation. Ses principales fonctions sont les suivantes : surveillance en temps réel, consultation des paramètres électriques, rapport d'exploitation, alarme en temps réel, consultation de l'historique des événements, rapport de statistiques de puissance, gestion des droits d'utilisateur, topologie du réseau, surveillance de la qualité de l'énergie, télécommande, gestion des communications, enregistrement des défauts, rappel d'incident, consultation des courbes, accès web et application.
8. Conclusion
La transformation du dispositif de protection de puissance 10 kV de la centrale hydroélectrique a permis de résoudre des problèmes tels que le vieillissement important des composants électroniques, le faible niveau d'automatisation, l'interface homme-machine et les logiciels peu conviviaux, et la complexité des opérations de maintenance. Le dispositif de mesure et de contrôle de protection micro-ordinateur AM5SE, remplacé par un dispositif de protection, est plus fonctionnel et plus ergonomique. L'affichage à cristaux liquides est plus intuitif, avec une tension, un courant d'échantillonnage et divers enregistrements d'événements. Le logiciel de débogage est puissant, facile à utiliser et à maîtriser, avec une interface conviviale. Le circuit de commande permet de surveiller les commutations et les déconnexions du circuit de commande. Le voyant du panneau de commande indique directement la position de l'interrupteur et son état de fermeture, ce qui facilite l'utilisation par le personnel d'exploitation et de maintenance. Le dispositif de mesure et de contrôle de protection moteur AM5SE-M configuré intègre la reconnaissance de l'état de démarrage/fonctionnement du moteur. Il est équipé de fonctions de protection pour les sections de démarrage, de fonctionnement, de fonctionnement des deux sections et d'autres fonctions. Il résout les courants de démarrage importants du moteur, susceptibles de provoquer des faux sauts. Le dispositif de protection est équipé d'une interface de communication RS485. Cette interface assure une liaison directe entre les dispositifs de protection. Les données sont transmises au système de surveillance de puissance Acrel-2000Z, ce qui facilite la visualisation des informations de protection et la gestion des défauts. Depuis la mise en service du nouveau dispositif de mesure et de contrôle de protection complet, l'équipement fonctionne normalement. Ce nouveau dispositif de protection complet offre des fonctions de protection complètes, une interface utilisateur conviviale et une utilisation et une maintenance aisées, ce qui améliore la fiabilité d'exploitation de la centrale hydroélectrique et garantit sa sécurité et sa stabilité de production, un atout majeur.
Référence
[1] Nb/T 35010-2013 code pour la conception des relais de protection des centrales hydroélectriques
[2] DL/T 5164-2002 code technique pour la conception de l'énergie auxiliaire des centrales électriques
[3] GB / T 50171-2012 code pour la construction et l'acceptation du câblage des panneaux, des armoires et des circuits secondaires de l'ingénierie d'installation des équipements électriques
[4] Huang Jinxin. Transformation du dispositif de protection auxiliaire de 10 kV de la centrale hydroélectrique de Longtan.
[5] Solution intégrée d'automatisation, d'exploitation et de maintenance du poste utilisateur d'Ankrui. Novembre 2021.
Date de publication : 31 août 2022
