Application d'un relais différentiel
[Résumé] Le relais différentiel, utilisé comme protection principale ou de secours dans le système de distribution basse tension, a pour principal objectif d'éliminer les risques importants de dommages corporels ou d'incendie. L'utilisation correcte du relais différentiel et la compréhension de son principe sont donc essentielles pour garantir le fonctionnement sûr et fiable du système électrique.
[Mots clés] Relais différentiel, réseau de distribution basse tension, risque d'incendie
Introduction : Avec le développement continu des réseaux électriques basse tension et l'essor économique de la construction dans notre pays, l'augmentation du nombre d'équipements d'électronique de puissance, notamment les redresseurs, les convertisseurs de fréquence et les transformateurs, entraîne une distorsion croissante de la forme d'onde sur le réseau. Les exigences en matière de capacité et de sécurité de l'alimentation électrique s'accroissent, en particulier dans certains réseaux alimentés par des transformateurs indépendants, où la surveillance est insuffisante et la sécurité du personnel de maintenance non garantie. Les accidents de contact avec les équipements, les fuites de courant et les courts-circuits à la terre, susceptibles d'entraîner des incendies et autres risques pour la sécurité et des pertes économiques, sont fréquents. Le relais différentiel est un dispositif de protection efficace contre ces accidents. Son rôle principal est de protéger les personnes contre les électrocutions et d'éviter les incendies importants causés par les fuites de courant sur les équipements ou les lignes électriques.
1 : Nécessité d'utiliser le relais différentiel résiduel
Ces dernières années, avec le développement de la consommation d'électricité et de la construction résidentielle, les exigences en matière de protection contre les courants de fuite à la terre (DDR) sur les lignes de distribution basse tension imposent l'installation de dispositifs d'alarme de DDR dans de nombreuses situations. La norme GB13955-2005, récemment révisée et intitulée « Installation et fonctionnement des dispositifs de protection contre les courants de fuite à la terre », stipule clairement que : dès que le courant de fuite à la terre dépasse sa valeur nominale, l'alimentation électrique doit être coupée afin d'éviter des pertes économiques importantes et des conséquences sociales néfastes. Les équipements ou lieux concernés doivent donc être équipés d'un dispositif de protection contre les courants de fuite à la terre de type alarme. Par exemple : alimentation de secours et éclairage public ; équipements de sécurité des lieux publics ; alimentation des équipements de lutte contre l'incendie, tels que les ascenseurs de secours, les pompes à incendie et l'éclairage des couloirs d'incendie ; alimentation des alarmes antivol. La norme GB50096-1999, relative à la conception des installations résidentielles, stipule que le disjoncteur principal de chaque logement doit être équipé d'une protection contre les courants de fuite à la terre. Ceci afin d'éviter la coupure totale de l'alimentation électrique, qui entraînerait le déclenchement du disjoncteur principal. La fonction d'alarme de DDR est généralement intégrée à la protection du disjoncteur principal.
2 : Relais différentiels Acrel série ASJ
Le relais différentiel résiduel Acrel série ASJ assure la protection contre les fuites de courant et peut être connecté à une commande à distance pour couper l'alimentation électrique en temps opportun, prévenir les contacts indirects et limiter les courants de fuite. Il peut également servir de relais de signalisation pour la surveillance des équipements électriques. Il est particulièrement adapté aux établissements scolaires, bâtiments commerciaux, ateliers, marchés, entreprises industrielles et minières, unités nationales de lutte contre l'incendie, bâtiments et zones résidentielles intelligents, métros, complexes pétrochimiques, télécommunications et aux services de défense nationale pour la protection de la sécurité électrique.
Les produits de la série ASJ proposent principalement deux méthodes d'installation. La série ASJ10 s'installe sur rail DIN. Le tableau suivant présente les images et les fonctions :
Fonctions principales
1. Mesure du courant résiduel
2. Alarme de dépassement de limite
3. Le courant de fonctionnement résiduel nominal peut être réglé. 4. La limite de temps de non-fonctionnement peut être réglée.
5. Relais de sortie à 2 canaux
6. Fonction de test/réinitialisation locale/à distance
Différence:
1. Mesure du courant différentiel résiduel de type AC
2. Indication d'alarme de surintensité
Fonctions principales
1. Mesure du courant résiduel
2. Alarme de dépassement de limite
3. Le courant de fonctionnement résiduel nominal peut être réglé. 4. La limite de temps de non-fonctionnement 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 de fonctionnement résiduel nominal peut être réglé. 4. La limite de temps de non-fonctionnement 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'alerte prévisionnelle peut être définie, et la valeur de retour peut être définie.
5.25 Records d'événements
Fig. 1 Câblage électrique de l'usine 10 kV
1. Raison de la reconstruction du dispositif de protection électrique de 10 kV
Le système de protection, de mesure et de contrôle intégré d'origine de la centrale électrique de 10 kV utilise le dispositif de protection intégré Shanghai Areva MiCOM-P122. Cet équipement est en service depuis mai 2007. Ses composants électroniques sont fortement vieillissants et les composants d'entrée du couplage optique de protection sont 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 identiques ; seul un remplacement par un dispositif de mise à niveau est possible. Les données du dispositif de protection ne sont plus à jour et aucune pièce de rechange n'est disponible pour la protection par interrupteur de secours. Le niveau d'automatisation est faible, la numérisation insuffisante et la gestion des informations du dispositif complexe. L'interface homme-machine et le logiciel, entièrement en anglais, sont peu conviviaux, ce qui alourdit le travail et réduit la productivité. Compte tenu de ces facteurs, une transformation technique du système de protection, de mesure et de contrôle intégré de la consommation électrique de 10 kV s'avère nécessaire.
3. Exigences relatives à la protection et à la transformation de l'énergie des installations de 10 kV
Le tableau de distribution et son emplacement restent inchangés. Tous les interrupteurs de charge, les interrupteurs de barre omnibus, l'armoire de transformateur de potentiel, le câble secondaire interne et les bornes d'origine sont remplacés. Le panneau du tableau est repensé et adapté aux dimensions du nouvel appareil. Le câblage du système de surveillance de l'alimentation et l'interface de communication du nouvel appareil sont finalisés. Lors de cette transformation, la boucle de fonctionnement est optimisée, la configuration de protection d'origine étant conservée.
4. Sélection de nouveaux équipements complets de protection, de mesure et de contrôle
Le nouveau dispositif intégré de mesure et de contrôle de protection doit intégrer les fonctions de contrôle, de protection, d'enregistrement des ondes de défaut, de mesure, d'alarme, d'acquisition des volumes de commutation et de communication. Basé sur une protection contre les courants de fuite 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 modernisation des dispositifs de protection de l'installation électrique 10 kV de la centrale hydroélectrique, le dispositif de mesure et de contrôle de la série AM5SE, produit par Acrel Co., Ltd., a été retenu. En fonction des différentes caractéristiques de charge du bus électrique 10 kV de l'installation, les fonctions de protection des modèles suivants sont présentées dans le tableau ci-dessous : AM5SE-F (dispositif de mesure et de contrôle de protection de ligne), AM5SE-T (dispositif de surveillance et de contrôle de protection de transformateur), AM5SE-M (dispositif de mesure et de contrôle de protection de moteur), AM5SE-B (dispositif de mesure et de contrôle de protection à autocontrôle) et AM5SE-UB (dispositif de surveillance de l'armoire PT).
| modèle | fonction de protection |
| AM5SE-F Dispositif de mesure et de contrôle de la protection des lignes | Protection contre les surintensités à trois niveaux (fermeture possible en cas de basse pression, protection possible dans un sens), protection contre les surintensités à temporisation inverse (fermeture possible en cas de basse pression), protection contre les surintensités à deux niveaux d'ordre zéro 101 / temporisation inverse, protection contre les surintensités à deux niveaux d'ordre zéro 1.2 / temporisation inverse, réenclenchement, protection accélérée contre les surintensités (par fermeture en cas de basse tension), alarme de surcharge, déclenchement en cas de surcharge, déclenchement en cas de perte de pression, alarme de perte de pression, protection contre les surtensions, protection contre les surtensions d'ordre zéro, protection contre l'inversion de puissance, réduction de charge basse fréquence / protection haute fréquence (par différence de glissement), alarme de coupure PT, alarme de coupure de circuit de commande, boucle FC avec fonction de verrouillage en cas de surintensité, protection contre les coupures de courant, alarme de coupure CT 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 réalisée par coupure de tension composite), protection contre les surintensités à temporisation inverse (peut être réalisée par verrouillage de tension composite), protection contre les surintensités d'ordre zéro 101 à deux niveaux, protection contre les surintensités d'ordre zéro 102 à deux niveaux, protection contre les surintensités d'ordre zéro à temporisation inverse, alarme de surcharge, déclenchement en cas de surcharge, alarme de coupure de transformateur de potentiel (TP), alarme de coupure de circuit de commande, protection contre les coupures d'alimentation, alarme de coupure de transformateur de courant (TC), boucle de contrôle de fréquence avec fonction de verrouillage de surintensité |
| AM5SE-B dispositif de mesure et de contrôle de la protection contre l'auto-projection | Protection contre les surintensités à trois sections (par verrouillage de tension composite, avec verrouillage de direction), protection contre les surintensités à temporisation inverse (par verrouillage de tension composite), protection contre les surintensités accélérées (par verrouillage de tension composite), fonction veille (compatible avec 11 types d'alimentation), alarme de coupure de transformateur de potentiel, alarme de coupure de circuit de commande, protection contre la surcharge du bus, réenclenchement, couplage/alarme de surcharge, protection contre les surintensités d'ordre zéro à deux sections, protection contre les surintensités accélérées de séquence zéro, contrôle de la même période |
| AM5SE-M Dispositif de mesure et de contrôle de la protection des moteurs | Protection contre les surintensités (démarrage, fonctionnement), protection contre les surintensités à deux niveaux, protection contre l'inversion de temporisation, protection contre la séquence inverse à deux niveaux, protection contre l'inversion de temporisation à ordre inverse, protection contre les surintensités d'ordre zéro à deux niveaux, surcharge à chaud, protection contre les surcharges, alarme de surcharge, déclenchement en cas de surcharge, protection contre le blocage, temps de démarrage long, protection contre la coupure d'alimentation, alarme de coupure de transformateur de potentiel, alarme de coupure de circuit de commande, protection contre les sous-tensions, alarme de surtension d'ordre zéro, boucle FC avec verrouillage en cas de surintensité, protection contre le déséquilibre de tension, protection contre la séquence de phases, protection contre les surtensions |
Outre la fonction de protection mentionnée ci-dessus, chaque dispositif de mesure et de contrôle de protection par micro-ordinateur est doté d'une interface de communication RS485, permettant la communication avec le système de surveillance de l'alimentation. Il assure ainsi une surveillance indépendante des circuits de fonctionnement, notamment l'état des interrupteurs, pour une surveillance plus complète des circuits de commutation. Une fonction de saut intégrée est également disponible, optionnelle pour les utilisateurs. La nouvelle série de dispositifs de mesure et de contrôle de protection par micro-ordinateur AM5SE offre des fonctions de protection étendues, et chaque menu peut être configuré en chinois ou en anglais, facilitant ainsi l'utilisation et la maintenance.
5. Conception de l'installation de 10 kV
Le dispositif de protection, de mesure et de contrôle intégré par ordinateur de la nouvelle série AM5SE, ainsi que les schémas associés, sont conçus par Acrel Co., LTD. Le schéma du circuit secondaire doit être basé sur les schémas secondaires d'origine de l'armoire haute tension 10 kV. L'implantation des bornes est définie par ces schémas, qui doivent être conformes à la réglementation en vigueur. Pour les charges de même nature, le nombre de bornes et de lignes est strictement uniforme et obéit à des règles précises. La précision des schémas est essentielle au bon déroulement de la construction et de la mise en service, ainsi qu'à la sécurité de la production après exploitation.
6. Processus de protection et de transformation de l'énergie d'une centrale de 6 à 10 kV
L'installation 10 kV doit satisfaire aux conditions de construction suivantes : plan de construction détaillé et dessins ; réception des nouveaux équipements effectuée par les responsables des équipements ; formation à la sécurité du personnel de construction ; outillage et matériaux complets. La construction est réalisée en stricte conformité avec le schéma et les plans, afin de garantir le bon déroulement de chaque étape.
6.1 Transformation du matériel de protection électrique des centrales de 10 kV
La rénovation de l'installation 10 kV comporte principalement trois étapes : le remplacement de la rangée de bornes dans l'armoire de commutation, la dépose de l'ancien dispositif de mesure et de contrôle de protection globale, et l'installation, le montage et le câblage du nouveau dispositif de protection globale.
6.1.1. Remplacez la rangée terminale
Le remplacement des bornes doit être effectué une par une, borne par borne. Il est interdit de remplacer deux bornes ou plus simultanément afin d'éviter les erreurs de connexion et de câblage. Remplacez les bornes rangée par rangée dans l'armoire électrique pour prévenir efficacement les erreurs de câblage. L'alimentation CA, l'alimentation CC, le circuit de déclenchement et le circuit de signalisation doivent être isolés. Pour éviter les courts-circuits, les bornes doivent être enfoncées sans être desserrées. Lors du remplacement d'une rangée de bornes, assurez-vous que le bornier et le numéro de ligne d'origine restent inchangés afin que les étapes suivantes de câblage et de vérification des lignes puissent être effectuées sans problème.
6.1.2 Démolition de l'ancien dispositif global de mesure et de contrôle de la protection
Conformément au plan de construction et aux dessins, retirez les composants à supprimer, notamment les anciens dispositifs intégrés de protection, de mesure et de contrôle, les relais intermédiaires du tableau de distribution, les relais de tension, les relais temporisés et autres composants, ainsi que les câbles secondaires associés. Lors du démontage, veillez à ne pas endommager les composants et à ne pas débrancher par erreur des câbles secondaires encore en service. Organisez, classez et stockez les composants mis au rebut, en spécifiant un emplacement précis, afin d'éviter tout désordre sur le chantier. Le chantier doit respecter les principes du 6S.
6.1.3 Installation, chaîne de montage et câblage du dispositif complet de mesure et de contrôle de protection
En raison des différences de dimensions entre les anciens et les nouveaux appareils de mesure et de contrôle de protection globale, la fenêtre d'installation sur le panneau de l'armoire électrique ne correspond pas aux dimensions du nouvel appareil. Il est donc nécessaire d'agrandir cette fenêtre pour installer le nouvel appareil, en évitant d'endommager le panneau lors de la découpe. Le câble de raccordement doit être neuf et tous les câbles inutilisés doivent être supprimés afin d'éviter tout circuit parasite. Le câblage doit être réalisé en stricte conformité avec les plans afin de prévenir les fuites, les erreurs de connexion et les commutations incorrectes. Le câblage du nouvel appareil doit être propre, uniforme et rationnel, facilitant ainsi l'inspection et la maintenance.
6.2 Protection et mise en service de l'installation de 10 kV
La protection et la mise au point se divisent principalement en quatre étapes : contrôle de la boucle secondaire, vérification du fonctionnement de la boucle, mise au point statique du dispositif de protection et test de transmission. Chaque borne et chaque ligne doivent être soigneusement vérifiées conformément aux plans de construction. Il convient de s'assurer que le circuit secondaire du transformateur de courant (TC) est exempt de circuit ouvert, que le circuit secondaire du transformateur de potentiel (TP) est correctement polarisé et câblé ; que le câblage de la télémétrie, de la communication à distance et de la télécommande est correct ; que le circuit de commande CC est exempt de court-circuit, notamment entre le circuit de terre et la masse (LN) ; que la résistance d'isolement du circuit de commande CC est conforme aux exigences (1 000 V) ; et que le circuit CA/CC est alimenté. Il est important de noter que, l'entreprise sous-traitante n'étant pas familiarisée avec le circuit secondaire d'origine, des erreurs et des branchements incorrects sont fréquents lors de la transformation.
Les boucles de régulation de tension alternative et continue sont mises sous tension afin de vérifier leur fonctionnement. Assurez-vous que les signaux de télémétrie, de signalisation et de commande à distance sont corrects, que les compteurs, les voyants, l'éclairage et les circuits de chauffage fonctionnent normalement et que la fonction anti-démarrage du corps de l'interrupteur est opérationnelle. Mettez la boucle de régulation sous tension pour vérifier que le câblage de chaque boucle est correct.
Le débogage statique du dispositif de protection consiste à effectuer un contrôle par échantillonnage, à charger et vérifier la valeur de consigne, et à contrôler son fonctionnement. Vérifiez 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 en veille AM5SE-B et la surveillance du PT en appliquant un courant au secondaire du TC et une tension analogique aux bornes de l'armoire du PT. Assurez-vous que l'affichage de l'appareil AM5SE-UB, du voltmètre, de l'ampèremètre et du système de surveillance est correct, et que la séquence et la phase des boucles de tension et de courant alternatifs sont correctes. Définissez la valeur de consigne conformément au dispositif de protection monopaire à valeur de consigne et vérifiez sa validité. Le contrôle de la fonction de protection consiste à vérifier la validité de la logique et du temps de réponse du dispositif de mesure et de contrôle de protection par microprocesseur de la série AM5SE en ajoutant une valeur analogique. Aucun rejet ni dysfonctionnement ne doit être constaté, et le temps de réponse doit être conforme aux exigences. Le débogage statique du dispositif de protection garantit que celui-ci peut réagir avec précision 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 complet et le système de surveillance de l'alimentation est correcte. L'état de fonctionnement, les valeurs de consigne, l'historique des événements et d'autres informations relatives au dispositif de protection sont collectés en temps réel et en arrière-plan. Cette connexion améliore la gestion du système de protection par relais et l'automatisation du traitement des informations de défaut.
Le test de transmission vise à simuler le niveau de défauts détectés par le dispositif de protection. Ce dernier doit déclencher le dispositif de protection afin de vérifier la validité de sa logique de protection, de son circuit de déclenchement et de son circuit de signalisation. Il permet également de s'assurer que l'interrupteur peut être actionné à distance par l'ordinateur hôte. Un test de transmission complet doit être réalisé pour chaque ensemble de dispositifs de protection afin de garantir le bon fonctionnement de la logique de protection de chaque dispositif de protection d'armoire électrique, le déclenchement des prises de protection, le fonctionnement de l'interrupteur d'ouverture/fermeture à distance et la conformité des signaux de signalisation.
6.3 Problèmes rencontrés lors de la transformation et de l'optimisation
Après la transformation du nouveau dispositif de protection, de mesure et de contrôle, lors des essais de transmission, il a été constaté que l'interrupteur ne pouvait être fermé qu'une seule fois. Toute nouvelle fermeture nécessitait un redémarrage de l'alimentation de contrôle. L'analyse a révélé l'absence de point normalement fermé dans la bobine de fermeture du disjoncteur. Le relais de fermeture étant intégré au dispositif de protection pour garantir la fermeture fiable du disjoncteur, l'absence de point normalement fermé dans la bobine de fermeture empêchait la libération de l'énergie du relais de fermeture et de maintien après la fermeture. Un redémarrage était donc nécessaire pour libérer le relais avant chaque nouvelle fermeture. Suite à de nombreux échanges avec le fabricant du disjoncteur et le personnel concerné de la centrale hydroélectrique, des points normalement fermés ont été connectés en série en amont de la bobine de fermeture, résolvant ainsi le problème. Le schéma secondaire du circuit d'ouverture et de fermeture de la centrale hydroélectrique, reconstruit, est présenté sur la figure 2, en prenant pour exemple le dispositif de protection, de mesure et de contrôle du transformateur AM5SE-T.
Figure 2 : diagramme quadratique du circuit divisé AM5SE-T
7 Transformation du système de surveillance de l'énergie électrique de 10 kV
Afin de surveiller en temps réel le fonctionnement et la collecte de données de l'ensemble du local de distribution, un système de surveillance électrique Acrel-2000Z a été installé à la centrale hydroélectrique. Ce système transmet les données de protection des micro-ordinateurs au système de surveillance électrique, permettant ainsi la surveillance et la gestion de la sous-station 10 kV et améliorant le niveau d'automatisation. Ses principales fonctionnalités sont les suivantes : surveillance en temps réel, consultation des paramètres électriques, rapports d'exploitation, alarmes en temps réel, consultation de l'historique des événements, rapports statistiques de consommation, gestion des droits d'accès, topologie du réseau, surveillance de la qualité de l'énergie, télécommande, gestion des communications, enregistrement des défauts, rappel des incidents, consultation des courbes, accès web et application mobile.
8. Conclusion
La modernisation du dispositif de protection électrique 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 le logiciel peu conviviaux, ainsi que la complexité de la maintenance. Le remplacement par le dispositif de mesure et de contrôle de protection à microprocesseur de la série AM5SE offre des fonctionnalités plus complètes et une meilleure ergonomie. L'écran LCD affiche de manière plus intuitive la tension, le courant échantillonné et divers enregistrements d'événements. Le logiciel de débogage est puissant, simple d'utilisation et facile à maîtriser, grâce à son interface conviviale. Le circuit de commande permet de surveiller la coupure du circuit de commutation et de commande. Le voyant lumineux du panneau indique directement la position de l'interrupteur et son état de fermeture, facilitant ainsi le travail du personnel d'exploitation et de maintenance. Le dispositif de mesure et de contrôle de protection moteur AM5SE-M intègre la reconnaissance des états de démarrage et de fonctionnement du moteur et est équipé de fonctions de protection pour les sections de démarrage, de fonctionnement et de fonctionnement simultané. Il résout ainsi le problème des courants de démarrage élevés susceptibles de provoquer des déclenchements intempestifs. Le dispositif de protection est équipé d'une interface de communication RS485. Cette interface assure la connexion directe entre les dispositifs de protection. Les données sont transmises au système de surveillance de l'énergie Acrel-2000Z, facilitant ainsi la consultation des informations de protection et la gestion des défauts. Depuis la mise en service de ce nouveau dispositif de protection, de mesure et de contrôle complet, l'équipement fonctionne normalement. Ce nouveau dispositif de protection complet offre de nombreuses fonctionnalités de protection, une interface utilisateur conviviale et une maintenance simplifiée, ce qui améliore la fiabilité de la centrale hydroélectrique et garantit la sécurité et la stabilité de sa production, un atout indéniable.
Référence
[1] Norme Nb/T 35010-2013 relative à la conception de la protection par relais des centrales hydroélectriques
[2] DL/T 5164-2002 Code technique pour la conception de l'alimentation auxiliaire des centrales électriques
[3] GB/T 50171-2012 Code relatif à la construction et à la réception des tableaux, armoires et câblages de circuits secondaires des installations électriques
[4] Huang Jinxin. Transformation du dispositif de protection de l'alimentation auxiliaire de 10 kV de la centrale hydroélectrique de Longtan
[5] Solution intégrée d'automatisation, d'exploitation et de maintenance du poste de transformation d'Ankrui. Novembre 2021
Date de publication : 31 août 2022
