La protection directionnelle 67N (Directional Earth Fault Protection) contre les défauts à la terre, est une fonction essentielle dans les réseaux électriques à neutre compensé (Compensated Neutral Networks), utilisant souvent une bobine de Petersen pour la mise à la terre du neutre.
Elle permet de détecter et d’isoler les défauts monophasés à la terre en identifiant le courant de défaut dans le départ défectueux, tout en le distinguant des courants capacitifs présents dans les départs sains.
Voici une explication détaillée de son fonctionnement, de ses principes et de ses composants clés.
Contenu de l'Article
Qu’est-ce qu’un réseau à neutre compensé ?
Un réseau à neutre compensé est un système électrique où le neutre du transformateur est connecté à la terre via une bobine de Petersen (ou bobine de compensation). Cette inductance est réglée pour compenser la capacité totale du réseau par rapport à la terre.
Lors d’un défaut monophasé à la terre :
- Les phases saines génèrent un courant capacitif vers la terre via la capacité du réseau.
- La bobine de Petersen produit un courant inductif qui, dans une compensation idéale, annule ce courant capacitif, réduisant ainsi le courant de défaut.
En pratique, la compensation n’est jamais parfaitement accordée à cause des variations du réseau ou d’un réglage imparfait. Pour faciliter la détection des défauts, une résistance est souvent ajoutée en parallèle à la bobine de Petersen. Cette résistance introduit une composante active dans le courant de défaut, essentielle pour la protection directionnelle.
Principe de fonctionnement de la protection directionnelle 67N
La protection directionnelle 67N repose sur deux critères principaux, vérifiés pendant une durée définie par un retard temporel (Temps de déclenchement) :
- Dépassement d’un seuil par la composante active du courant résiduel :
- Le courant résiduel (I_{\text{rsd}}) est la somme vectorielle des courants des trois phases d’un départ, mesurée via un transformateur de courant (TC à tore ou somme des TC de phase).
- La composante active est la partie de ce courant en phase avec la tension résiduelle.
- Direction de la composante active :
- La direction est définie comme opposée à la tension résiduelle (V_{\text{rsd}}), qui est la somme vectorielle des tensions phase-neutre et apparaît lors d’un défaut à la terre.
Si ces conditions sont remplies, la protection directionnelle 67N identifie le départ comme défectueux et déclenche son isolement.
Grandeurs clés de la protection directionnelle 67N : Courant et tension résiduels
- Courant résiduel (I_{\text{rsd}}) :
- Départ défectueux (I_{\text{rsdf}}) : Inclut le courant de défaut (via la bobine de Petersen et la résistance) et les courants capacitifs de tous les départs.
- Départ sain (I_{\text{rsdi}}) : Purement capacitif, lié à la capacité propre du départ.
- Tension résiduelle (V_{\text{rsd}}) :
- Lors d’un défaut franc phase-terre, V_{\text{rsd}} = -3 V_n, où V_n est la tension phase-neutre nominale. Elle sert de référence pour la directionnalité.
- Composante active :
- C’est la projection de I_{\text{rsd}} sur V_{\text{rsd}}, soit la partie alignée avec la tension résiduelle.
Rôle de la résistance
Dans un réseau parfaitement compensé, le courant de défaut est purement réactif (décalé de 90° par rapport à la tension), sans composante active, rendant sa détection difficile par une protection standard. La résistance en parallèle avec la bobine de Petersen :
- Introduit une composante active dans le courant de défaut.
- Permet à la protection directionnelle de distinguer le départ défectueux.
Cette résistance limite le courant de défaut à quelques ampères, assurant sensibilité et sécurité.
Valeur du courant de défaut à la terre dans un réseau à neutre compensé
Dans un réseau à neutre compensé avec une mise à la terre par bobine de Petersen, la valeur du courant de défaut à la terre (I_f) peut être exprimée comme suit, selon le document fourni :
I_f = j \left( 3 C \omega - \frac{1}{L_N \omega} \right) V_nOù :
- (I_f : Courant de défaut à la terre.
- C : Capacité totale du réseau par rapport à la terre.
- L_N : Inductance de la bobine de Petersen située au neutre.
- V_n : Tension nominale phase-neutre.
- \omega : Pulsation (par exemple,2\pi \times 50 \, \text{Hz} pour un réseau à 50 Hz).
Explication :
- La partie 3 C \omega V_n représente le courant capacitif généré par les phases saines via la capacité du réseau.
- La partie \frac{V_n}{L_N \omega} correspond au courant inductif fourni par la bobine de Petersen.
- Le terme j indique que le courant est purement réactif dans le cas d’une compensation idéale sans résistance.
Analyse des courants résiduels lors d’un défaut phase-terre
- Départ défectueux (I_{\text{rsdf}}) :
- Composantes :
- Active : Due à la résistance (\frac{V_n}{R_N}).
- Réactive : Due à la bobine et aux capacités.
- Expression complète :I_{\text{rsdf}} = I_{\ell} + I_{C1} + I_{C2} + I_{C3} où :
- I_{\ell} = V_n \left( \frac{1}{R_N} + \frac{1}{j L_N \omega} \right)) (courant du neutre),
- I_{Ci} = 3 j C_i \omega V_n (courant capacitif du départ i),
- R_N : résistance, L_N : inductance de la bobine, C_i : capacité du départ i, \omega : pulsation.
- Simplifiée avec V_{\text{rsd}} = -3 V_n : I_{\text{rsdf}} = -\frac{V_{\text{rsd}}}{3 R_N} - j \left[ (C_1 + C_2 + C_3) \omega - \frac{1}{3 L_N \omega} \right] V_{\text{rsd}}
- Si compensation parfaite ( (C_1 + C_2 + C_3) \omega = \frac{1}{3 L_N \omega} ) : I_{\text{rsdf}} = -\frac{V_{\text{rsd}}}{3 R_N} / (purement actif, aligné avec V_{\text{rsd}}).
- Composantes :
- Départ sain (I_{\text{rsdi}}) :
- Purement capacitif : I_{\text{rsdi}} = -I_{Ci} = -3 j C_i \omega V_n = j C_i \omega V_{\text{rsd}}
- Déphasé de 90° par rapport à V_{\text{rsd}}, donc sans composante active.
Mécanisme de détection de la protection directionnelle 67N
La protection projette I_{\text{rsd} sur V_{\text{rsd}} :
- Départ défectueux : Projection non nulle (par exemple, -\frac{V_{\text{rsd}}}{3 R_N}), dans la direction opposée àV_{\text{rsd}}, déclenchant la protection.
- Départ sain : Projection nulle, pas de déclenchement.
Aspects pratiques de la Protection directionnelle 67N
- Réglage du seuil : Ajusté bas (par exemple, 1 A) pour maximiser la sensibilité, tout en veillant à ce qu'il dépasse le niveau minimum détectable du relais de protection.
- Sélectivité : Seule le départ défectueux est isolé, évitant des coupures inutiles.
- Directionnalité : Essentielle pour éviter les déclenchements sur les départs sains dus aux courants capacitifs.
Conclusion
La Protection directionnelle 67N dans les réseaux à neutre compensé :
- Utilise une résistance avec la bobine de Petersen pour créer une composante active.
- Mesure I_{\text{rsd} et V_{\text{rsd}} par départ.
- Détecte la composante active de I_{\text{rsd} dans la direction opposée à V_{\text{rsd}} .
- Déclenche uniquement le départ défectueux si le seuil est dépassé.
Cela assure une détection fiable et sélective des défauts à la terre, maintenant la continuité de service.