Introduction
Les parafoudres sont utilisés pour protéger les équipements haute tension dans les sous-stations, tels que les transformateurs, les disjoncteurs et les traversées, contre les effets de la foudre et des surtensions de manœuvre. Les parafoudres sont connectés à proximité et en parallèle avec l'équipement à protéger. Leur objectif est de détourner en toute sécurité l'énergie de la surtension vers la terre et de s'assurer que la tension résultante aux bornes reste suffisamment basse pour ne pas endommager l'isolation des dispositifs associés contre les effets des surtensions.
Parafoudres protégeant les transformateurs de puissance traversées
Presque tous les parafoudres utilisés dans les systèmes électriques haute tension modernes sont du type varistance à oxyde métallique (MO) sans éclateur ; cet article se concentre sur ce type.
Coordination de l'isolation et parafoudres
La coordination de l'isolation est définie comme la sélection de la résistance diélectrique de l'équipement par rapport aux différents types de surtensions pouvant apparaître dans le système. Les parafoudres fournissent une aide indispensable à la coordination économique de l'isolation dans les systèmes électriques. Cela est illustré dans la figure ci-dessous, où en l'absence de dispositifs de protection contre les surtensions, l'équipement ne peut pas supporter les contraintes diélectriques élevées résultant des surtensions de foudre et de manœuvre. C'est dans cette plage que les parafoudres jouent leur rôle dans le système, en maintenant la tension à un niveau inférieur à la tension de tenue (la tension la plus élevée pouvant être appliquée à un élément sans qu'il subisse de dommages) de l'équipement, avec une marge de sécurité (protection) adéquate. À l'autre extrémité du spectre, les parafoudres ne peuvent pas limiter les surtensions temporaires (TOV) de fréquence de puissance oscillatoire et doivent donc être conçus pour résister à ces surtensions temporaires, ainsi qu'à la tension de fonctionnement maximale du système, sans subir de dommages.
Rôle des parafoudres dans la coordination de l'isolation des systèmes électriques
À titre d'intérêt, il convient de noter que les TOV dans un système électrique sont limités au moyen de la compensation réactive commutée (comme par un réacteur shunt), ou par l'application de dispositifs de transmission flexible en courant alternatif (FACT) (comme SVC et STATCOM).
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Construction et principaux composants
Au cœur de l'unité de parafoudre se trouve la colonne de varistance MO, qui constitue sa partie active. La colonne est composée de blocs de varistance MO empilés les uns sur les autres. Ces blocs sont fabriqués à partir d'oxyde de zinc (ZnO) et d'autres poudres métalliques mélangées puis pressées en disques cylindriques. Le diamètre de chaque disque détermine la capacité de gestion de l'énergie du parafoudre. Un diamètre de 100 mm (3,9 pouces) ou plus est généralement requis pour les systèmes haute tension.
La capacité d'endurance TOV requise (déterminée par la tension nominale du parafoudre), ainsi que les niveaux de protection souhaités contre les impulsions de manœuvre et de foudre, contrôlent la hauteur totale de la colonne de varistance MO. Dans la plupart des cas cependant, le boîtier en porcelaine du parafoudre est conçu pour être considérablement plus long pour des raisons diélectriques (dégagement et distance de fuite) et n'est pas contrôlé par la hauteur de la partie active. En conséquence, la colonne de varistances MO est installée dans le boîtier de l'unité de parafoudre à l'aide de entretoises métalliques. Les entretoises consistent en des tubes en aluminium avec des couvercles d'extrémité pour répartir uniformément la pression de contact.
Plusieurs tiges de support et plaques de maintien fabriquées à partir de plastique renforcé de fibres de verre (FRP) entourent la colonne de varistance MO sous forme de cage ; la cage sécurise mécaniquement la partie active interne. À l'extrémité supérieure du parafoudre, un ressort de compression fournit la pression axiale nécessaire pour presser l'empilement des varistances MO ensemble. Des brides sont cimentées à chaque extrémité du boîtier en porcelaine du parafoudre ; les brides sont généralement fabriquées en aluminium et renferment le système d'étanchéité.
Dans les systèmes haute tension, au lieu de mettre directement à la terre les parafoudres, des dispositifs de surveillance sont connectés en série avec le parafoudre. Dans de tels cas, la bride inférieure du parafoudre est installée avec des pieds isolants et une connexion de mise à la terre (connexion au sol) est réalisée via le dispositif de surveillance.
Vue en coupe d'un parafoudre MO logé en porcelaine
Le système d'étanchéité est l'un des composants les plus critiques d'un parafoudre. Premièrement, il doit empêcher l'entrée d'humidité et de contamination dans le boîtier du parafoudre. Deuxièmement, il doit agir comme un dispositif de décharge de pression (PRD) à fonctionnement rapide en cas de surcharge du parafoudre, ce qui peut entraîner une accumulation rapide de pression à l'intérieur du boîtier du parafoudre. Enfin, il doit fournir un point de contact bien établi pour le transfert de courant de la borne de connexion externe du parafoudre à la colonne de varistance MO.
Le système d'étanchéité d'un parafoudre se compose d'un joint d'étanchéité synthétique et d'une diaphragme de décharge de pression, tous deux installés deux fois à chaque extrémité du corps du parafoudre. Le diaphragme très mince (seulement quelques dixièmes de millimètre d'épaisseur, ou millièmes de pouce) est fabriqué en nickel ou en acier de haute qualité. Le diaphragme est pressé contre le joint d'étanchéité au moyen d'un anneau de serrage vissé au corps de la bride.
En cas de surcharge du parafoudre, un arc se développe entre les deux brides à l'intérieur du boîtier. L'énergie thermique de cet arc (qui transporte le courant de court-circuit complet du réseau) entraîne une montée rapide de la pression à l'intérieur du parafoudre. La pression résultante est soulagée par le diaphragme de décharge, évitant ainsi une défaillance catastrophique du parafoudre et d'éventuels dommages à la zone environnante. Les gaz chauds qui se forment à l'intérieur du boîtier du parafoudre en raison de la surcharge sont dirigés à travers l'une des deux sorties de ventilation. À l'extérieur du parafoudre, les flux de gaz se rencontrent, provoquant le déplacement (commutation) de l'arc qui brûlait à l'intérieur du boîtier pour continuer à brûler à l'extérieur du parafoudre jusqu'à ce que le défaut soit éliminé.
À des tensions plus élevées, en raison des exigences d'isolation et des économies de fabrication, un parafoudre complet se compose de plusieurs unités de parafoudre connectées en série. De plus, un anneau de répartition est installé à la borne haute tension pour contrôler la distribution de la tension de l'extrémité haute tension à la terre.
Parafoudre haute tension multi-unités
Surveillance de l'état des parafoudres
Les parafoudres MO modernes sont des dispositifs très fiables lorsqu'ils sont configurés correctement. Ils peuvent être considérés comme ayant une durée de vie presque sans entretien de 30 ans ou plus. Néanmoins, compte tenu du coût élevé de l'équipement que les parafoudres protègent, et des effets néfastes des surcharges de parafoudre, il y a de bonnes raisons de surveiller l'état des parafoudres.
À la tension de service normale, les parafoudres présentent une impédance élevée de sorte qu'ils agissent comme un isolant pendant la majeure partie de leur durée de vie en service. Un tel comportement est nécessaire pour garantir une longue durée de vie du parafoudre, ainsi que la stabilité du système électrique associé. Il est donc impératif de détecter toute détérioration des propriétés isolantes d'un parafoudre avant que la situation ne devienne critique. Deux types de dispositifs de surveillance couramment utilisés pour les parafoudres MO haute tension sont :
- Compteurs de surtension qui enregistrent le nombre d'impulsions de surtension.
- Moniteurs de courant de fuite qui mesurent le courant de fuite traversant le parafoudre.
Le principe de base de l'utilisation des compteurs de surtension est d'identifier si une ligne de transmission donnée ou une phase du système subit un nombre extraordinairement élevé de surtensions entraînant le fonctionnement du parafoudre. De plus, une augmentation soudaine du taux de comptage des surtensions peut également indiquer un défaut interne du parafoudre. Cependant, les compteurs de surtension seuls ne révèlent que des informations partielles sur la surveillance de l'état. La plupart des dispositifs de surveillance des parafoudres enregistrent le nombre (compte) d'impulsions de surtension, tout en mesurant également tout courant de fuite. Le courant de fuite fournit des informations supplémentaires sur l'ampleur des surtensions et sa pertinence en cas d'événement de surtension du système. L'utilisation conjointe de compteurs de surtension et de dispositifs de mesure de courant de fuite permet une surveillance et un diagnostic plus flexibles de l'état du parafoudre.
Caractéristiques de fonctionnement
La caractéristique tension-courant (V-I) illustre comment la résistance d'un parafoudre varie avec la tension, tout en fournissant des informations sur son fonctionnement. Les caractéristiques V-I hautement non linéaires de la varistance MO en font un candidat approprié pour l'application de protection contre les surtensions. La varistance est essentiellement une résistance variable dont la résistance dépend inversement de la tension appliquée, c'est-à-dire que plus la tension est grande, plus la résistance est faible. L'image ci-dessous montre les caractéristiques typiques d'un parafoudre MO de 420 kV appliqué dans un système de 550 kV (phase à phase).
Caractéristiques de fonctionnement d'un parafoudre avec une tension nominale de 420 kVrms
Pour mieux comprendre les caractéristiques de fonctionnement d'un parafoudre, il est nécessaire de définir certains termes et paramètres importants :
Tension maximale du système (Us)
La plus haute tension efficace phase à phase spécifiée pour un système donné en condition normale.
Tension de fonctionnement continue (Uc)
La tension efficace maximale de fréquence de puissance qui peut être appliquée aux bornes du parafoudre de manière continue ou indéfinie ; cela est parfois désigné comme MCOV. En pratique, la tension de fonctionnement continue (Uc) du parafoudre est fixée pour être supérieure à la plus haute tension phase à terre du système ( ) avec une marge d'au moins cinq pour cent.
Tension nominale (Ur)
La tension efficace maximale de fréquence de puissance que le parafoudre doit supporter pendant une courte durée spécifiée (par exemple, 10 ou 100 secondes). Elle caractérise la capacité d'un parafoudre à supporter les TOV du système. Lorsqu'un parafoudre est soumis à une tension égale ou supérieure à sa tension nominale (Ur), un courant de fuite s'écoulera. Le courant de fuite est défini comme le flux involontaire de courant vers la terre. Cette situation n'est pas souhaitée car à mesure que le courant de fuite s'écoule, une augmentation proportionnelle de la température de fonctionnement du parafoudre se produira. Si cette condition est autorisée à persister au-delà de la courte durée spécifiée, la température du parafoudre augmentera jusqu'à ce qu'il devienne thermiquement instable, ce qui peut finalement entraîner la défaillance du parafoudre.
Niveau de protection contre les impulsions de manœuvre (SIPL)
La valeur de crête de la tension résiduelle aux bornes du parafoudre lors de la décharge nominale d'une impulsion de courant de manœuvre avec une forme d'onde de 30/60 µs et une amplitude de crête de 2 kA (dans le cas des systèmes à très haute tension).
Niveau de protection contre les impulsions de foudre (LIPL)
La valeur de crête de la tension résiduelle aux bornes du parafoudre lors de la décharge nominale d'une impulsion de courant de foudre avec une forme d'onde de 8/20 µs et une amplitude de crête de 20 kA.
Sélection et configuration des parafoudres
La philosophie générale lors de la sélection des parafoudres pour un système particulier consiste à faire correspondre les caractéristiques électriques et mécaniques du parafoudre avec les exigences électriques et mécaniques du système. Le diagramme de flux simplifié suivant démontre la méthode générale et la procédure pour configurer un parafoudre MO.
Sélection simplifiée des parafoudres
Les exigences pour une sélection optimale et satisfaisante des parafoudres dictent que les parafoudres doivent fournir une marge de protection adéquate et qu'ils doivent également être adaptés à une opération continue stable. Une « marge de protection adéquate » signifie que les surtensions de l'appareil sont toujours inférieures à sa tension de tenue, avec un facteur de sécurité suffisant (marge de sécurité). Alors que « l'opération continue stable » fait référence à la capacité du parafoudre à gérer toutes les contraintes à long terme, temporaires ou transitoires (qui peuvent être causées par le fonctionnement du système), tout en restant électriquement et thermiquement stable tout au long de sa durée de vie utile.
Malheureusement, les deux exigences de marge de protection adéquate et d'opération continue stable ne peuvent pas être satisfaites indépendamment. Une réduction du niveau de protection du parafoudre (pour fournir une plus grande marge de protection) entraîne inévitablement des contraintes électriques plus élevées pendant l'opération continue. De plus, la tension nominale du parafoudre ne peut pas être augmentée arbitrairement sans élever son niveau de protection (ce qui entraîne une diminution correspondante de la marge de protection). Ainsi, un compromis est nécessaire, où les deux exigences sont équilibrées pour arriver à une solution optimale.