Postes d’énergie électrique

Un poste d’énergie électrique est une installation qui assure la jonction entre les parties du réseau électrique. Les fonctions de la sous-station, essentielles au bon fonctionnement du système électrique, comprennent l’interconnexion des lignes électriques provenant de différentes parties du système, la surveillance et le contrôle des conditions de fonctionnement du système et la protection des équipements du système électrique.

CLASSIFICATION ET DESCRIPTION GÉNÉRALE

Les sous-stations peuvent être classées dans l’une de plusieurs catégories selon leur emplacement et leur fonction au sein du système. Les sous-stations de production sont situées sur le site des centrales électriques et assurent le raccordement au réseau de transport. Les sous-stations d’énergie en vrac relient le système de transmission au système de sous-transmission, en abaissant la tension par l’intermédiaire d’un transformateur (sous-station de transformation), ou en reliant les lignes de transmission à haute tension de différentes parties du système sans changer la tension (sous-station de commutation). Une sous-station de distribution assure le lien entre le système de sous-transmission et les tensions beaucoup plus faibles du système de distribution. Une station de conversion est un type unique de sous-station d’énergie en vrac qui fournit un lien entre les lignes de transmission à haute tension en courant alternatif et les lignes de transmission à haute tension en courant continu.

L’implantation des sous-stations, les facteurs électriques, géographiques, économiques, politiques et esthétiques doivent être pris en compte. Les hautes tensions du système de transmission sont utilisées parce que les courants réduits entraînent une transmission d’énergie plus efficace. Par conséquent, les sous-stations sont placées aussi près que possible des charges du système afin de minimiser les pertes. Cet emplacement est limité par la valeur et la disponibilité des biens immobiliers, ainsi que par l’exigence d’un terrain relativement plat dans la sous-station. Lors de l’implantation d’une sous-station, en particulier dans les zones à forte densité de population, on veille à ce que l’emplacement n’obstrue pas les vues panoramiques et ne dévalorise pas esthétiquement les développements commerciaux ou résidentiels. La taille physique des sous-stations peut couvrir de grandes surfaces car les composants haute tension sont isolés les uns des autres par l’air et doivent donc être séparés par des distances importantes. Historiquement, ces problèmes ont limité l’installation de grandes sous-stations à des zones relativement peu peuplées. Cependant, depuis les années 1980, les sous-stations sont isolées avec du gaz sulfurhexafluorure sous pression (SF 6). En raison de la qualité hautement isolante du SF 6, la taille de ces sous-stations isolées au gaz peut être bien inférieure à 25 % de la taille d’une sous-station isolée à l’air ayant la même capacité de traitement de l’énergie. Dans certaines applications, notamment celles situées à proximité des centres de population, la totalité du poste peut être enfermée dans des bâtiments, ce qui réduit les problèmes d’esthétique et de détérioration par l’environnement. Néanmoins, les sous-stations isolées par air sont encore généralement préférées en raison de leur coût plus élevé et des préoccupations environnementales concernant le rejet de SF 6 (qui fait l’objet d’une étude en tant que gaz à effet de serre).

INTERCONNEXION DU SYSTÈME

La fonction principale des sous-stations est de fournir une interconnexion entre les lignes de transmission s’étendant vers d’autres zones géographiques et entre les parties du système qui peuvent fonctionner à des tensions différentes. L’un des principaux aspects de la conception des sous-stations est l’agencement des connexions par le biais de disjoncteurs vers des nœuds communs appelés bus. Les disjoncteurs sont de grands interrupteurs électriques qui permettent de déconnecter les lignes de transmission ou les transformateurs du bus. Les transformateurs assurent un changement de tension.

Les bus

Les bus sont généralement en aluminium ou en cuivre et sont des barres rigides dans la sous-station, isolées de la terre et des autres équipements par un matériau isolant ample, généralement de l’air ou du sulfurhexafluorure. La disposition des bus dans le poste peut être classée dans un certain nombre de catégories différentes ; les plus courantes sont illustrées et expliquées dans le tableau 1. Le choix approprié de la configuration est fait en équilibrant soigneusement le coût, la fiabilité, le contrôle et l’espace

Bus unique – Toutes les connexions sont liées à un seul bus, avec un disjoncteur pour chaque bus. Cette disposition est privilégiée pour sa simplicité et son faible coût, bien qu’elle soit la moins souhaitable en matière de fiabilité. La maintenance de l’équipement du poste exige que les connexions soient mises hors service. – Ce type de bus est généralement la configuration de choix dans les postes à 130 kV ou moins.
Bus principal et de transfert – Comme pour la disposition à bus unique, chaque connexion est reliée au bus principal par un disjoncteur, mais ce dernier peut être contourné à l’aide de sectionneurs par un bus de transfert et un autre disjoncteur vers le bus principal. Cela permet d’isoler le disjoncteur pour la maintenance sans perte de service pour la connexion. – Utilisé dans les applications plus critiques à 130 kV ou moins, et occasionnellement à des tensions plus élevées.
Bus en anneau – Dans ce schéma, tous les disjoncteurs sont reliés en boucle fermée, les connexions entrant à la jonction entre les disjoncteurs. De cette façon, toute connexion peut être isolée ou tout disjoncteur retiré sans interrompre les autres connexions. Cela fournit un niveau de redondance plus élevé que les systèmes mentionnés ci-dessus. Les questions de contrôle et de relais de protection sont un peu plus compliquées pour cet arrangement. – Se trouve généralement dans les postes supérieurs à 130 kV, dans les postes plus petits. Souvent installé dans l’attente d’une expansion future vers un schéma à disjoncteur et demi.
Schéma à disjoncteur et demi – Ce schéma comporte deux bus égaux, avec trois disjoncteurs connectés entre eux. Chaque connexion peut être reliée à l’un des bus par l’intermédiaire d’un disjoncteur, et dans le cas où un disjoncteur est hors service ou nécessite une maintenance, la connexion peut toujours être desservie par les deux disjoncteurs vers l’autre bus. Le nom de ce dispositif vient du fait que deux connexions sont desservies par trois disjoncteurs, de sorte qu’il y a en moyenne un disjoncteur et demi par connexion. Ce schéma est moins compliqué que le bus en anneau, avec une plus grande fiabilité, mais il est plus coûteux. – Le plus courant sur les systèmes supérieurs à 130 kV.
Bus double – Un arrangement à bus double et à disjoncteur double fournit une liaison à chaque bus par un disjoncteur indépendant pour chaque connexion. Cela fournit une redondance complète en cas de dysfonctionnement ou de nécessité d’effectuer une maintenance sur un disjoncteur ou un bus, mais c’est la configuration la plus coûteuse. – Se trouve généralement dans la plupart des sous-stations de transmission critiques et dans les sous-stations de générateur.
Ligne de bus, transformateur, ou charge ↓ Commutateur de sectionnement -⦧ Disjoncteur □

Contraintes . Si le poste fournit un service à des charges critiques, le besoin d’une fiabilité élevée peut justifier le coût plus élevé d’une disposition de bus plus complexe, tandis que pour les charges moins critiques, les contraintes d’espace peuvent dicter une disposition de bus minimale.

Déconnecteurs

Pour chaque pièce d’équipement dans un poste, des interrupteurs manuels appelés sectionneurs sont prévus pour appliquer une isolation électrique complète de l’équipement avant tout service. Les sectionneurs sont placés à des endroits bien visibles afin que le personnel de maintenance puisse confirmer en permanence que l’équipement est isolé. Le sectionneur ne peut pas interrompre le courant, il n’est donc ouvert que lorsque le courant a déjà été interrompu par un interrupteur automatique tel qu’un disjoncteur.

Disjoncteur

Les disjoncteurs sont des interrupteurs qui sont actionnés par un signal, provenant d’un relais ou d’un opérateur. Le disjoncteur est conçu pour interrompre les courants très importants qui peuvent se produire lorsque le système subit un défaut, tel qu’un coup de foudre ou un arc électrique à la terre (par exemple, un arbre tombant sur une ligne, ou une ligne tombant au sol). Étant donné que ces courants extrêmement importants peuvent causer de graves dommages à des équipements tels que les transformateurs ou les générateurs, et que ces défauts peuvent perturber le bon fonctionnement de l’ensemble du système électrique, les disjoncteurs sont conçus pour fonctionner assez rapidement pour éviter d’endommager les équipements, souvent en 100 millisecondes ou moins.

Les contacts des disjoncteurs sont constitués de deux pièces de métal capables de se déplacer l’une par rapport à l’autre. Lorsque le disjoncteur est fermé, les contacts se touchent et le courant circule librement entre eux. Lorsque le disjoncteur s’ouvre, les deux contacts sont séparés, généralement par un ressort à haute résistance ou un opérateur pneumatique. Lorsque les contacts se séparent, le courant continue de circuler entre eux et le matériau qui les sépare est ionisé, formant un plasma conducteur. Pour assurer l’isolation, le plasma doit être éliminé et les contacts doivent être séparés d’une distance suffisante pour empêcher la réinitialisation d’un arc. Plusieurs technologies différentes sont mises en œuvre pour donner quatre types courants de disjoncteurs.

Les disjoncteurs à soufflage d’air sont isolés par de l’air, et le plasma est éteint lorsqu’un souffle d’air comprimé est soufflé entre les contacts. Ils sont moins courants que les autres types et ne sont généralement plus appliqués dans les nouvelles installations en raison de leur taille, et des problèmes d’entretien des compresseurs. Les disjoncteurs à huile ont les contacts enfermés dans un réservoir scellé d’huile hautement raffinée, avec des conduits d’huile conçus pour forcer l’huile entre les contacts afin d’éteindre l’arc lorsque les contacts s’ouvrent. Ces disjoncteurs sont courants, mais leur popularité décroît en raison des préoccupations environnementales liées au risque de déversement d’huile. Bien que les défaillances des disjoncteurs soient rares, des centaines de gallons d’huile peuvent être déversés lors d’une seule défaillance, ce qui nécessite des procédures correctives très coûteuses. Les disjoncteurs les plus populaires pour les systèmes haute tension sont les disjoncteurs à gaz, dont les contacts sont enfermés dans un réservoir étanche de SF6 sous pression. Ces disjoncteurs se sont avérés très fiables, bien qu’il y ait eu quelques préoccupations environnementales concernant la libération du SF6 lors de l’entretien du dispositif ou en cas de rupture du réservoir. Pour les applications à faible tension (moins de 34 kV), on utilise souvent des disjoncteurs à vide. Ils éliminent les arcs électriques en enfermant les contacts dans une chambre sous vide. Comme il n’y a pas de fluide à ioniser, il ne peut y avoir de formation de plasma. Leur principal avantage est un temps de réponse très rapide et l’élimination des préoccupations environnementales.

En plus des disjoncteurs, il existe d’autres classes d’interrupteurs automatiques qui peuvent être contrôlés ou actionnés à distance, mais avec une capacité d’interruption du courant. Il s’agit des commutateurs de circuit, des réenclencheurs et des sectionneurs.

Transformateurs

Les transformateurs de puissance remplissent la fonction très importante de relier les parties du réseau électrique qui sont à des tensions différentes. On les trouve exclusivement dans les postes, sauf dans le réseau de distribution, où ils peuvent être montés sur des poteaux ou des plots à proximité des charges qu’ils desservent.

SURVEILLANCE ET PROTECTION DU SYSTÈME

Le poste constitue un point de surveillance des paramètres de fonctionnement du système. Le système électrique est un conglomérat très complexe et sensible de pièces qui doivent toutes être coordonnées pour fonctionner correctement. Pour cette raison, les conditions d’exploitation doivent être observées et contrôlées de très près. Pour ce faire, on utilise des capteurs spécialisés pour acquérir l’information, puis des systèmes de communication pour transmettre l’information à un point central. Pour une réponse immédiate aux défauts du système (tels que des conducteurs endommagés,des arcs à la terre ou d’autres conditions de fonctionnement indésirables), un système de relais de protection (composé de capteurs et de commutateurs automatisés) est utilisé pour actionner les disjoncteurs.

Transformateurs d’instruments

Les tensions et les courants élevés observés dans une sous-station dépassent les valeurs nominales de tension et de courant de l’équipement de surveillance, de sorte que les transformateurs d’instruments sont utilisés pour les convertir en valeurs inférieures à des fins de surveillance. Les transformateurs d’instruments peuvent être classés en transformateurs de courant (TC) ou en transformateurs de tension (TT), qui sont aussi parfois désignés comme transformateurs de potentiel. Les TC sont généralement constitués d’un noyau toroïdal de matériau magnétique entouré d’un nombre relativement élevé de tours de fil fin, le courant à mesurer passant par le milieu du tore. Ces dispositifs sont souvent placés dans les traversées des disjoncteurs et des transformateurs afin de pouvoir mesurer le courant dans ces dispositifs. Les traversées sont les connexions isolées spéciales qui permettent au courant de passer de l’air extérieur dans une enceinte métallique étanche. Les transformateurs de tension ont pour fonction d’abaisser la tension à un niveau mesurable. Il y en a généralement un connecté à chacun des bus de la sous-station. La plupart du temps, les transformateurs de tension sont construits essentiellement de la même manière que les autres transformateurs, bien que parfois un couplage capacitif puisse améliorer ou remplacer l’électromagnétique. Les récents progrès technologiques ont permis de développer une nouvelle catégorie de TC et de TP qui sont des dispositifs optiques utilisant des matériaux spécialisés et des techniques avancées de traitement des signaux pour déterminer le courant en fonction de la polarisation de la lumière influencée par l’intensité du champ magnétique, et la tension en fonction de la polarisation de la lumière influencée par l’intensité du champ électrique. Bien que ces dispositifs soient nettement plus coûteux que les technologies traditionnelles, ils offrent une précision et une fiabilité accrues ainsi qu’une meilleure isolation électrique.

Une fois que les conditions de fonctionnement ont été mesurées,les informations sont transmises à un emplacement central à l’aide d’un système appelé SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Les données du système SCADA sont affichées dans le centre de répartition régional pour aider les opérateurs à savoir quelles actions doivent être prises pour le meilleur fonctionnement du système.

Les relais de protection

Les transformateurs d’instrumentation fournissent des entrées au système de protection automatique. Pour fournir une réponse rapide aux défauts, un groupe d’appareils appelés relais accepte les signaux de tension et de courant, détermine l’existence de conditions anormales et ouvre les disjoncteurs en réponse aux conditions de défaut. La conception du système de protection n’ouvre que les disjoncteurs les plus proches du problème afin que tout le reste du système puisse reprendre son fonctionnement normal une fois le défaut isolé du système. Historiquement, la détermination des disjoncteurs à ouvrir se faisait à l’aide de divers dispositifs électromécaniques qui avaient les comparaisons et les délais nécessaires intégrés dans leur conception. Il s’agit notamment de relais de surintensité, de relais directionnels, de relais de distance, de relais différentiels, de relais à minimum de tension, etc. Ces dispositifs électromécaniques se sont avérés robustes et fiables depuis le début des années 1900. À la fin des années 1950, une nouvelle catégorie de relais, les relais à semi-conducteurs, utilisant des circuits analogiques et des portes logiques, offrait essentiellement les mêmes performances, mais sans aucune pièce mobile, ce qui réduisait les besoins de maintenance. Avec l’avènement des microprocesseurs de haut niveau et de faible coût, une nouvelle génération de relais est née, dans laquelle un seul relais à microprocesseur remplit toutes les fonctions de plusieurs relais électromécaniques ou à semi-conducteurs différents. Le microprocesseur offre les avantages d’une plus grande précision, d’une meilleure sensibilité aux défauts, d’une meilleure sélectivité, de la flexibilité, de la facilité d’utilisation et de test, et des capacités d’autodiagnostic. Ils peuvent être intégrés au système SCADA pour communiquer la cause de l’ouverture du disjoncteur, et peuvent être actionnés, réinitialisés et mis à jour par un accès à distance. Ces avantages expliquent pourquoi on trouve des relais à microprocesseur dans la plupart des nouvelles installations et qu’ils sont également mis à niveau dans de nombreuses sous-stations existantes.

En plus de la protection contre les courants excessifs, les équipements doivent être protégés contre les tensions excessives qui résultent généralement de la foudre ou des transitoires de commutation. En raison de la vitesse élevée de ces surtensions, les relais et les disjoncteurs sont incapables de réagir à temps. Ce type de protection est assuré par des parafoudres, des dispositifs passifs qui empêchent les surtensions sans pièces mobiles. L’entrefer était le premier type de parafoudre, dans lequel un ensemble spécial de contacts est placé à une distance spécifiée par la tension maximale tolérable. Lorsque la tension dépasse ce seuil, un arc se forme, court-circuitant essentiellement la surtension. La technologie la plus récente des parafoudres est la varistance à oxyde métallique (MOV). Il s’agit d’un dispositif qui se comporte comme une très grande résistance à des tensions inférieures au seuil spécifié, mais à des tensions supérieures au seuil, la résistance du dispositif chute précipitamment, tirant effectivement suffisamment de courant pour limiter la tension, mais sans la court-circuiter à la terre.

Contrôle de la tension du système

Une autre des principales fonctions d’un poste est de fournir les moyens de contrôler et de réguler les tensions et le flux de puissance. Ces fonctions sont assurées soit par la rétroaction d’un système automatisé, soit par des instructions à distance du centre de répartition, à l’aide d’un ensemble de dispositifs et de systèmes à l’intérieur du poste.

Un changeur de prises de charge, partie intégrante d’un transformateur de puissance, est un interrupteur spécial qui ajuste le rapport de tension du transformateur vers le haut ou vers le bas pour maintenir la tension du côté de la charge au niveau désiré malgré les variations de tension du côté de la source. Les batteries de condensateurs sont utilisées pour augmenter la tension dans une sous-station lorsqu’elle est tombée trop bas, en particulier dans les zones de grandes charges industrielles. Les réacteurs shunt sont utilisés pour abaisser les tensions qui sont montées trop haut en raison de la capacité de la ligne de transmission ou de distribution.

Une autre classe de dispositifs utilisés pour contrôler la tension est exploitée à l’aide de commutateurs électroniques alimentés pour ajuster continuellement la capacité et/ou l’inductance dans une sous-station afin de maintenir la tension à la tension précisément souhaitée. Ces dispositifs sont relativement nouveaux dans leur déploiement, ayant été développés avec l’avènement de composants semi-conducteurs de puissance peu coûteux et robustes. Ces dispositifs font partie d’un groupe largement connu sous le nom de dispositifs FACTS (Flexible AC Transmission System) et comprennent les compensateurs statiques à varistance, les compensateurs statiques synchrones et les restaurateurs de tension dynamiques.

John A. Palmer

Voir aussi : Condensateurs et ultracondensateurs, Systèmes de moteurs électriques ; Puissances électriques, production de ; Puissances électriques, protection, contrôle et surveillance des systèmes ; Puissance électrique, fiabilité des systèmes ; Systèmes de transmission et de distribution de l’énergie électrique ; Isolation ; Transformateurs.

BIBLIOGRAPHIE

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Bosela, T. R. (1997). Introduction à la technologie des systèmes d’alimentation électrique. Englewood Cliffs, NJ : Prentice-Hall.

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Glover, J. D., et Sarma, M. (1994). Analyse des systèmes électriques & Design, 2e éd. Boston : PWS.

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