ct151

n 151surtensions etcoordinationde l'isolement

D. Fulchiron

Sorti de l'Ecole Suprieured'Electricit en 1980, il rejointMerlin Gerin en 1981 et travaille laStation d'Essais Grande Puissance(VOLTA) jusqu'en 1987.Il intgre ensuite le servicetechnique de la Division MoyenneTension dans lequel il estactuellement chef de projet.Impliqu dans les tudes dematriels de distribution secondaire,il a t amen approfondir ledomaine de la coordination del'isolement.

Lauteur remercie :Florence BouchetEtudiante lcole Supelec qui aparticip en tant que stagiaire laralisation de ce document.

Jean PasteauMembre de la Direction Technique,qui a apport ses connaissancesdexpert participant la rvision dela norme CEI 71.

CT 151 dition dcembre 1992

Cahier Technique Merlin Gerin n 151 / p.2


surtensions et coordination de lisolement La coordination de lisolement est unediscipline qui permet de raliser lemeilleur compromis technico-conomique dans la protection despersonnes et des matriels contre lessurtensions pouvant apparatre sur lesinstallations lectriques, que cessurtensions aient pour origine le rseauou la foudre.Elle participe lobtention dune grandedisponibilit de lnergie lectrique.Elle est dautant plus utile quelleconcerne des rseaux de tensionsleves. Pour matriser la coordinationde lisolement il est ncessaire :n de connatre le niveau dessurtensions pouvant exister sur lerseau,n dutiliser les bonnes protectionsquand cela est ncessaire,n de choisir le niveau de tenue auxsurtensions des divers composants durseau, parmi les tensions disolementpermettant de satisfaire les contraintesdtermines.Ce cahier technique a pour but de fairemieux connatre les perturbations detension, les moyens de les limiter ainsique les dispositions normatives pourpermettre une distribution sre etoptimise de lnergie lectrique, celagrce la coordination de lisolement.Il traite essentiellement du domaine MT(HTA) et HT (HTB).

sommaire

1. Les surtensions Surtensions frquence p. 4industrielleSurtensions de manuvre p. 6Surtensions atmosphriques p. 8

2. La coordination de lisolement Dfinition p. 11Distance disolement et tenue p. 11en tensionTensions de tenue p. 12Principe de la coordination de p. 12lisolement

3. Les dispositifs de protection Les clateurs p. 14contre les surtensions Les parafoudres p. 154. Dispositions normatives La coordination de lisolement p. 17 et coordination de lisolement. en HT selon CEI 715. Coordination applique la Consquences dun claquage p. 20conception des installations lectriques Rduction des risques et p. 20

des niveaux de surtensions6. Conclusion p. 21Annexe 1 : propagation des surtensions p. 21Annexe 2 : installation dun parafoudre Distance maximale de protection p. 22

Cblage des parafoudres p. 23Annexe 3 : les normes lectriques p. 23Annexe 4 : bibliographie p. 24


1. les surtensions

par rapport la terre, la tension simpledu rseau.Lquation ci-aprs permet de calculerSd

:

Sd = 3(k2 + k + 1)k + 2

avec k = XoXd

Xd tant la ractance directe du rseauvu du point de dfaut, et Xo laractance homopolaire.A noter que :n si le neutre est parfaitement isol,soit Xo = : Sd = 31/2 = 3 .n si la mise la terre du neutre estparfaite soit Xo = Xd : Sd = 1.n si, comme dans le cas gnral,Xo 3Xd : Sd 1,25.

Ce sont des perturbations qui sesuperposent la tension nominaledun circuit. Elles peuvent apparatre :n entre phases ou entre circuitsdiffrents, et sont dites de modediffrentiel,n entre les conducteurs actifs et lamasse ou la terre et sont dites demode commun.Leur caractre vari et alatoire lesrend difficiles caractriser etnautorise quune approche statistiqueen ce qui concerne leur dure, leursamplitudes et leurs effets. Le tableaude la figure 1 prsente les principalescaractristiques de ces perturbations.En fait, les risques se situentessentiellement au niveau desdysfonctionnements, de la destructionde matriel et, en consquence, de lanon continuit de service. Ces effetspeuvent apparatre sur les installationsdes distributeurs dnergie ou sur lesinstallations des utilisateurs.Les perturbations peuvent conduire :n des interruptions courtes(renclenchements automatiques surles rseaux de distribution publique MTpar lignes ariennes),n des interruptions longues(intervention pour changementdisolants dtruits, voire remplacementde matriel).Des appareils de protection permettentde limiter ces risques. Leur mise enuvre ncessite llaboration rflchiede niveaux cohrents disolement et deprotection. Pour cela, la comprhensionpralable des diffrents types desurtension est indispensable, cestlobjet de ce chapitre.

surtensions frquenceindustrielleSous cette appellation de frquenceindustrielle sont regroupes lessurtensions ayant des frquencesinfrieures 500 Hz.Rappel : les frquences industrielles lesplus frquentes sont : 50, 60 et 400 Hz.

fig. 2 : surtension temporaire sur un rseau neutre isol de la terre, en prsence dun dfautdisolement.

Surtension provoque par un dfautdisolement (cf. fig. 2)Une surtension due un dfautdisolement apparat sur un rseautriphas, lorsque le neutre est isol ouimpdant.En effet, lors dun dfaut disolemententre une phase et la masse ou la terre(blessure dun cble souterrain, mise la terre dun conducteur arien pardes branchages, dfaut dans unquipement), la phase concerne estmise au potentiel de la terre et les deuxautres sont alors soumises, par rapport la terre, la tension composeU = V. 3De faon plus prcise, lors dun dfautdisolement sur la phase A, un facteurSd

de dfaut la terre est dfini par lerapport de la tension des phases B et C

VCVB

VA

C

VATVBT

VCTdfaut la terre

BA

T

la tension phase-terre des phases sainesest porte la valeur de la tensioncompose : VBT = 3 . VBNVCT = 3 . VCN

N

T

fig. 1 : caractristiques des diffrents types de surtensions.

type de coefficient de dure raideur amortissementsurtension surtension du front(cause) MT-HT frquence frquence 3 longue frquence faibleindustrielle > 1 s industrielle(dfaut d'isolement)de manuvre 2 4 courte moyenne moyen(interruption de 1 ms 1 200 kHzcourt-circuit)atmosphrique > 4 trs courte trs leve fort(coup de foudre direct) 1 10 s 1000 kV/s


Surtension sur une longue ligne vide (effet Ferranti)Une surtension peut se produirelorsquune ligne longue est alimente lune de ses extrmits et non charge lautre. Elle est due un phnomnede rsonance qui se manifeste par uneonde de tension croissance linaire lelong de la ligne.En effet, avecn L et C dsignant respectivementlinductance et la capacit totale de laligne ;n Us et Ue tant les tensions lextrmit ouverte et lentre de laligne, le facteur de surtension est gal :

UsUe

=

1

1 1 . L .C . 2

2Ce facteur de surtension est de lordrede 1,05 pour une ligne de 300 km et de1,16 pour une ligne de 500 km. Cesvaleurs sont sensiblement les mmespour les lignes HT et THT.Ce phnomne se produit en particulierlorsquune ligne longue estbrusquement dcharge.Surtension par ferrorsonanceLa surtension est alors le rsultat dunersonance particulire qui se produitlorsquun circuit comporte tout la foisun condensateur (volontaire ouparasite) et une self avec circuitmagntique saturable (untransformateur par exemple). Cettersonance peut apparatre surtoutlorsquune manuvre (ouverture oufermeture dun circuit) est ralise surle rseau avec un appareil dont lesples sont spars ou fonctionnement non simultan.Le circuit reprsent par le schma dela figure 3, avec en srie uneinductance noyau saturable L et lacapacit du rseau C, facilite lacomprhension du phnomne. Il estalors possible de dessiner les troiscourbes : Uc = f(i), UL = f(i)puis (UL - 1 / C . . i) = f(i) ;n la premire est une droite de pente1 / C . ,n la seconde prsente un coude desaturation,n et la dernire permet de visualiserdeux points de fonctionnement (O et B)pour lesquels la tension aux bornes delensemble LC est nulle et deux autres

sont susceptibles dendommager queles matriels fragiles. Cest auconcepteur de matriel dvaluer et delimiter ce risque.Notes :La ferrorsonance, dpendant deL variable, peut se produire pour unelarge bande de frquence.Une dmonstration analogue peut treralise dans un cas de rsonanceparallle.Une charge connecte au circuit joue lerle de rsistance damortissement etempche le maintien dans lesconditions de rsonance.

fig. 3 : principe de la ferrorsonance.

points de fonctionnement stables M etP ; N est un point dquilibre instable.Les tensions aux bornes de L et de C(point P) sont leves. Le passage deM vers P peut ntre d qu untransitoire qui augmentemomentanment la tension e unevaleur suprieure E.Ces surtensions (cf. diagramme de lafigure 3), font apparatre un risque declaquage dilectrique, ainsi quundanger pour les ventuels rcepteursen parallle sur C. Mais gnralement,les puissances mises en jeu sont assezrduites (1/2 C . V2 avec C faible), et ne

schma diagramme

L

C

e

i

e

iC.

L..i

u

B

e

O

M N P

i

iC.

- L'..i

UL = L'..i

E

ic.

Uc =


parasites ou volontaires, des courantsoscillatoires (cf. fig. 4) dont lafrquence est leve : lamplitude deces courants peut devenir nonngligeable devant le courant 50 Hz etatteindre 10 % de sa valeur.La superposition du courant 50 Hz etde ce courant haute frquence dans ledisjoncteur va entraner lexistence deplusieurs passages zro du courant,au voisinage du zro de londefondamentale (cf. fig. 5).Le disjoncteur, peu sollicit par cescourants de faibles valeurs, est souventcapable de couper au premier zro decourant qui se prsente. A cet instant,les courants dans les circuits dugnrateur et de la charge ne sont pasnuls. La valeur instantane i de londe50 Hz lors de lextinction de larc estdite courant arrach. En fonction de

la nature des impdances mises en jeu,rsistives ou inductivesessentiellement, lnergie pige dansle circuit diffre.Dans le cas de petits courants inductifs,(cf. fig. 4), nous avons une chargeprsentant une inductance leve qui, linstant dextinction de larc, aura unenergie donne par :12

. L2 . I 2

Le circuit L2 C2 se retrouve en rgimedoscillations libres, peu amorti, et lavaleur crte V de la tension quiapparatra aux bornes de C2 estapproche par lhypothse deconservation dnergie :

12

. L2 . l 2 = 12

. C2 . V2

fig. 5 : superposition dun courant oscillant frquence leve au courant frquenceindustrielle.

surtensions de manuvreLa modification brusque de la structuredun rseau lectrique provoquelapparition de phnomnestransitoires. Ceux-ci se traduisentsouvent par la naissance duneonde de surtension ou dun traindondes haute frquence de typeapriodique ou oscillatoire amortissement rapide.Surtension de commutation encharge normaleUne charge normale estessentiellement rsistive, cest--direque son facteur de puissance estsuprieur 0,7.Dans ce cas, la coupure oultablissement des courants de chargene posent pas de problme majeur.Le coefficient de surtension (rapportde lamplitude de la tension transitoireet de la tension de service) varieentre 1,2 et 1,5.Surtensions provoques parltablissement et linterruption depetits courants inductifsCe type de surtension a troisphnomnes gnrateurs :larrachement du courant, leramorage et le pramorage.Le schma de la figure 4 reprsente unrseau alimentant une charge traversun disjoncteur et comporte :nn une source de tension sinusodaled'inductance L1 et de capcit C1,nn un disjoncteur D, non dissociablede ses lments parasites Lp1 et Cp1,nn une charge inductive L2 dont on nepeut ignorer la capacit rpartiesymbolise par un condensateur C2,nn enfin, une inductance de ligne L0,gnralement ngligeable.n arrachement du courantLors de la coupure de courants defaibles valeurs, notablement infrieursau courant nominal du disjoncteur, larcqui apparat occupe un faible volume. Ilest soumis un refroidissementimportant li la capacit dudisjoncteur interrompre des courantstrs suprieurs.De ce fait, il devient instable et satension peut prsenter des variationsrelatives importantes, alors que savaleur absolue reste trs infrieure latension du rseau (cas du SF6 oudu vide).Ces variations de f.e.m. peuventgnrer dans les capacits proches,

premire boucle d'oscillation parallle

deuxime boucle d'oscillation

L1

C2

Cp1Lp1

C1

L0

L2

D

fig. 4 : circuit quivalent pour ltude des surtensions provoques par linterruption de courantsinductifs o :Cp1 : capacit du disjoncteur,Lp1 : inductance du disjoncteur.

courant dansle disjoncteur

onde 50Hz

extinctionpossible

courantarrach


correspond la rapparition duneonde de courant frquenceindustrielle et donc un chec de lacoupure sur le zro de londe decourant.n le pramorage.Lors de la fermeture dun appareil(interrupteur, contacteur ou disjoncteur)il arrive un instant o la tenuedilectrique entre contacts devientinfrieure la tension applique. Pourles appareils fermeture rapide, parrapport au 50 Hz, le comportement estfonction de langle de phase lors de lamanuvre.

Un arc stablit alors entre les contactset le circuit voit une impulsion detension correspondant lannulationbrutale de la tension aux bornes delappareil. Cette impulsion peutentraner loscillation des circuitsparallles existants (dchargeoscillante des capacits parasites) ainsique des rflexions sur des rupturesdimpdance, et donc lapparition decourants de frquence leve, parrapport au 50 Hz, au travers de larc.Si la manuvre de lappareil est lente,par rapport ce phnomne, on peutobtenir des passages par zro ducourant darc par superposition ducourant haute frquence et du courant50 Hz naissant.Lextinction ventuelle de larc, enfonction des caractristiques delappareillage, va alors entraner uncomportement analogue celui dcritlors des phnomnes prcdents.Toutefois, la tenue dilectrique entrecontacts diminuant au fur et mesurede la fermeture, les surtensionssuccessives dcroissent jusqu lafermeture complte.Ce phnomne est trs complexe. Lessurtensions qui en rsultent dpendent,entre autres :nn des caractristiques du disjoncteur(proprits dilectriques, aptitude interrompre un courant hautefrquence ),nn de limpdance caractristique descbles,nn des frquences propres du circuit decharge.Dun calcul trs difficile, laprdtermination des surtensions nepeut en gnral pas se faire car elle faitintervenir des lments non chiffrableset variables dun site lautre, et elle

Si C2 nest constitue que decapacits parasites par rapport auxmasses, la valeur de V peut devenirdangereuse pour les isolementsprsents dans les matriels (disjoncteurou charge).Le circuit du gnrateur a uncomportement quivalent, mais sa selfest gnralement trs infrieure et lestensions apparaissant aux bornes deC1 sont donc plus faibles.n le ramorage.Il survient lorsque le phnomnedarrachement prcdemment expliqua fait apparatre aux bornes dudisjoncteur une surtension diffrentielleque celui-ci na pas pu supporter : unarc se produit alors. Cette explicationgrossire est complique par laprsence des lments parasitesprcdemment cits.En effet, aprs la coupure du courant etle ramorage de larc, surviennentsimultanment trois phnomnesoscillatoires aux frquencesrespectives :nn dans la boucleD Lp1 Cp1 :

Fp1 =1

2pi . Lp1 Cp1de lordre de quelques MHz.nn dans la boucleD C1 Lo C2

Fp2 =1

2pi .

C1 + C2Lo . C1 . C2

de lordre de 100 500 kHz.nn dans lensemble du circuit,

Fm = 12pi

.

L1 + L2L1 . L2 . 5 (C1 + C2 )

de lordre de 5 20 kHz.Apparaissent alors des ramoragesmultiples (hachage), jusqu ce quelcartement des contacts, qui vacroissant, les rende impossibles. Ilssont caractriss par des trains dondehaute frquence damplitudecroissante. Ces trains de surtensionsen amont et en aval du disjoncteurpeuvent donc tre trs dangereux pourles matriels comportant desbobinages.Il convient de ne pas confondre avec cequi est appel le rallumage qui

ncessite un modle mathmatiquepouss de la chambre de coupure.Les surtensions de pramorageaffectent particulirement, en HT ouMT, les transformateurs vide lors deleur mise sous tension, et les moteursau dmarrage (cf. Cahier TechniqueMerlin Gerin n 143).Surtension provoque par lesmanuvres sur des circuitscapacitifsPar circuits capacitifs, il faut entendreles circuits constitus de batteries decondensateurs et les lignes vide.n mise sous tension de batteries decondensateurs.Lors de la mise sous tension debatteries de condensateurs, priorisans charge initiale et dans le cas dunappareil manuvre lente, unamorage se produit entre lescontacts au voisinage de la crtede londe 50 Hz.Il apparat alors une oscillation amortiedu systme LC de la figure 6. Lafrquence de cette oscillation estgnralement nettement suprieure la frquence du rseau et loscillationde tension est sensiblement centreautour de la valeur crte de londe50 Hz. La valeur de tension maxiobserve est alors de lordre de deuxfois la valeur crte de londe 50 Hz.Avec un appareil manuvre plusrapide, lamorage ne se produit passystmatiquement au voisinage de lacrte, la surtension ventuelle est doncplus faible.Si une batterie de condensateurs estremise en service trs peu de tempsaprs sa sparation du rseau, ellepossde une tension de chargersiduelle de valeur comprise entrezro et la tension crte de londe 50 Hz.Lamorage entre contacts se produitau voisinage dune crte de polarit

fig. 6 : schma de principe dun circuit demanuvre de condensateurs.

L

e C


oppose (claquage sous une contraintede deux fois la tension crte).Loscillation prcdemment dcrite seproduit avec une impulsion initialedouble. La valeur de tension maxiobserve peut alors approcher trois foisla tension de crte 50 Hz.Pour des raisons de scurit, lesbatteries de condensateurs sonttoujours quipes de rsistances dedcharges permettant dliminer lestensions rsiduelles avec desconstantes de temps de lordre de laminute. En consquence, un facteur desurtension de 3 correspond des casbien particuliers.n mise sous tension de lignes oucbles vide.La fermeture lente dun appareil sur untel type de charge entrane ici aussi unamorage au voisinage de la crte du50 Hz, lchelon de tension appliqu une extrmit de la ligne ou du cbleva se propager et se rflchir lextrmit ouverte (cf. annexe 1).La superposition de lchelon incidentet de lchelon rflchi amne unecontrainte en tension gale deux foislchelon appliqu, aux amortissementsprs, et en faisant lhypothse que le50 Hz est assimilable du continu auregard de ces phnomnes.Ce type de comportement tant li auxcapacits et selfs rparties desconducteurs considrs, les lignesariennes prsentent en plus uncouplage entre phases rendant lamodlisation assez complexe.Cest surtout dans les lignes detransport (THT) que ce phnomne derflexion est prendre en compte, vu lefaible cart relatif entre tension deservice et tension disolement.n coupure de circuits capacitifs.La coupure de circuits capacitifs posegnralement peu de difficults. Eneffet, les capacits restant charges la valeur de crte de londe 50 Hzaprs lextinction de larc au zro decourant, la rapparition de tension auxbornes de l'appareillage se fait selonune onde 50 Hz. Toutefois, une demi-priode aprs la coupure, l'appareil estsoumis une tension diffrentiellegale deux fois la tension crte.Sil nest pas mme de supportercette contrainte (ouverture encoreinsuffisante par exemple) unrallumage peut se produire. Celui-ci

fig. 7 : escalade de tension lors de la sparation dun banc de condensateurs du rseau par unappareil manuvre lente.

40 personnes et de 20 000 animaux, et50 000 coupures dlectricit ou detlphone.Les rseaux ariens sont les plusaffects par les surtensions etsurintensits dorigine atmosphrique.Une particularit des coups de foudreest leur polarisation : ils sontgnralement ngatifs (nuage ngatifet sol positif). Environ 10 % sont depolarit inverse, mais ce sont les plusviolents. A noter que le front demonte des chocs de foudre retenu parles normes, est de 1,2 s pour latension et 8 s pour le courant.Une distinction est souvent tablieentre :n le coup de foudre direct touchantune ligne,n et le coup de foudre indirecttombant proximit dune ligne, sur unpylne mtallique, ou, ce qui revient aumme, sur le cble de garde, (mis laterre, ce cble relie les sommets despylnes, il est destin protger lesconducteurs actifs des coups de foudredirects).

est suivi, sous rserve que le circuit lepermette (circuit monophas ou neutre reli), dune inversion de tensionaux bornes des condensateurs lesamenant au maximum une charge detrois fois la tension de crte (cf. fig. 7).Le courant sinterrompt nouveau etun nouveau rallumage peut seproduire sous une valeur de cinq fois latension crte la demi-priodesuivante.Ce comportement peut donner lieu une escalade trs importante et doittre vit par un choix dappareillagepermettant de ne pas avoir derallumage.

surtensionsatmosphriquesLorage est un phnomne naturelconnu de tous, spectaculaire etdangereux.1 000 orages clatent en moyennechaque jour dans le monde. Sur laFrance (cf. fig. 8), ils causent chaqueanne 10 % des incendies, la mort de

20 ms V

I

Vc

1/2 T

+5Vc

-3Vc

coupure

U,I

t


fig. 8 : niveaux isokrauniques sur la France continentale (gradu en nombre moyen annuel dejours d'orage).Source : Mtorologie Nationale.

Le coup de foudre directIl se manifeste par linjection dans laligne, dune onde de courant deplusieurs dizaines de kA. Cette onde decourant, qui peut faire fondre desconducteurs en se propageant de partet dautre du point dimpact (cf. fig. 9),provoque une augmentation de tensionU donne par la formule :U = Zc . i

2avec i le courant inject et Zclimpdance homopolairecaractristique de la ligne (300 1000 ohms).U atteint donc des valeurs de plusieursmillions de volts, ce qui nestsupportable par aucune ligne. En unpoint de celle-ci, par exemple aupremier pylne rencontr par londe, latension crot jusqu ce que se produisele claquage de la distance disolement(la chane disolateurs). Suivant quelamorage a eu lieu ou pas (fonctionde la valeur du courant inject dans laligne) londe qui continue se propageraprs le pylne est dite coupe oupleine.Pour diffrentes tensions de rseau, ilny a pas amorage au-dessous ducourant critique indiqu par la droite dela figure 10.Pour les rseaux dont la tension estinfrieure 400 kV, pratiquementtous les coups de foudre directsentranent un amorage et un dfaut la terre.En fait, il est estim que seulement 3 %des surtensions, observes sur lerseau public MT franais 20 kV,dpassent 70 kV et sont doncimputables des coups de foudredirects. De plus, du fait de lattnuationde londe de tension au cours de sapropagation le long de la ligne, lessurtensions maximales (trs rares) lentre dun poste ou dun btimentsont values 150 kV en MT.Rappelons que la plus haute tenue auchoc de lappareillage 24 kV est de125 kV .Le coup de foudre indirectLorsquil se produit sur un support, oumme simplement proximit duneligne, des surtensions importantes sontgnres dans le rseau.Ce deuxime cas, plus frquent que leprcdent, peut se rvler presqueaussi dangereux.n si la foudre tombe sur le pylne ou lecble de garde, lcoulement du courant

fig. 10 : distribution statistique de lintensitdes coups de foudre directs et intensitsminimales damorage en fonction du niveaude tension du rseau.

fig 9 : lors dun coup de foudre direct, londede courant se propage de part et dautre dupoint dimpact.

5

515

20

10

15

20

5

25

2515

25

5 10 15 20 25 30jours

30

2525

25

30

30

25

10

15

10

10

10

10

5

30

Ui/2

i/2

i

U = Zc . i/2

10

30

50

70

90

9598

99,5

3 5 10 20 30 50

probabilit (%)

750 kV

intensit du coup de foudre (kA)

1500 kV

1100 kV

400 kV

225 kV


provoque laugmentation du potentiel dela masse mtallique par rapport laterre (cf. fig. 11). La surtension Ucorrespondante peut atteindre plusieurscentaines de kV.

U = R . i2

+ L2

.

didt

avec R, rsistance en onde raide de laprise de terre et L, linductance dupylne et/ou du conducteur de mise laterre.Lorsque cette tension atteint la tensiondamorage dun isolateur, il se produitun amorage en retour entre lastructure mtallique et un ou desconducteurs actifs.Pour les tensions de rseau suprieures 150 kV, cet amorage en retour estpeu probable. La qualit de la prise deterre des pylnes joue un rle important.A partir de 750 kV, il ny a pratiquementplus aucun risque damorage en retour,ce qui justifie linstallation de cbles degarde sur les lignes THT. En dessousde 90 kV, ces cbles ne constituent uneprotection efficace que si la prise deterre des pylnes est excellente.n si la foudre tombe proximit de laligne, lcoulement de lnergie vers lesol provoque une variation extrmementrapide du champ lectromagntique. Lesondes induites sur la ligne sont similairesen forme et en amplitude cellesobtenues par choc de foudre direct. Leurcaractristique principale est leur fronttrs raide (de lordre de la microseconde), et leur amortissement(apriodique ou pas) trs rapide(caractristiques typiques de cesondes selon norme CEI 60 :dure de front de 1,2 s et dure dequeue 50 s).n lorsque londe de tension rsultantdun coup de foudre traverse duntransformateur MT/BT, la transmissionse fait essentiellement par couplagecapacitif. Lamplitude de la surtensionainsi transmise, observe sur lesecondaire du ct BT, est infrieure 10 % de ce quelle tait du ct MT(gnralement infrieure 70 kV) . Ainsi,sur les lignes BT, lessurtensions induites sont en gnralinfrieures 7 kV.Une observation statistique, retenue parle comit lectrotechnique franais, amontr que 91 % des surtensions chezun abonn BT ne dpassaient pas 4 kV,et 98 % 6 kV (cf. fig. 12). Do parexemple la norme de fabrication desdisjoncteurs de branchement qui prescritune tenue 8 kV choc.

Surtension lectrostatiqueDautres types de dchargesatmosphriques existent. En effet, si laplupart des surtensions induites sontdorigine lectromagntique, certainessont dorigine lectrostatique etintressent particulirement les rseauxisols de la terre.Par exemple, durant les minutes quiprcdent un coup de foudre,lorsquun nuage charg un certainpotentiel se trouve au-dessus duneligne, celle-ci prend une charge de senscontraire (cf. schma de la figure 13) .Avant que ne se produise le coup defoudre, qui permet la dcharge dunuage, il existe donc entre la ligne et lesol un champ lectrique E pouvantatteindre 30 kV/m sous leffet duquel secharge le condensateur ligne/terre unpotentiel de lordre de 150 500 kVselon la hauteur de la ligne par rapportau sol.Il en rsulte des risques de claquagespeu nergtiques au niveau descomposants, les moins bien isols, durseau.Lors de lamorage entre le nuage et laterre, le champ lectrique ayant disparu,les capacits se dchargent.

fig. 11 : lorsque la foudre tombe sur le cblede garde, lcoulement du courant provoquelaugmentation du potentiel de la massemtallique du pylne par rapport la terre.

fig. 12 : rpartition statistique de lamplitudedes surtensions atmosphriques tablie partir de deux campagnes dobservations(183 entre 1973 et 1974, et 150 en 1975),do le ddoublement des courbes.

nombre desurtensions

niveaux de surtension d'origine atmosphrique

0 2 4 6 8 10-2-4-6-8-10-12

51015202530

kV

fig. 13 : origine dune surtensionlectrostatique.

U = R . i2

+ L2

.

didt

i

L

R

i/2U

+

- -

+ +

E

-

+++


fig. 15 : distance dans lair et ligne de fuite.

2. la coordination de lisolement

Avant daborder les diffrentessolutions techniques (mthodes etmatriels) il importe de rappeler ce quesont une distance disolement et unetension de tenue.

Les premiers rseaux lectriques(Grenoble-Jarrie 1883) taienttechnologiquement trs rudimentaireset la merci des conditionsatmosphriques comme le vent ou lapluie :n le vent, en faisant varier les distancesentre les conducteurs, tait loriginedamorages,n la pluie favorisait les fuites de courant la terre.Ces problmes ont conduit :n utiliser des isolateurs,n dterminer des distancesdisolement,n relier les masses mtalliques desappareils la terre.

dfinitionLa coordination de lisolement a pourrle de dterminer les caractristiquesdisolement ncessaires et suffisantesdes divers constituants des rseaux envue dobtenir une tenue homogne auxtensions normales, ainsi quauxsurtensions de diverses origines(cf. fig.14). Son but final est depermettre une distribution sre etoptimise de lnergie lectrique.Par optimiser, il faut comprendrerechercher le meilleur rapportconomique entre les diffrentsparamtres dpendant de cettecoordination :n cot de lisolement ,n cot des protections,n cot des dfaillances (pertedexploitation et rparation)compte-tenu de leurs probabilits.Saffranchir des effets nfastes dessurtensions suppose une premiredmarche : sattaquer leursphnomnes gnrateurs, tche quinest pas toujours simple. En effet si, laide de techniques appropries, lessurtensions de manuvre delappareillage peuvent tre limites, ilest impossible dagir sur la foudre.Il est donc ncessaire de localiser lepoint de plus faible tenue par lequelscoulera le courant engendr par lasurtension, et de doter tous les autreslments du rseau dun niveau detenue dilectrique suprieur.

distance disolement ettenue en tensionDistance disolementCette appellation regroupe deuxnotions, lune de distance dans les gaz(air, SF6, etc. ...) et lautre de lignede fuite des isolants solides (cf. fig.15):n la distance dans les gaz est le pluscourt chemin entre deux partiesconductrices.n la ligne de fuite est galement le pluscourt chemin entre deux conducteurs,mais suivant la surface externe dunisolant solide (on parle decheminement).Ces deux distances sont directementlies au souci de protection contre lessurtensions, mais leurs tenues ne sontpas identiques.Tenue en tensionElle diffre, en particulier, suivant letype de surtension applique (le niveaude tension, le front de monte, lafrquence, la dure ...).De plus, les lignes de fuite peuvent tresujettes des phnomnes devieillissement, propres la matireisolante considre, entranant unedgradation de leurs caractristiques.

fig. 14 : diffrents niveaux de tensionsprsents sur des rseaux MT-HT.

coefficient desurtension

types de surtension

de foudre

lectrostatiques

de manuvre

frquence industrielle

2 4

3

1

> 4

4

ligne de fuite

distancedans l'air

distancedans l'air


0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5 6 7

2 mmtension disruptive (kV crte)

pression absolue (bar)

SF6

air

50Hz

Les facteurs influents sontprincipalement :n les conditions denvironnement(humidit, pollution, rayonnement UV),n les contraintes lectriquespermanentes (valeur locale du champlectrique).La tenue des distances dans les gazest galement fonction de la pression :n variation de la pression de lair aveclaltitude,n variation de la pression deremplissage dun appareil.

tension de tenueDans les gaz la tension de tenue dunisolement est une fonction fortementnon-linaire de la distance. Parexemple, dans lair, une contrainte detension efficace de 300 kV/m estadmissible au-dessous de 1 m, maiselle peut tre rduite 200 kV/m entre1 et 4 m, et 150 kV/m entre 4 et 8 m.Il faut aussi noter que cette distancenest pratiquement pas modifie par lapluie.Ce comportement macroscopique estd linhomognit du champlectrique entre des lectrodes deforme quelconque et non pas auxcaractristiques intrinsques des gaz.Il ne serait pas observ entre deslectrodes planes de taille infinies,(champ homogne).Les lignes de fuite des supports debarres, des traverses detransformateurs, des chanesdisolateurs sont dtermines pourobtenir une tenue similaire la distancedirecte dans lair entre deux lectrodesextrmes lorsquelles sont sches etpropres. Par contre, la pluie et plusencore la pollution humide rduisentnotablement leur tension de tenue.Tenue frquence industrielleEn rgime normal, la tension de rseaupeut prsenter des surtensions frquence industrielle de faible dure(fraction de seconde quelquesheures, elle est lie au modedexploitation et de protection durseau). La tenue en tension vrifiepar les essais dilectriques habituelsdune minute est gnralementsuffisante.La dtermination de cette catgorie decaractristiques est aise et lesdiffrents isolants sont facilementcomparables. Par exemple : la figure

numro 16 fournit un comparatif destensions de tenue entre lair et le SF6en fonction de la pression.Tenue aux surtensions demanuvre.Les distances soumises des chocs demanuvre runissent les quatreproprits fondamentales suivantes :n la non-linarit, dj mentionne,dans la relation distance/tension,n la dispersion, qui fait que la tenuedoit tre exprime en termesstatistiques,n la dissymtrie, (la tenue peut trediffrente selon que londe est depolarit positive et ngative),n le passage par un minimum de lacourbe de la tension de tenue enfonction de la dure de front. Lorsquela distance entre les lectrodes crot, ceminimum volue vers des dures defront de plus en plus leves(cf. fig. 17). Il se situe en moyenne,autour de 250 s, ce qui explique lechoix du front de monte de la tensiondessai normalise (essais normalissselon CEI 60 : application dune ondede dure de front de 250 s et dunedure de demi-amplitude de 2500 s).Tenue aux surtensionsatmosphriques .En choc de foudre, la tenue secaractrise par une beaucoup plusgrande linarit que pour les autrestypes de contraintes.Ici encore, le phnomne de dispersionexiste, avec une tenue la polaritpositive (le plus appliqu l'lectrodela plus pointue) moins bonne qu'enpolarit ngative.Deux formules suivantes, simples,permettent d'apprcier pour lesrseaux THT et MT, les performancesau choc de polarit positive 1,2 s/50s d'un intervalle d'air :

n U50 =d

1,9U50 = tension pour laquelle laprobabilit de claquage est de 50 %,

n Uo = d2,1

Uo = tension de tenueAvec d distance disolement en mtres,U50 et Uo sont en MV.De nombreuses tudes exprimentalesont donc permis de dresser des tablesprcises de correspondance entre la

distance et la tension de tenue, enprenant en compte diffrents facteurstels que les dures de front et dequeue, la pollution environnante et lanature de lisolant.A titre dexemple, la figure 18 fournit lesvariations de la tension U50 en fonctionde la distance et de la dure de queueT2 pour un intervalle pointe positive-plan.Le tableau T de la figure 19 montre parailleurs lindpendance de la tension detenue la dure du front de monte.

fig. 17 : trac des minimums de tenue enfonction de la dure de front du chocappliqu en polarit positive.

fig. 16 : tension disruptive du SF6 et de lairen fonction de la pression absolue.

1 10 100 10000

1

2

3

4

dure dufront (s)

lieu des minimuns

tension de tenue U50 (MV)

13m

4m2m1m

7m


fig. 20 : coordination de l'isolement : positionner correctement le niveau de protection et latenue de l'appareillage en fonction des surtensions probables.

fig. 19 : influences de la dure jusqu' lacrte sur la tenue dilectrique d'un intervallepointe positive-plan = d = 8 m.

Tcr 7 22(s)T2 1 400 1 500(s)U50 2 304 2 227(kv) 370 217

fig. 18 : U50 en fonction du temps T2 dedcroissance mi-amplitude.Intervalle entre la pointe positive et le plan :d = 4 - 6 - 8 m.

d = 8 m

6 m

4 m

4000

3000

2000

100010 100 1000 T2 s.

U50kV

principe de la coordinationde lisolementtudier la coordination de lisolementdune installation lectrique cest doncdfinir, partir des niveaux de tensionset surtensions susceptibles dtreprsents sur cette installation, un oudes niveaux de protection contre lessurtensions. Les matriels delinstallation et les dispositifs deprotection sont alors choisis enconsquence (cf. fig. 20).Le niveau de protection est dduit desconditions :n dinstallation,n denvironnement,n et dutilisation du matriel.Ltude de ces conditions permet dedterminer le niveau de surtension quipourra solliciter le matriel durant sonutilisation. Le choix du niveaudisolement adapt permettra desassurer que, vis--vis de la frquenceindustrielle et des chocs de manuvreau moins, ce niveau disolement nesera jamais dpass.Vis--vis du choc de foudre, uncompromis doit gnralement tre faitentre le niveau disolement, le niveaude protection de parafoudres ventuelset le risque de dfaillance admissible.Pour bien matriser les niveaux deprotection apports par les limiteurs desurtension, il convient de bien connatreleurs caractristiques et leurcomportement ; cest lobjet du chapitreci-aprs.

coefficientdesurtension

types de surtensionatmosphriques

lectrostatiques

de manuvre

frquence industrielle

2 4

3

1

> 4

4

niveaux de protection

clateurs parafoudres

niveau de tenue

surtensions limines

tensions supportes

isolement de l'appareillage MT


fig. 22 : comportement dun clateur pointes, en choc de foudre normalis, en fonction de lavaleur de crte.

lamorage dun appareil dont latension de tenue est suprieure cellede lclateur pour peu que cet appareilprsente un retard lamorage plusfaible (cbles par ex.).De plus, aprs amorage, lionisationentre les lectrodes maintient larc quiest alors aliment par la tension durseau et peut donner lieu (fonction dela mise la terre du neutre) uncourant de suite frquenceindustrielle. Ce courant est un dfautfranc la terre et ncessitelintervention des protections placesen tte de ligne (disjoncteur renclenchement rapide ou disjoncteurshunt par exemple).Enfin lamorage provoque lapparitiondune onde coupe front raidesusceptible dendommager lesenroulements (transformateurs etmoteurs) situs proximit.Encore en place sur les rseaux, lesclateurs sont aujourdhui de plus enplus remplacs par les parafoudres.

clateurs et parafoudres sont lesdispositifs utiliss pour crter, limiterles surtensions transitoires de forteamplitude. Ils sont gnralementdimensionns pour intervenir sur lessurtensions de foudre.

les clateursUtiliss en MT et HT, ils sont placs surles points des rseaux particulirementexposs et lentre des postes MT/BT. Leur rle est de constituer un pointfaible matris dans lisolement durseau, afin quun amorage ventuelse produise systmatiquement l.Le premier et le plus ancien desappareils de protection est lclateur pointes. Il tait constitu de deuxpointes en vis--vis, appeleslectrodes, dont lune tait relie auconducteur protger et lautre laterre.Les modles actuels les plus courantssont bass sur ce mme principe maiscomportent deux cornes permettantdallonger larc, de faciliter lertablissement de qualits dilectriquespar dsionisation de lintervalledamorage et daboutir, dans certainscas, lextinction.Certains ont en plus, entre ces deuxlectrodes, une tige destine viter lecourt-circuitage intempestif par lesoiseaux (cf. fig. 21) et leurlectrocution.La distance entre les deux lectrodespermet dajuster le niveau deprotection.Ce dispositif est simple, assez efficaceet conomique, mais ses inconvnientssont nombreux :n la tension damorage prsente unedispersion importante. En effet, elledpend fortement des conditionsatmosphriques ; des variations de plusde 40 % ont pu tre observes ;n le niveau damorage dpend ausside lamplitude de la surtension(cf. fig. 22) ;n le retard lamorage est dautantplus long que la surtension est faible.Dans ces conditions, il est possiblequune onde de choc provoque

fig. 21 : un clateur MT avec tige anti-oiseauxexemple : sur les rseaux EDF 24 kV,B 25 mm.

lectrode de terre

tige anti-oiseau

supportd'lectrode

chane d'ancragerigide

dispositif permettant d'ajuster Bet d'immobiliser l'lectrode

45 45

B

lectrode de phase

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 40

100

200

300

400

500

600

700

800

900

caractristique tension / temps

avantamorage

aprsamorage

kv

s

points d'amorage

clateur pointes e = 350 mmessais effectus en onde 1,2 / 50

trac thorique de la courbe de tension :

3. les dispositifs de protection contre les surtensions


les parafoudresLeur avantage est de ne pas prsenterde courant de suite et dviter que lerseau soit mis en court-circuit, puishors tension aprs amorage.Diffrents modles ont t conus :parafoudre filet deau, parafoudre gaz. Seuls les types les plus rpandussont prsents dans les lignes quisuivent.Ils sont utiliss sur les rseaux HTet MT.Les parafoudres rsistancesvariables et clateursCe type de parafoudre associe en sriedes clateurs et des rsistances nonlinaires (varistances) capables delimiter le courant aprs le passage delonde de choc.Aprs lcoulement de londe decourant de dcharge, le parafoudrenest plus soumis qu la tension durseau. Celle-ci maintient un arc surlclateur, mais le courantcorrespondant, dit courant de suite,traverse la rsistance dont la valeur estmaintenant leve. Il est donc assezfaible, pour ne pas endommagerlclateur, et tre interrompu lors dupremier passage zro du courant(extinction naturelle de larc).La non linarit des rsistances permetde conserver une tension rsiduelle,qui apparat aux bornes de lensemble,proche du niveau damorage car, plusle courant augmente, plus la rsistancedcrot.Diverses techniques ont t utilisespour la ralisation des parafoudres varistances et clateurs. La plusclassique utilise une rsistance aucarbure de silicium (SiC).Certains parafoudres comportentgalement des systmes rpartiteursde tension (diviseurs rsistifs oucapacitifs) et des systmes desoufflage de larc (aimants ou bobinespour un soufflage magntique).Ce type de parafoudre est caractrispar :n sa tension dextinction, ou tensionassigne, qui est la tension frquenceindustrielle la plus leve sous laquellele parafoudre peut se dsamorcerspontanment. Elle doit tre suprieure la plus forte surtension temporaire frquence industrielle susceptibledapparatre sur le rseau.

n ses tensions damorage suivant lesformes donde (frquence industrielle,choc de manuvre, choc de foudre);elles sont dfinies statistiquement.n son pouvoir dcoulement de courantde choc, cest--dire la capacit dedissipation dnergie. On traduitgnralement la capacit dabsorptionpar la tenue des ondes rectangulairesde courant.Les parafoudres oxyde de zinc(ZnO)Ils sont constitus uniquement devaristances et remplacent de plus en

plus les parafoudres rsistancesvariables et clateurs. (cf. fig. 23).Labsence dclateur fait que leparafoudre ZnO est continuellementconducteur mais, sous la tensionnominale du rseau protg, avec uncourant de fuite la terre trs faible(infrieur 10 mA).Leur principe de fonctionnementest trs simple et repose surla caractristique fortement nonlinaire des varistances ZnO.Cette non-linarit est telle que larsistance passe de 1,5 M 15

fig. 23 : exemple de structure dun parafoudre ZnO en enveloppe porcelaine pour le rseau20 kV EDF.

bride(alliage d'aluminium)

trier lastique

rivet

blocs ZnO

rondelle

espaceur

cran thermique

enveloppe porcelaine

ressort de compression

joint caoutchouc

dispositif d'tanchitprcontraint

dispositifde surpression

broche de raccordement

conduit d'vacuationet dispositif de surpressiondans les brides infrieureset suprieures

plaque indicatricede dfaut

conduit d'vacuation

bride

dispositif deserrage anneau


n tension maximale 12,7 kVpermanenten tension assigne 24 kVn tension rsiduelle aucourant nominalde dcharge < 75 kVn courant nominalde dcharge(onde de 8/20 s) 5 kAn tenue au courant dechoc (ondede 4/10 s) 65 kA

entre la tension de service et la tensionau courant nominal de dcharge(cf. fig. 24).Ces parafoudres ont pouravantages des performancesde limitation et une fiabilit accrues parrapport aux parafoudres carbure desilicium.Des amliorations ont t apportesces dernires annes, en particulierdans le domaine de la stabilitthermique et lectrique des pastilles deZnO lors de leur vieillissement.Ainsi, en 1989 sur 15 000 parafoudresde ce type installs par EDF, aprs dixhuit mois dexprimentation, seulesdeux dfaillances ont t constates etles caractristiques, vrifies par desessais, navaient pas vari.Un parafoudre ZnO est caractrispar (cf. fig. 25) :n sa tension maximale de servicepermanent ;n sa tension assigne qui peut trelie, par analogie avec les parafoudres carbure de silicium, la tenue auxsurtensions temporaires ;n le niveau de protection, dfiniarbitrairement comme la tensionrsiduelle du parafoudre soumis un

choc de courant donn (5, 10 ou 20 kAselon la classe), onde 8/20 s ;n courant nominal de dcharge ;n tenue au courant de choc.(elle traduit le besoin de tenue desondes longues entranant unedissipation dnergie importante et nonla ncessit dcouler de tels courantsen exploitation).EnveloppesLes parafoudres oxyde de zinc sontdisponibles :n en enveloppes porcelaines pour peu prs toutes les tensions de service,n en enveloppes synthtiques (fibre deverre plus rsine) pour les rseaux dedistribution.Cette deuxime technique, plusrcente, permet dobtenir desparafoudres notablement plus lgers,moins fragiles au vandalisme et dontles lments actifs sont mieux protgscontre lhumidit car tant totalementsurmouls. Lhumidit est en effet laprincipale cause de dfaillanceidentifie sur les ZnO. Lextrieur deces parafoudres est gnralementconstitu de polymre silicone assurantla tenue lenvironnement et lareconstitution de lignes de fuite

fig. 24 : caractristiques de deux parafoudres ayant le mme niveaude protection 550 kV/10 kA.

suffisantes. Ces parafoudres, de parleur constitution interne et leursenveloppes silicones, sont beaucoupplus tolrants sur les positionsdinstallation et permettent galementdoptimiser la mise en uvre (parexemple : montage lhorizontale).Outre les spcifications EDF telle laHN 65S20 / CEI 99-1, diffrentesnormes franaises sappliquent auxparafoudres, par exemple laNF C 65-100 pour des appareilsdestins aux installations HT.En rsum il apparat que cesdiffrents types de parafoudres sontutiliss pour la protectiondappareillage, de transformateurs etde cbles. Dans ce cas la quasi totalitdes dispositifs mis en service sont desparafoudres oxyde de zinc quiremplacent progressivement lesclateurs corne et les parafoudres carbure de silicium.Cette volution vise obtenir unemeilleure prcision des niveaux deprotection permettant de mieux garantirla coordination des isolements.Le lecteur intress par la mise enuvre des parafoudres peut sereporter lannexe 2.

fig. 25 : exemple de caractristiques dunparafoudre ZnO rpondant la spcificationEDF HN 65S20.

U

500400

300

200

100

,001 ,01 ,1 10 100 1000 10000

600

I

SiC

1

kV crte

ZnO

linaire


classe de basse frquence transitoiresurtension permanente temporaire front lent front rapide front trs rapideforme

100 > Tf > 3 nsgamme des formes f = 50 ou 60 Hz 10 < f < 500 Hz 5000 > Tp > 20 s 20 > T1 > 0,1 s 0,3 > f1 > 100 MHz(frquence, front de 30 > f2 > 300 kHzmonte, dure) Tt 3 600 s 3 600 Tt 0,03 s 20 ms T2 300 s T2 3 ms Ttforme normalise f = 50 ou 60 Hz 48 f 62 Hz Tp = 250 s T1 = 1,2 s (*)

Tt (*) Tt = 60 s T2 = 2 500 s T2 = 50 sessai de tenue (*) Essai frquence Essai de choc Essai de choc (*)normalis industrielle de courte de manuvre de foudre

dure(*) spcifier par le Comit de produit concern

4. dispositions normatives et coordination de lisolement

Depuis de nombreuses annes laCommission ElectrotechniqueInternationale a abord le problme dela coordination de lisolement en HT.Deux documents gnraux traitent de lacoordination disolement :n la CEI 664 pour le domaine BT,n la CEI 71 pour le domaine HT.La CEI 71 est organise en deux parties,la deuxime tant un guide dapplicationtrs complet.Les normes produits, dont :n la CEI 694 clauses communes pourlappareillage,n la CEI 76 transformateurs,n la CEI 99 parafoudres,sont en cohrence avec la CEI 71quant aux tensions de tenuespcifiques.

la coordination delisolement en HT selonCEI 71Un des objectifs de cette norme, quidevrait tre applicable en 93, estlexplication et la dcomposition desdiffrents coefficients qui permettent deparvenir aux tensions de tenue. Une telledmarche favorise la recherche duneoptimisation, voire une baisse desniveaux de tenue en tension.La CEI 71 propose une modlisationconventionnelle des contraintes rellespar des formes dondes ralisables en

laboratoire et ayant dmontr unequivalence satisfaisante.Dautre part, deux proccupations sontnouvelles dans cette norme :n lisolement longitudinal (entre lesbornes de la mme phase dun appareilouvert),n la prise en compte de laltitude ainsique du phnomne de vieillissement desinstallations.Dans ce projet sont distingueslisolation interne, lisolation externe, et,deux gammes de tensions :n lisolation interne intresse tout ce quine se situe pas dans lair atmosphrique(isolation liquide pour lestransformateurs, SF6 ou vide pour lesdisjoncteurs par exemple) ;n lisolation externe correspond auxdistances dans lair.n gamme I : de 1 kV 245 kV inclus ;n gamme II : au dessus de 245 kV.Pour chacune dentre elles, la mise enuvre de la coordination de lisolementest lgrement diffrente.A chaque gamme, est associ untableau de tensions de tenue assignesnormalises. Ces tableaux ont ttablis suivant des critres diffrents,jusqu prsent souvent empiriques,mais dont le choix a t confirm,parfois avec quelques rserves, parlexprience. En effet, il est indniableque les niveaux imposs, sansgrandes modifications depuis des

annes, sont tout fait acceptables aupoint de vue de la scurit de service.De plus, labandon progressif desclateurs au profit des parafoudrespermet de rduire la marge de scuritdevenue surabondante entre le niveaude protection des parafoudres et latension disolement spcifie desmatriels.Dtermination des niveauxdisolementLa norme nindique pas prcismentdes tensions de tenue invariables etvalables dans tous les cas, mais ellepermet la ralisation des tudes decoordination de lisolement en plusieurstapes :n dfinition des relations entre le type durseau et le choix de ses isolements.Il sagit dtablir les caractristiques destensions maximales permanentespossibles et les surtensions temporairesprvisibles en fonction :n n de la structure du rseau et sa tensionnominale,n n du schma des liaisons la terre duneutre,n n des postes ou des machinestournantes prsents sur la ligne,n n du type et de l'emplacement desventuels dispositifs de limitation dessurtensionset, selon des considrations communes toutes les classes de surtensionsdfinies par la norme (cf. fig. 26).

fig. 26 : formes de surtensions reprsentatives et essais envisags par le projet de la norme CEI 71.

Tt Tt T2Tp T2T1 Tf Tt


n coordination des isolements desrseaux.Une fois ces donnes rassembles,pour chaque classe de surtension, ilfaut dterminer la tension de tenue decoordination correspondante en tenantcompte de la performance recherche,et gnralement du taux de dfaillanceacceptable de lisolation. La valeurobtenue est spcifique du rseautudi et de sa situation : cest la plusfaible tension de tenue la surtensionconsidre que le rseau doit avoirdans ses conditions dexploitation.Pour choisir les lments constitutifsdun rseau, il y a lieu de dfinir leurstensions de tenue spcifie.La dtermination des tensions de tenuede coordination consiste fixer lesvaleurs minimales des tensions detenue de lisolation qui satisfont aucritre de performance quand lisolationest soumise aux surtensionsreprsentatives dans les conditions deservice.La dtermination des tensions de tenuespcifies de lisolation consiste convertir les tensions de tenue decoordination en conditions dessainormalises appropries. Ceci estralis en multipliant les tensions detenue de coordination par des facteursqui compensent les diffrences entreles conditions relles de service delisolation et celles des essais de tenuenormaliss.Le choix du niveau disolement assignconsiste slectionner la srie destensions de tenue de lisolationnormalises la plus conomique,suffisante pour dmontrer que toutesles tensions de tenue spcifies sontsatisfaites.Le canevas dtude pour dterminerfinalement lisolement assign, estreprsent par la figure 27. Sur cecanevas, les deux facteurs dedispersion de fabrication et daltitudedfinis dans le projet sont regroupssous le terme facteur correctif.n la tension de tenue assigne ouniveau disolement est la mme que latension de tenue spcifie pour lessurtensions qui peuvent faire lobjetdessais cest--dire :nn essai frquence industrielle,nn essai aux chocs de manuvre.nn essai aux chocs de foudre,

Cet exemple traite essentiellement delisolation externe, sachant quunconcepteur dinstallation et de rseauest en gnral directement confrontaux problmes de dimensionnementdes isolations externes. Alors quegrce lutilisation du SF6 pourlisolement, et du vide ou du SF6 pourlintervalle de coupure, la tenuedilectrique interne est bien dtermineet indpendante des conditionsdenvironnement (conditionsclimatiques, altitude, taux dhumidit,pollution ...).Niveaux disolement assigns retenir :n 50 kV frquence industriellesatisfait la tension de tenue assigneaux surtensions permanentes de bassefrquence (32 kV) et plus de 81 % la

fig. 27 : organigramme de dtermination des niveaux disolement assigns ou normaliss.Notes : entre parenthses paragraphes de la CEI 71 o le terme est dfini ou l'action dcrite.

donnes prendre en compte.actions effectuer.rsultats obtenus.

n les facteurs dquivalence proposspar la CEI 71 permettent gnralementde ne spcifier que deux tensions detenue parmi les 3 envisages.Pour les tensions de service infrieures 245 kV le cas le plus courant consiste retenir lessai frquence industrielleet lessai au choc de foudre.n le choix final se fait parmi desniveaux normaliss (cf. fig. 28), partirde toutes les tensions assignes.Un exemple.La figure 29 prsente un tel calcul tirdu guide dapplication du projet dervision de la publication CEI 71. Ilmontre ltude de coordination delisolement dun poste caractris parune tension la plus leve pour lematriel Um = 24 kV.

n origine et classification des tensionscontraignantes n niveau de protection des dispositifslimiteurs de tensionn caractristiques de l'isolation

( 3.16)( 3.20)

n caractristiques de l'isolationn critre de performance n distribution statistique n imprcision des donnes de dpart (+) effets combins en un facteur decoordination Kc

n facteur de correction atmosphrique ka

n ensemble du matriel essay n dispersion en production n qualit de l'installation n vieillissement en service n autres facteurs inconnus (*) effets combins en un facteurde scurit Ks

n conditions d'essain facteur de conversion d'essai Kt n tensions de tenue normalises n gammes de Um

( 3.21)(+)(+)

( 3.24)

( 3.26)(*)(*)(*)(*)(*)

( 3.27)

(Chapitre 5)( 3.29)

( 4.06 & 4.07)( 4.08)

niveau d'isolement normalis ou assign : ensemble de Uw

analyse du rseau

tensions et surtensions reprsentatives Urp

choix de l'isolement satisfaisantle critre de performance

tension de tenue de coordination Ucw

application de facteurs tenantcompte des diffrences entreconditions d'essai de type etconditions de service

tension de tenue spcifie Urw

choix des tensions de tenue normalises

( 4.02)

( 3.18)

( 4.03)

( 3.23)

( 4.04)

( 3.26)

( 4.05 & 4.09)

( 3.32 & 3.33)


tension de tenue assigne frquence industrielle auxkV de courte dure chocs de foudretension de tenue assigne 74 108 141aux chocs de foudrefacteur d'quivalence 1,06 1,06front lent rapidetension de tenue assigne 28 32 42 61 une surtension frquenceindustrielle de courte durefacteur d'quivalence 0,6 0,6front lent 50 Hztension de tenue spcifietension de tenue 28 32 70 102 141correction d'altitude 1,13 1,13 1,13facteur de dispersion 1,15 1,15 1,05 1,05 1,05tension de tenue de coordination 24 28 59 86 119*(cas des matriels soumis aupressions atmosphriques)surtensions en exploitationforme d'onde reprsentative frquence industrielle surtension 250-2500 s onde 1,2-50 sconventionnelle 50 Hz courte dure (1 mn) 2 % d'amorageamplitude reprsentative 24 28 59 86conventionnelle (kV) (2,6 p.U.) (3,86 p.U)catgories de surtension phase / entre phase / entre phase / masse et

masse phases masse phases entre phasestemporaires front lent front rapide frquence industrielle (manuvres) (foudre)

Exemple de calcul :pour une tension de tenue de coordination en front lent de 59 kV- la tension de tenue spcifie en front lent = 59 kV x 1,05 x 1,13 = 70 kV- la tension de tenue assigne frquence industrielle de courte dure quivalente =70 kVx 0,6=42 kV- la tension de tenue assigne aux chocs de foudre quivalente = 70 kV x 1,06 = 74 kV.

tension de tenue assigne auxtransitoires front lent (61 kV parquivalence),n 125 kV retenu comme compromistechnico-conomique pour lestransitoires front rapide, entrane :nn soit lacceptation dun taux dedfaillance suprieur celui ayant tpris comme hypothse,nn soit lassociation de parafoudres linstallation pour assurer quelle ne soitpas contrainte au-del de ce niveau.Pour les hautes ou trs hautestensions, la procdure de coordinationde lisolement est la mme, mais lesisolations des matriels sontgnralement qualifies par leur tenuesaux chocs de manuvres, et defoudre.

tension la plus haute tension de tenue normalise tensions de tenuepour le matriel de courte dure normalises auxUm frquence industrielle chocs de foudrekV eff. kV eff. kV eff.3,6 10 20/407,2 20 40/6012 28 60/75/9517,5 38 75/9524 50 95/125/14536 70 145/17052 95 25072,5 140 325123 (185)/230 450/550145 (185)/230/275 (450)/550/650170 (230)/275/325 (550)/650/750245 (275)/(325)/360/395/460 (650)/(750)/850/950/1050fig. 28 : niveaux disolement normaliss pour les rseaux de tension efficace comprise entre 1et 245 kV (Il existe un tableau similaire pour les tensions suprieures 245 kV).

* : cette valeur provient des critres suivants :- niveau de protection du parafoudre : 80 kW- distance parafoudre/matriel : 8 m- coefficient de scurit : 1,05

fig. 29 : exemple dune recherche de coordination de lisolement pour un rseau 24 kV, avec des matriels isolation externe (extrait et adaptdu projet de rvision CEI 71).


Cette tude est dautant plusconomiquement importante que latension de service est leve.Trois critres justifient cetteaffirmation :n laugmentation du nombre de clientsou de la puissance distribue,n laugmentation du cot de ladfaillance (cot du matriel remplacer),n la part relative plus faible de ltudede coordination dans le cot total delinstallation.

consquences dunclaquageUne dfaillance dilectrique (claquageou amorage) peut provoquer :n le fonctionnement des protectionsdans le meilleur des cas,n des destructions de matriels dans lepire des cas,n une interruption de service chaquedfaillance.En HT, la coupure dalimentation quisurvient alors peut concerner une villeentire, une rgion, comme un centresidrurgique ; elle occasionne :n un risque de dstabilisation durseau,n une perte de facturation dnergiepour le distributeur dnergie,n une perte de production pour lesabonns industriels,n un danger pour les personnes (parexemple dans les hpitaux) et pour lesdonnes informatiques.Pour viter ces incidents, des tudesdoivent tre effectues pour touteinstallation nouvelle. Elles doiventpermettre des ralisations cohrenteset optimises face aux risques.Une solution est daugmenter le niveaudisolement des installations paraugmentation des distancesdisolement. Mais elle se traduit par uneimportante augmentation des cots :doubler ces distances provoque unemultiplication par huit des volumes etdes cots. Le surdimensionnement estdonc inadmissible en HT. Dolimportance de loptimisation desquipements HT.

En MTUn dfaut disolement sur un rseauMT a des consquences qui sont, moindre chelle, les mmes quen HT.Les coupures dlectricit qui enrsultent peuvent aussi tre lourdes deconsquences pour les distributeursdnergie (pertes de facturation), lesabonns industriels (pertes deproduction), et les personnes (scurit).En BTDans la pratique, plus la tension deservice est faible, plus lesconsquences dun claquage sontlimites en terme de distribution depuissance. Mais le dveloppement dessystmes et quipements lectroniquesest lorigine de nombreux incidentsconscutifs des surtensions. En effet,le niveau de tenue aux perturbationsnest pas toujours spcifi ou nest pascoordonn avec le niveaucorrespondant son installation.Or ces systmes interfrent de plus enplus dans lintgrit dune installation,dune production, ou dune gestion, lesconsquences conomiques pourlentreprise concerne peuvent donctre graves.La coordination des tenues nestdonc pas ngliger, mme en BTet lemploi de parafoudres devrait segnraliser. Ils sont aujourdhuifortement conseills pour les abonnsBT aliments par une ligne arienne.

rduction des risques etdes niveaux de surtensionsVis--vis des diffrentes surtensionsexamines dans le chapitre 1, dessolutions simples peuvent treenvisages ds les premiers projetsdinstallation :Surtension due la ferrorsonanceLe seul moyen de sen affranchirtotalement est que 1/C. soit suprieur la pente lorigine de L..i. Cependantdautres solutions sont envisageableset, en particulier, en MT onn une discordance entre les 3 phasespeut se produire dans le cas deprotection par interrupteur commande

phase par phase ; il faut rechercher laplus grande simultanit possible lorsde lenclenchement des 3 phases durseau (appareillage omnipolaire);nn lenclenchement dun transformateur vide peut tre le phnomnetransitoire qui provoque laferrorsonance ; pour lviter, il fautrduire les capacits en rapprochantpar exemple lappareillage de misesous tension du transformateur.La connexion dune chargepralablement la mise sous tensionest bnfique. Elle intervient en effetcomme une rsistancedamortissement pouvant interdire lamise en rsonnance.Mettre le neutre la terre est aussi unesolution vis--vis des rsonnancesphase/terre.Surtension provoque par lacoupure de courants capacitifsLa solution consiste viter lesrallumages successifs parlaugmentation de la vitesse desparation des contacts, et lutilisationdun bon dilectrique (vide ou SF6).Surtension provoque parlenclenchement dune ligne videElle est vite sur les rseaux detransport par une mise sous tensionprogressive, obtenue en associant desrsistances dinsertion au disjoncteur.Surtension provoque par un coupde foudreLes moyens mettre en uvre sont detrois types :n disposition de cbles de garde pourviter les chocs directs (cf. chapitre 1),n installations de protections aux pointssensibles (clateurs, ouprfrentiellement, parafoudres),(cf. annexe 2),n ralisation de prises de terre debonne qualit (cf. chapitre 1).

5. coordination applique la conceptiondes installations lectriques


6. conclusion

optimisation sur le plan conomique etsur le plan de la contrainte de service.Lutilisation de plus en plus large deparafoudres, en partie grce lamlioration de leurs caractristiqueset de leur fiabilit, concourt unemeilleure matrise des niveaux deprotection.La prise en compte de cette dmarche,par la normalisation internationale,autant au niveau gnral quau niveaudes recommandations produits, montrelimportance du sujet et les avantagesque lon peut y trouver.

La coordination des isolements vise trouver un juste quilibre entre lafiabilit des matriels du point de vuedilectrique dune part et de leurdimensionnement, donc de leur cot,dautre part.Lexpos qui en est fait dans cedocument montre la complexit desparamtres qui interviennent dans unetelle analyse.De plus, laspect statistique ducomportement aux surtensionstransitoires interdit de prtendre dessolutions absolues.

Les modlisations retenuesprsentent toujours un caractrequelque peu arbitraire en premirelecture, mais ont t valides parlexprience.Des informations plus dtaillespeuvent tre trouves dans lespublications cites pour le lecteursouhaitant approfondir le sujet.Les progrs raliss dans laconnaissance des phnomnespermettent maintenant lobtentiondune fiabilit accrue desinstallations tout en autorisant une

Quelle que soit lorigine dunesurtension, celle-ci va se propager lelong de la ligne ou du cble constituantle rseau.Ce support de propagation peut tremodlis en faisant intervenir lesvaleurs par unit de longueur delinductance et de la rsistance enlongitudinal, et de la capacit et de laconductance en transversal(cf. fig. 30). Limpdance, en rgimesinusodal, est alors donne par :

Z = L . + RC . + G

Aux frquences leves gnralementassocies aux surtensions, les termesinductifs et capacitifs deviennentprpondrants et limpdance diteimpdance caractristique vaut alors

Zc = LC

Les termes rsistifs et conductifscorrespondent des pertes entranantlattnuation de londe au cours de sapropagation.Les ordres de grandeurs desimpdances caractristiques sont :

n lignes THT : 300 500 ohms,n lignes HTA (en arien) : environ1000 ohms.La vitesse de propagation est prochede celle de la lumire, soit environ3 x 108 m/s. On peut galementexprimer cette vitesse comme tantgale 300 mtres par microseconde,ce qui donne une apprciation de larpartition le long du conducteur dunfront donde de dure trs courte(cf. fig. 31).

fig. 30 : modlisation dun support depropagation.

fig. 31 : reprsentation dans le temps et dans lespace dune onde de foudre.

annexe 1 : propagation des surtensions

1/GC

RL

V

2 s

t ( x constant)front : 1 kv/m

front : 300 kv/svolution dans le temps

600 m

rpartition dans l'espace

x ( t constant)

600 kv

V


La thorie de la propagation guidepermet dtablir que, lorsqu'une ondese propageant le long dun conducteurarrive sur un point de changementdimpdance, on observe une rflexionet une transmission partielles.Si Zc est limpdance caractristiquedu premier conducteur et Za celle dusecond, les coefficients detransmission et de rflexion sontdonns par :T = 2 . Za/(Za+Zc) et R =(Za-Zc)/(Za+Zc)Les valeurs limites de ces coefficientscorrespondent des cas physiquessimples :n Za = 0 (ligne ferme la masse) : latension au point concern est donc

nulle tout instant ce qui correspond une onde transmise nulle et une onderflchie avec un facteur -1.n Za = Zc (conducteur homogne),la transmission vaut 1 et la rflexionzro.n Za = infini (ligne ouverte) : la tensionau point de rflexion est donne par lasuperposition de londe incidente et delonde rflchie avec un facteur +1. Savaleur maximale va alors tre gale deux fois la crte de londe incidente.Bien quil ny ait pas propagation dansle milieu Za, la valeur la frontire esttoujours donne par T qui vautgalement 2.

annexe 2 : installation dun parafoudre

distance maximale deprotectionDu fait du phnomne de propagationet de rflexion des ondes,(cf. annexe 1), les parafoudres limitentles surtensions, seulement au niveaude leurs bornes.Londe crte conserve le dv/dt deson front de monte et est susceptible,par rflexion, de dvelopper, au pointdouverture, une tension double de latension de limitation.La tension de tenue de lappareillagetant gnralement infrieure audouble de la tension rsiduelle duparafoudre, il en rsulte une distancemaximale ne pas dpasser entre leparafoudre et lappareillage du poste.Exemple :n onde de foudre : 300 kV/ s,n do un gradient de tension sur laligne au passage du front de montede 1 kV/m,n poste MT : tenue 125 kV choc,n parafoudre : tension rsiduelle :75 kV.La contrainte maxi au point ouvert seragnre par la rflexion de la crte delonde limite par le parafoudre. Cettecontrainte sera gale deux fois cettecrte.Pour respecter la limite de 125 kV dumatriel, le parafoudre doit donc

intervenir au plus tard quand londeincidente son emplacement

vaut :125

2 = 62,5 kV

(instant T0 de la figure 32).Son niveau de mise en conduction (sion lapproxime au niveau de protection)tant de 75 kV, lintervention ne peuttre obtenue que par la superposition londe incidente de londe rflchie.Londe rflchie doit avoir atteint unevaleur de 75 - 62,5 = 12,5 kV.

La diffrence entre la valeur incidente(62,5 kV) et la valeur rflchie(12,5 kV), soit 50 kV, correspond aufront donde rparti sur le trajet aller-retour entre le parafoudre et le pointouvert. La distance aller-retour est doncau plus gale 50 m, soit une distancede protection maxi de 25 m.Note :Le coefficient 2 ne signifie pasdoublement de la tension crte maissuperposition de londe incidente et delonde rflchie (cf. fig. 32).

Ce cas amne une contrainte leveau point de rflexion et sonvoisinage, (voisinage au sens dela rpartition spatiale citeprcdemment).Lexpression doublement de londe detension, souvent employe, peutprter confusion en faisant imaginerque londe rflchie est deux fois plusimportante que londe initiale. Cestseulement au point de rflexion que lavaleur maximale observe vaut ledouble de celle de londe incidente carcest le seul endroit o londe incidenteet londe rflchie additionnent leurscrtes.

fig. 32 : propagation et rflexion en prsence d'un parafoudre.

2 x U0 = contrainte maximaleatteinte T1 T1 instant le plus svre

Up = niveau deprotection du parafoudreU0 = valeur de l'onde incidenteatteinte au parafoudre T0

localisations :d

instants...

parafoudre appareillage

u = valeur de l'onde rflchie atteinteau parafoudre T0(U0 + U = Up dbut de conduction)

tensionT0 T1

onde T1

onde T0

sens de dplacementde l'onde de foudre


cblage des parafoudresLors de lintervention de limitation duparafoudre, une onde de courant vascouler la terre ; elle rsulte delapplication de londe de tension limpdance caractristique de la

ligne : I = uZc

.

Le circuit de mise la terre est alors lesige dune chute de tensionessentiellement inductive et qui peutatteindre des valeurs importantes.Exemple :n onde de courant : 1 kA/ s,n inductance du cble de la descentede terre : 1 H / m,n do UL = 1 kV/m.Si lon ne veut pas que cette tensionvienne sadditionner la tensionrsiduelle, il faut que vis--vis duphnomne foudre le matrielpropos soit en drivation aux bornesdu parafoudre.Pratiquement, cela consiste effectuerle branchement comme indiqu par lafigure n 33. Si la liaison HT/matrielnest pas faite sur le parafoudre, lalongueur des conducteurs doit tre laplus faible possible (cf. fig. 34).

fig. 33 : emplacement des limiteurs de surtension sur un poste aliment par un rseau aro-souterrain

fig. 34 : principe de cblage des parafoudres : les connexions charges - parafoudres doiventtre les plus courtes possible.

annexe 3 : les normes lectriques

Trois niveaux de normalisation existent.Les trois organismes suivants agissentrespectivement au niveau mondial,europen et national :n la CEI (Commission ElectrotechniqueInternationale), produit les normesCEI ; 60 pays y participent. Unenorme nest accepte que si ellerencontre moins de 20 % dopposants.Dans les pays, son application peutsubir des drogations.

n le CENELEC (Comit Europen deNormalisation Electrotechnique) produitles normes EN ; il regroupe 18 paysen majorit europens. Ses normesvotes sont dapplication obligatoire.n lUTE ( Union Technique dellectricit), produit les normesfranaises NF.

transfo

cblage viter

parafoudre

cblages corrects

L

si L < 25 m : un limiteur de surtension plac sur le poteau est suffisantsi L 25 m : un deuxime limiteur aux bornes du transformateur est ncessaire


annexe 4 : bibliographie

Normesn CEI 60 : Technique des essais haute tension.n CEI 71-1 : Coordination delIsolement : termes dfinitions,principes et rgles.n CEI 71-2 : Coordination delisolement : guide dapplication.n CEI 99 : Parafoudres.Publications diversesn Techniques de lingnieur : chapitreGaz Isolants.n Les proprits dilectriques de lair etles trs hautes tensions.(Publication EDF).n Principes and procedures of theinsulation co-ordination.KH. WECK.n Dimensionnement des parafoudresMT pour le rseau EDF (1988).A. ROUSSEAU (EDF).

Ral. : ERI LyonDTE - 12-92 - 3500 - Impr. : Lostic

ct151

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