Études sur la foudre et les surtensions de commutation à l'aide de modèles de parafoudres

Principaux enseignements

• • Les cibles de coordination d'isolation définissent la norme qui donne tout son sens à chaque résultat relatif aux parafoudres et aux transitoires.

  • La couverture de protection dépend de la propagation des surtensions, des caractéristiques des disjoncteurs et des contrôles spécifiques aux bornes sur l'ensemble du parc.

  • Le choix d'un parafoudre n'est pas définitif tant que les performances de la pince et la capacité d'absorption d'énergie n'ont pas été vérifiées dans des conditions extrêmes.

Des modèles précis de parafoudres permettent de déterminer où la protection d'un poste électrique sera efficace et où elle fera défaut.

Selon certaines règles empiriques, il est possible d’installer un parafoudre à proximité d’un compartiment de ligne tout en laissant une traversée de transformateur exposée à une surtension transitoire supérieure à la marge d’isolation autorisée. Les surtensions dues à la foudre et aux opérations de commutation ne s’arrêtent pas au premier dispositif de protection rencontré. Elles se propagent, se réfléchissent et s’amplifient à mesure qu’elles traversent les sections de barres, les câbles, les terminaisons et les équipements. Environ 25 millions de coups de foudre nuage-sol frappent les États-Unis chaque année. Cette ampleur est importante car chaque point d’entrée de ligne exposé peut injecter une surtension rapide dans votre sous-station ; par conséquent, une étude de protection contre la foudre fiable pour les sous-stations doit considérer le réseau comme un ensemble de trajets d’ondes progressives dotés de marges de protection finies.

Les études sur les surtensions transitoires commencent par la définition des objectifs de coordination de l'isolation

Les études sur les surtensions transitoires commencent par la coordination de l'isolation, car tous les choix de modélisation ultérieurs dépendent de la marge de résistance à protéger. Si cet objectif n'est pas clairement défini, les caractéristiques des parafoudres, les longueurs de câbles et les points de déclenchement perdent tout leur sens. Vous ne vérifiez plus la protection. Vous ne faites plus que tracer des courbes.

Prenons l'exemple concret d'une borne de transformateur présentant une résistance aux impulsions de foudre de 650 kV, raccordée à un jeu de barres par plusieurs mètres de conducteur. Votre étude doit comparer la tension de crête à la borne à cette limite, après avoir pris en compte la tension résiduelle du parafoudre, l'inductance des câbles et les réflexions locales. Un résultat de 540 kV offre une marge utile. Un résultat de 640 kV semble acceptable sur le papier et laisse encore une marge suffisante pour tenir compte des erreurs de modélisation, du vieillissement ou des incertitudes liées aux paramètres.

La même logique s'applique aux études de commutation. Un disjoncteur alimentant une ligne à vide peut exercer une contrainte plus faible mais plus prolongée sur les transformateurs, les réacteurs et les extrémités de câbles. En définissant d'abord des objectifs de résistance clairs pour chaque borne exposée, vous saurez dans quels cas un modèle simplifié est acceptable et dans quels cas des détails supplémentaires sont indispensables. Cette démarche transforme l'étude, qui passe d'une simple simulation générique à une vérification des protections sur laquelle vous pouvez vous appuyer pour agir.

Un modèle de parafoudre doit reproduire la tension résiduelle

« Un parafoudre n'est efficace que si sa tension résiduelle correspond aux formes d'onde du courant qui l'atteindront effectivement. »

La tension nominale et la tension de fonctionnement en continu ne suffisent pas pour les études de protection contre la foudre. Le modèle doit réagir correctement aux fronts de front en pente raide et aux variations d’intensité du courant. C’est cette réaction qui détermine la tension à laquelle votre équipement sera soumis.

Un modèle de varistance à oxyde métallique doit être ajusté aux points de tension résiduelle indiqués par le fabricant pour les courants de décharge concernés, puis connecté avec une inductance de câble réaliste. La plupart des coups de foudre négatifs transportent environ 30 000 A; par conséquent, un modèle calibré uniquement sur un point d’essai nominal ne tiendra pas compte de la plage de courant qui définit le niveau de limitation lors d’un coup de foudre proche. Un front de tension abrupt pénétrant par un parafoudre de ligne peut soumettre le parafoudre à une tension instantanée plus élevée que ne le suggère une courbe statique.

Les cas de commutation nécessitent une attention similaire. Une mise sous tension d’un transformateur peut générer un courant plus faible pendant une durée plus longue, et le même parafoudre présentera alors un niveau de protection différent ainsi qu’une absorption d’énergie différente. Si votre modèle ne permet pas de reproduire à la fois le comportement résiduel lié à la foudre et celui lié à la commutation, l’analyse de l’implantation des parafoudres se résume à une simple conjecture. Vous obtiendrez certes un graphique, mais vous ne saurez pas si la borne protégée l’est réellement.

Les études de protection contre la foudre doivent prendre en compte les voies de propagation des surtensions au sein des sous-stations

Les études de protection contre la foudre doivent reproduire le trajet suivi par une surtension depuis l'entrée de la ligne jusqu'à chaque borne exposée. L'onde entrante se divise aux jonctions, se réfléchit aux discontinuités et s'amplifie aux extrémités ouvertes. Ces effets liés au trajet déterminent l'endroit où la tension la plus élevée apparaît. Une simple mesure à l'extrémité de la ligne ne permettra pas de saisir ce schéma.

La configuration classique d’un parc de transformation illustre clairement ce principe. Un coup de foudre provenant d’une ligne aérienne atteint le premier portique, traverse les équipements de mesure, puis se divise entre le bus principal et une dérivation vers un transformateur. Un sectionneur ouvert sur l’une des dérivations peut renvoyer une onde réfléchie vers le té du bus, tandis qu’un tronçon de câble sur une autre dérivation modifie la vitesse de propagation et l’impédance de la surtension. Le pic le plus élevé peut apparaître au niveau d’une borne physiquement plus éloignée du point d’impact que le premier parafoudre.

Ici aussi, les détails relatifs à la mise à la terre ont leur importance. Un long câble de dérivation, une structure de support élevée ou une section de bus mal modélisée peuvent générer une tension là où on ne s’y attend pas. C’est pourquoi la simulation des surtensions transitoires doit prendre en compte les longueurs des conducteurs et les points de connexion qui influencent la propagation de l’onde. Lorsque l’on peut visualiser le cheminement, il est possible de vérifier la couverture de la protection contre la foudre dans l’ensemble de la sous-station, au lieu de supposer que la protection s’étend de manière uniforme à partir d’un seul équipement.

La simulation des surtensions de commutation nécessite des données fiables sur les temps de déclenchement des disjoncteurs

La simulation des surtensions de commutation nécessite des données précises sur la chronologie de déclenchement des disjoncteurs, car les réenclenchements, les pré-enclenchements, l'écart entre les pôles et la forme de coupure du courant déterminent la contrainte maximale subie par les équipements. L'action d'un disjoncteur ne correspond pas à un instant unique et idéal d'ouverture ou de fermeture. Chaque pôle agit à un moment légèrement différent. Cette chronologie modifie la forme d'onde transitoire et la charge de travail du parafoudre.

Le cas de la mise sous tension d'une ligne de 230 kV illustre bien l'importance de ce phénomène. Un pôle peut se fermer avec quelques millisecondes d'avance sur les autres ; la ligne peut conserver une charge piégée issue d'une ouverture précédente ; et la tension côté source peut déjà être proche de son pic. Cette séquence peut générer, à l'extrémité distante, un pic bien supérieur à la valeur obtenue lors d'une fermeture simultanée des trois pôles. Un modèle de disjoncteur avec une synchronisation identique des pôles lissera l'événement et sous-estimera la surtension de commutation.

Les cas d'ouverture méritent la même rigueur. L'arrêt d'un réacteur peut entraîner une coupure de courant, puis une tension de récupération qui provoque un réenclenchement sur l'un des pôles. L'oscillation qui en résulte peut se propager depuis la borne du disjoncteur vers les transformateurs ou les batteries de condensateurs situés à proximité. Si vous souhaitez simuler les surtensions de commutation en toute fiabilité, les détails relatifs au disjoncteur doivent être intégrés au modèle de protection et faire l'objet d'une prise en compte exhaustive.

L'emplacement des parafoudres doit être déterminé en fonction de l'exposition de l'équipement à chaque borne

Le placement des parafoudres est efficace lorsque l’on évalue l’exposition de chaque borne, et non lorsque l’on place les dispositifs à un espacement fixe en partant du principe que l’ensemble du site est couvert. L’exposition des bornes dépend du trajet d’arrivée de la surtension, des réflexions locales, de la longueur des câbles et de la résistance de l’isolation. Le parafoudre le plus proche ne garantit pas toujours la tension de borne la plus faible. La distance indiquée sur un tracé ne correspond pas à la marge de protection.

Un transformateur raccordé via une dérivation du jeu de barres principal illustre bien ce problème. Un parafoudre installé à l’entrée de la ligne limitera l’amplitude de la première onde à cet endroit, mais la traversée haute tension du transformateur peut tout de même subir un pic réfléchi très abrupt si la dérivation est longue et si le parafoudre du transformateur est situé trop loin. Les terminaisons de câbles présentent le même problème, car la propagation de l’onde à travers le câble et la réflexion à l’extrémité ouverte peuvent faire augmenter la tension locale après la première limitation de tension.

Les décisions relatives à l'emplacement des parafoudres apparaissent clairement dès lors que l'on compare chaque borne à son propre niveau de résistance. Cette approche conduit souvent à installer plusieurs parafoudres dans un même compartiment, et confirme parfois qu'un seul dispositif suffit. L'essentiel réside dans les données factuelles. Vous installez la protection au niveau des bornes où la surtension génère une contrainte, en vous basant sur l'exposition mesurée plutôt que sur une règle empirique.

La couverture de protection doit être vérifiée à chaque nœud critique

L'efficacité de la protection n'est vérifiée que lorsque vous mesurez la tension transitoire à chaque nœud où l'isolation pourrait céder. Il ne suffit pas de vérifier uniquement la borne du parafoudre. Ce sont les pics, la forme du front d'onde et la marge au niveau des bornes de l'équipement qui importent.

 « La couverture dépend de la réponse globale du réseau lors d'un même événement. »

Un processus de travail efficace consiste à analyser le même événement au niveau de l'entrée de la ligne, des jonctions de bus, des bornes des disjoncteurs et des traversées d'appareillage. Le logiciel SPS SOFTWARE est parfaitement adapté à cette tâche, car il permet d’analyser le comportement des parafoudres et la propagation des ondes au sein d’un seul modèle de réseau modifiable, plutôt que de traiter chaque dispositif comme une « boîte noire ». Il est ainsi plus facile de simuler un coup de foudre à proximité, un coup de foudre plus éloigné ou un événement de commutation sans avoir à reconfigurer le parc électrique pour chaque cas. Lorsqu’un nœud dépasse la valeur cible, vous pouvez déterminer si la solution consiste à installer un nouveau parafoudre, à raccourcir le câble de raccordement ou à modifier l’emplacement.

• Mesurez simultanément la surtension à l'entrée de la ligne et le niveau de la première pince.
• Vérifiez que chaque borne de transformateur et de réacteur respecte sa propre valeur de résistance nominale.
• Vérifiez les deux côtés de chaque disjoncteur lors des opérations de fermeture et d’ouverture.
• Vérifiez les points de raccordement et de dérivation des bus où les réflexions peuvent provoquer des pics locaux.
• Vérifier les raccordements des câbles et les extrémités dénudées pour détecter d'éventuelles surtensions réfléchies

Les contrôles de couverture garantissent également la fiabilité des études lorsqu'une modification de plan intervient à un stade avancé du projet. Un léger changement dans la longueur d'un conducteur ou l'ajout d'un raccord en T peut déplacer le pic le plus intense vers un autre nœud. Si votre étude ne prend en compte qu'une ou deux tensions, ce changement vous échappera. Un contrôle complet des nœuds transforme la protection contre la foudre, qui n'est alors plus qu'une simple annotation sur un plan, en un résultat électrique vérifié.

Dans les cas extrêmes, l'énergie nominale du parafoudre doit être vérifiée

Il est indispensable de vérifier la capacité d'absorption d'énergie du parafoudre, car un dispositif capable de limiter la tension de manière acceptable peut néanmoins absorber plus d'énergie que ne le permet sa conception thermique. La protection contre la tension et la capacité d'absorption d'énergie sont liées, mais ne constituent pas le même essai. Certains cas extrêmes liés à la foudre ou à la commutation peuvent réussir l'un et échouer à l'autre. Vous devez disposer des deux résultats avant de pouvoir clore un dossier.

La foudre frappant à proximité d'une ligne d'alimentation en est un exemple flagrant. La première impulsion de courant met le parafoudre en conduction, puis l'énergie réfléchie par le parc de câbles et la ligne raccordée peut maintenir le courant pendant une durée plus longue que ne le laisse supposer la simple forme d'onde. Une réamorçage de commutation peut produire un effet similaire, avec un courant plus faible et une durée plus longue. L'énergie absorbée doit être calculée à partir de la tension et du courant du parafoudre en fonction du temps, et non estimée sur la seule base du courant de crête.

Les cas impliquant plusieurs événements méritent également une attention particulière. Une réenclenchement après un défaut, des réenclenchements répétés ou une séquence d’opérations lors de la mise en service peuvent accumuler des contraintes thermiques sur le même appareil. C’est pourquoi le calcul de l’énergie absorbée par le parafoudre doit être intégré à l’étude des transitoires elle-même. En comparant l’énergie absorbée simulée aux capacités de l’appareil dans les cas les plus sévères, vous saurez si le parafoudre dispose encore d’une marge de sécurité après avoir rempli sa fonction de protection.

Des hypothèses simplifiées peuvent masquer des pics de surtension dangereux

Les hypothèses simplifiées masquent les pics préjudiciables, car elles effacent les détails à l'origine de ceux-ci. Les disjoncteurs idéaux, les câbles de longueur nulle, les contrôles de tension en un seul point et les courbes génériques des parafoudres contribuent tous à donner aux résultats un faux sentiment de sécurité. Le pic non détecté apparaît généralement au niveau d'un terminal distant. C'est précisément là qu'une méthode de placement basée sur des règles présente une lacune.

Une sous-station peut sembler protégée lorsque le modèle utilise un parafoudre à l’entrée de la ligne, une commutation idéale et aucune réflexion sur les dérivations. La situation change dès lors que l’on tient compte de longueurs de conducteurs réalistes, d’une dérivation de transformateur, de l’écartement des pôles du disjoncteur et de la courbe résiduelle réelle du parafoudre. Une traversée de transformateur qui semblait sûre à 520 kV peut dépasser largement sa marge de coordination lors d’un coup de foudre proche ou d’un coup de foudre répété. Ce changement n’est pas un simple problème de modélisation. Il s’agit de la situation électrique à laquelle votre isolation doit résister.

Une simulation rigoureuse des surtensions transitoires vous offre une base fiable pour prendre des décisions. Vous pouvez ainsi identifier les zones où la protection contre la foudre est efficace, celles où l’emplacement des parafoudres doit être revu, et les cas extrêmes qui définissent la véritable limite de conception. SPS SOFTWARE s’intègre parfaitement à ce processus lorsque vous avez besoin de modèles transparents illustrant le comportement des parafoudres et la propagation des surtensions au sein de la sous-station, car une compréhension claire des principes physiques permet de faire des choix de protection éclairés. C’est ainsi que vous comblez les lacunes de protection avant qu’un véritable coup de foudre ne les mette en évidence.