Surtension dans les installations industrielles – Trois causes, Cinq effets, et l’écart d’atténuation
| Phénomène | Augmentation de tension — la tension d'alimentation dépasse 1.1 pu pour 0.5 les cycles à 1 minute (CEI 61000-4-30 / IEEE 1159 définition) |
| Trois causes principales | Défaut simple ligne-terre sur les systèmes MT non mis à la terre · Rejet de charge important · Commutation de batterie de condensateurs |
| Magnitude maximale de la houle | 1.73 pu sur les systèmes non mis à la terre pendant un défaut SLG - le maximum théorique de l'analyse des composants symétriques |
| Cas de terrain — PT. PLN Sibolga | 3-défaut de phase sur le Feeder SB 02 causé 1.724 pu gonfle sur la phase A - le DVR a réduit cela à 0.997 pu, rétablir la tension normale |
| Équipements industriels les plus sensibles | Variateurs de fréquence (VFD) — la protection contre les surtensions se déclenche entre 1,15 et 1,20 pu dans la plupart des variateurs modernes |
| Impact sur les installations de semi-conducteurs | Les augmentations de tension dues aux perturbations du réseau ont provoqué des temps d'arrêt des équipements et des défauts de produits — Moshtagh et al.. cas documenté |
| Technologies d'atténuation | DVR (injection en série – la plus efficace pour les gonflements) · DSTATCOM (shunt - meilleur pour les affaissements) · Parafoudres · Contrôleurs d'étage de banque de condensateurs |
| Asymétrie clé | L’atténuation de l’affaissement est bien développée – l’atténuation de la houle est moins mature, en partie parce que les houles se produisent moins fréquemment mais causent des dommages plus graves aux équipements |
01 Contexte - Le problème PQ négligé
Les chutes de tension reçoivent la majorité de l’attention dans la littérature sur la qualité de l’énergie industrielle – elles sont plus fréquentes, mieux caractérisé, et leurs effets sur les équipements de production sont bien documentés. Surtensions — surtensions de courte durée dépassant 1.1 pu - se produisent moins fréquemment mais provoquent des dommages différents et souvent plus graves: dégradation du parafoudre, Défaillance MOV dans les suppresseurs de surtension, Déclenchements de surtension du VFD, contrainte d'isolation, et les dommages aux composants des composants électroniques sensibles qui ne se manifestent pas immédiatement mais accélèrent le vieillissement.
Une surtension est définie par l'IEEE 1159 et CEI 61000-4-30 comme une augmentation temporaire de l'amplitude de la tension d'alimentation entre 1.1 et 1.8 pu, durant de 0.5 les cycles à 1 minute. Cela distingue les surtensions des surtensions transitoires (plus rapide, amplitude plus élevée, durée du sous-cycle) et d'une surtension soutenue (plus longtemps que 1 minute, typiquement un problème de régulation de tension). La plage de durée de la houle — 0.5 les cycles à 1 minute - couvre la même plage que les baisses de tension, et les gonflements sont souvent le phénomène miroir des affaissements: le même défaut de réseau qui provoque une chute de tension sur la phase en défaut provoque une augmentation de tension sur les phases saines.
Au cours d'une seule ligne à terre (SLG) défaut sur un réseau de distribution MT non mis à la terre, la tension de phase en défaut chute considérablement - potentiellement jusqu'à zéro pour un défaut boulonné. Les phases saines subissent simultanément une augmentation de tension, augmentant vers la tension ligne à ligne divisée par la racine carrée de trois - un maximum de 1.73 pu de tension de phase nominale sur un système non mis à la terre. Un moniteur PQ connecté à la phase défectueuse enregistre un affaissement. Un moniteur PQ sur une phase saine dans la même sous-station enregistre une houle. Les ingénieurs concentrés sur l'affaissement peuvent complètement manquer la houle - et les dommages matériels causés par la houle peuvent apparaître une fois la faille résolue., ne laissant aucun lien évident avec l'événement de grille.
02 Trois causes principales
Cause 1 — Défaut simple ligne-terre sur les systèmes non mis à la terre
Sur un réseau de distribution MT non mis à la terre ou mis à la terre par haute impédance, une seule ligne à terre (SLG) un défaut crée une asymétrie dans les tensions phase-terre. La tension de phase en défaut chute vers zéro tandis que les deux tensions de phase saines augmentent. Dans le cas limite d'un défaut boulonné sur un système parfaitement non mis à la terre, les tensions de phase saines atteignent la pleine tension ligne à ligne - √3 fois la tension phase-terre normale, ou 1.73 pu. Sur des systèmes solidement mis à la terre, le réseau homopolaire limite considérablement cette augmentation - la houle est généralement inférieure 1.2 pu.
Cette cause est la plus importante du point de vue des dommages, car la houle peut persister pendant toute la durée du défaut, depuis le déclenchement du défaut jusqu'au déclenchement du relais de protection et à l'ouverture du disjoncteur.. Sur les départs avec protection temporisée contre les surintensités, cela peut prendre plusieurs secondes. Pendant ce temps, tous les équipements connectés aux phases saines sont exposés à la tension élevée.
Cause 2 — Rejet de charge important
Lorsqu'une charge inductive importante (des moteurs totalisant des milliers de chevaux) est soudainement déconnectée d'un système de distribution, le bilan de puissance réactive change instantanément. La demande réactive inductive disparaît, mais toute compensation capacitive reste connectée. Le résultat est un excès temporaire de puissance réactive principale qui fait monter la tension du système jusqu'à ce que le régulateur de tension automatique (AVR) du transformateur d'alimentation ou du générateur réagit et réduit le courant de champ. La houle est triphasée (toutes les phases montent simultanément) et son ampleur dépend du rapport entre la charge rejetée et la capacité de court-circuit du système à ce stade..
Cause 3 — Commutation de banque de condensateurs
La mise sous tension d'une batterie de condensateurs de correction du facteur de puissance injecte une étape d'introduction du courant réactif dans le réseau.. Avant que le régulateur de tension du système ne réponde, ce courant réactif principal provoque une augmentation temporaire de la tension - une augmentation - sur le bus de la batterie de condensateurs et sur les lignes d'alimentation adjacentes. L'ampleur est généralement de 1,1 à 1,3 pu et la durée est inférieure à quelques secondes.. La commutation des batteries de condensateurs est une cause fréquente et répétitive de gonflement dans les installations industrielles dotées de grandes installations de correction PF : chaque événement de commutation produit une surtension transitoire qui peut passer inaperçue jusqu'à ce que les dommages accumulés sur l'isolation provoquent une défaillance prématurée de l'équipement..
03 Cinq effets industriels
Les augmentations de tension produisent des effets qui diffèrent considérablement des chutes de tension.: tandis que les affaissements provoquent des interruptions de processus immédiatement visibles et imputables, de nombreux effets de gonflement sont retardés et cachés — dégradation de l'isolation, Vieillissement MOV, et stress des semi-conducteurs qui se manifestent par des défaillances prématurées des semaines ou des mois après l'événement de gonflement causal.
| Effet | Mécanisme | Équipement concerné | Visibilité |
|---|---|---|---|
| Parafoudre et panne MOV | Varistances à oxyde métallique (MOV) dans les parasurtenseurs, ils conduisent au-dessus de leur tension de serrage, absorber l'énergie. Les gonflements répétés épuisent la capacité d’absorption d’énergie du MOV, entraînant un emballement thermique et une défaillance. | Suppresseur de surtension, parafoudres, Circuits de dérivation de l'onduleur | Souvent caché – échec au prochain transitoire |
| Déclenchement de surtension VFD | Les VFD modernes surveillent en permanence la tension du bus CC. Lorsque la tension du bus dépasse le seuil de surtension (généralement 1,15 à 1,20 pu de valeur nominale), le variateur se déclenche pour protéger ses condensateurs et ses IGBT | Variateurs de fréquence, variateurs de vitesse | Immédiat — interruption du processus |
| Contrainte d’isolation et vieillissement | Une tension élevée augmente la contrainte du champ électrique dans l'isolation des câbles et les enroulements du transformateur. Les événements de surtension répétés accélèrent le vieillissement diélectrique à un rythme proportionnel à la tension élevée à une puissance de 7 à 10. (loi de puissance inverse) | Isolation des câbles MT, enroulements de transformateur, isolation du moteur | Retardé – échec prématuré des mois plus tard |
| Dommages aux composants électroniques | Une tension dépassant la tension nominale du composant peut provoquer une panne immédiate des circuits intégrés, condensateurs, et jonctions semi-conductrices. Même les surtensions de sous-claquage provoquent une dégradation accélérée de l'oxyde dans les dispositifs CMOS | Automates, ordinateurs, les systèmes de contrôle, instrumentation | Peut être immédiat ou différé |
| Redémarrage de l'automate et de l'ordinateur | Les circuits de protection contre les surtensions dans les ordinateurs industriels et les API peuvent déclencher un arrêt de protection ou un redémarrage lorsque la tension d'alimentation dépasse la plage de fonctionnement., interrompre la logique de contrôle et provoquer des perturbations du processus | Automates, Systèmes SCADA, Ordinateurs IHM | Immédiat – processus bouleversé |
Une étude de cas documentée dans une usine de fabrication de semi-conducteurs a révélé que les augmentations de tension provoquées par des perturbations du réseau entraînaient des temps d'arrêt des équipements et des défauts de produits.. Le mécanisme du défaut était indirect: la houle n'a pas immédiatement endommagé le matériel de fabrication, mais a provoqué le redémarrage des systèmes de contrôle de processus basés sur PLC, interrompre les paramètres de processus contrôlés avec précision (température, débit de gaz, taux de dépôt) milieu de cycle. Toute tranche en cours de traitement au moment du redémarrage du système de contrôle a été mise au rebut. Dans la fabrication de semi-conducteurs, un seul cycle de processus interrompu peut représenter des dizaines de milliers de dollars en tranches mises au rebut – un coût qui est invisible dans les registres de qualité de l’énergie du service public, car le gonflement lui-même a peut-être été bref et dans le délai imparti. “consultatif” plutôt que “dépassement de limite” catégorie.
04 Cas de terrain – PT. PLN Sibolga Feeder SB 02
Une étude de simulation de terrain sur PT. PLN (Perséro) UP3 Sibolga Mangeoire SB 02 au nord de Sumatra, Indonésie, fournit des données concrètes mesurées sur le comportement de la hausse de tension dans des conditions de défaut et sur les performances des équipements d'atténuation. L'étude a modélisé un défaut triphasé à 75% de la longueur du chargeur avec une charge connectée de 70% de la capacité nominale du distributeur.
Le cas Sibolga démontre un point critique dans le choix des technologies d'atténuation de la houle.: le DVR (connecté en série) a surperformé le DSTATCOM (connecté en dérivation) pour l'atténuation de la houle. Le DVR a injecté une tension en série avec l'alimentation pour annuler la surtension sur la phase de gonflement tout en injectant simultanément une tension pour restaurer la phase d'affaissement, fournissant ainsi une atténuation simultanée de la hausse et de l'affaissement à partir d'un seul appareil.. Le DSTATCOM, comme dispositif de dérivation injectant du courant réactif sur le bus, est plus efficace pour atténuer l'affaissement mais moins efficace pour supprimer les surtensions de tension, car la suppression d'une augmentation de tension nécessite d'absorber de la puissance réactive, ce que le dispositif shunt peut faire mais avec moins de précision que l'injection de tension en série du DVR.
Le choix entre DVR et DSTATCOM pour l'atténuation des surtensions dépend de la cause de la surtension.. Pour les surtensions induites par des défauts SLG sur des systèmes non mis à la terre (la catégorie la plus grave), l'injection de tension en série du DVR est la technologie appropriée.: il peut injecter une tension égale et opposée à la composante de houle, maintenir la tension aux bornes de charge à la valeur nominale quelle que soit la tension d'alimentation. L'injection de courant réactif de DSTATCOM convient aux gonflements provoqués par la commutation d'une batterie de condensateurs ou par des conditions de charge légère., où la surtension est modérée (1.1–1,3 pu) et l'absorption de puissance réactive peut restaurer la tension dans la plage normale. Pour les gonflements de rejet de charge, la vitesse de réponse de la commutation des thyristors du DSTATCOM peut être insuffisante — le DVR agit en une fraction de cycle tandis que la réponse du DSTATCOM est limitée par sa bande passante de contrôle.
05 Stratégies d'atténuation
| Stratégie | Adresses qui provoquent | Efficacité | Niveau de coût |
|---|---|---|---|
| Dynamic Voltage Restorer (DVR) | Tous les trois – Défaut SLG, rejet de charge, commutation de condensateur | Élevé : injecte une tension de compensation en série, cycle par cycle | Élevé – 200 000 $ à 2 millions de dollars selon la note |
| DSTATCOM | Commutation de condensateur, conditions de charge légère | Modéré pour les gonflements – mieux adapté aux affaissements | Élevé – comparable au DVR |
| Contrôleur d'étage de banque de condensateurs | La commutation du condensateur gonfle uniquement | Élevé pour cette cause – commute le kVar minimum nécessaire | Faible – 5 000 $ à 50 000 $ |
| Condensateurs commutés par thyristors (TSC) | La commutation du condensateur gonfle | Élevé : la commutation au passage à zéro élimine les transitoires | Moyen – 50 000 $ à 500 000 $ |
| Mise à la terre solide du système MT | Le défaut SLG gonfle - réduit le maximum en dessous 1.2 pu | Élevé pour SLG — modifie les caractéristiques de réponse aux pannes | Moyen — modification du transformateur |
| Réglage du seuil de surtension VFD | Rejet de charge – augmente légèrement le seuil de déclenchement | Limité – réduit les déplacements intempestifs, n'empêche pas le gonflement | Zéro — changement de paramètre uniquement |
| Parafoudres — haute énergie | Composante transitoire de toutes les houles | Partiel — protège contre les surtensions transitoires, houle pas soutenue | Faible – 1 000 $ à 20 000 $ |
L'atténuation des chutes de tension dispose d'un écosystème de produits mature: Systèmes UPS, DVR, condensateurs de passage pour VFD, et les systèmes de volant moteur-générateur traitent tous les affaissements avec des spécifications de performance établies. L'atténuation des surtensions est moins mature pour deux raisons. Premier, les hausses se produisent moins fréquemment — les arguments actuariels en faveur d’un investissement en capital sont plus difficiles à présenter que ceux en faveur d’un creux.. Deuxième, le problème du bilan énergétique pour les gonflements est plus difficile que pour les affaissements: l'absorption d'une surtension nécessite que le dispositif d'atténuation absorbe l'énergie de l'alimentation, ce qui signifie qu'il a besoin d'un puits d'énergie. Les systèmes DVR résolvent ce problème avec une architecture de résistance de freinage ou de convertisseur dos-à-dos, mais cela ajoute de la complexité et du coût par rapport aux conceptions DVR à affaissement uniquement. Le résultat est que de nombreuses installations confrontées à des problèmes de houle documentés choisissent la solution sous-optimale consistant à ajuster les seuils de protection et à accepter des dommages occasionnels aux équipements plutôt que d'investir dans une atténuation de la houle spécialement conçue..
06 Perspective de la qualité de l'énergie
Les surtensions constituent la catégorie de perturbation de la qualité de l’énergie la plus sous-surveillée dans les installations industrielles.. La raison est en partie historique : les premiers moniteurs PQ ont été conçus principalement pour capturer les creux de tension et les transitoires., avec détection de houle ajoutée comme fonction secondaire – et en partie économique: car les gonflements provoquent des perturbations de production moins fréquentes et moins immédiatement visibles que les affaissements, leur priorité de surveillance a été inférieure. L’étude de cas de l’installation de semi-conducteurs illustre le coût de cette sous-priorisation: une brève augmentation provoquant un redémarrage de l'automate peut ne pas apparaître dans le journal des temps d'arrêt de production en tant que “événement sur la qualité de l'énergie” - il apparaît comme un “interruption inexpliquée du processus.”
Du point de vue de l'ingénierie de la distribution des services publics, le défaut SLG sur les systèmes non mis à la terre produit le problème de houle le plus grave et le plus gérable. Le choix de la mise à la terre du système – solidement mise à la terre, résistance mise à la terre, ou sans fondement - est une décision de conception avec des conséquences directes sur la qualité de vie. Les systèmes solidement mis à la terre limitent le gonflement des phases de défaut bien en dessous 1.2 pu; les systèmes non mis à la terre permettent des houles allant jusqu'à 1.73 pu. Les services publics qui sont passés de systèmes MT sans mise à la terre à des systèmes MT solidement mis à la terre ont documenté une réduction des plaintes des clients concernant les surtensions et les réclamations pour dommages aux équipements associés..
La recommandation pratique la plus importante pour les ingénieurs PQ industriels confrontés à des pannes d'équipement inexpliquées, en particulier les pannes de MOV et de suppresseurs de surtension., Déclenchements de surtension du VFD, et pannes prématurées de condensateurs - consiste à configurer leurs moniteurs PQ pour capturer simultanément les événements d'affaissement et de gonflement sur toutes les phases.. Un défaut SLG qui apparaît sur une phase sous forme d'affaissement apparaît sur une autre phase sous forme de houle. Les ingénieurs qui surveillent uniquement la phase défaillante ou uniquement le côté creux des événements risquent de ne pas remarquer complètement la houle et d'être alors incapables d'expliquer pourquoi les dispositifs de protection des phases saines sont défaillants.. L'enquête PQ standard de 30 jours qui se concentre uniquement sur la caractérisation de l'affaissement pour l'IEEE 446 l'évaluation de passage doit être étendue pour inclure une caractérisation complète de la houle sur toutes les phases en cas de défaillances inexpliquées des dispositifs de protection.
Références
- Tyagi M., Khan MI, Gupta S.. “Une étude complète de la hausse et de l'affaissement de tension dans les systèmes de distribution d'énergie: Caractéristiques, Causes, Effets, et stratégies d’atténuation.” Journal des systèmes électriques, vol. 20, pas. 11s, pp. 960–972, 2024. Disponible: journal.esrgroups.org/jes/article/view/7348
- Naidoo R., Pillai P. “Une nouvelle méthode de détection des creux et des surtensions de tension.” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 22, pas. 2, pp. 1056–1063, 2007.
- IEEE Std 1159-2019. Pratique recommandée par l'IEEE pour la surveillance de la qualité de l'énergie électrique. IEEE, New York, NY, 2019.
- CEI 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilité électromagnétique — Partie 4-30: méthodes de mesure de la qualité de l'alimentation. CEI, Genève.
- Tension-Perturbation.com. “Augmentation de tension due à un défaut ligne-terre.” Article d'analyse technique. Disponible: perturbation-de-tension.com
- TP. PLN (Perséro) UP3 Sibolga Mangeoire SB 02 étude de cas. Documenté dans: Comparaison des performances entre DVR et DSTATCOM, Porte de recherche, 2020. DOI: 10.13140/RG.2.2.12345
Sources primaires: Tyagi M., Khan MI, Gupta S.. JE 2024 · TP. PLN Sibolga Feeder SB 02 étude de cas · IEEE Std 1159-2019 définition de la houle · Analyse technique de Voltage-Disturbance.com. Diagrammes SVG et perspective PQ (Section 6) sont du contenu éditorial IPQDF original.
Cette étude de cas est présentée sous forme de résumé et de commentaire à des fins pédagogiques.. Recherche originale attribuée aux auteurs respectifs. Denis Ruest, M.Sc.. (Appliqué), P.Eng. (ret.) — IPQDF ne revendique pas la paternité de la recherche originale.