Modélisation de défauts de court-circuit et système de détection

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Cas du four à arc à courant continu

L’arc est alors alimenté par l’intermédiaire d’un redresseur. L’arc est plus stable qu’en courant alternatif. Le courant absorbé se décompose en un spectre semblable à celui d’un redresseur, un spectre continu de niveau inférieur à celui d’un four à courant alternatif. Le schéma du four à arc à courant continu est donné par la figure I-6.
Concernant les sources de pollution harmonique, les lampes à décharges sont incluses dans les plus anciennes. Diverses études ont été faites sur leurs injections harmoniques et l’effet sur les consommateurs voisins. On considère la lampe comme une résistance non-linéaire « à puissance variable » lorsqu’elle est contrôlée par un ballast série. La résistance instantanée de l’arc est déterminée par la tension de la source, les caractéristiques du ballast et par ses processus physiques internes. . Le taux individuel d’harmonique 3 peut même dépasser 100 % pour certaines lampes fluo-compactes modernes, d’où une attention particulière à porter à la détermination de la section et de la protection du conducteur neutre qui, véhiculant la somme des courants d’harmoniques 3 des trois phases, risque un échauffement important.
Influence du condensateur
Localement: le courant dans le condensateur est calculé par la dérivée de la tension; le taux de distorsion du courant sera donc toujours supérieur au taux de distorsion de la tension (l’impédance du condensateur diminue avec l’ordre harmonique)
Globalement: la présence des condensateurs peut conduire à des conditions de résonance, pour certaines fréquences harmoniques (résonance de courant, de tension où férrorésonance).
De plus, ces deux perspectives (locale et globale) sont liées car l’introduction d’un condensateur en un point du réseau ne modifie pas seulement les paramètres locaux mais conduit à une modification globale des paramètres d’état du réseau, principalement les potentiels harmoniques (sauf si on considère de réseau de puissance infinie).

Conséquences des harmoniques

Les courants harmoniques, qui se propage dans les réseaux électriques, déforment l’allure du courant de la source et polluent les consommateurs alimentés par les mêmes réseaux. On peut classer les effets engendrés par les harmoniques en deux types : les effets instantanés et les effets à terme [MAR-2010] [SAL-2014] [VIA-2011].
Effets instantanés
Ils apparaissent immédiatement dans certains appareillages :
Pertes énergétiques : les courants harmoniques provoquent dans les conducteurs et équipements des pertes supplémentaires par effet Joule
Défauts de fonctionnements de certains équipements électriques: en présence d’harmoniques, la tension et le courant peuvent changer plusieurs fois de signe dans une demi-période. Les appareils, dont le fonctionnement est basé sur le passage à zéro des grandeurs électrique peuvent être affectés.
Trouble fonctionnel des micro–ordinateurs: les effets sur ces équipements peuvent se manifester par la dégradation de la qualité de l’image et par des couples pulsatoires, des moteur d’entrainement de disque.
Les perturbations et la dépollution dans les systèmes électriques : certains appareils de mesure et les compteurs d’énergie à induction présentent des dégradations de mesures et des erreurs de lecteur supplémentaires en présence des harmoniques.
Vibrations et bruits: les courants harmoniques génèrent également des vibrations et des bruits acoustiques, principalement dans les appareils électromagnétiques.
Effets à terme
Ils se manifestent après une exposition plus ou moins longue à la perturbation harmonique. L’effet le plus important est de nature thermique, il se traduit par un échauffement. Il conduit à une fatigue prématurée du matériel des lignes et amène à un déclassement des équipements :
Echauffement des câbles et des équipements: ces effets peuvent être à moyen terme (de quelques secondes à quelques heures) ou à long terme (de quelques heures à quelques années) et concernent les câbles qui peuvent être le siège du aux échauffements du neutre et les éléments bobinées (transformateurs, moteur …).
Echauffement des condensateurs : l’échauffement est causé par les pertes due au phénomène d’hystérésis dans le diélectrique, les condensateurs sont donc sensibles aux surcharges, qu’elles soient dues à une tension fondamentale trop élevée ou à la présence d’harmoniques .Ces échauffements peuvent conduire au claquage.
Echauffements des pertes supplémentaires des machines et des transformateurs :
Echauffements causés par les pertes dans les stators des machines et principalement dans leurs circuits rotoriques (cages, amortisseurs, circuits magnétisants) à cause des différences importantes de vitesse entre les champs tournants inducteurs harmoniques et le rotor.
Les harmoniques génèrent aussi des pertes supplémentaires dans les transformateurs, par effet joule dans les enroulements, accentuées par l’effet de peau et des pertes par hystérésis et courant de Foucault dans les circuits magnétiques.
Influence des harmoniques sur le facteur de puissance Fp
Normalement, pour un signal sinusoïdal le facteur de puissance est donné par rapport entre la puissance P et puissance apparente S. En présence des harmoniques, la puissance apparente S est composée de trois parties active P, réactive Q et déformante D, cette dernière est la puissance provoquée par les courants harmoniques, tel que I=If+Ih.
En présence des harmoniques, la puissance apparente S est composée de trois parties comme le montre l’équation suivante: =√ 2+ 2+ 2
Où Q : la puissance réactive associée au courant fondamental.
D : la puissance déformante due aux harmoniques du courant.
P : la puissance active
= 3. . 1 cos 1
Où { = 3. . 1 sin 1
= 3. . .∑ 2
1 ℎ=2 ℎ
1: représente le déphasage entre le courant fondamental et la tension.
Finalement le facteur de puissance est donné par l’expression: = = cos = (I.4) 1 √ 2+ 2+ 2 Où représente le facteur de distorsion. Il vaut 1 lorsque le courant est parfaitement sinusoïdal et il décroît lorsque la déformation de l’onde s’accentue.

Les solutions traditionelles

Ce sont des techniques qui doivent être connues par tous les électriciens. Elles apportent une solution facile et rapide pour certains cas de perturbations bien localisées et utilisent des composants passifs (inductances, condensateurs, transformateurs) et/ou des branchements qui modifient le schéma de l’installation [MAR-2010].
Transformateur à couplage spécial
Il s’agit de limiter la circulation des courants harmoniques à une partie aussi petite que possible de l’installation à l’aide de transformateurs à couplage approprié. L’utilisation d’un transformateur d’isolement, de rapport 1/1 à couplage triangle-étoile ou triangle zigzag, empêche la propagation des courants harmoniques de rang 3 et leurs multiples circulant dans le neutre, ce procédé n’a aucun effet sur les autres rangs harmoniques.
Surdimensionnement des installations électriques
Cette stratégie consiste à surdimensionné les équipements du réseau de telle sorte à supporter les surtensions produites par les harmoniques.
Utilisation d‘une inductance (selfs) série
Cette solution, utilisée pour les entraînements à vitesse réglable (variateurs de vitesse) et les redresseurs triphasés, consiste à introduire une inductance série en amont d’une charge non linéaire. La self a cependant efficacité limitée. Il faut en installer une par charge non linéaire. La distorsion en courant est divisée approximativement par deux.
Filtres passifs d’harmoniques
Le principe est de «piéger » les courants harmoniques dans des circuits LC, accordés sur les rangs d’harmoniques à filtrer, donc il se comporte comme un court-circuit pour l’harmonique considéré .Un filtre comprend donc une série de « gradins» qui correspondent tous à un rang d’harmonique. Les rangs 5 et 7 sont les plus couramment filtrés. On peut installer un filtre pour une charge ou pour un ensemble de charges. Sa conception nécessite une étude approfondie du réseau électrique et un travail de conception de bureau d’étude. Le dimensionnement dépend du spectre harmonique de la charge et de l’impédance de la source d’énergie. Cette solution est la plus simple et la moins chère mais sans doute, elle n’est pas la plus efficace. L’efficacité de ces filtres se trouve dégradée par la présence de certains facteurs:
Insuffisante habilité à couvrir une large bande de fréquence qui nécessite l’installation de plusieurs filtres.
Naissance de résonances séries et parallèles avec le réseau qui conduit à l’amplification de tout harmonique à fréquence voisine de celle de la résonance.
La forte dépendance de l’impédance et de la fréquence du réseau.
Equipements volumineux.

Filtre résonant

Il est constitué par la mise en série d’une inductance, d’une résistance, et d’un condensateur montré par la figure (I-7). Ce type de filtre est caractérisé par l’emplacement de trois filtres, deux pour les harmoniques d’ordre inférieurs et un filtre pour les harmoniques d’ordre supérieurs, c’est-à-dire pour un pont triphasé nous avons besoin d’un filtre passe bas pour le cinquième et l’autre pour le septième harmonique et d’un filtre passe haut pour tous les harmoniques au-delà de 11ème

Filtre amorti

La figure (I-8) montre le montage de ce type de filtre, ainsi que son impédance en fonction de la fréquence. En plus de difficulté de dimensionnement des filtres et à coût globale donné, ce type n’est efficace que si le rang d’harmonique à éliminer est suffisamment élevé (à partir de h=13).
Figure I-8 : filtre amorti

Solutions modernes de dépollution

Pour fournir aux consommateurs une bonne qualité de l’énergie électrique, même dans les conditions de fonctionnement les plus perturbées, les filtres actifs et les redresseurs MLI sont proposés comme des solutions avancées de dépollution des réseaux électriques. En effet, ces solutions peuvent s’adapter aux évolutions de la charge et du réseau électrique et ceci sans toucher aux installations du fournisseur d’énergie et du consommateur.
Filtrage actif
Deux raisons principales ont conduit à concevoir une nouvelle structure de filtrage moderne et efficace appelée filtre actif. La première raison est due aux inconvénients inhérents des solutions traditionnelles de dépollution qui ne répondent pas plus à l’évolution des charges et des réseaux électriques. En effet, les méthodes dites « classiques » de filtrage ou de dépollution des réseaux électriques présentent un certain nombre d’inconvénient. Le plus important d’entre eux est sans doute le fait d’être sensible aux évolutions de l’environnement. Ils voient leur efficacité baisser avec les variations des perturbations (variation des fréquences et des amplitudes des harmoniques). La seconde raison fait suite à l’apparition de nouveau composant à commutation forcée, comme les transistors bipolaires, les thyristors GTO et les transistors IGBT qui ont permis de réaliser de nouvelles structures qui permettent le contrôle de la fore d’onde de la phase du courant d’entrée. Le but de ces filtres est de générer soit des courants, soit des tensions harmoniques de manière à compenser les perturbations responsables de la dégradation des performances des équipements et installations électriques. Ainsi le filtrage actif tend à annuler les courants harmoniques en injectant dans la source perturbatrice des courants harmoniques d’amplitudes identiques, mais en opposition de phase à l’aide d’un pont onduleur. A cet effet, une mesure du courant de la charge non linéaire permet de connaitre le courant à fournir. Nous citerons les configurations possibles des filtres actifs
• Le filtre actif parallèle (FAP) : conçu pour compenses toutes les perturbations de courant comme les harmoniques, les déséquilibres et la puissance réactive;
• Le filtre actif série (FAS): conçu pour compenses toutes les perturbations de tension comme les harmoniques, les déséquilibres et les creux de tension;
• La combinaison parallèle série actif : solution universelle pour compenses toutes les perturbations en courant et en tension.
Filtre actif parallèle
Il est appelé aussi compensateur shunt, il est connecté en parallèle sur le réseau de distribution figure (I-9). Il est habituellement commandé comme un générateur de courant. Son principe est d’injecter dans le réseau électrique des courants harmoniques Iinj égaux à ceux absorbés par la charge non linéaire mais en opposition de phase, de telle sorte que le courant fourni par le réseau Is soit sinusoïdale et en phase avec la tension simple correspondante. Ainsi, il empêche les courants harmoniques, réactifs et déséquilibrés de circules à travers l’impédance du réseau. Par conséquent, Il améliore le taux de distorsion en courant et en tension.
Filtre actif série
Le filtre actif série est connecté en série sur le réseau le montré la figure 10. Il se comporte comme une source de tension qui engendre des tensions harmoniques dont la somme avec la tension réseau est une onde sinusoïdale. Il est destiné à protéger les installations qui sont sensibles aux tensions perturbatrices (harmoniques, creux, déséquilibrés) provenant de la source et également celles provoquées par la circulation des courants perturbateurs à travers l’impédance du réseau. Cette structure est proche, dans le principe, des conditionneurs de réseau. Toutefois, cette topologie présente quelques difficultés et inconvénients lors de sa mise en œuvre, elle ne permet pas de compenser les courants harmoniques consommés par la charge.
Figure I-10 : Filtre actif série
Combinaison parallèle série actif
C’est une solution de compensation universelle basée sur le fonctionnement simultané des filtres actifs parallèle et série figure (I-11). Donc, elle possède les avantages cumulés des filtres actifs parallèles et série. Cette nouvelle topologie est appelée combinaison parallèle série actif ou en anglais Unified Power Quality Conditioner (UPQC). Un filtre actif série placé en amont du filtre actif parallèle, comme il est montré ci-dessous, permet de dépolluer la source des tensions perturbatrices; or s’il est placé en aval, il permet d’isoler la charge de la source perturbée.
Figure I-11 : Filtre combinaison parallèle série actif
Les redresseurs MLI
Ce sont des convertisseurs à modulation de largeurs d’impulsions, utilisant des composants à commutation forcée tels que les IGBT ou les thyristors GTO. L’emploi de cette technique permet non seulement une réduction de la perturbation harmonique en prélevant des courants d’allure sinusoïdale mais aussi un contrôle des puissances actives et réactives. On distingue deux structures, la structure courant et la structure tension. Elles sont développées dans les paragraphes ci-après.

Redresseur de tension

Son schéma de principe est présenté sur la figure (I-12). Les composants de puissance disponibles (IGBT, GTO) étant unidirectionnels en courant, le courant I d le sera également. La réversibilité en puissance s’effectue par l’inversion de la tension redressée U d. Le contrôle de la puissance réactive est obtenu par action sur la phase du courant réseau par rapport à la tension.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Etat de l’art sur la pollution du réseau
I.1. Introduction
I.2. Taux de distorsion harmonique
I.3. Source d’harmoniques
Fours à arc
I.3.2.1. Cas du four à arc à courant alternatif
I.3.2.2. Cas du four à arc à courant continu
Influence du condensateur
I.4. Conséquences des harmoniques
Effets à terme
Influence des harmoniques sur le facteur de puissance Fp
I.5. Les solutions traditionelles
Surdimensionnement des installations électriques
Utilisation d‘une inductance (selfs) série
Filtres passifs d’harmoniques
I.5.4.1. Filtre résonant
I.5.4.2. Filtre amorti
I.6. Solutions modernes de dépollution
Filtre actif parallèle
Filtre actif série
Combinaison parallèle série actif
Les redresseurs MLI
I.6.5.1. Redresseur de tension
I.6.5.2. Redresseur de courant
I.7. Limites normalisées
I.8. Conclusion
Chapitre II : Méthodologie de détection des défauts
II.1. Introduction
II.2. Généralités sur le transformateurs de puissances
Le circuit magnétique
II.2.2.1. Type cuirassé
II.2.2.2. Type à colonnes
II.2.3.1. Bobinage concentrique simple
II.2.3.2. Bobinage concentrique double
II.2.3.3. Bobinage à galette
Réservoir d’huile
II.3. Quelque type de défaut
Court-circuit entre spires
Coupure du circuit électrique
Déformation géométrique des enroulements
II.4. Les méthodes de détection des défauts
II.4.1.1. Description
II.4.1.2. Mode de détection de défaut sur un transformateur de puissance
II.4.2.1. Thermomètre à résistance de platine
II.4.3.1. Formation de gaz dissous dans l’huile lors de défaut
II.4.3.2. Méthode de Rogers
II.4.3.3. Méthode de Doernenburg
II.4.3.4. Triangle de Duval
II.5. Système de détection de défaut de court-circuit entre spire
II.5.1.1. Principe de l’ACP
II.5.1.2. Détection de défaut par ACP
II.5.2.1. Réseau de neurone :
II.5.2.2. Le perceptron multicouche:
Analyse par transformée en ondelette
II.5.4.1. Théorie de la transformée en ondelettes (TO)
II.5.4.2. La transformée en ondelettes continue (TO)
II.6. Conclusion
Chapitre III : Modélisation de défauts de court-circuit et système de détection
III.1. Introduction
III.2. Modélisation d’un court-circuit entre spires dans un transformateur de puissance
III.2.1.1.Hypothèse de départ
III.2.1.2.Modèle triphasé ou modèle complet
III.2.1.3.Discrétisation d’un enroulement
III.2.1.4.Interaction entre les éléments du circuit électrique
III.2.1.5.Expressions des inductances propres, mutuelles et les résistances
Equation de démarrage
III.3. Tension d’alimentation et Couplage Harmonique
III.4. Description du dispositif
III.5. Conclusion
Chapitre IV : Application des méthodes de diagnostic des défauts de court-circuit entre spire d’un enroulement d’un transformateur connecté à un réseau pollué
IV.1. Introduction
IV.2. Représentation du système
Simulation en défaut de court-circuit entre spire de taux de court-circuit 5% avec harmonique
IV.3. Diagnostique de court-circuite entre spire d’un enroulement d’un transformateur
IV.3.1.1.Fonctionnement sain
IV.3.1.2.Fonctionnement défaillent:
IV.3.1.3.Discutions du ACP :
IV.3.2.1.La base de données :
IV.3.2.2.Architecture du réseau de neurone:
IV.3.2.3.Le teste de généralisation:
IV.3.3.1.En cas sain:
IV.3.3.2.En cas de défaut :
IV.4. Discutions sur les approches proposées
IV.5. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE A : CALCUL DES INDUCTANCES
ANNEXE B : CODAGE EN MATLAB
ANNEXE C : LES CIRCUITS SIMULINK