SES-Shield, un logiciel efficace pour l'analyse de la protection optimale contre les coups de foudre directs sur les sous-station et les lignes de transmission

Introduction

Le nouveau logiciel SES-Shield est spécialisé pour la protection des lignes et des sous-stations électriques contre les coups de foudre directs. SES-Shield repose sur la théorie du modèle électrogéométrique et de la méthode de la sphère fictive, pour la protection des équipements des sous-stations électriques. SES-Shield est le dernier née de la longue suite de logiciels développés par SES.

L’objectif de ce logiciel est d’aider à optimiser la configuration et la position des fils de garde, et des mats, pour prévenir l’exposition à la foudre des conducteurs sous tension et des équipements lors d’un coup de foudre direct .

La foudre est l’un des phénomènes naturels les plus courants et les plus spectaculaires. Depuis que Benjamin Franklin a démontré, il y a deux cents ans, qu‘il s’agissait d’une gigantesque décharge électrique, nombreux sont les chercheurs qui ont étudié les nuages et les éclairs .

Depuis ces mots écrits, par Benjamin Franklin, on admet que la foudre est un transfert de charges électriques, positives ou négatives d’une région d’un nuage à une autre, ou entre le nuage et la terre. Toute la difficulté réside de se protéger efficacement de ce phénomène. .

Afin de permettre une bonne protection Pour cela, plusieurs techniques ont vu le jour. L’une des plus rigoureuse est développée par le modèle électrogéométrique. Ce modèle repose sur les considérations suivantes:

•    l’existence d’une relation entre la charge du traceur et le champ au sol.
•    l’existence d’une relation entre la charge du traceur et l’intensité du courant présumé

De ces considérations, il a été possible d’établir une expression analytique de la distance entre le traceur et l’objet au sol. Cette distance est appelé " distance d’amorçage " et se définit de la manière suivante :

où

S                 est la distance d'amorçage en mètre

I                  est l'intensité crête présumée du courant de foudre en kA

Selon le modèle électrogéométrique, le point d’impact de la foudre se détermine par l’objet au sol qui se trouvera, le premier, à la distance d’amorçage S du traceur. Pour les besoins de la protection de structures diverses contre la foudre, le modèle électrogéométrique est mise en œuvre par la méthode de la sphère fictive .

Le principe de cette méthode est alors fort simple : Tout se passe comme si la pointe du traceur était entourée d’une sphère fictive. Cette sphère possède un rayon égale à la distance d’amorçage, centrée sur elle, et toute se déroule comme si cette sphère accompagnait la pointe du traceur au cours de sa trajectoire aléatoire .

À l’approche du sol, le premier objet que touchera la sphère déterminera le point d’impact du coup de foudre. Ceci nous conduit au procédé   :

•  Si au cours du mouvement, la sphère rentre en contact avec les dispositifs de protection sans jamais toucher l’un des objets à protéger, alors la protection est assurée.
• Si au cours du mouvement, la sphère entre en contact avec l’un des objets à protéger, le dispositif de protection devra être remanié jusqu'à ce qu’aucun de ces contacts ne puissent plus se produire.

Le logiciel SES-Shield s’appuie sur les différentes recherches menées ces dernières décennies sur la protection contre le coup de foudre direct sur les sous-stations et met en œuvre la méthode de la sphère fictive pour optimiser de manière efficace le système de protection. Le principe s’applique également aux lignes électriques aériennes .

Par exemple, SES-Shield est l’outil idéal pour analyser la protection contre un coup de foudre direct sur des sous-stations composées de baies parallèles. La figure suivante est donnée à titre d’exemple et représente le schéma d’une baie sur laquelle apparaissent les fils de garde (pointillés rouge), et les mâts (points a 1,...,a n et c 1,…c n). En effet, SES-Shield permet de réaliser une analyse soit en utilisant une protection par fils de garde, soit par mats .

Figure1-1: Exemple d'une baie qu'SES-Shield est capable d'étudier.

SES-SHIELD

Le logiciel se compose d’une interface principale accompagné d’une barre de menus, d’une barre de boutons, d’une zone de saisie et d’une zone d’affichage.

La zone de saisie des données permet de spécifier à la fois les paramètres électriques et géométriques des éléments qui compose la sous-station et la ligne de transmission étudiée.

La section ' Type d'analyse' vous permet de choisir entre l'analyse d' une sous-station ou l'analyse d'une ligne de transmission.

Figure 1-2: Interface principale de SES-Shield

Description de la barre de menu

SES-Shield intègre trois menus qui permettent de réaliser les tâches principales suivantes  :

• Ouvrir et Enregistrer une session, générer et imprimer un rapport,
• Définir des paramètres avancés de calculs
• Obtenir de l'aide

Figure 1-3 : Les menus dans SES Shield

Le menu fichier

Le menu fichier vous permet de lancer une nouvelle analyse afin de générer un rapport Les possibilités de ce menu sont:

• Ouvrir un fichier session F05
• Enregistrer une session de calcul
• Générer un rapport d'analyse
• Imprimer un rapport ainsi que la configuration graphique de l'analyse

Les options qui permettent de créer et d’imprimer un rapport sont inaccessibles par défaut, et deviennent valide sous les conditions suivantes :

• Avoir réalisé une analyse pour pouvoir générer un rapport
• Avoir généré un rapport pour l’imprimer

Le rapport est un fichier au format texte qui est directement créée dans le répertoire contenant le fichier session. Ce fichier peut alors être visualisé dans un éditeur standard fournit avec SES-Shield. L'option Visualiser un rapport permet de réaliser cette opération.

Figure 1-4 : Description du Menu Fichier

Le menu Options

Le menu options comporte trois possibilités d'action :

• Définir la langue de travail : anglais ou français
• Définir le système d'unités:Métrique ou impérial
• Définir les paramètres avancés du graphique

La langue de travail est par défaut l’anglais. Elle est repérable par la petite marque placée devant l’intitulé de la langue courante (options | Langues). Le changement de langue se fait par lecture d’un fichier texte : anglais.txt pour l’interface en anglais et francais.txt pour obtenir l’interface totalement en français. Le fichier de langue est structuré et respecte l’ordre défini suivant :

• dénomination du logiciel
• éléments de la barre de menu
• éléments de la zone valeurs intermédiaires
• éléments de la zone valeurs critiques
• éléments de l’onglet sous-station
• élément de l’onglet conducteurs
• éléments de l’onglet calculs
• éléments de la boite de dialogue "options avancées"

Il est très important de conserver cet ordre si l’on souhaite personnaliser l’interface. .

L’option Unités permet de définir un système d’unités de travail par défaut. Il existe deux choix possible de systèmes : soit le système métrique, soit le système impérial britannique. Une marque est également placée à coté de l’intitulé, et permet de connaître le type d’unités en cours d’utilisation. De plus, lorsque l’on souhaite changer de système d’unités, le logiciel propose de convertir les valeurs par défaut dans le nouveau système. Un message propose alors d’affirmer ou d’infirmer la conversion, mais modifie néanmoins les étiquettes d’unités

Le menu Graphique ouvre une boite de dialogue qui permet de définir la couleur des conducteur de phase et des fils de garde, d'afficher la grille pour une meilleur lecture du graphique et enfin d'afficher une légende sur la droite du graphique.

Figure 1-5 : Le menu Options dans SES-Shield

Le menu Aide

Ce menu comporte trois options possibles :

• connaître les expressions en mode commandes
• Obtenir l’aide en ligne sur le paramétrage et l’utilisation du logiciel
• Obtenir de l’information et de l’aide à partir du site de SES Technologies

L’option commandes, permet d’avoir de l’aide sur l’utilisation des commandes du logiciel. Les principales fonctionnalités ont été regroupées en commandes afin de faciliter la lecture d’un fichier projet. Ces commandes sont générées par le logiciel et conservent les données caractéristiques d’une analyse. Elles sont représentés par un identificateur suivi de valeurs séparées par une virgule.

L’aide sur l’utilisation du logiciel apparaît lorsque l’on sélectionne Sommaire. Il est alors possible de connaître toutes les caractéristiques du logiciel, ainsi que la manière dont il peut être paramétré.

Figure 1-6 : Menu aide dans SES-Shield

Les paramètres d'entrée des données pour l'analyse d'une sous-station

La zone d'entrée des données est composée de trois onglets qui définissent :

• Les données et paramètres de la sous-station à étudier
• Les caractéristiques des conducteurs de phase à protéger
• Les coordonnées des points à vérifier lorsque la foudre arrive sur les cotés de la sous-station

Les paramètres électrique et géométrique que le logiciel calcule sont:

• Le courant critique
• La distance d'amorçage
• La super élévation
• La séparation

Les paramètres caractéristiques de la sous-station

Cette fenêtre permet de renseigner les champs suivants:

• La tension de service entre phases de la sous-station
• La hauteur à mi-porté des conducteurs de phase
• La hauteur du jeu de barres au point support du pylône

La tension de service de la sous-station correspond à la tension crête(RMS) entre phases de la sous-station. Cette valeur est nécessaire pour la prise en compte de la tension la plus élevée pour laquelle les isolateurs doivent tenir en permanence et constitue une valeur déterminante dans le calcul du courant critique

Le champ Hauteur des conducteurs de phase à mi-portée permet de renseigner le logiciels sur la position verticale des conducteurs de phase à mi-portée de la sous-station et permet de calculer la valeur du rayon dû à l’effet de couronne

SES-Shield calcule la distance verticale entre les conducteurs de phase et les fils de garde, ou mats. Cette distance est appelé super-élévation . Cette valeur représente la séparation verticale entre les conducteurs de phase ou les bus et l'emplacement des fils de garde, ou des mats, pour garantir une protection optimale.

Figure 1-7: Position optimale du système de protection basé sur la valeur de la super-élévation

Figure 1-8 : Caractéristiques de la sous-station

Cet onglet inclut une image illustrant les valeurs qui doivent être définies.

Figure 1-9: Illustration dans la fenêtre Sous-station

Les paramètres caractéristiques de la protection

La protection peut se faire de deux manières : par fils de garde ou par mâts. Dans le cas d’une protection par fils de garde, il est nécessaire de renseigner le logiciel sur la largeur de la baie à étudier. Cette largeur correspond également à la distance entre deux fils de garde et elle est utilisée pour calculer la valeur de la super-élévation. On note que la protection par fils de garde est défini comme protection par défaut.

La figure 1-10 montre le choix de protection par fils de garde. Dans ce cas, les champs correspondant à la protection par mats ne sont pas accessibles.

Figure 1-10: Type de protection.

Paramètres des conducteurs

La fenêtre Conducteurs est utilisé pour définir les caractéristiques des conducteurs de phase; principalement:

• Taille de la chaîne d'isolateurs
• Nombre de conducteurs en faisceau
• Diamètres des conducteurs
• Espace entre les conducteurs
• Le niveau de claquage des isolateurs (BIL) dans le cas ou les bus sont supportés par post-isolateurs

La tension de tenue des isolateurs est une donnée importante lorsque l’on effectue une analyse. Cette valeur définit en effet, le niveau de tension le plus élevé que l’on peut appliquer aux bornes des isolateurs. Dans SES-Shield, on peut la définir de deux manières : soit en utilisant un relation empirique qui est fonction de la taille de la chaîne des isolateurs, soit par le niveau d’isolement au choc des isolateurs défini par le valeur BIL. Dans le premier cas, le champ Taille de la chaîne d’isolateurs permet de saisir une taille en mètre. La valeur BIL est, quant à elle, saisie lorsque l’option Jeux de barres supportés par post-isolateurs est sélectionné. La figure n 1-11   illustre ce concept .

Le rayon dû à l’effet couronne est déterminé pour un seul conducteur. Mais, les conducteurs de phase sont généralement montés en faisceaux (groupement de deux, trois ou quatre conducteurs) et leur écartement constant est assuré par une entretoise. Donc pour calculer le rayon corona lorsque le faisceau comporte plus d’un conducteur, il devient nécessaire de ramener le faisceau à un conducteur équivalent.

. Notons que si le nombre de conducteurs est égale à 1, le champ Espace E entre les conducteurs devient inaccessible. .

Figure 1-11 : Zone de saisie des caractéristiques des conducteurs

Points à vérifier

Le troisième et dernier onglet proposé dans l'analyse d'une sous-station permet de vérifier la bonne protection des équipements lorsque qu’un coup de foudre frappe les cotés de la sous-station.

Divers points représentant des emplacements vulnérables des équipements peuvent être vérifiés pour déterminer si la protection est appropriée. Ces points sont placés à une certaine hauteur au dessus du sol et à une séparation horizontale spécifique du système de protection.

La figure 1-12 montre la séparation horizontale BETA du point d'équipement à vérifier par rapport au système de protection.

Figure 1-12: Configuration pour le calcul de la séparation horizontale

SES-Shield calcule la valeur EPSI et vérifie si la conduction BETA<EPSI est valide ou pas:

Ø       Si BETA < EPSI , l'équipement placé au point de coordonnées (BETA,H) est correctement protégé

Ø      Sinon l'équipement situé au point de coordonnées (BETA,H) n'est pas correctement protégé

La valeur BETA doit être définie selon la règle suivante:

Ø       Négative si le point est situé à l'intérieur de la zone du système de protection

Ø       Positive si le point est situé à l'extérieur de la zone du système de protection

Finalement, une zone d'illustration permet d'identifier les valeurs à saisir lors de chaque changement du nombre de points sélectionnés

Figure 1-13 : Points à vérifier lorsque la foudre frappe les cotés de la sous-station.

Valeurs affichées pour l'analyse d'une sous-station

La zone valeurs calculées affichent à la fois les valeurs intermédiaires et les valeurs dites "critiques". On peut alors décomposer cette zone en deux sous parties :

• valeurs intermédiaires
• valeurs critiques

La zone de valeurs intermédiaires regroupe les valeurs qui ont été utilisées pour déterminer les valeurs critiques. Ainsi, on trouve :

• La tension de tenue des isolateurs. Cette valeur est utilisée pour calculer le courant de foudre
• Le rayon équivalent du faisceau de conducteurs
• Le rayon dû à l’effet corona
• La valeur de l’impédance de surcharge qui est fonction du rayon corona et du rayon du faisceau de conducteurs équivalent

Figure 1-14 : Valeurs intermédiaires

La zone des valeurs critiques affiche les valeurs suivantes:

• le courant de foudre qui va fixer la valeur de la distance d’amorçage
• la distance d’amorçage qui est utilisée pour déterminer la super-élévation et la séparation
• la super-élévation qui permet de connaître la distance verticale entre les conducteurs de phase et les fils de garde, ou les mâts
• La hauteur à laquelle devront être placés les fils de garde, ou les mâts

Figure 1-15: Valeurs critiques

Caractéristiques de la foudre dans SES Shield

SES-Shield offre différentes options pour paramétrer l’interface, ainsi que les éléments à prendre en compte dans les calculs. La boite de dialogue Striking Distance , proposée par la figure 1-16 s’affiche lorsque l’on sélectionne Distance d'amorçage dans l'arborescence. Les paramètres possibles sont :

• donner un nom à l'analyse
• définir un type de système
• choisir la relation qui sera utilisé pour la calcul de le distance d’amorçage
• valider la valeur de la limite du gradient corona comme paramètre particulier

Figure 1-16: Boite de dialogue des spécifications

La valeur du gradient corona E 0 influence grandement le calcul du rayon. Cette valeur fait partie des paramètres particuliers qu’il est possible de modifier. Toutefois, les différentes recherches menées dans le domaine du coup de foudre sont arrivées à la conclusion d’utiliser 1500 kV/m comme limite du gradient corona .

SES-Shield inclut la particularité de choisir la relation qui permet de calculer la distance d’amorçage. Trois relations sont proposées. La relation de Mousa (relation adopté par la norme IEEE) est la relation par défaut .

Pour différencier les différentes analyses, la nécessité de donner un nom devient primordiale. Le champ Nom de la sous-station est alors disponible et la saisie apparaîtra dans le rapport final .

Le rapport d'analyse

Le rapport est un élément important dans SES-Shield car il permet de regrouper dans le même document :

• les caractéristiques de la sous-station, comme données d’entrée
• les calculs intermédiaires, comme données de sortie

On trouve également la conclusion de l’étude sur les points qui doivent être vérifiés lors d’un coup de foudre sur les côtés de la sous-station .

Figure 1-17 : Édition d'un rapport d'analyse afin de visualiser les résultats des calculs

Contenu du fichier rapport

Le rapport généré dans SES-Shield est compose de quatre parties:

• L’entête
• Les caractéristiques de la sous-station étudiée
• Les résultats des calculs intermédiaires
• Conception du système de protection

L’entête du rapport : il contient les informations relatives à la version du modèle électrogéométrique utilisé et reprend le nom de la sous-station (ou nom de l’étude) et la date de réalisation de l’analyse .

Caractéristiques de la sous-station : répercute toutes les valeurs qui ont été demandées à l’utilisateur, qu’elles soient géométriques ou électriques. Ainsi, on retrouve la tension de service entre phases, les différentes hauteurs des conducteurs de phase et toutes les caractéristiques sur les conducteurs (nombre de conducteurs en faisceau, diamètre, etc…).

Les résultats intermédiaires : rubrique dans laquelle sont affichées toutes les valeurs qui ont été calculées pour concevoir le système de protection et valider la position optimale de ce système. De plus, c’est dans cette partie qu’apparaissent les valeurs du rayon corona et le nombre d’itérations de convergence vers ce rayon. Les informations importantes, telles que l’impédance de surcharge, le courant critique et le distance d’amorçage, sont également affichées dans cette rubrique.

Conception du système de protection : La hauteur optimale où devra être placé le système de protection, ainsi que la valeur de la séparation sont consultables dans la partie Conception du système de protection. Cette partie informe également sur le type de protection (fils de garde ou mâts) et affiche soit la distance entre deux fils de garde, soit la largeur et la profondeur du rectangle formé par les quatre mâts .

La valeur de la séparation, est donné pour chacun des points devant être vérifiés et dont les valeurs ont été saisies dans l’onglet Calculs. La valeur EPSI est accompagné par l’une des deux phrases suivantes, concluant sur la protection du point qui a été vérifié  :

• L'équipement situé au point ( BETA,H) est correctement protégé
• L’équipement situé au point ( BETA,H) n’est pas correctement protégé

Exemple d'un analyse de protection d'une sous-station

L'exemple suivant utilise SES-Shield pour analyser une sous-station composée d'un poste de transformation, constitué de baies identiques et parallèles. Compte tenu de la configuration, une protection par fils de garde localisés à la frontière de chaque baie (représentés par les pointillés rouges Figure 1-18) à été choisie . Nous souhaitons analyser une baie de longueur L pour trois niveaux de tension,138kV, 230kV et 500kV respectivement. La baie étudiée est présenté Figure 1-18 et Figure 1-19.

La première analyse qui va être réalisée permet de préciser la position optimale du système de protection lors d’un coup de foudre arrivant entre les deux fils de garde, ou au dessus de la zone que définit les quatre mats .

Figure 1-18: Vue de dessus de la baie a étudier

La seconde analyse consiste à vérifier la possible exposition des équipements lorsque la foudre frappe les côtés de la sous-station. Ceci est représenté par les points de séparation BETA, notés B sur la vue de face de la baie, pour différentes hauteurs H .

Figure 1-19: Vue de coté de la baie a étudier

Caractéristiques à saisir

Le tableau suivant montre les valeurs qui doivent être spécifiées dans SES-Shield. Toutes les sections de ce tableau représentent une fenêtre dans le logiciel.

Table 1-1: Valeurs caractéristiques de la sous-station

Analyse des résultats

Les trois tableaux suivants synthétisent les résultats obtenus pour l'analyse de la super-élévation et l'analyse de la séparation, pour les trois cas de tension entre phases. SES-Shield calcule toutes les grandeurs suivantes lorsque l'on click sur le bouton Calculer .