Poste électrique - Electrical substation

Éléments d'une sous-station
  1. Côté lignes électriques primaires
  2. Côté lignes électriques secondaires
  1. Lignes électriques primaires
  2. Fil de terre
  3. Lignes aériennes
  4. Transformateur pour mesure de tension électrique
  5. Interrupteur de déconnexion
  6. Disjoncteur
  7. Transformateur de courant
  8. Paratonnerre
  9. Transformateur principal
  10. Bâtiment de contrôle
  11. Clôture de sécurité
  12. Lignes électriques secondaires
Une sous-station électrique 50 Hz à Melbourne , Australie . On y voit trois des cinq transformateurs 220 kV/66 kV, ainsi que des coupe-feu pour transformateurs haute tension , chacun d'une capacité de 150 MVA. Cette sous-station est construite à l'aide de structures en treillis d'acier pour supporter les câbles et les appareils de la barre omnibus.
Une sous-station de 115 kV à 41,6/12,47 kV 5 MVA 60 Hz avec commutateur de circuit, régulateurs, réenclencheurs et bâtiment de contrôle à Warren, Minnesota . Cette sous-station montre des éléments de construction à profil bas ; l'appareil est monté sur des colonnes individuelles.

Une sous - station fait partie d'un système de production , de transmission et de distribution d' électricité. Les sous-stations transforment la tension de haut en bas, ou l'inverse, ou remplissent l'une des nombreuses autres fonctions importantes. Entre la centrale et le consommateur, l'énergie électrique peut circuler dans plusieurs sous-stations à différents niveaux de tension. Une sous-station peut comprendre des transformateurs pour modifier les niveaux de tension entre des tensions de transmission élevées et des tensions de distribution plus basses, ou à l'interconnexion de deux tensions de transmission différentes.

Les sous-stations peuvent appartenir et être exploitées par un service public d'électricité, ou peuvent appartenir à un grand client industriel ou commercial. En général, les sous-stations sont sans surveillance, s'appuyant sur SCADA pour la supervision et le contrôle à distance.

Le mot sous-station vient des jours avant que le système de distribution ne devienne un réseau . Au fur et à mesure que les centrales de production devenaient plus grandes, les petites centrales ont été converties en stations de distribution, recevant leur approvisionnement en énergie d'une plus grande centrale au lieu d'utiliser leurs propres générateurs. Les premières sous-stations étaient connectées à une seule centrale électrique , où étaient logés les générateurs, et étaient des filiales de cette centrale électrique.

Poste 220 kV/110 kV/20 kV en Allemagne

Les types

Sous-station haute tension à Kaanaa , Pori , Finlande

Les sous-stations peuvent être décrites par leur classe de tension, leurs applications au sein du système électrique, la méthode utilisée pour isoler la plupart des connexions et par le style et les matériaux des structures utilisées. Ces catégories ne sont pas disjointes ; par exemple, pour résoudre un problème particulier, un poste de transport peut inclure des fonctions de distribution importantes.

Sous-station en Russie

Poste de transport

Une sous-station de transmission relie deux ou plusieurs lignes de transmission. Le cas le plus simple est celui où toutes les lignes de transmission ont la même tension. Dans de tels cas, la sous-station contient des commutateurs haute tension qui permettent de connecter ou d'isoler les lignes pour l'élimination des défauts ou la maintenance. Une station de transmission peut avoir des transformateurs pour convertir entre deux tensions de transmission, des dispositifs de contrôle de tension / correction du facteur de puissance tels que des condensateurs, des réacteurs ou des compensateurs VAR statiques et des équipements tels que des transformateurs déphaseurs pour contrôler le flux de puissance entre deux systèmes électriques adjacents.

Station HT minimale en Allemagne

Les sous-stations de transport peuvent aller du simple au complexe. Une petite « station de commutation » peut être un peu plus qu'un bus et quelques disjoncteurs . Les plus grandes sous-stations de transport peuvent couvrir une grande surface (plusieurs acres/hectares) avec plusieurs niveaux de tension, de nombreux disjoncteurs et une grande quantité d'équipements de protection et de contrôle ( transformateurs de tension et de courant , relais et systèmes SCADA ). Les sous-stations modernes peuvent être mises en œuvre en utilisant des normes internationales telles que la norme CEI 61850 .

Poste de distribution

Tour de transformateur en Allemagne. Alimentation moyenne tension en façade, sortie basse tension sur le côté.
Une sous-station de distribution à Scarborough , en Ontario, déguisée en maison, dotée d'une allée, d'un trottoir avant et d'une pelouse tondue et d'arbustes dans la cour avant. Un avertissement est clairement visible sur la "porte d'entrée". Les déguisements pour les sous-stations sont courants dans de nombreuses villes.

Un poste de distribution transfère l'énergie du réseau de transport au réseau de distribution d'une zone. Il n'est pas rentable de connecter directement les consommateurs d'électricité au réseau de transport principal, à moins qu'ils n'utilisent de grandes quantités d'électricité, de sorte que le poste de distribution réduit la tension à un niveau adapté à la distribution locale.

L'entrée d'un poste de distribution est typiquement au moins deux lignes de transmission ou de sous-transmission. La tension d'entrée peut être, par exemple, 115 kV, ou tout ce qui est courant dans la région. La sortie est un certain nombre de mangeoires. Les tensions de distribution sont généralement de moyenne tension, entre 2,4 kV et 33 kV, selon la taille de la zone desservie et les pratiques du service public local. Les lignes d'alimentation longent les rues aériennes (ou souterraines, dans certains cas) et alimentent les transformateurs de distribution dans les locaux du client ou à proximité.

En plus de transformer la tension, les sous-stations de distribution isolent également les défauts des réseaux de transport ou de distribution. Les sous-stations de distribution sont généralement les points de régulation de tension , bien que sur de longs circuits de distribution (de plusieurs miles/kilomètres), des équipements de régulation de tension puissent également être installés le long de la ligne.

Les centres-villes des grandes villes comportent des sous-stations de distribution complexes, avec une commutation haute tension et des systèmes de commutation et de secours du côté basse tension. Les sous-stations de distribution plus typiques ont un interrupteur, un transformateur et des installations minimales du côté basse tension.

Poste collecteur

Dans les projets de production décentralisée tels qu'un parc éolien ou une centrale photovoltaïque , une sous-station collectrice peut être requise. Il ressemble à une sous-station de distribution bien que le flux d'énergie soit dans la direction opposée, de nombreuses éoliennes ou onduleurs vers le réseau de transmission. Habituellement, pour des raisons d'économie de construction, le système collecteur fonctionne autour de 35 kV, bien que certains systèmes collecteurs soient à 12 kV, et la sous-station collectrice augmente la tension jusqu'à une tension de transmission pour le réseau. Le poste collecteur peut également fournir la correction du facteur de puissance si nécessaire, le comptage et le contrôle du parc éolien. Dans certains cas particuliers, une sous-station collectrice peut également contenir une station de conversion HVDC.

Des sous-stations collectrices existent également lorsque plusieurs centrales thermiques ou hydroélectriques de puissance de sortie comparable sont à proximité. Des exemples de telles sous-stations sont Brauweiler en Allemagne et Hradec en République tchèque, où l'électricité est collectée à partir de centrales électriques au lignite situées à proximité . Si aucun transformateur n'est nécessaire pour augmenter la tension jusqu'au niveau de transmission, la sous-station est une station de commutation.

Postes de conversion

Les postes de conversion peuvent être associés à des centrales de conversion HVDC , à des courants de traction ou à des réseaux non synchrones interconnectés. Ces stations contiennent des dispositifs électroniques de puissance pour changer la fréquence du courant, ou bien passer du courant alternatif au courant continu ou inversement. Autrefois, les convertisseurs rotatifs changeaient de fréquence pour interconnecter deux systèmes ; de nos jours, de telles sous-stations sont rares.

Poste de commutation

Un poste de commutation est un poste sans transformateur et fonctionnant uniquement à un seul niveau de tension. Les stations de commutation sont parfois utilisées comme stations de collecte et de distribution. Parfois, ils sont utilisés pour commuter le courant vers des lignes de secours ou pour paralléliser des circuits en cas de panne. Les stations de commutation de la ligne de transmission HVDC Inga-Shaba en sont un exemple .

Une station de commutation peut également être connue sous le nom de poste de commutation, et celles-ci sont généralement situées directement à côté ou à proximité d'une centrale électrique . Dans ce cas, les générateurs de la centrale alimentent la cour sur le bus de générateur d'un côté de la cour, et les lignes de transmission sont alimentées par un bus d'alimentation de l'autre côté de la cour.

Une fonction importante exécutée par une sous-station est la commutation , qui est la connexion et la déconnexion des lignes de transmission ou d'autres composants vers et depuis le système. Les événements de commutation peuvent être planifiés ou non. Une ligne de transmission ou un autre composant peut devoir être mis hors tension pour l'entretien ou pour une nouvelle construction, par exemple, l'ajout ou le retrait d'une ligne de transmission ou d'un transformateur. Pour maintenir la fiabilité de l'approvisionnement, les entreprises visent à maintenir le système opérationnel tout en effectuant la maintenance. Tous les travaux à effectuer, des tests de routine à l'ajout de sous-stations entièrement nouvelles, doivent être effectués tout en maintenant l'ensemble du système en marche.

Les événements de commutation imprévus sont causés par un défaut dans une ligne de transmission ou tout autre composant, par exemple :

  • une ligne est frappée par la foudre et développe un arc ,
  • une tour est renversée par un vent violent.

Le poste de commutation a pour fonction d'isoler la partie défaillante du système dans les plus brefs délais. La mise hors tension de l'équipement défectueux le protège contre d'autres dommages, et l'isolement d'un défaut aide à maintenir le reste du réseau électrique en fonctionnement stable.

Les chemins de fer

Les chemins de fer électrifiés utilisent également des sous-stations, souvent des sous-stations de distribution. Dans certains cas, une conversion de type courant a lieu, généralement avec des redresseurs pour les trains à courant continu (DC), ou des convertisseurs rotatifs pour les trains utilisant du courant alternatif (AC) à des fréquences autres que celle du réseau public. Parfois, ce sont aussi des postes de transport ou des postes de collecte si le réseau ferroviaire exploite également son propre réseau et des générateurs pour alimenter les autres gares.

Poste mobile

Une sous - station mobile est une sous-station sur roues, contenant un transformateur, des disjoncteurs et des bus montés sur une semi-remorque autonome , destinée à être tirée par un camion . Ils sont conçus pour être compacts pour les déplacements sur les voies publiques et sont utilisés pour une sauvegarde temporaire en cas de catastrophe naturelle ou de guerre . Les sous-stations mobiles sont généralement notées bien moins que les installations permanentes et peuvent être construites en plusieurs unités pour répondre aux limitations des déplacements routiers.

Concevoir

Le poste Adélard-Godbout dans le Vieux-Montréal est le plus ancien poste au Canada, en opération continue depuis 1901. Il présente une façade en brique d'argile avec des ornements de pierre grise, pour se fondre dans son environnement du centre-ville.
Sous-station dans un bâtiment aux allures de château des années 1910, sert de point de distribution à côté du barrage de Lésna, l'une des nombreuses stations hydroélectriques de la rivière Bóbr .
Tour de distribution 15 kV/400 V en Pologne

Éléments d'une sous-station

Les sous-stations sont généralement équipées d'équipements de commutation, de protection et de contrôle et de transformateurs. Dans une grande sous-station, les disjoncteurs sont utilisés pour interrompre les courts-circuits ou les courants de surcharge pouvant survenir sur le réseau. Les stations de distribution plus petites peuvent utiliser des disjoncteurs de réenclenchement ou des fusibles pour la protection des circuits de distribution. Les sous-stations elles-mêmes n'ont généralement pas de générateurs, bien qu'une centrale électrique puisse avoir une sous-station à proximité. D'autres dispositifs tels que des condensateurs , des régulateurs de tension et des réacteurs peuvent également être situés dans une sous-station.

Les sous-stations peuvent être en surface dans des enceintes clôturées, souterraines ou situées dans des bâtiments à usage spécial. Les immeubles de grande hauteur peuvent avoir plusieurs sous-stations intérieures. Les sous-stations intérieures se trouvent généralement dans les zones urbaines pour réduire le bruit des transformateurs, pour des raisons d'apparence, ou pour protéger les appareils de commutation des conditions climatiques ou de pollution extrêmes.

Un système de mise à la terre (mise à la terre) doit être conçu. La montée totale du potentiel de terre , et les gradients de potentiel lors d'un défaut (appelés potentiels de contact et de pas ), doivent être calculés pour protéger les passants lors d'un court-circuit dans le système de transmission. Les défauts à la terre dans une sous-station peuvent provoquer une augmentation du potentiel de terre. Les courants circulant à la surface de la Terre lors d'un défaut peuvent faire en sorte que les objets métalliques aient une tension très différente de celle du sol sous les pieds d'une personne ; ce potentiel de contact présente un risque d'électrocution. Lorsqu'une sous-station a une clôture métallique, elle doit être correctement mise à la terre pour protéger les personnes de ce danger.

Les principaux problèmes auxquels un ingénieur électrique est confronté sont la fiabilité et le coût. Une bonne conception tente de trouver un équilibre entre ces deux éléments, pour atteindre la fiabilité sans coût excessif. La conception devrait également permettre l'agrandissement de la station, si nécessaire.

Sélection de l'emplacement

Le choix de l'emplacement d'une sous-station doit tenir compte de nombreux facteurs. Une superficie de terrain suffisante est requise pour l'installation de l'équipement avec les dégagements nécessaires pour la sécurité électrique, et pour l'accès à l'entretien des gros appareils tels que les transformateurs.

Lorsque le terrain est coûteux, comme dans les zones urbaines, les appareillages de commutation isolés au gaz peuvent économiser de l'argent dans l'ensemble. Les sous-stations situées dans les zones côtières touchées par les inondations et les tempêtes tropicales peuvent souvent nécessiter une structure surélevée pour maintenir l'équipement sensible aux surtensions durcies contre ces éléments. Le site doit avoir de la place pour l'expansion en raison de la croissance de la charge ou des ajouts de transport prévus. Les effets environnementaux de la sous-station doivent être pris en compte, tels que les effets sur le drainage , le bruit et la circulation routière.

Le site de la sous-station doit être raisonnablement central par rapport à la zone de distribution à desservir. Le site doit être sécurisé contre l'intrusion des passants, à la fois pour protéger les personnes contre les blessures par choc électrique ou arcs, et pour protéger le système électrique contre les mauvais fonctionnements dus au vandalisme.

Diagrammes de conception

La sous-station de Tottenham, située dans un parc sauvage au nord de Londres.

La première étape de la planification d'une disposition de sous-station est la préparation d'un schéma unifilaire , qui montre sous une forme simplifiée l'agencement de commutation et de protection requis, ainsi que les lignes d'alimentation entrantes et les lignes d'alimentation ou de transmission sortantes. C'est une pratique courante par de nombreux services publics d'électricité de préparer des schémas unifilaires avec les principaux éléments (lignes, interrupteurs, disjoncteurs, transformateurs) disposés sur la page de la même manière que l'appareil serait disposé dans la station réelle.

Dans une conception courante, les lignes entrantes ont un sectionneur et un disjoncteur . Dans certains cas, les lignes n'auront pas les deux, un interrupteur ou un disjoncteur étant tout ce qui est considéré comme nécessaire. Un sectionneur est utilisé pour assurer l'isolement, car il ne peut pas interrompre le courant de charge. Un disjoncteur est utilisé comme dispositif de protection pour interrompre automatiquement les courants de défaut et peut être utilisé pour allumer et éteindre des charges, ou pour couper une ligne lorsque le courant circule dans le « mauvais » sens. Lorsqu'un courant de défaut important traverse le disjoncteur, cela est détecté grâce à l'utilisation de transformateurs de courant . L'amplitude des sorties du transformateur de courant peut être utilisée pour déclencher le disjoncteur entraînant une déconnexion de la charge alimentée par le disjoncteur du point d'alimentation. Cela cherche à isoler le point de défaillance du reste du système et à permettre au reste du système de continuer à fonctionner avec un impact minimal. Les interrupteurs et les disjoncteurs peuvent être actionnés localement (au sein de la sous-station) ou à distance depuis un centre de contrôle de supervision.

Avec les lignes aériennes de transport , la propagation de la foudre et des surtensions de commutation peut provoquer des défaillances d' isolation dans les équipements de sous-station. Les parafoudres d' entrée de ligne sont utilisés pour protéger l'équipement de la sous-station en conséquence. Des études de coordination de l'isolation sont menées de manière approfondie pour garantir que les pannes d'équipement (et les pannes associées ) sont minimes.

Une fois passés les composants de commutation, les lignes d'une tension donnée se connectent à un ou plusieurs bus . Il s'agit d'ensembles de jeux de barres , généralement en multiples de trois, car la distribution d'énergie électrique triphasée est largement universelle dans le monde.

La disposition des commutateurs, des disjoncteurs et des bus utilisés affecte le coût et la fiabilité de la sous-station. Pour les postes importants, une configuration à bus en anneau, à double bus ou à "disjoncteur et demi" peut être utilisée, de sorte que la défaillance d'un disjoncteur n'interrompe pas l'alimentation des autres circuits et que des parties du poste puissent être mis hors tension pour l'entretien et les réparations. Les sous-stations alimentant une seule charge industrielle peuvent avoir des dispositions de commutation minimales, en particulier pour les petites installations.

Ce schéma unifilaire illustre le concept de disjoncteur et demi souvent utilisé dans les postes de départ.

Une fois les bus établis pour les différents niveaux de tension, des transformateurs peuvent être connectés entre les niveaux de tension. Ceux-ci auront à nouveau un disjoncteur, un peu comme les lignes de transmission, au cas où un transformateur présente un défaut (communément appelé "court-circuit").

Parallèlement à cela, une sous-station dispose toujours des circuits de contrôle nécessaires pour commander l'ouverture des différents disjoncteurs en cas de défaillance de certains composants.

Automatisation

Les premières sous-stations électriques nécessitaient une commutation ou un réglage manuel de l'équipement, ainsi que la collecte manuelle de données sur la charge, la consommation d'énergie et les événements anormaux. À mesure que la complexité des réseaux de distribution augmentait, il est devenu économiquement nécessaire d'automatiser la supervision et le contrôle des sous-stations à partir d'un point centralisé, pour permettre une coordination globale en cas d'urgence et réduire les coûts d'exploitation. Les premiers efforts pour contrôler à distance les sous-stations utilisaient des fils de communication dédiés, souvent parallèles aux circuits d'alimentation. Les lignes électriques , la radio micro-ondes , les câbles à fibres optiques ainsi que les circuits de télécommande filaire dédiés ont tous été appliqués au contrôle de supervision et à l'acquisition de données (SCADA) pour les sous-stations. Le développement du microprocesseur a entraîné une augmentation exponentielle du nombre de points pouvant être contrôlés et surveillés économiquement. Aujourd'hui, des protocoles de communication standardisés tels que DNP3 , IEC 61850 et Modbus , pour n'en citer que quelques-uns, sont utilisés pour permettre à plusieurs appareils électroniques intelligents de communiquer entre eux et avec des centres de contrôle de supervision. L'automatisme distribué aux postes est l'un des éléments du réseau dit intelligent .

Isolation

Les interrupteurs, disjoncteurs, transformateurs et autres appareils peuvent être interconnectés par des conducteurs nus isolés à l'air enfilés sur des structures de support. L'espace d'air requis augmente avec la tension du système et avec la tension nominale de la foudre. Pour les sous-stations de distribution moyenne tension, un appareillage de commutation sous enveloppe métallique peut être utilisé et aucun conducteur sous tension n'est exposé. Pour des tensions plus élevées, l'appareillage de commutation à isolation gazeuse réduit l'espace requis autour du bus sous tension. Au lieu de conducteurs nus, les bus et les appareils sont intégrés dans des conteneurs tubulaires sous pression remplis d' hexafluorure de soufre (SF 6 ) gazeux. Ce gaz a une valeur isolante plus élevée que l'air, ce qui permet de réduire les dimensions de l'appareil. En plus de l'air ou du gaz SF 6 , l'appareil utilisera d'autres matériaux isolants tels que l' huile de transformateur , le papier, la porcelaine et les isolants polymères.

Structure

Les structures de sous-stations extérieures en surface comprennent des poteaux en bois, des tours métalliques en treillis et des structures métalliques tubulaires, bien que d'autres variantes soient disponibles. Lorsque l'espace est abondant et que l'apparence de la station n'est pas un facteur, les tours en treillis d'acier fournissent des supports à faible coût pour les lignes de transmission et les appareils. Des sous-stations à profil bas peuvent être spécifiées dans les zones suburbaines où l'apparence est plus critique. Les sous-stations intérieures peuvent être des appareillages de commutation à isolation gazeuse (à haute tension) ou des appareillages de commutation à enveloppe métallique ou à blindage métallique à des tensions plus basses. Les sous-stations intérieures urbaines et suburbaines peuvent être finies à l'extérieur afin de se fondre dans les autres bâtiments de la région.

Une sous - station compacte est généralement une sous-station extérieure construite dans une enceinte métallique, dans laquelle chaque élément de l'équipement électrique est situé très près les uns des autres pour créer une taille d'empreinte relativement plus petite de la sous-station.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

RMS de Oliveira et CLSS Sobrinho (2009). « Environnement informatique pour simuler des coups de foudre dans une sous-station électrique par la méthode de domaine temporel à différence finie ». Transactions IEEE sur la compatibilité électromagnétique . 51 (4) : 995-1000. doi : 10.1109/TEMC.2009.2028879 .