TTR-Tension transitoire de rétablissement et son effet sur un disjoncteur

1. Introduction

La Tension Transitoire de Rétablissement (TTR) est la tension qui apparaît aux bornes d’un pôle d’un disjoncteur après l’interruption d’un courant. Cette tension peut être considérée en deux intervalles de temps successifs : le premier durant lequel une tension transitoire existe, suivi d’un second durant lequel seule une tension à fréquence industrielle subsiste.

Un disjoncteur peut ne pas parvenir à interrompre les courants de défaut lorsque les caractéristiques de la TTR dépassent son pouvoir de coupure. La compréhension et la maîtrise de la TTR sont donc essentielles pour assurer la fiabilité de la protection des réseaux électriques.

2. Origine de la Tension Transitoire de Rétablissement

Lorsqu’un disjoncteur interrompt un courant, l’arc électrique entre ses contacts s’éteint à un passage naturel par zéro du courant. À cet instant, l’énergie stockée dans les inductances et les capacités du réseau se redistribue, générant une tension oscillatoire transitoire aux bornes du disjoncteur.

La forme et l’amplitude de cette TTR dépendent de plusieurs facteurs :

• Le type de défaut (triphasé, phase-phase, phase-terre)
• La configuration et la topologie du réseau
• La localisation du défaut par rapport au disjoncteur
• Les impédances (inductives et capacitives) des éléments du réseau

3. Forme d’onde et paramètres clés de la TTR

La forme d’onde de la TTR est généralement caractérisée par les paramètres suivants, tels que définis dans la norme IEC 62271-100 :

• Tension de crête (uc) : la valeur maximale atteinte par la tension durant la phase transitoire
• Taux d’accroissement de la tension de rétablissement (TATR) : le taux initial d’accroissement de la TTR, exprimé en kV/µs. Un TATR élevé est particulièrement contraignant pour le pouvoir de coupure du disjoncteur
• Temps de crête (t3) : le temps nécessaire pour atteindre la tension de crête de la TTR
• Temps de retard (td) : un court intervalle de temps au début de la TTR durant lequel la montée en tension est retardée en raison des capacités parasites au voisinage du disjoncteur

L’enveloppe de la TTR est souvent représentée par une droite de référence à deux paramètres (pour les réseaux de distribution) ou à quatre paramètres (pour les réseaux de transport), telle que définie dans les normes IEC et IEEE.

4. Effet de la TTR sur les performances du disjoncteur

Le pouvoir de coupure d’un disjoncteur est directement influencé par la TTR. Si le taux d’accroissement ou la valeur de crête de la TTR dépasse la capacité de tenue du disjoncteur, un réamorçage de l’arc peut se produire, entraînant :

• Un échec de coupure du courant de défaut
• Une prolongation de la durée du défaut, aggravant les dommages sur les équipements
• Une défaillance potentiellement catastrophique du disjoncteur lui-même

C’est pourquoi les disjoncteurs sont testés et homologués par rapport à des enveloppes de TTR définies lors des essais de type, conformément aux normes IEC 62271-100 et IEEE C37.09.

5. Conditions de TTR sévères

Certaines configurations de réseau génèrent des conditions de TTR particulièrement sévères :

• Défauts aux bornes : les défauts survenant aux bornes ou très près du disjoncteur produisent les valeurs de TATR les plus élevées
• Défauts en ligne courte (Short-Line Fault – SLF) : les défauts survenant à quelques kilomètres du disjoncteur sur des lignes aériennes de transport génèrent une montée initiale très abrupte de la TTR en raison des phénomènes d’ondes progressives sur la ligne. Les conditions de défaut en ligne courte sont parmi les plus contraignantes pour les disjoncteurs haute tension
• Couplage hors phase : lorsque deux parties d’un réseau en opposition de phase sont connectées ou déconnectées, la TTR peut atteindre jusqu’au double de la tension nominale du réseau
• Coupure de charges inductives et capacitives : l’interruption de faibles courants inductifs (transformateurs à vide, bobines) ou de courants capacitifs (câbles, batteries de condensateurs) peut également générer des TTR sévères en raison de l’énergie stockée dans les éléments réactifs

6. Mesures d’atténuation de la TTR

Lorsque les exigences en matière de TTR dépassent la capacité nominale standard des disjoncteurs disponibles, plusieurs techniques d’atténuation peuvent être appliquées :

• Condensateurs de choc : des condensateurs installés aux bornes du disjoncteur réduisent le TATR en augmentant la capacité locale, ralentissant ainsi la montée initiale de la tension
• Parafoudres : des parafoudres à oxyde métallique limitent la tension de crête de la TTR
• Résistances d’insertion : des résistances temporairement insérées lors de l’ouverture du disjoncteur permettent d’amortir les oscillations transitoires
• Remplacement du disjoncteur : le choix d’un disjoncteur avec une tenue à la TTR plus élevée (par exemple, passage d’un disjoncteur standard à un disjoncteur spécial)
• Reconfiguration du réseau : modification de l’architecture du poste ou ajout de réactances de couplage afin de réduire la sévérité de la TTR à l’emplacement du disjoncteur

7. Études TTR et pratique de l’ingénierie

L’analyse de la TTR fait partie intégrante des études de protection des réseaux électriques, en particulier pour les postes haute tension et très haute tension. L’étude comprend généralement :

• Des simulations électromagnétiques transitoires à l’aide d’outils tels qu’EMTP-RV, PSCAD ou ATP-EMTP
• La modélisation de la topologie du réseau, des transformateurs, des câbles, des lignes aériennes et des capacités de poste
• Le calcul des enveloppes de TTR pour différents types et emplacements de défauts
• La comparaison avec les valeurs nominales de TTR des disjoncteurs selon les normes IEC 62271-100 ou IEEE C37.06
• La recommandation de mesures d’atténuation si nécessaire

Chez Ynni Consulting, nous réalisons des études TTR dans le cadre de nos services complets d’ingénierie des réseaux électriques, garantissant que les disjoncteurs sont correctement dimensionnés et que les systèmes de protection fonctionnent de manière fiable dans toutes les conditions de réseau.

8. Conclusion

La Tension Transitoire de Rétablissement est un paramètre fondamental qui détermine la capacité d’un disjoncteur à interrompre avec succès les courants de défaut. Sous-estimer la sévérité de la TTR peut conduire à une défaillance du disjoncteur et à des dommages importants sur le réseau électrique. Une analyse rigoureuse de la TTR, basée sur des simulations électromagnétiques transitoires et la conformité aux normes IEC/IEEE, est indispensable pour la conception et l’exploitation sécurisée de toute installation haute tension.