Protection d'un alternateur

La Figure N2 ci-dessous montre les paramètres de dimensionnement électrique d'un groupe électrogène :

• Pn : puissance du moteur thermique,
• Un : tension assignée fournie par l'alternateur,
• In : courant assigné fourni par l'alternateur.

Fig. N2 – Schéma de principe d'un groupe électrogène

Protection contre les surcharges

La courbe de protection de l’alternateur doit être analysée (cf. Fig. N3).

Les normes ou les besoins des applications peuvent aussi imposer un régime spécifique de surcharge.
Par exemple :

I/In	t
1,1	> 1 h
1,5	30 s

Les possibilités de réglages des protections surcharge (ou Long retard) doivent suivre au plus près ces impositions.

Fig. N3 – Exemple de courbe de surcharge t = f(I/In)

Note sur les surcharges

• Pour des raisons économiques, le moteur thermique d'un groupe de Remplacement peut être strictement dimensionné pour sa puissance nominale. S’il y a une surcharge de puissance active, le moteur diesel cale.

  Le bilan de puissance active des charges prioritaires doit le prendre en compte.

• Un groupe de Production doit pouvoir supporter des surcharges d’exploitation :
  • surcharge pour une marche uni horaire,
  • surcharge pour une marche 1 h toutes les 12 h (régime unihoraire).

Protection contre les courts-circuits

Établissement du courant de court-circuit

Le courant de court-circuit est la somme :

• d’un courant apériodique,
• d’un courant sinusoïdal amorti.

L’équation du courant de court-circuit montre que celui-ci s’établit suivant trois phases (cf. Fig. N4)

Fig. N4 – Niveau de courant de court-circuit pendant les 3 phases

• Régime subtransitoire

  A l’apparition d’un court-circuit aux bornes d’un alternateur, le courant s’établit d’abord à une valeur relativement élevée de l’ordre de 6 à 12 In pendant le premier cycle (0 à 20 milliseconde).

  L’amplitude d'un tel courant de court circuit est définie par trois paramètres :

  • la réactance subtransitoire de l’alternateur,
  • le niveau d’excitation préalable à l'instant du défaut,
  • l’impédance du circuit en défaut.

    L’impédance de court-circuit de l'alternateur à considérer est la réactance subtransitoire x"d exprimée en % de Uo (tension phase neutre) par le constructeur.

    La valeur typique est de 10 à 15 %.On en déduit l'impédance de court-circuit subtransitoire de l’alternateur

    [math]\displaystyle{ X^{''}d(ohms)= \frac {{U_n}^2x^{''}d}{100\, S}\; avec\; S = \sqrt3\, Un\,. In }[/math]

• Régime transitoire

  Le régime transitoire se situe de 100 à 500 ms après l'apparition du défaut. A partir de la valeur du courant de défaut de la période subtransitoire, le courant décroît jusqu’à 1,5 à 2 fois le courant In.

  L’impédance de court-circuit à considérer pour cette période est la réactance transitoire x’d exprimée en % Uo par le constructeur. La valeur typique est de 20 à 30%.

• Régime permanent

  Le régime permanent se situe au-delà de 500 ms. Lorsque le défaut persiste, la tension de sortie du groupe s’effondre, la régulation de l’excitatrice cherche à faire remonter cette tension de sortie. Il en résulte un courant de court-circuit entretenu stabilisé :

  • si l’excitation de l’alternateur n’augmente pas pendant un court-circuit (pas de surexcitation de champ), mais se maintient au niveau précédant le défaut, le courant se stabilise à une valeur qui est donnée par la réactance synchrone Xd de l’alternateur. La valeur typique de xd est supérieure à 200%. De ce fait, le courant final sera inférieur au courant pleine charge de l’alternateur, en général de l’ordre de 0,5 In
  • si l’alternateur est équipé d’une excitation maximale de champ (forçage du champ) ou d’une excitation compound, la tension de "survoltage" de l’excitation fera augmenter le courant de défaut pendant 10 secondes habituellement à 2 à 3 fois le courant pleine charge de l’alternateur.

Calcul du courant de court-circuit

Les constructeurs précisent en général les valeurs des impédances et les constantes de temps nécessaires à l’analyse du fonctionnement en régime transitoire ou permanent (cf. Fig. N5).

Fig. N5 – Exemple de valeurs d'impédance (en %) selon des puissances d’alternateurs

(kVA)	75	200	400	800	1 600	2 500
x”d (subtransitoire)	10,5	10,4	12,9	10,5	18,8	19,1
x’d (transitoire)	21	15,6	19,4	18	33,8	30,2
xd (permanante)	280	291	358	280	404	292

Les résistances étant toujours négligeables devant les réactances, l’intensité de court-circuit en période transitoire, est donnée par :

[math]\displaystyle{ Icc3=\frac{Uo}{X^{'}d}\frac{1}{\sqrt 3} }[/math]   (X’d en ohm)

ou

[math]\displaystyle{ Icc3=\frac{In}{X^{'}d}100 }[/math]   (X'd en %)

Nota : Ces valeurs sont à rapprocher du courant de court-circuit aux bornes d'un transformateur : ainsi, pour une même puissance, les courants en cas de défaut proche d'un alternateur seront 5 à 6 fois plus faibles que ceux fournis par un transformateur.

Cette différence est encore accentuée par le fait que le groupe électrogène a en général une puissance inférieure à celle du transformateur (cf. Fig. N6).

Lorsque le réseau BT est alimenté par la source 1, Normal de 2000 kVA, le courant de court-circuit est de 42 kA au niveau du jeu de barres du TGBT. Lorsque le réseau BT est alimenté par la source 2, groupe de Remplacement de 500 kVA à réactance transitoire de 30%, le courant de court-circuit s’établit à 2,5 kA environ soit à une valeur 16 fois plus faible qu’avec la source Normal.

Fig. N6 – Exemple d'installation des circuits prioritaires alimentés en secours par un alternateur