FR3011140A1

FR3011140A1 - Systeme et module de capteurs pour la commande et la surveillance d'un poste electrique sous isolation gazeuse

Info

Publication number: FR3011140A1
Application number: FR1359290A
Authority: FR
Inventors: Patrice Juge; Guillaume Granelli
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-03-27
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: FR3011140B1

Abstract

L'invention porte sur un système de commande et de surveillance d'un poste électrique sous enveloppe métallique à isolation gazeuse, comprenant une unité de commande du poste (24), une unité de surveillance du poste (26) et un module de capteurs électroniques (21) destiné à être agencé dans une travée du poste, ledit module comprenant un capteur de température et un capteur de pression, caractérisé en ce que le module de capteurs électroniques (21) comprend un calculateur configuré pour calculer une densité de gaz dans la travée à partir des mesures de température et de pression réalisées par les capteurs de température et de pression, comparer ladite densité à au moins un seuil et générer un signal d'alarme de baisse de densité lorsque ladite densité est inférieure à l'au moins un seuil, ledit calculateur étant en outre configuré pour générer un signal d'alarme de surpression lorsque la mesure de pression est supérieure à un seuil de pression.

Description

SYSTÈME ET MODULE DE CAPTEURS POUR LA COMMANDE ET LA SURVEILLANCE D'UN POSTE ÉLECTRIQUE SOUS ISOLATION GAZEUSE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui de la commande et de la surveillance de postes électriques haute tension sous enveloppe métallique à isolation gazeuse. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les postes électriques haute tension servent d'une manière générale à transformer la tension, aiguiller le courant électrique et protéger les installations et les personnes. Ils peuvent être raccordés à des lignes électriques, à des câbles ou également directement à une centrale électrique (on parle alors de poste « sortie de centrale »). On peut distinguer les postes de transformation qui permettent de passer d'un niveau de tension d'entrée donné à un niveau de tension de sortie et les postes d'interconnexion qui permettent de relier entre eux plusieurs sections du réseau électrique. On connaît en particulier des postes électriques sous enveloppe métallique (« Gas Insulated Substation » en anglais, abrévié GIS) dont l'isolation est réalisée par un gaz isolant, typiquement de l'hexafluorure de soufre (SF6), et dont l'enveloppe métallique externe est mise à la terre. Leurs principaux intérêts est d'être très compacts et de pouvoir être installés à l'intérieur de bâtiments. On cherche à assurer la meilleure disponibilité possible des postes haute tension pour délivrer une énergie de qualité, au meilleur coût et en toute sécurité. Pour la satisfaction de cet objectif, il est nécessaire d'utiliser un système capable d'assurer en permanence une surveillance des équipements électriques, et de déclencher les actions appropriées à leur commande et à leur protection. Dans un poste GIS, chaque travée est divisée en enceintes de gaz séparés, selon leur fonction (transformateur de tension, sectionneur, disjoncteur, etc.), par des cloisons d'isolation étanches au gaz. Toutes les enceintes de gaz sont accessibles via des connexions de maintenance. Des densimètres mécaniques à contact étaient auparavant utilisés afin de surveiller en permanence les enceintes de gaz et fournir des signaux d'alarme et de défaut en cas de fuite de gaz. La surveillance du gaz est aujourd'hui le plus souvent effectuée au moyen d'une unité de surveillance relié à des capteurs de température et de pression. L'unité de surveillance calcule la densité de gaz à partir des mesures réalisés par les capteurs, la compare à des seuils et peut actionner en conséquence des contacts. On retrouve par ailleurs à côté d'une telle unité de surveillance une unité de contrôle-commande qui permet la commande locale des appareils (disjoncteurs, sectionneurs et sectionneurs de mise à la terre), les automatismes d'interverrouillage interdisant toute manoeuvre dangereuse pour le personnel ou le matériel, le traitement et l'affichage des alarmes, et les interfaces avec les niveaux supérieurs de contrôle.

On a représenté sur la figure 1 un exemple de système conventionnel de commande et de surveillance d'un poste haute tension sous enveloppe métallique à isolation gazeuse, qui comprend une unité de surveillance 2 et une unité de commande 5 logées dans une armoire 1. L'unité de surveillance 2 est reliée à des capteurs 3 de température et de pression agencés dans une travée du poste haute tension. L'unité de surveillance 2 calcule la densité de gaz dans la travée et la compare à des seuils. Une densité inférieure à un premier seuil d'alarme à la baisse de densité (seuil 1) engendre une alarme de maintenance « regonflage », tandis qu'une densité inférieure à un second seuil d'alarme à la baisse (seuil 2) engendre une action immédiate, à savoir un verrouillage en position ou une ouverture automatique d'un appareil haute tension HT, typiquement un disjoncteur. Le passage sous le seuil 2 nécessite un diagnostic rapide et une action réflexe en cas de perte brutale du gaz. La flèche 4 sur la figure 1 illustre à cet égard une sortie directement exploitable de l'unité de surveillance 2 pour la mise en oeuvre de cette action réflexe. L'unité de commande 5 est reliée à l'unité de surveillance par l'intermédiaire d'une première liaison numérique 6 et/ou par une liaison filaire 7. L'unité de commande 5 peut par ailleurs faire remonter des informations à un site distant par l'intermédiaire d'une seconde liaison numérique 8. Chacune des unités 2, 5 dispose de sa propre interface homme-machine « IHM » 9, 10. L'IHM 10 de l'unité de commande 5 a notamment pour rôle d'afficher l'état des appareils du poste, et de permettre leur commande. L'IHM 9 de l'unité de surveillance 2 a pour rôle d'afficher les données de mesure des capteurs 3, les densités de gaz calculées, les éventuelles alarmes associées. L'IHM 9 héberge par ailleurs une base de données 11 permettant de stocker un grande nombre d'informations sur une durée longue. En renseignant cette base avec les données de mesure des capteurs 3, et à l'aide d'algorithmes spécifiques, une estimation de fuite lente de gaz peut ainsi être réalisée (par exemple un calcul de pertes annuelles de gaz isolant, en rapport avec les contraintes environnementales). Un tel système conventionnel présente en premier lieu l'inconvénient de ce que le temps de diagnostic de l'unité de surveillance limite la rapidité de détection de phénomènes rapides, comme une rupture d'enveloppe. Il présente en outre le désavantage de comporter un nombre relativement important de matériels et d'interfaces, en particulier deux IHM et un câblage important en quantité de fils. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif de répondre à l'un au moins de ces inconvénients, et propose pour ce faire un système de commande et de surveillance d'un poste électrique sous enveloppe métallique à isolation gazeuse, comprenant une unité de commande du poste, une unité de surveillance du poste et un module de capteurs électroniques destiné à être agencé dans une travée du poste, ledit module comprenant un capteur de température et un capteur de pression, caractérisé en ce que le module de capteurs électroniques comprend un calculateur configuré pour calculer une densité de gaz dans la travée à partir des mesures de température et de pression réalisées par les capteurs de température et de pression, comparer ladite densité à au moins un seuil de densité et générer un signal d'alarme de baisse de densité lorsque ladite densité est inférieure à l'au moins un seuil, ledit calculateur étant en outre configuré pour générer un signal d'alarme de surpression lorsque la mesure de pression est supérieure à un seuil de pression Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce système sont les suivants : - le signal d'alarme de baisse de densité est un signal de maintenance lorsque ladite densité est inférieure à un premier seuil de densité et est un signal de protection immédiate lorsque ladite densité est inférieure à deuxième seuil de densité, et le calculateur du module de capteurs électroniques est configuré pour émettre ledit signal de protection immédiate sur une sortie digitale du module de capteurs électroniques à destination d'un appareil de protection du poste haute tension ; - le calculateur du module de capteurs électroniques est également configuré pour émettre le signal d'alarme de surpression sur la sortie digitale du module de capteurs électroniques à destination d'un appareil de protection du poste haute tension ; - il comprend un bus de communication numérique auquel sont reliés l'unité de commande et le module de capteurs électroniques ; - il comprend en outre un module de surveillance de l'humidité du gaz dans la travée, ledit module étant relié à l'unité de surveillance et comprenant un capteur d'humidité, un capteur de température et un capteur de pression, l'unité de surveillance étant configurée pour capteurs capteurs capteurs comparer les données de mesure des de température et de pression du module de électroniques aux données de mesure des de température et de pression du module de surveillance de l'humidité du gaz. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre la figure 1 déjà commentée précédemment : - la figure 2 est un schéma illustrant un système conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un schéma illustrant un système conforme à un second mode de réalisation de l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence aux figures 2 et 3, l'invention porte sur un système de commande et de surveillance d'un poste électrique sous enveloppe métallique à isolation gazeuse, notamment un poste haute tension, comprenant une unité de commande 24, 34 du poste, une unité de surveillance 26, 36 du poste et un module 21, 31 de capteurs électroniques destiné à être agencé dans une travée du poste, ledit module comprenant un capteur de température pour réaliser une mesure de température dans la travée et un capteur de pression pour réaliser une mesure de pression dans la travée. L'unité de commande 24, 34 et l'unité de surveillance 26, 36 peuvent être logées au sein d'une armoire 20, 30. Le capteur de pression est par exemple du type piézorésistif avec une cellule de mesure, se présentant sous la forme d'un pont de Wheatstone, gravée sur du silicium.

Le module de capteurs électroniques comprend un calculateur configuré pour calculer une densité de gaz dans la travée à partir des mesures température et de pression réalisées par les capteurs de température et de pression, comparer ladite densité à au moins un seuil de densité et générer un signal d'alarme de baisse de densité lorsque ladite densité est inférieure à l'au moins un seuil de densité. Le calculateur est par ailleurs configuré pour générer un signal d'alarme de surpression lorsque la mesure de pression réalisée par le capteur de pression est supérieure à un seuil de pression.

Le module de capteurs intègre ainsi la détection d'une baisse de densité de gaz isolant, ainsi que la détection d'une surpression de gaz isolant. Grâce à ce traitement dans le module de capteurs, ces détections sont plus rapides que lorsqu'elles sont réalisées dans l'unité de surveillance, ce qui s'avère en particulier avantageux pour assurer la détection de phénomènes rapides et critiques d'un point de vue fiabilité, comme une rupture d'enveloppe ou une surpression, nécessitant un traitement de protection instantané. Le signal d'alarme de baisse de densité est typiquement un signal de maintenance lorsque la densité de gaz est inférieure à un premier seuil (seuil 1), ledit premier seuil étant de préférence paramétrable, et un signal de protection immédiate lorsque la densité de gaz est inférieure à deuxième seuil (seuil 2), ledit deuxième seuil étant de préférence paramétrable. Dans un mode de réalisation, le module de capteurs électroniques 21, 31 comprend une sortie digitale 23, 33, et le calculateur du module de capteurs électroniques est configuré pour émettre ledit signal de protection immédiate sur la sortie digitale 23, 33 du module de capteurs électroniques à destination d'un appareil de protection du poste haute tension. Le calculateur peut également être configuré pour émettre le signal d'alarme de surpression sur ladite sortie digitale.

Ainsi, non seulement le passage sous le seuil 2 est rapidement diagnostiqué, mais en outre une action réflexe peut rapidement être mise en oeuvre du fait de cette sortie digitale directement exploitable pour réaliser un verrouillage en position ou une ouverture automatique d'un appareil de protection. Il en est de même pour le diagnostic du passage au-dessus du seuil de pression et de la mise en oeuvre d'une action réflexe en cas de surpression. Le module de capteurs est par ailleurs autonome pour détecter une baisse critique de densité sous le deuxième seuil, ainsi qu'une augmentation critique de la pression, et ce même en cas de perte de l'unité de commande ou de l'unité de surveillance. La fonction de sécurité est ainsi préservée. Dans un mode de réalisation possible, le système selon l'invention comporte un bus de communication numérique 40 auquel sont reliés l'unité de commande 23, 34 et le module de capteurs électroniques 21, 31. Le raccordement du module de capteurs 21, 31 au bus 40 est plus particulièrement réalisé au travers d'un boîtier 22, 32 qui inclue des fonctionnalités de mise en parallèle des fils nécessaires à l'alimentation, la communication, les sorties digitales.

Le support physique du bus 40 est par exemple du type RS485 su deux fils torsadés. Le protocole de communication est par exemple MODBUS (marque déposée) ou CANopen. L'unité de commande 24, 34 est configurée pour recevoir sur requête, via le bus de communication numérique 40, les mesures réalisées par les capteurs de température et de pression du module de capteurs 21, 31. L'unité de commande 23, 34 est en particulier configuré pour calculer la densité de gaz à partir des données de mesure des capteurs de température et de pression du module de capteurs 21, 31, et la comparer audit premier seuil (seuil 1) pour la génération d'un signal de maintenance. Ainsi, les fonctionnalités critiques nécessitant un traitement rapide sont intégrées au niveau du module de capteurs, tandis que les fonctionnalités moins critiques sont intégrées au niveau de l'unité de commande. En cas de perte du module de capteurs 21, 31, l'unité de commande 24, 34 est configurée pour générer une alarme de maintenance.

L'unité de commande 24, 34 peut par ailleurs faire remonter des informations à un site distant par l'intermédiaire d'une liaison numérique 25, 35. L'unité de surveillance 26, 36 peut également être connectée en observateur au bus de communication numérique 40 par l'intermédiaire d'une liaison 28, 38. De ce fait, l'unité de surveillance 26, 36 peut enregistrer les données de mesure des capteurs de température et de pression circulant sur le bus de communication numérique 40. En particulier, l'unité de surveillance 26, 36 peut enregistrer ces données dans une base de données 27, 37 permettant de stocker un grand nombre d'informations sur une période longue, dans le but de calculer, à l'aide d'algorithmes spécifiques, une prédiction de fuite lente de gaz (par exemple un calcul de pertes annuelles de gaz isolant). Une fonction de surveillance lente est ainsi assurée. En outre, grâce à sa liaison au bus de communication, l'unité de surveillance 26, 36 peut également surveiller les échanges entre le module de capteurs 21, 31 et l'unité de commande 24, 34, et ainsi vérifier le bon fonctionnement de cette communication. L'unité de surveillance 26, 36 peut en outre être reliée à l'unité de commande 24, 34 par l'intermédiaire d'une liaison numérique 29, 39. De telle manière, l'unité de surveillance 26, 36 peut, par l'observation des trames de communication numériques circulant sur le bus 40 d'une part et par la liaison numérique à l'unité de commande d'autre part, comparer les alarmes issues de la détection réalisée par le module de capteurs aux alarmes issues de la détection réalisée par l'unité de commande. De manière préférentielle, le système de commande et de surveillance comprend un unique module d'interface homme-machine (IHM) pour les besoins d'affichage des données de commande et de surveillance, ledit module étant hébergé par l'unité de surveillance. Le module IHM est par exemple un ordinateur à écran tactile de type Panel PC. De par la liaison numérique entre l'unité de commande et l'unité de surveillance, l'état des appareils du poste peut être affiché par le module IHM. Et des ordres de contrôle commande peuvent être donnés à ces appareils via le module IHM.

Le module IHM permet en outre d'assurer les fonctions de maintenance, comme par exemple l'installation des capteurs. Dans un mode de réalisation correspondant par exemple à des applications à des niveaux de tension correspondant à ceux de la distribution électrique, le module IHM peut assurer la surveillance de plusieurs travées. Dans un mode de réalisation illustré par la figure 3, le système comporte en outre un module de surveillance de l'humidité 41 du gaz dans la travée, ledit module 41 étant relié à l'unité de surveillance 36 au moyen d'un boîtier de raccordement 42 par une liaison numérique 43. Le module comprend de manière connue en soi un capteur d'humidité, un capteur de température et un capteur de pression. Dans le cadre de ce mode de réalisation, l'unité de surveillance 36 est configurée pour comparer les données de mesure des capteurs de température et de pression du module de capteurs électroniques 31 aux données de mesure des capteurs de température et de pression du module 41 de surveillance de l'humidité du gaz. Cette vérification croisée permet une surveillance du module de capteurs électroniques 31.

Le passage des courants primaires au niveau des brides entre enveloppes où les capteurs du module 41 de surveillance de l'humidité du gaz peuvent être agencés peut provoquer une augmentation de la température à même d'engendrer des erreurs de mesure de température de l'ordre de dix degrés et ainsi de fausser la mesure d'humidité. Cette augmentation de température dépend en outre de la température ambiante. Dans une variante de réalisation, le système comporte des capteurs de courant 45 (ici au nombre de trois, un par phase), par exemple sous la forme de tores, pour mesurer le courant de retour là où le module 41 de surveillance de l'humidité du gaz est agencé. De telle manière, l'unité de surveillance 36 peut comparer des mesures d'humidité réalisées par le module 41 de surveillance de l'humidité du gaz à courant efficace comparable (c'est-à-dire comparer des mesures réalisées à des instants différents dans le temps, alors que le courant mesurées par les capteurs 45 est identique ou globalement le même).

Le système peut également comporter un capteur de température 44 pour mesurer la température ambiante. De telle manière, l'unité de surveillance 36 peut comparer des mesures d'humidité réalisées par le module 41 de surveillance de l'humidité du gaz à courant de retour comparable et à température ambiante comparable. Cette variante de réalisation permet ainsi à l'unité de surveillance 36 de calculer des tendances de mesure d'humidité de gaz non bruitées par les perturbations induites par la circulation des courants primaires. L'invention n'est pas limitée à un système tel que décrit précédemment, mais concerne également le module de capteurs électroniques utilisé dans un tel système, et en particulier un module de capteurs électroniques destiné à être agencé dans une travée d'un poste haute tension sous enveloppe métallique à isolation gazeuse, ledit module comprenant un capteur de température et un capteur de pression, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur configuré pour calculer une densité de gaz dans la travée à partir des mesures réalisées par les capteurs de température et de pression, comparer ladite densité à au moins un seuil de densité et générer un signal d'alarme de baisse de densité lorsque ladite densité est inférieure à l'au moins un seuil de densité, ledit calculateur étant en outre configuré pour générer un signal d'alarme de surpression lorsque la mesure de pression réalisée par le capteur de pression est supérieure à un seuil de pression.15

Claims

REVENDICATIONS1. Système de commande et de surveillance d'un poste électrique sous enveloppe métallique à isolation gazeuse, comprenant une unité de commande du poste (24, 34), une unité de surveillance du poste (26, 36) et un module de capteurs électroniques (21, 31) destiné à être agencé dans une travée du poste, ledit module comprenant un capteur de température et un capteur de pression, caractérisé en ce que le module de capteurs électroniques (21, 31) comprend un calculateur configuré pour calculer une densité de gaz dans la travée à partir des mesures de température et de pression réalisées par les capteurs de température et de pression, comparer ladite densité à au moins un seuil de densité et générer un signal d'alarme de baisse de densité lorsque ladite densité est inférieure à l'au moins un seuil, ledit calculateur étant en outre configuré pour générer un signal d'alarme de surpression lorsque la mesure de pression est supérieure à un seuil de pression
2. Système selon la revendication 1, dans lequel le signal d'alarme de baisse de densité est un signal de maintenance lorsque ladite densité est inférieure à un premier seuil de densité et est un signal de protection immédiate lorsque ladite densité est inférieure à deuxième seuil de densité, et dans lequel le calculateur du module de capteurs électroniques est configuré pour émettre ledit signalde protection immédiate sur une sortie digitale du module de capteurs électroniques à destination d'un appareil de protection du poste haute tension.
3. Système selon la revendication 2, dans lequel le calculateur du module de capteurs électroniques est également configuré pour émettre le signal d'alarme de surpression sur la sortie digitale du module de capteurs électroniques à destination d'un appareil de protection du poste haute tension.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant un bus de communication numérique (40) auquel sont reliés l'unité de commande (24, 34) et le module de capteurs électroniques (21, 31).
5. Système selon la revendication 4, dans lequel l'unité de commande (24, 34) est configurée pour recevoir sur requête, via le bus de communication numérique (40), les données de mesure des capteurs de température et de pression du module de capteurs (21, 31).
6. Système selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel l'unité de surveillance (26, 36) est connectée au bus de communication numérique (40).
7. Système selon la revendication 6, dans lequel l'unité de surveillance (26, 36) comporte une 30 base de données (27, 37) dans laquelle sont enregistrées les données de mesure des capteurs detempérature et de pression circulant sur le bus de communication numérique (40).
8. Système l'une des revendications 6 et 7, comportant en outre un module de surveillance (41) de l'humidité du gaz dans la travée, ledit module étant relié à l'unité de surveillance (36) et comprenant un capteur d'humidité, un capteur de température et un capteur de pression, l'unité de surveillance étant configurée pour comparer les données de mesure des capteurs de température et de pression du module de capteurs électroniques (31) aux données de mesure des capteurs de température et de pression du module de surveillance (41) de l'humidité du gaz.
9. Système selon la revendication 8, comprenant en outre des capteurs de courant (45) positionnés au niveau dudit module de surveillance (41), lesdits capteurs de courant étant reliés à l'unité de surveillance (36), l'unité de surveillance étant configurée pour comparer des mesures d'humidité réalisées par ledit module de surveillance (41) à courant efficace comparable.
10. Système selon la revendication 9, comprenant en outre un capteur de température ambiante (44) à relié à l'unité de surveillance (36), l'unité de surveillance étant configurée pour comparer des mesures d'humidité réalisées par ledit module de surveillance (41) à courant efficace comparable et température ambiante comparable.
11. Système selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant un unique module d'interface homme-machine, ledit module étant hébergé par l'unité de surveillance (26, 36).
12. Système selon la revendication 11, comprenant en outre une liaison numérique (29, 39) entre l'unité de surveillance (26, 36) et l'unité de commande (24, 34).
13. Module de capteurs électroniques (21, 31) destiné à être agencé dans une travée d'un poste haute tension sous enveloppe métallique à isolation gazeuse, ledit module comprenant un capteur de température et un capteur de pression, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur configuré pour calculer une densité de gaz dans la travée à partir des mesures de température et de pression réalisées par les capteurs de température et de pression, comparer ladite densité à au moins un seuil de densité et générer un signal d'alarme de baisse de densité lorsque ladite densité est inférieure à l'au moins un seuil de densité, ledit calculateur étant en outre configuré pour générer un signal d'alarme de surpression lorsque la mesure de pression est supérieure à un seuil de pression.