Essai du relais de perte d’excitation (dispositif 40) : zones d’impédance et temps

De quoi il s’agit

Un relais de fonction 40 protège une génératrice synchrone contre la perte d’excitation. C’est un relais d’impédance : à partir de la tension et du courant aux bornes de la machine, il calcule l’impédance apparente et détermine si elle est entrée dans une zone du plan d’impédance. La zone est généralement un cercle, une caractéristique mho, décalée de l’origine de façon à se situer surtout dans la région où la machine entre lorsqu’elle absorbe de la puissance réactive du réseau. Plusieurs relais emploient deux zones, l’une pour une perte d’excitation sévère avec un court délai et une plus grande pour un cas plus léger avec un délai plus long. L’élément se trouve dans les ensembles de relais de génératrice à microprocesseur et, sur les machines anciennes, sous forme d’unité électromécanique ou à semi-conducteurs dédiée. L’essai sur le terrain remplace la génératrice par une valise triphasée qui fournit tension et courant à des grandeurs et des angles contrôlés.

Pourquoi on le fait

Lorsque l’excitation est perdue, la génératrice sort du synchronisme et se met à agir comme une génératrice asynchrone, tirant beaucoup de puissance réactive du réseau tout en livrant encore de la puissance active. La surface du rotor chauffe sous l’effet des courants induits, les extrémités du stator surchauffent à cause du courant élevé et la demande sur le réseau peut faire chuter la tension sur une vaste zone. Les dommages à la machine peuvent apparaître rapidement; la protection doit donc reconnaître la situation et déclencher, tout en restant stable lors d’oscillations récupérables et de défauts voisins. Un décalage, un diamètre, un angle ou un temps incorrects laissent l’unité sans protection ou exposée à des déclenchements intempestifs. Comme on ne peut provoquer une vraie perte d’excitation uniquement pour vérifier le relais, l’essai par injection secondaire est le moyen pratique de prouver que la caractéristique est celle que l’étude prévoyait.

Le principe

Dans le plan d’impédance, la résistance se trouve sur un axe et la réactance sur l’autre, et le relais convertit chaque couple tension-courant en un point de ce plan. Une génératrice saine et chargée, à facteur de puissance normal, garde ce point bien à l’écart de la zone. Quand l’excitation diminue, la machine absorbe de la puissance réactive et l’impédance apparente glisse vers la région inférieure, en direction du cercle. Le cercle est défini par son diamètre, son décalage et parfois une ligne de supervision directionnelle. L’atteinte de la limite démarre une minuterie, et la sortie ne fonctionne que si le point demeure à l’intérieur pendant tout le délai. Un élément de supervision de tension peut aussi servir à accélérer ou à retenir le fonctionnement. Comme l’impédance est la tension divisée par le courant, un même endroit du plan s’atteint par de nombreuses combinaisons de tension et de courant, et l’essai exploite cette liberté pour rester dans les capacités de la valise.

Comment on le réalise

Le relais étant retiré du service, ses sorties de déclenchement bloquées et les circuits isolés de la génératrice, le technicien consigne l’identité du relais et les réglages de zone tirés de l’étude : diamètre, décalage, angle de toute ligne directionnelle et délai de chaque zone. Une valise d’essai triphasée de tension et de courant est raccordée aux entrées du relais, en conservant la polarité et l’ordre des phases, et le contact de sortie est chronométré par la valise. À partir d’un point de fonctionnement sain, le point d’essai est déplacé le long d’une droite vers chaque limite en changeant la grandeur ou l’angle du courant par rapport à la tension. La limite est trouvée en cherchant le point où la sortie fonctionne, et la recherche est répétée selon plus d’un chemin afin de vérifier la forme, le décalage et le diamètre de la caractéristique. Pour le temps, un état de défaut est appliqué brusquement depuis un point bien à l’intérieur de la zone, et l’intervalle jusqu’à l’action du contact est lu. Les éléments de supervision, comme un blocage par tension, sont sollicités là où ils sont réglés. Si le schéma le permet, le contact est vérifié jusqu’au circuit de déclenchement.

Ce qui est consigné

Le relevé donne l’identité du relais, les réglages de chaque zone et les états injectés qui ont servi à les prouver. Il énumère les points de limite trouvés, le temps de chaque zone et si les fonctions de supervision ont été sollicitées. Il nomme aussi la valise d’essai et son état d’étalonnage, ainsi que les réglages tels que trouvés et tels que laissés. Les ajustements effectués et la vérification du contact de sortie jusqu’au circuit de déclenchement ou d’alarme sont consignés pour l’essai suivant.

Comment les résultats sont jugés

Les résultats sont comparés aux réglages produits par l’étude de protection, car la zone appropriée dépend des réactances de la machine et du réseau. Les critères prennent ces formes : une limite qui concorde avec le réglage de diamètre, de décalage et d’angle dans la précision annoncée par le fabricant, aucun fonctionnement à l’extérieur de la zone, une temporisation conforme au réglage de chaque zone et un contact net. Les résultats d’entretien sont aussi suivis par rapport à l’essai précédent et à la référence de réception. La portée des essais de relais est décrite dans ANSI/NETA ATS-2025 pour la réception et dans ANSI/NETA MTS-2023 pour l’entretien. Pour les tolérances et le détail des articles, consultez votre propre exemplaire sous licence de ces normes et les données du fabricant du relais.