15

Courts-circuits au poste Rimouski a 230 kV et comportement du compensateur statique

de type a inductance contrdlee par thyristors Par Pierre Pelletier et Omer Bourgault, E ssais de reseau et Analyse, Hydro-Quebec, Montreal

Suite a Tacquisition par l'Hydro-Quebec d'un prototype de compensateur statique a inductance contrdlee par thyristors, une serie d'essais en reseau fut realisee au poste Rimouski afin d'en verifier son comportement dynamique. 1 Les resultats de ces essais sont presentes sous differents aspects et a l'aide des enregistrements recueillis en chantier. En premier lieu, une fermeture de ligne a 230 kV nous familiarise avec I'operation du compensateur en reseau. Sa reaction dynamique est alors comparee a celle d'un compensateur synchrone. Par la suite, trois courts-circuits sont analyses, Fun eloigne et de faible intensite, les autres directement appliques a la barre 230 kV du poste. Enfin, les resultats d'une etude harmonique apparaissent sous forme des facteurs T.I.F., I.T. et Distorsion harmonique.

Following Hydro-Quebec's purchase of a prototype of a static compensator with thyristor-controlled inductance, a series of system tests was made at the Rimouski station to test its dynamic functioning. The results of these tests are given under different aspects with the help of readings taken on the site. To begin, a line shutdown at 230 kv familiarizes us with the operation of the compensator in the system. Its dynamic reaction is then compared with that of a synchronous compensator. Then three short circuits are analyzed, one far away and low current, the others directly applied to the 230 kv rod at the station. Finally, the results of a harmonic study are given in the form of T.I .F. . I.T. and harmonic distorsion factors.

Introduct ion

L'analyse des enreg i s t rements de chant ier cons t i tue l ' e l emen t es -sentiel de cette p resen ta t ion . Le but vise consis te a eva lue r la perfor­mance d 'un e q u i p e m e n t dans des condi t ions de reseau seve re s , ma is qui demeurent q u a n d m e m e real is tes et suscept ib les de se p rodu i r e . Ces resultats met tent en ev idence la react ion d ' u n c o m p e n s a t e u r statique dans un type de reseau per turbe , ou les formes d ' o n d e s ne sont jamais idea les . II est alors poss ib le pour les specia l i s tes de confronter ces condi t ions a leur des ign et d ' e n dedui re le fonc t ionne-ment.

L'action rapide des controles inherente a la na ture m e m e d ' u n compensateur s ta t ique , cont r ibue a le rendre plus vu lnerab le en p re ­sence de fortes d is tors ions h a r m o n i q u e s . Ces d is tors ions ne devra ien t pas affecter la fiabilite du c o m p e n s a t e u r et en r evanche celui-ci ne devrait pas con t r ibuer a les amplifier .

C o m p e n s a t e u r s tat ique de R i m o u s k i

Le prototype installe au poste Rimousk i est du type a induc tance controlee par thyr is tor et t ransformateur de l ia ison, tel que mon t r e a la figure 1. II est ra t tache a la barre 230 k V du pos te dont la pu i s sance de court-circuit m o n o p h a s e est eva luee a 3078 M V A sur une base de 2 1 0 kV. Ses caracter is t iques sont: Production de 84 M V A R a 0 .97 p . u .

0 M V A R a 1.0 p . u . (230 kV) Absorption de 120 M V A R a 1.04 p . u . pour 5 minu tes Absorption de 2 0 0 M V A R a 1.065 p . u . pour 1 seconde Statisme de 3% dans la p lage de regula t ion .

Le compensa teur regular i se la tension 230 k V a part ir d ' u n e de tec ­tion triphasee et rectifiee par un pont de d iodes . La synchron i sa t ion d'allumage des thyr is tors se real ise a part ir de la tens ion 2 4 k V phase — phase seconda i re aux bornes des valves raccordees en del ta avec les inductances. La figure 2 mont re le s chema de pr inc ipe simplifie de la regulation et de l ' a l l umage des thyr is tors .

M i s e sous tens ion d ' u n e l igne 315 k V

Une ligne a 315 k V est enc lenchee rad ia lement du pos te R i m o u s k i de facon a faire absorber le c o m p e n s a t e u r s ta t ique. Le poin t d ' o p e r a ­tion initial du c o m p e n s a t e u r est de 0 M V A R . La figure 3 r ep resen te le deplacement du poin t d ' ope ra t ion tel que mesure par rappor t a une simulation theo r ique .

R. Can. Genie Elec. Vol 5 No 2, 1980

TRANSFORMATEUR 230 KV DE LIAISON 24 kV

A £A

IN D UCTANCE CONTROLEE A

BANCS DE CON DENSATEURS

A

TRANSFORMATEUR DE MISE A L A T E R R E

Figure 1: Compensateur statique de type a inductance controlee par thyristors et transformateur de liaison.

FIBRES O P T I Q U E S

D E T E C T E U R DE S E U I L S C O M P A R A T E U R CIRCUIT DE

T T S U R V E I L L A N C E

d

REFERENCE}

TENSION 230kV

R E G U L A T E U R - DETECTION - N O N -

UNEARISATION I

UMITE n n

Figure 2: Principe de regulation et d'allumage des thyristors.

16 R. C A N . G E N I E E L E C . V O L 5 N O 2, 1980

(kV)

236 +

234

232 +

230 +

228 +

226

224

P r o f i t

Th*ork|t*e

20 40 60 80 100 MVAR

Statisme: tteorique du reseau3 3.5% «4u compensates r stat .«3.0% Figure 3: .V//.sr \o//.v tension de la ligne 3079.-3082 au poste Rimouski.

a ^ A A . A A A, A, A A A. A A A A A A

^ A A A ^ A A A A A A A A (A A •

Figure 4 : ,-V/nr \<>//.v tension de la ligne 3079-3082 du poste Rimouski. Comportement dvnamique du compensuteur statique.

' If"! "Tl> y y V y y

La figure 4 mon t r e la reac t ion d y n a m i q u e du c o m p e n s a t e u r stat ique lors de cet te m a n o e u v r e . O n r e m a r q u e Vaugmentation rap ide du couran t dans T i n d u c t a n c e . La figure 5 nous p r o p o s e une compara i son avec un c o m p e n s a t e u r synch rone pou r le m e m e t y p e de m a n o e u v r e . 2

O n voit q u e p o u r un eche lon sur la tens ion a r e g u l a r i s e ^ le c o m p e n s a ­teur s y n c h r o n e met p lus de t e m p s a a t te indre son n o u v e a u r e g i m e . Sa r eponse est ca rac te r i see pa r son couran t d ' exc i t a t ion et sa puissance reac t ive qui est de ta i l lee a la figure 6.

MVAR

4 0

L i v ^ s 2 0

Compensateur synchrone Duvernay (250MVA)

Mise sous tension de ligne ( 5 0 0 MVAR , 7 3 5 kV)

0,1 0,2 0 ,3 0 ,4 0 { 5 0,6 O f

Absorbe's - 20

- 4 0

- 6 0

- 8 0 -

-100 •

Figure 6: Puissance reactive du compensateur synchrone en regime dynamique.

Court -c i rcu i t N o . 1 (de fa ible intens i te )

Le cour t -c i rcui t m o n o p h a s e a ete real ise par 1 ' i n t e r m e d i a t e d 'une l igne de t ranspor t avec une mise a la terre e lo ignee du pos te Ri­m o u s k i . La per tu rba t ion est assez faible et occa s ionne une ba i s se de tens ion de 14% seu lemen t sur la p h a s e B du defaut car 1 ' impedance de re tour par la terre et les fils de garde est assez e l evee . C e type de defaut n ' e s t pas tres severe p o u r le c o m p e n s a t e u r s ta t ique .

C e p e n d a n t , 1'oscillation de la de tec t ion t r iphasee due a la debalance des t ens ions affecte la sort ie du regu la teur et cel le de la fonction non- l inea i re duran t le defaut . Ceci d o n n e lieu a un a l l u m a g e continu dans la b r a n c h e a-b de V i nduc tance a lors q u e les b r anches b-c et c-a ne condu i sen t p lu s . La figure 7 mon t r e le detai l de ce p h e n o m e n e . Le c o m p e n s a t e u r a produi t 86 M V A R capaci t i fs duran t le defaut et s'est p lace a 10 M V A R capaci t i fs apres le defaut .

Figure 7: Court-circuit NO. I de faible intensite. Oscillation a 120 Hz. superposee a la sortie continue du regulateur.

Figure 5: Comportement dynamique d' un compensateur synchrone a ienclenchement d'une ligne.

Court -c i rcu i t N o . 3 pos te R i m o u s k i

Les m a n o e u v r e s de cour t -c i rcui t • sur la bar re 2 3 0 k V du poste donnen t l ieu a des per tu rba t ions b e a u c o u p plus i m p o r t a n t e s , soit 100% de ba i s se de tens ion sur la phase B lors du defaut . N o t e z que ce gen re de per tu rba t ion produi t de fortes deba l ances des tens ions et e n g e n d r e des de fo rma t ions p r o n o n c e e s des fo rmes d ' o n d e s .

La figure 8 expl ic i te le c o m p o r t e m e n t du c o m p e n s a t e u r qu i a ete p lace a 0 M V A R avan t le cour t -c i rcui t . Le defaut est app l ique au

P E L L E T I E R / B O U R G A U L T : C O U R T S - C I R C U I T S 17

- - - * . - t

Figure 8: Court-circuit # 5 Rimouski. Comp. stat. 0 MVAR.

passage a zero de l ' o n d e tens ion phase B - N 230 k V . La d i s to rs ion harmonique e n g e n d r e e au n iveau de la tens ion 2 4 k V en t ra ine une detection e r ronnee au n iveau des seui ls . Les r a m p e s se rvant a deter ­miner Tangle d ' a l l u m a g e des thyris tors s ' en t rouven t affectees et empechent l ' a l l u m a g e dans p lus ieurs c a s . La figure 9 e x p l i q u e le mauvais fonc t ionnement des r a m p e s .

Apres l ' e l imina t ion du defaut , une forte osc i l la t ion a 60 H z se superpose au s ignal cont inu de sort ie du regu la teur . C e s osc i l la t ions ne proviennent pas necessa i r emen t d ' u n e var ia t ion t r iphasee en a m p l i ­tude de la t ens ion 2 3 0 k V , ma i s de la p re sence d ' h a r m o n i q u e s sur chacune des p h a s e s . En p resence de sur tens ions pos t -defau t , cec i pourrait en t ra iner du p o m p a g e au n iveau de l ' a l l u m a g e des thyr i s to r s . Dans le cas p resen t , on enregis t re un a l l umage d e b a l a n c e sur c h a c u n e des phases de 1 ' inductance tel q u e mon t re a la figure 10. O n r e m a r q u e de plus un m a n q u e a V a l l umage pou r une pe r iode c o m p l e t e du au mauvais fonc t ionnement de la r a m p e (3.

Court - c i rcu i t N o . 5 pos te R i m o u s k i

Le re seau de la G a s p e s i e e tant fo r tement cha rge au cour s des e s sa i s , les sur tens ions pos t -defaut n ' ex i s t en t p r a t i q u e m e n t p a s duran t ce t te pe r iode de l ' a n n e e . Afin de so l l i cke r d ' a v a n t a g e le c o m p e n s a t e u r a r ea l l umer ses thyr is tors apres le defau t , son po in t d ' o p e r a t i o n initial es t p l ace a 100 M V A R absorbes j u s t e avan t la m a n o e u v r e . L ' o sc i l l o -g r a m m e d e cet essa i es t p resen te a la figure 1 1 . Ce t te m a n o e u v r e a d o n n e l ieu a un p h e n o m e n e de conduc t ion en t r e t enue sur la p h a s e B C 2 4 k V de 1 ' inductance , p o u r tou te la du ree du defaut . C e p h e n o m e n e es t m o n t r e p lus c l a i r emen t a la figure 12.

La t ens ion E B C 2 4 k V e tant m a g n e t i q u e m e n t l iee a la t ens ion E B . N

2 3 0 k V , e l le s ' e c r a se a une va leur faible du ran t le cour t -c i rcu i t . L e cou ran t dans la b r a n c h e B C de 1 ' inductance est e l eve au m o m e n t de 1 'applicat ion du defaut . C e cou ran t var ie c o n f o r m e m e n t a 1'integrate d e la t ens ion E B c 2 4 k V b e a u c o u p p lus fa ib le , d e sor te q u ' i l ne peu t r even i r a z e ro . Cec i d o n n e l ieu a une per te d e con t ro le d e s thyr is tors de la b r a n c h e B C duran t le defaut . C e p h e n o m e n e n ' e s t pa s du a un m a l f o n c t i o n n e m e n t des c i rcui ts de c o m m a n d e du c o m p e n s a t e u r . II m e t s i m p l e m e n t en e v i d e n c e l ' iner t ie d e couran t d ' u n e i nduc t ance don t on ec rase s o u d a i n e m e n t la t ens ion a ses b o r n e s .

L a va leu r m o y e n n e du couran t I b . c es t a lors de 1650 A con t inus et sa dec ro i s s ance est quas i impercep t ib l e duran t le cour t -c i rcu i t . Cec i est du a la va leur faible de la res i s tance du t r ans fo rmateur et d e 1 ' inductance, d ' o u u n e cons tan te de t e m p s L / R e l e v e e . L a figure 13 m o n t r e un c i rcui t equ iva len t d e la c o n d u c t i o n en t r e t enue dans la b r a n c h e B C duran t le cour t -c i rcu i t .

Figure 11: Court-circuit # 5 Rimouski. Comp. stat. 100 MX ABS.

Figure 9: Distortion harmonique et malfonctionnement des rampes. Court-circuit N0.3.0MVAR.

A Implication du drfouf Onn pfc-iodM aprks I'iiiminotion du defaut

Figure 10: Oscillations 60 Hz superposees a la sortie continue du regulateur en periode post-defaut. Court-circuit NO.3, 0 MVAR.

Figure 12: Court-circuit NO.5, poste Rimouski, 100 MVAR absorbes. Phenomene de conduction entretenue aux thyristors de la branche B-C.

Poss ibi l i te d ' e n t r e t i e n d u p h e n o m e n e

A part i r des fo rmes d ' o n d e s o b t e n u e s p o u r differents cour t s -c i rcu i t s , il es t poss ib le d ' e n v i s a g e r un cas ou le p h e n o m e n e de conduc t i on en t r e t enue et la per te d e con t ro le des thyr i s tors s ' a g g r a v e apres 1 'el imination du defaut .

18 R. C A N . G E N I E E L E C . V O L 5 N O 2 , 1980

Figure 13: Circuit equivalent de la conduction entretenue durant le court-circuit.

Les facteurs T . I . F . , I . T . et Dis tors ion h a r m o n i q u e on t e te ca lor ies e t appa ra i s sen t au t ab leau 1. C e s ca lcu ls t i ennen t c o m p t e des harmo-n iques n = 1 a 29 i nc lu s ivemen t . La p rec i s ion es t l imi tee pa r les t r ans fo rmateurs d e t ens ion et d ' i n t ens i t e . Cet te e t ude ne m o n t r e que les t e n d a n c e s et se veu t sur tout qua l i t a t ive . Pour teni r c o m p t e de r e v o l u t i o n du r e seau et du con t enu h a r m o n i q u e , il faudrai t effectuer une e tude s ta t i s t ique sur une pe r iode de t e m p s p lus l o n g u e . On pour ra i t a lors quant i f ier ces pa r ame t r e s en va leur m o y e n n e et ecarts-t y p e s . L e c o n t e n u h a r m o n i q u e dans le r e seau e v o l u e con t inue l lement d e sor te q u ' i l ex ige un tel g e n r e d ' e t u d e s t a t i s t i que . 4

C o n c l u s i o n

E24KVou230 kV

2 Thyristors i

Elimination du dtfaut

Figure 14: Deduction theorique a partir des enregistrements sur la possibilite d'entretenir le phenomene apres Velimination du defaut.

C o m m e le mon t r e la figure 14, si l ' e l imina t ion du defaut est faite a un instant ou la tens ion est inversee pa r rappor t a cel le de Vapplication du defaut et q u e l ' onde tens ion soit de fo rmee , il y aura a u g m e n t a t i o n du couran t dans 1 ' inductance et pas de possibi l i te de p a s s a g e i m m e d i a t du couran t pa r ze ro . Ceci est du au fait que la surface h a c h u r e e (D ( / E d t ) est p lus pet i te q u e la surface hachuree © . Cet te surface sous T o n d e tens ion est la representa t ion exac te du couran t dans 1'induc­t ance , cel le-ci e tant cons idered l ineai re . Bien en t endu , la p robab i l i t e d ' en t re ten i r le p h e n o m e n e doit etre eva luee car el le d e p e n d d ' u n e foule de facteurs dont la p resence d ' h a r m o n i q u e s sur la t ens ion .

H a r m o n i q u e s a u n iveau 2 3 0 k V

Pour differents poin ts d ' ope ra t ion au c o m p e n s a t e u r s ta t ique cor res -pondan t a differents angles d ' a l l u m a g e des thyr i s tors , des echan t i l lons des tens ions 2 3 0 k V et des courants du c o m p e n s a t e u r furent en reg i s -t res . Ces echant i l lons ont ete recueil l is a l ' a ide d ' u n sys t eme d ' a c q u i ­sition n u m e r i q u e et traites par o r d i n a t e u r . 3

Les resul ta ts p ra t iques o b t e n u s a la suite d ' e s sa i s en chan t i e r nous r ense ignen t b e a u c o u p sur le c o m p o r t e m e n t du c o m p e n s a t e u r statique et sur la fiabilite de ses con t ro l e s . O n en dedu i t q u e la rapidi te d 'act ion de cet e q u i p e m e n t est sans cont red i t un a tout p o u r le r e s e a u . Cepen-dan t , c ' e s t sur cet a spec t q u e le c o m p e n s a t e u r dev ien t p lus vulnerable , lo r sque le r e seau t raverse des pe r iodes cr i t iques et o u les controles do iven t s ' a c c o m m o d e r de fo rmes d ' o n d e s d i s to r s ionnees . L a detec­t ion t r iphasee de la t ens ion a con t ro le r i m p o s e des res t r ic t ions et exige un des ign raffine afin d ' e v i t e r les p r o b l e m e s d ' a l l u m a g e s et la genera­t ion d ' h a r m o n i q u e s .

Le p h e n o m e n e de per te de cont ro le des thyr is tors peu t e n g e n d r e r (si sa du ree se p ro longe ) une per te de d isponib i l i te du c o m p e n s a t e u r et des j o n c t i o n s de thyr is tors p e u v e n t e t re e n d o m m a g e e s . Cec i peut c o m p r o m e t t r e la s tabil i te du reseau et la rapidi te de sa r e m i s e en se rv ice .

R e f e r e n c e s

1. Pelletier, P., Bourgault, O.: "'Essais de courts-circuits au compensateur statique du poste Rimouski; 4-5 juillet 1978, 30-31 Janvier 1979", Rapport NO. 7960, Essais du reseau et Analyse, Hydro-Quebec.

2. Pelletier, P.: "Manoeuvre de reseau et comportement du compensateur synchrone NO. 1 Duvernay", Rapport NO. 7283, Essais de reseau et Analyse, Hydro-Quebec.

3. Crevier, D.: "Etude des harmoniques dans le reseau de rHydro-Quebec", Rapport NO. 1469, IREQ.

4. Tessier, M.: "Contenu harmonique — 230 kV, Poste Rimouski, Septembre 1973", Rapport NO. 7378, Essais de reseau et Analyse, Hydro-Quebec.

L is te d e s s y m boles

EB-N Tension phase-neutre EBC Tension phase-phase IBC Courant dans la branche BC IA Courant de phase A

MVAR Megavolt ampere reactifs F.N.L. Fonction non-lineaire TFO Transrormateur Cond. Condensateur thyr. Thyristors

T A B L E A U 1 Etude harmonique au c o m p e n s a t e u r s tat ique de R i m o u s k i , Juillet 1978

Essai B a n c s de T e n s i o n M V A R T . I . F . I . T . D % c o n d e n s a t e u r s p h a s e — N c o m p . s ta t . b a l a n c e b a l a n c e T o t a l

1 3 131 k V 0 M K 3 . 7 9 3 0 4 4 A 1 . 1 1 % 2 3 132 k V 21 M X * 2 . 7 7 3 8 5 5 A 1 .08% 3 3 129 k V 6 9 M X * 4 . 0 8 5 0 7 3 A 1.62% 4 2 129 k V 0 M X 4 . 9 0 7 1 1 3 A 2 . 0 1 % 5 2 131 k V 15 M X * 3 .17 5 6 0 4 A 1 .27% 6 2 131 k V 69 M X * 4 . 5 1 7 5 4 1 A 1 .99%

^Absorption