vignette|Protection de distance numérique thumb|Symbole CEI de la protection de distance Une protection de distance est un relais de protection destiné à surveiller l'état de certains éléments d'un réseau électrique, en particulier les lignes ou câbles haute tension, mais également les transformateurs de puissance et les générateurs. Elle a pour fonction de détecter les défauts électriques (courts-circuits sur la ligne), et de donner au disjoncteur l'ordre d'ouvrir pour mettre hors tension la ligne. Elle forme l'épine dorsale de la protection des réseaux électriques.
Selon le Vocabulaire électrotechnique international, une protection de distance est une . En pratique, elle mesure l'impédance de la ligne, si celle-ci devient faible, la protection déclenche. Ceci explique son symbole CEI : .
Son nom vient de sa capacité à estimer à quelle distance du début de la ligne se trouve le court-circuit. Cette capacité permet au gestionnaire de réseau de transport de très rapidement envoyer sur le lieu précis de l'incident une équipe de maintenance pour remettre en état au plus vite, sans avoir à faire un examen complet de la ligne pour trouver le lieu du défaut. Cette capacité, associée à une remarquable sensibilité et une excellente fiabilité ont fait de la protection de distance un élément incontournable qui équipe la plupart des lignes HTB et certaines lignes HTA. Dans les lignes du réseau de RTE on utilise par exemple soit 2 protections de distances redondantes, soit une protection de distance et une protection différentielle de ligne.
Le code ANSI de la protection de distance est 21.
Principe thumb|upright=1.5|left|Pour mesurer l'impédance la protection de distance mesure la tension et le courant en un point La protection de distance mesure deux grandeurs : le courant de ligne I est mesuré à l'aide d'un transformateur de courant ; la tension de la ligne U est mesurée à l'aide d'un transformateur de tension. Soit une ligne électrique de longueur L (exprimée en km), d'impédance linéique Z' (exprimée en ohm/km). En temps normal l'impédance estimée : n'est pas un multiple de l'impédance de la ligne. En cas de défaut par contre, si on néglige la résistance de l'arc électrique, elle devient égale à l'impédance linéique multipliée par la distance entre l'appareil de mesure et le défaut : . Z' étant connue, l peut être déduite. Si elle est inférieure à la longueur totale de la ligne, le défaut s'y trouve. Dans ce cas, la protection déclenche, le disjoncteur associé s'ouvre.
Exemple thumb|upright=1.5|La protection de distance utilise le fait que l'impédance de charge et de défaut sont différentes pour fonctionner Soit une ligne . La résistance linéique R' (exprimée en ohm/km), de réactance linéique X' (exprimée en ohm/km) : R'=0,1 ohm/km X'=0,4 ohm/km Z' =0,1 + j 0,4 longueur L = courant maximal avec un facteur de puissance=0.8 En temps normal, son impédance (de charge donc) vaut : orientée à 37°.
Par contre, lors d'un défaut supposé en bout de ligne, l'impédance vaut orientée à 76°.
L'impédance est donc ici en valeur absolue plus faible en cas de défaut. L'angle est beaucoup plus élevé.
Intérêts et défauts Son avantage par rapport à une protection à maximum de courant est d'être peu dépendant de l'impédance de la source et de la charge, sa sélectivité aux défauts et sa rapidité. Par ailleurs, elle est facile à coordonner avec d'autres types de protections et elle ne requiert pas de sélectivité chronométrique .
Les protections de distance permettent de mettre en place une protection par zones. C'est-à-dire que dans un premier temps, elle ne protège qu'un certain nombre de composants situés dans une zone précise. Cela évite de déclencher inutilement des lignes saines. Au bout d'un temps préétabli, si la protection de la zone avoisinante n'a pas rempli son rôle, la protection de distance va tout de même déclencher afin d'interrompre le défaut. Cela permet de combiner sélectivité et robustesse.
Les protections de distance ne nécessitent pas de canal de communication (par exemple fibre optique) entre les deux extrémités de la ligne, à la différence des protections différentielles de ligne.
Sa sensibilité est dépendante de la puissance du court-circuit de la charge, son réglage est difficile lorsque la liaison n’est pas homogène (ligne aérienne + câble). Par ailleurs, il faut rappeler que les défauts peuvent être de plusieurs types : entre phases ou phase-terre, l'impédance en résultant n'est pas identique. La protection de distance n'est pas non plus applicable aux lignes de très courte longueur.
Histoire thumb|Relais d'impédance de type électromécanique de marque Westinghouse Les premiers relais de protection intégrant les fonctions de base d'une protection de distance ont été proposés en 1904 par Felten & Guilleaume-Lahmeyer- Werke AG. Ils sont basés sur la détection simultanés de l'augmentation du courant et d'une baisse de la tension.
En , Westinghouse propose une protection de distance dont le temps de déclenchement dépend de la valeur de l'impédance. En 1923, cette société installe les premières protections de ce type aux États-Unis.
À partir de 1918, le Dr. Paul Meyer AG améliore le concept et installe une protection de distance sur un câble à Karlsruhe entre mars et . Mi 1924, AEG sort le relai Biermann et l'installe sur le réseau de Gotha. Les protections connaissent un plus grand succès en Allemagne qu'aux États-Unis. Cela s'explique par le fait que le réseau allemand est plus fortement maillé, celui américain étant principalement radial. C'est à cette époque là également que s'impose le nom protection de distance.
L'augmentation de la complexité des réseaux, rend la protection par protection à maximum de courant et protection directionnelle inefficace : les temps de déclenchement deviennent trop long. Il est nécessaire d'améliorer la coordination des protections électriques. Par ailleurs, on remarque que les courants de court-circuit peuvent être parfois plus faible que les courants nominaux, ce qui rend la protection à maximum de courant inefficace .
En 1932, H. Neugebauer et Fr. Geise travaillant pour Siemens sortent le premier relais de distance contenu intégralement dans une boîte à l'extrémité de la ligne. Il a un temps de réaction de . En 1937, AEG utilise pour la première fois des redresseurs métalliques dans ses protections de distance, cela diminue fortement leur consommation électrique.
À l'époque, la résistance des arcs électriques est mal connue, les appareils ont des difficultés à évaluer correctement la distance pour cette raison. Par ailleurs, les relais se déclenchent de manière injustifiée lorsqu'une oscillation de puissance se produit entre deux générateurs, ce qui est problématique. En 1944, AEG brevète une méthode pour contourner le premier problème, désormais l'impédance est estimée grâce à la formule suivante :
thumb|La protection de distance ne doit pas déclencher quand l'impédance correspond à une impédance de charge Les années 1950 voient l'apparition des mécanismes d'autoréenclenchement, qui permettent de limiter les coupures en cas d'orage. Elles sont aussi le cadre d'un début de standardisation, permettant l'interopérabilité de systèmes de fabricants différents. L'usage de débute en 1955 sur la ligne de Preussenelektra. À la fin des années 1960, les dispositifs permettent de déterminer à la fois la distance mais également la direction de laquelle provient le défaut.
Le premier relais à distance électronique est entré en service en 1959 par EdF sur une ligne . Cependant les relais électromécaniques restent plus économiques. Celui sorti par ASEA en 1970, a un temps de réaction de seulement , en 1976 un autre système de la même marque atteint .
Les relais numériques, à base de micro-controleurs, apparaissent en 1971 . De nos jours tous les relais fabriqués sont de type numérique, mais il existe encore des relais de type électromécaniques en service. En effet, les relais mho étaient très répandus dans le monde. En outre, les relais électroniques ne dépendent certes plus du moment exercé, mais leur fonctionnement émulent souvent celui des relais électromécaniques. Les mêmes termes peuvent donc être utilisés, la connaissance des principes de fonctionnement des relais électromécaniques restent utile.
Différents types de caractéristiques thumb|left|Protection de distance thumb|Influence de l'impédance, principalement résistive, de l'arc électrique sur l'impédance de défaut La protection de distance tente de faire la distinction entre impédance de défaut et impédance de charge. Il faut donc définir, une limite, une frontière entre les impédances que la protection va considérer comme normales, de charge et celles anormales associées à un défaut. Cette limite est appelée ici caractéristique de déclenchement. Elles peuvent avoir plusieurs formes et sont représentées dans un plan résistance - inductance : RX.
Si l'impédance de l'arc électrique est négligée, l'impédance de défaut se trouve sur la droite , la distinction est alors aisée. L'impédance des arcs n'est cependant pas toujours négligeable, elle est considérée comme étant purement résistive et dépend à la fois de sa longueur et de son courant. Ces paramètres ne pouvant être déterminés à l'avance, la résistance d'arc est une inconnue. Sur une ligne électrique longue l'effet des arcs électriques peut normalement être négligé, mais pas sur les lignes courtes avec un courant de défaut faible.
Si la résistance d'arc ne peut être négligée, la zone de déclenchement doit être plus large (sur le diagramme RX) que la simple droite Z'l.
Par ailleurs, les générateurs électriques, quand ils se synchronisent au réseau, font augmenter subitement le courant et donc diminuer l'impédance lue. On parle aussi de . Un relais peut prendre une oscillation de puissance pour un défaut multi-phases. La caractéristique doit être choisie de manière que cet état transitoire ne provoque pas de déclenchement.
Les relais numériques peuvent utiliser n'importe quelle caractéristique, il suffit de la programmer. Par contre les relais statiques ou électromécaniques ont une caractéristique dépendante de leur principe de fonctionnement.
Réactive thumb|left|upright=0.75|Caractéristique purement réactive La mesure de la réactance a l'avantage de ne pas être sensible à la valeur de la résistance d'arc, mais est très sensible aux synchronisations de générateur et n'est pas directionnelle. Elle est du fait idéale pour les protections phase - terre .
Impédante thumb|upright=0.75|Caractéristique purement impédante thumb|Sans directionnalité, la ligne AB, saine déclenche car l'impédance mesurée en A chute brutalement La caractéristique impédante décrit un cercle sur le diagramme RX, la limite est constituée de tous les Z tel que |Z|= une constante. Elle a le défaut de ne pas être directionnelle, ce qui empêche de faire une protection de zone efficace et sélective (voir exemple ci-contre). Par ailleurs, la résistance d'arc menant au déclenchement dépend fortement de l'inductance. Enfin, elle est vulnérable aux oscillations des générateurs synchrones.
mho thumb|left|Caractéristique mho. L'impédance de la ligne ne passe pas systématiquement par le centre du cercle Les protections de distance ayant dans le plan RX une caractéristique circulaire passant par l'origine porte le nom de ou à admittance.
Les relais mho auto polarisé sont les plus sélectifs de tous les relais à distance, car ils ne déclenchent que pour une gamme précise d'impédance qu'on peut représenter sur un diagramme R-X. Ils sont donc peu susceptible de déclencher sur des éléments perturbateurs autre qu'un défaut de la ligne. Il est donc un élément privilégié pour les lignes de longues distances.