thumb|upright=2.0|Salle de commande d'une centrale électrique en Allemagne. thumb|Relais de protection numérique utilisé en distribution. Il s'agit en quelque sorte du cerveau de la protection électrique. La protection des réseaux électriques désigne l'ensemble des appareils de surveillance et de protection assurant la stabilité d'un réseau électrique. Cette protection est nécessaire pour éviter la destruction accidentelle d'équipements coûteux et pour assurer une alimentation électrique ininterrompue. Elle doit également garantir la stabilité des réseaux électriques.
La Commission électrotechnique internationale (C.E.I) définit la protection comme l’ensemble des dispositions destinées à la détection des défauts et des situations anormales des réseaux afin de commander le déclenchement d’un ou de plusieurs disjoncteurs et, si nécessaire d’élaborer d’autres ordres de signalisations.
La plupart des systèmes de fourniture d’énergie électrique sont interconnectés et doivent bénéficier de telles protections.
Elles doivent être réglées en fonction de nombreux paramètres : architecture du réseau, régime de neutre, courant de court- circuit, quels sont les capteurs de mesure en place, sélectivité. Une étude réseau est donc nécessaire. La sélectivité est une qualité très importante pour la protection électrique, différentes méthodes existent pour la réaliser. Pour la protection, on divise le réseau électrique en zones délimitées par les disjoncteurs. Chaque zone doit être correctement protégée. Les zones se recouvrent pour ne laisser aucun point du réseau sans protection.
Les protections électriques mettent en œuvre différents éléments : des capteurs, des relais, des automates et des disjoncteurs. Elles fonctionnent typiquement en l'espace de quelques centaines de millisecondes.
Chaque composant du réseau nécessite des types de protections spécifiques.
Objectifs Les défauts électriques et en particulier les courts-circuits font courir un danger : aux personnes, aux équipements électriques présents sur le réseau et à la fourniture d'électricité en matière de stabilité et de continuité.
En effet, en cas de court-circuit, un courant très important circule dans le réseau : nettement plus grand que celui nominal, tandis que la tension chute fortement. S'il n'est pas rapidement éliminé, les générateurs électriques qui alimentent le réseau peuvent s'emballer, les pertes joules causées par le courant peuvent provoquer des dommages importants sur les équipements électriques par échauffement des conducteurs. Par ailleurs, la baisse de tension qu'ils causent nuit à la qualité de l'électricité.
Les surtensions, permanentes ou transitoires, mettent quant à elles en danger les personnes se trouvant à proximité d'installations électriques. Les surcharges sur les lignes à haute tension dilatent les conducteurs, provoquant un abaissement de la flèche entre les pylônes. En clair, la distance entre les conducteurs et le sol diminue, sans protection un court-circuit peut survenir, mettant également en danger les biens et les personnes.
Défauts électriques Comme son nom l'indique une protection électrique permet de protéger contre les défauts électriques. Il convient de les identifier correctement afin de définir correctement la protection adéquate. Les défauts possibles sont: court-circuit phase-phase. court-circuit phase-terre. choc de foudre. choc de manœuvre. surtension. défaillance d'un disjoncteur. défaut à la masse. surcharge thermique. surfluxage. perte de synchronisme. baisse de fréquence importante.
Par ailleurs, il faut les différencier en fonction de leur nature: fugitif : nécessitent une coupure très brève du réseau. Par exemple : balancement des conducteurs sous l'effet du vent, objets divers charriés par le vent, brouillard givrant, pluie en zone polluée, branche d'arbre proche d'une ligne, et brûlée par l'arc. permanent : nécessitent une intervention humaine pour remettre en route le réseau. Par exemple : rupture d'un câble, ou de sa pince d'ancrage, et chute sur le sol, chute d'un arbre, ou d'une grue, sur la ligne, acte de malveillance conduisant, par exemple, à la ruine d'un pylône, détoronage d'un brin de conducteur, qui s'approche d'une autre masse métallique. auto-extincteur : disparaissent spontanément rapidement. semi-permanent : nécessitent une coupure longue, de l'ordre de quelques dizaines de secondes, pour disparaître.
Chaque année en France, on estime à le nombre de défauts électriques (défauts d'isolement pour être précis) apparaissant sur le réseau.
Qualités fondamentales d'une protection électrique Une protection électrique se doit de posséder les qualités suivantes : Rapidité : la protection élimine rapidement le défaut. Le temps de déclenchement comprend celui de la protection elle-même, auquel vient s'ajouter le délai d'ouverture des disjoncteurs. Sureté : la protection déclenche lors d'un défaut, on la mesure en nombre de défaillances sur commande. Sécurité : la protection ne déclenche pas de manière intempestive. Fiabilité : elle combine les notions de sureté et de sécurité. Sélectivité : Elle consiste à ne mettre hors tension que la partie du réseau concernée par un défaut et seulement celle-ci. Sensibilité : la protection doit détecter tous les défauts, même les plus faibles. thumb|upright=1.25|Limite des différentes zones, telles qu'elles sont généralement définies Disponibilité : la protection doit toujours être en opération (temps total moins panne et maintenance). Concrètement une bonne protection doit être conçue de sorte à parer à tout défaut électrique grâce à au moins deux types de protections différentes (principe de redondance) : celle déclenchant en fonctionnement normal, on parle de déclenchement instantanée, et celle déclenchant en cas de défaillance de la première, on parle de déclenchement temporisée et de protection de secours. Consommer peu d'énergie. Être insensible aux composantes apériodiques. Facile à mettre en œuvre et à maintenir.
Cependant, il faut être conscient des limites de la protection : les défauts doivent tout d’abord se produire pour qu’elle agisse. La protection ne peut donc empêcher les perturbations ; elle ne peut que limiter leurs effets et leur durée. De plus, le choix d’une protection est souvent un compromis.
Zones de protection Pour la protection, on divise le réseau électrique en zones délimitées par les disjoncteurs. Chaque zone doit être correctement protégée. Les zones se recouvrent pour ne laisser aucun point du réseau sans protection.
Principe thumb|left|upright=2.0|Réseau pour illustrer la protection par zone Le principe de sélectivité assure que seules les lignes défectueuses soient ouvertes, tandis que les lignes saines restent connectées. Toutefois, il faut pouvoir parer à la défaillance d'une protection, ainsi des protections de secours sont utilisées.
L'exemple suivant est purement théorique, il suppose que toutes les lignes ont même niveau de tension. Les postes sont considérés comme étant des nœuds électriques, c'est-à-dire un ensemble de jeux de barres pouvant être isolé du réseau par des disjoncteurs, mais ne pouvant pas être lui-même coupé en deux par un disjoncteur. + Détection du défaut et temps de déclenchement Zone 1 Zone 2 Zone 3 Amont Relais 1Relais 2 XRelais 3 XRelais 4 XRelais 5 XRelais 6 XRelais 7 XRelais 8 XRelais 9 XRelais 10 XRelais 11 X Lors de son apparition, le défaut est détecté par tous les relais à l'exception du 1 qui est trop loin. Les autres relais la visualisent de la manière suivante : Pour les relais 2, 4, 7, 8, 10 et 11 le défaut est derrière eux. Pour les relais 3 et 9, le défaut est en zone 3. Pour le relais 5, il est en zone 2. Pour le relais 6, il est en zone 1. Dans tous ces relais, un chronomètre commence à décompter le temps par rapport à l'apparition du défaut.
Le processus est alors le suivant : Le relais 6 envoie l'ordre de déclenchement à son disjoncteur qui s'ouvre au bout de environ. Le relais 7 voit disparaître le défaut et arrête son décompte. Le relais 5 envoie l'ordre de déclenchement à son disjoncteur au bout d'environ (il se trouve en zone 2). Le défaut disparaît, les autres relais le voient disparaître. Si le relais 5 et/ou son disjoncteur ne fonctionnent pas correctement, alors les relais 3 et 9 vont se déclencher au bout de . Dans tous les cas le relais 11 va se déclencher au bout de . Si le relais 3 et/ou son disjoncteur ne fonctionnent pas correctement, alors les relais 2 et 4 vont se déclencher au bout de . Si le relais 9 et/ou son disjoncteur ne fonctionnent pas correctement, alors les relais 8 et 10 vont se déclencher au bout de . Si le relais 6 et/ou son disjoncteur ne fonctionnent pas correctement, alors le relais 7 va se déclencher au bout de . On note que les relais 3 et 9 déclenchent avant les relais 4, 10 et 11 qui sont pourtant plus proche du défaut. Cela est dû au fait que les temps de déclenchement en amont sont réglés de manière plus longue que ceux en aval.
En pratique la première zone déclenche au bout d'un ou deux cycles, ce qui représente 20 à dans un réseau . La zone 2 au bout de 300 à . Les relais électromécaniques ont des temps de réaction dépendant de la valeur de l'impédance, au plus celle-ci est faible au plus le relais est rapide .
Les protections de distance servent parfois également de protection de secours pour les transformateurs de puissance et les générateurs, bien que des protections bien plus adaptées existent comme les protections différentielles.
Téléaction La téléaction est le fait que deux protections, de distance généralement et situées à chaque extrémité d'une ligne, échangent des informations entre elles afin d'augmenter leur performance.
De nombreux schémas de téléaction différents existent. Toutefois, on peut distinguer deux types de stratégie : les schémas à déclenchement et les schémas à blocage. Dans les schémas à déclenchement, la protection à une extrémité de la ligne envoie un ordre de déclenchement rapide à l'autre extrémité. L'autre disjoncteur déclenche alors immédiatement. Dans le cas des schémas à blocage, la protection à une extrémité de la ligne envoie un ordre de blocage à l'autre extrémité, le disjoncteur ne va donc pas déclencher intempestivement. Diverses variantes existent en fonction de la zone surveillée par chaque protection et des conditions appliquées au déclenchement. Les schémas à déclenchement ont une sécurité accrue : si la liaison entre les protections défaille, il n'y a pas de déclenchement intempestif par contre une sureté moindre : dans ce cas, la téléaction ne fonctionne plus et les déclenchements ne sont plus rapides. À l'opposé, les schémas à blocage ont une sureté accrue : si la liaison entre les protections défaille, les déclenchements rapides ont tout de même lieu, par contre leur sécurité est moindre : il n'y a plus de blocage sans la liaison et donc des lignes saines peuvent déclencher.
La rapidité exigée des téléactions ne permet pas de mettre en place des protocoles de vérification des erreurs de transmission.
Réglage Chaque fonction de protection est à régler afin d’obtenir les performances optimales dans l’exploitation du réseau et pour tous les modes de fonctionnement. Les valeurs de réglage adaptées sont issues de calculs complets basés sur les caractéristiques détaillées des éléments de l’installation. Ce type d’étude s’effectue maintenant couramment à l’aide d’outils logiciels spécialisés ; le comportement du réseau sur anomalie est ainsi expliqué, et les valeurs de réglage sont données pour chaque fonction de protection concernée.
Une étude de réseau est effectuée pour déterminer les réglages. Les informations suivantes sont analysées : architecture du réseau, régime de neutre, courant de court-circuit, quels sont les capteurs de mesure en place, sélectivité. Ensuite, les solutions possibles sont étudiées.
Différents types de sélectivité