Équipement de sous-station et opérations

Introduction au poste électrique

Le posté électrique (sous-station) est le nœud du réseau de transport et de distribution. Il assure la transformation de tension, la commutation, la protection et la mesure. Pour l'examen Sceau rouge, vous devez maîtriser la fonction de chaque équipement, les règles de sécurité applicables, et les procédures d'exploitation normalisées. Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances requises, des transformateurs aux systèmes de mise à la terre, en passant par les appareillages de commutation et les circuits de commande.

Un poste se divise en trois grandes parties : la partie haute tension (entrée), la partie transformation (le transformateur de puissance), et la partie moyenne/basse tension (sortie). Chaque partie comporte des équipements spécifiques que nous détaillerons.

Transformateurs de puissance

Principes de fonctionnement

Le transformateur repose sur l'induction électromagnétique. Une tension alternative appliquée à l'enroulement primaire crée un flux magnétique variable dans le noyau, qui induit une tension dans l'enroulement secondaire. Le rapport de transformation est donné par :

a = N₁ / N₂ = V₁ / V₂ = I₂ / I₁

Où N₁ et N₂ sont les nombres de spires, V₁ et V₂ les tensions, et I₁ et I₂ les courants. La puissance apparente (en kVA ou MVA) est conservée (en négligeant les pertes) : S = V × I.

Types de transformateurs en poste

Type	Fonction	Caractéristiques
Transformateur de puissance	Élévation/abaissement de tension	Puissance de 5 MVA à 1000+ MVA
Autotransformateur	Liaison entre réseaux de tensions proches	Enroulement commun, plus compact
Transformateur de distribution	Abaissement final vers l'utilisateur	< 5 MVA, généralement sur poteau ou socle
Transformateur d'instrumentation (TC, TT)	Réduction pour mesure et protection	Précision de classe 0,2 à 5P

Refroidissement (classes ONAN, ONAF, OFAF)

Le code de refroidissement utilise quatre lettres : la première pour le fluide en contact avec les enroulements (O = huile minérale, K = liquide inflammable, L = liquide non inflammable), la deuxième pour le mode de circulation (N = convection naturelle, F = circulation forcée), la troisième pour le fluide externe (A = air, W = eau), la quatrième pour le mode externe (N ou F).

ONAN : convection naturelle de l'huile et de l'air. Utilisé jusqu'à ~10 MVA.

ONAF : convection naturelle de l'huile, ventilation forcée par ventilateurs. Augmente la capacité de ~30 %.

OFAF : circulation forcée de l'huile par pompes et ventilation forcée. Pour les grandes puissances.

Piège d'examen : la capacité nominale d'un transformateur est toujours donnée en ONAN. Les classes ONAF/OFAF sont des surcharges permises, pas la capacité de base.

Plaque signalétique et données essentielles

La plaque signalétique indique : la puissance nominale (kVA ou MVA), les tensions nominales (V₁/V₂), le courant nominal, l'impédance de court-circuit (en %), le groupe de couplage (ex. Dyn1, YNyn0), la classe de refroidissement, la tension de court-circuit (uk), et les pertes à vide et en charge.

L'impédance de court-circuit (Z%) est cruciale : elle détermine le courant de défaut maximal et la chute de tension interne. Elle est typiquement de 5 à 15 % pour les transformateurs de puissance.

Couplages et groupes horaires

Le groupe horaire indique le déphasage entre les tensions primaire et secondaire. Les couplages courants sont :

Yy (étoile-étoile) : pas de déphasage, mais problèmes d'harmoniques de troisième rang.

Dy (triangle-étoile) : déphasage de 30°, élimine les harmoniques de rang 3. Le plus courant en distribution.

Yd (étoile-triangle) : déphasage de 30° dans l'autre sens.

Z (zigzag) : utilisé pour la mise à la terre, réduit les harmoniques.

Le chiffre du groupe horaire (0, 1, 11, etc.) représente le déphasage en multiples de 30°. Par exemple, Dyn11 signifie un déphasage de 330° (ou -30°).

Calculs de courant nominal et de court-circuit

Courant nominal : I = S / (√3 × V) pour un système triphasé. Exemple : un transformateur de 25 MVA, 120 kV / 25 kV.

Côté 120 kV : I = 25 000 000 / (1,732 × 120 000) = 120,3 A

Côté 25 kV : I = 25 000 000 / (1,732 × 25 000) = 577,4 A

Courant de court-circuit : Icc = I_nominal / Z%. Si Z = 8 %, Icc = 577,4 / 0,08 = 7 217 A au secondaire.

Règle d'or : le courant de court-circuit est inversement proportionnel à l'impédance. Plus Z% est petit, plus le courant de défaut est élevé.

Appareillage de commutation (disjoncteurs et sectionneurs)

Disjoncteurs de puissance

Le disjoncteur est l'équipement de protection principal. Il doit interrompre le courant de charge ET le courant de défaut. Les technologies courantes sont :

Technologie	Tension typique	Avantages	Inconvénients
SF6 (hexafluorure de soufre)	72,5 kV à 800 kV	Excellent pouvoir de coupure, compact	Gaz à effet de serre, fuites possibles
Vide	jusqu'à 40,5 kV	Simple, fiable, sans gaz	Limité en tension
Air comprimé	245 kV à 800 kV	Puissant, éprouvé	Encombrant, bruyant
Huile	jusqu'à 245 kV	Simple, économique	Risque d'incendie, maintenance lourde

Le disjoncteur SF6 est le plus répandu en poste haute tension. Le gaz SF6 possède une rigidité diélectrique environ 2,5 fois supérieure à l'air et un excellent pouvoir d'extinction d'arc. La pression de gaz doit être surveillée ; une perte de pression compromet la capacité de coupure.

Sectionneurs (isolateurs)

Le sectionneur n'interrompt PAS le courant. Il sert uniquement à isoler visuellement un équipement pour maintenance. Il doit être manœuvré à vide (sans charge). Les règles de séquence sont :

43.Ouverture : d'abord le disjoncteur, puis le sectionneur.

44.Fermeture : d'abord le sectionneur, puis le disjoncteur.

Piège d'examen : un sectionneur ne peut JAMAIS ouvrir un circuit en charge. Si vous devez isoler un transformateur, ouvrez d'abord le disjoncteur côté charge, puis le disjoncteur côté source, puis les sectionneurs.

Jeux de barres (barres omnibus)

Les jeux de barres sont les conducteurs rigides qui interconnectent les équipements. Ils sont en aluminium ou en cuivre, nus ou isolés. Les configurations typiques sont :

Simple jeu de barres : économique, mais indisponibilité lors de la maintenance.

Double jeu de barres : permet de transférer la charge d'un jeu à l'autre sans coupure.

Jeu de barres en anneau : chaque disjoncteur protège deux départs, continuité de service élevée.

Disjoncteur et demi : deux jeux de barres, trois disjoncteurs pour deux départs. Très fiable, utilisé en très haute tension.

Condensateurs de puissance (batteries de condensateurs)

Les batteries de condensateurs sont installées pour la compensation de puissance réactive et l'amélioration du facteur de puissance. Elles sont connectées en parallèle (shunt). La puissance réactive fournie est :

Q = V² × ω × C

Où V est la tension, ω la pulsation (2πf), et C la capacitance. La mise en service d'une batterie provoque un appel de courant transitoire important ; des inductances d'amorçage ou des résistances de pré-insertion sont souvent nécessaires.

Transformateurs d'instrumentation

Transformateurs de courant (TC)

Le TC réduit le courant primaire à une valeur standard de 1 A ou 5 A au secondaire. Le primaire est en série avec le circuit. Le secondaire doit TOUJOURS être fermé sur une charge (ou court-circuité) — ne jamais ouvrir le circuit secondaire d'un TC sous tension, car cela génère une surtension dangereuse.

Rapport de transformation : ex. 600:5 signifie que 600 A au primaire donne 5 A au secondaire.

Classes de précision :

Classe 0,2 / 0,5 : pour la mesure (comptage).

Classe 5P / 10P : pour la protection (P = protection). Le chiffre indique l'erreur composée maximale en %.

Facteur limite de précision (ALF) : le TC de protection doit maintenir sa précision jusqu'à un multiple du courant nominal (ex. 5P20 signifie précision jusqu'à 20 fois le courant nominal).

Transformateurs de tension (TT)

Le TT réduit la tension primaire à une valeur standard de 120 V ou 69,3 V (phase-terre). Il est connecté en parallèle. Le secondaire peut être ouvert sans danger. Les TT peuvent être inductifs (classiques) ou capacitifs (pour très haute tension).

Règles de câblage et de mise à la terre

Le secondaire des TC et TT doit être mis à la terre en un point unique.

Les circuits secondaires doivent être protégés par des fusibles (pour les TT) ou des disjoncteurs.

La polarité des TC doit être respectée (marques P1-P2, S1-S2) pour le bon fonctionnement des protections directionnelles.

Systèmes de protection

Relais de protection

Le relais est le "cerveau" de la protection. Il mesure les grandeurs électriques (courant, tension, fréquence) et commande le déclenchement du disjoncteur. Les types de relais :

Type	Fonction	Application
Relais de surintensité (50/51)	Détecte les courants excessifs	Protection de départ, transformateur
Relais différentiel (87)	Compare les courants d'entrée et de sortie	Protection de transformateur, jeu de barres
Relais de distance (21)	Mesure l'impédance de ligne	Protection de ligne de transport
Relais de fréquence (81)	Détecte les écarts de fréquence	Délestage, anti-ilôtage
Relais Buchholz	Détecte les gaz dans l'huile	Protection de transformateur (gaz)

Courbes de déclenchement et coordination

Les relais de surintensité ont des courbes temps-courant normalisées (inverse, très inverse, extrêmement inverse). La coordination consiste à régler les relais pour que le défaut soit éliminé par le relais le plus proche de la source, avec un décalage de temps (grading) de 0,3 à 0,5 s entre les niveaux.

Formule de la courbe inverse (IEC 60255) :

t = K × β / ((I/I_s)^α - 1)

Où K est le réglage de temps, β et α des constantes selon le type de courbe (inverse : α = 0,02, β = 0,14 ; très inverse : α = 1, β = 13,5 ; extrêmement inverse : α = 2, β = 80).

Protection du transformateur

Le transformateur est protégé par :

Relais différentiel (87T) : compare les courants primaire et secondaire (corrigés par le rapport de transformation et le groupe horaire).

Relais Buchholz (63) : détecte les gaz accumulés (défaut naissant) et le flux d'huile (défaut majeur).

Relais de surintensité (50/51) : en secours.

Relais de pression soudaine (63) : pour les défauts internes rapides.

Soupape de décharge (relief) : évacue la pression excessive.

Piège d'examen : le relais Buchholz ne fonctionne que sur les transformateurs à huile avec conservateur. Il ne protège pas contre les défauts externes.

Mise à la terre et liaisons équipotentielles

Principes de mise à la terre

La mise à la terre du poste a deux fonctions : la sécurité des personnes (limiter les tensions de contact et de pas) et le fonctionnement des protections (fournir un chemin de retour pour les courants de défaut). Le réseau de terre est constitué de conducteurs enterrés en cuivre ou en acier cuivré, formant une grille (maille).

Tension de contact et tension de pas

Tension de contact : différence de potentiel entre une main touchant un équipement mis à la terre et les pieds au sol.

Tension de pas : différence de potentiel entre les deux pieds d'une personne marchant près d'un point de défaut.

Les valeurs maximales admissibles sont définies dans la norme IEEE 80 (Guide for Safety in AC Substation Grounding). Pour un corps de 50 kg, la tension de contact admissible est approximativement :

E_contact = (1000 + 1,5 × ρ_s) × 0,116 / √t

Où ρ_s est la résistivité de la couche de surface (gravier) en Ω·m, et t la durée du défaut en secondes.

Résistance de la prise de terre

La résistance de la grille de terre doit être inférieure à 1 Ω dans la plupart des postes. Elle dépend de la résistivité du sol (ρ), de la surface de la grille, et de la profondeur d'enfouissement. La résistance d'un conducteur horizontal est approximativement :

R = (ρ / (2πL)) × (ln(2L/√(d×h)) - 1)

Où L est la longueur totale du conducteur, d le diamètre, h la profondeur.

Code canadien de l'électricité, Chapitre V

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (norme CSA C22.3 No. 1) régit les systèmes aériens et les postes. Les règles clés :

Règle 5-100 : mise à la terre des structures et équipements de poste.

Règle 5-200 : résistance maximale de la prise de terre (généralement 25 Ω pour les postes de distribution, 1 Ω pour les grands postes).

Règle 6-100 : distances de garde minimales pour les conducteurs nus.

Règle 8-200 : dégagements verticaux et horizontaux des conducteurs par rapport au sol et aux bâtiments.

Note : Le Chapitre V s'applique aux réseaux extérieurs des services publics. Le Chapitre I (CSA C22.1) s'applique aux installations intérieures. Ne confondez pas les deux à l'examen.

Opérations et procédures en poste

Permis de travail et consignation (LOTO)

La consignation (Lockout/Tagout) est obligatoire avant toute intervention. La procédure standard :

114.Demande de permis auprès du coordonnateur des opérations.

115.Identification de l'équipement : vérifier le numéro d'identification et la position (ouvert/fermé).

116.Ouverture des sources : ouvrir les disjoncteurs et sectionneurs.

117.Verrouillage : appliquer les cadenas et étiquettes (tags) sur les organes de commande.

118.Vérification d'absence de tension : utiliser un détecteur de tension adapté à la tension du poste.

119.Mise à la terre : appliquer les mises à la terre portatives (grounds) sur les trois phases.

120.Délivrance du permis : signer et afficher le permis.

Règle d'or : la vérification d'absence de tension doit être faite sur CHAQUE phase, immédiatement avant la mise à la terre. Un détecteur doit être testé sur une source connue avant et après utilisation.

Manœuvres de mise sous et hors tension

La séquence de mise sous tension d'un transformateur :

124.Vérifier que tous les permis sont fermés et que le personnel est dégagé.

125.Fermer le sectionneur côté source (si ouvert).

126.Fermer le disjoncteur côté source.

127.Écouter et observer le transformateur (bruit anormal, fuite d'huile).

128.Fermer le disjoncteur côté charge après stabilisation.

La mise hors tension suit l'ordre inverse : ouvrir le disjoncteur côté charge, puis le disjoncteur côté source, puis les sectionneurs.

Piège d'examen : lors de la mise sous tension d'un transformateur, le courant d'appel (inrush) peut atteindre 8 à 12 fois le courant nominal pendant quelques cycles. Ce courant peut faire déclencher les relais de surintensité instantanés ; il faut donc les désactiver temporairement ou utiliser des réglages adaptés.

Inspection et maintenance préventive

Les inspections régulières comprennent :

Inspection visuelle : fuites d'huile, corrosion, déformation, traces de décharge.

Thermographie infrarouge : détection des points chauds sur les connexions et les jeux de barres.

Analyse d'huile : teneur en gaz dissous (DGA), rigidité diélectrique, humidité, acidité.

Essais électriques : mesure de la résistance d'isolement (Mégohmmètre), facteur de puissance (tan δ), rapport de transformation (TTR).

L'analyse des gaz dissous (DGA) est un outil de diagnostic majeur. Les gaz typiques et leurs significations :

Gaz	Indication
Hydrogène (H₂)	Décharge partielle, échauffement
Méthane (CH₄), Éthane (C₂H₆)	Échauffement thermique modéré
Éthylène (C₂H₄)	Échauffement thermique élevé
Acétylène (C₂H₂)	Arc électrique, défaut grave
Monoxyde de carbone (CO)	Dégradation du papier isolant

Délestage et reprise de charge

Le délestage (load shedding) est la réduction volontaire de la charge pour éviter l'effondrement du réseau. Il est déclenché par des relais de fréquence (81) ou par le contrôleur de réseau. Les seuils typiques : 59,3 Hz pour le premier palier, 58,8 Hz pour le deuxième, etc. La reprise de charge se fait progressivement pour éviter les appels de courant excessifs.

Sécurité et équipements de protection individuelle (EPI)

Distances minimales d'approche

Les distances minimales d'approche (DMA) pour le personnel sont définies dans la norme CSA Z462 (Sécurité en matière d'électricité au travail). Pour les tensions de poste :

Tension nominale (kV)	Distance minimale (m)
0 - 1 kV	1,0 (éviter tout contact)
1 - 72,5 kV	1,0 à 2,0 m selon la tension
72,5 - 145 kV	2,0 à 3,0 m
145 - 245 kV	3,0 à 4,0 m
245 - 800 kV	4,0 à 7,0 m

Ces distances sont des minimums absolus. En pratique, utilisez des perches de manœuvre (hot sticks) pour toute opération à distance.

Équipements de protection

Casque de sécurité avec jugulaire.

Lunettes de sécurité ou écran facial.

Gants isolants (classes 00 à 4 selon la tension) avec sur-gants en cuir.

Manchons isolants si les bras peuvent approcher une partie sous tension.

Vêtements ignifuges (FR) : obligatoires pour les travaux sur les équipements à arc électrique.

Détecteur de tension adapté à la tension du poste.

Perches de manœuvre (hot sticks) en fibre de verre.

Arc électrique et calcul des limites

L'arc électrique (arc flash) est un risque majeur en poste. La norme CSA Z462 définit les limites :

Limite de l'arc électrique : distance à laquelle l'énergie incidente est de 5 J/cm² (1,2 cal/cm²).

Limite d'approche restreinte : distance à laquelle un choc électrique peut survenir.

Limite d'approche interdite : distance à laquelle un arc peut se produire entre le corps et la partie sous tension.

L'énergie incidente peut être estimée par la formule simplifiée :

E = 10^(k1 + k2 × log10(I_bf) + k3 × log10(t)) × (D_ref / D)^x

Où I_bf est le courant de défaut, t la durée, D la distance de travail, et k1, k2, k3, x des constantes selon la configuration. En pratique, utilisez les tableaux du CSA Z462 ou un logiciel d'analyse.

Normes et codes applicables

Code canadien de l'électricité, Chapitre V (CSA C22.3 No. 1)

Ce code régit les systèmes aériens et les postes des services publics. Points clés :

Règle 1-100 : champ d'application — s'applique aux lignes et postes des services publics.

Règle 5-100 : mise à la terre des postes.

Règle 5-300 : protection contre les surtensions (parafoudres).

Règle 6-200 : dégagements horizontaux des conducteurs.

Règle 8-200 : dégagements verticaux au-dessus du sol.

CSA Z462 (Sécurité en matière d'électricité au travail)

Cette norme définit les exigences de sécurité pour les travailleurs exposés à l'électricité. Elle couvre les distances d'approche, l'analyse d'arc électrique, les EPI, et la formation.

CSA Z463 (Maintenance des systèmes électriques)

Cette norme récente (2018) couvre la maintenance des équipements électriques, y compris les transformateurs, disjoncteurs, et systèmes de protection.

IEEE 80 (Guide for Safety in AC Substation Grounding)

Bien que d'origine américaine, cette norme est largement utilisée au Canada pour la conception des mises à la terre de poste.

Pièges à éviter

180.Confondre sectionneur et disjoncteur : le sectionneur n'interrompt pas le courant. Un sectionneur ouvert sous charge provoque un arc destructeur.

181.Ouvrir le circuit secondaire d'un TC sous tension : cela crée une surtension mortelle. Toujours court-circuiter le secondaire avant de déconnecter la charge.

182.Utiliser les mauvaises classes de précision : un TC de protection (5P) ne convient pas pour le comptage, et vice-versa.

183.Ignorer le courant d'appel du transformateur : lors de la mise sous tension, le courant d'appel peut atteindre 10× le nominal. Les protections doivent être réglées en conséquence.

184.Oublier la vérification d'absence de tension : toujours tester le détecteur sur une source connue avant ET après utilisation.

185.Confondre le Chapitre V et le Chapitre I du Code : le Chapitre V s'applique aux réseaux extérieurs des services publics, le Chapitre I aux installations intérieures.

186.Négliger la polarité des TC : une inversion de polarité rend les protections directionnelles et différentielles inopérantes.

187.Utiliser des distances d'approche incorrectes : les distances du CSA Z462 dépendent de la tension nominale, pas de la tension de service.

188.Oublier les mises à la terre portatives : après la vérification d'absence de tension, les mises à la terre doivent être appliquées AVANT tout travail.

189.Ne pas tenir compte du groupe horaire : lors du câblage d'un transformateur, le groupe horaire détermine le déphasage et les connexions correctes.

Résumé

Le transformateur de puissance est le cœur du poste. Sa plaque signalétique donne la puissance nominale (ONAN), l'impédance (Z%), et le groupe horaire. Le courant nominal se calcule par I = S / (√3 × V).

Les disjoncteurs interrompent le courant (SF6, vide, air, huile). Les sectionneurs isolent visuellement mais ne coupent pas la charge.

Les TC (secondaire 1 A ou 5 A) ne doivent jamais être ouverts sous tension. Les TT (secondaire 120 V) peuvent être ouverts.

Les relais de protection (50/51, 87, 21, 81, Buchholz) détectent les défauts et commandent les disjoncteurs. La coordination assure la sélectivité.

La mise à la terre limite les tensions de contact et de pas. La résistance de la grille doit être < 1 Ω dans les grands postes.

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (CSA C22.3 No. 1) régit les postes. La norme CSA Z462 régit la sécurité des travailleurs.

La consignation (LOTO) suit une séquence stricte : ouvrir les sources, verrouiller, vérifier l'absence de tension, mettre à la terre, délivrer le permis.

L'analyse des gaz dissous (DGA) permet de diagnostiquer les défauts internes du transformateur : H₂ (décharge partielle), C₂H₂ (arc), CO (papier).

Pour réussir l'examen, maîtrisez les calculs de courant nominal et de court-circuit, les séquences de manœuvre, et les règles de sécurité. Entraînez-vous à lire les plaques signalétiques et à interpréter les schémas unifilaires de poste. Bonne préparation !

Équipement de sous-station et opérations