Titre : Système et procédé de protection d’un réseau électrique

L’invention a trait au domaine de la protection de réseaux électriques, et elle concerne plus particulièrement les systèmes de protection des caténaires d’un réseau ferroviaire.

Les caténaires sont alimentées par un courant alternatif ou continu pour permettre la traction d’un véhicule ferroviaire circulant sur des rails de voie ferrée. Afin de protéger l’installation électrique dans son ensemble et de protéger les particuliers amenés à être à proximité des rails de voie ferré, il est nécessaire de désactiver l’alimentation électrique pour éviter que du courant circule dans ces caténaires lorsqu’un court-circuit est formé, par exemple par contact d’une caténaire avec le sol ou un rail.

Pour détecter l’apparition dans le réseau électrique de tels courts-circuits, et permettre par la suite de générer une instruction de désactivation du réseau électrique, il existe des dispositifs de détection et de protection exploitant le fait qu'en général, l'accroissement brusque du courant dans la ligne, résultant d'un court-circuit, est plus important que les accroissements de courant résultant de faits d'exploitation.

On connait des dispositifs mécaniques, qui prennent notamment la forme d’une bobine entourant directement les câbles reliant les caténaires au réseau électrique. Cette bobine détecte une intensité de courant anormalement élevée dans l’ensemble formé par les câbles logés à l’intérieur de la bobine. Si cette solution est particulièrement efficace pour désactiver immédiatement l’alimentation électrique dans l’ensemble du réseau électrique alimenté par ces câbles, elle présente l’inconvénient mécanique d’être encombrante et l’inconvénient électrique, dans un fonctionnement avec des caténaires mis en parallèle, d’impliquer une désactivation de l’ensemble des caténaires ce qui génère une immobilisation du réseau ferroviaire à long terme, le temps de trouver la caténaire défaillante. On connaît également des dispositifs numériques moins encombrants qui sont directement disposés sur chacune des caténaires, ou lignes d’alimentation, et qui sont configurés pour détecter une valeur caractéristique du courant passant dans la ligne d’alimentation correspondant et pour mettre hors circuit la ligne sélectivement dès lors que la valeur détectée est supérieure à une valeur prédéterminée d’un seuil de déclenchement. La détection se fait ligne par ligne et permet de laisser l’alimentation électrique dans les caténaires qui ne connaissent pas de dysfonctionnement électrique.

La présente invention s’inscrit dans ce contexte et vise à proposer un système de protection d’un réseau électrique formé d’une pluralité de lignes d’alimentation électrique disposées en parallèle les unes des autres et alimentées par un transformateur commun, les lignes d’alimentation électrique étant aptes à être reliées à une branche de courant commune par un dispositif de commutation, le système de protection comportant une pluralité de relais de protection numérique, respectivement disposés sur une ligne d’alimentation électrique du réseau, chaque relais de protection numérique comportant une unité centrale interne apte à générer une instruction de commande d’ouverture et fermeture d’un disjoncteur associé à la ligne d’alimentation, en fonction d’une valeur caractéristique du courant passant dans la ligne d’alimentation.

Selon l’invention, les relais de protection numérique comportent chacun un module de communication permettant un échange des valeurs caractéristiques du courant via un protocole de communication approprié de sorte que chaque unité centrale interne peut recevoir les valeurs caractéristiques du courant mesurées par chacun des relais de protection numérique, chaque unité centrale interne générant l’instruction d’ouverture ou fermeture du disjoncteur associé à la ligne d’alimentation correspondante en fonction du dépassement d’une valeur seuil de dysfonctionnement électrique sélectivement par, dans un premier mode de fonctionnement de déclenchement généralisé de l’unité centrale interne, une valeur caractéristique globale du courant, ladite valeur caractéristique globale étant obtenue par l’addition de valeurs caractéristiques du courant reçues par ladite unité centrale interne via le module de communication associé dans le relais de protection numérique, ou par, dans un deuxième mode de fonctionnement de déclenchement ciblé de l’unité centrale interne, la seule valeur caractéristique du courant mesurée par le relais de protection numérique.

Un relais de protection numérique et son unité centrale interne reçoivent en continu les valeurs caractéristiques du courant circulant dans les autres lignes d’alimentation, ou tout au moins les valeurs caractéristiques du courant circulant dans d’autres lignes d’alimentation. Le relais de protection numérique considère de manière permanente le courant circulant dans sa ligne d’alimentation et la valeur caractéristique globale du courant, égale à la somme des valeurs caractéristique du courant circulant dans plusieurs lignes d’alimentation mises en parallèles, le cas échant dans chacune des lignes d’alimentation mises en parallèles. Dans un mode de réalisation particulier, chaque relais de protection numérique reçoit les valeurs caractéristiques du courant circulant dans chaque ligne d’alimentation et l’unité centrale interne est configurée pour additionner ces valeurs caractéristiques de sorte que la valeur caractéristique globale du courant, égale à la somme des valeurs caractéristiques du courant circulant dans chacune des lignes d’alimentation, est connu par chaque relais en permanence.

Dans le premier mode de fonctionnement de déclenchement généralisé, il convient ainsi de comprendre que le système peut être configuré pour que l’unité centrale interne d’un relais de protection numérique reçoive toutes les valeurs caractéristiques des relais de protection numériques susceptibles en état de communiquer avec ce relais de protection numérique, et que de manière alternative, le système peut être configuré pour que l’unité centrale interne d’un relais de protection numérique reçoive des valeurs caractéristiques émanant d’une sélection particulière des autres relais de protection numériques du système. La notion de somme de valeurs est ainsi à considérer sur l’ensemble des valeurs caractéristiques reçues ou bien sur une sélection de celles-ci, la prise en compte d’une pluralité de valeurs permettant un mode de fonctionnement de déclenchement généralisé. Selon que le procédé de protection mis en oeuvre par le système soit dans une phase initiale de détection de dysfonctionnement général et de réaction rapide en conséquence, ou bien dans une phase ultérieure de détection de dysfonctionnement ciblé, pour mettre hors circuit la seule ligne d’alimentation défectueuse et non plus tout le réseau, l’unité centrale interne est apte à mettre en oeuvre tel ou tel mode de fonctionnement, avec une même valeur seuil de dysfonctionnement qui est comparée soit à une somme de valeurs caractéristiques de courant soit à une valeur caractéristique seule. Il peut être prévu, dans une variante de l’invention, deux valeurs de seuil de dysfonctionnement qui different à quelques pourcents près d’un mode de fonctionnement de déclenchement à l’autre pour tenir compte de phénomènes physiques qui peuvent être (induits par exemple par des longueurs de lignes différentes d’une ligne d’alimentation à l’autre). En d’autres termes, la valeur seuil de dysfonctionnement électrique utilisée dans le deuxième mode de fonctionnement de déclenchement ciblé par tel ou tel relais de protection pourra être relevée ou abaissée par rapport à la valeur seuil de dysfonctionnement électrique utilisée dans le premier mode de fonctionnement de déclenchement généralisé par chaque relais de protection numérique.

De la sorte, il est possible de détecter de manière efficace un courant de court-circuit aussi bien dans une configuration où les lignes d’alimentation électrique en parallèle sont reliées à la branche de courant commune, notamment pour rentabiliser l’investissement dans un seul et unique transformateur en amont, que dans une configuration où les lignes d’alimentation électrique en parallèle sont rendues indépendantes. Lorsqu’un courant de court-circuit apparaît et que les lignes d’alimentation électrique en parallèle sont reliées à la branche de courant commune, le courant de court-circuit circule alors à parts égales dans chacune des lignes d’alimentation et la communication entre les relais de protection permet de s’adapter à cette répartition sans avoir besoin de modifier le seuil de déclenchement, ou seuil de dysfonctionnement électrique. Et lorsqu’un courant de court- circuit apparaît et que les lignes d’alimentation électrique en parallèle ne sont plus reliées à la branche de courant commune, le relais de protection qui voit passer le courant de court-circuit en intégralité dans sa ligne d’alimentation est à même de générer une instruction d’ouverture de sa ligne d’alimentation et de procéder à une mise hors circuit ciblée de la ligne d’alimentation défectueuse.

Selon différentes caractéristiques de l’invention, prises seules ou en combinaison, on pourra prévoir que :

- le protocole de communication est le standard IEC 61850, et notamment la sous-partie IEC 61850-9-2 « Sampled values » : ce protocole de communication permet, lorsque les modules de communication des relais de protection sont actifs, un échange d’un relais de protection à l’autre des valeurs caractéristiques du courant détectées par chacun des relais de protection.

- une des valeurs caractéristiques dans une ligne d’alimentation peut être la mesure d’impédance de cette ligne d’alimentation : dans ce cas, la valeur seuil de dysfonctionnement électrique est une valeur minimale d’impédance en dessous de laquelle le relais de protection génère une information de dysfonctionnement de la ligne d’alimentation. De manière alternative, d’autres valeurs caractéristiques peuvent être considérées comme par exemple l’intensité du courant traversant la ligne d’alimentation, la valeur seuil de dysfonctionnement électrique étant alors une valeur maximale d’intensité au-dessus de laquelle le relais de protection génère une information de dysfonctionnement de la ligne d’alimentation.

- le module de communication de chaque relais de protection est configuré pour communiquer par ailleurs avec un module de contrôle du réseau électrique, comme par exemple un automate, qui est notamment configuré pour piloter des interrupteurs du dispositif de commutation reliant respectivement une des lignes d’alimentation à la branche de courant commune ;

- les unités de contrôle de chacun des relais de protection sont configurés pour activer ou désactiver le premier mode de fonctionnement généralisé en fonction d’une donnée du module de contrôle du réseau électrique relative à une modification de la configuration du dispositif de commutation, ou en fonction d’un laps de temps déterminé après l’envoi d’une instruction de modification de la configuration du dispositif de commutation.

L’invention concerne également un procédé de protection d’un réseau électrique mettant en oeuvre un système de protection tel que précédemment évoqué, au cours duquel dans une première phase on compare dans chaque relais de protection numérique la somme de valeurs caractéristiques de courant détectées respectivement par l’un des relais de protection numérique à une valeur seuil de dysfonctionnement électrique, pour, en cas de dysfonctionnement, d’une part réaliser l’ouverture générale des disjoncteurs associés à plusieurs lignes d’alimentation, notamment à chacune des lignes d’alimentation considérées et d’autre part désactiver le raccordement électrique des lignes d’alimentation à une branche de courant commune, et au cours duquel dans une deuxième phase on compare chacune des valeurs caractéristiques de courant détectées par un relais de protection numérique à ladite valeur seuil de dysfonctionnement électrique, pour réaliser l’ouverture ciblée d’une des lignes d’alimentation.

Selon une caractéristique de l’invention, la première phase comporte au moins une première étape de détection au cours de laquelle chaque relais de protection numérique détecte la valeur caractéristique du courant passant dans la ligne d’alimentation à laquelle il est associé et communique avec les autres relais de protection numériques la valeur détectée et une deuxième étape de calcul au cours de laquelle chaque relais de protection numérique compare une valeur caractéristique globale du courant, obtenue par addition des valeurs caractéristiques du courant, par rapport à ladite valeur seuil de dysfonctionnement électrique, chaque relais de protection numérique étant apte à générer une instruction d’ouverture ou fermeture du disjoncteur associé à la ligne d’alimentation correspondante en cas de dysfonctionnement général.

On distingue ici et par la suite de la description un dysfonctionnement général détecté par le système de protection, qui consiste en la détection d’un dépassement d’une valeur seuil de dysfonctionnement, sans qu’il soit possible au système d’identifier quelle est la ligne d’alimentation défectueuse, et un dysfonctionnement ciblé détecté par le système de protection, qui consiste en la détection d’un dépassement d’une valeur seuil de dysfonctionnement au sein d’une ligne d’alimentation identifiée.

Selon une caractéristique de l’invention, la première phase comporte une troisième étape d’isolation au cours de laquelle, lorsqu’un dysfonctionnement général est identifié et que chacun des disjoncteurs associés aux lignes d’alimentation est ouvert, la désactivation du raccordement électrique des lignes d’alimentation à la branche de courant commune est suivie d’une configuration des relais de protection numériques de sorte à désactiver le premier mode de fonctionnement de déclenchement généralisé.

Selon une caractéristique de l’invention, la deuxième phase comporte au moins une quatrième étape de discrimination au cours de laquelle chaque relais de protection numérique considère la valeur caractéristique du courant passant dans la ligne d’alimentation à laquelle il est associé pour comparer une valeur caractéristique globale du courant, égale à la valeur caractéristique du courant dans la ligne d’alimentation correspondante, par rapport à ladite valeur seuil de dysfonctionnement électrique et génère en fonction une instruction d’ouverture ou fermeture du disjoncteur associé à la ligne d’alimentation correspondante.

Selon une caractéristique de l’invention, la deuxième phase comporte en outre une cinquième étape de régulation au cours de laquelle le dispositif de commutation est configuré pour raccorder l’ensemble des lignes d’alimentation à la branche de courant commune, à l’exception de la ligne d’alimentation identifiée comme défectueuse dans la quatrième étape de discrimination, et les relais de protection numériques sont pilotés pour réactiver le premier mode de fonctionnement de déclenchement généralisé.

D’autres caractéristiques, détails et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée donnée ci-après à titre indicatif, en relation avec les différents exemples de réalisation de l’invention illustrés sur l’ensemble des figures parmi lesquelles : la figure 1 est une représentation schématique d’un réseau électrique équipé d’un système de protection selon un aspect de l’invention ; la figure 2 est un logigramme illustrant les différentes phases et étapes du procédé de protection selon un aspect de l’invention ; la figure 3 est une représentation schématique du réseau électrique de la figure 1 dans une configuration correspondant à une première étape du procédé illustré sur la figure 2 ; la figure 4 est une représentation schématique du réseau électrique de la figure 1 dans une configuration correspondant à une deuxième étape du procédé illustré sur la figure 2 ; la figure 5 est une représentation schématique du réseau électrique de la figure 1 dans une configuration correspondant à une troisième étape du procédé illustré sur la figure 2 ; la figure 6 est une représentation schématique du réseau électrique de la figure 1 dans une configuration correspondant à une quatrième étape du procédé illustré sur la figure 2 ; la figure 7 est une représentation schématique du réseau électrique de la figure 1 dans une configuration correspondant également à une quatrième étape du procédé illustré sur la figure 2 ; la figure 8 est une représentation schématique du réseau électrique de la figure 1 dans une configuration correspondant à une cinquième étape du procédé illustré sur la figure 2.

Pour rappel, l’invention porte sur un système de protection d’un réseau électrique formé d’une pluralité de lignes d’alimentation électrique disposées en parallèle les unes des autres, qui comporte une pluralité de relais de protection configurés pour communiquer entre eux et tenir compte d’une pluralité des valeurs caractéristiques de courant mesurées respectivement par un des relais de protection, le cas échéant de l’ensemble des valeurs caractéristiques de courant mesurées respectivement par chaque relais de protection, et qui ont pu être récupérées à un instant donné par le module de communication pour les comparer à une valeur seuil de dysfonctionnement. Les relais de protection et les lignes d’alimentation sont pilotés pour prendre différentes configurations de sorte qu’une ouverture générale des disjoncteurs associés aux lignes d’alimentation peut être effectuée immédiatement par prévention en cas de détection de courant de court-circuit notamment et de sorte que dans un deuxième temps une ouverture ciblée de la ligne d’alimentation en défaut peut être effectuée, les autres lignes d’alimentation restant en fonctionnement.

On a illustré sur la figure 1 un réseau électrique 1 équipé d’un système de protection 2 selon l’invention, et plus particulièrement ici une installation électrique formant partie d’un réseau ferroviaire.

Le réseau électrique 1 comporte notamment un transformateur commun 4 qui fournit un courant alternatif à une pluralité de lignes d’alimentation 6 en parallèle. Dans l’exemple illustré, le réseau 1 comporte trois lignes d’alimentation 6 en parallèle mais il convient de noter que le procédé et le système de protection selon l’invention tel qu’il va être décrit peuvent sans sortir du contexte de l’invention être appliqués à un réseau électrique dont le nombre de lignes d’alimentation en parallèle est différent de trois. Par ailleurs, dans l’exemple illustré, le courant circulant dans le réseau électrique est un courant alternatif, mais il convient de noter que le procédé et le système de protection selon l’invention tel qu’il va être décrit peuvent sans sortir du contexte de l’invention être appliqués à un réseau électrique au sein duquel circule du courant continu, un convertisseur approprié étant alors prévu sur le réseau électrique.

Dans l’exemple illustré d’un réseau électrique 1 formant une installation fixe de traction électrique (IFTE) d’un réseau ferroviaire, chaque ligne d’alimentation 6 est formée d’une caténaire 8 et d’une portion de liaison 10 de cette caténaire au transformateur commun 4, cette portion de liaison étant notamment connue sous la dénomination anglophone « feeder ». Les lignes d’alimentation 6, notamment sur une zone de la caténaire 8 correspondante, sont reliées à une branche de courant commune 12, via un dispositif de commutation 14.

Le dispositif de commutation 14 comporte une pluralité d’interrupteurs 16 spécifiques à chaque ligne d’alimentation 6 et dont la fermeture permet de raccorder les lignes d’alimentation 6 les unes aux autres via la branche de courant commune 12. Ce raccordement des lignes d’alimentation les unes aux autres en parallèle permet avantageusement de limiter la puissance circulant dans les caténaires en cas de court- circuit, et rentabilise l’investissement dans un seul et unique transformateur en amont.

Chaque ligne d’alimentation 6 de la pluralité de lignes considérée est équipée d’un relais de protection numérique 18. Le relais de protection numérique 18 est ici disposé sur la portion de liaison 10, sans que cela soit limitatif de l’invention. De manière générale, il sera décrit des relais de protection numériques disposés sur une ligne d’alimentation, sans précision particulière de la zone sur laquelle il est disposé.

Le relais de protection numérique 18 est destiné à détecter les défauts des installations électriques, ici la caténaire 8 formant une installation de traction électrique, dans le cadre notamment d’une alimentation à courant alternatif, et il est destiné à permettre l’ouverture du disjoncteur 26 d’une ligne d’alimentation lorsqu’un défaut a été détecté.

Ce relais de protection numérique 18 peut notamment consister en un relais de protection à minimum d’impédance, c’est-à-dire un relais de protection qui est configuré pour détecter une valeur d’impédance de la ligne d’alimentation sur laquelle le relais de protection est disposé et pour générer une action en fonction de la valeur d’impédance mesurée, et notamment une instruction d’ouverture ou de fermeture du disjoncteur 26 de la ligne d’alimentation.

Dans la description qui va suivre, il sera fait mention plus généralement de valeur caractéristique Valc du courant, l’impédance de la ligne d’alimentation étant un exemple non limitatif de ce qui peut être détecté et considéré par les relais de protection numériques. A titre d’exemple alternatif, le relais de protection numérique pourrait détecter une tension ou une intensité de courant et générer une instruction d’ouverture ou de fermeture du disjoncteur de la ligne d’alimentation en fonction de la valeur de tension ou d’intensité mesurée.

Plus particulièrement, le relais de protection numérique 18 est apte à commander une ouverture du disjoncteur de la ligne d’alimentation 6 sur laquelle il est disposé lorsque la valeur caractéristique Valc du courant détectée dans cette ligne d’alimentation 6 est supérieure à un seuil de déclenchement, qui correspond à une valeur seuil de dysfonctionnement Vs.

La valeur seuil de dysfonctionnement Vs peut notamment correspondre à une intensité de court-circuit Icc de l’ordre de plusieurs kilo Ampères. La valeur seuil de dysfonctionnement Vs peut être paramétrée dans chaque relais de protection numérique 18, la modification de cette valeur n’étant dès lors possible que par l’intervention d’un opérateur qui modifie le paramétrage relais de protection par relais de protection, ou bien elle peut consister en une valeur disponible sur un serveur à distance auquel le relais de protection numérique peut accéder en continu.

Les relais de protection numériques 18 comportent chacun un module de communication 20 et une unité centrale interne 22.

Le module de communication 20 d’un relais de protection numérique 18 est apte à communiquer avec des modules de communication 20 des autres relais de protection numériques 18, le cas échéant avec chacun des modules de communication 20 des autres relais de protection numériques 18, pour échanger les valeurs caractéristiques Valc de courant qui sont détectées dans la ligne d’alimentation 6 qui est associée au relais de protection numérique 18 équipé de ce module de communication 20.

En d’autres termes, pour un relais de protection numérique 18 donné, le module de communication 20 est configuré pour, à un instant donné, à la fois communiquer la valeur caractéristique Valc de courant de la ligne d’alimentation 6 qui lui est associée et récupérer les valeurs caractéristiques Valc de courant détectées sur les autres lignes d’alimentation.

Les modules de communication 20 sont configurés pour communiquer entre eux via un protocole de communication qui peut notamment être un protocole standard 61850.

L’unité centrale interne 22 d’un relais de protection numérique 18 est configurée pour additionner l’ensemble des valeurs caractéristiques Valc de courant détectées qu’il a pu récupérer pour un instant donné via les modules de communication 20 et calculer ainsi une valeur caractéristique globale Valg du courant. Tel qu’évoqué précédemment, cette unité centrale interne 22 peut avoir récupéré l’ensemble des valeurs caractéristiques pour un instant donné via les modules de communication 20 ou bien une sélection de celles-ci, selon la configuration du système.

L’unité centrale interne peut alors considérer tous les signaux reçus ou seulement une partie d'entre eux, dès lors que conformément à l'invention, elle va considérer plusieurs valeurs dans un fonctionnement généralisé. Plus particulièrement, et tel que cela va être décrit plus en détails ci-après, il convient de noter que deux cas particuliers distincts peuvent être considérés, en fonction de la mise en oeuvre par l’unité centrale interne 22 d’une fonction de déclenchement généralisé ou d’une fonction de déclenchement ciblé.

Dans un premier cas, l’unité centrale interne 22 est configurée pour mettre en oeuvre la fonction de déclenchement généralisé, et utilise ainsi une pluralité de valeurs caractéristiques Valc de courant connues par l’unité centrale interne 22, le cas échéant l’ensemble des valeurs caractéristiques Valc de courant connues par l’unité centrale interne 22, à savoir aussi bien celles reçues via le module de communication 20 que celle que le relais de protection numérique 18 auquel il appartient a détecté. Dès lors, la valeur caractéristique globale Valg de courant est égale à une valeur sommée de chaque valeur caractéristique Valc de courant détectée au sein d’une des lignes d’alimentation 6. Dans l’exemple illustré sur la figure 1, avec trois lignes d’alimentation 6 en mode de fonctionnement standard, c’est-à-dire avec des disjoncteurs 26 associés qui sont fermés, la valeur caractéristique globale Valg de courant est ici égale à la somme des trois valeurs caractéristiques Valc de courant détectées au sein de chacune des lignes d’alimentation 6.

Dans un deuxième cas, l’unité centrale interne 22 est configurée pour mettre en oeuvre la fonction de déclenchement ciblé, notamment en désactivant la fonction de déclenchement généralisé et la prise en compte de la valeur caractéristique globale de courant. Dès lors, et ce quel que soit le nombre de lignes d’alimentation en mode de fonctionnement standard, la valeur utilisée pour être comparée à la valeur seuil de dysfonctionnement est la valeur caractéristique Valc de courant propre à la ligne d’alimentation 6 associée à cette unité centrale interne 22 et ce relais de protection numérique 18.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la fonction de déclenchement généralisé est activée ou désactivée selon les différentes phases ou étapes du procédé de protection selon l’invention et la fonction de déclenchement ciblé est toujours active. Par la suite, lorsqu’il sera décrit que la fonction de déclenchement ciblé est effective, il conviendra de comprendre que la fonction de déclenchement généralisé est simultanément désactivée.

On comprend que selon l’invention, l’unité centrale interne 22 de chaque relais de protection numérique 18 est toujours configurée pour additionner une pluralité, le cas échéant l’ensemble des valeurs caractéristiques Valc portés à sa connaissance, mais que lorsque la fonction de déclenchement généralisé est activée dans les unités centrales internes des relais de protection, c’est la valeur caractéristique globale Valg de courant qui est utilisée pour le déclenchement des disjoncteurs alors que lorsque la fonction de déclenchement ciblé est effective, c’est la valeur caractéristique de courant propre à la ligne d’alimentation qui est cette fois utilisée pour le déclenchement de ces disjoncteurs. .

Par ailleurs, le réseau électrique 1 comporte un module de contrôle 24 qui est notamment configuré pour piloter le dispositif de commutation 14 et les interrupteurs 16 qui relient indépendamment chacune des lignes d’alimentation 6 à la branche de courant commune Tel qu’illustré sur les figures, des moyens de communication sont prévus entre ce module de contrôle 24 et chacun des relais de protection numériques 18. Il peut être plus particulièrement prévu que le module de communication embarqué dans chaque relais de protection numérique 18 est configuré pour permettre la communication avec ce module de contrôle 24. Tel que cela va être détaillé dans les paragraphes suivants, cette communication permet de coordonner le changement de configuration du dispositif de commutation 14 en fonction des détections de dysfonctionnement général ou ciblé réalisés par les relais de protection numériques 18 du système de protection 2 selon l’invention.

On va maintenant décrire le procédé de protection selon l’invention, en référence à la figure 2. De manière générale, on peut distinguer deux phases distinctes, avec une première phase 110 au cours de laquelle on détecte un dysfonctionnement général du réseau électrique 1 et on désactive immédiatement la circulation du courant dans le réseau pour éviter tout problème dû à un court-circuit par exemple, et une deuxième phase 120 au cours de laquelle on réamorce la circulation du courant dans le réseau en compartimentant cette circulation pour détecter et désactiver de manière plus ciblée la ligne d’alimentation 6 concernée par le dysfonctionnement. Tel que cela a déjà été évoqué, la détection du dysfonctionnement général du réseau électrique 1 au cours de la première phase 110 peut se faire sur la base de l’analyse de l’ensemble des valeurs caractéristiques de courant des lignes d’alimentation du réseau ou bien sur la base d’une sélection de ces valeurs, dès lors que l’on considère dans cette première phase une pluralité de valeurs caractéristiques de courant pour les sommer.

Plus particulièrement, dans la première phase, on compare la somme des valeurs caractéristiques Valc de courant détectées respectivement par l’un des relais de protection numériques 18 par rapport à une valeur seuil de dysfonctionnement électrique. En cas de dysfonctionnement, on procède à l’ouverture générale des disjoncteurs associés à chacune des lignes d’alimentation 6 et on coupe le raccordement électrique de chacune des lignes d’alimentation 6 à la branche de courant commune 12. L’action étant la même pour chacune des lignes d’alimentation 6, on parle ici de traitement d’un dysfonctionnement général. Dans la deuxième phase, qui est mise en oeuvre après une désactivation de la fonction de déclenchement généralisé et donc de prise en compte de la valeur sommée des valeurs caractéristiques de courant, notamment tel que cela va être détaillé ci-après, on compare chacune des valeurs caractéristiques Valc de courant détectées par un relais de protection numérique 18 par rapport à ladite valeur seuil de dysfonctionnement électrique, la même que celle utilisée dans la première phase, pour réaliser l’ouverture ciblée du disjoncteur 26 associé à une des lignes d’alimentation 6, et on remet en oeuvre le raccordement électrique à la branche de courant commune 12 des lignes d’alimentation 6 saines. Les actions mises en oeuvre étant différentes pour l’une et l’autre des lignes d’alimentation 6, on parle ici de traitement d’un dysfonctionnement ciblé. Le dispositif et le procédé de protection selon l’invention sont particuliers en ce qu’ils permettent la mise en oeuvre successive d’un traitement de dysfonctionnement général et d’un traitement de dysfonctionnement ciblé, pour assurer à la fois une grande réactivité dans le traitement d’un dysfonctionnement de type court-circuit et un temps réduit d’immobilisation des lignes d’alimentation non défectueuses.

Tel qu’illustré sur la figure 2, la première phase 110 comporte une première étape de détection 111, au cours de laquelle chaque relais de protection numérique 18 réalise la détection à un instant donné d’une valeur caractéristique Valc du courant passant dans la ligne d’alimentation 6 qui lui est associée. Cette valeur caractéristique Valc du courant peut aussi bien être une valeur de tension ou d’intensité du courant, ou une valeur d’impédance de la ligne d’alimentation. Au cours de cette première étape de détection 111, chaque relais de protection numérique 18 communique, via son module de communication 20 qui est à ce stade en configuration active, avec les autres relais de protection numériques 18, de sorte que l’unité centrale interne 22 de chaque relais de protection numérique reçoit, pour l’instant donné, la valeur caractéristique Valc du courant passant dans la ligne d’alimentation associé à son relais de protection numérique ainsi que la valeur caractéristique Valc du courant passant dans les lignes d’alimentation associées aux autres relais de protection numériques 18.

La première phase 110 comporte en outre une deuxième étape de calcul 112, au cours de laquelle on calcule, relais par relais, une valeur caractéristique globale Valg du courant, obtenue par addition des valeurs caractéristiques Valc du courant, et on compare cette valeur caractéristique globale Valg du courant à une valeur seuil de dysfonctionnement électrique Vs, telle qu’elle a pu être présentée précédemment. A la fin de cette deuxième étape de calcul 112, l’unité centrale interne 22 de chaque relais de protection numérique 18 génère une instruction d’ouverture ou de fermeture IOF du disjoncteur 26 de de la ligne d’alimentation 6 sur laquelle ledit relais de protection numérique est disposé. Plus particulièrement, si la valeur caractéristique globale Valg du courant est supérieure à la valeur seuil de dysfonctionnement électrique Vs, le relais de protection numérique 18 détecte un dysfonctionnement, ici un dysfonctionnement général, et participe à ouvrir la ligne d’alimentation 6 correspondante via une instruction d’ouverture ou de fermeture IOF qui consiste à commander l’ouverture ou la fermeture du disjoncteur 26 disposé sur cette ligne d’alimentation 6.

On comprend que chaque relais de protection numérique 18 obtient dans cette deuxième étape de calcul 112 une même valeur caractéristique globale Valg du courant puisque toutes les valeurs caractéristiques Valc du courant détectées dans les lignes d’alimentation 6 sont prises en compte. Dès lors que les valeurs seuil de dysfonctionnement électrique Vs paramétrées dans les unités de contrôle 22 des relais de protection numérique 18 sont toutes les mêmes, l’instruction d’ouverture ou fermeture IOF d’un disjoncteur associé à la ligne d’alimentation est la même d’une ligne d’alimentation à l’autre.

Par ailleurs, la première phase 110 peut comporter une troisième étape d’isolation 113, si un dysfonctionnement général est détecté et que tous les disjoncteurs 26 associés aux lignes d’alimentation 6 sont ouverts en conséquence. Les relais de protection numériques 18 communiquent au module de contrôle 24 du réseau électrique une instruction de désactivation du raccordement électrique des lignes d’alimentation 6 à la branche de courant commune 12 par commande du dispositif de commutation 14, pour isoler électriquement chacune des lignes et s’assurer qu’un courant de court-circuit circulant dans une ligne d’alimentation ne soit pas transmis dans une ligne parallèle. De manière simultanée, au cours de cette troisième étape d’isolation 113, les fonctions de déclenchement généralisé paramétrées dans les unités centrales internes 22 des relais de protection numériques 18 sont désactivés. Par simultané, il convient de comprendre que les fonctions de déclenchement généralisé peuvent être désactivées aussi bien dès lors que l’on a une donnée de désactivation effective du raccordement électrique en provenance du module de contrôle pilotant le dispositif de commutation, ou bien au bout d’un laps de temps donné à partir de la communication de l’instruction de désactivation, ce laps de temps étant choisi comme suffisant pour permettre de réaliser la fonction de désactivation.

La deuxième phase 120 est mise en oeuvre dès lors que les fonctions de déclenchement généralisé sont tous en configuration inactive.

La deuxième phase 120 comporte une quatrième étape de discrimination 121 au cours de laquelle chaque relais de protection numérique 18 considère cette fois uniquement la valeur caractéristique Valc du courant passant dans la ligne d’alimentation 6 à laquelle il est associé, puisque les fonctions de déclenchement généralisé sont inactives et que les unités centrales internes 22 mettent alors en oeuvre les fonctions de déclenchement ciblé désormais effectives. Dès lors, la valeur caractéristique globale Valg du courant qui est comparée à ladite valeur seuil de dysfonctionnement électrique Vs est égale à la valeur caractéristique Valc du courant dans la ligne d’alimentation 6 correspondante. Le cas échéant, comme précédemment, si la valeur caractéristique globale du courant est supérieure à la valeur seuil de dysfonctionnement électrique, un dysfonctionnement est détecté et la ligne d’alimentation correspondante est ouverte via la commande du disjoncteur associé 26. On comprend qu’ici le dysfonctionnement est ciblé et l’ouverture d’un disjoncteur associé à une ligne d’alimentation est indépendante de celle des autres lignes d’alimentation.

La deuxième phase 120 comporte en outre une cinquième étape de régulation 122 au cours de laquelle la ligne d’alimentation 6 identifiée comme défectueuse reste non raccordée à la branche de courant commune 12 pendant que le raccordement des autres lignes d’alimentation 6 est modifié pour être raccordé à la branche de courant commune 12. De manière simultanée, au cours de cette cinquième étape de régulation 122, les relais de protection numériques 18 sont pilotés pour réactiver leur fonction de déclenchement généralisé permettant de considérer les valeurs caractéristiques de courant sommées. Comme précédemment, par simultané, il convient de comprendre que les fonctions de déclenchement généralisé peuvent être réactivées aussi bien dès lors que l’on a une donnée de modification effective de la configuration du raccordement électrique en provenance du module de contrôle pilotant le dispositif de commutation, ou bien au bout d’un laps de temps donné à partir de la communication de l’instruction transmise au module de contrôle du réseau.

On va maintenant décrire plus en détails le procédé de protection tel qu’il vient d’être présenté, en se référant aux figures 3 à 8, qui illustrent les différentes phases et étapes du procédé dans le cas pratique de l’installation illustrée sur la figure 1 et précédemment décrite dans une configuration standard.

La figure 3 illustre un dysfonctionnement, et plus particulièrement un court-circuit sur une des caténaires. Un tel court-circuit peut notamment être rendu possible par la chute d’une caténaire au sol ou ici sur un rail du réseau ferroviaire 28.

Les lignes d’alimentation 6 étant raccordées à la branche de courant commune 12, le courant de court-circuit Icc circule dans chacune des lignes d’alimentation 6 sur lesquelles sont disposés les relais de protection numériques 18 du système de protection 2 selon l’invention, tel que cela est représenté en trait gras sur la figure 3. Le courant de court-circuit Icc est ainsi réparti sur X lignes d’alimentation 6, ici au nombre de trois, de sorte que le courant passant dans chaque ligne d’alimentation en regard d’un relais de protection numérique 18 est d’une valeur Icc/X, ici Icc/3. Au cours de la première étape de détection précédemment évoqué, chaque relais de protection numérique 18 détecte ainsi une valeur caractéristique Valc de courant propre à sa ligne d’alimentation qui correspond à cette valeur Icc/X.

Les fonctions de déclenchement généralisé des relais de protection numériques 18 étant en configuration active, l’unité centrale interne 22 de chaque relais de protection numérique 18 reçoit au cours de cette première étape l’ensemble des valeurs caractéristiques Valc de courant détectées par les autres relais de protection numériques 18.

La figure 4 illustre la deuxième étape de calcul 112, au cours de laquelle chaque relais de protection numérique 18 calcule une valeur caractéristique globale Valg en additionnant sa valeur caractéristique Icc/X aux autres valeurs caractéristiques détectées par les (X-l) autres relais de protection, ici les deux autres relais de protection numériques 18. La valeur caractéristique Valg globale considérée par chaque relais de protection numérique 18 correspond ainsi à la valeur de courant de court-circuit Icc. Dans le cas illustré, la valeur caractéristique globale, comparée au seuil de dysfonctionnement électrique Vs, est supérieure à cette valeur seuil, et toutes les lignes d’alimentation 6 sont désactivées, le temps que le raccordement des lignes d’alimentation en parallèle soit désactivé. L’ouverture des disjoncteurs 26 associés aux lignes d’alimentation 6 peut être faite directement par le relais de protection numérique 18, ou bien tel qu’illustré en trait gras sur la figure 4 par l’intermédiaire du module de contrôle 24 du réseau via une instruction d’ouverture préalablement envoyée par les relais de protection numériques 18.

La figure 5 illustre la troisième étape 113 de la première phase 110, mise en oeuvre lorsqu’un dysfonctionnement général est détecté et que tous les disjoncteurs associés aux lignes d’alimentation 6 sont ouverts. Aucun courant ne circule dans le réseau électrique. La troisième étape d’isolation 113 consiste alors à modifier la configuration du dispositif de commutation 14, le module de contrôle 24 donnant instruction en ce sens à chacun des interrupteurs 16 formant ce dispositif de commutation 14, tel que visible en trait gras sur la figure 5. Suite à un retour d’information sur la réalisation de cette ouverture de l’ensemble des interrupteurs du dispositif de commutation 14, ou à la fin d’un laps de temps déterminé et prenant en compte le temps de désactiver la mise en parallèle des caténaires par ouverture des interrupteurs, les fonctions de déclenchement généralisé des relais de protection numériques 18 sont désactivées.

La deuxième phase 120 peut alors commencer, pour détecter de manière ciblé le dysfo nctio nnemen t.

Les figures 6 et 7 illustrent la quatrième étape de discrimination 121, au cours de laquelle on ferme l’ensemble des disjoncteurs associés aux lignes d’alimentation 6 pour permettre la circulation de courant dans les caténaires. Dans ce contexte, il est notable, tel que cela est visible sur la figure 6 en traits gras, que le courant de court-circuit Icc ne circule que dans une des lignes d’alimentation 6, les autres lignes d’alimentation n’étant pas impactées par ce courant de court-circuit.

Comme précédemment dans la première phase, chaque relais de protection numérique 18 détecte une valeur caractéristique Valc du courant qui est propre à la ligne d’alimentation 6 sur laquelle le relais de protection numérique 18 est disposé. Ici, les fonctions de déclenchement généralisé étant désactivées, les unités centrales interne 22 comparent au seuil de dysfonctionnement électrique Vs une valeur caractéristique globale Valg égale à la valeur caractéristique Valc de courant propre à leur ligne d’alimentation.

Dans l’exemple illustré, le relais de protection numérique 18 associé à la ligne d’alimentation 6 dans laquelle le courant de court-circuit circule détecte une valeur caractéristique Valc de courant correspondant au courant de court-circuit Icc et il déclenche en conséquence une instruction d’ouverture IOF de la ligne d’alimentation 6, visible en trait gras sur la figure 7, puisque la valeur caractéristique globale Valg est égale à ce courant de court-circuit Icc, supérieure à la valeur du seuil de dysfonctionnement Vs. Les autres relais de protection numériques 18 détectent pour leur part une valeur caractéristique de courant standard, ou aucun courant le cas échéant, de sorte qu’aucun défaut de la ligne d’alimentation correspondante n’est détecté et qu’aucune instruction d’ouverture de la ligne d’alimentation n’est envoyée. C’est bien un dysfonctionnement ciblé qui est détecté et qui est traité par l’ouverture ciblée de la ligne correspondant à la caténaire en court-circuit.

Il est notable que lors des différentes étapes décrites précédemment où les relais de protection comparent des valeurs caractéristiques de courant à des valeurs seuils pour définir si leur ligne d’alimentation doit être désactivée, la valeur seuil Vs est toujours la même, et que c’est l’activation ou la désactivation des fonctions de déclenchement généralisé d’une part et la liaison électrique ou non des lignes d’alimentation 6 en parallèle d’autre part qui font que l’on peut cibler la détection de dysfonctionnement de manière ciblée ou générale.

La figure 8 illustre la cinquième étape de régulation 122, qui vise à revenir à un mode de fonctionnement standard avec les lignes d’alimentation 6 en parallèle qui sont reliées à une branche de courant commune 12, à l’exception cette fois de la ligne d’alimentation sur laquelle le court-circuit a été détectée et ce jusqu’à la réparation de ce dysfonctionnement.

La cinquième étape comporte d’une part une fermeture des interrupteurs 16 du dispositif de commutation 14 correspondant aux lignes d’alimentation qui ne connaissent pas de dysfonctionnement, tel que cela est visible en traits gras sur la figure 8 entre le module de contrôle 24 de l’installation et deux des interrupteurs 16, et comporte d’autre part une remise en fonctionnement des fonctions de déclenchement généralisé des relais de protection numériques 18,. Il est notable que le module de communication du relais de protection numérique 18 associé à la ligne d’alimentation en dysfonctionnement est actif, sans que cela gêne le fonctionnement du système de protection puisqu’aucun courant ne circule dans cette ligne d’alimentation.

Chaque relais de protection numérique 18 associé à une ligne d’alimentation fermée est alors apte à détecter une valeur caractéristique de courant égale à Icc/(X-1), ici Icc/2, si un court-circuit venait à se créer sur une des lignes d’alimentation fermée et reliée à la branche de courant commune via le dispositif de commutation. La première phase et la deuxième phase seraient alors mises en oeuvre similairement à ce qui vient d’être décrit.

L’invention telle qu’elle vient d’être décrite atteint les buts qu’elle s’est fixés et notamment de permettre à la fois une action généralisée sur le réseau dès la détection d’un dysfonctionnement et une action plus ciblée sur la ligne d’alimentation générant ce dysfonctionnement tout en laissant les autres lignes d’alimentation actives. Ceci est notamment rendu possible par l’activation et la désactivation appropriée d’une fonction de déclenchement généralisé paramétrée dans les unités centrales internes des relais de protection disposés sur chacun des lignes d’alimentation, et le fait qu’en conséquence une valeur seuil de dysfonctionnement soit comparée soit à une valeur caractéristique globale de courant résultant d’une somme d’une pluralité de valeurs caractéristiques de courant, le cas échéant de toutes les valeurs caractéristiques de courant, échangées en continu par des modules de communication appropriés soit à une unique valeur caractéristique de courant propre à la ligne d’alimentation qu’on vise à diagnostiquer.

De manière générale, le mode de réalisation qui a été décrit ci-dessus n’est nullement limitatif : on pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection des caractéristiques décrites isolées des autres caractéristiques mentionnées dans ce document, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.