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Transport et distribution de l ’ énergie électrique. Dimensionnement de conducteur Calcul d ’ ampacité (temps réel et prévisions). NGUYEN Huu-Minh Transport et Distribution de l ’ Énergie Électrique (Prof. J.-L. Lilien), Institut Montefiore, Université de Liège, Belgique. - PowerPoint PPT Presentation
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Transport et distribution de l’énergie électrique
Dimensionnement de conducteurCalcul d’ampacité (temps réel et prévisions)
30 oct 2013, Liège
NGUYEN Huu-Minh
Transport et Distribution de l’Énergie Électrique (Prof. J.-L. Lilien),Institut Montefiore, Université de Liège, Belgique.
TDEE 2013 2
Critères de dimensionnement des lignes Critères sur le conducteur Supports Poids équivalent Portée critique Flèche maximale Autres calculs
Ampacité
Plan général
TDEE 2013 3
I) 4 critères sur les conducteurs (6.2.1) :
Courant nominal
Courant de court-circuit
Chute de tension
Économique
II) Les supports (6.2.2)
Critères de dimensionnement des lignes(réf. TP 6.2)
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 4
Relation température – flèche du conducteur
pour une portée de niveau (typiquement Δh/L < 0.1)
avec
T = traction horizontale (assimilée à la traction axiale du conducteur)
η = paramètre de chaînette
s = longueur du conducteur
L = longueur de la portée (s > L) en développant le cosh, on a : flèche f = L²/8η Développements limités justifiés, puisque L ~ 400m, η~1500 à 2000m
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 5
Relation température – flèche du conducteur
pour une portée de niveau: avec
La différence de longueur d’arc entre 2 états s2-s1 est la somme algébrique
de :
Il vient : formule de changement d’état
il existe une relation univoque flèche-température de conducteur
(dans cette équation, on peut assimiler s1 = L)
TDEE 2013 6
III) Poids équivalent (ou apparent) (6.2.3) :
Force de traînée du vent sur le conducteur
par unité de longueur [N/m] :
F = CD . q . d [N/m]
pour altitude = 0m à 20°C
CD peut être réduit à 0.6
Calcul du POIDS APPARENT pour pour conducteurs aero-Z
=> H1 (hypothèse été)
=> H2 (hypothèse hiver)
Critères de dimensionnement des lignes(réf. TP 6.2)
3 conditions à respecter : T_max, f_max, θ_max
TDEE 2013 7
IV) Portée critique (6.2.4) (H1 et H2): condition sur T_max
Critères de dimensionnement des lignes(réf. TP 6.2)
On compare la longueur de portée L à la portée critique L_cr
Si L < L_cr ou L_cr imaginaire=> hypothèse grand froid (portées courtes)Si L > L_cr => hypothèse grand vent (portées longues) Une fois l’hypothèse choisie, => On utilise l’hypothèse ad hoc en injectant T_max dans l’équation d’état, d’où trouve la constante de l’équation de changement d’état = a
Lcr
TDEE 2013 8
Critères de dimensionnement des lignes(réf. TP 6.2)
Δ ΔL2 L2
L2
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 9
Relation température – flèche du conducteur
pour un canton de pose (portées de niveau) :
Il vient : formule de changement d’état pour un canton
avec Lr
TDEE 2013 10
VI) Autres calculs : longueur de la chaîne de suspension, géométrie des pylônes et efforts en tête de pylône, coût des supports, effet couronne. (cf. notes, à passer ?)
Optimisation de l’usage des lignes existantes
Après le dimensionnement à 75°C, on étudie les conditions pour lesquelles on peut augmenter l’ampacité.
Critères de dimensionnement des lignes(réf. TP 6.2)
TDEE 2013 11
Définition Besoins actuels en transport d’énergie électrique Méthode Ampacimon Physique du conducteur et méthodes de calcul Constante de temps thermique Résultats de recherche
AmpacitéPlan
TDEE 2013 12
CIGRE defines the current carrying capacity from a thermal viewpoint or ampacity as follow : “The ampacity of a conductor is that current which will meet the design, security and safety criteria of a particular line on which the conductor is used”.
CIGRÉ=Conseil International des Grands Réseaux Électriques (depuis 1921)
Cigre, 2004, “Conductors for the uprating of overhead lines”, TB244, WGB2.12.
AmpacitéDéfinition
TDEE 2013 13
DLR system : Ampacimon (ULg)Besoins
Opération avec un système DLR (Dynamic Line Rating) du type Ampacimon
Utilisation actuelle des lignes
(N-1)
(N-1)
TDEE 2013 14
module
module
plateforme
Prémoteur
(calcul flèches)
Data BF
Data BF
Moteur Ampacité
Moteur prédictif
Météo
(vent, t_amb,…)
TSO (ELIA)
Courant I
Chaîne de transmission complète
Mesures Ampacimon : algo de calcul de flèche
géomètres
Ampacité / Prévisions
1.Temps restant
2.Flèche / MVA disponible
DLR system : AmpacimonMéthode du DLR développé à l’ULg
Ampacité
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 15
Équation thermique du conducteur
])([1 2
rcsc
p
c PPPITRmCdt
dT
0 20 40 60 80 100 120 140 160 18030
40
50
60
70
80
90
100
110
Time [min]
Ave
rage
Tem
pera
ture
[°C
]
Temperature vs. Time simulation [621 AMS]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Cur
rent
Int
ensi
ty [
A]
Tc = température moyenne du conducteur [°C]
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 16
0 20 40 60 80 100 120 140 160 18030
40
50
60
70
80
90
100
110
Time [min]
Ave
rage
Tem
pera
ture
[°C
]
Temperature vs. Time simulation [621 AMS]
100 A --> 1500 A
100 A --> 1000 A
Information utile au TSO pour assurer la sécurité de la ligne,
typiquement cas N-1 (exemple : +60% de courant) :1) Valeur finale de température et de flèche [Belgique : Tc=75°C max.*]
2) Temporisation
Security threshold
*défini par le RGIE : Règlement Général sur les Installations Électriques (Belgique, depuis 1981)
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 17
Équation thermique du conducteur
: capacité thermique massique (« chaleur massique ») [J.kg-1.K-
1]
= specific heat
])([1 2
rcsc
p
c PPPITRmCdt
dT
MatériauCapacité thermique massique [J.kg-1.K-1]
eau liquide ~4200
Air sec ~1000
Aluminium (pour ligne HT)* 955
Acier (pour ligne HT)* 476
Cuivre (pour ligne HT)* 423
* Source : IEEE standard for calculating the current-temperature of bare overhead conductors IEEE Std 738-2006
pC
=> Calcul court-circuit (adiabatique) !
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 18
Équation thermique du conducteur
: capacité thermique massique ou « chaleur massique » (J.kg-
1.K-1)
= specific heat
m : masse linéique [kg.m-1]
])([1 2
rcsc
p
c PPPITRmCdt
dT
pC
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 19
Équation thermique du conducteur
Apport de chaleur
: Echauffement par effet Joule [W/m]
(R [Ω/m] non-linéaire interpolation linéaire)
: Echauffement par radiation incidente globale [W/m]
1. (CIGRE)
: coeff. d’absorptivité de surface [0,1]
: irradiance solaire (dimensionnement : 1000 W/m²)
2. Méthode IEEE (plus élaborée, dépend de l’heure et du jour)
])([1 2
rcsc
p
c PPPITRmCdt
dT
2)( ITR c
SP
S
SW
dWP SSS
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 20
Équation thermique du conducteur
Dissipation de chaleur
: refroidissement par rayonnement du conducteur [W/m]
(Ta ≠ Tamb mais on les assimile en pratique)
: coeff. d’émissivité de surface [0,1]
: constante de Stefan-Boltzmann = 5,67.10-8 (W.m-2.K-4)
Ts, Ta : température de la surface du conducteur, et température ambiante (K)
(attention, en Kelvins !!!)
])([1 2
rcsc
p
c PPPITRmCdt
dT
rP
SB
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 21
Équation thermique du conducteur
Dissipation de chaleur
: refroidissement par convection [W/m]
pour convection forcée (
)
: standard Std 738-2006
])([1 2
rcsc
p
c PPPITRmCdt
dT
cP
s
mv 5.0
)( IEEEcP
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 22
Équation thermique du conducteur
À l’équilibre, résoudre l’équation avec :
Sinon EDO (d’ordre 1 si on néglige le rayonnement, ou si on le linéarise).
En pratique, dans ce TP, on assimilera Tc = Ts
])([1 2
rcsc
p
c PPPITRmCdt
dT
0dt
dTc
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013
0 500 1000 15000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Current [A]
Con
duct
or A
vera
ge T
empe
ratu
re [
°C]
Temperature vs. Current simulation [621 AMS / T°ref = 15°C]
Ambient temperature = 15 °C Global irradiance = 1000 W/m² Emittance = 1 Load at 75°C (wind n°1) = 1184 A
Bayliss : v(1) = 0.5 m/s
Bayliss : v(2) = 2 m/s
Bayliss : v(3) = 4 m/s
Bayliss : v(4) = 6 m/s
23
calcul à l’équilibre
Tc,max
+ de vent => + de courant pour atteindre la même température(pour simplifier, on considérera dans tous les calculs qui suivent le vent perpendiculaire à l’axe du conducteur, mais dans la réalité l’impact de sa direction est significatif !)
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 24
I) Le calcul de la constante de temps se fait à partir de la formule simplifiée p.124 (théorie), et la table des conducteurs en annexe 6.5 p.43 (TP) en 3 étapes :
1. On calcule la température d’équilibre Tc =Ti pour le courant initial Ii
On calcule la température d’équilibre Tc =Tf pour le courant final If
(on considère l’absorptivité α= 0.9, émissivité ε =0.7. Pq ce de choix α>ε ?)
Pour ces deux calculs d’équilibre, on néglige le terme de rayonnement Pr en première approximation (car il vaut moins de
20% du terme de convection Pc), ce qui permet de résoudre une simple équation algébrique du 1er degré.
Evidemment, ce faisant, on surestime la température du conducteur, et cela fausse les calculs surtout à
température de conducteur Tc élevée.
En 2e approximation, on peut linéariser le terme Pr autour de Ta :
ce qui n’est pas trop mauvais (surtout à faible Tc), c’est cette dernière approximation qui sera utilisée dans les exemples
suivants.
(Attention, pour Pr, la température est exprimée en Kelvins ! Car issu de la loi de Stefan-Boltzmann)
Calcul du transitoireConstante de temps thermique
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013
25
3. On estime enfin la constante de temps :
Calcul du transitoireConstante de temps thermique (suite)
R=R(20°C) en 1ère approx (utilisée dans les calculs qui suivent)On pourrait raffiner le calcul en considérant une dépendance linéaire avec la température R=R(Tc)R=R20°C(1+αR (Tc-20)) Tc [°C] et αR= 0.0036 [1/K] (pour l’aluminium)
m = masse linéique du conducteur [kg/m]
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013
II) Calcul plus rapide : On peut directement calculer la constante de temps τ si on connaît le coefficient d’échange thermique h [W/(K.m2)], ce qui donne au final exactement le même résultat (si R ≠ R(Tc)).Pour trouver h, il suffit de réécrire les termes de dissipation de chaleur comme suit :
, et on trouve en [s]
NB : En pratique, on peut retenir que pour le dimensionnement (v=0.5 m/s), πdh ≈ 1.3 à 1.5 W/Km et m ≈ 1 à 1.5 kg/m et donc que l’ordre de grandeur de la constante de temps pour les lignes aériennes :
τ ≈ Cp en valeur numérique ( τ ≈ 900s ≈ 15min) ! (en considérant les unités SI de chaque côté de « l’égalité »).
26
Calcul du transitoireConstante de temps thermique (suite)
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013
III) Vérifiez que vous obtenez les mêmes ordres de grandeur avec cette approche simplifiée que les résultats de simulations (utilisant, elles, le modèle IEEE). Cf. dias qui suivent !
27
Calcul du transitoireConstante de temps thermique (suite)
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 28
Dimensionnement été charge=70% et perte d’un terne parallèle (ligne proche parc éolien) => I*2 (été, sans vent)
Calcul simplifié : Ti=49°C, Tf=86°C, tau ≈ 15min
Calcul du transitoireConstante de temps thermique
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 29
Si on considère que les 2 ternes sont en parallèles, et si on perd un terne (situation N-1),on aura grosso modo toute la puissance qui se reporte sur le terne restant.Du point de vue opération du réseau, on imposerait ainsi pour l’été :
max courant admissible = I_dimensionnement/2=440 A
Que faire pour gérer la situation en N (les éoliennes injectent plus que 440 A) ? (Tc,max = 75°C)
a)Diminuer la puissance qui transite dans la ligne
Solution 1 : changer topologie (calcul configuration locale du réseau : jeux de barre, ou Power Flow Controller si on en dispose, comme par ex. FACTS, ou Phase Shifting Transformer(PST)*)
Solution 2 : Redispatching (coûteux) et/ou délestage du parc éolien
Calcul du transitoireConstante de temps thermique
*ELIA possède 3 PST en Belgique, notamment pour réguler les flux électriques européens à sa frontière.Ceux-ci transitent par la Belgique même si cela ne la concerne pas ! Cela est dû à sa position centrale,et au réseau européen fortement maillé (par ex. énergie provenant de l’éolien allemand et vendue en France)
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 30
b) Augmenter la limite thermique de la ligneSolution 3 : DLR (Dynamic Line Rating) et/ou augmentation du seasonal rating par calcul probabiliste (tenant compte des conditions météo de la région)
Solution 4 : autoriser courant de surcharge momentané (quelques dizaines de minutes) uniquement solution de secours
c) Autres options (du futur proche)Solutions 5 : Demand-side management (DSM), storage (près de génération ou de charge), Virtual Power Plant, HVDC, etc. Bref, il y a encore beaucoup de boulot (et de demande) pour les ingénieurs dans ce domaine !
Calcul du transitoireConstante de temps thermique
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 31
Dimensionnement hiver charge=70% et perte d’un terne(ligne proche parc éolien) hiver, avec vent
Calcul du transitoireConstante de temps thermique
Calcul simplifié : Ti=23°C, Tf=70°C, tau ≈ 15min
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 32
Si on prend en compte le vent, on constate que : i) on n’a plus de problèmes de congestion si v élevé (mais attention à la variabilité du vent !)ii) La constante de temps du conducteur diminue rapidement lorsque v augmente Utilité d’avoir un DLR installé (surveillance en temps réel de la ligne)
Calcul du transitoireConstante de temps thermique
Calc. simplifié : Ti=25°C, Tf=53°C, tau ≈ 6minCalc.simplifié : Ti=31°C, Tf=71°C, tau ≈ 9min
AmpacitéPhysique du conducteur
TDEE 2013 33
Paramètres influençant l’ampacité (classés selon leur variabilité dans le temps) :
1. Conditions météo : vent (très variable dans le temps et l’espace), ensoleillement, T. ambiante, (pluie, neige), etc.
2. Courant traversant le conducteur
3. Physique du matériau : coefficient d’absorption/émission, fluage
4. Géométrie du conducteur (diamètre, organisation des brins, aero-Z,…)
5. Nature du matériau (AMS, ACSR, Cu, conducteur haute température)
Paramètres principaux influençant la constante de temps :
1. Le vent surtout : entre 5min (pour v>5m/s) et 15min (v=0.5m/s càd dimensionnement))
2. Le courant
TDEE 2013 34
Projet AmpacimonPrévisions d’ampacité
NETFLEX – DEMO 5Algorithm for line capacity prediction (ULG)Deliverable nº: 7.2
Line capacity forecast (NETFLEX)Real-time capacity
1 week
100Seasonal rating
% o
f se
aso
nal
rat
ing
35
NETFLEX Results2 days ahead capacity forecast (P98)
Résultat actuel de recherche dans le service TDEE : prévision d’ampacité à 2 jours
TDEE 2013 36
Le gestionnaire du réseau de transport (GRT, ou TSO en anglais) a besoin de connaître l’ampacité dynamique à l’avance :• 2 jours à l’avance pour les calculs de marché (J-2)• 1 jour à l’avance pour les calculs de sécurité réseau (J-1)
La technologie DLR développée à l’ULg apporte une plus-value pour l’opérateur lorsqu’il connaît à l’avance la capacité de transport de ses lignes (capacité fournie en prévision heure par heure par exemple).
Les résultats actuels de prévision en J-2 fournissent un gain de 10-15% d’ampacité par rapport au seasonal rating !
Pour ceux et celle qui sont intéressés :
Module de mesure développé à l’ULg : www.ampacimon.com
Projet européen TWENTIES (Netflex Demo) : www.twenties-project.eu/node/150
Résultats de recherche TDEE / Projet européen