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Glossaire · Secteur de l’énergie & transition énergétique

Compensation du courant de défaut à la terre, bobine de Petersen

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La compensation du courant de défaut à la terre est un procédé de traitement du point neutre dans les réseaux triphasés à courant alternatif. Elle réduit de manière ciblée le courant qui circule lors d'un défaut à la terre unipolaire. Pour cela, une bobine d'inductance réglable est branchée entre le point neutre d'un transformateur ou d'un générateur de point neutre et l'installation de mise à la terre. Cette bobine s'appelle bobine d'extinction de défaut à la terre ou, d'après son inventeur Waldemar Petersen, bobine de Petersen. D'autres noms pour ce mode d'exploitation sont mise à la terre du point neutre par résonance, réseau à neutre compensé ou réseau compensé. En cas de défaut, la bobine génère un courant inductif qui annule en grande partie le courant capacitif de défaut à la terre du réseau.

L'idée vient de Waldemar Petersen, ingénieur électricien à la TH Darmstadt. AEG a déposé le brevet du dispositif le 24 janvier 1917 (DE 304 823). À partir de 1921, AEG a fabriqué la bobine en série. Aujourd'hui encore, la compensation du courant de défaut à la terre reste une forme très répandue de traitement du point neutre dans de nombreux réseaux de distribution européens.

Elle est le plus souvent utilisée dans les réseaux moyenne tension. En Allemagne, de nombreux réseaux 110 kV sont toutefois eux aussi exploités en mode compensé, surtout ceux comportant beaucoup de lignes aériennes. Les défauts à la terre unipolaires y sont un type de défaut fréquent. Ils résultent par exemple de câbles endommagés, de défauts d'isolation, de branches, de surtensions, d'animaux ou d'humidité dans les matériels d'exploitation. La compensation du courant de défaut à la terre n'est donc pas un appareil de protection isolé, mais un mode d'exploitation du réseau : un défaut unipolaire à la terre ne doit pas conduire immédiatement à un courant de défaut élevé et donc à une mise hors tension.

Principe physique

La compensation du courant de défaut à la terre repose sur la capacité électrique des conducteurs par rapport à la terre. Chaque ligne aérienne et chaque câble forme, avec la terre, une sorte de condensateur réparti. En cas de défaut à la terre, un conducteur de phase est relié de manière conductrice à la terre ou à des parties mises à la terre. Tout le système de tensions se déplace alors par rapport à la terre. Entre le point neutre et la terre apparaît ce que l'on appelle la tension de déplacement du neutre. En cas de défaut franc, elle atteint environ la tension phase-terre du réseau. Les deux conducteurs sains se trouvent alors approximativement à la tension composée par rapport à la terre, soit jusqu'à √3 fois leur valeur normale. Un courant capacitif circule vers le point de défaut à travers leurs capacités à la terre.

Dans le même temps, la tension de déplacement du neutre fait circuler dans la bobine de Petersen un courant inductif, qui passe lui aussi par le point de défaut. Les courants capacitif et inductif sont déphasés de 180 degrés l'un par rapport à l'autre. Si la bobine est correctement accordée, ces deux courants réactifs s'annulent en grande partie au point de défaut. La bobine et les capacités à la terre forment alors un circuit oscillant parallèle accordé sur la fréquence du réseau. Il subsiste un courant résiduel de défaut à la terre. Il se compose du courant résiduel actif, qui provient des pertes de la bobine, des courants de fuite et des pertes par effet couronne, de la part réactive non compensée en cas de désaccord, ainsi que de composantes dues aux harmoniques et aux asymétries. La bobine de Petersen ne compense que la composante fondamentale. Si le courant résiduel est suffisamment faible, un arc au point de défaut s'éteint souvent de lui-même. D'où le nom de bobine d'extinction de défaut à la terre.

Un exemple illustre l'ordre de grandeur : un vaste réseau de câbles 20 kV peut avoir un courant capacitif de défaut à la terre de plusieurs centaines d'ampères. S'il est bien compensé, seuls quelques pour cent de ce courant circulent encore par le point de défaut, principalement sous forme de courant actif. Les réseaux de câbles sont faiblement amortis. La part active y provient surtout de la bobine elle-même, dont l'amortissement se situe souvent autour de 3 pour cent. Dans les réseaux de lignes aériennes, ce sont en revanche les pertes par effet couronne et de fuite qui dominent. L'amortissement total y est nettement plus élevé, d'environ 6 à 10 pour cent.

Limite d'extinction et accord

L'auto-extinction ne fonctionne que jusqu'à un certain courant résiduel, la limite d'extinction. L'ancienne norme VDE 0228 partie 2 (édition de décembre 1987) contenait à cet effet des valeurs indicatives déterminées expérimentalement, en fonction de la tension nominale. Pour les réseaux 20 kV avec compensation, la limite se situait à environ 60 A, pour les réseaux isolés à environ 30 A. La littérature spécialisée indique aujourd'hui encore, à titre d'orientation, environ 60 A pour la moyenne tension (10, 20 et 30 kV) et environ 120 à 132 A pour les réseaux 110 kV. La limite d'extinction borne l'étendue que peut avoir un réseau compensé. Le courant résiduel actif croît avec la longueur des lignes et ne peut pas être compensé avec une bobine classique.

Le niveau du courant capacitif de défaut à la terre dépend de la longueur, du type de construction et de la configuration de commutation des lignes et des câbles. Les câbles ont des capacités à la terre nettement plus élevées qu'une ligne aérienne. Lorsqu'un réseau de distribution est de plus en plus câblé, le courant capacitif de défaut à la terre augmente donc, et avec lui le courant résiduel actif. De nombreuses bobines de Petersen peuvent être réglées en charge, par exemple au moyen d'un noyau plongeur mobile ou par paliers. Un régulateur les ajuste automatiquement. Lors de la mise en service et des contrôles, la bobine est parcourue par paliers. La courbe de résonance de la tension de déplacement du neutre est alors relevée. On peut en déduire une estimation du courant capacitif de défaut à la terre et du courant résiduel actif.

Dans la pratique, on ne règle pas exactement sur la résonance. En Allemagne, les réseaux compensés sont le plus souvent exploités en légère surcompensation. Le courant de la bobine dépasse alors le courant capacitif de défaut à la terre d'un désaccord de l'ordre de 5 pour cent. Ainsi, le réseau n'entre pas en résonance lorsque des tronçons de ligne sont déconnectés et que la capacité du réseau diminue. En Autriche, la sous-compensation est plus fréquente. Si le réseau est trop fortement désaccordé, le courant résiduel augmente et l'auto-extinction se dégrade.

Distinction par rapport aux autres traitements du point neutre et au court-circuit

La compensation du courant de défaut à la terre n'est pas la même chose qu'une simple mise à la terre du réseau. La question n'est pas seulement de savoir si un point neutre est mis à la terre, mais comment il l'est. Un point neutre mis à la terre directement ou à faible impédance conduit, en cas de défaut unipolaire, à un courant de défaut élevé que la protection déclenche rapidement. Un point neutre isolé n'a pas de liaison directe avec la terre. Des courants capacitifs de défaut à la terre circulent néanmoins par les capacités à la terre, et leur limite d'extinction est plus basse. Le réseau compensé se situe entre les deux : son point neutre est mis à la terre par une bobine accordée sur la capacité du réseau. Un aperçu de toutes les variantes est donné dans l'entrée traitement du point neutre.

Il faut aussi faire la distinction avec le court-circuit. Un court-circuit est une liaison à faible impédance entre des conducteurs de potentiels différents, dans laquelle de très forts courants peuvent circuler. Dans les réseaux mis à la terre à faible impédance, un défaut entre conducteur et terre est lui aussi un court-circuit, le court-circuit à la terre. Dans le réseau compensé, le défaut à la terre unipolaire se caractérise au contraire précisément par un faible courant de défaut. Il n'a donc pas à être déclenché immédiatement. Toutefois, si un second défaut à la terre survient sur un autre conducteur et à un autre endroit, il en résulte un double défaut à la terre. Il s'agit d'un court-circuit via la terre avec un courant élevé, que la protection doit déclencher de façon sélective.

La compensation ne convient pas aux très hautes tensions. À partir d'environ 220 kV, parfois déjà à 110 kV, le courant résiduel composé de la part active et du désaccord est trop élevé. De plus, il serait peu économique d'y dimensionner l'isolation pour la tension phase-terre accrue des conducteurs sains. Les réseaux de très haute tension sont donc mis à la terre à faible impédance.

Importance pour la protection et l'exploitation du réseau

La compensation du courant de défaut à la terre ne remplace pas la protection du réseau, mais modifie sa tâche. En présence de courants de court-circuit élevés, l'amplitude du courant et la sélectivité chronométrique suffisent souvent. Un défaut à la terre compensé est en revanche plus difficile à détecter et à localiser : le courant de défaut est faible, sa composante active est faible, et sa direction doit malgré tout être déterminée de manière fiable. Les réseaux compensés nécessitent donc une mesure de la tension de déplacement du neutre, des relais directionnels de défaut à la terre, l'évaluation du courant résiduel actif ou des phénomènes transitoires, et souvent d'autres méthodes de localisation. Une aide est par exemple une résistance enclenchée brièvement en parallèle avec la bobine, qui augmente le courant actif. Tout cela doit être cohérent dans le concept de protection.

L'avantage principal : le réseau peut continuer à être exploité lors d'un défaut à la terre unipolaire, pendant que le défaut est recherché puis déclenché de manière ciblée ou éliminé. De nombreux défauts d'arc passagers, par exemple dus à un contournement, s'éteignent d'eux-mêmes sans que les clients s'en aperçoivent. Cela évite de nombreuses interruptions d'alimentation. Un défaut à la terre compensé n'est toutefois pas un état inoffensif. Les isolations, parafoudres, accessoires de câbles et autres matériels d'exploitation doivent supporter la tension accrue par rapport à la terre. Un défaut à la terre existant augmente en outre le risque d'un double défaut à la terre.

Aucun chiffre uniforme ne fixe combien de temps un défaut à la terre peut subsister. Cela dépend des règles techniques, du concept de réseau, du dimensionnement des matériels d'exploitation, des exigences relatives aux installations de mise à la terre et des consignes d'exploitation du gestionnaire de réseau concerné. La bobine de Petersen n'est donc pas un composant qui garantit à lui seul la sûreté d'exploitation. Elle n'agit qu'en combinaison avec la planification du réseau, la technique de protection et une conduite d'exploitation rigoureuse.

Évolution des réseaux de distribution

Les installations photovoltaïques et éoliennes n'assurent pas elles-mêmes de compensation du courant de défaut à la terre. La transition énergétique modifie les conditions-cadres par le développement et la transformation des réseaux de distribution : il y a plus de câbles, plus de configurations de commutation, plus d'électronique de puissance, plus de postes automatisés et plus d'injecteurs en moyenne tension. Avec le câblage, le courant capacitif de défaut à la terre et le courant résiduel actif augmentent. Parallèlement, l'auto-extinction perd de son importance, car les défauts de câbles sont le plus souvent des défauts permanents. Certains grands réseaux de câbles sont donc divisés en zones de réseau plus petites dotées de leur propre compensation, ou convertis à la mise à la terre du point neutre à faible impédance. Il existe en outre des systèmes qui, au moyen de l'électronique de puissance, compensent aussi la part active et les harmoniques du courant résiduel (compensation du courant résiduel).

Idées reçues fréquentes

  • « Un réseau compensé continue simplement de fonctionner en cas de défaut à la terre. » Seule une poursuite d'exploitation limitée dans le temps, dans des conditions définies, est admissible. Le défaut doit être détecté, localisé et éliminé. Si un défaut à la terre est ignoré durablement, le risque de dommages consécutifs et de défauts multiples augmente.

  • « La bobine rend le point de défaut inoffensif. » La bobine de Petersen réduit le courant de défaut et peut éteindre des arcs. Les tensions de contact et de pas ainsi que les conditions locales de mise à la terre restent toutefois déterminantes pour la sécurité. Les installations de mise à la terre, le déclenchement de protection et la localisation des défauts doivent donc être considérés ensemble.

  • « La bobine d'extinction éteint chaque défaut à la terre. » Un arc ne s'éteint que si le courant résiduel est inférieur à la limite d'extinction et que les conditions de défaut s'y prêtent. En cas de contact franc avec la terre, d'isolateurs encrassés, de boîtes d'extrémité de câbles humides ou de câbles endommagés, le défaut subsiste. La compensation limite alors surtout le courant et laisse le temps d'effectuer une commutation ordonnée.

  • « La résonance exacte est idéale. » Dans la pratique, on exploite volontairement avec un léger désaccord. Ainsi, la tension de déplacement du neutre reste limitée en fonctionnement normal, et le réseau n'entre pas en résonance lorsque la configuration de commutation change.

La compensation du courant de défaut à la terre montre que la sécurité d'approvisionnement ne dépend pas uniquement de lignes robustes ou d'une production suffisante. Il est tout aussi important de savoir comment les courants de défaut sont limités, les défauts détectés, les parties du réseau séparées de façon sélective et les matériels d'exploitation dimensionnés contre les surélévations de tension. La bobine de Petersen en est un bon exemple : un matériel passif aux effets considérables. Son utilité ne naît toutefois que d'un accord correct, d'une technique de protection adaptée et d'une conduite d'exploitation rigoureuse.

Sources

Autres entrées du glossaire

Edited by eCMS on 11.11.2026 19:47

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