Transport et distribution de l’énergie électrique Source : IEEE standard for calculating the...

Transport et distribution de l’énergie électrique

Dimensionnement de conducteur Calcul d’ampacité (temps réel et prévisions)

30 oct 2013, Liège

NGUYEN Huu-Minh Transport et Distribution de l’Énergie Électrique,

Institut Montefiore, Université de Liège, Belgique.

TDEE 2013 2

n  Critères de dimensionnement des lignes q  Critères sur le conducteur q  Supports q  Poids équivalent q  Portée critique q  Flèche maximale q  Autres calculs

n  Ampacité

Plan général

TDEE 2013 3

I) 4 critères sur les conducteurs (6.2.1) :

n  Courant nominal :

n  Courant de court-circuit

n  Chute de tension

n  Économique

II) Les supports (6.2.2)

Critères de dimensionnement des lignes (réf. TP 6.2)

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 4

n  Relation température – flèche du conducteur pour une portée de niveau (typiquement Δh/L < 0.1)

avec

s = longueur du conducteur L = distance entre ancrages (longueur de la portée)

⇒  en développant le cosh, on a : flèche = L²/8P ⇒  Développements limités justifiés, puisque L ~ 400m, P~1500 à 2000m

y = Pcosh xP!

"#

$

%&

ds = 1+ y '2 dx

'

()

*)⇒ s = L + L3

24P2+P*O(L5 / P5 )

pT

mgTP ==

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 5

n  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 à il existe une relation univoque flèche-température de conducteur

2

3

24PLLs +=

pT

mgTP ==

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 portée P à la portée critique P_c Si P < P_c ou P_c imaginaire=> hypothèse grand froid (portées courtes) Si P > P_c => hypothèse grand vent (portées longues) Une fois l’hypothèse choisie, => On utilise l’hypothèse ad hoc en injectant T_max, d’où trouve la constante de l’équation de changement d’état = a

TDEE 2013 8

V) Calcul de l’effort pour H3 condition sur f_max corresp. à (θ_max+ Δθ_fluage) :

à Flèche maximale (6.2.5) + garde au sol :

n  => on détermine la hauteur des pylônes

n  NB : pour un canton de pose, C’est la portée de réglage P_r (L_r dans la théorie) qu’on compare la portée à P_c (L_cr).

n  On remplace également P par P_r au point (V) ci-dessus, on obtient alors f_r(max) qui permet de calculer f_i(max) individuellement pour chaque portée i du canton de pose.

Critères de dimensionnement des lignes (réf. TP 6.2)

Δ Δ

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 9

n  Relation température – flèche du conducteur

pour un canton de pose (portées de niveau) : Il vient : formule de changement d’état pour un canton

avec lL→

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

n  Définition n  Besoins actuels en transport d’énergie électrique n  Méthode n  Physique du conducteur et méthodes de calcul n  Résultats temps réel n  Apprentissage inductif

Ampacité Plan

TDEE 2013 12

n  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.

Ampacité Définition

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

n  Chaîne de transmission complète

Mesures Ampacimon : algo de calcul de flèche

géomètres

Ampacité / Prévisions 1.Temps restant 2.Flèche / MVA disponible

DLR system : Ampacimon Méthode

Ampacité

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 15

n  Équation thermique du conducteur

])([1 2rcsc

p

c PPPITRmCdt

dT−−+=

0 20 40 60 80 100 120 140 160 18030

40

50

60

70

80

90

100

110

Time [min]

Aver

age

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

Curre

nt In

tens

ity [A

]

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 16

0 20 40 60 80 100 120 140 160 18030

40

50

60

70

80

90

100

110

Time [min]

Aver

age

Tem

pera

ture

[°C]

Temperature vs. Time simulation [621 AMS]

100 A --> 1500 A100 A --> 1000 A

n  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)

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 17

n  Équation thermique du conducteur

: capacité thermique massique (« chaleur massique ») [J.kg-1.K-1] = specific heat

])([1 2rcsc

p

c PPPITRmCdt

dT−−+=

Matériau Capacité 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 !

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 18

n  Équation thermique du conducteur

: capacité thermique massique ou « chaleur massique » (J.kg-1.K-1)

= specific heat

m : masse linéique [kg.m-1]

])([1 2rcsc

p

c PPPITRmCdt

dT−−+=

pC

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 19

n  Équation thermique du conducteur Apport de chaleur

q  : Effet Joule (R non-linéaire è interpolation)

q  : Ensoleillement (irradiance solaire)

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 2rcsc

p

c PPPITRmCdt

dT−−+=

2)( ITR c

SP

Sα

SW

dWP SSS α=

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 20

n  Équation thermique du conducteur Dissipation de chaleur

q  : Convection

pour convection forcée ( )

: standard Std 738-2006

])([1 2rcsc

p

c PPPITRmCdt

dT−−+=

cP

])(sin[)(2

102.71042.2 121

52)(

mn

faSaS

CIGREc BAvdBTTTTP δυ

π +⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ++= −−

][)()(55.8 448.0)( SIunitésdvTTP aSBaylissc ⊥−=

smv 5.0>⊥

)( IEEEcP

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 21

n  Équation thermique du conducteur Dissipation de chaleur

q  : Rayonnement du conducteur

(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)

T : en Kelvins !!

])([1 2rcsc

p

c PPPITRmCdt

dT−−+=

rP

Pr = π dεσ SB TS4 −Ta

4( )εSBσ

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 22

n  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).

])([1 2rcsc

p

c PPPITRmCdt

dT−−+=

0=dtdTc

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009

0 500 1000 15000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Current [A]

Cond

ucto

r Ave

rage

Tem

pera

ture

[°C]

Temperature vs. Current simulation [621 AMS / T°ref = 15°C]

Ambient temperature = 15 °C Global irradiance = 1000 W/m× Emittance = 1 Load at 75°C (wind n°1) = 1184 A

Bayliss : v(1) = 0.5 m/sBayliss : v(2) = 2 m/sBayliss : v(3) = 4 m/sBayliss : v(4) = 6 m/s

23

T° à l’équilibre

T_max

+ de vent => + de courant pour atteindre la même température

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 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 T_i pour le courant initial I_i (θ1,θ2)=(Ta,Ti) avec Ta: Tambiant (on considère l’absorptivité α= 0.9, émissivité ε =0.7. Pq choix α>ε ?)

2.  On calcule la température d’équilibre T_f pour le courant final I_f (θ1,θ2)=(Ta,Tf) avec Ta: Tambiant

Pour ces deux calculs d’équilibre, on néglige le terme de rayonnement W_r en première approximation (car il

vaut moins de 20% du terme de convection W_c), 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 T élevé.

En 2e approximation, on peut linéariser le terme W_r autour de T_ambiant :

ce qui n’est pas trop mauvais (surtout à faible T), c’est cette dernière approximation qui sera utilisée dans les

exemples suivants.

(Attention, pour W_r, la température est exprimée en Kelvins ! Car issu de la loi de Stefan-Boltzmann)

Calcul du transitoire Constante de temps thermique

Wr = πεσd. 4Ta3(T −Ta )

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 25

3.  On estime enfin la constante de temps :

II) 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 !

Calcul du transitoire Constante 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(T) R=R20°C(1+αR (T-20)) T[°C] et αR= 0.0036 [1/K] (pour l’aluminium) m = masse linéique du conducteur [kg/m]

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 26

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 transitoire Constante de temps thermique

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 27

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) ? (T_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 transitoire Constante 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. puissance provenant de l’éolien allemand vendu en France)

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 28

b) Augmenter la limite thermique de la ligne Solution 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) à 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. è Bref, il y a encore beaucoup de boulot (et de demande) pour les ingénieurs dans ce domaine !

Calcul du transitoire Constante de temps thermique

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 29

Dimensionnement hiver charge=70% et perte d’un terne (ligne proche parc éolien) hiver, avec vent

Calcul du transitoire Constante de temps thermique

Calcul simplifié : Ti=23°C, Tf=70°C, tau ≈ 15min

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 30

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 è Utilité d’avoir un DLR installé (surveillance en temps réel de la ligne)

Calcul du transitoire Constante de temps thermique

Calc. simplifié : Ti=25°C, Tf=53°C, tau ≈ 6min Calc.simplifié : Ti=31°C, Tf=71°C, tau ≈ 9min

Ampacité Physique du conducteur

TDEE 2009 31

n  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 (v>5m/s) et 15min (v=0.5m/s càd

dimensionnement)) 2.  Le courant

TDEE 2013 32

Projet Ampacimon Prévisions d’ampacité

NETFLEX – DEMO 5 Algorithm for line capacity prediction (ULG) Deliverable nº: 7.2

Line capacity forecast (NETFLEX) Real-time capacity

1 week

100 Seasonal rating

% o

f sea

sona

l rat

ing

33

NETFLEX Results"2 days ahead capacity forecast (P98)

Résultat actuel de recherche dans le service TDEE : prévision d’ampacité à 2 jours

TDEE 2013 34

n  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