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Auteur(s)
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Bernard GUIGUES : Ingénieur de l’École supérieure d’électricité - Ingénieur principal Machines électriques TournantesSEPTEN-Électricité de France (direction de l’Équipement)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les machines électriques tournantes peuvent, comme tous les appareils industriels, être affectées de défauts de fonctionnement. Ces défauts les rendent en général inaptes à plus ou moins long terme, à assurer leur service, et perturbent le fonctionnement d’autres matériels. Les défauts, ainsi que les conditions anormales de fonctionnement, doivent donc être détectés le plus rapidement possible et provoquer la déconnexion électrique entre la machine et le réseau auquel elle est raccordée.
Le rôle des relais de protections électriques des alternateurs et moteurs est de détecter, parmi les différents défauts possibles, ceux d’origine électrique, et d’élaborer les actions nécessaires de signalisation et d’ouverture du dispositif de coupure reliant l’appareil au réseau.
Dans ce qui suit, les défauts sont distingués d’après leur origine, soit interne à la machine concernée, soit externe. Les actions provoquées peuvent être de nature différente, visant soit à limiter les dégradations subies par la machine, soit à minimiser les conséquences des perturbations sur le fonctionnement de la machine et du réseau, soit les deux.
Après un rappel sur la constitution des machines, les défauts d’origine électrique sont décrits par type de machine, alternateurs ou moteurs à courant alternatif. Le cas des moteurs à courant continu n’est pas traité ici, car ce type de moteur est largement moins utilisé que le moteur à courant alternatif (synchrone et asynchrone) et concerne des applications spécifiques.
On associe, généralement, un relais donné à un type de défaut, en technique analogique et numérique. Cependant, les techniques numériques permettent, aujourd’hui, de regrouper différentes fonctions de mesure, d’action et de surveillance dans un même équipement, alimenté par les réducteurs de mesure adéquats. Les notions de sécurité du personnel et de sûreté de fonctionnement sont de première importance dans ces matériels utilisés dans des processus industriels complexes.
Des indications pratiques d’emploi des différents types de relais (schémas de protection) sont données à l’usage des utilisateurs.
Le lecteur pourra utilement se reporter dans le présent traité aux articles suivants :
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dans la rubrique Machines électriques :
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différents types de machines : Machines asynchrones [D 3 486], Machines synchrones [D 480] [D 495] Machines synchrones- Excitation, Turboalternateurs [D 3 530], Alternateurs hydrauliques et compensateurs [D 3 540],
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études, construction et essais : Régimes transitoires des machines électriques tournantes [D 554], Construction mécanique des machines électriques tournantes [D 3 780],
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dans la rubrique Réseaux électriques :
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2. Défauts de fonctionnement
2.1 Origine des défauts (interne, externe)
Nous distinguerons deux types de défauts à détecter par les relais de protections, selon leur origine :
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les défauts d’origine interne, dont la source est une avarie d’un composant de la machine électrique tournante ;
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les défauts d’origine externe, dont la source est localisée en dehors de la machine électrique, mais dont les conséquences peuvent entraîner des dégradations dans celle-ci.
2.1.1 Défauts d’origine interne
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L’isolation des conducteurs formant l’enroulement statorique peut se rompre ou se percer par des causes :
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électriques (isolation mal imprégnée, décharges superficielles, pénétration d’humidité) ;
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thermiques (suréchauffement par surcharge ou manque de refroidissement) ;
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mécaniques (usure, efforts de court-circuit trop importants).
Ces défauts, dont l’évolution peut être lente au début du processus de dégradation, dégénèrent en général très rapidement à la fin de ce processus en un court-circuit, du fait de la tension élevée appliquée à l’enroulement statorique. À ce stade, le court-circuit est en général permanent.
Un court-circuit peut se produire :
-
entre une phase et la masse, constituée par le circuit magnétique ou la carcasse ;
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entre deux phases, avec ou sans contact avec la masse ;
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entre les trois phases, souvent par évolution d’un court-circuit biphasé (extension d’arc) ;
Un court-circuit peut aussi se produire entre deux spires ou deux barres d’une même phase.
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L’isolation des conducteurs de l’enroulement rotorique peut également être défaillante, le plus souvent par des causes :
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