La grande panne d’Hydro-Québec

27/08/2017
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La grande panne d’Hydro-Québec

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REE N°2/2014 71 LES GRANDES ÉRUPTIONS SOLAIRES ET LEUR IMPACT André Deschamps Ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris Introduction Les installations de distribution de puissance pré- sentent, pas seulement dans les régions polaires, un risque face aux orages géomagnétiques. Après qu’ait été défini un réseau de transport électrique avec des points de mise à la masse bien précis, on sait que les différents chemins suivis par les courants induits par les orages géomagnétiques dépendent des pro- priétés électriques de chaque réseau. Ainsi, l’étude de l’impact que peut avoir un orage géomagnétique sur un ensemble de plusieurs réseaux touche à des disciplines aussi diverses que la géophysique, la phy- sique solaire, les liaisons soleil-terre et l’ingénierie de la puissance électrique. C’est ce que tend à montrer la description de la grande panne de distribution élec- trique qui plongea le Québec dans le noir et dans le froid la nuit du 13 mars 1989. Un antécédent qui n’est pas passé inaperçu Les dégâts causés au réseau d’Hydro-Québec sont dus aux éruptions solaires du 13 mars 1989, mais il ne faut pas perdre de vue qu’une éruption solaire bien plus importante se produisit à la fin de l’été 1859. Les moyens d’observation solaire de La grande panne d’Hydro-Québec On Thursday, March 9 1989, astronomers spotted a major solar flare in progress. Eight minutes later, the Earth's outer atmos- phere was struck by a wave of powerful ultraviolet and X-ray radiation. Then the next day, an even more powerful eruption launched a cloud of gas. On the evening of March 13, it struck the Earth. Seen as far south as Florida and Cuba, the vast majo- rity of people in the Northern Hemisphere had never seen such a spectacle. At 2:44:16 AM on March 13, everything was OK. One second later, at 2:44:17 AM, Earth currents found a weak spot in the power grid of the Hydro-Quebec Power Authority. A static volt-ampere reactive capacitor at the Chibougamau sub-station tripped and went off-line as harmonic currents induced by the electrojet flowing overhead, caused protective relays to sense overload conditions. The loss of voltage regulation at Chibougamau caused power swings and a reduction of power generation in the 735 kV “La Grande” transmission network. A second capacitor followed suit at the same station. At Albanel and Nemiskau stations, four more capacitors went off-line. The last to fall, at 2:45:16 AM, was a static volt-ampere reactive capacitor at the La Verendrye complex to the south of Chibouga- mau. The fate of the network had been sealed in barely 60 s. By 2:46 AM, the entire Quebec power grid collapsed, and most of the province found itself without power. The cascading of events was much too fast for human operators to react, but it was more than enough time for 21,500 MW of electrical power to suddenly disappear from service. ABSTRACT Figure 1 : Cliché d’aurore boréale - Source : www.meteo.org. 72 REE N°2/2014 LES GRANDES ÉRUPTIONS SOLAIRES ET LEUR IMPACT l’époque se limitaient à des systèmes optiques dépourvus de toute électronique. Cette tempête solaire est considé- rée aujourd’hui comme la plus violente jamais enregistrée sur Terre. Elle se déroula en deux vagues dont la première atteignit la terre dans la soirée du 28 août 1859, provo- quant des aurores boréales visibles jusque dans la mer des Caraïbes. On observa alors sur le soleil des taches de dimen- sions inhabituelles visibles à l’œil nu, avec un simple filtre solaire. Le début de la deuxième éruption put être observé le 1er septembre sous la forme d’un éclair intense sur le soleil qui dura dix minutes. L’onde atteignit la terre dans la nuit du 2 au 3 septembre, engendrant une grande aurore boréale. Son intensité était telle que l’on pouvait lire le journal en pleine nuit dans tout l’hémisphère Nord-américain jusqu’à Panama. Le champ magnétique engendré était opposé au champ terrestre et de valeur supérieure, ce qui provoqua une inversion de celui-ci pendant plusieurs heures. La magnétos- phère passa de 60 000 km à quelques milliers de km. On considère que 5 % de l’ozone stratosphérique fut détruit, ce qui provoqua la production et la chute de nitrates qui ont été mis en évidence par des carottages en Antarctique. Bien entendu, cet orage engendra des courants géomagnétiques importants, mais, en 1859, il n’y avait que les installations de télégraphie à détruire. Ce qui fut partiellement fait. Une cascade inéluctable Le 9 mars 1989, les astronomes des observatoires so- laires terrestres enregistrèrent le développement d’un grand nombre d’éruptions solaires. Huit minutes plus tard, la ma- gnétosphère recevait une vague puissante de rayons X et ultra-violets. Le lendemain, un nuage de gaz encore plus puissant fut expulsé à plus d’un million de km/h par cette région active du soleil, en direction de la Terre. Le soir du 13 mars 1989, il atteint la Terre. Les habitants de l’Amérique du Nord et de la Scandinavie assistèrent à une fantastique aurore boréale. Ce phénomène put être observé aussi bien en Floride et à Cuba. Les journaux de l’époque ne s’intéres- sèrent qu’à son aspect spectaculaire. Cet évènement survint en pleine guerre froide et certains crurent à une attaque sur- prise. De plus, l’ionisation des hautes couches de l’atmos- phère brouillèrent les émissions de la radio US “Radio Free Europe” et bien entendu le gouvernement soviétique d’alors en fut accusé. Ce qui se passa par la suite, fut un événement exception- nel qui marqua les esprits des Québécois, à savoir une panne d’électricité totale et de longue durée. Les courants telluriques à très basse fréquence, de l’ordre de l’hertz, induits par l’orage électromagnétique, provoquèrent la saturation des transformateurs du réseau d’Hydro-Québec dit de « La Grande ». Ce défaut provoqua à son tour une dissymétrie de 15 % dans le réseau de distri- bution à 735 kV qui elle-même provoqua la défaillance des sept compensateurs réactifs du réseau. La chute de tension fut si brutale que les cinq lignes à haute tension alimentant Montréal furent désynchronisées et se sont donc séparées automatiquement du réseau de « La Grande ». La perte de ces quelques 9 450 MW de production fit baisser la fréquence au niveau des sous-stations de répartition induisant la mise en action automatique des commandes de délestage. Mais elles n’étaient pas conçues pour effectuer une récupération rapide de charge après une diminution de capacité de production qui était dans ce cas de l’ordre de la moitié de la charge totale. Et ainsi tout le reste du réseau s’est effondré élément par élément en moins de 30 secondes. Les relais de protec- tion du réseau se sont déclenchés en cascade et les six mil- lions d’utilisateurs privés des 21 000 MW habituels pendant neuf heures. Et le 13 mars 1989, il faisait froid au Québec… La température nocturne est de – 7 °C, avec un maximum diurne de 1,6 °C et donc une grande partie de la population se réveilla dans un logement glacial. Montréal est réputée pour ses 30 km de souterrains reliant 60 immeubles, deux universités et des centaines de boutiques. Plus de 500 000 piétons utilisent ces voies l’hiver pour éviter le froid et la neige. On imagine ce qui a pu se passer avec le faible éclai- rage de secours sur batterie. Les écoles et les bureaux furent fermés, ainsi que le métro. L’aéroport de Dorval fut fermé et les vols reportés, car sans radar les avions ne peuvent ni atterrir ni décoller. L’absence de feux de signalisation créa un embouteillage monstre en pleine heure d’affluence. Il en coûta des dizaines de millions de dollars canadiens en défaut de production et perte de denrées périssables. Les effets sur les installations électriques On sait que les installations de puissance électrique ins- tallées sur des roches magmatiques dites roches « ignées » sont les plus exposées aux effets des courants géomagné- tiques induits, ceci en raison de leur haute résistivité. Or, les installations d’Hydro-Québec se situent vers le Nord presque entièrement sur une telle zone. La saturation des transformateurs Les courants géomagnétiques induits par les orages élec- tromagnétiques s’écoulent à travers les lignes de neutre des installations de puissance dans les transformateurs câblés en étoile. En règle générale, plus la ligne est longue, plus le courant induit est important. Ce courant peut être supprimé par des capacités de liaison. Les systèmes de transport de puissance les plus exposés sont ceux situés dans les zones proches des REE N°2/2014 73 La grande panne d’Hydro-Québec cornets polaires. L’implantation dans une région constituée de roches ignées accroît le risque. Ces roches ont une forte résis- tance électrique, elles peuvent induire des champs électriques de 6 V/km, parfois plus. Le système de distribution de « la Grande » d’Hydro-Québec cumule ces deux risques. La présence de courants continus induits dans les enroule- ments provoque la saturation magnétique pendant une demi- période comme indiqué sur la figure 3. Il y a décalage du flux magnétique causé par le décalage d’une demi-période. Ces asymétries peuvent provoquer des courants non désirés de l’ordre de 10 à 100 A. Ce phénomène engendre des harmo- niques impaires et produit une perte de flux magnétique dans la structure du transformateur. Il s’ensuit un échauffement des enroulements et donc du bain de fluide qui va se dégrader lentement. Si ce défaut se prolonge, on assiste à une fonte de l’isolation des enroulements et à un brasage des conducteurs entre eux. La figure 3 montre le résultat d’un tel défaut, mais la photographie provient d’un accident plus récent. Ce phénomène de saturation des transformateurs en- gendre un accroissement de la demande de puissance ré- Figure 2 : Courant induit dans les transformateurs – Source : Oak Ridge National laboratory. Figure 3 : Phénomène de saturation magnétique - Source : Electric Power System Research. 1 : Flux magnétique nominal 2: Flux magnétique décalé par un courant continu 1 : Courant de magnétisation nominal 2 : Courant de magnétisation résultant de la saturation 74 REE N°2/2014 LES GRANDES ÉRUPTIONS SOLAIRES ET LEUR IMPACT active aux unités de production, ce qui cause à la fois un accroissement de la chute de tension dans les lignes de transmission et leur surcharge. Le point faible des très lon- gues lignes de transport d’énergie est leur faible capacité à réagir aux augmentations de la demande de puissance réac- tive, particulièrement lors des orages magnétiques. Incidence sur les dispositifs de protection Les courants géomagnétiques induits peuvent amener des défaillances de trois façons principales dans les disposi- tifs d’arrêt d’urgence : - active, les capacités et les lignes de commande des relais peuvent ne pas laisser passer les harmoniques de rang 3 engendrés par les transformateurs saturés ; - ponse nominale. Par exemple, la sortie d’un transformateur de courant différentiel de protection peut produire un signal distordu par le courant géomagnétique induit et le dispositif de protection qu’il commande peut devenir inopérant en cas de défaut de l’installation à protéger ; - teur de courant de protection qui provoque un retard dans la réponse du système. Incidence sur les capacités Les orages géomagnétiques affectent les réseaux de capacités aussi bien les banques de capacités reliées à la terre que celles utilisées dans les installations de compen- sation de puissance réactive à thyristors. Toutes les banques de capacités qui ont défailli lors de l’incident du 13 mars 1989 étaient des banques reliées à la terre et proches de transformateurs. Elles ont ainsi apporté un chemin électrique vers la terre. Dans tous les cas, le système de protection était classique, utilisant un transformateur de courant différentiel dans le circuit de neutre. Dans un tel système, le circuit de protection est conçu pour déclencher les capacités quand un nombre donné de fusibles de protection ont fondu en raison d’un défaut sur les containers de ces capacités. En enclenchant ces capacités, le système empêche les autres capacités d’être mises en surtension ce qui pourrait produire une défaillance de l’ensemble des capacités de la banque. Malheureusement, certains de ces circuits de protection se déclenchent sur des harmoniques ou des courants déséqui- librés et ainsi déclenchent toute une banque de capacités. C’est ce dernier processus qui s’est produit lors de l’orage magnétique du 13 mars 1989. Incidence sur les compensateurs statiques Les compensateurs statiques de puissance réactive per- mettent une régulation rapide de tension et une compen- sation par l’intermédiaire de banques de condensateurs contrôlés par thyristors. Ce système, nouveau à l’époque de la tempête de mars 1989 a été l’un des principaux systèmes ayant défailli en premier. Il est fort probable que durant cette tempête magnétique, les transformateurs de puissance ont produit beaucoup d’harmoniques dans les lignes de puissance. Les transfor- mateurs de couplage des compensateurs statiques ont eux- mêmes été saturés, injectant suffisamment d’harmoniques dans les banques de condensateurs pour déclencher leurs systèmes de protection. Figure 4 : Dégâts par fusion sur un transformateur de puissance - Source : Thomson. REE N°2/2014 75 La grande panne d’Hydro-Québec Une cascade de dominos accélérée Pour suivre correctement le phénomène qui s’est dérou- lé en une trentaine de secondes, il faut considérer le plan d’implantation du réseau d’Hydro-Québec de la Baie James jusqu’à Montréal. Pour situer les distances : la sous-station de Boucherville dessert la ville de Montréal et celle de Levis dessert la ville de Québec. Les stations de distribution de Boucherville et les stations de production de « La Grande » (en haut à gauche de la figure 5) et de Churchill Falls (en haut à droite) forment approximativement un triangle équilatéral de 1 300 km de côté. Ces distances donnent une idée de la longueur des lignes de distribution d’énergie et donc de leur susceptibilité aux orages électromagnétiques. L’effet dominos La tempête géomagnétique a causé dans un premier temps des problèmes sur les convertisseurs haute tension, les régu- lateurs de tension et les circuits d’excitation des générateurs. La puissance totale fournie était de 21 500 MW dont 9 500 MW issus du complexe de « La Grande ». Une analyse a posteriori des données d’Hydro-Québec montre que la saturation des transformateurs a produit de forts niveaux d’harmoniques dans les lignes. Les transforma- teurs de couplage des compensateurs statiques de puissance réactive qui étaient aussi saturés ont transmis suffisamment d’harmoniques aux banques de capacités pour provoquer le déclenchement de leur système de protection et donc des compensateurs eux-mêmes. La première défaillance fut enre- gistrée à la sous-station de Chibougameau, suivie par les sous- stations de Albanel, Némisacau, puis enfin La Verendrye. Les sept compensateurs statiques furent perdus en une minute. Huit secondes plus tard, la ligne 735 kV commença à défaillir pour cause de sous-tension, ce qui provoqua automatique- ment la séparation du réseau de générateurs de « La Grande ». Cette séparation brutale a provoqué des dégâts matériels par des surtensions sur les transformateurs du générateur de « La Grande » 4, l’arrêt d’urgence de « La Grande » 2 et de Churchhill Falls. Plusieurs compensateurs de puissance réactive ont subi des dégâts importants à Némiscau et Chibougamau. La séquence des évènements relevée par Hydro Québec est résumée ici : - sance réactive à Chibougamau ; de puissance réactive à Chibougamau ; de puissance réactive à Albanel et Némiscau ; Figure 5 : Implantation simplifiée du réseau d’Hydro-Québec en baie James - Source : Hydro Québec. 76 REE N°2/2014 LES GRANDES ÉRUPTIONS SOLAIRES ET LEUR IMPACT réactive de La Vérendrye ; - conde des lignes des sous-stations de Jacques Cartier, La Vérendrye, Chamouchouane. A 2 h 46 min, la plus grande partie du système de produc- tion électrique de Hydro-Québec était hors service. La figure 6 montre l’évolution de la fréquence du courant à la station de Boucherville qui dessert Montréal au cours des 30 s qui ont suivi la défaillance du dernier compensateur statique de puissance réactive. Rappelons que la fréquence nominale est au Canada de 60 Hz. Les enregistrements Les variations du champ électromagnétique induit ont été calculées à partir des données enregistrées à l’Observatoire magnétique d’Ottawa à la même heure. Les calculs ont été faits en prenant la conductivité du terrain dans la région de Chibougamau, située sur des roches ignées ce qui explique la faible valeur de 10 – 4 mhos/m. Figure 6 : Fréquence du courant pendant les pannes en cascade - Source : Hydro Québec. Figure 7 : Variation du champ électrique en direction Nord-Sud - Source : Hydro Québec. REE N°2/2014 77 La grande panne d’Hydro-Québec On constate qu’à 22 h 44 min 17 s, un fort champ élec- trique Est-Ouest de 10 V/km persiste pendant environ 30 s. Un second maximum Est-Ouest de – 8 V/km et un Nord- Sud de - 3 V/km se produit à 2 h 45 min 36 s. Il apparaît clairement que la première défaillance d’un compensateur statique fut causée par ce fort courant induit. Retour à la normale Le retour à la normale dura environ 9 heures, par tranches : 25 % des installations furent remises en service en trois heures, 48 % en cinq heures, 65 % en sept heures et 85 % en neuf heures. Les analyses des conséquences économiques de cette panne géante furent assez divergentes mais on peut estimer la perte à plusieurs milliards de dollars canadiens de l’époque qui se répartissaient en pertes de production et destruction de matériel. Pas seulement au Québec Cet orage géomagnétique a eu des conséquences moins désastreuses aux Etats-Unis. On a relevé des incidents en Pennsylvanie, dans le Minnesota, dans le Maine, et dans l’état de New York. Au Canada, la sous-station de Corner Brook a également été endommagée. Bien d’autres défaillances ont été rele- vées, qu’il serait fastidieux de lister ici. Et maintenant La panne du 9 mars 1989 a mis en évidence un formi- dable terrain d’investigation dans des disciplines aussi variées que la géophysique et l’ingénierie électrique. De nombreuses études ont été faites pour mieux protéger les installations, particulièrement dans les régions à risque. Ce qui différencie les éruptions solaires des éruptions volcaniques, est que les premières sont prédictibles à court terme. Par contre, tout comme les éruptions volcaniques, si elles sont rares, elles sont incontrôlables et l’efficacité des moyens de s’en protéger dépend de leur violence. André Deschamps est ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris. Il est président de la commission « Radioastronomie » de l’URSI-France. Il a travaillé sur des grandes missions scientifiques spatiales (ROSETA, Herschel, etc.) pour lesquelles il a reçu un award de la NASA et un autre de l’ESA. Il a été représentant de la radioastronomie française auprès de l’ANFR (Agence natio- nale des fréquences) et de l’ITU (International Telecommu- nication Union, Genève). L'AUTEUR Figure 8 : Variation du champ électrique en direction Est-Ouest - Source : Hydro Québec.