Le relais qui a changé l’industrie de l’énergie

Depuis plus d’un siècle, les entreprises de services publics utilisent des relais électromécaniques pour protéger les systèmes électriques contre les dommages pouvant survenir lors de conditions météorologiques extrêmes, d’accidents et d’autres conditions anormales. Mais les relais ne pouvaient ni localiser les défauts ni enregistrer avec précision ce qui s’était passé.

Puis, en 1977, Edmund O. Schweitzer III a inventé le relais numérique à microprocesseur dans le cadre de sa thèse de doctorat. Le relais de Schweitzer, qui pouvait localiser un défaut dans un rayon de 1 kilomètre, a établi de nouvelles normes en matière de fiabilité, de sécurité et d’efficacité des services publics.

Pour développer et fabriquer son relais, il lance Laboratoires d’ingénierie Schweitzer en 1982 depuis son sous-sol à Pullman, Washington. Aujourd’hui, SEL fabrique des centaines de produits qui protègent, surveillent, contrôlent et automatisent les systèmes d’alimentation électrique dans plus de 165 pays.

Schweitzer, membre à vie de l’IEEE, est président et directeur de la technologie de son entreprise. Il a commencé SEL avec sept travailleurs; il en compte aujourd’hui plus de 6 000.

L’entreprise de 40 ans appartenant à ses employés continue de croître. Elle possède quatre usines de fabrication aux États-Unis. Son plus récent, qui a ouvert ses portes en mars à Moscou, dans l’Idaho, fabrique des cartes de circuits imprimés.

Schweitzer a reçu de nombreuses distinctions pour son travail, y compris le Médaille IEEE 2012 en génie électrique. En 2019, il a été intronisé aux États-Unis Temple de la renommée nationale des inventeurs.

Les progrès de l’électronique de puissance

Des défaillances du système électrique peuvent survenir lorsqu’un arbre ou un véhicule heurte une ligne électrique, qu’un opérateur de réseau fait une erreur ou qu’un équipement tombe en panne. Le défaut dérive le courant supplémentaire vers certaines parties du circuit, le court-circuitant.

S’il n’y a pas de système ou de dispositif approprié installé dans le but de protéger l’équipement et d’assurer la continuité de l’alimentation électrique, une panne ou une panne de courant pourrait se propager dans tout le réseau.

La surintensité n’est cependant pas le seul dommage qui peut survenir. Les défauts peuvent également modifier les tensions, les fréquences et le sens du courant.

Un schéma de protection doit rapidement isoler le défaut du reste du réseau, limitant ainsi les dommages sur place et empêchant la propagation du défaut au reste du système. Pour cela, des dispositifs de protection doivent être installés.

C’est là qu’intervient le relais numérique à microprocesseur de Schweitzer. Il l’a perfectionné en 1982. Il a ensuite été commercialisé et vendu sous le nom de relais de distance numérique/localisateur de défauts SEL-21.

Inspiré d’une panne d’électricité et d’un livre sur les relais de protection

Schweitzer dit que son relais a été, en partie, inspiré par un événement qui a eu lieu au cours de sa première année de collège.

“En 1965, quand j’étais étudiant de première année à Université Purdue, une panne majeure a laissé des millions de personnes sans électricité pendant des heures dans le nord-est des États-Unis et en Ontario, au Canada », se souvient-il. « Ce fut tout un événement, et je m’en souviens très bien. J’en ai tiré de nombreuses leçons. L’un d’eux était la difficulté de rétablir le courant.

Il dit qu’il a également été inspiré par le livre Relais de protection : leur théorie et leur pratique. Il l’a lu alors qu’il était étudiant diplômé en ingénierie à Université de l’État de Washingtondans Pullman.

“J’ai acheté le livre le jeudi avant le début des cours et je l’ai lu pendant le week-end”, dit-il. “Je n’ai pas pu le poser. J’étais accro.

“J’ai réalisé que ces dispositifs à semi-conducteurs étaient des processeurs de signal à usage spécial. Ils ont lu la tension et le courant des systèmes d’alimentation et ont décidé si les appareils des systèmes d’alimentation fonctionnaient correctement. J’ai commencé à réfléchir à la façon dont je pourrais utiliser ce que je savais sur le traitement numérique du signal et le mettre en œuvre dans un microprocesseur pour protéger un système d’alimentation électrique. »

Les microprocesseurs 4 bits et 8 bits étaient nouveaux à l’époque.

“Je pense que c’est ainsi que la plupart des inventions commencent : prendre une technologie et l’associer à une autre pour créer de nouvelles choses”, dit-il. “Les inventeurs du microprocesseur n’avaient aucune idée de toutes les sortes de choses pour lesquelles les gens l’utiliseraient. C’est étonnant.”

Il dit qu’il a été initié au traitement du signal, à l’analyse du signal et à l’utilisation des techniques numériques en 1968 lors de son premier emploi, travaillant pour les États-Unis. département de la Défense à Fort Meade, dans le Maryland.

Des moyens plus rapides d’éliminer les pannes et d’améliorer la cybersécurité

Schweitzer continue d’inventer des moyens de protéger et de contrôler les systèmes d’alimentation électrique. En 2016, sa société a publié le CELLULE-T400L, qui échantillonne un système électrique toutes les microsecondes pour détecter le temps entre les ondes progressives se déplaçant à la vitesse de la lumière. L’idée est de détecter et de localiser rapidement les défauts des lignes de transmission.

Le relais décide de déclencher un circuit ou d’entreprendre d’autres actions en 1 à 2 millisecondes. Auparavant, il fallait un relais de protection de l’ordre de 16 ms. Un disjoncteur typique prend 30 à 40 ms dans les circuits AC haute tension pour se déclencher.

“Les inventeurs du microprocesseur n’avaient aucune idée de toutes les sortes de choses pour lesquelles les gens l’utiliseraient. C’est étonnant.”

“J’aime parler du besoin de vitesse”, déclare Schweitzer. « De nos jours, il n’y a aucune raison d’attendre pour éliminer un défaut. Un déclenchement plus rapide est une formidable opportunité du point de vue de la stabilité de la tension et de l’angle, de la sécurité, de la réduction des risques d’incendie et des dommages aux équipements électriques.

« Nous allons également pouvoir tirer beaucoup plus de l’infrastructure existante en déclenchant plus rapidement. Pour chaque milliseconde de temps de compensation gagnée, les limites de stabilité du système de transmission augmentent de 15 mégawatts. C’est environ un feeder par milliseconde. Ainsi, si nous économisons 12 ms, nous sommes tout à coup en mesure de desservir 12 départs de distribution supplémentaires à partir d’une partie d’un système de transport. »

La technologie du domaine temporel trouvera également des applications dans les schémas de protection des transformateurs et de la distribution, a-t-il déclaré, et aura un impact significatif sur la transmission CC.

Ce qui passionne Schweitzer aujourd’hui, dit-il, c’est le concept des paquets d’énergie, sur lequel lui et SEL ont travaillé. Les paquets mesurent l’échange d’énergie pour tous les signaux, y compris les systèmes CA déformés ou les réseaux CC.

“Les paquets d’énergie mesurent avec précision le transfert d’énergie, indépendamment de la fréquence ou de l’angle de phase, et se mettent à jour à un rythme fixe avec une référence de temps commune telle que toutes les millisecondes”, dit-il. “Les paquets d’énergie dans le domaine temporel offrent la possibilité d’accélérer les systèmes de contrôle et de mesurer avec précision l’énergie sur les systèmes déformés, ce qui remet en question les méthodes de calcul traditionnelles dans le domaine fréquentiel.”

Il se concentre également sur l’amélioration de la fiabilité des réseaux d’infrastructures critiques en améliorant la cybersécurité, la connaissance de la situation et les performances. Les réseaux plug-and-play et best-effort ne sont pas suffisamment sûrs pour les infrastructures critiques, dit-il.

“SEL OT SDN La technologie résout certains problèmes de cybersécurité importants », dit-il,« et franchement, cela me met à l’aise pour la première fois avec l’utilisation d’Ethernet dans une sous-station.

De professeur d’ingénierie à inventeur

Schweitzer n’a pas commencé à planifier de lancer sa propre entreprise. Il a commencé une brillante carrière dans le milieu universitaire en 1977 après avoir rejoint la faculté de génie électrique à Université de l’Ohio, à Athènes. Deux ans plus tard, il a déménagé à Pullman, Washington, où il a enseigné à Etat de Washington‘s Voiland College of Engineering and Architecture pour les six prochaines années. Ce n’est qu’après le décollage des ventes du SEL-21 qu’il a décidé de se consacrer à plein temps à sa startup.

Il n’est pas surprenant que Schweitzer soit devenu un inventeur et ait créé sa propre entreprise, car son père et son grand-père étaient des inventeurs et des entrepreneurs.

Son grand-pere, Edmund O. Schweitzerqui détenait 87 brevets, a inventé le premier fusible haute tension fiable en collaboration avec Nicholas J. Conrad en 1911, l’année où les deux ont fondé Schweitzer et Conrad, aujourd’hui connu sous le nom de S&C Electric Co.-à Chicago.

le père de Schweitzer, Edmund O. Schweitzer Jr., avait 208 brevets. Il a inventé plusieurs dispositifs d’indication de défaut alimentés par le secteur et il a fondé le EO Schweitzer Manufacturing Co. en 1949. Il fait maintenant partie du SEL.

Schweitzer dit qu’un ami lui a donné le meilleur conseil financier qu’il ait jamais reçu pour démarrer une entreprise : Économisez votre argent.

« Je suis tellement fier que notre entreprise de plus de 6 000 personnes soit détenue à 100 % par ses employés », déclare Schweitzer. “Nous voulons investir dans l’avenir, alors nous réinvestissons nos économies dans la croissance.”

Il conseille à ceux qui envisagent de démarrer une entreprise de se concentrer sur leurs clients et de créer de la valeur pour eux.

« Libérez votre créativité », dit-il, « et engagez-vous auprès des clients. Découvrez également comment contribuer à la société et rendre le monde meilleur.