Protection différentielle pour transformateurs et autres produits de protection différentielle | CANWIN

De plus, il existe plusieurs conditions de fonctionnement anormales du transformateur, notamment un niveau d'huile bas, une température ou une pression d'huile élevée, une tension élevée au point neutre du transformateur, une surcharge, une surintensité, une surexcitation, etc.

Afin de surveiller les différents défauts ou conditions de fonctionnement anormales, nous avons mis en place différentes protections, qui sont divisées en protection principale et protection de secours, et la protection principale a des caractéristiques d'action rapide.

Partie 2 : Protection différentielle

La protection différentielle longitudinale est l'un des principaux dispositifs de protection du transformateur. Elle se déclenche instantanément en actionnant les interrupteurs de chaque côté. La zone de protection s'étend entre les transformateurs de courant de part et d'autre de la protection différentielle et comprend le corps du transformateur ainsi que les lignes de sortie entre le transformateur de courant et le transformateur principal. En 2017, un contournement entre phases AB s'est produit au niveau du parafoudre situé côté 35 kV du transformateur principal n° 2 d'un poste de transformation de 220 kV. Le châssis du parafoudre a été endommagé par la décharge. Ce parafoudre 35 kV étant situé entre le transformateur rhéologique et le transformateur principal, côté basse tension, il se trouvait dans la zone de protection différentielle longitudinale. Les deux systèmes de protection du transformateur principal ont fonctionné correctement et le défaut a été isolé.

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Logique de base de la protection différentielle

La protection différentielle longitudinale des transformateurs existants utilise un dispositif de protection à microprocesseur. Le courant de chaque phase y est acheminé individuellement, et la protection différentielle longitudinale est assurée par un algorithme logiciel. Prenons l'exemple d'une seule phase pour illustrer le principe de base de cette protection.

Le courant différentiel « perçu » par le dispositif de protection est la somme vectorielle des courants secondaires des deux bobines. Comme illustré sur la figure 1, en fonctionnement normal ou en cas de court-circuit externe, les courants secondaires des deux bobines sont de même amplitude mais de polarité opposée ; le courant différentiel est alors nul et la protection est inactive. Comme illustré sur la figure 2, en cas de défaut à la terre dans la zone de protection, les courants secondaires sont de même amplitude et de même polarité, et le courant différentiel est la somme de ces courants. La protection s’active lorsque la valeur de seuil du courant différentiel est atteinte.

En se basant sur la méthode de connexion de la bobine secondaire rhéologique décrite précédemment, la protection différentielle longitudinale ajoute un ajustement de phase, une élimination du courant homopolaire et une conversion d'amplitude des vecteurs de courant de part et d'autre afin de constituer une méthode de calcul du courant différentiel, puis introduit la courbe caractéristique de freinage par rapport. Ceci constitue la logique de base de la protection.

Prenons l'exemple du câblage YN-d11 : le schéma de câblage et le diagramme vectoriel des courants sont présentés sur la figure 3. On constate qu'en raison d'un déphasage de 30° entre les vecteurs des circuits haut et bas, la somme vectorielle des deux courants n'est pas nulle en fonctionnement normal, ce qui nécessite une conversion de phase. Après cette conversion, les circuits haut et bas d'une même phase sont en phase.

Il existe deux méthodes de conversion de phase : l’une est basée sur le côté Y, de sorte que la phase du courant côté D soit cohérente avec la phase du courant côté Y, appelée « coupe en étoile ». Le dispositif de protection en étoile le plus courant est le Narui Jibao RCS-978, etc. La formule de conversion est :

L'autre méthode repose sur le côté d, de sorte que la phase du courant du côté Y soit cohérente avec celle du côté d, ce que l'on appelle « l'angle de rotation en étoile ». La plupart des dispositifs de protection existants utilisent cette méthode, et la formule de conversion est la suivante :

L'élimination du courant homopolaire vise à prévenir les dysfonctionnements de la protection différentielle longitudinale. Dans le cas d'un câblage YN-d, lors d'un défaut à la terre hors du côté haute tension, un courant homopolaire circule côté Y (haute tension), mais pas côté d (basse tension). Les courants homopolaires ne peuvent alors s'équilibrer, ce qui entraîne un dysfonctionnement de la protection différentielle. En mode de conversion « angle de rotation étoile », la différence entre les deux courants après le déphasage côté Y élimine le courant homopolaire, rendant toute mesure inutile. En mode de conversion « angle-étoile », la compensation du courant homopolaire est effectuée sur le vecteur courant côté Y, selon la formule suivante :

En raison de la différence entre le rapport de transformation du transformateur et le rapport de transformation rhéologique de chaque côté, l'amplitude secondaire du courant différentiel de part et d'autre du transformateur ne peut être identique en fonctionnement normal ou en cas de défaut externe. Dans ce cas, il est nécessaire d'effectuer une conversion d'amplitude : prendre la valeur du courant d'un côté comme référence, calculer le coefficient d'équilibrage de l'autre côté en fonction de la tension de part et d'autre et du rapport rhéologique, puis multiplier le courant de l'autre côté par ce coefficient d'équilibrage afin que le courant différentiel interne du dispositif soit nul.

Afin d'améliorer la sensibilité de la protection en cas de défauts internes et d'éviter efficacement les déséquilibres de courant dus aux défauts externes, la protection différentielle longitudinale utilise un élément différentiel doté d'une courbe caractéristique de freinage par rapport. L'axe vertical de cette courbe représente le courant différentiel, l'axe horizontal le courant de freinage. La partie supérieure de la courbe correspond à la zone d'action et la partie inférieure à la zone de freinage. Il existe deux principaux types de courbes caractéristiques : à deux segments et à trois segments.

La courbe de freinage à rapport linéaire en deux segments est représentée sur la figure de gauche de la figure 4. Cette courbe peut être de type ABC (passant par l'origine) ou de type ABD (ne passant pas par l'origine). La plupart des dispositifs sont de type ABC.

La courbe de freinage à rapport de freinage en trois segments discontinus est illustrée dans la figure de droite de la figure 4. Elle se subdivise en deux types : la première présente une ligne horizontale sur le segment AB, et la seconde une ligne oblique sur le segment AB. Parmi les équipements présentant une ligne horizontale sur le segment AB, on trouve le Guodian Nanzi PST-1200U, le RET-316 d'ABB, le Xuji WBH-801 et le SEL-387. Ceux présentant une ligne oblique sur le segment AB incluent le Sifang CSC-326, le Shenrui PRS-778 et le South Swiss RCS-978.

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Comment vérifier la protection différentielle

La vérification de la protection différentielle longitudinale est effectuée selon la courbe caractéristique de freinage par rapport : la protection fonctionne au-dessus de la courbe et ne fonctionne pas en dessous de la courbe.

1) Choisissez un point. Sélectionnez 3 à 5 points pour la vérification de la protection différentielle longitudinale. Le premier point est sélectionné sur l'axe vertical de la figure 4 pour vérifier le courant de fonctionnement minimal Iop.min ; les deuxième et troisième points sont sélectionnés sur le point d'inflexion pour vérifier le courant au point d'inflexion Ires ; de plus, choisissez un point sur chaque pente pour vérifier la pente.

2) Calculer la valeur. Calculer le courant de démarrage, le coefficient d'équilibrage et l'équilibrage de chaque côté du transformateur ; puis calculer l'amplitude du courant et l'angle de phase de chaque côté de chaque point de contrôle en fonction de la courbe de freinage du dispositif.

3) Vérifier la courbe. Appliquer la méthode de la variable fixe pour fixer un courant au point de contrôle et modifier l'amplitude de l'autre courant, afin de déplacer le point de contrôle de haut en bas dans la zone d'action et la zone de freinage pour vérifier le bon fonctionnement du dispositif de protection.

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Composants auxiliaires pour la protection différentielle

Afin de rendre la protection différentielle plus fiable, la logique de protection comprend également des composants tels que le démarrage, le freinage d'urgence et le verrouillage :

1) Élément de démarrage : La variable de démarrage comprend la valeur maximale du courant différentiel triphasé, le taux de variation du courant, etc. Lorsque la variable de démarrage est supérieure à une valeur de démarrage quelconque, le dispositif de protection ouvre la protection différentielle.

2) Élément de coupure différentielle rapide : En cas de courant de court-circuit élevé, la saturation du transformateur de courant engendre un couple de freinage important dû à la seconde harmonique, empêchant ainsi le déclenchement de l’élément différentiel. Pour éviter ce blocage, un élément de coupure différentielle rapide est intégré au dispositif. Lorsque le courant de court-circuit atteint 4 à 10 fois le courant nominal, cet élément se déclenche rapidement. De plus, afin de prévenir tout dysfonctionnement de la protection dû à une incohérence des caractéristiques transitoires des transformateurs de courant de part et d’autre en cas de courant de court-circuit important, les caractéristiques pertinentes de ces transformateurs doivent être identiques de part et d’autre de la protection différentielle des équipements principaux, y compris les transformateurs (Dix-huit contre-mesures 15.1.10). Le côté haute tension du transformateur principal n° 2 d’un poste est raccordé à la deuxième chaîne de câblage 2/3, elle-même raccordée à une autre ligne d’interconnexion. En 2017, un défaut à la terre monophasé s'est produit sur la phase B de l'interrupteur de la chaîne, et deux ensembles de protection différentielle pour le corps du transformateur principal. L'élément de coupure rapide fonctionne pour couper les interrupteurs de chaque côté du transformateur principal ; la protection différentielle de courant de phase divisée des deux côtés de la ligne de liaison coupe la phase B de l'interrupteur latéral correspondant, puis la réenclenchement monophasé réussit.

3) Élément de blocage du courant d'appel : Lors de la mise hors tension du transformateur et de la coupure du court-circuit hors de sa zone de fonctionnement, un courant d'appel important est généré. Afin d'éviter que le courant différentiel induit par ce courant d'appel ne provoque un dysfonctionnement de l'appareil, un élément de blocage du courant d'appel est mis en place pour la protection différentielle longitudinale. Ce dispositif utilise la distorsion de la forme d'onde (forme d'onde du courant différentiel intermittente ou asymétrique), l'identification des composantes harmoniques (taux des harmoniques de rang 2 ou 3) et l'identification floue du courant d'appel. Cependant, lors de la mise hors tension effective du transformateur, notamment lors de la première mise hors tension, la protection différentielle peut dysfonctionner en raison d'une démagnétisation insuffisante du corps principal, et le taux d'harmoniques du courant différentiel de mise hors tension peut être inférieur au seuil de blocage des composantes harmoniques. Afin d'éliminer l'influence du magnétisme rémanent sur la charge à vide du transformateur, il est possible de procéder à une démagnétisation et à une nouvelle charge à vide, ou d'abaisser temporairement le seuil de blocage de l'harmonique de rang 2 pour garantir le fonctionnement normal du transformateur principal.

4) Élément de déconnexion du TC : Lorsque la phase secondaire du TC est déconnectée, le courant différentiel correspond au courant de charge de la phase déconnectée, et la protection peut dysfonctionner. Dans ce cas, le courant homopolaire, les variations du courant de phase, une chute brutale et anormale de la tension de phase, etc., peuvent indiquer une déconnexion du TC.

5) Élément de blocage de la saturation du TC : En cas de défaut externe, la saturation du TC entraîne un dysfonctionnement de la protection différentielle. C’est pourquoi le dispositif de protection est équipé d’un élément de détection de blocage de la saturation du TC. Lorsque le TC est saturé, un courant différentiel apparaît après un certain délai. Le dispositif utilise la concordance temporelle entre le courant de freinage et le courant différentiel pour déterminer si le TC est saturé. De plus, afin de minimiser l’impact de la saturation du TC sur la protection différentielle longitudinale du transformateur, des transformateurs de courant à facteur de limitation précis (ALF) et à tension de seuil nominale plus élevée sont utilisés (contre-mesures du point 15.1.12).

Partie 3 : Introduction aux autres protections différentielles

1.

protection différentielle latérale divisée

La protection différentielle à couplage multiple protège l'enroulement Y du transformateur et est composée des premier et dernier transformateurs de courant (TC) des enroulements de chaque côté, en fonction de la phase. Prenons l'exemple de la phase A auto-couplée de la figure 5 : la protection est composée de TC TA1A, TA2a' et TA3A. Conformément à la loi des nœuds de Kirchhoff, il n'existe aucun couplage électromagnétique entre les courants aux deux extrémités ; par conséquent, cette protection ne nécessite ni éléments de blocage des courants d'appel, ni éléments de coupure différentielle, ni éléments de blocage des surexcitations. De plus, le courant de fonctionnement nominal de la protection différentielle à couplage multiple est plus faible et sa sensibilité plus élevée que celle de la protection différentielle longitudinale. Cependant, cette protection ne protège pas contre les courts-circuits entre spires.

2.

protection différentielle à phase divisée

La protection différentielle à séparation de phases est une protection différentielle qui protège chaque enroulement de phase du transformateur et se compose de transformateurs de courant (TC) placés de part et d'autre de chaque enroulement de phase (par exemple). Cette protection détecte tous les défauts d'une phase du transformateur, à l'exception des conducteurs basse tension, mais nécessite un dispositif de blocage du courant d'appel.

3.

Protection différentielle des cellules côté basse tension

Comme la protection différentielle à dédoublement de phase ne protège pas les conducteurs de phase côté basse tension, un différentiel de cellule est introduit en complément. La protection différentielle côté basse tension est composée d'un transformateur de courant interne (TC) de l'enroulement biphasé triangulaire côté basse tension et d'un TC reflétant le courant différentiel de cet enroulement. Ce dispositif bloque les courants d'appel, mais ne réagit pas aux défauts entre spires.

4.

protection différentielle de séquence zéro

La protection différentielle homopolaire est constituée de transformateurs de courant homopolaires côté neutre et de circuits homopolaires côté étoile. Les figures 6 et 7 illustrent les boucles de courant en cas de défaut à la terre hors zone et à l'intérieur de la zone, respectivement. De même, les courants secondaires de cette protection sont indépendants du couplage électromagnétique, ce qui dispense le dispositif de protection d'un dispositif de blocage des courants d'appel ou de surexcitation. En revanche, il est plus sensible aux défauts à la terre des enroulements du transformateur. Toutefois, la protection différentielle homopolaire ne détecte que les défauts à la terre internes côté haute et moyenne tension et ne protège pas contre les courts-circuits entre spires.