Analyse de la protection du transformateur dans la protection par relais

1. Pannes et anomalies courantes des transformateurs

Les défauts des transformateurs peuvent être divisés en défauts internes et défauts externes.

Les défauts internes désignent les défauts qui se produisent à l'intérieur du boîtier, notamment les courts-circuits entre phases des enroulements, les courts-circuits entre spires des enroulements monophasés, les courts-circuits entre les enroulements et les noyaux de fer, et les défauts de déconnexion des enroulements.

Les défauts externes désignent divers courts-circuits entre phases entre les fils conducteurs externes du transformateur, ainsi que les défauts à la terre monophasés qui se produisent lorsque la bague isolante des fils conducteurs traverse l'enveloppe du boîtier.

La défaillance d'un transformateur est extrêmement dangereuse. En particulier, en cas de défaut interne, l'arc électrique à haute température généré par le courant de court-circuit risque non seulement de brûler l'isolant et le noyau de fer des enroulements, mais aussi de provoquer la décomposition de l'huile et la production d'une grande quantité de gaz, pouvant entraîner la déformation, voire l'explosion, de l'enveloppe du transformateur. Par conséquent, il est impératif de couper l'alimentation électrique dès qu'un transformateur tombe en panne.

Les anomalies de fonctionnement du transformateur comprennent principalement la surcharge, un niveau d'huile insuffisant, une surintensité due à un court-circuit externe, une température d'huile élevée en fonctionnement, une température d'enroulement élevée, une pression élevée dans le transformateur et une défaillance du système de refroidissement. En cas d'anomalie de fonctionnement, une alarme doit être déclenchée.

2. Configuration de la protection du transformateur

Principales protections contre les défauts de court-circuit : principalement protection différentielle longitudinale, protection contre les gaz lourds, etc.

Protection de secours contre les défauts de court-circuit : principalement protection composite contre les surintensités par blocage de tension, protection contre les surintensités de séquence zéro (directionnelle), protection contre les surintensités à faible impédance, etc.

Protection contre les anomalies de fonctionnement : comprend principalement la protection contre les surcharges, la protection contre la surexcitation, la protection contre les gaz légers, la protection contre l'écart du point neutre, la protection contre les défaillances du niveau d'huile et du système de refroidissement, etc.

3. Protection non électrique

La protection des transformateurs par des grandeurs non électriques telles que l'huile, le gaz et la température est appelée protection non électrique. Elle comprend principalement la protection contre les fuites de gaz, la protection contre les surpressions, la protection thermique, la protection contre les surpressions d'huile et la protection contre l'arrêt complet du refroidisseur. La protection non électrique se déclenche par coupure automatique ou envoi d'une alerte, selon les besoins du site.

(1) Protection contre le gaz

Lorsqu'un défaut survient à l'intérieur d'un transformateur, sous l'effet du courant de court-circuit et de l'arc électrique au point de court-circuit, une grande quantité de gaz est générée, ce qui accélère la circulation de l'huile. La protection assurée par l'utilisation de ce gaz et de cette circulation d'huile est appelée protection par gaz.

Protection contre les gaz légers : lorsqu’un léger défaut ou une anomalie survient à l’intérieur du transformateur, le point de défaut surchauffe partiellement, ce qui provoque la dilatation d’une partie de l’huile, le gaz contenu dans l’huile forme des bulles et pénètre dans le relais à gaz, et la protection contre les gaz légers se déclenche pour envoyer un signal de gaz léger.

Protection contre les gaz intenses : En cas de défaut grave dans la cuve d'huile du transformateur, le courant de défaut est important et l'arc électrique provoque la décomposition d'une grande quantité d'huile, générant un important dégagement de gaz et d'huile. Le déflecteur d'impact déclenche le relais de protection contre les gaz intenses, qui envoie un signal d'alerte et coupe l'alimentation. Le transformateur est alors mis hors service.

La protection par gaz lourd constitue la principale protection contre les défauts internes de la cuve à huile et peut détecter divers défauts au sein du transformateur. En cas de court-circuit entre spires, même si le courant de défaut est élevé, le courant différentiel généré par la protection différentielle peut être insuffisant, et cette dernière peut alors ne pas se déclencher. Par conséquent, en cas de défaut interne du transformateur, il est nécessaire de recourir à la protection par gaz lourd pour éliminer le défaut.

(2) Protection contre la pression

La protection contre la surpression constitue également la principale protection contre les défauts internes de la cuve du transformateur. Elle comprend un dispositif de décharge de pression et une protection contre les variations brusques de pression, conçus pour réagir à la pression de l'huile du transformateur.

(3) Protection contre la température et le niveau d'huile

Lorsque la température du transformateur atteint la valeur d'alerte, la protection thermique émet un signal d'alarme et met en marche le refroidisseur de secours.

En cas de fuite d'huile du transformateur ou de baisse du niveau d'huile pour d'autres raisons, le système de protection du niveau d'huile se déclenchera et enverra un signal d'alarme.

(4) Protection contre l'arrêt complet du refroidisseur

Lorsque le refroidisseur du transformateur s'arrête complètement en cours de fonctionnement, la température de ce dernier augmente. Si cette situation n'est pas prise en charge rapidement, l'isolation des enroulements risque d'être endommagée. C'est pourquoi, en cas d'arrêt complet du refroidisseur pendant le fonctionnement du transformateur, le système de protection émet une alarme et coupe l'alimentation du transformateur après un délai déterminé.

4. Protection différentielle

La protection différentielle du transformateur est la principale protection de la composante électrique du transformateur. Son domaine de protection correspond à la zone délimitée par les transformateurs de courant de chaque côté. En cas de défauts tels qu'un court-circuit entre phases ou un court-circuit entre spires dans l'enroulement, la protection différentielle doit se déclencher.

Concernant le principe de la protection différentielle du transformateur, nous l'avons déjà abordé en détail ; ceux qui en ont besoin peuvent consulter les documents historiques 6, 7 et 8. Je n'entrerai pas dans les détails et me contenterai d'ajouter quelques notions sur le courant d'appel d'excitation.

(1) Courant d'appel d'excitation du transformateur

Le courant d'excitation généré lors de la mise sous tension d'un transformateur est appelé courant d'appel. Son amplitude dépend de la structure du transformateur, de son angle de fermeture, de sa capacité, de son magnétisme rémanent avant fermeture et d'autres facteurs. Les mesures montrent que lors de la mise sous tension d'un transformateur, le courant d'appel dû à la saturation du noyau de fer est très important, généralement de 2 à 6 fois le courant nominal, et peut même dépasser 8 fois. Ce courant d'appel circulant uniquement dans le transformateur côté charge, il génère un courant différentiel important dans le circuit différentiel, pouvant entraîner un dysfonctionnement de la protection différentielle.

Le courant d'appel d'excitation présente les caractéristiques suivantes : a. Son amplitude est très élevée et il comporte des composantes non périodiques importantes ; b. Sa forme d'onde est pointue et intermittente ; c. Il contient des composantes harmoniques d'ordre élevé, notamment la seconde harmonique ; d. il est atténué.

Compte tenu des caractéristiques susmentionnées du courant d'appel, afin d'éviter le dysfonctionnement de la protection différentielle du transformateur causé par ce courant, trois principes sont utilisés dans le projet : une teneur élevée en harmonique de second ordre, une forme d'onde asymétrique et un grand angle de discontinuité de la forme d'onde pour réaliser le blocage de la protection différentielle.

(2) Principe de freinage par seconde harmonique

Le principe du freinage par harmonique de second ordre consiste à utiliser la composante harmonique de second ordre du courant différentiel pour déterminer s'il s'agit d'un courant de défaut ou d'un courant d'appel. Lorsque le rapport entre la composante harmonique de second ordre et la composante fondamentale dépasse un certain seuil (généralement 20 %), on considère que le courant différentiel est dû à un courant d'appel et la protection différentielle est désactivée.

Par conséquent, plus le rapport de freinage du second harmonique est élevé, plus le courant du second harmonique contenu dans l'onde fondamentale est autorisé, et plus l'effet de freinage sera faible.

(3) Protection contre le freinage différentiel rapide

Lorsqu'un défaut grave survient à l'intérieur du transformateur et que le TC est saturé par un courant de défaut important, le courant secondaire du TC contient également un grand nombre de composantes harmoniques. D'après la description ci-dessus, cela risque de provoquer un déclenchement de la protection différentielle par freinage harmonique de second ordre, entraînant un blocage ou un retard. Ceci peut gravement endommager le transformateur. Afin de résoudre ce problème, une protection différentielle à coupure rapide est généralement mise en place.

L'élément de coupure différentielle rapide est en réalité un élément différentiel de haute valeur destiné à la protection différentielle longitudinale. Contrairement aux éléments différentiels classiques, il reflète la valeur efficace du courant différentiel. Indépendamment de la forme d'onde du courant différentiel et de l'amplitude de ses harmoniques, dès que sa valeur efficace dépasse le seuil de coupure différentielle rapide (généralement supérieur au seuil de protection différentielle), il coupe immédiatement l'alimentation du transformateur, même en l'absence d'excitation, notamment en cas de courant d'appel.

La section suivante présente la protection de secours du transformateur.

Il existe de nombreuses configurations de protection de secours pour les transformateurs. Ce document présente principalement deux types de protections de secours : la protection complexe contre les surintensités par blocage de tension et la protection de mise à la terre des transformateurs.

1. Protection contre les surintensités pour verrouillage de pression complexe

La protection contre les surintensités par blocage de tension complexe constitue la protection de secours contre les courts-circuits entre phases des transformateurs de grande et moyenne puissance. Elle convient aux transformateurs élévateurs, aux transformateurs à contacts système et aux transformateurs abaisseurs dont la protection contre les surintensités ne répond pas aux exigences de sensibilité. La tension composite, constituée de la tension de séquence inverse et de la tension basse, permet de détecter divers défauts dans la plage de protection, ce qui réduit le seuil de déclenchement de la protection contre les surintensités et améliore sa sensibilité.

La protection composite contre les surintensités est composée d'un élément de tension composite, d'un élément de surintensité et d'un élément temporisé. Le courant d'entrée de la protection est le courant triphasé secondaire du transformateur de courant (TC) côté propre du transformateur, et la tension d'entrée est la tension triphasée secondaire du transformateur de potentiel (TP) côté propre ou d'un autre côté. Pour une protection par microprocesseur, la tension de ce côté peut être fournie aux autres côtés par logiciel, afin de garantir la continuité de la protection contre les surintensités de chaque côté lors de la maintenance du TP. Le principe de fonctionnement est illustré dans la figure ci-dessous.

2. Protection de mise à la terre du transformateur

La protection de secours contre les défauts de court-circuit à la terre des transformateurs de grande et moyenne taille comprend généralement : la protection contre les surintensités homopolaires, la protection contre les surtensions homopolaires, la protection par éclateur, etc. Voici une brève introduction basée sur trois méthodes différentes de mise à la terre du point neutre.

(1) Le point neutre est directement mis à la terre

Pour les transformateurs de tension supérieure ou égale à 110 kV dont le neutre est directement mis à la terre, une protection contre les courants homopolaires, sensible aux défauts à la terre, doit être installée côté conducteur de mise à la terre. Pour les transformateurs mis à la terre directement côté haute et moyenne tension, cette protection doit être directionnel et orientée vers les barres omnibus de chaque côté.

Le principe de la protection contre les courants homopolaires est similaire à celui de la protection contre les courants homopolaires de ligne (voir le numéro 30). Le courant homopolaire peut provenir du courant secondaire du transformateur de courant (TC) de point neutre ou être généré par le courant triphasé secondaire du TC côté local. La tension homopolaire appliquée à l'élément directionnel peut provenir de la tension du triangle ouvert du transformateur de potentiel (TP) côté local ou être générée par la tension triphasée secondaire côté local. Dans les dispositifs de protection à microprocesseur, la méthode de génération automatique est généralement privilégiée.

Pour les transformateurs triphasés de grande taille, une protection contre les courants homopolaires à trois étages peut être utilisée. Les sections I et II sont directionnelles, tandis que la section III est unidirectionnelle. Chaque section comporte généralement deux niveaux de temporisation : une temporisation courte réduit la zone de défaut (par coupure du coupleur de barres ou de l’interrupteur côté conducteur), tandis qu’une temporisation longue (par coupure de l’interrupteur triphasé) coupe l’alimentation du transformateur. La configuration de protection spécifique est déterminée en fonction de l’application.

Comme illustré, après le déclenchement de la section I ou II de la protection contre les courants de séquence homopolaire, le coupleur de bus ou l'interrupteur de ce côté est d'abord actionné après un court délai t1 ou t3 afin de réduire l'étendue du défaut. Si le défaut persiste, après un délai plus long t2 ou t4, l'interrupteur tripolaire est actionné pour couper l'alimentation du transformateur. La section III est non directionnelle ; le transformateur est alors coupé directement après un délai.

(2) Le point neutre n'est pas mis à la terre

Le courant homopolaire traverse le point neutre du transformateur pour former un circuit homopolaire. Cependant, si les points neutres de tous les transformateurs sont mis à la terre, le courant de court-circuit au point de mise à la terre sera dérivé vers chaque transformateur, ce qui réduira la sensibilité de la protection contre les surintensités homopolaires. Par conséquent, afin de limiter le courant homopolaire à une certaine valeur, il existe une réglementation concernant le nombre de transformateurs fonctionnant avec le point neutre mis à la terre.

Pour les transformateurs fonctionnant sans mise à la terre, une protection contre les surtensions homopolaires doit être configurée afin d'éviter les dommages causés au transformateur par les arcs électriques dans les points de défaut lors de défauts à la terre.

En raison du niveau d'isolation élevé du point neutre du transformateur entièrement isolé, lorsqu'un défaut à la terre survient dans le système, la protection contre les courants homopolaires coupera d'abord le transformateur avec le point neutre mis à la terre, et si le défaut persiste, une protection contre les tensions homopolaires coupera le point neutre sans mettre le transformateur à la terre.

(3) Le point neutre est mis à la terre par l'intermédiaire de l'écartement de décharge.

Les transformateurs à très haute tension sont tous des transformateurs semi-isolés, et l'isolation de l'enroulement du point neutre par rapport à la terre est plus faible que celle des autres parties. L'isolation du point neutre est sujette aux claquages ; par conséquent, une protection contre les surtensions doit être prévue.

La fonction de la protection d'écartement est de protéger l'isolation du point neutre du transformateur non mis à la terre.

Installez un éclateur entre le point neutre du transformateur et la terre, comme indiqué sur la figure. Lorsque l'interrupteur de mise à la terre est fermé, le transformateur est directement mis à la terre et la protection contre les surintensités homopolaires est activée. Lorsque l'interrupteur de mise à la terre est ouvert, le transformateur est mis à la terre par l'intermédiaire de l'éclateur et la protection contre les surintensités homopolaires est activée.

La protection contre les éclateurs est réalisée en utilisant comme critères le courant d'éclatement 3I0 circulant à travers le point neutre du transformateur et la tension triangulaire d'ouverture du PT du bus 3U0.

Si le point neutre est relevé suite à un défaut, l'éclateur se rompt et un courant d'éclateur important 3I0 est généré. À ce moment-là, la protection contre les défauts d'éclateur se déclenche et le transformateur est mis hors tension après un délai. De plus, en cas de défaut à la terre dans le système, la protection homopolaire du transformateur de mise à la terre du point neutre se déclenche et ce dernier est mis hors tension en premier. Après la perte du point de terre dans le système, si le défaut persiste, la tension de circuit ouvert 3U0 du transformateur de potentiel (TP) sera très élevée et la protection contre les défauts d'éclateur se déclenchera également.