De la classification au mode de câblage, l'explication la plus complète du transformateur de mise à la terre

Les réseaux électriques de 6 kV, 10 kV et 35 kV fonctionnent généralement sans neutre mis à la terre. Le côté basse tension du transformateur principal est généralement câblé en triangle, sans point neutre pouvant être mis à la terre. En cas de défaut à la terre monophasé dans un tel système, le triangle de tension reste symétrique. L'alimentation électrique peut alors être maintenue pendant 1 à 2 heures, le courant capacitif étant relativement faible (inférieur à 10 A) et ne provoquant pas d'arcs électriques intermittents. Certains défauts à la terre transitoires disparaissent automatiquement, ce qui améliore considérablement la fiabilité de l'alimentation et réduit les coupures de courant. Cependant, avec l'expansion continue des réseaux électriques urbains et l'augmentation constante du nombre de lignes de raccordement, le courant capacitif du système vers la terre augmente fortement, et le courant traversant le point de défaut après un défaut à la terre monophasé est important (supérieur à 10 A).

L'arc électrique est difficile à éteindre ; il peut facilement provoquer une surtension par résonance ferromagnétique et générer des surtensions intermittentes par arc électrique, susceptibles d'endommager l'isolation, de déclencher la ligne et d'aggraver l'accident.

Spécifiquement:

L'extinction et le réamorçage intermittents d'un arc de mise à la terre monophasé produiront une surtension de mise à la terre d'une amplitude pouvant atteindre 4U (U étant la valeur de crête de la tension de phase normale) ou plus et d'une longue durée, ce qui causera de graves dommages à l'isolation des équipements électriques et provoquera une panne en cas d'isolation faible ; causera des pertes importantes.

La dissociation de l'air provoquée par l'arc continu détruit l'isolation de l'air environnant et est sujette aux courts-circuits entre phases.

Une surtension due à la résonance ferromagnétique peut facilement endommager le transformateur de tension et le parafoudre, voire provoquer son explosion. Ces conséquences menacent gravement l'isolation des équipements du réseau électrique et mettent en péril son fonctionnement sûr.

Afin de réduire le courant capacitif à la terre en cas de défaut de mise à la terre monophasé, il est nécessaire d'installer une bobine d'inhibition d'arc et d'autres dispositifs de compensation au niveau du point neutre du transformateur. Par conséquent, il est indispensable de définir manuellement un point neutre permettant de connecter la bobine d'inhibition d'arc afin de réduire le courant de coupure en cas de court-circuit à la terre et d'améliorer la fiabilité de l'alimentation électrique du système.

■ Utilisation actuelle au pays et à l'étranger

En Chine, le transformateur de mise à la terre utilise généralement un câblage en Z (ou en zigzag). Afin de réduire les coûts et l'encombrement des sous-stations, un troisième enroulement est généralement ajouté au transformateur de mise à la terre pour remplacer le transformateur alimentant les équipements de la sous-station. Conformément à la norme nationale relative aux réacteurs, la mise à la terre du transformateur peut être directe, via un réacteur, une résistance et une bobine d'extinction d'arc. La mise à la terre directe n'est pas encore utilisée en Chine, mais certains organismes de recherche en énergie électrique ont commencé à l'étudier. À l'étranger, le transformateur de mise à la terre utilise généralement un câblage en Z, employé pour les réseaux 10 kV non mis à la terre et assurant la protection de la mise à la terre du réseau de distribution. En cas de défaut à la terre, le transformateur de mise à la terre présente une impédance élevée aux courants de séquence positive et inverse et une faible résistance au courant homopolaire, garantissant ainsi la fiabilité de la protection.

■ Transformateur de mise à la terre triphasé

Transformateur de mise à la terre triphasé. Ce type de transformateur utilise un câblage en Z (ou en zigzag). Contrairement aux transformateurs ordinaires, chaque bobine de phase est divisée en deux groupes et enroulée en sens inverse sur le pôle magnétique de cette phase. L'avantage de ce câblage est que le flux magnétique homopolaire circule le long du pôle magnétique, tandis que dans les transformateurs ordinaires, il circule le long du circuit de fuite magnétique. Par conséquent, l'impédance homopolaire des transformateurs de mise à la terre en Z est très faible (environ 10 Ω), alors que celle des transformateurs ordinaires est beaucoup plus élevée. Conformément à la réglementation, la capacité d'un transformateur ordinaire avec bobine d'extinction d'arc ne doit pas dépasser 20 % de sa capacité nominale. Un transformateur en Z peut être équipé d'une bobine d'extinction d'arc d'une capacité de 90 % à 100 %. Outre la bobine d'extinction d'arc, le transformateur de mise à la terre peut également être équipé d'une charge secondaire, qui peut remplacer le transformateur de station, permettant ainsi de réaliser des économies.

■ Transformateur de mise à la terre monophasé

Le transformateur de mise à la terre monophasé est principalement utilisé pour les générateurs avec point neutre et armoire de résistance de mise à la terre du point neutre du transformateur Satons afin de réduire le coût et le volume de l'armoire de résistance.

■ Caractéristiques de fonctionnement

(1) Faible impédance homopolaire pour assurer la sortie du courant homopolaire ;

(2) Impédance d'excitation élevée pour réduire le courant à vide ;

(3) Faibles pertes à vide pour économiser l'énergie lors du fonctionnement quotidien.

■ Mode de câblage

Connexion YNyn

Le transformateur fonctionnant selon ce mode de connexion utilise généralement un noyau de fer triphasé à trois colonnes. Le point neutre côté haute tension peut être relié à la terre par une bobine d'anti-arc. Cependant, lorsqu'un courant homopolaire monophasé circule dans l'enroulement haute tension, le potentiel magnétique homopolaire généré ne peut être compensé par le potentiel magnétique secondaire. De ce fait, le flux magnétique homopolaire de même sens ne peut former de boucle dans le noyau à trois colonnes. Une grande partie de ce flux magnétique homopolaire ne peut alors traverser que les bornes, l'huile et la cuve pour former une boucle fermée, ce qui engendre des pertes supplémentaires dans la cuve et les bornes, provoquant une surchauffe locale et limitant l'utilisation de la capacité du transformateur. La réglementation chinoise relative à l'exploitation du secteur de l'énergie impose les dispositions suivantes concernant le fonctionnement de la bobine d'anti-arc reliée au point neutre d'un transformateur à connexion YNyn :

(1) La capacité de la bobine de suppression d'arc ne doit pas dépasser 20 % de la capacité nominale du transformateur ;

(2) La chute de tension homopolaire générée par le courant homopolaire circulant dans la bobine de suppression d'arc du transformateur ne doit pas dépasser 10 % de la tension de phase nominale ;

Le mode de connexion du transformateur à couplage YNd et de la bobine d'extinction d'arc XL se caractérise par le fait que la connexion triangulaire au secondaire permet un chemin fermé pour le courant homopolaire, réduisant ainsi la réactance homopolaire. De plus, l'équilibre du potentiel magnétique homopolaire des enroulements primaire et secondaire de chaque colonne du noyau limite également les fuites magnétiques homopolaires. Cependant, lorsque l'enroulement de couplage YN est externe, les pertes homopolaires supplémentaires dues au réservoir d'huile et aux autres composants ne peuvent être totalement éliminées. Même connecté à une bobine d'extinction d'arc, l'utilisation de sa capacité reste limitée. Des essais réalisés à l'étranger indiquent que le mode de fonctionnement admissible du transformateur de mise à la terre à couplage YNd est le suivant :

(1) Lorsque la pleine charge secondaire est normale, la capacité de la bobine de suppression d'arc connectée du côté YN ne doit pas dépasser 50 % de la capacité nominale du transformateur ;

(2) Lorsque la charge secondaire n'est que de 50 % de la capacité du transformateur en temps normal, la capacité de la bobine de suppression d'arc peut être égale à la capacité nominale du transformateur.

Bien que le côté secondaire de cette connexion puisse alimenter des charges régionales ou le poste de transformation lui-même, son application sera fortement limitée car la connexion triangulaire est difficile à utiliser simultanément pour alimenter des utilisateurs hybrides d'énergie et d'éclairage.

Le couplage YN (d ouvert) est relié à une bobine d'anti-arc XL, de manière similaire au couplage YNd. Ce couplage peut être complété par une résistance ou une inductance sur le côté du triangle ouvert afin d'ajuster la réactance homopolaire du transformateur. L'ajout d'une résistance permet également de supprimer la résonance ferromagnétique du réseau. L'utilisation d'un noyau de fer triphasé à cinq colonnes permet d'augmenter considérablement l'impédance homopolaire, voire de se passer de bobine d'anti-arc, mais la structure est alors plus complexe et le coût plus élevé. De plus, le couplage en triangle ouvert ne permet pas de répondre aux besoins d'alimentation des charges régionales ni à ceux de l'autoconsommation, ce qui explique sa faible utilisation.

Le transformateur à connexion ZN,yn est relié à la bobine d'extinction d'arc XL, un mode de connexion courant pour les transformateurs de mise à la terre. Du fait que les potentiels magnétiques homopolaires dans les enroulements supérieur et inférieur, sur le même noyau de fer, présentent une amplitude identique et des directions opposées (s'annulant mutuellement), le flux de fuite homopolaire est considérablement réduit. Par conséquent, la réactance homopolaire du transformateur est très faible et sa capacité peut être égale à celle de la bobine d'extinction d'arc.

Le transformateur de mise à la terre, largement utilisé en Chine et à l'étranger, est principalement raccordé de cette manière. Le raccordement en Y étant effectué côté basse tension, il peut alimenter simultanément le réseau local et le poste de transformation. La puissance côté basse tension est généralement inférieure à celle côté haute tension. Dans la plupart des cas, elle se situe entre 80 et 200 kVA.

Bien que la capacité nominale du côté haute tension puisse être égale à la capacité de la bobine de suppression d'arc connectée, la connexion en forme de Z aura 1,15 fois plus de spires que la connexion en forme de Y, de sorte que la capacité réelle du transformateur de mise à la terre devrait être 1,15 fois supérieure à la capacité de la bobine de suppression d'arc.

■ Principe de fonctionnement

Le schéma de principe de fonctionnement du transformateur de mise à la terre en cas de défaut monophasé est illustré par le câblage ZNyn classique. Lors du passage d'un courant homopolaire d'une certaine amplitude dans le transformateur, les courants circulant dans les deux enroulements monophasés d'un même noyau de fer sont de sens opposés et d'amplitude égale. Le potentiel magnétique induit par le courant homopolaire est alors légèrement opposé, ce qui réduit considérablement l'impédance homopolaire.

En cas de défaillance du transformateur de mise à la terre, le point neutre peut être traversé par le courant de compensation. Du fait de sa faible impédance homopolaire, la chute de tension induite par le passage de ce courant est minimale afin de garantir la sécurité du système. Le transformateur de mise à la terre présentant cette faible impédance homopolaire, lors d'un défaut de mise à la terre monophasé sur la phase C, le courant de terre I de cette phase circule vers le point neutre via la terre et se divise en trois parties égales pour alimenter le transformateur de mise à la terre. Les courants triphasés alimentant ce dernier étant égaux, le déplacement du point neutre N reste inchangé et la tension triphasée demeure symétrique.

Cependant, lors de la fabrication, le nombre de spires et les dimensions géométriques des enroulements supérieur et inférieur de l'enroulement haute tension ne peuvent être parfaitement identiques. De ce fait, le potentiel magnétique généré par le courant homopolaire ne peut être exactement compensé en sens inverse, ce qui engendre une certaine impédance homopolaire, généralement de l'ordre de 6 à 10 Ω. Comparée à l'impédance homopolaire de 600 Ω d'un transformateur couplé en étoile, la mise à la terre en zigzag présente des avantages évidents. De plus, ce type de transformateur permet de minimiser le courant et les pertes à vide. Contrairement à un transformateur couplé en étoile classique, chaque noyau de fer de phase d'un transformateur couplé en zigzag est composé des enroulements de deux colonnes de fer. D'après son diagramme vectoriel, à tension égale, il nécessite 1,16 fois plus de spires qu'un transformateur couplé en étoile classique. L'amplitude des impédances homopolaire et directe d'un réseau de distribution urbain monophasé mis à la terre en mode de résistance du point neutre diffère considérablement. Lorsqu'un courant triphasé de séquence directe et inverse circule dans le transformateur de mise à la terre, le potentiel magnétique sur chaque colonne du noyau de fer est la somme des vecteurs de potentiel magnétique de deux enroulements de phases différentes sur cette colonne. Le potentiel magnétique sur les trois colonnes du noyau de fer constitue un système triphasé à l'équilibre, déphasé de 120°. Le flux magnétique généré forme une boucle sur ces trois colonnes. La résistance magnétique du circuit est faible, le flux magnétique est important et le potentiel induit est élevé, ce qui se traduit par une impédance de séquence directe et inverse élevée. Par conséquent, le transformateur de mise à la terre présente une impédance de séquence directe et inverse élevée et une impédance homopolaire faible.

■ Principaux paramètres techniques

Afin de répondre aux besoins de compensation de la mise à la terre de la bobine de suppression d'arc dans le réseau de distribution, et également aux besoins de l'alimentation électrique et de la charge d'éclairage du poste de transformation, un transformateur de connexion de type Z est sélectionné, et les principaux paramètres du transformateur de mise à la terre doivent être définis de manière raisonnable.

(1) La puissance primaire du transformateur de mise à la terre doit correspondre à celle de la bobine d'extinction d'arc. Conformément aux spécifications de la bobine d'extinction d'arc existante, il est recommandé de dimensionner le transformateur de mise à la terre à 1,05 à 1,15 fois la puissance de la bobine d'extinction d'arc. Par exemple, un transformateur de mise à la terre équipé d'une bobine d'extinction d'arc de 200 kVA a une puissance de 215 kVA.

(2) Courant total circulant à travers le point neutre du transformateur en cas de défaut monophasé du courant de compensation du point neutre :

Où:

U est la tension de ligne du réseau de distribution (V) ; Zx est l'impédance de la bobine de suppression d'arc (Ω) ;

Zd est l'impédance homopolaire primaire du transformateur de mise à la terre (Ω/phase) ;

Zs est l'impédance du système (Ω) ;

La durée du courant de compensation du point neutre doit être la même que celle de la bobine de suppression d'arc, qui doit être de 2 heures comme spécifié.

(3) Impédance homopolaire. L'impédance homopolaire est un paramètre important des transformateurs de mise à la terre. Elle influe considérablement sur la protection par relais, limitant le courant de court-circuit monophasé à la terre et supprimant les surtensions. Pour les transformateurs de mise à la terre de type zigzag (type Z) et étoile/triangle ouvert sans enroulement secondaire, il n'existe qu'une seule impédance : l'impédance homopolaire. Ainsi, le service de fabrication peut répondre aux exigences du service de distribution d'énergie.

(4) Les pertes constituent un paramètre de performance important pour un transformateur de mise à la terre. Pour un transformateur de mise à la terre à enroulement secondaire, ses pertes à vide peuvent être identiques à celles d'un transformateur à double enroulement de même puissance. En charge, lorsque le secondaire fonctionne à pleine charge, les pertes du primaire sont inférieures à celles d'un transformateur à double enroulement de même puissance au secondaire, du fait de la faible charge du primaire.

(5) Selon la norme nationale, l'élévation de température du transformateur de mise à la terre est la suivante :

1) L'élévation de température sous le courant continu nominal doit être conforme aux dispositions de la norme nationale pour les transformateurs de type sec de transformateurs de puissance généraux, mais elle est principalement applicable aux transformateurs de mise à la terre avec une charge fréquente du côté secondaire ;

2) Lorsque la durée du courant de charge de courte durée est inférieure à 10 s (principalement lorsque le point neutre est connecté à la résistance), l'élévation de température doit être conforme aux dispositions de la norme nationale relative aux transformateurs de puissance concernant la limite d'élévation de température en cas de court-circuit ;

3) L'élévation de température du transformateur de mise à la terre et de la bobine de suppression d'arc lorsqu'ils fonctionnent ensemble doit être conforme aux dispositions relatives à l'élévation de température de la bobine de suppression d'arc : la température de l'enroulement qui traverse en continu le courant nominal est de 80 K, ce qui est principalement applicable au transformateur de mise à la terre à connexion étoile/triangle ouvert ; pour l'enroulement dont la durée maximale de passage du courant nominal est spécifiée à 2 h, la température spécifiée est de 100 K.