Comment protéger les transformateurs ? Une protection adéquate des transformateurs peut prolonger leur durée de vie.

Le transformateur est un équipement statique fonctionnant en continu, ce qui lui confère une grande fiabilité et réduit les risques de panne. Cependant, la grande majorité des transformateurs étant installés à l'extérieur et soumis aux variations de charge et aux courts-circuits du réseau électrique, divers défauts et anomalies sont inévitables en cours d'exploitation.

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 survenant à l'intérieur du boîtier, tels que les courts-circuits interphases des enroulements, les courts-circuits entre spires des enroulements monophasés, les courts-circuits entre les enroulements et le noyau de fer, et les défauts de déconnexion des enroulements, etc.

Les défauts externes désignent divers défauts de court-circuit de phase entre les lignes d'alimentation externes des transformateurs et les défauts de mise à la terre monophasés qui se produisent lorsque la traversée isolante de la ligne d'alimentation contourne le boîtier.

Une panne de transformateur peut causer des dommages considérables. En particulier, en cas de défaut interne, l'arc électrique à haute température généré par le courant de court-circuit brûle non seulement l'isolant et le noyau de fer des enroulements, mais provoque également la décomposition de l'huile de transformateur et la production d'une grande quantité de gaz, ce qui peut entraîner la déformation de l'enveloppe du transformateur, voire une explosion. Par conséquent, lorsqu'un transformateur tombe en panne, il est impératif de le remplacer.

Les anomalies de transformateur sont principalement dues à une surcharge, une baisse du niveau d'huile, un court-circuit externe causé par une surintensité, une température d'huile trop élevée, une température d'enroulement trop élevée, une pression trop élevée et une défaillance du système de refroidissement. En cas d'anomalie, un signal d'alarme doit être émis.

Deuxièmement, configuration de protection du transformateur

Principales protections contre les courts-circuits : protection différentielle longitudinale, protection contre les gaz lourds, etc.

Protection de secours contre les défauts de court-circuit : principalement protection contre les surintensités par verrouillage de tension composé, protection contre les surintensités de séquence zéro (directionnelle), protection contre les basses impédances, etc.

Protection contre les fonctionnements anormaux : principalement protection contre les surcharges, la surexcitation, les gaz légers, l’entrefer neutre, la température, le niveau d’huile et les défaillances du système de refroidissement.

Trois, protection non électrique

La protection des transformateurs, qui inclut la protection contre les gaz, l'huile, la température et d'autres éléments non électriques, est appelée protection non électrique. On distingue principalement la protection contre les gaz, la protection contre la pression, la protection thermique, la protection contre le niveau d'huile et la protection contre l'arrêt du refroidisseur. La protection non électrique se déclenche ou émet des signaux selon les besoins du site.

1. Protection contre le gaz

En cas de défaillance interne du transformateur, due au courant de court-circuit et à l'arc électrique au point de court-circuit, une grande quantité de gaz est produite à l'intérieur du transformateur, ce qui accélère le flux d'huile. L'utilisation de ce flux de gaz et d'huile pour assurer la protection est appelée protection par gaz.

(1) Protection contre les gaz légers : lorsqu’un léger défaut ou une anomalie survient à l’intérieur du transformateur, la surchauffe locale du point de défaut provoque une dilatation partielle de l’huile, et le gaz contenu dans l’huile forme des bulles qui pénètrent dans le relais à gaz. Le dispositif de protection contre les gaz légers émet alors un signal lumineux.

(2) Protection contre les gaz lourds : en cas de défaut grave dans la cuve du transformateur, le courant de défaut est important et l’arc électrique provoque la décomposition d’une grande quantité d’huile, entraînant un important dégagement de gaz et d’huile. Le déflecteur d’impact canalise les gaz lourds, déclenchant une action de protection, émet un signal d’alerte et un dispositif de déclenchement, ce qui met le transformateur hors tension.

(3) La protection par gaz intense constitue la principale protection contre les défaillances internes du réservoir de combustible et peut révéler diverses défaillances internes du transformateur. Lors d'un court-circuit entre plusieurs spires du transformateur, bien que le courant de défaut soit très élevé, le courant différentiel généré par la protection différentielle peut être insuffisant, ce qui peut empêcher son activation. Par conséquent, en cas de défaillance interne du transformateur, il est nécessaire de recourir à la protection par gaz intense pour éliminer le défaut.

L'image

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 des dispositifs de décompression et de protection contre les variations de pression, permettant de compenser 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 envoie 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 niveau d'huile est protégé et un signal d'alarme est émis.

4, la protection contre l'arrêt complet du refroidisseur

Lorsque tous les refroidisseurs du transformateur s'arrêtent, la température de ce dernier augmente. Si aucune intervention n'est effectuée rapidement, l'isolation des enroulements risque d'être endommagée. C'est pourquoi, en cas d'arrêt complet des refroidisseurs, le système de protection émet une alarme et coupe l'alimentation du transformateur après un délai déterminé.

Quatre, protection différentielle

La protection différentielle des transformateurs est la principale protection des transformateurs électriques. Son champ d'application est la zone délimitée par les deux côtés du transformateur. En cas de court-circuit entre enroulements, de court-circuit entre spires ou d'autres défauts survenant dans ce champ, la protection différentielle entre en action.

1, courant d'appel du transformateur

Le courant d'excitation généré lors de la mise sous tension du transformateur est appelé courant d'appel. Son amplitude dépend de la structure du transformateur, de son angle de fermeture, de sa capacité, de son inductance rémanente avant fermeture et d'autres facteurs. Les mesures montrent que ce courant est généralement de 2 à 6 fois supérieur au courant nominal, et peut même dépasser 8 fois ce dernier. Comme le courant d'appel ne circule dans le transformateur que du côté charge, il induit un courant différentiel important dans la boucle différentielle, ce qui peut entraîner un déclenchement intempestif de la protection différentielle.

Le courant d'appel présente les caractéristiques suivantes : a. Sa valeur est très élevée et il contient une composante apériodique marquée ; b. Sa forme d'onde est pointue et discontinue ; c. Il contient une composante harmonique d'ordre élevé marquée, notamment la composante harmonique de second ordre ; d. Le courant d'appel d'excitation est atténué.

Compte tenu des caractéristiques du courant d'appel décrites ci-dessus, et afin d'éviter que ce courant ne provoque un dysfonctionnement de la protection différentielle du transformateur, le projet utilise trois principes : une teneur élevée en harmonique de second ordre, une asymétrie de la forme d'onde et un angle de discontinuité de la forme d'onde, pour réaliser le verrouillage 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 %), le courant différentiel est considéré comme un courant d'appel et la protection différentielle se déclenche.

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

3, protection différentielle contre les freinages rapides

Lorsqu'un défaut grave survient à l'intérieur du transformateur et que le courant de défaut est suffisamment important pour saturer le TC, le courant secondaire de ce dernier contient également un grand nombre de composantes harmoniques. D'après ce qui précède, il est probable que la protection différentielle se bloque ou soit retardée par le freinage harmonique de second ordre. Ceci risque d'endommager gravement le transformateur. Pour pallier 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 à constante élevée de protection différentielle longitudinale. Contrairement à un élément différentiel classique, il reflète la valeur efficace du courant différentiel. Quelle que soit la forme d'onde du courant différentiel ou l'amplitude de ses harmoniques, dès que sa valeur efficace dépasse le seuil de coupure différentielle (généralement supérieur au seuil de protection différentielle), le transformateur est immédiatement mis hors tension, sans déclenchement du courant d'appel ni autre condition de verrouillage.

Cinq, protection de secours du transformateur

La protection principale du transformateur est brièvement présentée, suivie de la présentation de sa protection de secours. Il existe de nombreuses configurations de protection de secours pour les transformateurs. Nous présentons ici brièvement deux types de protection de secours : la protection contre les surintensités par verrouillage de tension double et la protection par mise à la terre.

1. Protection contre les surintensités par double verrouillage de pression

La protection contre les surintensités par verrouillage de tension composite constitue une protection de secours en cas de court-circuit entre transformateurs de forte et moyenne puissance. Elle convient aux transformateurs élévateurs, aux transformateurs de raccordement de réseau 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, de réduire le seuil de déclenchement de la protection contre les surintensités et d'améliorer la sensibilité.

La protection contre les surintensités à tension composée comprend un élément de tension composée, un élément de surintensité et un élément temporisé. Le courant d'accès à la protection est le courant du transformateur de courant triphasé secondaire côté local du transformateur, et la tension d'accès est la tension du transformateur de potentiel triphasé secondaire côté local ou d'autres côtés du transformateur. Pour une protection par microprocesseur, la tension de ce côté peut être fournie aux autres côtés par logiciel, garantissant ainsi que toute intervention de maintenance sur le transformateur de potentiel puisse continuer à utiliser la protection contre les surintensités à tension composée. Le principe de fonctionnement est présenté ci-dessous.

2, protection de mise à la terre du transformateur

La protection de secours contre les courts-circuits 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 contre les éclateurs, etc. On trouvera ci-après une brève présentation des trois modes de mise à la terre différents basés sur le point neutre.

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

Pour les transformateurs dont la tension est supérieure ou égale à 110 kV et dont le point neutre est directement mis à la terre, une protection contre les courants homopolaires doit être installée côté haute tension afin de détecter les défauts de mise à la terre. Pour les transformateurs mis à la terre directement côté haute tension et côté neutre, cette protection doit être installée dans le sens de chaque barre de distribution.

Le principe de la protection contre les courants homopolaires est similaire à celui de la protection contre les courants homopolaires de ligne (voir le document n° 30). Le courant homopolaire peut être dérivé du courant du transformateur de courant secondaire du point neutre ou du courant du transformateur de courant triphasé secondaire côté local. La tension homopolaire appliquée à l'élément directionnel peut être obtenue à partir de la tension d'ouverture du transformateur de potentiel côté local ou de la tension triphasée secondaire côté local. Dans les dispositifs de protection à microprocesseur, on privilégie généralement les solutions internes.

Pour les transformateurs triphasés de grande taille, la protection contre les courants homopolaires peut être à trois niveaux. Les sections I et II sont directionnelles, tandis que la section III est non directionnelle. Chaque section comporte généralement une temporisation à deux niveaux : une temporisation courte pour réduire la zone de défaut (dérivation du jeu de barres ou de l’interrupteur local) et une temporisation plus longue pour mettre le transformateur hors tension (dérivation de l’interrupteur triphasé). La configuration de protection spécifique dépend de la situation.

Comme illustré, après le déclenchement de la protection contre les courants homopolaires dans les sections I ou II, il convient de shunter, avec un court délai, le bus ou l'interrupteur local t1 ou T3 afin de limiter l'étendue du défaut. Si le défaut persiste, le transformateur doit être mis hors tension à l'aide de l'interrupteur à trois voies t2 ou T4, avec un long délai. Dans la section III, sans polarité, le transformateur est directement mis hors tension avec un délai.

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

Le courant homopolaire traverse le point neutre du transformateur pour former la boucle homopolaire. Cependant, si tous les points neutres du transformateur sont mis à la terre, le courant de court-circuit au point de mise à la terre sera réparti entre tous les transformateurs, ce qui réduira la sensibilité de la protection contre les surintensités homopolaires. Par conséquent, afin de limiter le courant homopolaire à une certaine valeur, le nombre de transformateurs mis à la terre est réglementé.

Pour un transformateur non mis à la terre, une protection contre la tension homopolaire doit être configurée pour éviter les dommages causés par une surtension au transformateur, provoqués par un arc électrique au point de défaut en cas de défaut de mise à la terre.

Grâce à son niveau d'isolation élevé au niveau du point neutre, le transformateur est entièrement isolé. En cas de défaut de mise à la terre du système, la première protection contre les courants homopolaires intervient pour supprimer le transformateur dont le point neutre est mis à la terre. Si le défaut persiste, la seconde protection contre les tensions homopolaires intervient pour supprimer le transformateur dont le point neutre n'est pas mis à la terre.

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

Tous les transformateurs haute tension sont semi-isolés, et l'isolation de la bobine neutre par rapport à la terre est plus faible que celle des autres parties. L'isolation du neutre est sujette aux claquages. Il est donc nécessaire de prévoir une protection contre les courts-circuits.

Le rôle de la protection d'écartement est de protéger le point neutre de l'isolation du transformateur non mis à la terre.

Comme illustré, un éclateur est installé entre le point neutre du transformateur et la terre. 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 de l'entrefer est réalisée en utilisant comme critère le courant d'entrefer 3I0 circulant à travers le point neutre du transformateur et la tension d'ouverture du triangle 3U0 du bus PT.

Si le point neutre est surélevé par rapport au lieu du défaut, un claquage se produit au niveau de l'éclateur, entraînant un courant d'éclateur 3I0 important. Dans ce cas, la protection de l'éclateur se déclenche, puis, après un délai, le transformateur est mis hors tension. De plus, en cas de défaut à la terre, la protection homopolaire du transformateur de mise à la terre du point neutre se déclenche en premier lieu, coupant ainsi le transformateur de mise à la terre du point neutre. Une fois le point neutre hors tension, si le défaut persiste, la tension de coupure du bus PT 3U0 sera élevée, et la protection de l'éclateur se déclenchera également.

Source : Chaire du pouvoir