Courant d'enclenchement magnétique provoquant un fonctionnement intempestif de la protection différentielle du transformateur principal : pourquoi le blocage au deuxième harmonique échoue-t-il ?

Après une révision majeure, un transformateur principal de 31,5 MVA a été soumis à une mise sous tension à vide — « Déclenchement ! » La protection différentielle a fonctionné — mais sur site, il n'y avait pas le moindre signe de défaut. Ce n'était pas un défaut, mais cela a néanmoins entraîné une coupure de courant non planifiée :

Pourquoi, même s'il s'agit d'un courant d'appel de magnétisation, le système de protection « échoue-t-il à le reconnaître » ?

Conclusion en une phrase :

La teneur en harmonique de rang 2 du courant d'appel triphasé est entièrement inférieure au seuil de blocage de 15 % (la phase la plus élevée atteignant environ 10 %). Par conséquent, le critère unique de « freinage par harmonique de rang 2 » échoue, conduisant à une identification erronée du courant d'appel comme un défaut interne. La cause profonde réside dans l'effet combiné d'un « magnétisme rémanent élevé et des caractéristiques de résonance du système », qui réduisent significativement la contribution harmonique du courant d'appel. De plus, le schéma de protection manque d'un critère de secours basé sur la symétrie de la forme d'onde ou l'angle de discontinuité.

I. Description de l'incident (masqué)

• Scène : Une certaine sous-station de 110 kV — après une révision majeure, le transformateur principal n° 1 (31,5 MVA, 110/35/10 kV ; paramètres indicatifs) est mis sous tension à vide.
• Phénomène : Au moment de la fermeture, la protection différentielle du transformateur principal (différentielle à pourcentage + freinage par harmonique de rang 2) fonctionne, déclenchant les disjoncteurs des trois côtés.
• Impact : La sous-station a subi une brève coupure de courant. Après le passage en mode maintenance, la deuxième remise sous tension a réussi et aucun dommage matériel ne s'est produit. Cependant, le fonctionnement intempestif a déclenché une coupure de courant primaire non planifiée.
• Première réaction : Suspecter une « fermeture sous défaut interne » ou un « problème de circuit ».

II. Preuves sur site (caractéristiques de la forme d'onde)

Pourquoi un courant d'appel se produit-il lors de la mise sous tension à vide ?

Le courant d'appel n'existe que du côté de l'alimentation (le côté de la mise sous tension) ; il n'y a aucun courant de l'autre côté. Dès que la protection différentielle détecte un courant d'appel d'un seul côté, un courant différentiel se forme immédiatement, ce qui déclenche infailliblement le relais différentiel. La capacité de la protection à être correctement bloquée dépend entièrement des critères utilisés pour identifier le courant d'appel.

III. Chaîne de raisonnement (Du phénomène à la cause racine)

1. Tout d'abord, vérifier l'absence de défauts : analyse des gaz, chromatographie de l'huile, aspect et isolation — tout est normal → Ce n'est pas un vrai défaut ; le courant d'appel a été mal identifié.
2. Revérifier le circuit : la polarité et le fonctionnement des TC sont tous deux corrects → Ce n'est pas une erreur de circuit.
3. Couche de critère de blocage : La forme d'onde enregistrée pendant le défaut montre clairement un courant d'appel — alors pourquoi le blocage n'a-t-il pas fonctionné ? — Le critère de blocage est « contenu en harmonique de rang 2 > seuil (15 %) » ; cependant, cette fois, les rapports d'harmonique de rang 2 I₂/I₁ pour les trois phases sont inférieurs au seuil (la phase la plus élevée étant d'environ 10 %) : Physiquement, c'est un courant d'appel, mais selon le critère, les conditions de blocage ne sont pas remplies. (Remarque : Dans la protection à base de microprocesseur, le blocage par harmonique de rang 2 est spécifique à chaque phase ; chaque phase est comparée indépendamment, et l'action de blocage s'applique à la phase correspondante ou prend la valeur maximale parmi les phases.)
4. Pour approfondir la raison pour laquelle l'harmonique de rang 2 est si faible, examinons deux facteurs qui se superposent : ① Juste avant la mise sous tension du transformateur principal, celui-ci venait de subir l'élimination d'un défaut triphasé en zone proche, laissant une aimantation rémanente élevée dans le noyau. L'angle de fermeture, lorsqu'il se superpose à cette aimantation rémanente, a provoqué une distorsion sévère du courant d'appel, modifiant les caractéristiques harmoniques et réduisant la proportion de l'harmonique de rang 2. ② Les caractéristiques de résonance formées par la batterie de condensateurs en dérivation dans le poste et l'impédance du système modifient la distribution des harmoniques du courant d'appel au point de prélèvement (un effet de dérivation), abaissant ainsi davantage la proportion de l'harmonique de rang 2. (Ce facteur est controversé au sein de la communauté technique et est fourni ici à titre d'explication auxiliaire.)
5. Vulnérabilité de la configuration de la protection : Ce schéma de protection repose uniquement sur le critère de « blocage par harmonique de rang 2 » et n'intègre pas le principe de symétrie de la forme d'onde ni le critère de l'angle d'extinction comme mesures de secours. Si le critère unique échoue, toute la ligne perdra sa protection.

IV. Cause physique racine (en une phrase)

Le contenu en harmonique de rang 2 du courant d'appel est supprimé en dessous du seuil de blocage par « une aimantation rémanente élevée associée aux caractéristiques de résonance du système », tandis que le schéma de protection repose uniquement sur un critère de blocage par harmonique de rang 2. Par conséquent, la chaîne de discrimination entre le courant d'appel et les défauts internes devient inefficace.

Cela révèle une déficience dans la capacité à distinguer la redondance de la défaillance d'un composant — toute caractéristique unique du courant d'appel peut ne pas répondre aux spécifications dans certaines conditions de fonctionnement. Le contenu en harmonique de rang 2 des courants d'appel dans les transformateurs modernes de grande capacité et à faibles pertes (généralement dotés de noyaux en acier au silicium à haute perméabilité ou en fer amorphe couramment utilisés dans les transformateurs de distribution) est généralement assez faible, et cela est devenu un facteur de risque reconnu par l'industrie.

V. Rectification et prévention (Trois axes)

1. Logique de protection (priorité la plus élevée)

• Le principe de symétrie de la forme d'onde et le critère de l'angle d'extinction, combinés au blocage par harmonique de rang 2, forment une logique « OU » — ce qui signifie que dès que l'un de ces critères est satisfait, la protection différentielle sera bloquée (cette approche est identique à la méthode discutée lors du Forum sur la protection par relais de 2014 : « Blocage par harmonique de rang 2 + Analyse de la symétrie de la forme d'onde pour prévenir les déclenchements intempestifs causés par le courant d'appel »).
• Réviser le rapport de blocage par harmonique de rang 2 (exemple : 15 % → 12 %), et vérifier simultanément la sensibilité aux défauts internes (y compris les composantes du courant d'appel) pour éviter un faux blocage et un retard de déclenchement pour les défauts réels.
• Conserver la protection à déclenchement rapide différentiel (sans blocage du courant d'appel) pour assurer un déclenchement fiable et rapide lors de la mise sous tension sur un défaut interne.
• Le test de transmission a ajouté un nouvel élément de test — « Courant d'appel simulé à faible harmonique de rang 2 » — pour vérifier les limites de fonctionnement du critère composite.

2. Mode de fonctionnement

• La mise sous tension du transformateur principal est priorisée avec le dispositif de fermeture sélective par phase (qui supprime l'amplitude du courant d'appel et la distorsion harmonique).
• Avant de fermer l'interrupteur, évaluer l'impact du mode de fonctionnement de la batterie de condensateurs en dérivation sur la distribution de l'échantillonnage harmonique (et déconnecter temporairement un groupe si nécessaire).

3. Gestion et archives

• Chaque fois que le transformateur principal est mis sous tension et que ses données de forme d'onde sont enregistrées et archivées, une base de données des caractéristiques du courant d'appel pour ce transformateur principal spécifique est constituée, servant de base pour la vérification des valeurs de réglage et l'analyse des défauts.
• Après la maintenance, effectuer la procédure standard de démagétisation pour réduire l'impact de l'aimantation rémanente.
• Inclure le « déclenchement intempestif dû à un courant d'appel à faible harmonique de rang 2 » comme étude de cas dans la formation de l'équipe de maintenance sur les mesures préventives.

VI. Questions et réponses d'experts (FAQ)

Q1 : À quel niveau de contenu en harmonique de rang 2 dans le courant d'appel le risque de déclenchement intempestif sera-t-il déclenché ?

Cela devient inefficace lorsque le seuil de blocage (indiquant 15 %) n'est pas atteint. Dans la pratique technique, il n'est pas rare que le rapport triphasé I₂/I₁ descende en dessous de 10 % à 12 % lors des courants d'appel — des facteurs tels que les noyaux de grande capacité à faibles pertes, la fermeture à forte rémanence et les caractéristiques de résonance du système ont tous tendance à supprimer le contenu harmonique. Par conséquent, il ne faut pas considérer que « l'harmonique de rang 2 > 15 % » est une occurrence inévitable.

Q2 : Outre l'harmonique de rang 2, quels sont les autres critères de discrimination du courant d'appel ?

Les quatre méthodes couramment utilisées sont : ① Blocage par harmonique de rang 2 ; ② Discrimination par angle d'extinction (l'angle d'extinction du courant d'appel monophasé varie généralement de 60° à 120° ; discrimination phase par phase — en raison des angles de fermeture variables ou de l'aimantation rémanente, l'angle d'extinction n'est généralement pas évident dans au moins une phase pour les courants d'appel triphasés ; les courants de défaut, en revanche, ne présentent aucune discontinuité) ; ③ Principe de symétrie des formes d'onde (les courants d'appel présentent une asymétrie entre les deux demi-cycles avant et après l'appel, tandis que les formes d'onde de défaut sont symétriques) ; ④ Discrimination basée sur les caractéristiques du flux magnétique (ΔΦ). Les schémas de protection modernes devraient employer au moins un double critère ou une combinaison logique de « harmonique de rang 2 + symétrie de la forme d'onde/angle d'extinction ».

Q3 : Si vous rencontrez un déclenchement intempestif de la protection différentielle du transformateur principal sur site, que devez-vous vérifier en premier ?

Suivez la séquence suivante : « D'abord écarter les défauts réels → Ensuite vérifier le câblage du circuit → Enfin vérifier les critères de fonctionnement » : ① La chromatographie des gaz/d'huile, les tests d'isolation et l'inspection visuelle confirment l'absence de défauts réels ; ② Vérifier le câblage de la polarité des TC et effectuer des tests opérationnels ; ③ Analyser qualitativement l'enregistrement des formes d'onde (S'agit-il d'un courant d'enclenchement ? S'agit-il d'une condition de défaut ?), et recalculer le contenu harmonique et la marge par rapport aux seuils de déclenchement ; ④ Confirmer que les réglages de protection correspondent à l'état des organes de manœuvre. L'enregistrement des formes d'onde sert de preuve décisive : capturez d'abord la forme d'onde, puis procédez à toute action physique.

Il n'existe pas de « solution miracle » unique pour identifier les courants d'enclenchement : lorsque les conditions de fonctionnement changent, un critère unique peut facilement devenir inefficace. La combinaison de plusieurs critères, associée au profilage des caractéristiques, constitue la solution d'ingénierie pour la protection différentielle des transformateurs.