Les transformateurs de mise à la terre, également appelés coupleurs de neutre, sont utilisés dans les systèmes électriques triphasés où aucun point neutre n'est disponible ou où le point neutre n'est pas amené. Ils fournissent un point neutre artificiel afin que le système puisse être mis à la terre directement, par l'intermédiaire d'une résistance ou d'une bobine d'extinction. Cela permet de limiter les courants de défaut monophasé à la terre et de supprimer les surtensions sur les phases saines.
Les transformateurs de mise à la terre sont classés comme réacteurs dans la norme IEC 60076-6:2007. Leur conception dépend des conditions de fonctionnement du système et des exigences de la sous-station. Étant donné que la littérature existante fournit des indications limitées sur les essais, cet article examine les essais d'échauffement pour plusieurs types courants de transformateurs de mise à la terre immergés dans l'huile.
Les exigences générales relatives aux essais d'échauffement doivent suivre la norme IEC 60076-2:2011. Pour les transformateurs immergés dans l'huile avec un refroidissement ONAN ou ONAF, les limites typiques sont de 60 K pour l'échauffement de l'huile en partie supérieure et de 65 K pour l'échauffement moyen des enroulements, sauf indication contraire dans le cahier des charges d'achat.
Transformateur de mise à la terre en zigzag
2. États de fonctionnement et essais d'échauffement
2.1 Transformateurs de mise à la terre avec courant de neutre continu nominal et un enroulement secondaire
Transformateur de mise à la terre avec enroulement secondaire
Pour ce type, l'acheteur spécifie le courant de neutre continu nominal en fonction du déplacement attendu du point neutre et de la méthode de mise à la terre du neutre sélectionnée. Un enroulement secondaire peut également être fourni pour l'alimentation auxiliaire de la sous-station.
Dans des conditions normales de fonctionnement du système, le transformateur de mise à la terre peut fonctionner dans :
- une condition de charge triphasée équilibrée, où le point neutre reste proche du potentiel de la terre ;
- une condition de charge triphasée déséquilibrée, où le déplacement du point neutre produit un courant homopolaire continu ;
- une condition de charge de l'enroulement secondaire.
Sous charge équilibrée, seul le courant de magnétisation circule dans l'enroulement primaire. Les pertes sont principalement des pertes dans le noyau et de très faibles pertes par effet Joule dans l'enroulement primaire. L'échauffement de l'enroulement par rapport à l'huile est donc presque nul.
Lorsqu'un déplacement du point neutre se produit, un courant homopolaire continu circule à travers l'enroulement primaire du transformateur de mise à la terre. Cela produit des pertes par effet Joule dans l'enroulement et des pertes supplémentaires par flux de fuite causées par le flux homopolaire. Si l'enroulement secondaire est en charge, les pertes par effet Joule de l'enroulement secondaire et les pertes supplémentaires en charge doivent également être prises en compte.
Étant donné que la condition d'équilibre et la condition de déplacement du neutre ne se produisent pas simultanément, tandis que la condition de charge secondaire peut être superposée à l'une ou l'autre, l'essai d'échauffement doit simuler la combinaison la plus sévère.
Procédure d'essai exemple
Considérons un transformateur de mise à la terre immergé dans l'huile avec les données suivantes.
Exemple de données techniques d'un transformateur de mise à la terre immergé dans l'huile
| Paramètre |
Valeur |
| Groupe de couplage |
ZNyn11 |
| Courant assigné |
3,5 / 288,7 A |
| Pertes à vide |
1 337 W |
| Pertes en charge à 75 °C pour 200 kVA |
969 W |
| Pertes en courant continu de l'enroulement BT à 75 °C |
754 W |
| Courant assigné continu du neutre |
70 A |
| Pertes au courant assigné continu du neutre à 75 °C |
4 930 W |
L'essai d'échauffement peut être effectué comme suit.
Étape 1 — Phase de pertes totales maximales
Les pertes totales à appliquer sont les suivantes :
Pmax = PkN(75 °C) + P0 + Pr(75 °C)
Pmax = 4,930 + 1,337 + 754 = 7,021 W
où :
- PkN(75 °C) représente les pertes produites par le courant assigné continu du neutre ;
- P0 représente les pertes à vide sous la tension et la fréquence assignées ;
- Pr(75 °C) représente les pertes par effet Joule en continu de l'enroulement BT au courant de charge secondaire assigné.
Les pertes produites par le courant assigné continu du neutre doivent être basées sur des valeurs mesurées. Avant l'essai, l'enroulement secondaire est maintenu en circuit ouvert, et le courant assigné continu du neutre de 70 A est appliqué entre les bornes HT ABC et le point neutre O. Les pertes mesurées sont ensuite corrigées à la température de référence de 75 °C.
Raccordement pour l'essai d'échauffement du transformateur de mise à la terre
Pr(75 °C) représente les pertes par effet Joule en continu de l'enroulement BT au courant secondaire assigné de 288,7 A. Le courant HT correspondant à la charge secondaire de 200 kVA est de 3,5 A, ce qui est déjà inclus dans les 70/3 A par phase. Par conséquent, les pertes en charge totale mesurées lors d'un essai en charge conventionnel ne doivent pas être utilisées directement, sinon les pertes par effet Joule en continu HT seraient appliquées deux fois et le résultat d'échauffement serait surestimé.
Une fois les pertes totales déterminées, le transformateur est mis sous tension selon le schéma de câblage de l'essai. L'échauffement de l'huile en partie supérieure et l'échauffement moyen de l'huile sont obtenus conformément à la norme CEI 60076-2:2011.
Étape 2 — Échauffement de l'enroulement HT
Le courant pour cette phase doit inclure le courant assigné continu du neutre et le courant HT correspondant à la puissance secondaire assignée. Pour cet exemple, le courant appliqué est :
I = 3 × 3,5 + 70 = 80,5 A
Ce courant est maintenu pendant une heure. La résistance à chaud de l'enroulement HT entre la borne B et le neutre O est mesurée pour déterminer la différence de température entre l'enroulement HT et l'huile, et par conséquent l'échauffement de l'enroulement HT. Cette approche suit le principe donné dans la norme CEI 60076-6:2007 pour les transformateurs de mise à la terre avec un enroulement secondaire.
Étape 3 — Échauffement de l'enroulement BT
Le transformateur de mise à la terre est alors traité de manière similaire à un transformateur de distribution pour l'essai de l'enroulement BT. L'enroulement BT est mis en court-circuit, et un courant triphasé symétrique de 3,5 A est appliqué au côté HT, correspondant à la puissance secondaire assignée. La durée de l'essai est d'une heure.
La résistance à chaud de l'enroulement BT et la température moyenne de l'huile sont mesurées. La différence de température entre l'enroulement BT et l'huile est calculée et ajoutée à l'échauffement moyen de l'huile obtenu à l'étape 1 pour déterminer l'échauffement de l'enroulement BT.
Transformateur de mise à la terre sans enroulement secondaire
2.2 Transformateurs de mise à la terre avec courant de neutre continu assigné mais sans enroulement secondaire
Ce type couvre la condition d'équilibre et la condition de déplacement du neutre. L'essai d'échauffement doit représenter la condition de déplacement du neutre.
Les paramètres d'essai sont :
- Palier de pertes totales maximales : Pmax = PkN(75 °C) + P0
- Palier de courant assigné : I = IN
2.3 Transformateurs de mise à la terre combinés avec des bobines de suppression d'arc
Pour ce type, la bobine de suppression d'arc est intégrée au point neutre du transformateur. Le transformateur de mise à la terre et la bobine de suppression d'arc doivent être essayés ensemble. Si la bobine de suppression d'arc est réglable, l'essai doit être effectué à la position produisant les pertes les plus élevées.
Combinaison de la bobine de suppression d'arc et du transformateur de mise à la terre
Les méthodes de détermination des pertes totales maximales et du courant assigné sont les mêmes que dans la section 2.1. Les mesures de résistance à chaud doivent être effectuées deux fois :
- Entre une borne de ligne et la borne de terre de la bobine de suppression d'arc, généralement BO ;
- Entre deux bornes de ligne du transformateur de mise à la terre, généralement AC.
Ces mesures permettent de déterminer séparément les différences de température de l'enroulement principal du transformateur de mise à la terre et de l'enroulement de la bobine de suppression d'arc.
3. Conclusion
L'échauffement est un indicateur de performance clé pour le fonctionnement sûr et la durée de vie des transformateurs de mise à la terre. Parce que les transformateurs de mise à la terre ont des structures et des modes de fonctionnement divers, des méthodes d'essai incorrectes peuvent conduire à des résultats trompeurs. En simulant les conditions de fonctionnement les plus sévères conformément à la IEC 60076-6:2007 et à la IEC 60076-2:2011, les fabricants peuvent obtenir des données d'échauffement plus fiables pour les transformateurs de mise à la terre immergés dans l'huile.
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