Un transformateur de mise à la terre en zigzag, également appelé transformateur de mise à la terre en zigzag ou transformateur de mise à la terre du neutre, est un transformateur à usage spécial utilisé dans les systèmes de puissance à moyenne tension. Sa fonction principale n'est pas de transformer la tension ou de transférer la puissance de charge, mais de créer un point neutre stable pour les systèmes qui n'en possèdent pas, ou lorsque le point neutre n'est pas facilement accessible.
Ce point neutre peut ensuite être connecté à une bobine d'extinction d'arc, une résistance de mise à la terre du neutre, ou une petite réactance pour soutenir la mise à la terre du système, le contrôle du courant de défaut et la coordination des protections.
Fabricant de transformateurs de mise à la terre en zigzag immergés dans l'huile IEC
Pourquoi un transformateur de mise à la terre est-il nécessaire ?
Dans les réseaux de distribution moyenne tension de 6 kV, 10 kV, 35 kV et similaires, le côté basse tension du transformateur principal est souvent connecté en triangle, ou le point étoile n'est pas sorti. Par conséquent, le système n'a pas de point neutre disponible pour la mise à la terre pendant le fonctionnement normal.
Cependant, un point neutre est toujours requis pour plusieurs raisons :
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Limitation des surtensions d'arc à la terre
Lors d'un défaut monophasé à la terre, de forts courants capacitifs peuvent provoquer un amorçage intermittent d'arcs au point de défaut. Cela peut générer des surtensions élevées qui menacent les câbles, les appareillages de commutation, les transformateurs de mesure et autres équipements.
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Fourniture d'un chemin de courant homopolaire
Les défauts à la terre produisent un courant homopolaire. Sans point neutre, il n'y a pas de chemin de retour stable, et la protection homopolaire peut ne pas fonctionner de manière sensible.
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Support des bobines d'extinction d'arc ou de la mise à la terre à faible résistance
Lorsqu'il est connecté via une bobine d'extinction d'arc, le système peut compenser le courant capacitif de défaut à la terre. Lorsqu'il est connecté via une résistance de mise à la terre du neutre, le courant de défaut peut être limité tout en assurant un fonctionnement fiable de la protection homopolaire.
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Amélioration de la fiabilité de l'alimentation
De nombreux systèmes moyenne tension permettent un fonctionnement de courte durée lors d'un défaut monophasé à la terre. Une disposition de mise à la terre du neutre correctement conçue aide à maintenir des tensions de système stables jusqu'à ce que le défaut soit éliminé.
Par conséquent, lorsque le système électrique ne fournit pas de point neutre, un transformateur de mise à la terre est utilisé pour en créer un.
Structure d'un transformateur de mise à la terre zigzag
Un transformateur de mise à la terre zigzag possède généralement une construction à noyau similaire à celle d'un transformateur triphasé conventionnel, mais sa connexion d'enroulement est différente.
Chaque enroulement de phase est divisé en deux moitiés égales de directions opposées. Ces moitiés sont enroulées sur différentes jambes du noyau puis connectées en série dans une disposition en zigzag. Le point commun des trois phases est sorti en tant que point neutre N.
Par exemple, la phase A n'est pas enroulée uniquement sur la jambe du noyau de la phase A. Une partie de son enroulement est liée à une autre phase, telle que la phase B ou la phase C. Après interconnexion, les enroulements forment un motif en zigzag.
Les groupes de vecteurs courants incluent :
- ZN : côté HT avec connexion en zigzag et neutre sorti ;
- ZNyn1 / ZNyn11 : côté HT avec connexion en zigzag et côté BT avec enroulement secondaire connecté en étoile, qui peut également servir de transformateur de service de poste.
Fabricant chinois de transformateurs de mise à la terre immergés dans l'huile
Comment fonctionne un transformateur de mise à la terre en zigzag ?
La caractéristique principale d'un transformateur de mise à la terre en zigzag est qu'il présente une impédance élevée aux courants de séquence positive et négative, mais une faible impédance aux courants de séquence homopolaire.
1. En conditions normales : fonctionnement presque à vide
Lorsque les tensions du système triphasé sont équilibrées, seul un faible courant de magnétisation traverse le transformateur de mise à la terre. L'enroulement en zigzag présente une impédance de magnétisation élevée aux tensions de séquence positive et négative, de sorte que les pertes normales sont très faibles et que le transformateur n'absorbe presque aucune puissance active.
2. Lors d'un défaut monophasé à la terre : chemin à faible impédance pour le courant de défaut
Lorsqu'un défaut monophasé à la terre se produit, une tension homopolaire et un courant homopolaire apparaissent. Le courant homopolaire circule du point neutre vers les enroulements triphasés. Les courants homopolaires dans les trois phases sont égaux en amplitude et identiques en phase.
Étant donné que les deux demi-enroulements sur la même jambe du noyau ont des directions opposées et des polarités opposées, leurs forces magnétomotrices homopolaires s'annulent mutuellement. Le flux homopolaire résultant est donc très faible.
Par conséquent, l'impédance homopolaire est principalement déterminée par la réactance de fuite et reste relativement faible. Sa valeur exacte dépend du niveau de tension du système, de la conception des enroulements, des détails de fabrication et des exigences du projet.
Cela fournit un chemin à faible impédance pour le courant homopolaire, permettant au courant de défaut de circuler librement du point neutre vers le dispositif de mise à la terre.
Pourquoi la connexion en zigzag est-elle privilégiée pour les transformateurs de mise à la terre ?
Les transformateurs de mise à la terre ne se limitent pas à la connexion en zigzag, mais cette disposition offre des avantages évidents dans les applications de mise à la terre en moyenne tension.
1. Faible impédance homopolaire
L'enroulement en zigzag permet aux forces magnétomotrices homopolaires de s'annuler sur chaque jambe du noyau, ce qui entraîne une faible impédance homopolaire et une circulation fluide du courant de défaut à la terre.
2. Faibles pertes en fonctionnement normal
En conditions équilibrées, le transformateur ne prélève qu'un faible courant de magnétisation et fonctionne presque à vide, maintenant ainsi les pertes en veille à un niveau bas.
3. Bonne compatibilité avec les bobines d'extinction et les résistances de mise à la terre du neutre
Pour la mise à la terre par bobine d'extinction, le transformateur en zigzag permet au courant de compensation de circuler librement, permettant une utilisation élevée de la capacité de la bobine.
Pour la mise à la terre par faible résistance, il fournit un courant homopolaire suffisant pour un fonctionnement sensible et fiable des protections.
Par comparaison, lorsqu'un transformateur conventionnel YNyn est utilisé pour connecter une bobine d'extinction, la capacité de la bobine est généralement limitée à une faible proportion de la puissance nominale du transformateur. Avec les transformateurs YNd, l'utilisation est également limitée par la charge secondaire et les pertes supplémentaires.
4. Peut également servir de transformateur de service auxiliaire
De nombreux transformateurs de mise à la terre en zigzag sont dotés d'un enroulement secondaire basse tension, formant une connexion ZNyn. Cela permet à l'unité de fournir à la fois un point de mise à la terre du neutre et une alimentation auxiliaire de 380/220 V pour le poste, réduisant ainsi les besoins en investissement et en espace.
5. Suppression partielle des composantes du troisième harmonique
La connexion en zigzag peut aider à supprimer le troisième harmonique et d'autres composantes harmoniques homopolaires, améliorant ainsi la qualité de la forme d'onde de la tension. Cependant, il s'agit généralement d'un avantage secondaire plutôt que de la raison principale de son choix.
Transformateur de mise à la terre en zigzag par rapport au transformateur conventionnel
| Élément de comparaison |
Transformateur de mise à la terre en zigzag |
Transformateur conventionnel |
| Fonction principale |
Fournir un point neutre artificiel et assurer la protection de mise à la terre |
Transformer la tension et transférer la puissance |
| Structure des enroulements |
Chaque phase divisée en deux parties avec un couplage en zigzag |
Couplage standard en Y, Δ ou YN |
| Point neutre |
Amené à l'extérieur spécifiquement pour la mise à la terre |
Peut être absent ou ne pas être utilisé pour la mise à la terre |
| Impédance homopolaire |
Faible, adaptée au courant homopolaire |
Plus élevée, limite le courant homopolaire |
| Conditions de fonctionnement |
Presque à vide en fonctionnement normal ; supporte le courant de défaut de courte durée |
Fonctionne en charge continue en régime normal |
| Applications typiques |
Mise à la terre MT, bobines d'extinction d'arc, résistances de mise à la terre du neutre |
Transformateurs principaux et transformateurs de distribution |
Transformateur de mise à la terre immergé dans l'huile de type Z OEM Chine
Applications typiques
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Réseaux de distribution de 10 kV et 35 kV
Utilisé lorsque le côté basse tension du transformateur principal est couplé en triangle ou que le neutre du système n'est pas disponible.
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Systèmes de mise à la terre par bobine d'extinction
Utilisé pour compenser le courant capacitif de défaut à la terre, éteindre les défauts par amorçage d'arc et limiter les surtensions transitoires.
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Systèmes de mise à la terre à faible résistance
Utilisé pour limiter le courant de défaut à la terre tout en assurant le fonctionnement fiable de la protection homopolaire.
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Centrales d'énergie renouvelable, réseaux industriels et centres de données
Utilisé dans les systèmes à interface onduleur, les réseaux couplés en triangle ou les systèmes d'alimentation isolés pour fournir un point de mise à la terre stable et améliorer les performances en matière de tension déséquilibrée et de protection.
Considérations pour la sélection et le fonctionnement
- Faire correspondre le niveau de tension du système, tel que 6 kV, 10 kV ou 35 kV, à la tension nominale du système.
- Concevoir soigneusement l'impédance homopolaire. Une valeur trop faible peut augmenter excessivement le courant de défaut ; une valeur trop élevée peut réduire la sensibilité de la protection. Elle doit être coordonnée avec la résistance de mise à la terre du neutre ou la bobine d'extinction.
- Sélectionner la puissance de manière appropriée. Lorsqu'il est utilisé uniquement pour la mise à la terre, la puissance primaire doit correspondre à celle de la bobine d'extinction ou de la résistance de mise à la terre du neutre. Lorsqu'une seule bobine d'extinction est connectée, la puissance primaire est couramment sélectionée à 1,05 à 1,15 fois la puissance de la bobine en tant que pratique d'ingénierie. Si une charge secondaire est également alimentée, la charge des services auxiliaires de la sous-station doit être ajoutée.
- Vérifier la capacité thermique de courte durée. Le transformateur fonctionne presque à vide dans des conditions normales, mais doit résister au courant de défaut à la terre de courte durée.
- Confirmer le groupe de couplage, tel que ZN, ZNyn1 ou ZNyn11, selon les exigences de protection, de mesure et d'alimentation auxiliaire.
- Vérifier si un transformateur de mise à la terre est réellement nécessaire. Si le transformateur principal possède déjà un point neutre accessible, par exemple dans certains systèmes couplés YN de 35 kV ou 110 kV, un transformateur de mise à la terre séparé peut ne pas être nécessaire.
Relation avec les normes IEC
Dans le cadre de l'IEC, les transformateurs de mise à la terre zig-zag sont généralement conçus et testés selon les exigences générales pour les transformateurs de puissance de la série IEC 60076. L'IEC 60076-25 couvre principalement les résistances de mise à la terre du neutre et reconnaît explicitement leur utilisation conjointe avec des transformateurs zig-zag, des transformateurs couplés en triangle ouvert et des bobines d'extinction.
En pratique, les transformateurs de mise à la terre zig-zag sont spécifiés et vérifiés en fonction de l'impédance homopolaire requise, du courant de défaut de courte durée, de la tension nominale, de la méthode de refroidissement, du niveau d'isolation et du programme d'essais. La conformité à tout projet particulier doit toujours être confirmée par rapport au cahier des charges techniques du contrat, à l'édition applicable de la norme et aux rapports d'essais de tierces parties.
Résumé
Un transformateur de mise à la terre zig-zag est un transformateur spécial qui crée un point neutre artificiel grâce à un agencement d'enroulements zig-zag. Il est largement utilisé car il présente une impédance élevée dans des conditions normales équilibrées, ce qui entraîne de faibles pertes, tout en offrant une faible impédance au courant homopolaire lors de défauts à la terre monophasés. Cela le rend bien adapté aux bobines d'extinction, aux résistances de mise à la terre du neutre et aux schémas de protection homopolaire.
Par rapport aux transformateurs conventionnels, les transformateurs de mise à la terre zig-zag offrent des avantages évidents dans les réseaux de distribution moyenne tension, en particulier pour le contrôle du courant de défaut à la terre, la mise à la terre du système et l'amélioration de la fiabilité.
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