Pourquoi les transformateurs de mise à la terre de distribution utilisent-ils massivement l'enroulement en zigzag ?

1. Impédance de séquence zéro très faible pour un chemin de courant de séquence zéro efficace

C'est l'avantage physique fondamental de l'enroulement en zigzag. Chaque enroulement de phase d'un transformateur en zigzag est divisé en deux moitiés, bobinées en sens opposé sur deux jambages de noyau différents. Lorsqu'un défaut monophasé à la terre se produit, les flux de séquence zéro dans le noyau s'annulent mutuellement en raison du couplage inverse spécial des enroulements, ce qui entraîne une impédance de séquence zéro extrêmement faible.

En comparaison, le flux de séquence zéro des transformateurs conventionnels en étoile ou en Δ ne peut circuler que par le chemin de flux de fuite, ce qui entraîne une impédance de séquence zéro très élevée. La caractéristique de faible impédance du couplage en zigzag garantit que le courant de défaut peut circuler librement, fournissant un signal suffisant pour les relais de protection.

Transformateur de mise à la terre du neutre triphasé

2. Utilisation élevée de la capacité, brisant la « limite de 20 % » des transformateurs conventionnels

Lorsqu'une bobine d'extinction ou une résistance de mise à la terre est introduite dans le réseau de distribution, le couplage en zigzag démontre une grande efficacité économique. Si un transformateur de distribution standard est utilisé comme transformateur de mise à la terre pour alimenter une bobine d'extinction, la capacité de la bobine ne doit pas dépasser 20 % de la capacité du transformateur. En revanche, en raison de la conception de son circuit magnétique auto-équilibré, un transformateur de mise à la terre en zigzag peut supporter la grande majorité de sa propre capacité en tant que charge de bobine d'extinction.

Dans la sélection pratique en ingénierie, la capacité nominale du côté primaire d'un transformateur de mise à la terre en zigzag est généralement choisie pour être légèrement supérieure à la capacité de la bobine d'extinction.

3. Aucun enroulement secondaire requis, minimisant les pertes à vide

Si le neutre primaire d'un transformateur conventionnel est mis à la terre, un enroulement secondaire (tel qu'un enroulement en triangle) est nécessaire pour fournir un chemin fermé au courant de séquence zéro ; sinon, l'impédance de magnétisation est extrêmement élevée et le courant de séquence zéro ne peut pas circuler. Un couplage en zigzag forme un chemin de séquence zéro sans nécessiter d'enroulement secondaire.

Pendant le fonctionnement normal du système, le transformateur de mise à la terre en zigzag se comporte comme s'il était en circuit ouvert. Étant donné que la tension au point neutre est proche de zéro, seul un très faible courant de magnétisation circule à travers les enroulements, ce qui entraîne des pertes à vide extrêmement faibles. Le courant de défaut de séquence zéro ne circule que pendant la courte durée d'un défaut monophasé à la terre (en quelques secondes pour le fonctionnement de la protection de séquence zéro, ou jusqu'à 2 heures pendant la compensation par bobine d'extinction).

4. Suppression du troisième harmonique, amélioration de la forme d'onde de la tension

Les charges non linéaires telles que les redresseurs et les variateurs de fréquence génèrent des courants de troisième harmonique substantiels. Dans les systèmes conventionnels triphasés à quatre fils, les courants de troisième harmonique s'accumulent dans le conducteur de neutre, provoquant un courant de neutre excessif et un échauffement sévère. Le couplage en zigzag présente une faible impédance aux courants de troisième harmonique, leur permettant de circuler à l'intérieur des enroulements et de s'annuler mutuellement, réduisant ainsi efficacement la teneur en harmoniques dans la tension de phase et le courant de neutre.

5. Équilibrage du circuit magnétique, prévention de la saturation profonde du noyau

Dans un système à neutre isolé lors d'un défaut monophasé à la terre, la tension phase-terre des phases saines s'élève à la tension composée (c'est-à-dire une augmentation d'un facteur sqrt(3)). Pour un transformateur conventionnel à noyau à trois jambages, ce déplacement de tension peut facilement provoquer une saturation profonde du noyau, endommageant potentiellement le transformateur dans les cas graves. Dans un couplage en zigzag, chaque enroulement de phase est réparti sur deux jambages du noyau, et les forces magnétomotrices pendant les défauts s'auto-équilibrent par couplage croisé, empêchant efficacement la saturation du noyau et garantissant la stabilité thermique pendant la période de défaut monophasé.

Résumé

L'utilisation de transformateurs de mise à la terre en zigzag dans les réseaux de distribution est essentiellement un moyen de créer un point neutre artificiel à faible impédance sans modifier la structure originale du réseau. Il résout les défis d'ingénierie suivants :

• En fonctionnement normal : La tension au point neutre est proche de zéro, les pertes à vide sont minimales et l'équilibre des tensions triphasées n'est pas affecté.
• En cas de défaut : Une très faible impédance homopolaire fournit un chemin défini pour le courant de défaut, assurant la compensation par bobine d'extinction ou le fonctionnement des relais de protection.
• Économie et sécurité : Il surmonte la limitation de capacité de 20 % des transformateurs conventionnels et offre une forte capacité anti-saturation, ce qui en fait le choix standard et optimal pour l'établissement de points neutres artificiels dans les réseaux de distribution de 6 kV, 10 kV et 35 kV.

Modifié à partir de : Echo