Les transformateurs de mise à la terre secs sont largement conçus avec une connexion en zigzag, car cette structure d'enroulement offre une impédance d'excitation élevée aux courants de séquence positive et négative en fonctionnement normal, tout en fournissant une faible impédance aux courants de séquence zéro lors des défauts à la terre monophasés.
Cela permet de créer un point neutre artificiel et d'offrir un chemin fiable pour le courant de séquence zéro dans les réseaux de distribution moyenne tension.
Par rapport aux transformateurs ordinaires connectés en étoile ou en triangle, les transformateurs de mise à la terre en zigzag sont mieux adaptés aux applications de mise à la terre dans les réseaux MT, les centrales éoliennes et solaires, les systèmes de distribution industrielle et les centres de données.
1. Quel est le rôle d'un transformateur de mise à la terre ?
Dans de nombreux réseaux moyenne tension, le côté secondaire du transformateur principal est connecté en triangle, ou le point neutre n'est pas directement accessible. Dans de tels cas, il n'y a pas de point neutre naturel pour connecter une bobine d'extinction d'arc, une résistance de mise à la terre du neutre ou un équipement de protection de séquence zéro.
Un transformateur de mise à la terre est utilisé pour :
- Créer un point neutre artificiel N ;
- Connecter une bobine d'extinction d'arc, une résistance de mise à la terre du neutre ou une réactance ;
- Fournir un chemin de retour pour le courant de séquence zéro lors des défauts à la terre ;
- Limiter les surtensions induites par l'arc et améliorer la sensibilité de la protection de séquence zéro ;
- Fournir éventuellement une alimentation auxiliaire par l'intermédiaire d'un enroulement secondaire.
Les transformateurs de mise à la terre secs adoptent généralement une isolation en résine coulée ou imprégnée. Ils sont sans huile, ignifuges et conviennent aux postes intérieurs, aux salles de commutation et aux centrales d'énergie renouvelable.
2. Structure de l'enroulement en zigzag
L'enroulement en zigzag, également appelé enroulement en zigzag ou en étoile décalée, est formé en divisant chaque enroulement de phase en deux parties égales. Ces deux parties sont bobinées sur des jambes de noyau différentes et connectées avec une polarité opposée.
Caractéristiques principales :
- Chaque phase possède deux sections d'enroulement avec un nombre de spires égal ;
- Les deux sections sont placées sur des jambes de noyau différentes ;
- Les enroulements sont connectés en croix avec une polarité opposée ;
- Les extrémités des enroulements triphasés sont reliées pour former le point neutre N ;
- Les extrémités de ligne sont connectées aux phases A, B et C.
De cette manière, la tension de chaque phase n'est pas supportée par un seul enroulement sur une jambe de noyau, mais par deux enroulements situés sur des jambes différentes. Cela crée la relation vectorielle typique en « zigzag ».
3. Principe de fonctionnement
Fonctionnement normal
Sous une tension triphasée équilibrée, seuls les courants de séquence positive et négative circulent à travers le transformateur de mise à la terre. En raison de la structure d'enroulement connectée en croix, le transformateur présente une impédance d'excitation élevée.
Par conséquent, en fonctionnement normal :
- Seul le courant d'excitation et de faibles pertes circulent ;
- Le transformateur fonctionne presque à vide ;
- L'impact sur le fonctionnement triphasé normal est minimal ;
- Les pertes supplémentaires du réseau sont très faibles.
Défaut à la terre monophasé
Lorsqu'un défaut à la terre monophasé se produit, une tension de séquence zéro et un courant de séquence zéro apparaissent. Le courant de séquence zéro retourne par la terre et circule vers le point neutre du transformateur de mise à la terre.
Dans un enroulement en zigzag, les courants de séquence zéro dans les trois phases sont en phase. En raison de la connexion en croix, les ampères-tours de séquence zéro sur la même jambe de noyau s'annulent mutuellement. Par conséquent, le flux d'excitation de séquence zéro est très faible, et l'impédance de séquence zéro est principalement déterminée par la réactance de fuite.
Cela confère au transformateur de mise à la terre une impédance de séquence zéro relativement faible, permettant au courant de séquence zéro de circuler de manière fiable à travers le point neutre et le dispositif de mise à la terre.
Il convient de noter que l'impédance de séquence zéro n'est pas nulle. Un transformateur de mise à la terre en zigzag est principalement utilisé pour fournir un point neutre artificiel et transporter le courant de séquence zéro, et non pour transmettre de la puissance active.
4. Pourquoi la connexion en zigzag est-elle préférée
Faible impédance de séquence zéro
Les transformateurs de mise à la terre en zigzag fournissent un chemin stable pour le courant de défaut à la terre. Lorsqu'ils sont utilisés avec des résistances de mise à la terre du neutre, ils aident la protection de séquence zéro à fonctionner rapidement et de manière sélective. Lorsqu'ils sont utilisés avec des bobines d'extinction d'arc, ils soutiennent la compensation du courant capacitif et l'extinction de l'arc.
Faibles pertes en fonctionnement normal
Parce que le transformateur fonctionne presque à vide dans des conditions normales, le courant d'excitation et les pertes dans le noyau restent faibles. Cela rend la connexion à long terme au réseau techniquement raisonnable.
Meilleure utilisation de la capacité de la bobine d'extinction d'arc
Les transformateurs ordinaires peuvent être limités par l'impédance de séquence zéro, les pertes supplémentaires et l'échauffement lorsqu'ils sont utilisés à des fins de mise à la terre. Un transformateur de mise à la terre en zigzag, s'il est conçu conformément aux normes applicables et vérifié pour l'échauffement et la durée du défaut, peut supporter une charge correspondant à la puissance nominale de la bobine d'extinction d'arc ou de la résistance de mise à la terre connectée.
Enroulement auxiliaire en option
De nombreux transformateurs de mise à la terre secs en zigzag sont conçus avec des connexions ZNyn ou ZNyn11. Le côté haute tension utilise une connexion en zigzag pour créer le point neutre, tandis que le côté basse tension fournit un enroulement secondaire connecté en étoile pour l'alimentation auxiliaire. Le groupe de connexion exact doit suivre la conception du produit et les normes applicables.
Adapté aux applications intérieures et aux énergies renouvelables
La construction de type sec évite l'huile isolante, réduit les risques d'incendie et simplifie l'installation et la maintenance. Cela le rend adapté aux postes intérieurs, aux salles de distribution, aux parcs éoliens, aux centrales photovoltaïques et aux installations industrielles.
5. Comparaison avec les transformateurs ordinaires
| Élément |
Transformateur de mise à la terre en zigzag |
Transformateur Y/Δ ordinaire |
| Fonction principale |
Créer un point neutre artificiel, transporter le courant homopolaire |
Transformer la tension, transmettre la puissance |
| Fonctionnement normal |
Presque à vide |
Généralement en charge |
| Impédance homopolaire |
Relativement faible |
Dépend de la structure du noyau et du couplage |
| Application de la bobine d'extinction d'arc |
Adapté aux conditions nominales |
Souvent limité |
| Disponibilité du point neutre |
Oui |
Dépend du couplage du système |
Les transformateurs ordinaires à trois colonnes sans enroulement de stabilisation en triangle ou sans chemin de flux homopolaire dédié ont généralement une capacité de courant homopolaire limitée et ne doivent pas être simplement remplacés par un transformateur de mise à la terre en zigzag sans une vérification détaillée.
6. Résumé
Un transformateur de mise à la terre sec en zigzag fournit un point neutre artificiel pour les systèmes moyenne tension. Il fonctionne presque à vide dans des conditions normales et offre une faible impédance homopolaire lors des défauts à la terre, prenant en charge les bobines d'extinction d'arc, les résistances de mise à la terre du neutre et la protection homopolaire. Les connexions typiques incluent ZNyn et ZNyn11, avec des enroulements auxiliaires en option.
Pour les projets internationaux, les termes suivants sont couramment utilisés :
- Connexion en zigzag / Enroulement en zigzag
- Transformateur de mise à la terre / Transformateur de terre
- Impédance homopolaire
- Point neutre artificiel
- Bobine d'extinction d'arc / Bobine Petersen
- Résistance de mise à la terre du neutre
Il convient de noter qu'un transformateur de mise à la terre en zigzag n'est pas un transformateur de puissance conventionnel. Sa capacité doit être déterminée en fonction du courant capacitif du système, de la puissance nominale de la bobine d'extinction d'arc, de la valeur de la résistance de mise à la terre du neutre, de la durée du défaut, des limites d'échauffement et de la nécessité ou non d'une charge secondaire.
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