Pourquoi les réseaux moyenne tension ont-ils besoin de transformateurs de mise à la terre secs ?

Qu'est-ce qu'un transformateur de mise à la terre ?

Un transformateur de mise à la terre (souvent appelé « banc de mise à la terre ») est conçu pour fournir un point neutre artificiel aux réseaux électriques qui en sont dépourvus. Cela permet le raccordement de bobines d'extinction d'arc (bobines Petersen) ou d'une mise à la terre à faible résistance. Son objectif principal est de limiter les courants capacitaires lors des défauts à la terre, améliorant ainsi la fiabilité du réseau de distribution.

Le défi des systèmes non mis à la terre

Dans les réseaux de 6 kV, 10 kV et 35 kV, le point neutre est souvent non mis à la terre. Étant donné que le côté basse tension des transformateurs principaux est généralement couplé en triangle, aucun point neutre physique n'est disponible pour la mise à la terre.

Bien que les systèmes non mis à la terre puissent tolérer un défaut monophasé à la terre pendant 1 à 2 heures, les réseaux urbains modernes dotés d'un câblage étendu ont vu leurs courants capacitaires augmenter de manière significative. Lorsque ces courants dépassent 10 A, plusieurs risques apparaissent :

• Arcs intermittents : Cela peut provoquer des surtensions atteignant jusqu'à 4 fois la tension de crête normale, menaçant l'isolation des équipements.
• Résonance : Elle peut déclencher une férorésonance, endommageant potentiellement les transformateurs de tension et les parafoudres.
• Courts-circuits entre phases : L'arc peut ioniser l'air environnant, entraînant des courts-circuits plus graves.

Utilisation mondiale et connexion en Z

• En Chine : Les transformateurs de mise à la terre utilisent généralement une connexion Zig-Zag (Z). Pour économiser de l'espace et des investissements, un enroulement tertiaire est souvent ajouté pour alimenter les auxiliaires de la sous-station.
• À l'international : Les transformateurs à connexion en Z sont également largement utilisés dans les systèmes isolés de la terre de 10 kV. Ils présentent une impédance élevée aux courants de séquence positive et négative, mais une faible impédance aux courants de séquence zéro, garantissant un fonctionnement fiable de la protection de terre.

Unités triphasées et monophasées

• Triphasé (Connexion en Z) : Contrairement aux transformateurs standard, chaque bobine de phase est divisée en deux groupes enroulés en sens opposé sur différentes colonnes du noyau. Cela permet au flux de séquence zéro de circuler à travers les colonnes du noyau, résultant en une très faible impédance de séquence zéro (environ 10 Ω). Par conséquent, un transformateur à connexion en Z peut supporter une bobine d'extinction d'arc d'une capacité de 90 % à 100 % de sa puissance nominale.
• Monophasé : Ceux-ci sont principalement utilisés pour créer un point neutre pour les armoires de résistance de mise à la terre du neutre des générateurs ou des transformateurs, aidant à réduire la taille et le coût de l'ensemble de résistances.

Caractéristiques de fonctionnement clés

1. Faible impédance homopolaire : Assure une sortie efficace du courant homopolaire.
2. Impédance d'excitation élevée : Minimise le courant à vide.
3. Faibles pertes à vide : Améliore l'efficacité énergétique lors du fonctionnement quotidien.

Comparaison des méthodes de connexion

• Connexion YNyn :
  Utilise un noyau à trois colonnes. Cependant, le flux homopolaire ne peut pas circuler à l'intérieur du noyau et doit passer par la cuve et les jougs, provoquant une surchauffe locale. Les réglementations limitent strictement la bobine d'extinction d'arc connectée à 20 % de la puissance nominale du transformateur.
• Connexion YNd :
  Le secondaire en triangle fournit un chemin pour les courants homopolaires, réduisant l'impédance. Cependant, il est difficile d'alimenter des charges mixtes d'éclairage et de force à partir d'un enroulement en triangle. La capacité de la bobine d'extinction d'arc est limitée à 50 % si le secondaire est pleinement chargé.

• Connexion ZNyn (La norme de l'industrie) :
  Il s'agit de la configuration la plus courante à l'échelle mondiale. La connexion en zigzag annule les forces magnétomotrices de séquence zéro sur la même jambe du noyau, ce qui entraîne un flux de fuite minimal et une très faible impédance.

Capacité : Elle peut supporter une bobine d'extinction d'arc égale à sa propre puissance nominale.

Alimentation auxiliaire : Le yn secondaire permet d'alimenter des charges locales ou les services auxiliaires de la sous-station (généralement 80 à 200 kVA).

Note de conception : En raison de la disposition vectorielle, une connexion en Z nécessite environ 1,15 à 1,16 fois plus de spires qu'une connexion étoile standard pour la même tension.

Principe de fonctionnement

Lors d'un défaut de mise à la terre monophasé (par exemple, phase C), le courant de défaut circule à travers la terre vers le point neutre. Il se divise ensuite également dans les trois phases du transformateur de mise à la terre.