Analyse des mesures de protection contre la foudre pour les transformateurs de distribution

Analyse des mesures de protection contre la foudre pour les transformateurs de distribution

Pour prévenir l'intrusion de surtensions dues à la foudre et assurer le fonctionnement sûr des transformateurs de distribution, cet article présente des mesures de protection contre la foudre applicables qui peuvent efficacement améliorer leur capacité de résistance à la foudre.

1. Mesures de protection contre la foudre pour les transformateurs de distribution

1.1 Installer des parafoudres du côté haute tension (HT) du transformateur de distribution.
Selon SDJ7–79 Code technique de conception de la protection contre les surtensions pour les équipements électriques : “Le côté HT d'un transformateur de distribution doit généralement être protégé par des parafoudres. Le conducteur de terre du parafoudre, le point neutre du bobinage basse tension (BT), et le réservoir du transformateur doivent être reliés ensemble et mis à la terre.” Cette configuration est également recommandée dans DL/T620–1997 Protection contre les surtensions et coordination d'isolement pour les installations électriques en courant alternatif émis par l'autorité électrique chinoise.

Cependant, des recherches approfondies et l'expérience sur le terrain montrent que même avec des parafoudres du côté HT uniquement, des pannes de transformateurs se produisent encore sous l'effet des surtensions dues à la foudre. Dans les zones typiques, le taux de défaillance annuel est d'environ 1 % ; dans les zones à forte activité orageuse, il peut atteindre environ 5 % ; et dans les zones de tempêtes orageuses extrêmement sévères (par exemple, des zones avec plus de 100 jours d'orage par an), le taux de défaillance annuel peut grimper à environ 50 %. La cause principale est la surtension transitoire directe et inverse induite lorsque les surtensions dues à la foudre envahissent le bobinage HT.

• Surtension transitoire inverse:
  Lorsqu'une surtension due à la foudre (3–10 kV) envahit le côté HT, le parafoudre se décharge, provoquant un fort courant d'impulsion qui circule à travers la résistance de mise à la terre, créant une chute de tension. Cette tension élève le potentiel du point neutre BT. Si la ligne BT est longue, elle se comporte comme une impédance d'onde vers la terre. Par conséquent, un fort courant d'impulsion circule à travers le bobinage BT. Comme les courants BT triphasés sont égaux en amplitude et en direction, ils génèrent un flux magnétique zéro-sequence intense, qui, via le rapport de transformation du transformateur, induit des tensions transitoires extrêmement élevées dans le bobinage HT. Étant donné que le bobinage HT est connecté en étoile avec un neutre non mis à la terre, aucun courant d'impulsion circulant n'existe du côté HT pour compenser le flux. Ainsi, l'ensemble du courant d'impulsion BT agit comme un courant de magnétisation, produisant une tension induite élevée à l'extrémité neutre HT - où l'isolation est la plus vulnérable. De plus, les gradients de tension intertour et intercouche augmentent considérablement, risquant une rupture d'isolation ailleurs. Ce phénomène - initié par une surtension du côté HT mais induisant une surtension via le couplage électromagnétique BT - est connu sous le nom de transformation inverse.
• Surtension transitoire directe:
  Lorsqu'une surtension due à la foudre entre via la ligne BT, le courant d'impulsion circule à travers le bobinage BT, induisant une tension élevée dans le bobinage HT via le rapport de transformation. Cela augmente considérablement le potentiel neutre HT et augmente les gradients de tension intercouche et intertour. Ce processus - où une surtension du côté BT induit une surtension du côté HT - est appelé transformation directe. Les tests montrent qu'avec une surtension BT de 10 kV et une résistance de mise à la terre de 5 Ω, le gradient de tension intercouche dans le bobinage HT peut dépasser la résistance du transformateur à l'impulsion pleine vague de plus de 100 %, causant inévitablement une défaillance de l'isolation.

1.2 Installer des parafoudres à valve conventionnels ou à oxyde métallique du côté BT.
Dans cette configuration, les conducteurs de terre des parafoudres HT et BT, le point neutre BT, et le réservoir du transformateur sont tous reliés ensemble et mis à la terre (souvent appelé “quatre points de liaison” ou “mise à la terre trois-en-un”).

Les données sur le terrain et les études expérimentales confirment que même pour les transformateurs avec une bonne isolation, les parafoudres du côté HT seuls ne peuvent pas empêcher les dommages dus aux surtensions de transformation directe ou inverse. Les parafoudres HT n'offrent aucune protection contre ces transitoires internes. Les gradients de tension résultants entre les couches et les tours sont proportionnels au nombre de tours et dépendent de la géométrie du bobinage - les défaillances peuvent se produire au début, au milieu ou à la fin du bobinage, avec l'extrémité terminale étant la plus vulnérable. L'ajout de parafoudres du côté BT limite efficacement les surtensions de transformation directe et inverse.

1.3 Mise à la terre séparée pour les côtés HT et BT.
Dans cette approche, le parafoudre HT est mis à la terre indépendamment, tandis que le neutre BT et le réservoir du transformateur sont reliés et mis à la terre séparément (sans parafoudre BT).

Des recherches montrent que cette méthode utilise l'atténuation de la terre pour éliminer largement la surtension de transformation inverse. Pour la transformation directe, les calculs indiquent que réduire la résistance de mise à la terre BT de 10 Ω à 2,5 Ω peut réduire la surtension du côté HT d'environ 40 %. Avec un traitement approprié du système de mise à la terre BT, la surtension de transformation directe peut être atténuée efficacement. Cette solution est simple et économique, bien qu'elle exige une faible résistance de mise à la terre BT, ce qui lui donne une valeur pratique considérable.

Au-delà de ce qui précède, d'autres mesures incluent l'installation de bobinages d'équilibrage sur le noyau du transformateur pour supprimer les surtensions de transformation ou l'intégration de varistances à oxyde métallique (VOM) à l'intérieur du transformateur.

2. Application des mesures de protection contre la foudre

L'analyse ci-dessus montre que chaque méthode de protection a des caractéristiques distinctes. Les régions devraient choisir des stratégies appropriées en fonction de l'intensité locale des orages (mesurée en jours d'orage par an) :

• Zones à faible activité orageuse (par exemple, les plaines) : Un parafoudre côté HT est suffisant en raison des faibles taux de défaillance annuels.
• Zones à activité orageuse modérée : Installer des parafoudres sur les côtés HT et BT.
• Zones à forte activité orageuse : Les mesures uniques sont souvent insuffisantes. Une approche globale est recommandée : parafoudre côté HT avec mise à la terre indépendante, plus parafoudre côté BT raccordé, neutre BT et cuve connectés à un système de mise à la terre distinct.
• Zones à très forte activité orageuse (en particulier là où les taux de défaillance annuels restent élevés malgré des mesures globales) : Après évaluation technique et économique, envisager des solutions avancées telles que des enroulements d'équilibrage montés au cœur (c'est-à-dire des transformateurs résistants à la foudre de nouvelle génération) ou des parafoudres à oxyde métallique installés à l'intérieur.

3. Conclusion

Les méthodes de protection contre la foudre pour les transformateurs de distribution varient considérablement, et les conditions sur site diffèrent sensiblement selon les régions. En choisissant des schémas de protection en fonction des conditions locales et en renforçant la gestion opérationnelle, les entreprises de services publics peuvent améliorer considérablement la résilience et la fiabilité des transformateurs de distribution face à la foudre.