Quelles sont les pannes dans un transformateur

Quels sont les défauts dans un transformateur ?

Définition des défauts de transformateur

Les défauts dans un transformateur font référence à des problèmes tels que les ruptures d'isolation et les défauts du noyau qui peuvent se produire à l'intérieur ou à l'extérieur du transformateur.

Défauts externes dans le transformateur de puissance

Court-circuit externe du transformateur de puissance

Les courts-circuits peuvent se produire dans deux ou trois phases du système électrique. Le courant de défaut est généralement élevé, en fonction de la tension court-circuitée et de l'impédance du circuit jusqu'au point de défaut. Ce courant de défaut élevé augmente les pertes cuivre, provoquant un échauffement interne du transformateur. Il crée également des contraintes mécaniques sévères, surtout lors du premier cycle du courant de défaut.

Perturbation de haute tension dans le transformateur de puissance

Les perturbations de haute tension dans le transformateur de puissance sont de deux types,

• Sur-tension transitoire

• Sur-tension de fréquence réseau

Sur-tension transitoire

Une surtension de haute tension et de haute fréquence peut se produire dans le système électrique pour l'une des raisons suivantes,

• Arc électrique si le point neutre est isolé.

• Opérations de commutation de différents équipements électriques.

• Impulsion de foudre atmosphérique.

Quelle que soit la cause de la surtension, il s'agit d'une onde de propagation ayant une forme d'onde élevée et raide et une fréquence élevée. Cette onde se propage dans le réseau électrique, et lorsqu'elle atteint le transformateur, elle provoque la rupture de l'isolation entre les spires adjacentes au terminal de ligne, ce qui peut créer un court-circuit entre les spires.

Sur-tension de fréquence réseau

Il y a toujours un risque de surtension du système due à la déconnexion soudaine d'une grande charge. Bien que l'amplitude de cette tension soit supérieure à son niveau normal, la fréquence reste la même qu'en condition normale. La surtension dans le système entraîne une augmentation de la contrainte sur l'isolation du transformateur. Comme nous le savons, une augmentation de la tension entraîne une augmentation proportionnelle du flux de travail.

Cela entraîne donc une augmentation des pertes fer et une augmentation proportionnellement importante du courant de magnétisation. L'augmentation du flux est déviée du noyau du transformateur vers d'autres parties structurelles en acier du transformateur. Les boulons du noyau, qui transportent généralement peu de flux, peuvent être soumis à une grande composante de flux déviée de la région saturée du noyau. Dans ces conditions, le boulon peut chauffer rapidement et détruire son propre isolant ainsi que l'isolant du bobinage.

Effet de sous-fréquence dans le transformateur de puissance

Comme le nombre de spires dans le bobinage est fixe, il est clair que si la fréquence diminue dans un système, le flux dans le noyau augmente, les effets étant plus ou moins similaires à ceux de la surtension.

Défauts internes dans le transformateur de puissance

Les principaux défauts qui se produisent à l'intérieur d'un transformateur de puissance sont catégorisés comme suit,

• Rupture d'isolation entre le bobinage et la terre

• Rupture d'isolation entre différentes phases

• Rupture d'isolation entre spires adjacentes, c'est-à-dire défaut inter-spire

• Défaut du noyau du transformateur

Défauts internes de mise à la terre dans le transformateur de puissance

Défauts internes de mise à la terre dans un enroulement en étoile avec le point neutre mis à la terre via une impédance

Dans un enroulement en étoile avec le point neutre mis à la terre via une impédance, le courant de défaut dépend de l'impédance de mise à la terre et de la distance entre le point de défaut et le neutre. La tension au point de défaut est plus élevée s'il est plus éloigné du neutre, conduisant à un courant de défaut plus élevé. Le courant de défaut dépend également de la réactance de fuite de la portion d'enroulement entre le point de défaut et le neutre, mais celle-ci est généralement faible par rapport à l'impédance de mise à la terre.

Défauts internes de mise à la terre dans un enroulement en étoile avec le point neutre solidement mis à la terre

Dans ce cas, l'impédance de mise à la terre est idéalement nulle. Le courant de défaut dépend de la réactance de fuite de la portion d'enroulement entre le point de défaut et le point neutre du transformateur. Le courant de défaut dépend également de la distance entre le point neutre et le point de défaut dans le transformateur.

Comme dit précédemment, la tension entre ces deux points dépend du nombre de tours d'enroulement entre le point de défaut et le point neutre. Ainsi, dans un enroulement en étoile avec le point neutre solidement mis à la terre, le courant de défaut dépend de deux facteurs principaux : premièrement, la réactance de fuite de la portion d'enroulement entre le point de défaut et le point neutre, et deuxièmement, la distance entre le point de défaut et le point neutre. 

Mais la réactance de fuite de l'enroulement varie de manière complexe en fonction de la position du défaut dans l'enroulement. On observe que la réactance diminue très rapidement lorsque le point de défaut s'approche du neutre, et donc le courant de défaut est le plus élevé pour un défaut proche de l'extrémité neutre. A ce point, la tension disponible pour le courant de défaut est faible et en même temps la réactance qui s'oppose au courant de défaut est également faible, d'où la valeur du courant de défaut est suffisamment élevée. 

De nouveau, pour un point de défaut éloigné du point neutre, la tension disponible pour le courant de défaut est élevée, mais en même temps la réactance offerte par la portion d'enroulement entre le point de défaut et le point neutre est élevée. On peut noter que le courant de défaut reste à un niveau très élevé tout au long de l'enroulement. En d'autres termes, le courant de défaut maintient une magnitude très élevée indépendamment de la position du défaut sur l'enroulement.

Défauts internes phase à phase dans le transformateur de puissance

Les défauts phase à phase dans le transformateur sont rares. Si un tel défaut se produit, il donnera lieu à un courant substantiel pour actionner le relais de surintensité instantanée côté primaire ainsi que le relais différentiel.

Défauts inter-spire dans le transformateur de puissance

Le transformateur de puissance connecté à un système de transmission à très haute tension est très susceptible d'être soumis à une impulsion de haute tension, à front raide et de haute fréquence, due aux surtensions atmosphériques sur la ligne de transmission. Les tensions entre les spires deviennent si importantes qu'elles ne peuvent pas résister à la contrainte, provoquant une rupture d'isolation entre les spires. Le bobinage basse tension est également soumis à la tension de surtension transférée. Un très grand nombre de pannes de transformateurs est dû à des défauts entre spires. Les défauts inter-spire peuvent également se produire en raison des forces mécaniques entre les spires générées par un court-circuit externe.

Défaut de noyau dans le transformateur de puissance

Si une partie des laminations du noyau est endommagée ou court-circuitée par un matériau conducteur, cela peut provoquer des courants de Foucault et un échauffement local. Cela peut également se produire si l'isolation des boulons utilisés pour serrer les laminations du noyau tombe en panne. Ces défauts provoquent un échauffement local sévère mais n'affectent pas significativement le courant d'entrée et de sortie du transformateur, rendant leur détection difficile avec les schémas de protection électrique standard. Un échauffement excessif peut décomposer l'huile du transformateur, libérant des gaz qui s'accumulent dans le relais Buchholz et déclenchent une alarme.