Méthodes de câblage et paramètres des transformateurs de terre

Configurations des enroulements des transformateurs de mise à la terre

Les transformateurs de mise à la terre sont classés selon le raccordement de leurs enroulements en deux types : ZNyn (en zigzag) ou YNd. Leurs points neutres peuvent être connectés à une bobine d'extinction d'arc ou à une résistance de mise à la terre. Actuellement, le transformateur de mise à la terre en type Z (en zigzag) connecté via une bobine d'extinction d'arc ou une résistance de faible valeur est plus couramment utilisé.

1. Transformateur de mise à la terre de type Z
Les transformateurs de mise à la terre de type Z existent en versions immergées dans l'huile et à isolation sèche. Parmi celles-ci, la version à résine moulée fait partie de l'isolation sèche. Sur le plan structurel, il est similaire à un transformateur de puissance triphasé à noyau standard, sauf que sur chaque colonne de phase, l'enroulement est divisé en deux sections égales en nombre de spires — supérieure et inférieure. L'extrémité d'une section est reliée en série avec polarité inversée à l'extrémité d'un enroulement d'une autre phase. 

Les deux sections d'enroulement présentent des polarités opposées, formant ainsi une nouvelle phase selon une configuration en zigzag. Les bornes de départ des enroulements supérieurs — U1, V1, W1 — sont sorties et connectées respectivement aux lignes triphasées CA A, B et C. Les bornes de départ des enroulements inférieurs — U2, V2, W2 — sont reliées ensemble pour former le point neutre, qui est ensuite connecté à une résistance de mise à la terre ou à une bobine d'extinction d'arc, comme indiqué sur la figure. Selon la méthode de connexion spécifique, les transformateurs de mise à la terre de type Z sont davantage classifiés en configurations ZNvn1 et ZNyn11.

Les transformateurs de mise à la terre de type Z peuvent également être équipés d'un enroulement basse tension, généralement connecté en étoile avec un neutre mis à la terre (yn), leur permettant ainsi de servir de transformateurs auxiliaires de poste.

2. Transformateur de mise à la terre de type Z
Avantages du raccordement en zigzag des transformateurs de type Z :

1. Lors d'un court-circuit monophasé, le courant de défaut de mise à la terre est approximativement réparti uniformément entre les enroulements triphasés. Les forces magnétomotrices (FMM) des deux enroulements sur chaque colonne du noyau sont de sens opposé, il n'y a donc pas d'effet d'amortissement, ce qui permet au courant de circuler librement du point neutre vers la ligne défectueuse.

2. Il n'existe aucune composante de troisième harmonique dans la tension de phase car, dans un groupe de trois transformateurs monophasés connectés en zigzag, les troisièmes harmoniques ont la même amplitude et la même direction en tant que vecteurs. En raison de l'agencement des enroulements, les forces électromotrices des troisièmes harmoniques dans chaque phase s'annulent mutuellement, ce qui donne une tension de phase quasi sinusoïdale.

Dans un transformateur de mise à la terre de type Z, les courants homopolaires dans les deux demi-enroulements situés sur la même colonne du noyau circulent en sens opposé ; par conséquent, la réactance homopolaire est très faible et elle ne freine pas le courant homopolaire. Le principe sous-jacent à son impédance homopolaire faible est le suivant : sur chacune des trois colonnes du noyau du transformateur de mise à la terre, se trouvent deux enroulements ayant un même nombre de spires, chacun connecté à des tensions de phase différentes. 

Lorsque des tensions triphasées équilibrées en séquence directe ou inverse sont appliquées aux bornes ligne du transformateur de mise à la terre, la FMM sur chaque colonne du noyau correspond à la somme vectorielle des FMM provenant des deux enroulements connectés à des phases différentes. Les FMM résultantes sur chaque colonne du noyau sont décalées de 120°, formant ainsi un système triphasé équilibré. La FMM monophasée peut établir un circuit magnétique traversant les trois colonnes du noyau, ce qui entraîne une faible réluctance magnétique, un flux magnétique important, une force électromotrice induite élevée, et donc une impédance de magnétisation très élevée.

 Cependant, lorsqu'une tension homopolaire est appliquée aux bornes ligne triphasées, les FMM produites par les deux enroulements sur chaque colonne du noyau sont égales en amplitude mais opposées en direction, ce qui donne une FMM nette nulle par colonne — il n'existe donc aucune FMM homopolaire dans les trois colonnes du noyau. La FMM homopolaire ne peut compléter son trajet qu'à travers la cuve et le milieu environnant, ce qui présente une réluctance magnétique très élevée ; par conséquent, la FMM homopolaire est très faible, conduisant à une impédance homopolaire très faible.

3.Paramètres du transformateur de mise à la terre
Pour répondre aux exigences des réseaux de distribution utilisant une compensation par mise à la terre via une bobine d'extinction d'arc, tout en satisfaisant également les besoins des charges auxiliaires de puissance et d'éclairage dans les postes, des transformateurs à connexion Z sont sélectionnés, et les paramètres clés du transformateur de mise à la terre doivent être fixés de manière raisonnable.

3.1 Puissance nominale
La puissance côté primaire du transformateur de mise à la terre doit correspondre à la puissance de la bobine d'extinction d'arc. Selon les puissances normalisées des bobines d'extinction d'arc, il est recommandé de régler la puissance du transformateur de mise à la terre à 1,05–1,15 fois celle de la bobine d'extinction d'arc. Par exemple, une bobine d'extinction d'arc de 200 kVA serait associée à un transformateur de mise à la terre de 215 kVA.

3.2 Courant de compensation au point neutre
Le courant total circulant par le point neutre du transformateur lors d'un défaut monophasé

Dans la formule ci-dessus :

U est la tension composée du réseau de distribution (V) ;
Zx est l'impédance de la bobine d'extinction d'arc (Ω) ;
Zd est l'impédance homopolaire primaire du transformateur de mise à la terre (Ω/phase) ;
Zs est l'impédance du système (Ω).

La durée du courant de compensation au point neutre doit être identique à la durée de fonctionnement continue de la bobine d'extinction d'arc, définie à 2 heures.

3.3 Impédance de séquence zéro
L'impédance de séquence zéro est un paramètre critique du transformateur de terre et affecte considérablement les réglages de protection par relais pour limiter les courants de défaut à la terre monophasés et supprimer les surtensions. Pour les transformateurs de terre en zigzag (type Z) sans enroulement secondaire, ainsi que ceux avec des connexions en étoile/delta ouvert, il n'y a qu'une seule impédance - à savoir, l'impédance de séquence zéro - permettant aux fabricants de satisfaire les exigences des services publics.

3.4 Pertes
Les pertes sont un paramètre de performance important des transformateurs de terre. Pour les transformateurs de terre équipés d'un enroulement secondaire, la perte à vide peut être rendue équivalente à celle d'un transformateur à deux enroulements de même puissance nominale. En ce qui concerne les pertes de charge, lorsque le côté secondaire fonctionne à pleine charge, le côté primaire supporte une charge relativement légère ; ainsi, sa perte de charge est inférieure à celle d'un transformateur à deux enroulements de même capacité côté secondaire.

3.5 Élévation de température
Conformément aux normes nationales, l'élévation de température des transformateurs de terre est réglementée comme suit :

1. L'élévation de température sous courant continu nominal doit se conformer aux dispositions de la norme nationale pour les transformateurs de puissance générale ou les transformateurs à sec. Cela s'applique principalement aux transformateurs de terre dont le côté secondaire est fréquemment chargé.

2. Lorsque le courant de charge de courte durée dure moins de 10 secondes (un scénario typique lorsqu'un point neutre est connecté à une résistance), l'élévation de température doit se conformer aux limites spécifiées dans la norme nationale pour les transformateurs de puissance en cas de court-circuit.

3. Lorsque le transformateur de terre fonctionne conjointement avec une bobine d'extinction d'arc, son élévation de température doit se conformer aux exigences d'élévation de température pour la bobine d'extinction d'arc :

• Pour les enroulements transportant continuellement le courant nominal, l'élévation de température est limitée à 80 K. Ceci s'applique principalement aux transformateurs de terre connectés en étoile/delta ouvert.

• Pour les enroulements avec une durée maximale de courant de 2 heures (comme spécifié pour le courant nominal), l'élévation de température permise est de 100 K. Cette condition correspond au mode de fonctionnement de la plupart des transformateurs de terre.

• Pour les enroulements avec une durée maximale de courant de 30 minutes, l'élévation de température permise est de 120 K.

Ces dispositions sont basées sur l'assurance que, dans les conditions de fonctionnement les plus sévères, la température du point chaud des enroulements ne dépasse pas 140 °C à 160 °C, garantissant ainsi un fonctionnement sûr de l'isolation et évitant une réduction grave de la durée de vie de l'isolation.