Quelles sont les différences entre un transformateur de terre et un transformateur conventionnel?
Qu'est-ce qu'un transformateur de terre ?
Un transformateur de terre, abrégé en "transformateur de terre", peut être classé en transformateurs à huile et à sec selon le milieu de remplissage ; et en transformateurs monophasés et triphasés selon le nombre de phases.
Différence entre les transformateurs de terre et les transformateurs conventionnels
Le but d'un transformateur de terre est de créer un point neutre artificiel pour connecter une bobine d'extinction d'arc ou une résistance lorsque le système est connecté en triangle (Δ) ou en étoile (Y) sans point neutre accessible. Ces transformateurs utilisent des connexions de bobinages en zigzag (ou "type Z"). La principale différence avec les transformateurs conventionnels est que chaque bobinage de phase est divisé en deux groupes enroulés dans des sens opposés sur la même branche du noyau magnétique. Cette conception permet au flux magnétique de séquence zéro de circuler à travers les branches du noyau, tandis que dans les transformateurs conventionnels, le flux de séquence zéro circule le long des chemins de fuite.
Ainsi, l'impédance de séquence zéro d'un transformateur de terre de type Z est très faible (environ 10 Ω), alors que celle d'un transformateur conventionnel est beaucoup plus élevée. Selon les règlements techniques, lorsqu'un transformateur conventionnel est utilisé pour connecter une bobine d'extinction d'arc, la capacité de la bobine ne doit pas dépasser 20 % de la capacité nominale du transformateur. En revanche, un transformateur de type Z peut supporter une bobine d'extinction d'arc à 90%–100% de sa propre capacité. De plus, les transformateurs de terre peuvent alimenter des charges secondaires et servir de transformateurs de service de station, permettant ainsi d'économiser sur les coûts d'investissement.
Principe de fonctionnement des transformateurs de terre
Un transformateur de terre crée artificiellement un point neutre avec une résistance de terre, qui a généralement une résistance très faible (généralement inférieure à 5 ohms). De plus, en raison de ses caractéristiques électromagnétiques, le transformateur de terre présente une forte impédance aux courants de séquences positive et négative, ne permettant qu'un faible courant d'excitation de circuler dans les bobinages. Sur chaque branche du noyau, les deux sections de bobinage sont enroulées dans des sens opposés. Lorsque des courants de séquence zéro égaux passent par ces bobinages sur la même branche, ils présentent une faible impédance, entraînant une chute de tension minimale.
En cas de défaut de terre, les bobinages transportent des courants de séquences positive, négative et zéro. Le bobinage présente une forte impédance aux courants de séquences positive et négative, mais une faible impédance au courant de séquence zéro car, dans la même phase, les deux bobinages sont connectés en série avec des polarités opposées—leurs forces électromotrices induites sont égales en magnitude mais opposées en direction, se compensant ainsi mutuellement.
De nombreux transformateurs de terre sont utilisés uniquement pour fournir un point neutre à basse résistance et n'alimentent aucune charge secondaire ; par conséquent, beaucoup sont conçus sans bobinage secondaire. Lors de l'exploitation normale du réseau, le transformateur de terre fonctionne essentiellement à vide. Cependant, en cas de défaut, il transporte le courant de défaut pendant une courte durée. Dans un système de terre à basse résistance, lorsqu'un défaut de terre monophasé se produit, une protection de séquence zéro très sensible identifie rapidement et isole temporairement l'alimentation défectueuse.
Le transformateur de terre n'est actif que pendant l'intervalle bref entre l'apparition du défaut et l'action de la protection de séquence zéro de l'alimentation. Pendant cette période, le courant de séquence zéro passe par la résistance de terre neutre et le transformateur de terre, suivant la formule : IR = U / R₁, où U est la tension de phase du système et R₁ est la résistance de terre neutre.
Conséquences lorsque l'arc de terre ne peut pas être éteint de manière fiable
L'extinction intermittente et la réallumage de l'arc de terre monophasé génèrent des surtensions d'arc de terre avec des amplitudes atteignant jusqu'à 4U (où U est la tension de crête de phase) ou même plus, durant de longues périodes. Cela pose des menaces graves à l'isolation des équipements électriques, pouvant causer des ruptures aux points d'isolation faibles et entraîner des pertes importantes.
L'arc persistant ionise l'air environnant, dégradant ses propriétés d'isolation et augmentant la probabilité de courts-circuits entre phases.
Des surtensions ferro-résonantes peuvent se produire, endommageant facilement les transformateurs de tension et les parafoudres—pouvant même causer l'explosion des parafoudres. Ces conséquences mettent gravement en danger l'intégrité de l'isolation des équipements du réseau et menacent la sécurité de l'exploitation de l'ensemble du système électrique.
Quels sont les courants de séquences positive, négative et zéro ?
Courant de séquence négative : La phase A est en retard sur la phase B de 120°, la phase B est en retard sur la phase C de 120°, et la phase C est en retard sur la phase A de 120°.
Courant de séquence positive : La phase A précède la phase B de 120°, la phase B précède la phase C de 120°, et la phase C précède la phase A de 120°.
Courant de séquence zéro : Toutes les trois phases (A, B, C) sont en phase—aucune phase ne précède ou ne suit une autre.
Lors de défauts de court-circuit triphasé et en exploitation normale, le système ne contient que des composants de séquence positive.
Lors de défauts de terre monophasés, le système contient des composants de séquences positive, négative et zéro.
Lors de défauts de court-circuit biphasé, le système contient des composants de séquences positive et négative.
Lors de défauts de court-circuit biphasé à la terre, le système contient des composants de séquences positive, négative et zéro.
Caractéristiques de fonctionnement des transformateurs de terre
Le transformateur de terre fonctionne à vide pendant le fonctionnement normal du réseau et subit une surcharge temporaire en cas de défaut. En résumé, la fonction d'un transformateur de terre est de créer artificiellement un point neutre pour connecter une résistance de terre. En cas de défaut de terre, il présente une forte impédance aux courants de séquence positive et négative mais une faible impédance au courant de séquence zéro, assurant ainsi le bon fonctionnement de la protection contre les défauts de terre.
Mise à la terre neutre via des systèmes de bobines d'extinction d'arc
Lorsqu'un défaut de terre monophasique transitoire se produit dans le réseau en raison d'une mauvaise isolation des équipements, d'un dommage externe, d'une erreur d'opérateur, d'une surtension interne ou de toute autre cause, le courant de défaut de terre circule à travers la bobine d'extinction d'arc sous forme de courant inductif, qui est opposé au courant capacitif. Cela peut réduire le courant au point de défaut à une valeur très faible voire à zéro, éteignant ainsi l'arc et éliminant les dangers associés. Le défaut se résout automatiquement sans déclencher la protection par relais ou le disjoncteur, améliorant considérablement la fiabilité de l'alimentation électrique.
Trois modes de compensation opérationnels
Il existe trois modes de compensation opérationnels différents : sous-compensation, compensation complète et sur-compensation.
Sous-compensation : Le courant inductif après compensation est inférieur au courant capacitif.
Sur-compensation : Le courant inductif après compensation est supérieur au courant capacitif.
Compensation complète : Le courant inductif après compensation est égal au courant capacitif.
Mode de compensation utilisé dans la mise à la terre neutre via des systèmes de bobines d'extinction d'arc
Dans les systèmes avec mise à la terre neutre par bobine d'extinction d'arc, la compensation complète doit être évitée. Quelle que soit l'amplitude de la tension de déséquilibre du système, la compensation complète peut provoquer une résonance en série, soumettant la bobine d'extinction d'arc à des tensions dangereusement élevées. Par conséquent, la sur-compensation ou la sous-compensation est adoptée en pratique, la sur-compensation étant le mode le plus couramment utilisé.
Principales raisons de l'adoption de la sur-compensation
Dans les systèmes sous-compensés, de fortes surtensions peuvent facilement se produire en cas de défaut. Par exemple, si une partie des lignes est déconnectée en raison d'un défaut ou pour toute autre raison, un système sous-compensé peut tendre vers une compensation complète, provoquant une résonance en série et entraînant une très haute tension de déplacement du neutre et des surtensions. Un grand déplacement du neutre dans les systèmes sous-compensés menace également l'intégrité de l'isolation, un inconvénient qui ne peut pas être évité tant que la sous-compensation est utilisée.
Pendant le fonctionnement normal d'un système sous-compensé avec un déséquilibre triphasé important, des surtensions ferro-résonantes très élevées peuvent se produire. Ce phénomène résulte de la résonance ferromagnétique entre la bobine d'extinction d'arc sous-compensée (où ωL > 1/(3ωC₀)) et la capacité de ligne (3C₀). Une telle résonance ne se produit pas avec la sur-compensation.
Les systèmes électriques s'élargissent continuellement, et la capacité du réseau à la terre augmente en conséquence. Avec la sur-compensation, la bobine d'extinction d'arc initialement installée peut rester en service pendant un certain temps - même si elle finit par tendre vers la sous-compensation. Cependant, si le système commence avec une sous-compensation, toute expansion nécessite immédiatement une capacité de compensation supplémentaire.
Avec la sur-compensation, le courant qui circule au point de défaut est inductif. Après l'extinction de l'arc, le taux de récupération de la tension de la phase défectueuse est plus lent, rendant moins probable la reprise de l'arc.
Sous sur-compensation, une diminution de la fréquence du système n'augmente que temporairement le degré de sur-compensation, ce qui ne pose aucun problème pendant le fonctionnement normal. À l'inverse, la sous-compensation combinée à une fréquence réduite peut rapprocher le système de la compensation complète, entraînant une augmentation de la tension de déplacement du neutre.
Résumé
Le transformateur de terre fonctionne également comme transformateur de service de station, abaissant la tension de 35 kV à une tension basse de 380 V pour alimenter la charge des batteries, l'alimentation des ventilateurs SVG, l'éclairage de maintenance et les charges auxiliaires générales de la station.
Dans les réseaux électriques modernes, les câbles remplacent largement les lignes aériennes. Comme le courant de défaut de terre monophasique capacitif des lignes de câble est beaucoup plus élevé que celui des lignes aériennes, la mise à la terre neutre via des bobines d'extinction d'arc échoue souvent à éteindre l'arc de défaut et à supprimer les surtensions résonnantes dangereuses. Par conséquent, notre poste adopte un schéma de mise à la terre neutre à faible résistance. Cette approche est similaire aux systèmes à neutre solidement mis à la terre et nécessite l'installation d'une protection contre les défauts de terre monophasiques qui déclenchent le disjoncteur. Lorsqu'un défaut de terre monophasique se produit, le conducteur défectueux est rapidement isolé.
