Atténuation du courant de démarrage des transformateurs moyenne tension par dispositif de commutation contrôlé

Dispositifs de commutation contrôlée dans la gamme de tension moyenne

Il y a plus de trois décennies, les Dispositifs de Commutation Contrôlée (DCC) ont été introduits pour atténuer les transitoires de commutation causés par les disjoncteurs haute tension connectés aux réactances shunt et aux bancs de condensateurs. Les recherches ultérieures ont élargi leur application aux lignes de transport et aux transformateurs de puissance. Initialement, ces dispositifs optimisaient les moments de commutation sur une base par phase en utilisant des disjoncteurs à pôles indépendants (IPO).

Récemment, l'augmentation de la demande mondiale d'énergie a stimulé l'intégration des sources d'énergie renouvelables dans les réseaux de distribution de tension moyenne plutôt que de se reposer uniquement sur les systèmes de transport haute tension (HT). Ce changement a nécessité l'abordage des problèmes de chute de tension dus aux courants d'entrée non contrôlés lors de l'energisation des transformateurs.

Les tableaux de distribution de tension moyenne fonctionnent généralement avec trois pôles simultanément, ce qui contraste avec l'opération indépendante dans les applications HT. Cela a exigé des avancées significatives dans la technologie DCC pour gérer efficacement les courants d'entrée d'energisation des transformateurs en utilisant des interrupteurs standards avec une opération simultanée des pôles. Aujourd'hui, cette innovation est largement utilisée non seulement dans les installations d'énergie renouvelable comme les parcs éoliens et les centrales solaires photovoltaïques, mais aussi dans les installations industrielles et les réseaux de transport, où le contrôle des courants d'entrée est crucial pour l'energisation fiable des transformateurs de tension moyenne et haute tension.

Courant d'entrée dans les transformateurs de tension moyenne

L'amplitude du courant d'entrée lors de l'energisation du transformateur est fortement influencée par le flux résiduel au sein du noyau du transformateur ; des niveaux de flux résiduel plus élevés peuvent conduire à des courants d'entrée plus importants lors de l'energisation aléatoire. Des stratégies d'atténuation efficaces sont essentielles pour éviter les perturbations opérationnelles et assurer la stabilité du réseau.

En mettant en œuvre des techniques de commutation contrôlée avancées, il est possible de minimiser ou d'éliminer ces courants d'entrée. Ces méthodes non seulement améliorent la fiabilité du système, mais prolongent également la durée de vie des équipements, réduisent les coûts de maintenance et améliorent l'efficacité globale des réseaux de distribution de tension moyenne. L'adoption de telles technologies marque un progrès majeur dans l'adaptation aux exigences évoluantes des réseaux de distribution électrique modernes.

Relation entre le flux résiduel et le courant d'entrée du transformateur

Les données de terrain collectées lors de la mise en service des Dispositifs de Commutation Contrôlée (DCC) sur les disjoncteurs et les tableaux de distribution avec une opération simultanée des pôles ont vérifié la relation entre le flux résiduel et le courant d'entrée du transformateur. L'utilisation de DCC entraîne généralement une réduction de 3:1 du courant d'entrée par rapport à l'energisation aléatoire, atténuant considérablement les perturbations potentielles.

Méthodes d'atténuation du courant d'entrée avec un disjoncteur à pôles simultanés

L'explication suivante illustre le concept de commutation contrôlée pour l'atténuation du courant d'entrée appliqué aux transformateurs de puissance :

Lorsqu'un transformateur de puissance démagnétisé est energisé sur la phase R au passage par zéro de la tension (comme illustré à gauche sur la Figure 1), cela force le noyau du transformateur profondément en saturation, introduisant un flux supplémentaire de 2 unités per-unit (p.u.) dans le noyau. Cette condition peut entraîner des courants d'entrée importants en raison de la saturation du noyau.

Cependant, lorsque le transformateur est energisé au sommet de la tension positive, ce premier quart de cycle positif n'ajoute que 1 p.u. de flux dans le noyau. Lorsque la tension passe ensuite à son demi-cycle négatif, elle commence à diminuer le flux dans le noyau. Puisque le transformateur ne atteint pas sa limite de saturation dans ces conditions, la saturation du noyau est évitée, empêchant ainsi l'apparition du courant d'entrée.

Ce scénario correspond à l'energisation en régime permanent du transformateur, où le flux du noyau est décalé de 90 degrés par rapport à la tension. En choisissant soigneusement le moment de l'energisation pour coïncider avec les points optimaux de la forme d'onde de la tension, le risque de courants d'entrée est minimisé, assurant un fonctionnement plus fluide et stable du transformateur.

En résumé, les techniques de commutation contrôlée utilisent un timing précis pour atténuer efficacement les courants d'entrée. En évitant la saturation du noyau grâce à des points d'energisation stratégiques dans le cycle de tension, ces méthodes assurent une performance fiable du transformateur, améliorent la stabilité du réseau et réduisent les perturbations opérationnelles. Cette approche représente une avancée cruciale dans la technologie des tableaux de distribution de tension moyenne, offrant des avantages substantiels pour les nouvelles installations et les mises à niveau des systèmes existants.

La situation devient plus complexe lors de l'utilisation d'un disjoncteur triphasé avec une opération simultanée des pôles. En effet, choisir l'instant d'energisation qui minimise le courant d'entrée sur une phase peut être préjudiciable aux deux autres phases. Cela est illustré dans la Figure 2, où l'atténuation du courant d'entrée pour la phase R d'un transformateur démagnétisé (à gauche) affecte défavorablement les phases Y et B (à droite).

En optimisant le moment d'energisation pour une phase afin de réduire son courant d'entrée, les conditions pour les deux autres phases peuvent entraîner involontairement des courants d'entrée plus importants, soulignant la nécessité d'une approche équilibrée dans les systèmes multiphasés.

Comme expliqué précédemment, le motif de flux résiduel dans un transformateur de puissance est le résultat de sa précédente désenergisation.

Lorsqu'un transformateur est re-energisé, le flux dynamique induit par la tension appliquée est ajouté ou soustrait du flux résiduel en fonction de la polarité de la tension appliquée. Selon les principes de la commutation contrôlée, le moment optimal d'energisation pour une phase d'un transformateur de puissance se produit lorsque le flux prospectif induit correspond au flux résiduel existant (Figure 3, à gauche). Par exemple, en présence d'un flux résiduel positif, l'application d'une tension négative diminuerait d'abord le flux du noyau à zéro au pic de tension négative, puis atteindrait immédiatement le fonctionnement en régime permanent du transformateur sans saturer son noyau.

Inversement (Figure 3, à droite), l'energisation de la phase au passage par zéro positif de la tension ajouterait 2 p.u. de flux positif dans le noyau en plus du flux résiduel existant de 0,5 p.u. Cela pousse le noyau du transformateur en profonde saturation, entraînant un courant d'entrée excessif. Ainsi, la présence de flux résiduel augmente le courant d'entrée maximal lorsque l'energisation du transformateur n'est pas contrôlée.

Le choix précis de l'instant d'energisation pour faire correspondre le flux induit avec le flux résiduel peut efficacement prévenir la saturation du noyau, réduisant ainsi les courants d'entrée et assurant un fonctionnement fluide du transformateur. Cette stratégie non seulement améliore la fiabilité du système, mais prolonge également la durée de vie des équipements et réduit les coûts de maintenance. Le bon timing de l'energisation est particulièrement crucial dans les systèmes multiphasés pour équilibrer les performances entre les phases, assurant la stabilité et l'efficacité du réseau.

Cette approche souligne l'importance de prendre en compte l'effet du flux résiduel lors de la conception et de la mise en œuvre des technologies de commutation contrôlée pour les transformateurs de puissance, visant à réaliser des réseaux de transmission d'énergie plus efficaces et fiables.

Lorsqu'il y a un flux résiduel dans le noyau du transformateur, la situation avec un disjoncteur à pôles simultanés devient encore plus complexe. L'instant optimal d'energisation doit prendre en compte l'opération simultanée de toutes les trois phases selon l'amplitude et la polarité du flux résiduel. Cependant, pour chaque motif de flux résiduel possible, il existe toujours un instant d'energisation optimal qui entraîne une saturation minimale du transformateur (Figure 4).

Dans l'exemple suivant, le motif de flux résiduel est de 0, -0,5 et +0,5 p.u. dans les phases R, Y et B, respectivement. L'energisation du transformateur de puissance à 90° (le sommet de la tension de la phase R) entraîne la saturation minimale des phases. Cependant, la fermeture de la phase bleue (en supposant la phase B) au passage par zéro positif de la tension (240°) causerait le pire courant d'entrée, qui serait 6,5 fois plus élevé que l'instant de commutation optimal calculé par un Dispositif de Commutation Contrôlée (DCC).

Cela souligne l'importance de déterminer avec précision l'instant d'energisation optimal pour chaque condition spécifique de flux résiduel afin de minimiser la saturation du transformateur et les courants d'entrée. Un bon timing assure un fonctionnement plus fluide et améliore la fiabilité et l'efficacité du système de puissance.

Lorsque l'energisation d'un transformateur de puissance n'est pas contrôlée, le pire courant d'entrée possible apparaîtra toujours sur la phase ayant le flux résiduel le plus élevé. Un Dispositif de Commutation Contrôlée (DCC) minimise le courant d'entrée d'energisation en calculant l'instant optimal de fermeture des pôles en fonction du motif de flux résiduel. Par conséquent, sous certaines conditions de flux résiduel élevé, le courant d'entrée peut être entièrement éliminé.

La Figure 5 illustre le courant d'entrée relatif théorique lors de l'energisation en fonction du flux résiduel le plus élevé mesuré dans le transformateur (avec un genou de saturation à 1,2 p.u.). Le courant d'entrée maximum est normalisé au courant d'energisation maximum du noyau démagnétisé. Lorsque le flux résiduel du noyau est élevé (sur l'axe horizontal), le DCC élimine le courant d'entrée en empêchant le transformateur d'entrer en saturation (zone inférieure de la ligne bleue). À l'inverse, l'energisation du transformateur de puissance à un moment aléatoire peut pousser le transformateur en saturation complète (ligne rouge), entraînant un courant d'entrée excessif et des chutes de tension subséquentes sur le réseau. Ce diagramme démontre ainsi l'efficacité de l'atténuation du courant d'entrée fournie par un DCC par rapport à une energisation aléatoire ou non contrôlée.