Quelles mesures de protection contre la foudre sont utilisées pour les transformateurs de distribution H61
Quelles mesures de protection contre la foudre sont utilisées pour les transformateurs de distribution H61 ?
Un parafoudre doit être installé du côté haute tension du transformateur de distribution H61. Selon SDJ7–79 "Code technique de conception de la protection contre les surtensions des équipements électriques", le côté haute tension d'un transformateur de distribution H61 devrait généralement être protégé par un parafoudre. Le conducteur de terre du parafoudre, le point neutre du côté basse tension du transformateur et la carcasse métallique du transformateur doivent tous être connectés ensemble et mis à la terre en un point commun. Cette méthode est également recommandée dans DL/T620–1997 "Protection contre les surtensions et coordination de l'isolation pour les installations électriques en courant alternatif", émis par l'ancien Ministère de l'Électricité.
Cependant, des recherches approfondies et une expérience opérationnelle ont montré que même avec des parafoudres installés uniquement du côté haute tension, les dommages au transformateur se produisent encore sous des conditions d'impulsion de foudre. Dans les zones générales, le taux de défaillance annuel est d'environ 1 % ; dans les zones à forte activité orageuse, il peut atteindre environ 5 % ; et dans les régions extrêmement exposées aux orages avec plus de 100 jours d'orage par an, le taux de défaillance annuel peut atteindre 50 %. La cause principale est ce qu'on appelle les "surtensions de transformation directe et inverse" induites par les surtensions de foudre entrant dans l'enroulement haute tension du transformateur de distribution. Les mécanismes de ces surtensions sont les suivants :
1. Surtension de transformation inverse
Lorsqu'une impulsion de foudre pénètre du côté haute tension 3–10 kV et provoque le fonctionnement du parafoudre, un grand courant d'impulsion circule à travers la résistance de mise à la terre, créant une chute de tension. Cette chute de tension apparaît au point neutre de l'enroulement basse tension, augmentant son potentiel. Si la ligne basse tension est relativement longue, elle se comporte comme une impédance ondulatoire vers la terre. Sous l'influence de ce potentiel élevé du point neutre, un grand courant d'impulsion circule à travers l'enroulement basse tension. Les trois courants d'impulsion triphasés sont égaux en magnitude et en direction, générant un fort flux magnétique de séquence zéro.
Ce flux induit une très haute tension d'impulsion dans l'enroulement haute tension selon le rapport de transformation du transformateur. Ces trois tensions d'impulsion triphasées induites sont égales en magnitude et en direction. Comme l'enroulement haute tension est généralement connecté en étoile avec un point neutre non mis à la terre, bien que de hautes tensions d'impulsion apparaissent, aucun courant d'impulsion correspondant ne circule dans l'enroulement haute tension pour compenser l'effet de magnétisation. Ainsi, l'ensemble du courant d'impulsion dans l'enroulement basse tension agit comme courant de magnétisation, produisant un flux de séquence zéro intense et induisant des potentiels extrêmement élevés du côté haute tension.
Comme le potentiel du terminal haute tension est cloué par la tension résiduelle du parafoudre, ce potentiel induit se répartit le long de l'enroulement, atteignant son maximum à l'extrémité neutre. Par conséquent, l'isolation du point neutre est sujette à la rupture. De plus, les gradients de tension intercalaires et intertour augmentent considérablement, pouvant causer une défaillance de l'isolation à d'autres endroits. Ce type de surtension provient d'une surtension entrante du côté haute tension et est couplé électromagnétiquement de retour à l'enroulement haute tension via l'enroulement basse tension - communément appelé "transformation inverse".
2. Surtension de transformation directe
La surtension de transformation directe se produit lorsque une impulsion de foudre entre par la ligne basse tension. Un courant d'impulsion circule alors à travers l'enroulement basse tension, induisant une tension dans l'enroulement haute tension selon le rapport de transformation, ce qui augmente considérablement le potentiel du point neutre haute tension. Cela augmente également les gradients de tension intercalaires et intertour. Ce processus - où une surtension du côté basse tension induit une surtension du côté haute tension - est appelé "transformation directe". Les tests montrent que lorsqu'une surtension de 10 kV entre du côté basse tension et que la résistance de mise à la terre est de 5 Ω, le gradient de tension intercalaire dans l'enroulement haute tension peut dépasser la résistance à l'impulsion pleine onde de l'isolation intercalaire de plus de 100 %, causant inévitablement une rupture de l'isolation.
Par conséquent, des parafoudres ordinaires à valve ou à oxyde métallique devraient également être installés du côté basse tension du transformateur de distribution H61. Dans ce schéma de protection, les conducteurs de terre des parafoudres haute et basse tension, le point neutre basse tension et la carcasse métallique du transformateur sont tous connectés ensemble et mis à la terre en un seul point (également appelé "liaison quatre points" ou "mise à la terre trois en un").
L'expérience opérationnelle et les études expérimentales indiquent que même pour les transformateurs de distribution avec une bonne isolation, les défaillances dues aux surtensions de transformation directe et inverse se produisent toujours lorsque des parafoudres sont installés uniquement du côté haute tension. C'est parce que les parafoudres du côté haute tension ne peuvent pas supprimer les surtensions de transformation directe ou inverse. Le gradient de tension intercalaire sous ces surtensions est proportionnel au nombre de spires et dépend de la distribution des enroulements ; la rupture de l'isolation peut se produire au début, au milieu ou à la fin des enroulements - mais la fin est la plus vulnérable. L'installation de parafoudres du côté basse tension peut efficacement limiter les surtensions de transformation directe et inverse à une plage sûre.
Une autre méthode de protection est la mise à la terre séparée pour les côtés haute et basse tension. Dans cette configuration, le parafoudre haute tension est mis à la terre indépendamment, aucun parafoudre n'est installé du côté basse tension, et le point neutre basse tension et la carcasse du transformateur sont liés ensemble et mis à la terre séparément du système de mise à la terre haute tension.
Cette méthode utilise l'effet d'atténuation de la terre sur les ondes de foudre pour éliminer essentiellement la surtension de transformation inverse. Concernant la surtension de transformation directe, les calculs montrent que la réduction de la résistance de mise à la terre basse tension de 10 Ω à 2,5 Ω peut réduire la surtension de transformation directe haute tension d'environ 40 %. Avec un traitement approprié de l'électrode de mise à la terre basse tension, la surtension de transformation directe peut être éliminée entièrement.
Ce schéma de protection est simple et économique, bien qu'il impose des exigences plus élevées sur la résistance de mise à la terre en basse tension, ce qui lui confère une certaine valeur pratique pour une application plus large.
En plus des méthodes ci-dessus, d'autres mesures de protection contre la foudre pour les transformateurs de distribution incluent l'installation d'un enroulement d'équilibrage sur le noyau du transformateur pour supprimer les surtensions de transformation directe et inverse, ou l'intégration directe de parafoudres à oxyde métallique à l'intérieur du transformateur.
