Pannes externes et internes dans les transformateurs

Il est essentiel de protéger les transformateurs de grande capacité contre les défauts électriques externes et internes.

Défauts externes dans les transformateurs de puissance

Court-circuit externe du transformateur de puissance

Le court-circuit peut se produire sur deux ou trois phases du système électrique. Le niveau de courant de défaut est toujours suffisamment élevé. Il dépend de la tension qui a été court-circuitée et de l'impédance du circuit jusqu'au point de défaut. La perte en cuivre du transformateur alimentant le défaut augmente brusquement. Cette augmentation de la perte en cuivre provoque un chauffage interne du transformateur. Un grand courant de défaut produit également des contraintes mécaniques sévères dans le transformateur. Les contraintes mécaniques maximales se produisent pendant le premier cycle du courant de défaut symétrique.

Perturbation haute tension dans le transformateur de puissance

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

1. Surge de tension transitoire

2. Surtension à fréquence de réseau

Surge de tension transitoire

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

• Arc électrique au sol si le point neutre est isolé.

• Opérations de commutation d'équipements électriques différents.

• Impulsion de foudre atmosphérique.

Quelle que soit la cause de la surge de tension, il s'agit en fin de compte d'une onde progressive ayant une forme d'onde élevée et abrupte ainsi qu'une fréquence élevée. Cette onde se propage dans le système de puissance électrique, et lorsqu'elle atteint le transformateur de puissance, 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.

Surtension à fréquence de réseau

Il y a toujours une chance 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, sa fréquence est la même qu'en conditions normales. La surtension dans le système provoque une augmentation de la contrainte sur l'isolation du transformateur. Comme nous le savons, la tension, augmentée, provoque une augmentation proportionnelle du flux de travail. Cela entraîne donc une augmentation de la perte en fer et une augmentation proportionnellement importante du courant de magnétisation. Le flux accru est détourné du noyau du transformateur vers d'autres parties structurelles en acier du transformateur. Les boulons de noyau, qui ne transportent généralement qu'un faible flux, peuvent être soumis à une grande composante de flux détournée de la région saturée du noyau à proximité. Dans ces conditions, le boulon peut se chauffer rapidement et détruire son propre isolation ainsi que l'isolation des enroulements.

Effet de sous-fréquence dans le transformateur de puissance

Comme la tension, le nombre de tours dans l'enroulement est fixe.
Par conséquent,
D'après cette équation, il est clair que si la fréquence diminue dans un système, le flux dans le noyau augmente, les effets sont 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,

1. Rupture d'isolation entre l'enroulement et la terre

2. Rupture d'isolation entre différentes phases

3. Rupture d'isolation entre les spires adjacentes, c'est-à-dire défaut inter-spires

4. Défaut du noyau du transformateur

Défauts internes à la terre dans le transformateur de puissance

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

Dans ce cas, le courant de défaut dépend de la valeur de l'impédance de mise à la terre et est également proportionnel à la distance du point de défaut par rapport au point neutre, car la tension en ce point dépend du nombre de tours d'enroulement entre le point neutre et le point de défaut. Si la distance entre le point de défaut et le point neutre est grande, le nombre de tours sur cette distance est également important, donc la tension entre le point neutre et le point de défaut est élevée, ce qui provoque un courant de défaut plus élevé. En quelques mots, on peut dire que la valeur du courant de défaut dépend de la valeur de l'impédance de mise à la terre ainsi que de la distance entre le point de défaut et le point neutre. Le courant de défaut dépend également de la réactance de fuite de la portion de l'enroulement entre le point de défaut et le point neutre. Mais comparée à l'impédance de mise à la terre, elle est très faible et est donc ignorée, car elle est en série avec une impédance de mise à la terre beaucoup plus élevée.

Défauts internes à la terre dans un enroulement en étoile avec 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 dans le cas précédent, 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 point neutre solidement mis à la terre, le courant de défaut dépend de deux facteurs principaux, premièrement la réactance de fuite de l'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 avec la position du défaut dans l'enroulement. On observe que la réactance diminue très rapidement lorsque le point de défaut s'approche du point neutre, et par conséquent, le courant de défaut est le plus élevé pour un défaut proche du point neutre. Ainsi, au point où la tension disponible pour le courant de défaut est faible, et en même temps la réactance opposant le courant de défaut est également faible, 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 remarquer 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 engendrera un courant substantiel pour actionner le relais de surintensité instantanée côté primaire ainsi que le relais différentiel.

Défaut inter-spires dans le transformateur de puissance

Le transformateur de puissance connecté à un système de transmission extra haute tension est très susceptible d'être soumis à une impulsion de tension de grande amplitude, à front raide et à haute fréquence en raison de la surtension de foudre 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 à certains points. L'enroulement basse tension est également soumis à la tension de surtension transférée. Un très grand nombre de pannes de transformateurs de puissance proviennent de défauts entre les spires. Les défauts inter-spires peuvent également se produire en raison des forces mécaniques entre les spires générées par un court-circuit externe.

Défaut du noyau dans le transformateur de puissance

Si une partie des lamelles du noyau est endommagée, ou si les lamelles du noyau sont pontées par un matériau conducteur, cela provoque un courant de Foucault suffisant pour circuler, de sorte que cette partie du noyau devient surchauffée. Parfois, l'isolation des boulons (utilisés pour serrer les lamelles du noyau ensemble) tombe en panne, ce qui permet également un courant de Foucault suffisant de circuler à travers le boulon et provoquer une surchauffe. Ces pannes d'isolation dans les lamelles et les boulons du noyau provoquent un chauffage local sévère. Bien que ce chauffage local provoque une perte supplémentaire dans le no