Protection des transformateurs et défauts de transformateur

Il existe différents types de transformateurs tels que les transformateurs à deux ou trois enroulements électriques de puissance, les autotransformateurs, les transformateurs régulateurs, les transformateurs de terre, les transformateurs redresseurs, etc. Les différents transformateurs nécessitent différents schémas de protection des transformateurs en fonction de leur importance, de leurs connexions d'enroulement, des méthodes de mise à la terre et du mode de fonctionnement, etc.
Il est courant de fournir une protection par relais Buchholz à tous les transformateurs de 0,5 MVA et plus. Pour tous les petits transformateurs de distribution, seuls les fusibles haute tension sont utilisés comme dispositif de protection principal. Pour tous les transformateurs de distribution de grande taille et importants, une protection contre les surintensités est appliquée, ainsi qu'une protection contre les défauts à la terre limités.
La protection différentielle doit être fournie pour les transformateurs de plus de 5 MVA.

En fonction des conditions de service normales, de la nature des défauts des transformateurs, du degré de surcharge soutenue, du schéma de changement de rapport, et de nombreux autres facteurs, les schémas de protection des transformateurs appropriés sont choisis.

Nature des défauts des transformateurs

Bien qu'un transformateur électrique soit un dispositif statique, les contraintes internes dues aux conditions anormales du système doivent être prises en compte.
Un transformateur souffre généralement des types de défauts suivants :

1. Surintensité due aux surcharges et aux courts-circuits externes,

2. Défauts terminaux,

3. Défauts d'enroulement,

4. Défauts initiaux.

Tous les défauts de transformateur mentionnés ci-dessus provoquent des contraintes mécaniques et thermiques à l'intérieur des enroulements du transformateur et de leurs connexions terminales. Les contraintes thermiques entraînent une surchauffe qui finit par affecter le système d'isolation du transformateur. La détérioration de l'isolation conduit à des défauts d'enroulement. Parfois, la défaillance du système de refroidissement du transformateur entraîne également une surchauffe du transformateur. Ainsi, les schémas de protection des transformateurs sont très nécessaires.

Le courant de court-circuit d'un transformateur électrique est généralement limité par sa réactance, et pour une faible réactance, la valeur du courant de court-circuit peut être excessivement élevée. La durée des courts-circuits externes qu'un transformateur peut supporter sans dommage est donnée dans la BSS 171:1936.

Les défauts d'enroulement généraux dans un transformateur sont soit des défauts à la terre, soit des défauts entre spires. Les défauts d'enroulement phase à phase dans un transformateur sont rares. Les défauts de phase dans un transformateur électrique peuvent être dus à des flash-over de la buse ou à des défauts dans l'équipement de changement de rapport. Quel que soit le défaut, le transformateur doit être isolé instantanément en cas de défaut, sinon une panne majeure peut survenir dans le système électrique de puissance.
Les défauts initiaux sont des défauts internes qui ne constituent pas de danger immédiat. Mais si ces défauts sont négligés et non pris en charge, ils peuvent conduire à des défauts majeurs. Les défauts de ce groupe sont principalement des courts-circuits inter-lames dus à une défaillance de l'isolation entre les lames du noyau, une baisse du niveau d'huile due à une fuite d'huile, un blocage des chemins de circulation de l'huile. Tous ces défauts entraînent une surchauffe. Ainsi, un schéma de protection des transformateurs est également nécessaire pour les défauts initiaux. Le défaut à la terre, très proche du point neutre de l'enroulement étoile du transformateur, peut également être considéré comme un défaut initial.
Influence des connexions d'enroulement et de la mise à la terre sur la magnitude du courant de défaut à la terre.
Il existe principalement deux conditions pour que le courant de défaut à la terre circule lors de défauts d'enroulement à la terre,

1. Un courant existe pour que le courant puisse entrer et sortir de l'enroulement.

2. L'équilibre des ampères-tours est maintenu entre les enroulements.

La valeur du courant de défaut à la terre de l'enroulement dépend de la position du défaut sur l'enroulement, de la méthode de connexion de l'enroulement et de la méthode de mise à la terre. Le point neutre des enroulements peut être mis à la terre soit solidement, soit via une résistance. Sur le côté delta du transformateur, le système est mis à la terre via un transformateur de mise à la terre. Le transformateur de mise à la terre fournit un chemin de faible impédance au courant de séquence zéro et une haute impédance aux courants de séquence positive et négative.

Enroulement étoile avec résistance de mise à la terre du neutre

Dans ce cas, le point neutre du transformateur est mis à la terre via une résistance et la valeur de l'impédance de celle-ci est beaucoup plus élevée que celle de l'impédance d'enroulement du transformateur. Cela signifie que la valeur de l'impédance d'enroulement du transformateur est négligeable par rapport à l'impédance de la résistance de mise à la terre. La valeur du courant de défaut à la terre est donc proportionnelle à la position du défaut dans l'enroulement. Comme le courant de défaut dans l'enroulement primaire des transformateurs est proportionnel au rapport des tours secondaires court-circuitées au total des tours de l'enroulement primaire, le courant de défaut primaire sera proportionnel au carré du pourcentage d'enroulement court-circuité. La variation du courant de défaut à la fois dans l'enroulement primaire et secondaire est illustrée ci-dessous.

Enroulement étoile avec neutre solidement mis à la terre

Dans ce cas, la magnitude du courant de défaut à la terre est limitée uniquement par l'impédance de l'enroulement et le défaut n'est plus proportionnel à la position du défaut. La raison de cette non-linéarité est le déséquilibre des liaisons de flux.

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