Quelles sont les pannes courantes rencontrées lors de l'exploitation de la protection différentielle longitudinale des transformateurs électriques

Protection différentielle longitudinale des transformateurs : problèmes courants et solutions

La protection différentielle longitudinale des transformateurs est la plus complexe parmi toutes les protections différentielles de composants. Des dysfonctionnements se produisent occasionnellement lors de l'exploitation. Selon les statistiques de 1997 du réseau électrique du nord de la Chine pour les transformateurs de 220 kV et plus, il y avait au total 18 opérations incorrectes, dont 5 étaient dues à la protection différentielle longitudinale - représentant environ un tiers. Les causes de dysfonctionnement ou de non-fonctionnement incluent des problèmes liés à l'exploitation, à la maintenance et à la gestion, ainsi que des problèmes de fabrication, d'installation et de conception. Cet article analyse les problèmes courants sur le terrain et présente des méthodes pratiques d'atténuation.

1. Courant déséquilibré causé par le courant de démarrage du transformateur

Lors de l'exploitation normale, le courant d'excitation ne circule que du côté alimenté et crée un courant déséquilibré dans la protection différentielle. Généralement, le courant d'excitation représente 3% à 8% du courant nominal ; pour les grands transformateurs, il est généralement inférieur à 1%. Lors de défauts externes, la chute de tension réduit le courant d'excitation, minimisant son impact. Cependant, lors de la mise sous tension d'un transformateur non chargé ou de la récupération de tension après l'élimination d'un défaut externe, un grand courant de démarrage peut se produire - atteignant 6 à 8 fois le courant nominal.

Ce courant de démarrage contient des composantes non périodiques significatives et des harmoniques d'ordre élevé, principalement le deuxième harmonique, et présente des discontinuités de la forme d'onde du courant (angles morts).

Méthodes d'atténuation dans la protection différentielle longitudinale :

(1) Relais de type BCH avec transformateurs de courant à saturation rapide :
Lors de défauts externes, la composante non périodique élevée sature rapidement le noyau du transformateur à saturation rapide, empêchant le courant déséquilibré de se transférer à la bobine du relais - évitant ainsi les déclenchements erronés. Lors de défauts internes, bien que des composantes non périodiques existent initialement, elles décroissent en ~2 cycles. Par la suite, seul le courant de défaut périodique circule, permettant une opération sensible du relais.

(2) Relais à microprocesseur utilisant la retenue du deuxième harmonique :
La plupart des relais numériques modernes utilisent la retenue du deuxième harmonique pour distinguer le courant de démarrage des défauts internes. Si un dysfonctionnement se produit lors de l'élimination d'un défaut externe :

• Passer du mode de retenue phase par phase ("ET") au mode de retenue de phase maximale ("OU").

• Réduire le rapport de retenue du deuxième harmonique à 10%–12%.

• Dans les systèmes de grande capacité où le contenu du cinquième harmonique est également élevé après l'élimination du défaut, ajouter la retenue du cinquième harmonique.

• Pour les transformateurs équipés de doubles protections différentielles, envisager d'utiliser les principes de symétrie de la forme d'onde pour identifier le courant de démarrage - cette méthode est plus sensible et fiable que la retenue harmonique seule.

2. Faux branchement dans les circuits secondaires des CT

Une cause récurrente de dysfonctionnement est la polarité inversée des bornes secondaires des transformateurs de courant (CT) - résultant d'une formation inadéquate, d'un écart par rapport aux plans de conception ou de vérifications de mise en service insuffisantes.

Pratique préventive :
Avant de mettre en service la protection différentielle longitudinale - après une nouvelle installation, des essais périodiques ou toute modification du circuit secondaire - le transformateur doit être chargé, et les vérifications suivantes effectuées :

• Mesurer la tension déséquilibrée dans la boucle différentielle à l'aide d'un voltmètre à haute impédance ; elle doit être conforme aux limites du code.

• Mesurer l'amplitude et l'angle de phase des courants secondaires de tous les côtés.

• Construire un diagramme vectoriel hexagonal pour vérifier que la somme vectorielle des courants de même phase est nulle ou presque nulle, confirmant un branchement correct.

Seulement après ces vérifications, la protection peut être officiellement mise en service.

3. Mauvais contact ou circuit ouvert dans les circuits secondaires

Les dysfonctionnements dus à des connexions lâches ou des circuits ouverts dans les boucles secondaires des CT se produisent chaque année.

Recommandations :

• Renforcer la surveillance en temps réel du courant différentiel pendant l'exploitation.

• Après l'installation/mise en service du relais ou des grandes révisions du transformateur, inspecter toutes les connexions secondaires des CT.

• Serrer les vis de borne et utiliser des rondelles ressort ou des clips anti-vibration.

• Pour les applications critiques, utiliser deux câbles parallèles pour le câblage secondaire différentiel afin de réduire le risque de circuit ouvert.

4. Problèmes de mise à la terre dans les circuits secondaires de la protection différentielle

Certains sites violent les mesures anti-accidents en ayant deux points de mise à la terre - un dans l'armoire de protection et un autre dans la boîte de terminaison du poste. La différence de potentiel de terre qui en résulte, surtout pendant les orages ou les soudures à proximité, peut induire un courant différentiel parasite et provoquer un déclenchement erroné.

Solution :
Appliquer strictement la mise à la terre en un point unique. Le seul point de mise à la terre fiable doit être situé à l'intérieur de l'armoire de protection.

5. Dégradation de l'isolation des câbles secondaires des CT

La défaillance de l'isolation des câbles secondaires des CT - souvent due à des pratiques de construction médiocres - conduit également à des dysfonctionnements. Les causes courantes incluent :

• Dommage à la gaine du câble lors de la pose,

• Raccordement de deux câbles lorsque la longueur est insuffisante,

• Soudure des conduits de câbles avec des câbles à l'intérieur, causant des dommages thermiques.

Ces facteurs créent des risques cachés pour la fiabilité de la protection.

Mesures préventives :

• Lors de la maintenance majeure des équipements, tester périodiquement la résistance d'isolation entre chaque cœur et la terre et entre cœurs à l'aide d'un mégohmmètre de 1000 V ; les valeurs doivent répondre aux exigences du code.

• Garder les extrémités de fil exposées aux bornes aussi courtes que possible pour éviter les mises à la terre accidentelles ou les courts-circuits phase-phase en raison des vibrations.

6. Sélection des transformateurs de courant pour la protection différentielle longitudinale

La protection différentielle implique des TC sur différents niveaux de tension, avec des rapports et des modèles variables, entraînant des caractéristiques transitoires incompatibles - une source potentielle de dysfonctionnement ou de non-fonctionnement.

• Côté 500 kV : Utiliser des TC de classe TP (classe de performance transitoire), dont les noyaux à entrefer limitent le reste magnétique à <10% du flux de saturation, améliorant considérablement la réponse transitoire.

• 220 kV et moins : Utiliser généralement des TC de classe P, qui n'ont pas d'entrefer, un reste magnétique plus élevé et une performance transitoire plus faible.

Guidelines de sélection : Bien que les TC de classe TP offrent une performance technique supérieure, ils sont coûteux et encombrants - en particulier du côté basse tension, où l'installation dans des canalisations fermées est difficile. Par conséquent, sauf si des exigences spécifiques du système existent, les TC de classe P devraient être préférés s'ils satisfont les besoins opérationnels réels - évitant des coûts et des défis d'installation inutiles.

De plus, la section des câbles secondaires doit être adéquate :

• Pour les longues courses de câbles, utiliser une section de conducteur ≥4 mm² pour minimiser la charge et assurer la précision.