Optimisation des méthodes de mise à la terre pour le noyau et les serre-joints des transformateurs électriques

Les mesures de protection par mise à la terre des transformateurs sont divisées en deux types : La première est la mise à la terre du point neutre du transformateur. Cette mesure de protection empêche le décalage de la tension du point neutre causé par un déséquilibre de charge triphasée pendant le fonctionnement du transformateur, permettant aux dispositifs de protection de se déclencher rapidement et réduisant les courants de court-circuit. Cela est considéré comme une mise à la terre fonctionnelle pour le transformateur. La deuxième mesure est la mise à la terre du noyau et des serre-joints du transformateur.

Cette protection empêche l'apparition de tensions induites sur les surfaces du noyau et des serre-joints en raison des champs magnétiques internes pendant le fonctionnement, ce qui pourrait conduire à des défauts de décharge partielle. Cela est considéré comme une mise à la terre protectrice pour le transformateur. Pour assurer un fonctionnement sûr et fiable du transformateur, cet article analyse et optimise les méthodes de mise à la terre spécifiquement pour les noyaux et serre-joints des transformateurs.

1. Importance de la mise à la terre du noyau et des serre-joints

Les principaux composants internes d'un transformateur incluent : les enroulements, le noyau et les serre-joints. Les enroulements forment le circuit électrique du transformateur, le noyau constitue le circuit magnétique, et les serre-joints sont principalement utilisés pour sécuriser les enroulements et les feuilles de silicium du noyau. Pendant le fonctionnement normal, les bobines primaire et secondaire génèrent des champs magnétiques lorsque le courant les traverse. Dans cet environnement magnétique, des tensions induites apparaissent sur les surfaces du noyau et des serre-joints. 

À mesure que l'intensité du champ magnétique augmente, le flux magnétique grandit progressivement, provoquant une augmentation progressive des tensions induites. En raison de la distribution inégale du champ magnétique, des tensions induites non uniformes créent des différences de potentiel, entraînant une décharge continue sur les surfaces du noyau et des serre-joints, menant à des défauts internes du transformateur. Cette tension causant des défauts de décharge interne dans les transformateurs est appelée "tension flottante." Par conséquent, pendant le fonctionnement, le noyau et les serre-joints du transformateur doivent être mis à la terre en un seul point pour réduire et éliminer les tensions induites.

Lors de la mise à la terre du noyau et des serre-joints du transformateur, un seul point de mise à la terre est autorisé pour éviter les courants de circulation entre le noyau et les serre-joints. Si deux points de mise à la terre ou plus existent, des différences de potentiel causeront des courants de circulation entre le noyau et les serre-joints, entraînant une augmentation anormale de la température à l'intérieur du transformateur. Cela endommage directement l'isolation solide interne et accélère le vieillissement de l'huile d'isolation, affectant la durée de vie normale du transformateur.

2. Méthodes de mise à la terre du noyau et des serre-joints et approches d'optimisation

Dans les conceptions actuelles de transformateurs en Chine, la mise à la terre du noyau et des serre-joints est principalement réalisée en acheminant les connexions à travers des manchons ou des boulons isolés vers l'extérieur du réservoir du transformateur avant de les mettre à la terre. Cette méthode de mise à la terre est subdivisée en deux méthodes :

La première méthode de mise à la terre (Figure 1) connecte le noyau et les serre-joints via des manchons ou des boulons isolés, puis les court-circuite ensemble avant de les mettre à la terre. Lors du fonctionnement normal du transformateur, cette méthode de mise à la terre présente trois chemins de circulation du courant, étiquetés I1, I2 et I3 :

• I1 : Noyau → Terminal de mise à la terre → Terre

• I2 : Serre-joints → Terminal de mise à la terre → Terre

• I3 : Noyau → Terminal de mise à la terre → Terre → Serre-joints

La deuxième méthode de mise à la terre (Figure 2) achemine le noyau et les serre-joints via des manchons ou des boulons isolés vers des points de mise à la terre séparés. Cette méthode de mise à la terre présente également trois chemins de circulation du courant lors du fonctionnement normal :

• I1 : Noyau → Point de mise à la terre du noyau → Terre

• I2 : Serre-joints → Point de mise à la terre des serre-joints → Terre

• I3 : Noyau → Point de mise à la terre du noyau → Terre → Point de mise à la terre des serre-joints → Serre-joints

Parmi les deux méthodes de mise à la terre mentionnées ci-dessus, les courants de mise à la terre induits I1 et I2 représentent des conditions normales. Cependant, le courant de mise à la terre induit I3 diffère considérablement :

Dans la méthode de mise à la terre montrée à la Figure 1, le courant induit circule par le chemin : noyau → terminal de mise à la terre → serre-joints, créant un "courant de circulation" entre le noyau et les serre-joints du transformateur. Sous l'effet thermique de ce courant, la température interne du transformateur augmente anormalement. Une haute température cause directement la dégradation de l'isolation solide et le vieillissement de l'huile d'isolation. De plus, en raison de l'influence du courant de circulation, les systèmes de surveillance en ligne ne peuvent pas mesurer avec précision les courants de mise à la terre du noyau et des serre-joints, conduisant à un diagnostic erroné en cas de défaillance de l'équipement. Par conséquent, la première méthode de mise à la terre présente des inconvénients significatifs.

En revanche, la méthode de mise à la terre montrée à la Figure 2 achemine le courant induit par le chemin : noyau → mise à la terre du noyau → terre → mise à la terre des serre-joints → serre-joints. Comme le courant passe par la terre de haute résistance, aucun "courant de circulation" ne peut se former entre le noyau et les serre-joints. Cela empêche l'augmentation anormale de la température du transformateur et permet aux systèmes de surveillance en ligne de mesurer avec précision les courants de mise à la terre du noyau et des serre-joints (selon DL/T 596-2021 Code de tests préventifs de puissance, le courant de mise à la terre du noyau ne doit pas dépasser 0,1 A et le courant de mise à la terre des serre-joints ne doit pas dépasser 0,3 A pendant le fonctionnement du transformateur). Cela fournit des preuves fiables pour déterminer s'il existe des défaillances internes au transformateur.

Pour le transformateur de puissance xx-223000/500 sans régulation de tension, le noyau et les serre-joints sont mis à la terre selon la méthode montrée à la Figure 1, ce qui présente plusieurs problèmes opérationnels :

(1) Pendant le fonctionnement, un "courant de circulation" se forme facilement entre le noyau et les serre-joints internes. L'effet thermique provoque une augmentation anormale de la température, accélérant la dégradation de l'isolation solide et le vieillissement de l'huile d'isolation, réduisant ainsi la durée de vie du transformateur.

(2) En raison de l'influence du « courant circulant », les systèmes de surveillance en ligne ne peuvent pas mesurer avec précision les courants de terre du noyau et des serre-joints, rendant impossible la fourniture de preuves concluantes pour déterminer les pannes internes.

(3) Les courants de terre induits du noyau et des serre-joints peuvent être mesurés en continu et comparés aux courants de fuite surveillés par le système en ligne pour vérifier la précision du système de surveillance.

(4) Lors de la maintenance et de la réparation du transformateur, lors de la mesure de la résistance d'isolement entre le noyau/les serre-joints et la terre, les liaisons de terre externes doivent être déconnectées. Comme ce modèle de transformateur utilise des boulons en cuivre M10 (isolés de la terre) pour les connexions du noyau et des serre-joints, qui ont une excellente conductivité mais une faible résistance mécanique et sont susceptibles de se casser. Lors des opérations sur le terrain, les espaces confinés et les forces non équilibrées peuvent facilement causer la rupture des boulons en cuivre. Étant donné la structure interne compacte du transformateur, la résolution de cette panne nécessite le levage du couvercle du bac pour le remplacement, affectant les cycles de maintenance normaux et l'efficacité opérationnelle.

Compte tenu de ces quatre problèmes, pour assurer une détection précise des courants de terre induits du noyau et des serre-joints pendant l'exploitation, prolonger la durée de vie du transformateur, éliminer les « courants circulants » et prévenir les dommages causés par les opérations de maintenance qui élargissent la portée des réparations, il est recommandé d'optimiser la méthode de mise à la terre du noyau et des serre-joints du transformateur de la configuration de la Figure 1 à la configuration de la Figure 2.

3.Conclusion

Grâce à une introduction détaillée des composants internes et des fonctions du transformateur, ainsi qu'à une analyse scientifique des pannes de décharge survenues pendant l'exploitation, des modifications des parties défectueuses ont été mises en œuvre avec succès. Cette approche permet d'allonger la durée de vie de l'équipement, d'améliorer la sécurité du réseau électrique et de réduire les coûts de maintenance de l'équipement.