Surintensité de la foudre au point neutre du transformateur 110 kV : Simulation ATP & Solutions de protection

Il existe une abondante littérature sur l'analyse de la surtension au point neutre des transformateurs dans les conditions d'une impulsion foudroyante. Cependant, en raison de la complexité et de l'aléatoire des ondes de foudre, une description théorique précise reste difficile à atteindre. Dans la pratique de l'ingénierie, les mesures de protection sont généralement déterminées sur la base des codes du système électrique en sélectionnant des dispositifs de protection contre la foudre appropriés, avec une documentation de soutien abondante.

Les lignes de transport ou les postes électriques sont vulnérables aux coups de foudre. Les surtensions foudroyantes peuvent se propager le long des lignes de transport jusqu'aux postes électriques ou frapper directement les équipements du poste, induisant des surtensions au point neutre du transformateur, ce qui constitue une menace pour l'isolation du point neutre. Par conséquent, l'étude des caractéristiques de la surtension au point neutre sous les conditions de foudre et l'évaluation de l'efficacité des dispositifs de limitation de tension ont une signification pratique [1]. Ce document présente une étude de simulation utilisant le programme Alternative Transients Program (ATP), la version la plus largement utilisée du programme Electromagnetic Transients Program (EMTP), basée sur la configuration d'un poste électrique spécifique de 110 kV. En combinant la théorie de la surtension foudroyante avec les caractéristiques d'isolation des points neutres de transformateurs de 110 kV, le document simule les surtensions au point neutre sous diverses conditions d'onde foudroyante. Les résultats de la simulation sont analysés de manière comparative, et des mesures pour atténuer la surtension au point neutre sont proposées.

1. Analyse théorique

1.1 Coup de foudre sur les lignes de transport

Lorsqu'une ligne aérienne de transport est frappée par la foudre, une onde progressive se propage le long du conducteur [1]. À l'intérieur des postes électriques, de nombreuses lignes de connexion courtes (par exemple, les connexions des transformateurs aux barres de collecte ou aux parafoudres) se comportent comme des lignes de transport sous l'impulsion foudroyante de très courte durée. Ces lignes présentent des processus rapides de propagation, de réflexion et de réfraction d'ondes, générant souvent des surtensions transitoires de très haute amplitude qui peuvent endommager l'équipement.

1.2 Analyse des paramètres des enroulements de transformateur connectés en étoile sous l'impulsion foudroyante

Les enroulements de transformateur triphasé sont généralement connectés en étoile, étoile neutre ou triangle. Pendant le fonctionnement, les impulsions foudroyantes peuvent entrer par une, deux ou même trois phases [1]. Ce document se concentre sur les enroulements connectés en étoile, car seules ces configurations ont un point neutre accessible. Lorsqu'un transformateur est connecté en étoile neutre et que le couplage mutuel entre les phases est négligé, qu'une, deux ou trois phases soient frappées, le système peut être analysé comme trois enroulements indépendants avec des bornes mises à la terre.

2. État d'isolation des points neutres des transformateurs de 110 kV

Les points neutres des transformateurs de 110 kV utilisent une isolation graduée, classée en niveaux de 35 kV, 44 kV ou 60 kV. Actuellement, les fabricants produisent principalement des transformateurs avec une isolation de 60 kV au point neutre. Les différents niveaux d'isolation ont des capacités de résistance diélectrique variables, comme indiqué dans le tableau 1. En tenant compte des conditions pratiques, du vieillissement de l'isolation et des marges de sécurité pour la tension de fréquence industrielle, des facteurs de correction sont appliqués. Un facteur de marge de résistance à l'impulsion foudroyante de 0,6 et un facteur de marge de résistance à la fréquence industrielle de 0,85 sont adoptés [1], conduisant aux valeurs de référence de résistance indiquées dans le tableau 1.

Tableau 1 Niveaux de résistance / Valeurs de référence de résistance pour les points neutres

3. Simulation et calcul

Considérons un poste électrique de 110 kV avec deux transformateurs (Y/Δ) en parallèle, deux lignes entrantes de 110 kV et quatre lignes sortantes de 35 kV. Le schéma monophasé est représenté à la figure 1. Pour limiter les courants de défaut à la terre monophasés et réduire les interférences de communication, généralement, seul un transformateur a son point neutre mis à la terre tandis que l'autre reste non mis à la terre. Sous les conditions d'impulsion foudroyante, une surtension très élevée peut être induite au point neutre du transformateur non mis à la terre, menaçant son isolation. Les sections suivantes présentent des analyses de simulation utilisant le programme ATP dans divers scénarios.

Figure 1 Schéma monophasé du poste électrique de 110 kV

3.1 Impulsion foudroyante se propageant des lignes de transport vers le poste électrique

3.1.1 Sélection des paramètres de l'onde foudroyante

La cause principale de la surtension dans les postes électriques est l'impulsion foudroyante se propageant des lignes de transport. L'amplitude maximale de la tension sur la ligne ne doit pas dépasser le niveau de résistance U50% de la chaîne d'isolateurs de la ligne ; sinon, un flashover se produirait sur la ligne avant que l'impulsion n'entre dans le poste électrique. Puisque les premiers 1-2 km de la ligne entrante sont généralement protégés contre les coups de foudre directs, les ondes foudroyantes entrant dans le poste proviennent principalement des coups de foudre au-delà de cette section protégée. Pour les coups de foudre hors du poste, l'intensité du courant foudroyant entrant dans le poste via des lignes ≤220 kV est généralement ≤5 kA, et ≤10 kA pour des lignes de 330-500 kV, avec une pente considérablement réduite [15,17]. Sur la base de ces conditions, l'onde foudroyante est modélisée à l'aide d'une fonction exponentielle double typique :
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
où a et b sont des constantes négatives, et k, a, b sont déterminés par l'amplitude de l'impulsion, le temps de front et le temps de queue. Un courant de crête de 5 kA et une onde exponentielle standard de 20/50 μs sont utilisés ici.