Choix de construction du transformateur élévateur double enroulement

Les situations de surcharges importantes, notamment les cas de défauts résultant de court-circuit externes, impliquent des augmentations significatives du courant et peuvent générer d’énormes forces à l'intérieur du transformateur.

La détermination de ces forces apparaissant à l’intérieur des transformateurs, en cas de court-circuit ou seulement en cas de forts courants, est une étape importante dans la construction du transformateur. La conception et la construction du transformateur dépend de la prévision précise de ces forces pour éviter les défaillances en service et les coûts associés. Pour l'analyse, les forces agissant sur les enroulements sont généralement divisées en deux sous-ensembles.

Tout d'abord, il y a la force radiale qui est une répulsion mutuelle entre les enroulements BT et MT. Cela tend à écraser l'enroulement BT vers l'intérieur et à repousser l’enroulement MT vers l'extérieur [HAR 12].

Figure IV.13: Forces radiales et axiales dans les enroulements

La force axiale, quant à elle, est une force qui peut déstabiliser l’enroulement provoquant la destruction et la fracture ou le déplacement de l’isolant. La force axiale

Solution innovante de renforcement du courant de court-circuit en utilisant un transformateur à deux enroulements primaires

devient dangereuse quand les enroulements ne sont pas disposés symétriquement et sont à des hauteurs différentes.

Quand un transformateur est surchargé ou parcouru par un courant très fort, les ampères-tours primaires et secondaires sont en opposition par rapport à la base. Cet effet dans l'espace entre les deux enroulements est cumulatif et donne lieu à un champ magnétique dans l'espace inter-enroulement [NOR 10].

Le champ magnétique approximatif dans un transformateur à deux enroulements

Les forces électromagnétiques Figure IV.14: Représentation magnétique du transformateur

Puisque les enroulements transportent des courants importants dans des directions opposées, un déplacement de la position d'équilibre conduira à une grande force axiale qui augmentera le déplacement et produira plus d'asymétrie dans les enroulements. Ainsi, les enroulements sont disposés de telle sorte qu'ils ont des forces radiales opposées, mais pas de forces axiales asymétriques. Dans les transformateurs réels, les bobines peuvent avoir un petit déplacement initial de la position d'équilibre, mais dans les limites imposées par les normes.

Si les ampères-tours sont équilibrés dans les enroulements, les forces axiales de compression ont tendance à presser le bobinage en son milieu. S’il existe une asymétrie dans les hauteurs d’enroulement (le transformateur à point milieu, le transformateur avec prises), les ampères-tours augmentent le déséquilibre et ils créent des forces répulsives, tendant à excentrer l'enroulement. Le transformateur proposé pour le renforcement du courant de court-circuit est constitué de deux enroulements primaires et d’un enroulement secondaire.

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Figure IV.15: Connexion des enroulements

En partant de cette architecture, le transformateur peut être construit avec une configuration de transformateur à point milieu ou avec une configuration de transformateur avec trois enroulements comme représentée dans la Figure IV.16. En fonction de la configuration choisie, les dimensions des enroulements et du circuit magnétique vont varier.

Figure IV.16: Vue de face du transformateur

L’enroulement supplémentaire, ici dessiné noté E₂, est couplé en série avec l’enroulement de base (E₁) lorsqu’un court-circuit est détecté. En régime normal, le transformateur fonctionne avec un enroulement primaire (E₁) et un autre au secondaire ( MT ). Afin de choisir une configuration pertinente du transformateur, chaque variante proposée dans la Figure IV.16 est analysée.

Les forces radiales dans un transformateur avec des enroulements concentriques n’ont jamais été considérées importantes par rapport aux forces axiales. Le mouvement radial n’est pas ainsi dommageable pour les structures et l’isolation de l’enroulement. Cependant, les forces axiales sont très importantes dans la construction et la disposition des bobines.

En regardant le premier exemple, le primaire du transformateur à point milieu a une hauteur inférieure à la hauteur du secondaire en régime normal de manière à permettre la mise en série de l’enroulement supplémentaire. La différence de dimension entre la répartition des spires fait apparaitre une asymétrie dans la construction du transformateur et donc génère de forces électromagnétiques importantes. Afin de pouvoir représenter ces forces produites par les bobines, il faut connaitre le nombre de

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spires de l’enroulement et l’intensité du courant. En prenant la somme algébrique des ampères-tours des enroulements primaires et secondaires, on peut tracer un diagramme du flux radial. Cette méthode, nommée en anglais «Residual ampere-turn method» aide à déterminer les forces axiales produites par les ampères-tours radiaux [JPT 07]. Les schémas suivants (Figure IV.17) montrent le cas du transformateur à point milieu en deux situations : régime normal et régime de court-circuit.

a) 1enroulement primaire (bleu) b) 2 enroulements primaire en série (bleu, vert) Figure IV.17: Ampères-tours radiaux pour un transformateur

Le diagramme trace les ampères-tours radiaux en fonction de la longueur des enroulements. La distance entre eux est donnée par le paramètre «a ». Le diagramme est sous forme d’un triangle, ayant une valeur plus importante au bout de l’enroulement primaire. Autant que les enroulements sont proches de la symétrie, les forces (force = f (a, N, I)) sont moins importantes.

Si les mêmes raisonnements sont suivis pour le cas du transformateur avec trois enroulements, cette architecture est symétrique du point de vue de forces axiales. Les spires sont arrangées de façon uniforme, occupant la totalité de la longueur du noyau. La stratégie implémentée pour faire le choix du transformateur est simple, mais elle constitue un point de départ pour une future étude. La méthode des ampères-tours a montré que la configuration d’un transformateur à point milieu est plus contraignante.