Courbe V d’un alternateur représentative
CHALEUR ET CONDITIONS DÉFAVORABLES
5.7 PROTECTION DES TRANSFORMATEURS Les transformateurs sont bien sûr un peu plus difficiles à protéger Les transformateurs sont bien sûr un peu plus difficiles à protéger
électriquement que les bus de distribution électrique d’une seule pièce.
• L’intensité du courant d’appel de magnétisation est très forte à la mise sous tension des transformateurs.
• Le rapport de l’entrée à la sortie des transformateurs peut être changé au moyen des changeurs de prise hors tension et sous tension.
• Les courants d’entrée et de sortie sont souvent associés à un agencement différent des phases (parfois une transformation Y–Δ a lieu).
"A" Transformer Protection
"B" Transformer Protection
T1 Zone = Zone T1 ``B`` Transformer Protection = Protection « B » du transformateur
``A`` Transformer Protection = Protection « A » du transformateur
Figure 12
Zone de protection d’un transformateur
5.7.1 Protection des transformateurs contre la surintensité instantanée
La surintensité instantanée vient habituellement d’un défaut provoquant une circulation de courant largement supérieure à la normale. Ces défauts (entre les phases ou entre une phase et la terre) peuvent se produire entre les enroulements ou entre un enroulement et le noyau ou le boîtier. Des dommages catastrophiques peuvent être provoqués par des défauts de courant de forte intensité sans ce type de protection.
Ces types de défauts peuvent être rapidement décelés au moyen d’un circuit de protection différentielle. Des relais électromagnétiques à action rapide peuvent dans ce cas être utilisés pour isoler le
transformateur touché.
5.7.2 Protection différentielle des transformateurs Comme les bus, les transformateurs sont protégés par des relais différentiels. Les défauts entre enroulements (courts-circuits) et à la terre qui se produisent à l’intérieur des transformateurs peuvent être décelés par ces circuits de protection. Si ces défauts ne sont pas décelés et que le transformateur n’est pas rapidement isolé, le dispositif risque d’être gravement endommagé.
N’oublions pas qu’un relais différentiel est fondamentalement un relais de surintensité instantanée associé à la différence d’intensité entre le courant qui entre et celui qui sort de la zone à protéger. La protection différentielle (figure 13) des transformateurs est fondamentalement la même que celle des bus, mais avec les différences que nous allons
Notes:
Notes maintenant examiner de plus près. Ces différences sont directement
liées aux trois caractéristiques suivantes.
• Un transformateur est doté d’un rapport de spires qui fait que le courant n’est pas le même à l’entrée qu’à la sortie. Les
caractéristiques des transformateurs d’intensité ne sont pas exactement établies en fonction de leur rapport de spires, et un certain déséquilibre de courant se produit toujours dans la bobine fonctionnelle du relais différentiel des transformateurs.
• Un transformateur a besoin d’un courant de magnétisation. Une petite quantité de courant circule toujours dans le primaire d’un transformateur, même avec un secondaire en circuit ouvert.
• Un transformateur se caractérise par un courant d’appel.
Lorsqu’un transformateur est mis sous tension, il lui faut un certain temps pour que le champ magnétique alterne de façon symétrique dans le noyau. La valeur et la durée de ce courant d’appel dépend du champ résiduel présent dans le noyau et du moment exact du cycle c. a. où le transformateur est remis sous tension. Avec les gros transformateurs, ce courant d’appel peut être initialement dix et même vingt fois plus fort que le courant de fonctionnement à pleine charge et il peut s’écouler plusieurs minutes avant qu’il ne diminue au point d’être négligeable.
I 1P
Les relais différentiels pour transformateur font usage d’un élément qui n’est pas montré sur le schéma : le deuxième harmonique retardateur.
Lors de la mise sous tension initiale des transformateurs, une saturation magnétique du noyau se produit et la forme d’onde du courant d’appel de forte intensité qui circule à ce moment est
déformée. On dit de cette forme d’onde qu’elle comprend un deuxième harmonique fort. Les relais différentiels pour transformateur font usage de ce fait connu pour accentuer l’effet retardateur lorsqu’ils décèlent ce deuxième harmonique. Lorsqu’un transformateur est mis sous tension, cette fonction supplémentaire empêche de l’isoler par déclenchement à cause d’un courant de magnétisation trop fort, mais elle n’augmente pas la durée de la temporisation.
Comme le relais différentiel n’intervient pas en fonction d’un courant de charge ou de défauts se produisant hors des zones protégées, il peut être réglé pour fonctionner avec un courant de faible valeur et donc entrer rapidement en action en cas de problème. Il est inutile de retarder l’intervention du relais et donc un relais de type à action rapide peut être utilisé.
5.7.3 Relais à gaz pour transformateurs
Les relais à gaz des transformateurs sont des dispositifs de protection installés en haut de l’intérieur des transformateurs remplis d’huile. Ils ont deux fonctions. Ils décèlent les accumulations lentes de gaz et déclenchent une alarme lorsqu’une quantité donnée de gaz a été recuillie. Ils réagissent également aux brusques changements de pression qui accompagnent toute production rapide de gaz (à cause d’un grave défaut intérieur) et interviennent rapidement pour que le transformateur soit déconnecté.
Un début de défaut ou un défaut en développement provoque habituellement une lente formation de gaz (la formation de gaz sera examinée plus loin dans cette rubrique). Des exemples de début de défaut sont donnés ci-après:
Notes:
Notes
• Circulation de courant à travers des structures de soutien ou d’isolation défectueuses.
• Joints défectueux aux bornes des enroulements provoquant de la surchauffe.
• Problèmes mineurs aux changeurs de prise.
• Défauts au noyau.
Les défauts qui provoquent la formation rapide d’une grande quantité de gaz sont des défauts majeurs. Des exemples de défaut de ce genre sont donnés ci-après :
• Courts-circuits entre les spires des enroulements et entre les enroulements.
• Circuits ouverts provoquant la formation d’arcs dévastateurs.
Si un transformateur n’est pas déconnecté lorsqu’il présente un défaut, de graves dommages peuvent se produire à cause d’une forte pression de gaz et d’huile et à cause de l’effet de la panne électrique.
5.7.4 Gaz produits à cause de défauts
Les défauts électriques de l’intérieur des transformateurs provoquent la production de gaz ionisés. Un important volume de gaz est souvent produit dans les phases initiales des défauts causés par la dégradation de l’huile. Les gaz produits montent dans l’huile et atteignent le haut de la cuve du transformateur où ils sont recueillis par le relais à gaz.
Une fois qu’un volume de gaz suffisant s’est accumulé, une alarme est déclenchée par des contacts de l’intérieur du relais à gaz.
Si une alarme est déclenchée par un relais à gaz, il est nécessaire de prélever un échantillon du gaz produit et de l’analyser. Cette analyse et les informations sur la vitesse d’accumulation du gaz permettent de
dans cette chambre en partie remplie d’huile se déplace à mesure que le volume de gaz augmente. Ce flotteur commande un microcontact d’alarme lorsque la quantité de gaz recueilli atteint un volume établi à l’avance. Un indicateur couplé au flotteur donne par ailleurs un moyen de surveiller la vitesse de production du gaz.
Gas Accumulation Chamber = Chambre d’accumulation du gaz Float = Flotteur Belows and Air Chamber = Soufflet et chambre d’air Transformer Oil Connection = Connexion d’huile du transformateur Top of Transformer Tank = Haut du réservoir du transformateur Pressure Chamber = Chambre de pression Microswitch Alarm = Microcontact d’alarme Microswitch = Microcontact Diaphragm = Diaphragme Pressure Equalizing Orifice = Orficie d’égalisation de pression
Figure 14
Relais à gaz pour transformateur représentatif
La deuxième chambre (la chambre de pression) est directement reliée au circuit d’huile du transformateur. Elle est verticalement raccordée à la chambre d’accumulation pour offrir un trajet au gaz qui s’élève. Un soufflet pneumatique placé dans la chambre de pression est utilisé comme détecteur de changement de pression. Toute augmentation brusque de la pression d’huile comprime le soufflet et force l’air qui s’y trouve à déplacer un diaphragme. Le mouvement du diaphragme est transmis à un microcontact qui amorce le déclenchement de l’isolation du transformateur.
Notes:
Notes Certaines hausses de pression instantanées, comme celles des coups de
béliers donnés par les pompes de circulation d’huile, sont normales et les relais doivent être réglés pour ne pas en tenir compte. En pratique, il est nécessaire de s’assurer que le relais est réglé pour n’intervenir qu’à environ 7 KPa (1 psi) de plus que la pression de crête des pompes de circulation d’huile.
Les augmentations de pression dangereuses causées par des défauts majeurs sont dissipées par une soupape de sûreté située en haut de la cuve du transformateur. Cette soupape est consituée d’un diaphragme étanche placé dans un tuyau dont l’extrémité est dirigée vers un
endroit éloigné du transformateur. Si une augmentation trop forte de la pression se produit, le diaphragme cède et les gaz et l’huile chaude s’échappent en faisant courir un risque d’incendie.
5.7.5 Surcharge thermique des transformateurs
Dans les transformateurs de puissance, la chaleur est produite par la circulation du courant dans les enroulements primaires et secondaires et aux connexions intérieures, à causes des pertes I2R. Si les charges sont faibles, la quantité de chaleur produite est faible. Mais à mesure que les chargent augmentent, la quantité de chaleur produite devient importante. À pleine charge, les enroulements fonctionnent à leur température de calcul ou presque. La plaque signalétique d’un transformateur indique la température maximale de fonctionnement permise pour les enroulements et les connexions et indique la méthode de refroidissement employée pour supprimer la chaleur produite en charge. La température maximale de fonctionnement normalement attribuée aux gros transformateurs de puissance est d’environ 105 oC, avec pour hypothèse une température ambiante maximale de 40 oC.
La température est mesurée et indiquée par un dispositif intégrant une sonde et un dispositif d’alarme à enroulements. La figure 15 illustre l’agencement d’un tel dispositif. Le but de ce dispositif est de donner une image thermique du point le plus chaud de l’intérieur du
transformateur. Le bulbe sensible du dispositif est placé dans un boîtier situé près du haut de la cuve du transformateur. Ce boîtier est immergé dans l’huile chaude du transformateur. Une bobine
Une augmentation de température de 8 à 10 % supérieure à la valeur nominale de fonctionnement peut, si elle persiste, diviser la durée utile d’un transformateur par deux.
Sensing Bulb = Bulbe sensible Winding Temp. Indicator and Alarm Unit = Indicateur de température d’enroulements et dispositif d’alarme Shield = Boîtier Heaters = Corps chauffants Current Transformer = Transformateur d’intensité Core = Noyau Bushing = Fourreau Oil Filled Transformer = Transformateur rempli d’huile Windings = Enroulements
Figure 15
Sonde de température d’enroulements de transformateur
5.7.6 Protection des transformateurs contre les défauts à la terre La plupart des transformateurs de puissance sont connectés en étoile-étoile (Y-Y) ou en étoile-étoile-triangle (Y-∆). Si un transformateur est connecté en étoile avec mise à la terre, comme celui de la figure 16, il représente une source de courant tellurique (IN) pour le réseau
électrique. Un courant tellurique peut se produire à n’importe quel endroit du réseau à cause d’un défaut entre phase et terre, d’une forte résistance ou d’une rupture de phase. En temps normal, le défaut ou le problème à l’origine d’un courant tellurique est vite supprimé par les protections propres à l’appareil concerné (bus, moteur, alimentateur, etc.). Si le problème persiste, il provoque une surintensité et un déséquilibre de charge au transformateur alimentant l’élément où le problème s’est déclaré. Cela crée des contraintes supplémentaires et
Notes:
Notes provoque la suchauffe du noyau et des enroulements. La protection
différentielle du transformateur ne détecte pas le courant tellurique venant du neutre et du bus. Nous pouvons voir à la figure 16 que le courant passe par CT3 et sort par CT2, et qu’il circule donc hors de la zone différentielle.
Pour résoudre ce problème, les transformateurs en étoile avec mise à la terre sont dotés d’un transformateur d’intensité extérieur connecté entre le centre de l’étoile et la terre. Tout courant passant par ce transformateur d’intensité passe par le relais de secours de surintensité à action différée, qui ouvre les disjoncteurs d’alimentation des
transformateurs.
Protection des enroulement en étoile contre les défauts à la terre