Surtensions

I.2.3. Vibration du Circuit magnétique ... 16

I.3. Identification des paramètres capables d’influencer le courant d’appel ... 17

I.3.1. Lien physique entre courant d’appel et flux ... 17 I.3.2. Approche analytique de l’équation du flux ... 19

I.3.3. Présentation des paramètres capables d’influencer le courant d’appel ... 22

I.3.3.1. Influence des paramètres sur la forme d’onde du courant d’appel ... 26

I.3.4. Étude de sensibilité du courant d’appel aux paramètres Фr et α ... 29

I.4. Les différentes stratégies utilisées pour minimiser ou éliminer le courant d’appel .. 37

I.4.1. Fermeture contrôlée des pôles du disjoncteur ... 38 I.4.2. Stratégie résistance de pré-insertion ... 41 I.4.3. Stratégie de calcul du flux par intégration de la tension ... 42 I.4.3.1. Estimateur de Flux Rémanent ... 43 I.4.4. Stratégie de démagnétisation ... 46 I.4.4.1. Démagnétiser le circuit magnétique ... 46 I.4.5. Stratégie de Prefluxing ... 48 I.4.5.1. Dispositif de prefluxing ... 51

I.4.6. Stratégie de mesure directe du flux par mesure de l’induction magnétique ... 53

I.4.6.1. Estimateur de Flux Rémanent ... 54

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Chapitre I Courant d’appel (causes, conséquences et minimisation)

Ce chapitre introduit la problématique du courant d’appel, plus précisément son apparition dans le réseau, ses conséquences pour le transformateur, l’identification des paramètres influençant et les différents méthodes pour le minimiser.

Comme nous l’avons évoqué précédemment dans l’Introduction Générale, la

surintensité (courant d’appel) est un courant transitoire qui apparait dans le réseau lors d’un enclenchement brusque sur le réseau d’un transformateur à vide.

Ce courant peut atteindre des valeurs extrêmement élevées qui peuvent provoquer par voie de conséquence des effets indésirables pour le transformateur. La répétition de ces effets va conduire à la diminution de la durée de vie du transformateur. Alors, il apparait très judicieux de connaître et maîtriser les paramètres capables d’influencer le courant d’appel de façon à le minimiser voir même l’éliminer.

Afin de pouvoir comprendre entièrement la problématique du courant d’appel, une étude détaillée a été réalisée et est présentée en trois parties.

La première partie expose quand ce phénomène apparait dans le réseau et présente ses conséquences pour le transformateur.

La deuxième partie expose une étude détaillée d’identification des paramètres capables d’influencer l’amplitude, la durée et l’allure temporelle du courant d’appel. Cette étude a été faite à partir d’une approche analytique, où les équations du flux et du courant d’appel ont été respectivement modélisées à partir de la tension appliquée aux bornes du transformateur (supposée sinusoïdale) et de la courbe d’induction fonction du champ magnétique (B (H)) qui est une caractéristique du noyau. Cette approche analytique nous a permis d’identifier dans un premier temps les grandeurs physiques capables d’influencer le courant d’appel.

La troisième et dernière partie présente un état de l’art des méthodes plus connues qui visent à la minimisation des courants d’appels, avec leurs avantages et leurs inconvénients. A la fin de cette troisième partie, une conclusion fait le bilan des méthodes exposées et introduit les sujets qui seront abordés dans les prochains chapitres est présentée.

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I.1.L’apparition du courant d’appel dans le réseau

Nous avons vu dans l’Introduction Générale que l’enclenchement brusque d’un

transformateur à vide sur le réseau est réalisé pendant une opération de renvoi de tension brusque. Nous avons aussi vu que, usuellement, ce type de mise sous tension est fait pour d’autres raisons distinctes :

 la réalimentation des auxiliaires d’une unité de production ou d’un

transformateur du transport suite à un incident généralisé réseau

 la mise sous tension d’un transformateur de ferme éolienne

 la mise sous tensions des transformateurs du réseau

 la mise sous tension brusque d’un transformateur de centrale hydraulique de

type STEP.

En résumé, l’enclenchement brusque d’un transformateur à vide sur le réseau consiste à mettre le transformateur sous tension par la fermeture brusque de son disjoncteur quand le réseau est alimenté a un tension proche de sa tension nominale (Un). Un exemple d’enclenchement brusque d’un transformateur à vide sur le réseau peut être vu ci-dessous, (Figure I-1).

réseau

Transformateur

Disjoncteur

Un

Figure I-1Exemple d’un enclenchement brusque d’un transformateur à vide sur le réseau.

Lors de ce type d’enclenchement, pour la majorité des cas, des surintensités (courants d’appel) apparaissent [BLU-44], [HOL-68]. La durée et l’intensité de ce courant dépendent de certains paramètres qui peuvent être divisés en trois groupes :

Chapitre I: Les conditions initiales au moment de l’enclenchement du

transformateur [CIG-14].

Chapitre II: Le design du transformateur [ANS-85]

Chapitre III:La sous-station électrique à laquelle le transformateur est connecté.

[ANS-87]

Dans cette partie nous nous bornerons à l’étude d’un transformateur monophasé par souci de simplification.

La présentation de ses paramètres et de leur influence sur la forme d’onde du courant d’appel est détaillée dans le paragraphe §I.3. A titre d’illustration un exemple classique d’allure temporelle de ce type de surintensité est présentée ci-dessous, (Figure I-2).

13 i(t)

t(s)

Figure I-2 Exemple classique de surintensité générée par l’enclenchement brusque d’un transformateur à vide sur le réseau. Figure extrait du livre J&P transformer book, Ed. 13, p. 514, [HEA-07].

A partir de l’illustration précédente, (Figure I-2), nous pouvons voir clairement que le courant d’appel est composé de deux régimes très distincts : transitoire (représenté par It) et permanent (représenté par Ip).

Pendant le régime permanent du courant d’appel, après la phase transitoire liée à l’enclenchement, le courant absorbé par le transformateur présente des caractéristiques intéressantes comme une faible intensité et des composantes harmoniques impaires, plus précisément les harmoniques 3 et 5. [GUI-73]. Ce courant peut être aussi nommé courant à vide ou courant magnétisant du transformateur. L’intensité de ce courant est très inférieure au courant nominal du transformateur, le régime permanent du courant d’appel n’est pas sensé causer des problèmes pour le transformateur.

Par contre, pendant le régime transitoire, le courant d’appel présente des pics de courant assez élevés [GUI-73] et un contenu riche en harmoniques impaires, plus précisément les harmoniques 3 et 5 [GUI-73]. A titre de remarque, sous certaines conditions, le courant d’appel peut atteindre une amplitude de dix fois le courant nominal du transformateur. De plus, ce régime peut durer plusieurs secondes voir même plusieurs minutes avant de s’éteindre. Par définition, la durée du régime transitoire du courant d’appel est caractérisé par

une constante d’amortissement, « τ ». Les paramètres influençant la constante

d’amortissement sont présentés dans le paragraphe §I.3. Le régime transitoire du courant d’appel peut causer de nombreux problèmes sévères pour le transformateur.

I.2.Les conséquences du courant d’appel pour le transformateur

Comme évoqué dans le paragraphe §I-1, lors de l’enclenchement brusque d’un transformateur à vide, le courant d’appel qui apparait peut présenter un régime transitoire assez lent, riche en harmoniques et avec des pics de courant très élevés.

Dans ce paragraphe nous allons présenter les conséquences que ce type de surintensité peut engendrer sur le réseau et sur les transformateurs. Les principales conséquences sont listées ci-dessous et expliquées avec plus de détail ensuite :

 Surtensions [POV-78], [SYB-85],

 Efforts électrodynamiques sur les bobinages [STE-02]

 Vibration du circuit magnétique [HEA-07], [KUL-04]

 Bruit important par la vibration du circuit magnétique et des bobinages

 Vieillissement prématuré des composants du réseau (disjoncteur,

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I.2.1. Surtensions

De toutes les conséquences générées par les courants d’appel la surtension est la plus grave, car elle provoque le vieillissement prématuré de l’isolation diélectrique du transformateur. Pour les transformateurs qui se trouvent déjà dans une situation critique, elle peut entrainer l’explosion de l’appareil. Les surtensions générées par les courants d’appels peuvent être de deux types distincts : transitoires et résonantes [SAD-12].

La surtension transitoire est un phénomène très rapide et plutôt haute fréquence (par rapport à la surtension temporaire harmonique) qui apparait dans le réseau juste après la manœuvre de fermeture du disjoncteur, elle arrive très souvent pour les cas où la ligne de transmission est très longue [SAD-12].

Par contre, à la surtension harmonique résonante est un phénomène assez lent (par rapport la surtension transitoire) qui apparait dans le réseau quelques millisecondes après la surtension transitoire. Elle est due à la résonance entre la capacité de ligne et l’inductance non linéaire du transformateur (inductance magnétisant), [ROC-82].

Ces deux types de surtensions, sous certaines configurations du réseau, peuvent atteindre des valeurs largement supérieures aux niveaux admissibles par le transformateur et peuvent provoquer la défaillance des systèmes de protection (parafoudre) [ADI-92] et l’endommagement du transformateur, plus précisément la dégradation diélectrique du transformateur [KET-02], [SAN-03].

A titre d’exemple, une surintensité et la surtension générée par cette surintensité sont montrées ci-dessous (Figure I-3). Ces signaux ont été mesurés lors d’un essai de renvoi de tension brusque. Cet essai a été fait entre les centrales de Tricastin, groupe source, et de Cruas, groupe cible, ces centrales sont respectivement situées dans les communes de Saint-Paul-Trois-Châteaux et de Cruas-Meysse à 50 kilomètres de distance l’une de l’autre. Le transformateur cible qui a été réalimenté est un transformateur triphasé composé de 3 transformateurs monophasés (3x360 MVA), couplage étoile pour le primaire et triangle pour le secondaire (Y-d). C’est le côté primaire qui a subi l’enclenchement. Les caractéristiques nominales des trois transformateurs monophasés enclenchés sont montrées ci-dessous, (Tableau I-1). Snominale (MVA) Vprimaire côté HT (kV_RMS) Vsecondaire côté BT (kV_RMS) Iprimaire (A_RMS) Isecondaire (kA_RMS) 360 239,6 24 289 2,9

Tableau I-1 Caractéristiques nominales du transformateur côté cible

Les surintensités, (Figure I-3.a), mesurées pendant l’essai montrent que les courants d’appel présentent un régime transitoire de 4,7 secondes (rectangle 1) et restent supérieurs à la valeur crête du courant primaire nominal du transformateur pendant 1,58 secondes (rectangle 2) pour la phase 1 et 0,8 secondes (rectangle 3), pour les phases 2 et 3. Comme il a été expliqué dans ce paragraphe, ces surintensités sont responsables de surtensions aux bornes du transformateur.

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Rectangle 1

Rectangle 2 Rectangle 3

Rectangle 3

a) Courant mesuré sur les trois phases (coté HT)

Les surtensions, (Figure I-3.b), mesurées pendant l’essai sont de deux types : transitoire et harmonique.

Rectangle 2 Ligne 1

b) Tension mesuré sur les trois phases (côté HT)

Figure I-3 Surintensités et surtensions mesurées lors d’un essai de renvoi de tension brusque.

Sur les premières millisecondes après l’enclenchement, nous pouvons visualiser les trois surtensions transitoires dues à la manœuvre de fermeture des disjoncteurs, cas pour les

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phases 1, 2 et 3. Ces surtension présentent une haute fréquence [CEI-71] et peuvent être visualisées dans la Figure I-3 b ci-dessus dans la ligne 1.

Quelques millisecondes plus tard, nous pouvons visualiser des surtensions harmoniques (carré 2) dues à la résonance entre les capacités de lignes et l’inductance

magnétisante du transformateur pour les phases 1, 2 et 3.