Surtension dans les enroulements du transformateur

Le choix du dimensionnement et de la conception de l'isolation du transformateur est impossible sans déterminer les contraintes agissant sur les différentes sections de l'isolation du transformateur pendant le fonctionnement et les essais conçus pour assurer un fonctionnement fiable du transformateur.

Dans ce cas, les tensions agissant sur l'isolation du transformateur lorsque les ondes de choc de foudre frappent son entrée sont souvent décisives. Ces tensions, également appelées tensions d'impulsion, déterminent dans presque tous les cas le choix de l'isolation de l'enroulement longitudinal et dans de nombreux cas l'isolation de l'enroulement principal, l'isolation de l'appareil de commutation, etc.

L'utilisation des technologies informatiques dans la détermination des surtensions permet de passer d'une considération qualitative des processus impulsionnels dans les enroulements aux calculs directs des surtensions et à l'introduction de leurs résultats dans la pratique de conception.

Pour calculer la surtension, les enroulements du transformateur sont représentés par un circuit équivalent reproduisant les liaisons inductives et capacitives entre les éléments de l'enroulement (Figure 1).Tous les circuits équivalents considèrent la capacité entre les tours et entre les enroulements.

Figure 1. Circuit équivalent du transformateur : UOV - onde incidente dans l'enroulement haute tension, UOH - onde incidente dans l'enroulement basse tension, SV et CH - capacités entre les spires des enroulements haute et basse tension respectivement, SVN - capacité entre enroulements à haute et basse tension.

Processus ondulatoires dans les transformateurs

Le transformateur sera considéré comme un élément inductif, compte tenu de la capacité entre spires, des capacités entre l'écran et l'inductance, et entre l'inductance et la masse (figure 2a).

Les formules suivantes sont utilisées pour calculer la surtension :

où : t est le temps après l'arrivée de l'onde au transformateur, T est la constante de temps de surtension, ZEKV est la résistance équivalente du circuit, Z2 est la résistance de ligne, Uo est la surtension au temps initial

Figure 2. Propagation d'une onde de tension le long de l'enroulement d'un transformateur à neutre mis à la terre : a) schéma de principe, b) dépendance de l'onde de tension à la longueur de l'enroulement pour un transformateur monophasé à borne mise à la terre : Uo — onde de tension de chute, ∆Ce — capacité entre la bobine et l'écran, ∆Ck — capacité inhérente entre les spires, ∆С3 — capacité entre la bobine et la terre, ∆Lк — inductance des couches de la bobine.

Puisqu'il y a à la fois une inductance et une capacité dans le circuit équivalent, un circuit LC oscillant se produit (les fluctuations de tension sont illustrées à la figure 2b).

L'amplitude des oscillations est de 1,3 à 1,4 de l'amplitude de l'onde incidente, c'est-à-direUпep = (1,3-1,4) Uo, et la plus grande valeur de surtension se produira à la fin du premier tiers de l'enroulement, par conséquent, dans la construction du transformateur, 1/3 de l'enroulement a une isolation renforcée par rapport au reste .

Pour éviter les surtensions, le courant de charge des condensateurs par rapport à la masse doit être compensé. A cet effet, un écran supplémentaire (blindage) est installé dans le circuit. Lors de l'utilisation de l'écran, les capacités des enroulements à l'écran seront égales à la capacité des spires à la terre, c'est-à-dire ∆CE = ∆C3.

Le blindage est réalisé dans les transformateurs de classe de tension UH = 110 kV et plus. Le blindage est généralement installé près du boîtier du transformateur.

Transformateurs monophasés avec neutre isolé

La présence d'un neutre isolé signifie qu'il existe une capacité Co entre la terre et l'enroulement, c'est-à-dire que la capacité est ajoutée au circuit équivalent du transformateur de borne de terre, mais l'écran est supprimé (figure 3a).

Figure 3. Propagation d'une onde de tension le long de l'enroulement d'un transformateur à neutre isolé : a) schéma de principe d'un transformateur équivalent, b) dépendance de la tension de l'onde incidente sur la longueur de l'enroulement.

Un circuit oscillant est également formé avec ce circuit équivalent. Cependant, en raison de la capacité Co, il existe un circuit LC oscillant avec une connexion en série d'inductance et de capacité. Dans ce cas, avec une capacité Co importante, la tension la plus élevée apparaîtra en fin d'enroulement (la surtension peut atteindre des valeurs jusqu'à 2Uo). La nature du changement de tension aux bornes de la bobine est illustrée à la figure 3b.

Pour réduire l'amplitude des oscillations de surtension dans l'enroulement d'un transformateur à neutre isolé, il est nécessaire de réduire la capacité de la sortie C par rapport à la masse ou d'augmenter la capacité propre des bobines. Cette dernière méthode est généralement utilisée. Afin d'augmenter la capacité propre ∆Ck entre les bobines de l'enroulement haute tension, des plaques de condensateur spéciales (anneaux) sont incluses dans le circuit.

Processus ondulatoires dans les transformateurs triphasés

Dans les transformateurs triphasés, la nature du processus de propagation des ondes incidentes le long de l'enroulement et l'amplitude des surtensions sont influencées par :

a) schéma de connexion de la bobine,

b) le nombre de phases auxquelles arrive l'onde de choc.

Un transformateur triphasé avec un enroulement haute tension, connecté en étoile avec un neutre solidement mis à la terre

Laissez l'onde de surtension incidente entrer dans une phase du transformateur (Figure 4).

Les processus de propagation des ondes de surtension le long des enroulements dans ce cas seront similaires aux processus dans un transformateur monophasé avec un neutre mis à la terre (dans chacune des phases, la tension la plus élevée sera dans 1/3 de l'enroulement), tandis que ils ne dépendent pas du nombre de phases atteignant l'onde de surtension. Ces. la valeur de la surtension dans cette partie de la bobine est égale à Upep = (1,3-1,4) Uo

Figure 4. Circuit équivalent d'un transformateur triphasé avec un enroulement haute tension connecté à une étoile avec un réseau neutre mis à la terre. L'onde de surtension se présente en une seule phase.

Transformateur haute tension triphasé en étoile avec neutre isolé

Laissez l'onde de surtension venir en une seule phase.Le circuit équivalent du transformateur, ainsi que la propagation de l'onde incidente dans l'enroulement du transformateur, est illustré à la figure 5.

Figure 5. Circuit équivalent d'un transformateur triphasé avec un enroulement haute tension connecté en étoile (a) et la dépendance U = f (x) pour le cas où l'onde arrive dans une phase (b).

Dans ce cas, deux zones d'oscillation distinctes apparaissent. Dans la phase A, il y aura une plage d'oscillation et les conditions dans lesquelles elles se produisent, et dans les phases B et C, il y aura une autre boucle d'oscillation, la plage d'oscillation sera également différente dans les deux cas. La plus grande surtension sera sur l'enroulement recevant l'onde de surtension incidente. Au point zéro, des surtensions jusqu'à 2/3 Uo sont possibles (en mode normal à cet instant U = 0, donc les surtensions par rapport à la tension de fonctionnement Ufonctionnement sont pour elle les plus dangereuses, puisque U0 >> Ufonctionnement).

Laissez l'onde de surtension traverser deux phases A et B. Le circuit équivalent du transformateur ainsi que la propagation de l'onde incidente dans l'enroulement du transformateur sont illustrés à la figure 6.

Figure 6. Circuit équivalent d'un transformateur triphasé avec un enroulement haute tension connecté en étoile (a) et la dépendance U = f (x) pour le cas où l'onde arrive en deux phases.

Dans les enroulements des phases auxquelles l'onde arrive, la tension sera de (1,3 - 1,4) Uo. La tension neutre est de 4/3 Uo. Pour se protéger contre les surtensions dans ce cas, un parafoudre est connecté au neutre du transformateur.

Soit l'onde de surtension venir en trois phases.Le circuit équivalent du transformateur ainsi que la propagation de l'onde incidente dans l'enroulement du transformateur sont illustrés à la figure 7.

Figure 7.Circuit équivalent d'un transformateur triphasé avec un enroulement haute tension connecté en étoile (a) et la dépendance U = f (x) pour le cas où l'onde arrive en trois phases.

Les processus de propagation d'une onde de chute de surtension dans chacune des phases d'un transformateur triphasé seront similaires aux processus dans un transformateur monophasé avec une sortie isolée. La tension la plus élevée dans ce mode sera au neutre et sera de 2U0. Ce cas de surtension du transformateur est le plus grave.

Transformateur à enroulement delta haute tension triphasé

Laissez l'onde de surtension traverser une phase A d'un transformateur haute tension triphasé connecté en triangle, les deux autres phases (B et C) sont considérées comme mises à la terre (Figure 8).

Figure 8. Circuit équivalent d'un transformateur triphasé avec un enroulement haute tension connecté en triangle (a) et la dépendance U = f (x) pour le cas où l'onde arrive dans une phase.

Les enroulements AC et BC seront exposés à une surtension (1,3 — 1,4) Uo. Ces surtensions ne sont pas dangereuses pour le fonctionnement du transformateur.

Que l'onde de surtension se présente en deux phases (A et B), les graphiques explicatifs sont illustrés à la figure 9. Dans ce mode, la propagation des ondes de surtension dans les enroulements AB et BC sera similaire aux processus dans les enroulements correspondants d'un borne de transformateur mise à la terre triphasée. Ces. dans ces enroulements, la valeur de surtension sera (1,3 — 1,4) Uo et dans l'enroulement AC, elle atteindra la valeur (1,8 — 1,9) Uo.

Figure 9. Dépendance U = f (x) pour le cas où l'onde de surtension traverse deux phases d'un transformateur triphasé avec un enroulement haute tension connecté en triangle.

Laissez les ondes de surtension traverser les trois phases d'un transformateur triphasé avec un enroulement connecté en triangle haute tension.

Les enroulements de toutes les phases dans ce mode seront exposés à une surtension (1,8 - 1,9) Uo. Si une onde de surtension passe simultanément par deux ou trois fils, alors au milieu de l'enroulement, auquel les ondes proviennent des deux côtés, des fluctuations de tension d'une amplitude dangereuse pour le fonctionnement du transformateur peuvent se produire.

Protection contre les surtensions du transformateur

Les surtensions les plus dangereuses de l'isolation principale des enroulements peuvent survenir en cas d'arrivée simultanée d'ondes à travers trois fils vers le transformateur avec une connexion en triangle (au milieu de l'enroulement) ou une étoile avec un neutre isolé (presque neutre) . Dans ce cas, les amplitudes des surtensions résultantes approchent deux fois la tension de la sortie ou quatre fois l'amplitude de l'onde d'entrée. Des surtensions d'isolement dangereuses entre spires peuvent survenir dans tous les cas lorsqu'une onde à front raide arrive sur le transformateur, quel que soit le schéma de connexion des enroulements du transformateur.

Ainsi, pour tous les transformateurs en cas de surtensions et leur répartition le long des enroulements, afin d'estimer leur amplitude, il est nécessaire de prendre en compte les capacités dans les circuits équivalents des transformateurs (et pas seulement l'inductance). La précision des valeurs de surtension obtenues dépend en grande partie de la précision de la mesure de capacité.

Afin d'éviter les surtensions dans la conception des transformateurs, il est prévu :

• un écran supplémentaire qui distribue le courant de charge, donc les surtensions sont réduites.De plus, l'écran réduit l'intensité du champ à certains points de l'enroulement du transformateur,

• renforcer l'isolation des enroulements dans certaines parties de celui-ci (remplacement constructif des enroulements du transformateur),

• installation de parafoudres devant le transformateur et après celui-ci - contre les surtensions externes et internes, ainsi qu'un parafoudre dans le neutre du transformateur.