Les transformateurs de puissance augmentent ou diminuent la tension et l’amplitude du courant dans un système d’alimentation. Cette transformation est due au principe d’induction de Faraday et à la variation des ampères-tours (ou spires d’enroulement). Notez que la puissance transférée reste la même (moins quelques pertes de noyau et de cuivre).
- Conception du transformateur
- Conception du noyau
- Quel est le but du noyau du transformateur?
- Quelle est la différence entre un transformateur de type noyau et un transformateur de type coque?
- Pourquoi le transformateur de type coquille est-il meilleur que le transformateur de type noyau?
- Conception de l’enroulement
- Comment les enroulements du transformateur sont-ils conçus?
- Comment l’entrelacement des enroulements du transformateur aide-t-il?
- Comment l’isolation est-elle appliquée aux enroulements du transformateur?
- Conception de la bague
- Quel est le but d’une bague sur le transformateur?
- Conception de changeur de prise de charge
- Quel est le but d’un changeur de prise en charge?
- Que contient le changeur de prises de charge?
- Conception de réservoir
- Conception du système de refroidissement
- Comment la chaleur est-elle gérée à l’intérieur du réservoir?
- Quel est le but d’un réservoir de conservation?
- Le transformateur peut-il fonctionner au-delà de sa plaque signalétique ?
- Connexion d’enroulement du transformateur
- Avantages du transformateur Wye-ground Wye-ground
- Inconvénients du transformateur Wye-ground Wye-ground
- Avantages du transformateur delta Wye-ground
- Inconvénients du transformateur delta à la masse en triangle
- Delta Tertiaire et Son application
- Comment la mise à la terre du transformateur Affecte la conception du système d’alimentation
- Résumé
Conception du transformateur
Un transformateur de puissance contient 6 composants clés.
- Noyau
- Enroulement
- Bagues
- Changeur de prise de charge
- Réservoir
- Refroidissement
En tant qu’ingénieur de puissance, comprendre la conception des composants signifie que vous pouvez spécifier correctement les transformateurs.
Conception du noyau
Quel est le but du noyau du transformateur?
Le noyau sert d’intermédiaire. Étant donné que les enroulements primaire et secondaire sont isolés électriquement, le noyau soutient le processus d’induction en fournissant un chemin pour que le flux magnétique se déplace de l’enroulement primaire vers le secondaire. Pour soutenir cette mission, il doit effectuer deux choses correctement
– Fournir une bonne perméabilité magnétique.
– Minimiser les fuites de flux.
Ceci est accompli en utilisant des feuilles stratifiées d’acier à grains orientés laminés à froid (CRGO).
Quelle est la différence entre un transformateur de type noyau et un transformateur de type coque?
Les feuilles stratifiées sont formées en un type de noyau ou de coque. Observez leurs différences dans les images ci-dessous.
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Transformateur de type noyau. Remarquez comment les enroulements encapsulent le noyau (feuilles stratifiées). -
Un autre transformateur de type noyau à 5 branches.
Pourquoi le transformateur de type coquille est-il meilleur que le transformateur de type noyau?
Le transformateur de type coquille, bien que coûteux à fabriquer (en raison du matériau supplémentaire) est meilleur que le type de noyau pour les raisons suivantes
1. Fournit des capacités de tenue de courant de court-circuit élevées. Essentiellement, les feuilles de métal laminées autour des enroulements l’accrochent lorsqu’elles fléchissent ou se tordent lors d’un court-circuit.
2. Les branches extérieures fournissent un chemin supplémentaire pour que le flux de fuite s’écoule. Sans cette voie d’évacuation, comme dans le type de noyau, une surchauffe locale se produit.
3. Il peut mieux résister à une surtension grâce aux enroulements de disque entrelacés (expliqués ci-dessous).
Conception de l’enroulement
Comment les enroulements du transformateur sont-ils conçus?
Les enroulements conduisent le courant. En tant que tel, vous pouvez augmenter la tension induite en augmentant les spires autour du noyau et diminuer la tension en diminuant les spires.
Pour les enroulements primaire et secondaire, l’utilisation d’un conducteur transposé en continu (CTC) offre une grande stabilité mécanique (en raison de la façon dont les champs magnétiques s’annulent). Pour les enroulements tertiaires ou stabilisants, le conducteur plat en cuivre est utilisé.
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Conducteur transposé continu CTC -
Conducteur plat en cuivre -
Méthode de tour d’enroulement du transformateur. Enroulements en couches et hélicoïdaux couramment utilisés pour les enroulements tertiaires. Enroulements de disque couramment utilisés dans les enroulements primaires et secondaires.
Comment l’entrelacement des enroulements du transformateur aide-t-il?
Bien que les enroulements puissent être simplement tournés en hélice autour du noyau, l’entrelacement des spires (voir image) crée des mini-condensateurs qui aident à décomposer la surtension entrante et à l’enfouir dans les enroulements. L’insertion d’un fil de blindage (cuivre plat) entre les spires est une autre méthode de canalisation de la surtension.
Comment l’isolation est-elle appliquée aux enroulements du transformateur?
Pour canaliser le courant, chaque pouce de cuivre est isolé en papier (kraft): tour à tour, entre l’enroulement BT et le noyau, entre l’enroulement HT et le noyau, entre l’enroulement HT et le noyau.
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Enroulement secondaire sur feuilles laminées du noyau métallique -
Notez l’isolation entre les spires, entre les bobines et entre la bobine et le cadre (en haut). Notez également le fil de protection.
Conception de la bague
Quel est le but d’une bague sur le transformateur?
Les bagues permettent au courant de passer du conducteur sous tension (haute tension) aux enroulements à l’intérieur du réservoir (sans alimenter le réservoir). Vous devriez être concerné par deux points de contact. Un, en haut, où le conducteur atterrit. L’isolant en porcelaine maintient la garde phase-sol. Deuxièmement, à l’intérieur de la douille, les mini-condensateurs créés par le papier et la feuille maintiennent le jeu (les condensateurs décomposent la tension). Ce type de bague est appelé bague de capacité ou de condensateur. Ceci est typique pour les transformateurs à des tensions HT, EHV, & UHV. À des tensions moyennes et sous des bagues en résine (sèches) sont une alternative.
Conception de changeur de prise de charge
Quel est le but d’un changeur de prise en charge?
Lorsque la charge augmente ou diminue, la tension au poste diminue ou augmente respectivement. Pour maintenir la tension stable, le nombre de spires d’enroulement peut être ajouté ou supprimé (n’oubliez pas que l’ajout de spires secondaires augmente la tension ou vice-versa). C’est la fonction d’un changeur de prise en charge – stabiliser la tension en variant les spires. Les enroulements OLTC restent dans le réservoir principal (autour du noyau) tandis que l’opérateur et ses accessoires sont montés dans un compartiment séparé.
Que contient le changeur de prises de charge?
Il y a des centaines de volts de différence de potentiel entre chaque prise à l’intérieur du transformateur. Ainsi, lorsque vous établissez ou rompez une connexion de robinet, l’arc est géré par les interrupteurs à vide. Lorsque vous pontez deux positions de prise, la différence de potentiel entraîne le courant circulant. L’autotransformateur préventif agit comme un inducteur, limitant la précipitation associée au courant circulant. C’est votre type réactif OLTC. Une autre variante est l’OLTC résistif.
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Interrupteurs à vide (bouteilles blanches) sur le LTC -
Mécanisme de changement de robinet -
L’autotransformateur préventif régule le courant de pointe lors du pontage de deux positions de prise
Conception de réservoir
La conception de réservoir est l’endroit où vous faites preuve de créativité, pour répondre aux exigences de l’emplacement et du projet. Vous pouvez spécifier des bagues de n’importe quel côté, installer des systèmes de refroidissement, réduire le son à l’aide d’un panneau de réservoir unique, choisir des conduits de bus à phase isolée – conduits de bus séparés ou non séparés, etc.
Une autre décision de conception critique consiste à choisir un transformateur triphasé ou triphasé. Les transformateurs élévateurs de générateurs dans les grandes centrales électriques, les transformateurs des sous-stations EHV suivent la voie triphasée.
Trois transformateurs à 1 phase ont chaque banc isolé l’un de l’autre et offrent ainsi une continuité de service en cas de défaillance d’un banc. Un transformateur triphasé unique, qu’il soit de type noyau ou coque, ne fonctionnera même pas avec une seule banque hors service. Ce transformateur triphasé, cependant, est moins cher à fabriquer, a un encombrement réduit et fonctionne relativement avec un rendement plus élevé.
Conception du système de refroidissement
Comment la chaleur est-elle gérée à l’intérieur du réservoir?
Le flux de courant dans l’enroulement en cuivre génère de la chaleur. Le courant de Foucault & excitant dans le noyau génère de la chaleur. L’huile minérale extrait cette chaleur. Normalement, le flux de convection naturel de l’huile élimine la chaleur: l’huile chaude monte vers le haut – > se déplace vers les radiateurs – > l’huile refroidit, se dépose et se déplace vers le réservoir principal – > l’huile se réchauffe à nouveau et monte (le processus se répète).
Pour améliorer le refroidissement, fixez un banc de ventilateurs aux radiateurs ou aux échangeurs de chaleur. Pour améliorer encore, forcez le mouvement de l’huile (à travers le réservoir ou les enroulements) à l’aide de pompes.
Parce que l’huile peut capter l’humidité / l’oxygène / les débris, le système de conservation ou de filtration de l’huile contribue à prolonger la durée de vie d’un transformateur.
Quel est le but d’un réservoir de conservation?
L’huile se dilate et se contracte avec la charge du transformateur. Parce que le réservoir est scellé et sous vide, le volume d’huile est contrôlé par deux méthodes.
Méthode 1: Utiliser un réservoir de conservation. Le réservoir principal est complètement rempli. L’excès d’huile se déverse dans ce réservoir.
Méthode 2: Le réservoir principal n’est pas complètement rempli (mais le noyau et les enroulements sont submergés). Une « couverture » d’azote gazeux remplit le vide au sommet. Lorsque le pétrole se dilate, le gaz est libéré. Au fur et à mesure qu’il se contracte, une bouteille d’azote externe remplit le gaz.
Le transformateur peut-il fonctionner au-delà de sa plaque signalétique ?
La capacité de puissance des transformateurs est limitée par l’estimation thermique. Cela signifie que le transformateur peut fonctionner au-delà de sa valeur nominale MVA tant que la température de son huile supérieure reste dans la hausse de température de 65ºC au-dessus de la température ambiante (voir la norme IEEE C57.12.00-2015). Par exemple, si la température ambiante est de 45ºC, le transformateur peut être poussé à une valeur inférieure à 45ºC + 65ºC = 110ºC.
Une surcharge prolongée du transformateur n’est pas recommandée en raison de la saturation de son cœur (pertes plus élevées), de la perte de durée de vie et de la détérioration de l’isolation de l’enroulement.
Connexion d’enroulement du transformateur
Une fois les bobines en place, les trois enroulements primaires et les trois enroulements secondaires peuvent être liés en delta ou en étoile. Une telle configuration est illustrée ci-dessous.
Bien qu’il puisse sembler que vous êtes en court-circuit en attachant une extrémité de la bobine à la masse neutre (dans une étoile) et en attachant une bobine à une autre (dans un delta), ce n’est pas le cas. Ces connexions fonctionnent à cause de la loi de Lenz.
L’utilisation d’une combinaison unique: delta-étoile, étoile-delta, étoile-étoile ou delta-delta a un impact énorme sur la conception du système d’alimentation. Le choix de la connexion est donc essentiel.
Avantages du transformateur Wye-ground Wye-ground
- Permet des économies d’isolation, ce qui entraîne des économies sur le transformateur.
- Mise en phase simplifiée, c’est–à-dire qu’aucun déphasage ne se produit – simplifie la mise en parallèle du transformateur.
Inconvénients du transformateur Wye-ground Wye-ground
- Les harmoniques (fréquences indésirables) se propagent à travers le transformateur, provoquant potentiellement des interférences radio.
- Le courant de séquence zéro traverse le transformateur.
- Des défauts de ligne à la terre externes déclencheront le transformateur (si une connexion neutre permet le retour du courant de défaut, alors dans une zone de protection différentielle, le courant entrant n’est pas le même que le courant sortant).
- Il est possible de charger les phases différemment, ce qui conduit à un système haute tension déséquilibré.
Avantages du transformateur delta Wye-ground
- Étant donné que l’enroulement delta piège le courant de séquence nul, on peut supposer que le relais amont du transformateur delta-wye capte uniquement les défauts de masse du côté haut. Cela permet des paramètres de ramassage très sensibles. En revanche, la combinaison wye-wye permet un courant de séquence nulle, ce qui rend difficile l’évaluation de l’emplacement du défaut. En bref, la protection du relais est améliorée.
Inconvénients du transformateur delta à la masse en triangle
- En raison du déphasage associé à ces transformateurs, une attention particulière doit être portée à la conception. Des pièges d’erreur potentiels se produisent lors de la mise en parallèle et du câblage CT.
- Coût d’isolation élevé conduisant à un transformateur coûteux.
Des détails supplémentaires sur les avantages et les inconvénients des différentes configurations d’enroulement peuvent être trouvés dans l’article de General Electric intitulé The Whys of the Wyes.
Pour capturer les avantages de chaque combinaison, un transformateur de puissance peut être fabriqué avec trois ensembles d’enroulement (au lieu de deux seulement), généralement primaire -wye, secondaire-wye et tertiaire-delta.
Delta Tertiaire et Son application
Dans un transformateur wye-wye-delta à trois enroulements, l’enroulement tertiaire delta permet de connecter un:
- Batterie de condensateurs – pour la correction de la tension ou du facteur de puissance
- Réacteurs – pour empêcher le gonflement de la tension (effet Ferranti) sur les lignes EHV dans des conditions de faible charge.
- Transformateur de service de station – Alimentation en courant alternatif pour les équipements à l’intérieur de la sous-station
- Du point de vue de la protection et du contrôle, il piège le courant à séquence nulle (défaut à la terre). Si vous insérez un CT dans cet enroulement tertiaire, vous pouvez mesurer ce courant. Parce que cet enroulement piège également les 3ème harmoniques, on parle d’enroulement stabilisant.
- Les tertiaires Delta induisent un courant dans une seule direction, quel que soit l’endroit où le défaut se produit – côté haut ou côté bas. Ainsi, un relais directionnel peut être polarisé à l’aide des CT tertiaires delta.
Comment la mise à la terre du transformateur Affecte la conception du système d’alimentation
Sans entrer dans beaucoup de détails, pour des économies et une sécurité, la connexion en étoile est la connexion préférée pour la transmission haute tension. Dans ce scénario, le point commun – le neutre, est mis à la terre ou mis à la terre. Cela entraîne une réduction de la tension phase à neutre ou de la tension phase à terre d’un facteur 1/ sqrt (3). Vous n’obtiendrez pas cette réduction avec une connexion delta (non mise à la terre).
Il est logique d’utiliser un transformateur delta-étoile près de la centrale où le delta est connecté aux bornes du générateur et l’étoile est connectée aux lignes de transmission à haute tension. Avec une connexion en étoile mise à la terre du côté haute tension, l’enroulement du transformateur peut être isolé pour des tensions inférieures (phase à masse). Le système de transmission aura également une exigence d’isolation inférieure. Ceux-ci permettent d’énormes économies de coûts dans la conception et la construction du réseau de transport.
Il y a cependant un inconvénient à mettre à la terre le neutre du transformateur. Lorsqu’une ligne ou les trois lignes du côté étoile court-circuitent la terre, le neutre mis à la terre du transformateur sert de chemin de retour pour le courant de défaut. Ces courants de défaut, lorsqu’ils ne sont pas effacés en quelques fractions de seconde, peuvent endommager gravement le transformateur et tous les équipements qui y sont connectés. Les courants de défaut au sol sont également riches en courants de troisième harmonique. Les troisièmes harmoniques sur la ligne de transmission perturbent tous les canaux de communication (par exemple, le relais porteur-pilote de ligne électrique) à proximité.
Mais tout n’est pas perdu avec la combinaison étoile-delta / delta-étoile (à cause de la mise à la terre neutre). La connexion delta offre une impédance élevée aux troisièmes harmoniques et piège le courant de défaut à la terre, l’empêchant ainsi de se propager d’un côté à l’autre.
Résumé
- Transformateurs Delta-star : Appliqués aux centrales et aux centres de charge.
- Transformateurs étoile-étoile-delta: Appliqués aux postes de transmission (765kV, 500kV, 345kV).
- Mise à la terre le neutre fournit des courants de défaut à la terre plus élevés, mais les économies réalisées grâce à des exigences d’isolation plus faibles rendent la mise à la terre neutre acceptable.
