Guide des transformateurs Zig-Zag

 

Ce guide fournit un aperçu complet des configurations d'enroulements de transformateurs en zigzag-à usage spécial-largement utilisées pour la mise à la terre, l'atténuation des harmoniques, l'amélioration de la qualité de l'énergie et la conversion de puissance CA-CC dans les systèmes électriques modernes. Le guide couvre les principes fondamentaux de fonctionnement, les caractéristiques techniques, les considérations de conception, la comparaison avec des schémas de mise à la terre alternatifs et des scénarios d'application détaillés, notamment la mise à la terre neutre du système, l'annulation des harmoniques et les systèmes de conversion de puissance intégrés. Le guide comprend également des considérations pratiques pour la sélection, le dimensionnement, la protection et la conformité aux normes pertinentes telles que IEEE C57.105 et CEI 60076.

Les systèmes électriques triphasés modernes-fonctionnent souvent avec des secondaires de transformateur connectés en triangle-, qui ne disposent pas d'un point neutre naturel pour la mise à la terre. Plus généralement, les -systèmes triphasés non mis à la terre-qu'ils proviennent de configurations en triangle ou d'autres sources-présentent des défis opérationnels importants, notamment l'absence d'une référence de terre définie, le risque de surtensions transitoires lors de défauts de ligne-à-à la terre et des difficultés de détection et de localisation des défauts. Le transformateur en zig-zag (également connu sous le nom de transformateur en étoile interconnecté-ou de mise à la terre) a été développé pour relever ces défis.

Un transformateur en zigzag est un transformateur à usage spécial-avec une configuration d'enroulement où chaque sortie est la somme vectorielle de deux phases décalées de 120 degrés. Chaque branche de noyau magnétique est divisée en deux sections d'enroulement enroulées dans des directions opposées, et les bobines sont interconnectées entre différentes phases pour créer un effet d'annulation pour les courants équilibrés tout en permettant aux courants homopolaires - de circuler librement à travers la connexion neutre.

Bien que la mise à la terre neutre soit l'application la plus importante, les transformateurs en zig-zag ont évolué pour devenir une plate-forme polyvalente remplissant de multiples fonctions : fournir un chemin à faible-impédance pour les courants de défaut à la terre-, supprimer les harmoniques triples, équilibrer les courants de charge et faire partie intégrante des systèmes de conversion d'énergie CA-CC unifiés.

 

 

 

Bien que l'agencement interne puisse paraître compliqué, le principe de fonctionnement est fondamentalement régi par la loi d'Ampère -l'équilibre magnétique entre les enroulements d'un même noyau stipule que le courant circulant dans un enroulement doit être accompagné du courant correspondant dans l'autre enroulement de ce membre.

2.2 Analyse du flux de courant dans des conditions de défaut

Pour comprendre comment les courants homopolaires-sont activés, envisagez un défaut de ligne-à-à la terre sur une phase d'un système autrement non mis à la terre. L'agencement des enroulements interconnectés crée un chemin de propagation du courant interdépendant. Le courant circulant vers le haut depuis le point neutre à travers l'enroulement inférieur de la phase A passe par l'enroulement supérieur de la phase C jusqu'à la connexion au réseau. Cela induit un courant correspondant dans l'enroulement inférieur de la phase C, qui à son tour se propage vers le réseau via la phase B. La séquence continue d'impliquer les trois phases. L'observation critique est que tous les courants dans les enroulements supérieurs, les enroulements inférieurs et la connexion à la terre sont en phase les uns avec les autres, les identifiant sans ambiguïté comme des courants homopolaires -.

La somme de ces courants homopolaires sur les trois phases est égale au courant de défaut à la terre total.. Dans des conditions de fonctionnement normales et équilibrées, les tensions déphasées-s'annulent et seul un petit courant d'excitation circule. Ce n'est que dans des conditions déséquilibrées-telles que des défauts à la terre ou des charges déséquilibrées-que des courants homopolaires-peuvent circuler à travers le transformateur.

2.3 Caractéristiques d'impédance

En fonctionnement normal, le transformateur en zig-présente une impédance élevée aux courants de séquence positive- et négative-, ce qui le rend essentiellement invisible pour le système électrique dans des conditions d'équilibre. Cependant, pour les courants homopolaires-, le transformateur présente une faible impédance, court-circuitant efficacement-le neutre à la terre pour les courants de défaut.

Les paramètres clés qui régissent l'impédance homopolaire-incluent le nombre de tours d'enroulement, la géométrie du noyau, l'inductance de fuite entre les deux moitiés de chaque membre et les propriétés magnétiques du matériau du noyau. La capacité de la conception du noyau de fer à limiter le flux de flux harmoniques triples - est un autre avantage unique qui distingue les configurations en zig- des autres schémas de mise à la terre.

2.4 Exigences critiques d'installation

Une phase ouverte-condition de circuit-telle qu'un fusible grillé ou une connexion desserrée-perturbe l'interdépendance des courants d'enroulement. Avec une phase déconnectée, la chaîne de propagation du courant nécessaire au flux homopolaire se rompt et le transformateur de terre ne peut plus conduire le courant de défaut à la terre. Par conséquent, les transformateurs de mise à la terre doivent être solidement connectés à la terre et au réseau sans dispositifs de commutation mécaniques intermédiaires qui pourraient interrompre par inadvertance la continuité.

 

 

 

 

Deux principaux types detransformateurs de mise à la terresont utilisés dans les systèmes électriques : le transformateur en zig-zag (interconnecté-étoile) et letransformateur étoile-triangle. Le choix entre eux entraîne des implications importantes en termes de coûts, de dimensionnement et de performances.

3.1 Dimensionnement et puissance nominale

La disposition en zig-zag offre une efficacité considérablement supérieure à celle de la configuration en étoile-triangle mise à la terre. Dans un transformateur en zig-transformateur, chaque enroulement transporte moins que la tension de la ligne-à-la terre-par un facteur de- permettant une puissance totale inférieure :. En revanche, un transformateur étoile-triangle mis à la terre nécessitepour le même courant neutre. Cette différence substantielle rend les transformateurs en zig-zag environ un-tiers plus petits en kVA que les transformateurs étoile-triangle pour des exigences de courant neutre identiques.

Les fabricants signalent que les transformateurs en zig-zag offrent un coût inférieur et un encombrement physique inférieur à celui des transformateurs étoile-triangle pour la même spécification d'impédance homopolaire-, ce qui en fait le choix préféré dans la plupart des applications de mise à la terre.

3.2 Performances harmoniques

Les transformateurs étoile-triangle font circuler les harmoniques triples (3e, 9e, 15e, etc.) dans l'enroulement triangle mais n'éliminent pas les courants neutres générés par des charges déséquilibrées. En revanche, les transformateurs en zig-zag font recirculer les courants de troisième harmonique du neutre vers le côté charge, réduisant ainsi activement les harmoniques du côté secondaire. Il s'agit d'un mécanisme fondamentalement différent des transformateurs delta-étoile, où les harmoniques triples sont simplement piégées dans la boucle delta fermée.

3.3 Durée nominale et service thermique

Les deux types servent de dispositifs à courte durée-, généralement conçus pour des durées de panne de 10-secondes ou 1-minute plutôt que pour un fonctionnement continu. ANSI/IEEE Std. 32-1972 exige une note continue de 3 % pour une unité évaluée à 10-secondes, ce qui signifie que la note de courte durée est environ 33 fois la note continue. Une banque notée 1 minute a une cote de courant continu de 7 %. Cette caractéristique de service intermittent réduit la taille et le coût de fabrication par rapport aux transformateurs à service continu de capacité équivalente, bien qu'une gestion thermique minutieuse reste essentielle.

 

 

 

 

4.1 Impédance de séquence nulle-

L'impédance homopolaire-est sans doute le paramètre le plus critique pour la conception d'un transformateur en zig-zag. Il détermine à la fois l'amplitude du courant de défaut à la terre et la régulation de tension dans des conditions de déséquilibre. L'impédance du transformateur à elle seule peut limiter le courant de défaut aux niveaux souhaités ; Alternativement, une résistance externe ou un réacteur inséré dans le neutre offre une capacité de limitation supplémentaire.

4.2 Inductance de fuite et absence de-pertes de charge

Les deux paramètres de conception les plus importants sont les pertes à vide-de charge (hystérésis et pertes par courants de Foucault) et l'impédance de fuite. Les progrès récents dans les méthodes analytiques et la modélisation par éléments finis ont permis un calcul plus précis de l'inductance de fuite dans les transformateurs en zigzag, ce qui profite à la fois aux chercheurs et aux concepteurs de transformateurs dans l'optimisation de ce type. La réactance de fuite influence le comportement de limitation de courant-du transformateur en cas de défauts et ses performances globales de régulation de tension.

4.3 Évaluations courtes-durée et continues

Les transformateurs de mise à la terre fonctionnent avec des valeurs nominales distinctes de courte durée-et continue. Un circuit avec un déséquilibre de charge minimal peut être desservi par un transformateur conçu principalement pour les défauts de courte durée - plutôt que pour un fonctionnement continu. La note continue pour une unité de 10-secondes est généralement de 3 % de la note de courte durée-, tandis que pour une unité de 1-minute, elle est de 7 %. Des exemples de dimensionnement illustrent ce principe : sur un système de 12,47 kV fournissant un courant de défaut à la terre de 6 000 A-, un transformateur en zigzag nécessiterait une puissance nominale de courte durée de 24,9 MVA. Ce calibre intermittent correspond à un calibre continu d'environ 0,75 MVA, permettant au banc de gérer 180 A de courant neutre en continu.

 

 

 

5.1 Défis en matière de protection

Protéger les réseaux moyenne tension-avec des transformateurs de mise à la terre en zig-est un défi. L'unité différentielle du transformateur peut manquer de sensibilité pour détecter les défauts de terre internes du côté triangle en raison de la limitation inhérente du courant en zigzag -combinée aux effets du rapport du transformateur de puissance et des contributions de courant capacitif des lignes d'alimentation MT. Une unité de défaut de terre restreint peut améliorer la sensibilité, bien que les défauts de terre externes phase-phase-avec saturation du transformateur de courant nécessitent une attention particulière.

Les unités de comparaison directionnelles conventionnelles qui comparent l'angle entre le courant de terre et le courant neutre ne conviennent pas. Au lieu de cela, des détecteurs de défauts externes qui supervisent les unités différentielles du transformateur ont été proposés comme substituts efficaces. Pour la protection directionnelle neutre, les unités conventionnelles comparant les angles de phase de tension neutre et de courant activent de manière incorrecte des conditions de défaut direct sur des départs sains ; les unités directionnelles basées sur l'amplitude d'impédance homopolaire -offrent une solution plus fiable.

5.2 Normes applicables

La conception, les tests et l'application des transformateurs en zig-zag sont régis par plusieurs normes. IEEE C57.105-2019 décrit les connexions et les configurations des transformateurs dans les systèmes électriques triphasés-, y compris toutes les combinaisons de triangle et d'étoile, mis à la terre et non mis à la terre, connectés en T-, en zigzag et autres connexions spéciales, couvrant à la fois les transformateurs à deux-enroulements et les auto-transformateurs. D'autres normes pertinentes incluent IEEE C57.32 pour les dispositifs de mise à la terre neutre, CEI 60076-25 pour les résistances de mise à la terre neutre et IS 2026/IS 5553 pour les tests et la conformité des performances.

Il est important de reconnaître que la norme IEEE C57.105 a été initialement rédigée pour les systèmes de distribution avec des tensions primaires allant jusqu'à 34,5 kV, bien que ses principes s'étendent plus largement.

 

 

 

6.1 Mise à la terre du neutre du système

L'application principale et la plus répandue des transformateurs en zig-est de créer un neutre mis à la terre pour les systèmes triphasés-non mis à la terre-en particulier les secondaires de transformateurs connectés en triangle-et les bus de générateur ou d'onduleur non mis à la terre. Cette application remplit plusieurs fonctions critiques : réduire les contraintes de surtension sur l'isolation lors de défauts de ligne unique-à-à la terre, fournir une référence de terre définie pour le relais de protection et permettre un fonctionnement continu dans des conditions de déséquilibre.

Dans les systèmes photovoltaïques et à ressources énergétiques distribuées, les onduleurs traditionnels manquent souvent d'une connexion neutre solide, ce qui entraîne des déséquilibres de tension et une mise à la terre inefficace. Les transformateurs en zig-zag établissent un chemin stable à faible impédance- vers la terre, stabilisant ainsi le système en cas de panne. Pour les réseaux moyenne tension-avec mise à la terre à haute résistance-, un transformateur de mise à la terre en zigzag combiné à des résistances de mise à la terre neutres offrent une sensibilité de détection des défauts sans nécessiter un déclenchement immédiat-une configuration qui offre une protection robuste pour les processus industriels critiques.

 

La fonction des transformateurs Zig Zag :

Parcs éoliens

• Fournit un point neutre artificiel pour les systèmes de collecte de moyenne tension- (par exemple, 35 kV) afin de permettre la mise à la terre.
• Offre un chemin à faible-impédance pour les défauts de ligne unique-à-à la terre, limitant ainsi les surtensions
• Supprime les harmoniques triples (3e, 9e, etc.) des convertisseurs d'éoliennes
• Plus petit et plus léger que les transformateurs de mise à la terre Δ-Y, idéal pour l'éolien offshore

Systèmes solaires (PV)

• Établit une référence de mise à la terre pour le côté CA de l'onduleur où le neutre n'est pas disponible
• Atténue le déséquilibre triphasé-et les harmoniques générées par l'onduleur-
• Améliore la capacité de -transport à basse tension-(LVRT), empêchant ainsi la déconnexion
• Peut servir d'inducteur de filtre intégré dans les systèmes PV + stockage

Les dispositifs d'interconnexion flexibles dans les réseaux de distribution modernes ont démontré l'attrait de la mise à la terre des transformateurs en zig-zag du côté moyenne- et basse-tension, surpassant les alternatives de mise à la terre à grande réactance et de mise à la terre à point médian dans des comparaisons complètes de performances.

6.2 Atténuation des harmoniques

Les transformateurs zig-zag jouent un rôle important dans l'atténuation des problèmes de courant neutre causés par des charges non-linéaires. Les systèmes de distribution triphasés à quatre fils souffrent de plus en plus d'une surcharge du conducteur neutre en raison de la prolifération des alimentations à découpage, des entraînements à fréquence variable et d'autres charges électroniques non linéaires. Le primaire connecté en triangle d'un transformateur de distribution conventionnel n'élimine les harmoniques triples que dans des conditions de charge parfaitement équilibrées ; les charges déséquilibrées génèrent toujours des courants neutres.

Les transformateurs en zig-zag résolvent ce problème en fournissant un chemin à faible-impédance pour les harmoniques triples tout en maintenant une impédance élevée pour les courants de fréquence fondamentale. L'association stratégique delta-zigzag avec des transformateurs delta-étoile peut annuler les 5e et 7e harmoniques, atteignant ainsi efficacement les performances du système à 12-impulsions. Pour les systèmes plus grands, plusieurs petits transformateurs en zigzag placés à proximité des charges maintiennent les courants neutres localisés, éliminant ainsi le besoin de conducteurs neutres surdimensionnés et améliorant l'équilibre fondamental du courant de charge.

6.3 Conversion d'alimentation CA-CC intégrée

Au-delà des fonctions traditionnelles de qualité de l'énergie, les transformateurs en zig-zag ont trouvé une application dans les systèmes unifiés de conversion d'énergie CA-CC qui combinent des sources d'alimentation réseau (CA) et photovoltaïque (CC). Les inductances de fuite d'enroulement des transformateurs en zig- peuvent être utilisées comme inductances de suralimentation intégrées dans des systèmes AC-DC unifiés, réduisant ainsi le nombre de composants et le volume global du système par rapport aux conceptions conventionnelles avec des inductances séparées. Les approches classiques avec des expressions appropriées de l'inductance de fuite pour les enroulements à géométrie rectangulaire soutiennent la méthodologie de conception.

Les applications avancées incluent des redresseurs à trois -shunt zigzag à double-prise à faible-harmoniques multi-impulsions, où la configuration du transformateur en zigzag prend en charge la correction du facteur de puissance et l'atténuation des harmoniques dans les systèmes électroniques de puissance à hautes-performances.

6.4 Laboratoires et installations de recherche

Les installations de recherche-y compris les accélérateurs de particules et les systèmes expérimentaux de distribution d'énergie-ont mis en œuvre des transformateurs en zig-en tant que solutions rentables-pour réduire les courants neutres provoqués par des charges électroniques non-linéaires. Le coût relativement faible, la simplicité, la facilité d'installation sur les systèmes de distribution existants et la capacité à maintenir les courants neutres localisés rendent les transformateurs en zig-zag attrayants dans les contextes expérimentaux où la qualité de l'énergie a un impact direct sur les mesures et les performances de l'équipement.

 

 

 

 

7.1 Détermination des besoins en courant de défaut-à la terre

La première étape du dimensionnement d'un transformateur en zig-consiste à déterminer le niveau de courant de défaut à la terre- souhaité. Les ingénieurs de conception doivent décider s'ils doivent s'appuyer uniquement sur l'impédance homopolaire interne du transformateur - pour la limitation du courant ou insérer une résistance externe. Pour les systèmes de mise à la terre à haute résistance-, les courants de défaut sont généralement limités à 5 - 10 A pour les systèmes moyenne-tension. Les systèmes à faible -résistance peuvent autoriser des courants de défaut de 200 A ou plus.

7.2 Calcul de la puissance nominale en kVA

Pour un courant neutre donné () et la ligne du système-à-tension de terre (), la valeur nominale en kVA-à court terme d'un transformateur en zig-zag est :

La notation continue doit également être précisée. Pour un appareil de 10 -secondes, la note continue est égale à 3 % de la note de courte durée, tandis qu'un appareil d'une minute nécessite 7 %.

7.3 Considérations relatives à l'application

Contrairement aux transformateurs de puissance conventionnels, les transformateurs de mise à la terre sont des appareils à service intermittent-. Leur capacité à résister à des courants de défaut élevés pendant de courtes durées permet une réduction significative des coûts par rapport à un transformateur à service continu-de puissance équivalente. Cependant, les concepteurs doivent vérifier que la capacité de tenue thermique correspond au temps de dégagement attendu des dispositifs de protection en amont. Les transformateurs de mise à la terre peuvent être spécifiés pour une mise à la terre solide ou pour une utilisation avec une résistance de mise à la terre neutre externe-cette dernière offrant une flexibilité dans le contrôle de l'amplitude du courant de défaut à la terre-.

7.4 Installation et mise en service

Une installation correcte sur le terrain est essentielle pour un fonctionnement fiable. Les activités préalables à la-mise en service doivent inclure des tests de résistance d'isolement, la vérification du rapport d'enroulement et la validation du déphasage-. L'intégrité du chemin neutre doit être soigneusement vérifiée-l'interruption de toute connexion de phase au réseau peut rendre la fonction de mise à la terre inopérante. Les tests de mise en service doivent valider que le transformateur présente une faible impédance homopolaire - tout en maintenant une impédance homopolaire élevée - et négative - dans des conditions de fonctionnement normales.

Pour un fonctionnement à 50 Hz ou 60 Hz, les boîtiers doivent satisfaire aux exigences environnementales pour une installation intérieure ou extérieure, généralement avec des boîtiers ventilés de type 3R pour une utilisation en extérieur.

 

 

 

8.1 Sensibilité à la continuité de phase

Une limitation fondamentale des transformateurs en zig-zag est leur dépendance à l'égard des trois phases connectées. L'absence de connexion monophasée au réseau interrompt la propagation interdépendante du courant d'enroulement, éliminant ainsi la capacité de conduire le courant de défaut à la terre. Cette sensibilité exige des connexions de phase fiables et plaide contre l'insertion de dispositifs de commutation qui pourraient créer par inadvertance des conditions de circuit ouvert-.

Contrairement aux dispositifs de protection autonomes, les transformateurs de terre en zig-doivent rester en service en permanence pendant que la source d'alimentation triphasée-est active. Si le transformateur de mise à la terre est perdu, un seul défaut de ligne-à-à la terre peut provoquer des tensions élevées entre phases-à-neutres sur les phases non défectueuses, et des déséquilibres de charge peuvent entraîner des décalages de neutre et des surtensions.

8.2 Saturation sous injection DC

Dans les systèmes électriques modernes, l'injection de courant continu-qu'elle provienne d'onduleurs connectés au réseau-, de perturbations géomagnétiques ou d'autres sources-peut provoquer une saturation du noyau du transformateur de mise à la terre. La saturation réduit l'efficacité du transformateur à fournir un chemin de terre à faible impédance et peut entraîner une surchauffe. Des précautions particulières de conception ou une surveillance supplémentaire peuvent être nécessaires pour les systèmes avec une teneur importante en courant continu.

8.3 Complexité de la détection des défauts

Les ingénieurs en protection doivent reconnaître que les relais différentiels conventionnels peuvent être inadéquats pour la détection des défauts de terre internes-avec des transformateurs en zig-zag. Des programmes de protection spécialisés-comprenant des unités de défaut de terre restreint, des détecteurs de défauts externes et des -unités directionnelles basées sur l'amplitude- peuvent être nécessaires pour une couverture de protection complète.

 

 

 

Les transformateurs en zig-zag sont des composants essentiels pour les systèmes électriques triphasés modernes. En fournissant un chemin d'impédance à faible-pour les courants homopolaires-tout en présentant une impédance élevée aux composants de séquence positive- et négative-, ils comblent le fossé entre les systèmes triangle/étoile non mis à la terre et les avantages de sécurité et de fonctionnement du fonctionnement neutre mis à la terre.

Les principaux points à retenir sont les suivants :

• Construction : Six demi-enroulements croisés-connectés entre phases sur un noyau à trois-branches
• Principe de fonctionnement : La balance ampère-tour permet le flux de courant homopolaire-tout en annulant les courants équilibrés
• Demande principale : Mise à la terre neutre pour les systèmes triphasés-non mis à la terre (systèmes alimentés en triangle-ou avec générateur)
• Avantages en termes de performances : Plus d'efficacité et plus petite taille que les transformateurs de mise à la terre étoile-triangle
• Applications secondaires : Atténuation des harmoniques (en particulier les harmoniques triples), équilibrage de charge, conversion CA-CC intégrée
• Considérations de conception : Dimensionnement basé sur des évaluations de défauts de courte durée- (10 s ou 1 min), capacité continue de 3 % à 7 %
• Exigences de protection: Programmes spécialisés requis; la protection différentielle conventionnelle peut être insuffisante
• Installation critique: Connexions en phase solide au réseau indispensables ; aucun dispositif de commutation dans le chemin de mise à la terre

Le choix entre un transformateur de mise à la terre en zig-zag et en étoile-triangle dépend en fin de compte des exigences spécifiques du système : besoins de limitation du courant de défaut, budget et espace disponibles, exigences d'atténuation des harmoniques et souhait de disponibilité d'une alimentation auxiliaire. Pour la plupart des applications de mise à la terre, l'efficacité supérieure du transformateur en zig-, son encombrement réduit et ses meilleures performances harmoniques en font le choix préféré pour les nouvelles installations.