Phénomènes de surtension des transformateurs et mesures de protection

Avec le développement rapide de technologies telles que l'UHV et la nouvelle connexion au réseau énergétique, les transformateurs-équipements de base pour le transport d'énergie et la conversion de tension-sont essentiels à la fiabilité des réseaux électriques et à la qualité de l'alimentation électrique. Cependant, les transformateurs sont fréquemment confrontés à la menace de surtension pendant le fonctionnement : lorsque la tension de fonctionnement dépasse la tension de fonctionnement maximale autorisée, un phénomène de surtension se produit. Cette anomalie de tension transitoire accélère non seulement le vieillissement de l'isolation du transformateur, mais peut également provoquer directement une rupture d'isolation, entraînant une panne d'équipement ou même des accidents de réseau. Une analyse approfondie des mécanismes de génération de surtensions et la mise en œuvre de mesures de protection ciblées sont essentielles pour garantir le fonctionnement sûr des transformateurs.

 

 

 

 

Les surtensions dans les systèmes électriques sont classées en trois types principaux en fonction de leur durée et de leur cause :surtension temporaire, surtension de commutation, etsurtension atmosphérique (surtension de foudre), chacun avec des scénarios de déclenchement et des caractéristiques de danger distincts.

 

 

 

 

 

 

(1) Surtension de commutation : oscillation transitoire de l'énergie électromagnétique

En prenant comme exemple la-commutation à vide d'un-transformateur abaisseur-le scénario le plus courant dans les réseaux électriques-, la capacité du côté secondaire-a un impact minimal sur le côté primaire lors de la conversion, elle peut donc être négligée. L'enroulement primairecapacité de ligne-à-terre ()etcapacité entre spires ()deviennent des paramètres clés. Depuisdans les transformateurs de puissance, l'effet de la capacité entre spires peut être encore simplifié pour une analyse qualitative.

Lorsqu'un transformateur à vide-est éteint, si le courant à vide-est différent de-zéro, l'énergie du champ magnétique stockée dans l'inductance primaire () et l'énergie du champ électrique stockée dans () oscillent dans le circuit parallèle formé paret. Cette oscillation, avec une fréquence de plusieurs centaines à plusieurs milliers de Hz et ne durant que quelques cycles de fréquence de puissance, convertit entièrement l'énergie du champ magnétique en énergie du champ électrique lorsque le courant atteint zéro, augmentant la tension du condensateur à un maximum et déclenchant une surtension de commutation. Une inductance d'enroulement plus élevée et une capacité ligne-à-plus faible augmentent l'amplitude des surtensions, expliquant pourquoi les surtensions de commutation ne dépassent généralement pas 4,5 fois la tension nominale.

 

(2) Surtension atmosphérique : forte invasion d’ondes de foudre

Les ondes de foudre ont des fronts d'onde abrupts (1 à 4 μs) et des fréquences élevées (au-dessus de 100 kHz), avec une inclinaison du front d'onde allant jusqu'à 500 kV/μs. Cette tension qui change rapidement génère un courant de déplacement important dans les enroulements. Lorsque les ondes de foudre se propagent aux bornes du transformateur, elles agissent comme des signaux à haute -fréquence et haute-tension. Aux hautes fréquences, réactance inductive de l'enroulementaugmente considérablement, tandis que la réactance capacitivediminue fortement, de sorte que le courant circule principalement à travers les capacités entre les spires et entre les spires et la ligne-à-la terre.

Étant donné que l'enroulement basse-tension est proche du noyau, sa grande capacité ligne-à-terre se rapproche d'un court-circuit, ce qui le rend efficacement mis à la terre. La répartition de la tension des ondes de foudre le long de l'enroulement est déterminée par le rapport entreà: les capacités entre spires à proximité de la borne d'arrivée transportent plus de courant en raison du shunt, créant des gradients de tension extrêmes où les premiers tours peuvent subir des tensions des centaines de fois supérieures à la valeur nominale. Cette répartition inégale de la tension est la principale cause de rupture d’isolation entre spires.

 

(3) Surtension temporaire : accumulation d'énergie et oscillation en cas de perturbations d'état constantes-

Les surtensions temporaires résultent de-perturbations du réseau en régime permanent, avec trois scénarios typiques :

• Surtension de fréquence d'alimentation- : Causé par des défauts à la terre monophasés-, un rejet de charge ou une charge de ligne. Dans les systèmes efficacement mis à la terre, les tensions de phase saines atteignent les niveaux de tension de ligne lors de défauts monophasés ; un rejet soudain de charge augmente la vitesse du générateur et le courant d'excitation non ajusté, augmentant les tensions du bus à 1,5 à 1,8 fois la valeur nominale pendant plusieurs secondes.
• Surtension de résonance : se produit lorsque l'inductance et la capacité forment des circuits résonants en raison de défauts ou d'opérations, déclenchant la conversion de l'énergie électrique-magnétique. La résonance ferromagnétique, entraînée par l'inductance non linéaire du transformateur, provoque une dérive de fréquence et des amplitudes de tension jusqu'à 2 à 3 fois la valeur nominale.
• Surtension de mise à la terre de l'arc : Induit par l'extinction/rallumage intermittent d'un arc lors de défauts monophasés-dans des systèmes non mis à la terre, provoquant des oscillations électromagnétiques. L'extinction de l'arc libère de l'énergie capacitive vers l'inductance, tandis que la réactivation amplifie l'accumulation d'énergie, entraînant des surtensions de 2,5 à 3 fois la tension nominale.

 

 

 

 

 

Un système de protection éprouvé a été développé pour faire face aux risques et aux mécanismes de surtension, combinant une protection externe directe contre la foudre, une protection interne des enroulements et des mesures supplémentaires spécialisées pour garantir la sécurité des transformateurs.

 

(2) Protection contre les parafoudres : moyens de protection de base

Les parafoudres de réseau sont principalementparafoudres à oxyde métallique sans interruption (MOA)etparafoudres à valve à espacement-de type, avec un principe de sélection partagé : la tension nominale du parafoudre ne doit pas être inférieure à la surtension temporaire sur le site d'installation, et la tension nominale du parafoudre au point neutre-ne doit pas être inférieure à la tension de phase maximale du transformateur.

• Si la tension nominale est trop basse : les parafoudres à espacement peuvent ne pas réussir à éteindre les arcs lors de défauts monophasés-, provoquant des explosions ; Les MOA se dégradent à cause d’une absorption d’énergie excessive.
• Si la tension nominale est trop élevée : la tension de décharge impulsionnelle et la tension résiduelle augmentent, réduisant ainsi l'efficacité de la protection.

Les parafoudres de type valve à espacement-utilisent des disques de valve non linéaires qui présentent une conductivité élevée sous des courants de foudre importants (maintenant une faible tension résiduelle) et une faible conductivité aux tensions normales (limitation du courant de suivi de fréquence de puissance-). Les MOA sans espace, tirant parti des disques de vanne en oxyde de zinc, suppriment le courant de suivi sans espace, offrant une réponse rapide, une faible tension résiduelle et une capacité de courant élevée-, ce qui en fait le choix courant pour la protection des transformateurs.

Selon GB311.1-1997Coordination de l'isolation des équipements de transport et de distribution à haute tension-, les transformateurs 6kV ont une tension de tenue aux chocs de foudre de 60kV et les transformateurs 10kV de 75kV. Pour les systèmes 6kV, le YH5WS-10/30 MOA a une tension résiduelle inférieure ou égale à 30kV, donnant un facteur de coordination d'isolation. Pour les systèmes 10 kV, le YH5WS-17/50 MOA donne, répondant aux exigences de redondance de sécurité.est généralement supérieur ou égal à 1,4 pour les impulsions de foudre et supérieur ou égal à 1,15 pour les impulsions de commutation, en tenant compte du type d'isolation, de la distribution des surtensions et du vieillissement environnemental.

 

 

 

 

(3) Isolation améliorée : protection supplémentaire

Pour les transformateurs moyens et petits (inférieurs ou égaux à 35 kV), une isolation améliorée est une mesure supplémentaire clé : épaissir l'isolation des enroulements haute tension - et renforcer l'isolation entre spires au niveau des spires entrantes/terminales pour résister aux gradients de tension. Cependant, une isolation plus épaisse nuit à la dissipation thermique et réduit la capacité entre spires, augmentant potentiellement les gradients de tension-ce qui la rend adaptée uniquement aux scénarios à basse-tension-sensibles aux coûts.

 

(4) Capacité inter-tours accrue : distribution de tension optimisée

Capacité inter-tours plus élevéeaméliore l'uniformité de la distribution de tension : un plus grandpar rapport àréduit les gradients de tension et le risque de surtension. Des techniques telles que les enroulements entrelacés et les écrans de condensateurs sont utilisées, en particulier dans les zones sujettes à la foudre telles que les sous-stations de montagne ou les stations de renforcement des parcs éoliens.

 

(5) Protection contre les surtensions du point neutre-

Pour les sous-stations situées dans des zones sujettes à la foudre et dotées de sources d'alimentation uniques, l'intrusion d'ondes de foudre triphasées-est courante, nécessitant une protection ciblée du point neutre-. La première solution estMOA à points-neutres, qui protègent contre la foudre et les surtensions de commutation avec une réponse rapide, une faible tension résiduelle et une capacité de courant élevée. Dans les provinces sujettes à la foudre-comme le Guangdong et le Guangxi, les taux d'installation de MOA en point neutre-dépassent 90 %. Conçus avec des tensions nominales élevées, ils restent fiables lors de décalages mineurs du point neutre-et résistent à une tension de phase de fréquence de puissance 1x- lors de défauts monophasés-.

Pour les déplacements extrêmes de point neutre-(surtension supérieure ou égale à 2x puissance-tension de phase de fréquence), un schéma parallèle "parafoudre + écart de tige horizontal" est utilisé : les parafoudres gèrent les surtensions de foudre/de commutation, tandis que les écarts limitent les surtensions de puissance-fréquence-fréquence sur les parafoudres, créant ainsi un mécanisme de protection mutuelle.

 

(6) Protection spécialisée pour les transformateurs à plusieurs-enroulements

Les transformateurs à trois-enroulements (haute, moyenne, basse tension) sont confrontés à des risques de surtension par induction électrostatique, en particulier lorsque les enroulements basse-tension sont ouverts. Les ondes de foudre du côté haute-tension sont transférées aux enroulements basse-tension via un couplage électrostatique et une induction électromagnétique, et une faible capacité à la terre augmente la tension électrostatique, menaçant l'isolation. Les parafoudres situés aux sorties d'enroulement basse tension - suppriment directement les surtensions intrusives.

De plus, la tension homopolaire-provenant de défauts asymétriques ou de dysfonctionnements du disjoncteur est transférée aux enroulements basse-tension via un couplage capacitif. Pour atténuer cela, des disjoncteurs à haut-synchronisme sont utilisés et 3 condensateurs connectés en Y-sont installés sur des ponts de bus basse-tension pour augmenter la capacité à la terre, absorber l'énergie de surtension et réduire l'amplitude/la pente.

 

(7) Protection coordonnée du système basse-tension

Les longues lignes d'alimentation basse tension-sont vulnérables aux coups de foudre. Lorsqu'ils sont frappés, les courants de foudre induisentsurtension de transformation inversedans les enroulements haute-tension (2 à 3 fois la tension nominale) via induction électromagnétique, menaçant l'isolation. Les MOA côté basse-tension suppriment le flux d'impulsion dans les enroulements basse-tension, bloquant ainsi le transfert de surtension. Les transformateurs dotés de groupes de connexion Y/Zn11 suppriment intrinsèquement les surtensions de transformation inverse, offrant ainsi une protection améliorée lorsqu'ils sont associés à des parafoudres basse tension-.

 

(8) Autres mesures de protection spécialisées

Pour des scénarios de surtension spécifiques, les mesures supplémentaires comprennent :

1. Bobines de suppression d'arc : suppression des surtensions de mise à la terre de l'arc

Dans les systèmes de distribution non mis à la terre ou avec bobine de suppression d'arc-mis à la terre, les bobines de suppression d'arc compensent le courant capacitif lors de défauts monophasés-, minimisant ainsi le courant de défaut et empêchant la réapparition intermittente de l'arc. Les bobines de réglage automatique- suivent les changements de courant capacitif en temps réel-, limitant la surtension de mise à la terre de l'arc à moins ou égale à 2 x la tension nominale.

2. Réacteurs : limitation des commutations et des surtensions de fréquence-de puissance

Réacteurs en série: Limitez le courant d'appel du transformateur et les surtensions de commutation en augmentant l'inductance du circuit pour réduire les taux de changement de courant. Par exemple, les réacteurs en série du côté basse -tension des grands transformateurs limitent le courant d'appel à 2 à 3 fois le courant nominal.

Réacteurs shunt : Absorbe la puissance réactive capacitive dans les longues lignes de transmission à haute tension-, réduisant ainsi les surtensions de fréquence de puissance- dues aux effets de charge de ligne. Dans les lignes 500 kV, les selfs shunt limitent les surtensions à moins ou égales à 1,3 fois la tension nominale, protégeant ainsi indirectement les transformateurs.

3. Optimisation du système de mise à la terre : réduire l'élévation du potentiel du sol

Des grilles de mise à la terre optimisées (par exemple, des électrodes en acier recouvertes de cuivre-, des poteaux de mise à la terre supplémentaires) réduisent la résistance de terre de la sous-station à moins ou égale à 0,5 Ω, minimisant ainsi l'augmentation du potentiel de terre lors des coups de foudre et empêchant les contre-attaques. Dans les zones sujettes à la foudre-, la « mise à la terre indépendante + liaison équipotentielle » réduit encore les différences de potentiel au sol.

4. Varistors et parasurtenseurs (SPD) : protection d'extrémité basse-tension

Les varistances (MOV) ou les SPD sur les prises d'alimentation basse tension-suppriment les surtensions induites par la foudre et les commutations, empêchant ainsi les surtensions de transformation inverse. Ces dispositifs offrent une réponse nanoseconde et une faible tension résiduelle, idéales pour la protection des extrémités des systèmes de distribution basse tension.

 

 

 

 

 

 

Cette liste répond aux besoins de protection contre les surtensions quel que soit le niveau de tension et les scénarios, en suivant la logique fondamentale deprotection directe contre la foudre + limitation de tension du noyau + suppression spécialisée + coordination du système. Il s'aligne sur les caractéristiques de conception des transformateurs SCOTECH, les mesures de protection correspondantes et les solutions personnalisées pour une utilisation directe dans la conception du projet, l'engagement technique du client et la sélection des produits.

 

Scénario d'application	Conditions d'exploitation de base	Mesures de protection de base	Adaptation personnalisée SCOTECH
Sous-stations extérieures/stations de renforcement de parc éolien-Stations de montée en puissance (Supérieur ou égal à 35 kV, zones sujettes à la foudre/montagneuses)	Risque de foudre direct élevé ; surtension combinée foudre/commutation ; risque de changement potentiel-point neutre	1. Protection externe directe contre la foudre 2. MOA sans interruption côté haute tension- 3. MOA point neutre- + protection parallèle entre les tiges 4. Répartition optimisée de la capacité des enroulements	1. PersonnaliséEnroulements entrelacés/écrans de condensateuraux bornes d'arrivée du transformateur pour optimiser la distribution de tension ; 2. MOA de point neutre personnalisé-SCOTECH correspondant à la tension de phase maximale du transformateur ; 3. Interfaces d'installation de parafoudre à distance nulle-pour réduire l'augmentation de tension résiduelle due à la distance électrique ; 4. Recommandations d'optimisation du réseau de mise à la terre, associées à des paratonnerres/fils pour une couverture directe complète de la foudre
Sous-stations de distribution urbaine (10/6kV, zones urbaines, commutations de charge fréquentes)	Opérations de commutation fréquentes ; surtension de commutation répétée ; pas de foudre directe mais risque de foudre induite ; faible risque de résonance	1. Parafoudres haute-valve à espacement latéral-de type/MOA 2. Réactances en série pour la limitation du courant d'appel 3. Parafoudres latéraux basse-tension (SPD) 4. Isolation améliorée des bornes d'arrivée	1. Isolation épaisse entre les tours et la terreaux bornes d'arrivée des enroulements à haute tension-pour résister à la fatigue due aux surtensions de commutation ; 2. Interfaces pré-intégrées pour les réacteurs/SPD basse-tension, prenant en charge les composants de protection basse-personnalisés ; 3. Inductance d'excitation du transformateur optimisée pour réduire la probabilité de résonance en cas de commutations fréquentes
Transformateurs de distribution rurale (10/6 kV, zones éloignées sujettes à la foudre, défauts monophasés fréquents-)	Risque de foudre direct/induit élevé ; surtension importante de mise à la terre de l'arc ; longues lignes rurales, risque élevé de surtension de transformation inverse	1. Parafoudres-montés sur poteau + MOA côté basse-tension 2. Mise à la terre du point neutre- via des bobines de suppression d'arc 3. Protection contre les surtensions SPD côté basse tension 4. Suppression des surtensions par transformation inverse	1. PromouvoirTransformateurs de groupe de connexion Y/Zn11pour supprimer de manière inhérente les surtensions de transformation inverse ; 2. Interfaces MOA basse-standard, directement compatibles avec les SPD basse-tension ; 3. Isolation optimisée du point neutre-pour prendre en charge les bobines de suppression d'arc à réglage automatique ; 4. Supports de montage de parafoudre à distance nulle-pour transformateurs montés sur poteau-
Transformateurs dédiés aux installations industrielles (10/35 kV, multi-enroulements, fluctuation de charge élevée)	Surtension d'induction électrostatique à enroulements multiples ; surtension de commutation due à la commutation de charge ; risque de couplage de tension homopolaire - ; surtension de transformation inverse à basse tension-	1. Parafoudres indépendants pour chaque enroulement 2. Condensateurs shunt latéraux basse tension-pour l'absorption des surtensions 3. Réactances en série pour limitation des appels/surtensions 4. Renfort d'isolation en couches	1. Isolation renforcée indépendantepour chaque enroulement : répartition optimisée des capacités sur les côtés haute-tension, isolation de masse épaissie sur les côtés basse-tension ; 2. Interfaces pré-installées pour condensateurs connectés à 3 Y-sur des ponts de bus basse-tension pour absorber les surtensions homopolaires ; 3. Réacteurs de série personnalisés adaptés au courant d'appel induit par les fluctuations de charge ; 4. Tableaux de correspondance de sélection de parafoudre pour les niveaux de tension à plusieurs-enroulements
Transformateurs de transmission longue-distance (Supérieur ou égal à 110kV, lignes de transport supérieures ou égales à 50km)	Surtension de fréquence d'alimentation- due à la charge de ligne ; surtension de commutation importante due à la commutation de ligne ; propagation abrupte des ondes de foudre	1. MOA à haute-capacité côté haute-tension 2. Réactances shunt côté ligne-pour l'absorption capacitive de puissance réactive 3. Suppression de la pente des ondes de foudre 4. Classe d'isolation améliorée du transformateur	1. Personnalisétransformateurs à haute tenue aux chocs de foudreadapté à l'inclinaison des ondes de foudre sur de longues-distances ; 2. Caractéristiques d'excitation du transformateur optimisées pour réduire la résonance avec les selfs de ligne ; 3. MOA à haute -courant-capacité sur les côtés haute-tension, traitant de la fréquence de puissance-/des surtensions de commutation ; 4. Composants tampons des ondes de foudre aux terminaux entrants pour réduire la raideur des vagues
Sous-stations compactes/stations de transformation préfabriquées (10/6 kV, zones urbaines/parcs, espace-contraint)	Aucune protection indépendante directe contre la foudre ; intégration élevée des équipements, petites distances électriques ; foudre induite + surtension de commutation interne	1. MOA intégrés à l'intérieur de l'armoire 2. Protection supplémentaire de varistance (MOV) 3. Suppression des surtensions de ligne entrante 4. Protection de liaison équipotentielle	1. Positions de montage du parafoudre intégrépour l'intégration d'un parafoudre-transformateur-à distance nulle ; 2. Varistors latéraux basse tension-intégrés pour supprimer les surtensions de commutation internes ; 3. Conception de liaison équipotentielle à l'intérieur des armoires pour réduire le risque potentiel de contre-attaque au sol ; 4. Structure de sortie d'enroulement optimisée pour les espaces compacts, minimisant les irrégularités du gradient de tension

 

Notes complémentaires

• Prise en charge de toutes les solutionsadaptation intégrée des transformateurs SCOTECH et des composants de protection, réduisant ainsi les coûts de sélection secondaire et d'installation du client.
• Pour les conditions extrêmes (par exemple, zones d'orages violents, haute altitude, forte pollution), des options améliorées telles querevêtements d'isolation anti-pollution, parafoudres à courant élevé-et bornes de mise à la terre indépendantessont disponibles.