Systèmes de décompression et de détection de défauts des transformateurs

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1. Présentation

Dans les transformateurs immergés dans l'huile-, les changements de pression interne font partie du fonctionnement normal. À mesure que l'huile du transformateur chauffe et refroidit pendant les cycles de chargement, l'espace gazeux scellé à l'intérieur du réservoir se dilate et se contracte, provoquant des fluctuations progressives de pression dans l'enceinte du transformateur. Dans des conditions normales de fonctionnement, ces changements de pression se produisent lentement et sont principalement associés aux variations de température ambiante et à la charge du transformateur.

Cependant, les défauts électriques internes créent un comportement de pression complètement différent. Des événements tels que des pannes d'enroulement ou des arcs internes peuvent rapidement décomposer l'huile isolante en gaz, produisant une onde de pression soudaine à l'intérieur du réservoir. Étant donné que ces augmentations de pression générées par des défauts se produisent en quelques millisecondes, les transformateurs nécessitent non seulement des dispositifs de décompression, mais également des systèmes de détection de défauts dédiés, capables d'identifier un comportement anormal de pression avant qu'une panne catastrophique du réservoir ne se produise.

Pour cette raison, les systèmes modernes de protection des transformateurs sont généralement divisés en deux grandes catégories :

• Systèmes de décompression
• Systèmes de détection de pannes

Cette philosophie de protection en couches se reflète largement dans les normes IEEE C57 et les pratiques de conception des transformateurs CEI 60076.

2. Décompression vs détection de défauts

Bien que les termes « décompression » et « détection de défauts » soient parfois utilisés de manière interchangeable dans l'industrie des transformateurs, ils remplissent des fonctions fondamentalement différentes.

Un dispositif de décompression de transformateur est conçu pour libérer physiquement une pression excessive dans le réservoir afin d'éviter une déformation mécanique ou une rupture du réservoir du transformateur. Ces dispositifs réagissent principalement à l'amplitude de pression et constituent la base des systèmes de protection contre la pression des transformateurs.

Les dispositifs de détection de défauts, quant à eux, surveillent la vitesse ou les caractéristiques du changement de pression associé aux défauts électriques internes. Plutôt que de relâcher la pression, ils génèrent des signaux d'alarme ou de déclenchement pour isoler le transformateur du système électrique.

Cette distinction devient de plus en plus importante à mesure que la taille du transformateur et le niveau d’énergie de défaut augmentent.

Tableau 1 – Différence entre la décompression et la détection de défauts

3. Dispositifs de décompression du transformateur

3.1 Soupape de surpression (PRV)​​​​​​​

Transformateur monté sur poteau monophasé

Transformateur monté sur poteau PRV

PRV

Transformateur triphasé monté sur socle

Transformateur triphasé sur socle PRV

Transformateur monophasé monté sur socle​​​​​​​ PRV

 

 

La soupape de surpression est conçue pour protéger le réservoir du transformateur contre une pression excessive à l’intérieur. Une fois que la pression dans le réservoir atteint la pression de libération, la vanne s'ouvrira automatiquement pour libérer le gaz jusqu'à ce que la pression retombe à la pression de sécurité. De plus, chaque fois que cela est nécessaire, les utilisateurs sont autorisés à actionner manuellement la soupape de surpression dans les applications de transformateur en tirant sur l'anneau de commande pour réduire la pression interne.

Selon la pratique IEEE, la pression de fissuration typique pour une conception de transformateur PRV est d'environ 10 PSIG ± 2 PSIG, tandis que les applications CSA utilisent souvent des réglages de pression plus faibles. Une fois la pression relâchée, la soupape de surpression des systèmes de transformateur se referme automatiquement pour maintenir l’intégrité du réservoir du transformateur.

En raison de sa construction simple et de son fonctionnement fiable, le PRV est largement utilisé dans :

• Transformateurs-montés sur poteau
• Transformateurs montés sur socle-
• Transformateurs de distribution immergés dans l'huile-
• Sous-stations de petites unités

Par rapport aux systèmes PRD de transformateurs plus grands, les PRV sont généralement préférés pour les transformateurs à faible kVA où l'augmentation de pression est relativement modérée et prévisible. Dans de nombreuses applications de transformateurs de distribution, la vanne PRV dans les réservoirs de transformateur reste la forme la plus courante de protection mécanique de base contre la pression.

3.2 Dispositif de décompression (PRD)

Transformateur triphasé sur socle PRD

PRD

Transformateur gsu 133 MVA PRD

PRD

Les dispositifs de surpression (PRD) ont essentiellement le même objectif que les soupapes de surpression (PRV) : ils protègent le réservoir du transformateur d'une pression interne excessive. En pratique, cependant, les PRD sont plus communément associés à des puissances nominales plus élevées. Normalement, vous ne voyez pas de PRD installé sur les transformateurs inférieurs à environ 1 500 kVA, bien qu'il n'y ait techniquement rien de mal à en utiliser un sur des unités plus petites si l'application l'exige.

La plupart des PRD sont montés sur le dessus du réservoir du transformateur, où l'accumulation de gaz interne ou de pression peut être évacuée rapidement en cas de panne.

La terminologie peut prêter à confusion car « dispositif de décompression » est souvent utilisé comme terme général dans l'industrie pour désigner à la fois les PRV et les PRD. Dans la plupart des cas, les PRV sont utilisés sur des transformateurs de distribution plus petits, tandis que les PRD sont plus courants sur des unités plus grandes ou des applications nécessitant une réponse de pression et une indication de défaut plus rapides.

Un dispositif de décompression de transformateur remplit la même fonction fondamentale qu'un PRV - soulageant une pression interne excessive -, mais est généralement conçu avec une capacité de débit plus élevée, un temps de réponse rapide, des performances de refermeture fiables et des fonctions d'alarme ou de surveillance en option. Les conceptions PRD avancées offrent une pression d'ouverture précise, une durée de fonctionnement courte, des performances extérieures fiables à long terme et une étanchéité efficace contre l'humidité, la poussière et la pénétration d'air, aidant à maintenir une pression positive du réservoir et à améliorer la fiabilité opérationnelle du transformateur.

L'un des principaux avantages des PRD-montés sur un capot est la capacité de surveillance. De nombreux ensembles de dispositifs de décompression de transformateur comprennent :

• Sémaphores visuels ou indicateurs de fonctionnement
• Contacts d'alarme à distance
• Sorties de surveillance compatibles SCADA-

Cela rend les PRD particulièrement adaptés aux sous-stations de services publics et aux systèmes électriques industriels où une surveillance à distance est requise.

Les PRD sont couramment appliqués dans :

• Transformateurs de sous-station unitaires
• Transformateurs de moyenne puissance
• Gros transformateurs de puissance
• Transformateurs de sous-stations électriques​​​​​​​

Pour les applications de services publics de plus grande envergure, les ingénieurs choisissent souvent un agencement de transformateur avec dispositif de décompression au lieu d'un PRV plus petit en raison d'une énergie de défaut interne et d'un volume d'huile plus élevés.

3.3 Disque de rupture

Les disques de rupture sont généralement utilisés comme dispositifs de décompression d'urgence ultimes dans les applications de transformateurs à haute énergie-.

Contrairement aux PRV ou aux PRD standards, les disques de rupture sont des dispositifs non-réinitialisables conçus pour éclater instantanément lorsque la pression interne atteint une limite critique. Leur objectif principal est de fournir une ventilation rapide sur toute la zone lors d'événements de défaillance interne catastrophiques.

Les disques de rupture devant être remplacés après opération, ils sont généralement réservés à :

• Gros transformateurs de puissance
• Transformateurs de four
• Transformateurs de traction
• Systèmes industriels à haut niveau de panne-

Dans la pratique technique, les disques de rupture représentent le plus haut niveau de protection contre la pression mécanique.

4. Dispositifs de détection de défauts de transformateur

4.1 Détecteur de défauts internes (IFD)

Transformateur monophasé monté sur poteau IFD

IFD

Les détecteurs de défauts internes (IFD) sont largement utilisés sur les transformateurs montés sur poteau-et sur socle-en tant que dispositif de sécurité sur le terrain simple mais très efficace.

Un IFD détecte une augmentation soudaine de la pression interne causée par des défauts d’arc à l’intérieur de la cuve du transformateur. Lorsqu'il est activé, un indicateur visuel aux couleurs vives apparaît, permettant aux équipes des services publics d'identifier immédiatement que le transformateur a rencontré un défaut interne et ne doit pas être remis sous tension.

L’un des principaux avantages des systèmes IFD modernes réside dans le fait que de nombreuses conceptions intègrent un PRV conforme aux normes IEEE ou CSA dans les assemblages de transformateurs dans le même dispositif, combinant :

• Soulagement de la pression
• Indication de défaut

en une seule structure compacte.

Les IFD sont couramment utilisés dans :

• Transformateurs monophasés-montés sur poteau-
• Transformateurs triphasés-montés sur poteau-
• Transformateurs montés sur socle-
• Petits transformateurs de sous-station

Par rapport aux systèmes SPR, les IFD sont plus simples, plus économiques et particulièrement adaptés aux applications-au niveau de la distribution.

4.2 Relais de pression soudaine (SPR / RPR)

Relais de pression soudaine (SPR), également appelés relais de pression rapide (RPR) ou systèmes de relais à montée de pression rapide, sont des dispositifs de détection de défauts à grande vitesse-principalement utilisés dans les transformateurs de puissance de plus grande taille.

Contrairement aux IFD, qui fournissent principalement une indication visuelle des défauts, les systèmes de relais de pression soudaine sont intégrés dans les circuits de protection des transformateurs et assurent à la fois des fonctions d'alarme et de déclenchement.

Les dispositifs SPR surveillent le taux d'augmentation de la pression à l'intérieur de la cuve du transformateur et réagissent extrêmement rapidement aux événements d'arc interne qui peuvent ne pas déclencher immédiatement les relais de protection électrique conventionnels.

Ces systèmes sont couramment utilisés dans :

• Transformateurs de moyenne puissance
• Gros transformateurs de puissance
• Transformateurs redresseurs
• Transformateurs de four
• Transformateurs de traction

Par rapport aux IFD, les systèmes de protection par relais à montée de pression rapide offrent une intégration électrique plus rapide et sont plus adaptés aux applications utilitaires et industrielles critiques.

4.3 Relais Buchholz

Relais Buchholz de transformateur de puissance 100MVA 132-22kV

Transformateur de puissance 20(22)MVA 33-11kV, relais Buchholz

Relais Buchholz de transformateur de puissance 20MVA 33-6.65KV

Le relais Buchholz est un dispositif de détection de défauts fonctionnant au gaz- et au -flux d'huile-utilisé dans les transformateurs de type conservateur-.

Contrairement aux systèmes SPR et IFD, qui réagissent principalement aux changements de pression, les relais Buchholz détectent les défauts internes via :

• Accumulation de gaz
• Mouvement de marée pétrolière

Le relais fonctionne généralement en deux étapes :

• Alarme pour défauts naissants
• Déclenchement pour défauts internes graves

Les relais Buchholz sont largement utilisés dans :

• Sous-stations unitaires de type conservateur-
• Transformateurs de moyenne puissance
• Gros transformateurs de puissance

En raison de leur capacité à détecter les défauts d'isolement qui se développent lentement, les relais Buchholz restent l'un des dispositifs de détection de défauts les plus importants dans les grands transformateurs à huile.

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Hiérarchie de protection dans la pratique de l'ingénierie

Dans les applications réelles de transformateurs, ces dispositifs ne sont pas utilisés de la même manière dans toutes les classes de transformateurs. Au lieu de cela, les systèmes de protection deviennent progressivement plus avancés à mesure que la taille du transformateur et l’énergie des défauts augmentent.

Tableau 2 – Application typique du dispositif de protection par classe de transformateur

Cette configuration en couches reflète le principe d'ingénierie selon lequel la protection des transformateurs évolue depuis une décompression mécanique de base vers des systèmes intégrés de protection contre les défauts mécaniques et électriques.

6.Conclusion

La conception moderne de la sécurité des transformateurs repose sur la coordination des systèmes de décompression et de détection des défauts plutôt que sur un seul dispositif.

Les PRV et PRD assurent une décompression mécanique contrôlée dans des conditions de fonctionnement normales et anormales. Les disques de rupture offrent une protection d'urgence ultime en cas de pannes catastrophiques. Les IFD et les systèmes de relais de pression soudaine détectent une augmentation soudaine de la pression causée par des défauts électriques internes, tandis que les relais Buchholz surveillent la génération de gaz et le mouvement de l'huile associés au développement de défauts d'isolation.

Ensemble, ces dispositifs forment une architecture de protection de transformateur multicouche-qui améliore la fiabilité opérationnelle, la sécurité du personnel et la capacité d'isolation des pannes dans les systèmes électriques de distribution, industriels et de services publics.