Quand un transformateur de mise à la terre triphasé est-il nécessaire dans un réseau électrique ?

Un transformateur de mise à la terre triphasé est nécessaire lorsqu'un réseau électrique triphasé ne dispose d'aucun point neutre utilisable, mais requiert tout de même une connexion définie à la terre. Cela se produit généralement avec des enroulements couplés en triangle, des jeux de barres de distribution non mis à la terre, ou des systèmes alimentés par de l'électronique de puissance ou des transformateurs ne fournissant pas de neutre étoile mis à la terre.

La raison pratique ne consiste pas simplement à « ajouter une mise à la terre ». Un transformateur de mise à la terre crée un chemin contrôlé pour le courant de défaut monophasé à la terre. Ce chemin fournit aux relais de protection suffisamment d'informations sur le courant ou la tension pour identifier un défaut, isoler le départ concerné et maintenir le reste du réseau en fonctionnement comme prévu. Sans lui, un défaut à la terre peut être difficile à détecter, produire des surtensions transitoires excessives ou laisser des parties conductrices exposées à un potentiel dangereux.

Première question : le système dispose-t-il déjà d'un neutre mis à la terre ?

Un transformateur de mise à la terre est généralement inutile lorsque le transformateur source possède déjà un secondaire en étoile mis à la terre correctement conçu et que ce neutre est disponible pour le réseau de distribution. Dans cette configuration, le point neutre fournit déjà la référence à la terre, et la mise à la terre peut être mise en œuvre directement ou par l'intermédiaire d'une résistance ou d'une réactance de mise à la terre.

Le besoin devient plus évident lorsque l'alimentation principale est couplée en triangle. Un système en triangle peut fonctionner sans conducteur neutre, ce qui est utile pour de nombreuses charges industrielles, mais il ne possède pas de point neutre intrinsèque à mettre à la terre. Lors d'un défaut monophasé à la terre, le système peut continuer à fonctionner avec les tensions des deux autres phases décalées par rapport à la terre. Cela peut masquer le premier défaut tout en augmentant la contrainte électrique sur l'isolation saine.

Un transformateur de mise à la terre zigzag ou étoile-triangle est installé afin d'établir un neutre artificiel. Le neutre peut ensuite être mis à la terre directement, par résistance ou par réactance, selon les exigences de protection et de continuité du réseau.

Situations dans lesquelles un transformateur de mise à la terre est couramment nécessaire

Tous les systèmes triphasés n'en nécessitent pas un. Il est généralement envisagé lorsque la configuration du réseau et l'objectif de protection créent un besoin réel de référence de neutre.

• Jeux de barres moyenne ou basse tension couplés en triangle : Un secondaire en triangle peut alimenter efficacement des moteurs et équipements triphasés, mais il n'offre pas de point neutre pour la mise à la terre du système. Un transformateur de mise à la terre fournit ce point sans modifier le couplage du transformateur de puissance principal.
• Installations industrielles avec une distribution dominée par les moteurs : Les installations comportant de gros moteurs, des variateurs de vitesse, des équipements de procédé et de longs circuits de départ nécessitent souvent une détection fiable des défauts à la terre. Une configuration de mise à la terre contrôlée aide les systèmes de protection à distinguer un défaut des conditions normales de fonctionnement.
• Systèmes de collecte d'énergie renouvelable : Les installations solaires et éoliennes peuvent inclure plusieurs transformateurs d'onduleurs, départs collecteurs, équipements de commutation et configurations d'exploitation variables. Un transformateur de mise à la terre peut fournir une référence de mise à la terre stable pour un jeu de barres collecteur lorsque la configuration de la source ne le permet pas autrement.
• Micro-réseaux pouvant fonctionner en mode îloté : Lorsqu'il est déconnecté du réseau public, un micro-réseau peut perdre la référence de mise à la terre assurée par le transformateur du réseau amont. Si la production locale ou le transformateur d'onduleur n'établit pas de neutre, un transformateur de mise à la terre peut être nécessaire pour une protection sûre contre les défauts en mode îloté.
• Systèmes utilisant une mise à la terre par résistance : Si l'objectif de conception est de limiter le courant de défaut à la terre plutôt que de permettre un courant de défaut très élevé, le transformateur de mise à la terre est souvent associé à une résistance de mise à la terre du neutre. Le transformateur crée le neutre ; la résistance définit le niveau de courant de défaut.
• Projets de modernisation : Remplacer un transformateur principal simplement pour obtenir un neutre mis à la terre peut être coûteux et perturbateur. L'ajout d'un transformateur de mise à la terre à un jeu de barres en triangle existant constitue souvent une solution plus ciblée.

Le point essentiel est que le transformateur n'est pas sélectionné parce qu'un site dispose d'une « alimentation triphasée ». Il est sélectionné parce que le système nécessite un point de mise à la terre que la source existante ne fournit pas.

Pourquoi un système non mis à la terre ou mal mis à la terre peut poser problème

Dans un système non mis à la terre, un premier défaut phase-terre peut ne générer qu'un courant capacitif relativement faible. Cela peut sembler avantageux puisque l'installation peut continuer à fonctionner. Toutefois, poursuivre l'exploitation avec un défaut non détecté a des conséquences. Les phases non défectueuses peuvent atteindre une tension proche de la tension entre phases par rapport à la terre, imposant une contrainte accrue aux câbles, enroulements de moteurs, parafoudres et équipements raccordés.

Les défauts à la terre intermittents avec amorçage sont particulièrement problématiques. Les manœuvres et les réamorçages peuvent créer des surtensions transitoires difficiles à prévoir à partir de mesures de charge courantes. Un système volontairement mis à la terre fournit au défaut un chemin défini et rend le comportement de la protection plus reproductible.

La mise à la terre améliore également le diagnostic. Si un départ développe un défaut d'isolation, le personnel d'exploitation doit savoir quel circuit est affecté. Un transformateur de mise à la terre, une résistance de mise à la terre, un schéma de relais et une configuration de transformateurs de courant correctement coordonnés peuvent permettre un déclenchement sélectif. L'objectif n'est pas toujours de déclencher l'ensemble du jeu de barres ; il est d'isoler la section défectueuse avec le moins d'interruptions inutiles possible.

Mise à la terre directe, par résistance et par réactance : pourquoi la différence est importante

Un transformateur de mise à la terre ne détermine pas à lui seul la méthode de mise à la terre. Son neutre peut prendre en charge différentes configurations de mise à la terre, chacune produisant un comportement de défaut différent.

La mise à la terre par résistance est fréquemment mal comprise. Elle n'élimine pas le besoin de protection ; elle rend le courant de défaut maîtrisable. Le schéma de relais doit toujours détecter l'événement et déclencher l'alarme ou la commande de déclenchement requise. Une résistance sélectionnée sans prendre en compte le courant capacitif du système, le temps d'élimination du défaut et la sensibilité des relais peut laisser l'installation avec de faibles performances de protection.

Transformateur de mise à la terre ou transformateur de puissance avec neutre étoile

Un transformateur de puissance conventionnel transfère l'énergie entre des niveaux de tension. Un transformateur de mise à la terre est principalement installé pour créer un point neutre et fournir un chemin de courant homopolaire. Il peut transporter peu ou pas de courant de charge en fonctionnement normal, mais il doit résister aux contraintes thermiques et mécaniques imposées par un défaut à la terre pendant la durée d'élimination spécifiée.

Cette différence est importante lors de la spécification. Sélectionner une unité uniquement selon la tension du système est insuffisant. Le concepteur doit également déterminer la tension neutre requise, la méthode de mise à la terre, le courant de défaut à la terre présumé, la durée du défaut, le niveau d'isolement, les conditions environnementales et l'interface de protection. Dans un système mis à la terre par résistance, le transformateur de mise à la terre et la résistance de neutre doivent être considérés comme un ensemble coordonné plutôt que comme des composants indépendants.

Les projets de stockage d'énergie et d'énergies renouvelables nécessitent une étude de mise à la terre distincte

Les questions de mise à la terre deviennent plus importantes lorsqu'un système inclut une production basée sur des onduleurs ou un stockage d'énergie par batteries. Les transformateurs d'onduleurs peuvent être couplés en triangle d'un côté, et la référence de mise à la terre peut varier selon que le site est raccordé au réseau, en mode îloté, en charge, en décharge ou transféré entre des sources.

Par exemple, un micro-réseau industriel ou à l'échelle d'un réseau public utilisant un système de batteries conteneurisé doit évaluer le jeu de barres collecteur CA, le groupe vectoriel du transformateur, la disponibilité du neutre et le comportement de protection dans chaque mode de fonctionnement. Des équipements tels que leSystème de stockage d'énergie conteneurisé à refroidissement liquide de 1MW/2MWh peuvent faire partie d'une configuration plus large d'énergie renouvelable ou de micro-réseau, mais le conteneur de stockage lui-même ne résout pas automatiquement la conception de la mise à la terre CA. La décision relative au transformateur de mise à la terre relève du schéma unifilaire électrique complet, y compris le PCS, le transformateur élévateur, l'appareillage de commutation, les départs et la configuration de raccordement au réseau.

Une erreur courante consiste à supposer que la source du réseau public fournira toujours la référence de mise à la terre. Cette hypothèse échoue lorsqu'un commutateur de transfert ouvre la connexion au réseau public et que la source locale devient responsable du maintien de la détection des défauts. Le fonctionnement en mode îloté doit donc être examiné indépendamment du fonctionnement normal raccordé au réseau.

Éléments à confirmer avant de spécifier une unité

Le document de départ le plus utile est le schéma unifilaire. Il doit indiquer tous les couplages d'enroulements des transformateurs, les points neutres, les conducteurs de mise à la terre, les positions des interrupteurs, les générateurs, les interfaces d'onduleurs et les dispositifs de protection des départs. À partir de là, la décision de mise à la terre devient une évaluation technique plutôt qu'un choix sur catalogue.

• Le jeu de barres est-il alimenté en triangle, en étoile non mise à la terre, en étoile mise à la terre ou par plusieurs sources ?
• Un point neutre est-il déjà disponible et adapté à la mise à la terre ?
• Que se passe-t-il lors d'un défaut phase-terre dans chaque configuration d'exploitation ?
• Le défaut doit-il être éliminé immédiatement, signalé par une alarme pour un arrêt contrôlé ou isolé de manière sélective ?
• Quel courant de défaut à la terre l'appareillage de commutation, les câbles, le transformateur, la résistance et les dispositifs de protection peuvent-ils supporter ?
• Le système fonctionnera-t-il un jour en mode îloté ou avec des sources en parallèle ?
• Les relais de protection peuvent-ils détecter de manière fiable le courant de défaut prévu ?

Ces questions doivent être traitées ensemble. Un transformateur de mise à la terre électriquement correct mais mal coordonné avec les relais, le régime de la résistance ou les caractéristiques de l'appareillage de commutation ne fournira pas le résultat de protection prévu.

Cas dans lesquels ce n'est peut-être pas la bonne solution

Un transformateur de mise à la terre triphasé n'est pas un accessoire de sécurité universel. Il peut être inutile lorsqu'une source en étoile mise à la terre fournit déjà un neutre correctement dimensionné et protégé. Il peut également être une mauvaise solution si le problème sous-jacent est une isolation endommagée, une liaison équipotentielle insuffisante, un relais de protection appliqué de manière incorrecte ou une mauvaise séparation entre les conducteurs de mise à la terre des équipements et les conducteurs neutres.

Il ne doit pas être utilisé pour créer un neutre destiné à des charges monophasées ordinaires, sauf si le réseau de distribution, le dimensionnement des conducteurs, l'équilibrage des charges et le schéma de protection sont conçus à cette fin. Un transformateur de mise à la terre établit une référence de mise à la terre du système ; il n'est pas automatiquement un transformateur de service destiné à alimenter des charges phase-neutre.

FAQ

Un système couplé en triangle peut-il fonctionner sans transformateur de mise à la terre ?

Oui. Certains systèmes sont intentionnellement non mis à la terre. La décision dépend du risque de défaut acceptable, de la coordination de l'isolement, de la philosophie d'exploitation et de la capacité à localiser un premier défaut à la terre. Lorsqu'une protection prévisible et une référence de terre stable sont requises, un transformateur de mise à la terre constitue souvent la solution privilégiée.

Un transformateur zigzag est-il identique à un transformateur de mise à la terre ?

Un couplage zigzag est une conception courante de transformateur de mise à la terre, car il crée un point neutre tout en présentant une impédance élevée au courant de charge triphasé équilibré. « Transformateur de mise à la terre » décrit la fonction ; « zigzag » décrit une méthode de couplage utilisée pour la fournir.

Un transformateur de mise à la terre protège-t-il à lui seul les équipements ?

Non. Il crée le chemin de courant de défaut nécessaire pour que la protection fonctionne comme prévu. La protection dépend également des résistances ou réactances de mise à la terre lorsqu'elles sont utilisées, des réglages des relais, de la détection de courant, des appareils de commutation et d'une coordination correcte dans l'ensemble du système.

Lorsqu'un système ne dispose pas d'un neutre mis à la terre, la bonne question n'est pas simplement de savoir si la mise à la terre est souhaitable. Il s'agit de déterminer si le site peut détecter, maîtriser et éliminer un défaut phase-terre dans toutes les conditions de fonctionnement prévues. Lorsque la réponse est non, une configuration de transformateur de mise à la terre correctement conçue est souvent nécessaire.