Comment spécifier la tenue aux chocs de foudre d’un transformateur 110 kV

Pour spécifier la tenue aux chocs de foudre d’un transformateur de 110 kV, déterminez la tension la plus élevée pour le matériel, choisissez le niveau d’isolement à l’aide de la coordination de l’isolement et définissez les exigences pour chaque borne. Une spécification d’achat qui indique seulement « 110 kV, soumis à un essai de choc de foudre » laisse trop de place à l’interprétation.

Dans un projet fondé sur les normes IEC, un réseau nominal de 110 kV correspond généralement à une tension la plus élevée pour le matériel, U_m, de 123 kV. Une tension assignée de tenue aux chocs de foudre de 550 kV en crête est couramment spécifiée pour cette tension de matériel, mais elle ne doit pas être sélectionnée automatiquement. Les niveaux d’isolement applicables, les exigences du distributeur, le dispositif de protection contre les surtensions et les connexions du transformateur doivent justifier ce choix.

Le document d’approvisionnement doit transformer ce choix en une exigence claire : quelles bornes doivent résister à quelle tension, dans quelles conditions d’essai et avec quelles preuves de la réussite des essais.

Établir la base de tension avant de choisir le niveau de choc

La désignation 110 kV indique la tension nominale du réseau. Elle ne décrit pas la crête d’une surtension de foudre et ne définit pas directement la tenue aux chocs du transformateur.

Distinguez bien trois grandeurs :

• Tension nominale du réseau : tension utilisée pour désigner le réseau.
• Tension la plus élevée pour le matériel, U_m : classe de tension du matériel utilisée pour définir les exigences d’isolement.
• Tension assignée de tenue aux chocs de foudre : tension de choc de crête spécifiée que l’isolement doit supporter dans des conditions d’essai définies.

Cette distinction évite une erreur fréquente dans les spécifications : comparer une tension de réseau exprimée en valeur efficace à une tension de tenue aux chocs exprimée en valeur de crête. Elles décrivent des contraintes électriques différentes.

Consignez la tension maximale de service du réseau et son régime de mise à la terre avec la valeur U_m sélectionnée. Indiquez également si le transformateur est raccordé à une ligne aérienne, à un circuit de câbles ou à un appareillage sous enveloppe métallique à isolation gazeuse. Ces interfaces influent sur la surtension incidente et le dispositif de protection, même si la tension nominale reste inchangée.

Appliquer un référentiel de normes cohérent

Pour une spécification fondée sur les normes IEC, IEC 60076-3 définit le cadre propre aux transformateurs pour les niveaux d’isolement, les essais diélectriques et les distances d’isolement externes dans l’air. La série IEC 60071 traite de la coordination de l’isolement, tandis que IEC 60060-1 couvre les techniques générales d’essais à haute tension.

Un approvisionnement fondé sur les normes IEEE s’appuie généralement sur IEEE C57.12.00 et IEEE C57.12.90 pour les exigences et les essais applicables aux transformateurs à liquide. La documentation IEEE emploie couramment le terme « niveau d’isolement de base aux chocs de foudre », ou BIL.

La tension assignée IEC de tenue aux chocs de foudre et le BIL IEEE répondent à des objectifs similaires, mais des valeurs numériques identiques ne prouvent pas que toutes les exigences d’essai sont équivalentes. Les séquences d’essai, les dispositions relatives aux ondes coupées, les connexions des bornes et les critères d’acceptation doivent respecter le référentiel choisi.

Indiquez dans le contrat les normes applicables et leurs éditions. Si les spécifications du distributeur ajoutent des exigences, précisez leur ordre de priorité. Le fournisseur doit pouvoir déterminer le programme d’essais requis sans avoir à choisir entre des clauses contradictoires.

Coordonner l’isolement du transformateur avec la protection par parafoudres

La tenue aux chocs du transformateur constitue l’un des éléments de sa protection contre les surtensions de foudre. La question pratique est de savoir si, dans les conditions évaluées, la tension atteignant ses bornes reste suffisamment inférieure à sa tenue d’isolement.

Le choix des parafoudres ne se limite donc pas à comparer une valeur de catalogue du parafoudre à la tenue aux chocs du transformateur. La tension de protection du parafoudre dépend du courant de décharge et de la forme d’onde. La tension apparaissant aux bornes du transformateur dépend aussi de la géométrie de l’installation et de la propagation des surtensions.

Examinez ensemble les éléments suivants :

• La tension maximale de service continu du parafoudre et sa capacité à supporter les surtensions temporaires.
• Ses caractéristiques de protection pour les conditions de surtension concernées.
• La distance électrique entre le parafoudre et la borne du transformateur.
• La longueur et le cheminement des connexions de ligne et de terre.
• Les réflexions aux interfaces entre câbles, lignes aériennes et équipements.
• Les connexions de mise à la terre entre le parafoudre et la cuve du transformateur.

Des conducteurs de raccordement longs peuvent ajouter une tension inductive lors d’une surtension à front raide. L’éloignement du parafoudre par rapport au transformateur peut également modifier la tension à la borne. Une marge de protection jugée acceptable sur la seule base des valeurs de catalogue peut donc surestimer la protection réellement obtenue avec l’installation.

Utilisez l’étude de coordination de l’isolement pour définir la marge requise selon la méthode applicable au projet. Un pourcentage universel ne peut pas tenir compte de toutes les configurations, conditions de surtension et caractéristiques d’isolement.

Un schéma de coordination utile montre le circuit d’arrivée, l’emplacement du parafoudre, la traversée du transformateur, les conducteurs de raccordement et les connexions de terre. La représentation de ces distances facilite l’évaluation des hypothèses de protection, davantage qu’une simple liste d’équipements.

L’altitude doit également être prise en compte explicitement. La diminution de la densité de l’air affecte l’isolement externe dans l’air ; les traversées et les distances d’isolement peuvent donc nécessiter un ajustement. Augmenter uniquement la tenue aux chocs des enroulements ne résout pas un problème de distance d’isolement externe.

Spécifier l’isolement borne par borne, et pas seulement pour le transformateur

Une seule valeur de tenue aux chocs sur la fiche technique du transformateur peut masquer des différences importantes entre les bornes de ligne haute tension, la borne neutre, l’enroulement basse tension et tout enroulement tertiaire. Utilisez un tableau des niveaux d’isolement par borne pour lever toute ambiguïté.

L’isolement du neutre mérite une attention particulière. Un enroulement conçu avec un isolement réduit au neutre repose sur des conditions de fonctionnement définies. Un neutre directement mis à la terre et un neutre susceptible d’être isolé ne sont pas nécessairement soumis aux mêmes contraintes de tension. Précisez les régimes de mise à la terre et les conditions de manœuvre autorisés avant d’accepter l’isolement proposé pour le neutre.

Pour l’enroulement basse tension, tenez compte à la fois des surtensions provenant du réseau auquel il est raccordé et des tensions transférées à travers le transformateur. Le niveau assigné de l’enroulement haute tension ne garantit pas automatiquement une protection adaptée pour toutes les autres bornes.

Les caractéristiques assignées des traversées doivent également être adaptées à l’ensemble. Une traversée appropriée ne peut pas compenser un isolement interne insuffisant, et un isolement adéquat des enroulements ne peut pas compenser des distances d’isolement externes insuffisantes.

Définir l’essai de choc au-delà de sa tension de crête

Le choc de foudre pleine onde normalisé est généralement décrit par une forme d’onde de 1,2/50 μs : un temps de front spécifié, suivi d’un temps spécifié jusqu’à la demi-valeur sur la queue de l’onde. Les normes applicables définissent l’évaluation de la forme d’onde et les tolérances admissibles. Ces détails sont importants, car la contrainte imposée à l’isolement dépend autant de la forme du choc que de sa valeur de crête.

Pour un transformateur de 110 kV, indiquez les exigences applicables aux essais pleine onde et précisez si un essai à onde coupée est requis. Un choc coupé entraîne une chute rapide de la tension, susceptible d’imposer des contraintes internes différentes. Les essais pleine onde et à onde coupée ne doivent pas être considérés comme des preuves interchangeables.

Le programme d’essais convenu doit préciser :

• Les bornes soumises aux essais et leurs niveaux de tension assignés.
• La polarité des chocs et la séquence prescrite des applications.
• Les exigences relatives aux essais pleine onde et à onde coupée, le cas échéant.
• Les positions de prise et le traitement des bornes des autres enroulements pendant les essais.
• Les mesures de tension et de courant utilisées pour évaluer la réponse.
• Les critères d’acceptation et la procédure d’analyse des enregistrements anormaux.

La position de prise influe sur la configuration de l’enroulement et la répartition interne de la tension. La spécification doit exiger les configurations applicables prévues par la norme et indiquer toute exigence supplémentaire du projet avant la fabrication. Reporter cette décision jusqu’aux essais en usine peut entraîner un désaccord sur la représentativité de la configuration testée pour le service prévu.

L’acceptation ne se résume pas à constater l’absence d’amorçage externe. L’évaluation des essais doit prendre en compte les réponses enregistrées en tension et en courant ainsi que tout signe de défaillance de l’isolement interne. Les différences entre les traces nécessitent une interprétation technique, car le circuit d’essai et les événements externes peuvent également influer sur les enregistrements.

Distinguer les exigences des transformateurs éoliens

Un projet éolien peut comporter plusieurs classes de tension de transformateurs. Un transformateur élévateur d’éolienne alimentant un réseau collecteur moyenne tension n’est pas soumis aux mêmes exigences d’isolement que le transformateur principal raccordant ce réseau à un réseau de 110 kV.

Par exemple, le transformateur pour la production d’énergie éolienne de Jinshida Electric est proposé avec des puissances de 630–5000 kVA, un côté basse tension de 0,69 kV et des options haute tension de 10, 20 ou 35 kV. Ces caractéristiques correspondent à une application dans l’éolienne ou le réseau collecteur ; elles ne démontrent pas une aptitude à être utilisé comme transformateur de réseau de 110 kV.

Lors de la spécification du transformateur principal de réseau, identifiez la tension réelle du réseau collecteur, les interfaces de câbles, le régime de mise à la terre et les protections de ce côté. Le fait que différents produits se réfèrent à IEC 60076 ne signifie pas qu’ils partagent la même classe d’isolement ou les mêmes exigences d’essai aux chocs.

Rédiger une clause que les fournisseurs peuvent chiffrer et justifier

Une spécification utile associe un tableau des niveaux d’isolement rempli à une obligation d’essai clairement définie. La formulation suivante en donne la structure ; le tableau du projet fournit les valeurs et les affectations aux bornes :

Exemple de clause d’approvisionnement : « Le transformateur doit présenter les tensions les plus élevées pour le matériel et les tensions assignées de tenue aux chocs de foudre indiquées dans le tableau des niveaux d’isolement par borne. La conception diélectrique et les essais doivent être conformes à l’édition de IEC 60076-3 spécifiée dans le contrat. Le fournisseur doit indiquer les niveaux d’isolement de toutes les bornes de ligne et du neutre, les caractéristiques assignées des traversées proposées ainsi que les exigences applicables aux essais pleine onde et à onde coupée. Avant les essais, le fournisseur doit soumettre la procédure d’essai aux chocs, notamment les connexions des bornes, les positions de prise, les exigences relatives à la forme d’onde, les mesures et les critères d’acceptation. Le rapport final doit inclure les paramètres mesurés pendant les essais, les oscillogrammes et l’évaluation des résultats. »

Indiquez explicitement le niveau de choc haute tension retenu. Si le projet adopte U_m = 123 kV et 550 kV en crête pour les bornes de ligne, faites figurer les deux valeurs dans le tableau. Évitez de vous en remettre à des expressions comme « isolement standard » ou « pratique habituelle du fabricant », qui peuvent conduire à des offres reposant sur des hypothèses différentes.

Précisez les exigences relatives à la présence aux essais en usine et à l’examen des documents lors de la commande. Toute proposition d’utilisation de résultats d’essais antérieurs doit indiquer son fondement contractuel et démontrer sa pertinence pour la conception proposée.

Comparer les preuves avec autant de rigueur que les caractéristiques assignées

Deux offres indiquant la même tenue aux chocs peuvent néanmoins différer par l’isolement du neutre, les essais à onde coupée, le choix des traversées, la couverture des essais ou la documentation. Résolvez ces différences avant de considérer les offres comme techniquement équivalentes.

Demandez un tableau des niveaux d’isolement par borne dûment rempli, une déclaration de conformité aux normes, une liste claire des dérogations, le programme d’essais proposé et les hypothèses utilisées pour la coordination de l’isolement. Le rapport d’essai final doit identifier le transformateur et la configuration testée afin que les preuves puissent être associées au matériel fourni.

L’étape suivante consiste à examiner côte à côte la base de tension du réseau, le tableau des bornes, le dispositif de parafoudres et les exigences d’essai. Toute incohérence entre ces éléments doit faire l’objet d’une question technique précise avant la publication de la spécification d’achat.