Groupes vectoriels des transformateurs ONAN triphasés : répondre aux exigences du système

Le groupe vectoriel approprié pour un transformateur triphasé ONAN est celui qui convient au schéma de mise à la terre du réseau, au déphasage requis et aux connexions d’exploitation. Dyn11 peut fournir un neutre côté basse tension et un chemin delta pour les courants de circulation d’équilibrage homopolaires, tandis que Yyn0 n’entraîne aucun déphasage, mais exige un examen plus approfondi de la mise à la terre du neutre et de l’impédance homopolaire. Aucune de ces désignations n’est universellement préférable.

ONAN signifie « huile à circulation naturelle, air à circulation naturelle » : cette désignation décrit le transfert de chaleur depuis l’huile du transformateur vers l’air ambiant. Elle ne détermine ni le couplage des enroulements, ni la disponibilité du neutre, ni la relation de phase. Ces caractéristiques électriques doivent être spécifiées séparément, en particulier lorsque les transformateurs alimentent des charges à quatre fils, sont raccordés à des installations de production d’énergie renouvelable ou fonctionnent en parallèle.

Interpréter le groupe vectoriel comme une relation électrique

Selon la notation IEC, les lettres majuscules désignent le couplage de l’enroulement haute tension et les minuscules celui de l’enroulement basse tension. D ou d désigne un couplage triangle, Y ou y un couplage étoile, et Z ou z un couplage zigzag. N ou n indique que le point neutre correspondant est accessible sur une borne. L’ordre des enroulements dépend de leur niveau de tension, et non du sens de circulation de la puissance.

L’indice horaire exprime la position du vecteur de tension côté basse tension par rapport à la référence côté haute tension, chaque heure représentant 30 degrés électriques. Pour Dyn11, l’enroulement haute tension est couplé en triangle et l’enroulement basse tension en étoile avec un neutre accessible ; le vecteur basse tension se situe à la position 11 heures. Selon cette convention, il est en avance de 30 degrés sur la référence haute tension. Dyn1 correspond à un retard de 30 degrés ; Yyn0 ne présente aucun déphasage.

Ces relations doivent être interprétées à partir des repères de bornes et de l’ordre des phases spécifiés. Une indication abrégée telle que « déphasage de 30 degrés » ne suffit pas pour les travaux de raccordement, car elle n’en précise pas le sens. Les schémas, les réglages des relais et les dossiers de mise en service doivent tous utiliser la même convention de référence.

La désignation indique le couplage, mais ne décrit pas entièrement les performances. Deux transformateurs ayant le même groupe vectoriel peuvent présenter des impédances homopolaires, des courants assignés de neutre, des impédances de court-circuit et des capacités thermiques différents.

La disponibilité du neutre ne garantit pas une mise à la terre adaptée

Un enroulement couplé en étoile dont le neutre est accessible permet de réaliser une alimentation triphasée à quatre fils. Cela ne détermine pas, à lui seul, si ce neutre doit être mis directement à la terre, mis à la terre par résistance ou raccordé selon un autre schéma de mise à la terre. Le choix détermine le courant de défaut à la terre, les surtensions temporaires, les tensions de contact à prendre en compte et la sensibilité requise des protections.

Pour un transformateur Dyn alimentant des charges basse tension mises à la terre, le courant homopolaire peut circuler dans l’enroulement couplé en étoile et produire un courant de circulation d’équilibrage à l’intérieur du triangle. Le courant homopolaire correspondant ne passe pas dans les lignes du circuit haute tension à trois fils. Cette distinction est importante : le triangle fournit un chemin interne, mais ne constitue pas un conducteur de neutre externe et ne dispense pas de concevoir le système de mise à la terre côté basse tension.

Le réseau amont continue de fournir de l’énergie pendant un défaut à la terre en aval. Le blocage du transfert du courant homopolaire dans les lignes n’équivaut pas à isoler le réseau amont de toutes les composantes du défaut. Les courants de séquence directe et inverse, l’amplitude du défaut et l’impédance du transformateur restent pertinents pour la coordination des protections.

Pour Yyn0, la lettre minuscule n confirme uniquement que le neutre basse tension est accessible. Elle ne signifie pas que le neutre haute tension est accessible. Si le point étoile haute tension est isolé, la source ne peut pas fournir le même chemin de courant homopolaire qu’un couplage étoile mis à la terre. En l’absence d’enroulement stabilisateur en triangle, l’excitation homopolaire et la distorsion de tension dépendent fortement de la construction magnétique et des conditions d’exploitation.

Un circuit magnétique à trois colonnes, un circuit à cinq colonnes et une batterie d’unités monophasées ne présentent pas les mêmes chemins de flux homopolaire. Dans une conception à trois colonnes, le flux homopolaire peut se refermer par l’huile, les éléments structurels et la cuve, ce qui influe sur l’impédance et l’échauffement par courants de Foucault. Par conséquent, Yyn0 ne doit pas être rejeté systématiquement, mais ne doit pas non plus être choisi uniquement parce que l’absence de déphasage semble pratique.

Lorsque les calculs de défaut à la terre dépendent du comportement du transformateur, demandez les données d’impédance homopolaire pour la configuration prévue des bornes et de la mise à la terre. L’impédance en pourcentage de séquence directe ne constitue pas une solution de remplacement adéquate.

Les charges déséquilibrées et les harmoniques mettent en évidence les limites du couplage

Un réseau industriel ou commercial à quatre fils peut présenter des charges monophasées inégalement réparties, même si la demande totale reste inférieure à la puissance assignée en kVA du transformateur. Le courant de neutre qui en résulte et le déséquilibre des tensions de phase nécessitent une évaluation distincte. La disponibilité d’un neutre ne prouve pas que l’enroulement, le conducteur de neutre, la traversée et la connexion peuvent supporter le courant continu requis.

Les couplages zigzag peuvent fournir un chemin utile aux courants homopolaires et contribuer au maintien des tensions phase-neutre en cas de charges déséquilibrées. Leur adéquation dépend néanmoins de la conception des enroulements et du régime assigné. Un transformateur de mise à la terre zigzag, par exemple, peut être conçu principalement pour supporter un courant de défaut à la terre de courte durée plutôt que pour alimenter une charge en continu ; il ne faut pas confondre cette fonction avec celle d’un transformateur de distribution de puissance assignée complète.

Les enroulements en triangle offrent également un chemin de circulation aux composantes homopolaires, notamment aux harmoniques de rang trois associés au comportement magnétisant. Cela contribue à maîtriser certains effets de distorsion de tension, mais ne transforme pas un transformateur Dyn en filtre harmonique polyvalent.

Dans un réseau équilibré à quatre fils, les courants harmoniques de rang trois provenant de charges monophasées non linéaires sont en phase et s’additionnent dans le neutre au lieu de s’annuler. L’enroulement en triangle ne supprime pas ce courant du neutre basse tension. Il n’élimine pas non plus l’échauffement dû aux autres rangs harmoniques, tels que les rangs cinq et sept.

Lorsque les charges non linéaires sont importantes, le cahier des charges doit préciser le spectre harmonique prévu, le régime de courant du neutre et l’évaluation thermique. Le refroidissement ONAN décrit le mécanisme de refroidissement ; il n’autorise pas le fonctionnement avec une charge harmonique arbitraire à la puissance assignée en kVA. Toute capacité de surcharge ou tout déclassement doit tenir compte des pertes dans les enroulements, des pertes supplémentaires, des conditions ambiantes et des limites de conception du fabricant.

Le fonctionnement en parallèle exige davantage que la correspondance « Dyn »

Deux transformateurs qui alimentent le même jeu de barres doivent présenter des vecteurs de tension secondaires compatibles avant la fermeture de leur raccordement au jeu de barres. Dyn11 et Dyn1 présentent un écart de 60 degrés électriques lorsqu’ils sont raccordés avec des repères de phase correspondants. Les fermer sur le même jeu de barres dans cette configuration crée une forte incompatibilité, et non une simple erreur de partage de charge maîtrisable.

Certaines différences de groupes vectoriels peuvent être compensées par des modifications conçues des connexions de phase externes. Cela n’autorise pas à permuter les bornes de manière improvisée. La configuration finale doit préserver l’ordre des phases prévu du jeu de barres, le comportement de mise à la terre, les références des protections et les exigences d’isolement, et doit être confirmée par des essais de concordance des phases.

Même des groupes vectoriels identiques ne garantissent pas un fonctionnement en parallèle satisfaisant. L’évaluation doit également porter sur les éléments suivants :

• Rapport de tension et position de prise : des tensions secondaires à vide inégales provoquent un courant de circulation avant même l’alimentation d’une charge utile.
• Impédance de court-circuit : des impédances en unités relatives inégales entraînent une répartition inégale de la charge par rapport à la puissance assignée de chaque transformateur.
• Angle d’impédance : des rapports résistance/réactance différents influent sur le partage des charges active et réactive.
• Ordre des phases et repérage des bornes : des plaques signalétiques identiques ne corrigent pas un raccordement incorrect des câbles.
• Connexions du neutre et de mise à la terre : des chemins de neutre en parallèle peuvent modifier la répartition du courant homopolaire et le comportement des protections contre les défauts à la terre.

Pour des rapports approximativement égaux et des angles d’impédance similaires, la charge se répartit en raison inverse des impédances en ohms ramenées au côté commun. La puissance assignée est donc importante pour comparer les impédances en pourcentage : des valeurs en pourcentage identiques sur des transformateurs de puissances assignées différentes ne signifient pas des impédances en ohms identiques. La combinaison proposée doit être vérifiée aux niveaux de demande maximal et minimal ainsi qu’aux positions de prise pertinentes.

Les protections doivent correspondre au couplage réellement installé

La protection différentielle du transformateur compare les courants des enroulements présentant des relations de tension et de courant différentes. Pour un transformateur triangle-étoile, le relais doit compenser le déphasage, le rapport de transformation et les effets homopolaires applicables. Les relais numériques peuvent effectuer cette compensation en interne, mais leurs réglages doivent correspondre aux couplages d’enroulement et aux configurations des transformateurs de courant effectivement installés.

Une compensation incorrecte peut provoquer un courant différentiel en régime normal ou lors de défauts externes. L’erreur peut rester imperceptible à faible charge et devenir importante lors d’un défaut traversant. La vérification de la plaque signalétique, le contrôle de la polarité des transformateurs de courant et les essais des relais doivent donc être considérés comme des tâches liées, et non comme des formalités distinctes.

La protection de terre restreinte exige un schéma de neutre adapté et des transformateurs de courant correctement positionnés autour de la zone protégée. Sa mise en œuvre ne peut pas être déduite du seul groupe vectoriel. L’impédance de mise à la terre du neutre, le cheminement des conducteurs et tout chemin de retour à la terre parallèle influent sur la mesure.

Les raccordements de production d’énergie renouvelable ajoutent une autre contrainte : le distributeur peut imposer une interface de mise à la terre ou une relation de phase particulière. Les commandes des convertisseurs ne remplacent pas l’analyse homopolaire du transformateur. L’étude des défauts à la terre du réseau collecteur doit inclure les couplages des enroulements, les dispositifs de mise à la terre, les câbles et la configuration d’exploitation, y compris les situations de coupure qui suppriment une source de mise à la terre.

L’intégration d’une source de secours soulève une question similaire. Un groupe électrogène diesel silencieux sous capot triphasé à quatre fils raccordé par un dispositif de transfert automatique implique d’évaluer le commutateur de neutre et la liaison neutre-terre dans le cadre du même système. Sa sortie à quatre fils ne détermine pas le groupe vectoriel du transformateur. Le fait que le commutateur de transfert commute ou non le neutre, ainsi que la source qui établit la référence de mise à la terre en service, peuvent modifier les chemins des courants de défaut à la terre. Le fonctionnement à transition fermée nécessite également des vérifications de synchronisation ; une tension nominale identique ne suffit pas.

Spécifier les normes et les justificatifs, pas seulement un code de plaque signalétique

La norme IEC 60076-1 fournit le cadre général relatif aux caractéristiques assignées des transformateurs de puissance, aux symboles de couplage et aux essais pertinents. La norme IEC 60076-8 fournit des recommandations d’application, notamment sur le comportement des couplages et le fonctionnement en parallèle. Pour les transformateurs immergés dans l’huile minérale, la norme IEC 60076-7 traite des considérations relatives aux charges. Le contrat doit préciser les éditions applicables et les exigences éventuelles du distributeur, plutôt que de supposer qu’une déclaration générale de conformité IEC répond à tous les détails de l’application.

La fiche technique du transformateur doit indiquer le groupe vectoriel ainsi que les tensions assignées, la plage de prises, la fréquence, l’impédance de court-circuit et sa tolérance, les exigences relatives à la borne de neutre, le schéma de mise à la terre et les caractéristiques de charge. Le cas échéant, elle doit également demander l’impédance homopolaire, la capacité de courant du neutre et les détails de tout enroulement stabilisateur.

La vérification des symboles de couplage et du déphasage doit figurer dans les documents de réception en usine. Les mesures homopolaires peuvent nécessiter un accord explicite sur la configuration d’essai et la présentation des résultats. La mise en service sur site doit ensuite confirmer l’ordre réel des phases et leur concordance, car les résultats d’usine ne permettent pas de vérifier les câbles externes ni les connexions de l’appareillage de coupure.

Un choix techniquement complet est donc plus précis que « ONAN, Dyn11 ». Il établit quel neutre est disponible, comment il est mis à la terre, comment le courant de défaut à la terre revient, quelle relation de phase existe sur chaque jeu de barres et si le transformateur peut partager la charge avec les équipements existants. Lorsque ces conditions sont définies et étayées par des calculs et des rapports d’essais, le groupe vectoriel devient une interface système vérifiée plutôt qu’un simple choix isolé de plaque signalétique.