Pourquoi un transformateur de mise à la terre en zigzag crée un point neutre

Pourquoi un transformateur de mise à la terre zigzag crée un point neutre

Un transformateur de mise à la terre zigzag crée un point neutre en combinant les enroulements de phase dans une configuration équilibrée qui fournit un chemin stable aux courants homopolaires et aux courants de défaut à la terre.

Pour les ingénieurs qui étudient des systèmes non mis à la terre ou connectés en triangle, la compréhension de ce principe est essentielle pour améliorer la protection contre les défauts, la fiabilité du système et la sécurité d'exploitation.

L'idée centrale est simple : un transformateur zigzag n'a pas besoin d'un conducteur neutre conventionnel sur l'enroulement source pour établir un neutre de système utilisable.

À la place, ses enroulements spécialement interconnectés annulent les tensions triphasées normales tout en permettant au courant homopolaire de circuler lors d'un défaut à la terre.

Cette distinction explique pourquoi les transformateurs de mise à la terre zigzag sont largement utilisés lorsqu'un système en triangle, un transformateur de conversion, un jeu de barres de générateur ou un réseau isolé ne dispose pas d'un neutre accessible.

Ils ne sont pas principalement installés pour transférer la puissance de charge. Leur rôle principal est la mise à la terre, le contrôle du courant de défaut et la fourniture d'un point de référence pour les dispositifs de protection.

Quel problème un point neutre résout-il ?

De nombreux systèmes moyenne tension fonctionnent avec des enroulements connectés en triangle ou ne disposent autrement d'aucun point neutre physique au niveau du jeu de barres à protéger.

Sans référence neutre, un défaut monophasé à la terre peut produire un courant de défaut faible, imprévisible ou principalement capacitif, selon la capacité du système.

Cette condition peut rendre la protection contre les surintensités conventionnelle moins fiable. Elle peut également entraîner des surtensions temporaires sur les deux phases non défaillantes après un défaut à la terre.

Dans un système non mis à la terre, le premier défaut peut ne pas interrompre immédiatement le service. Cependant, la contrainte d'isolement et le risque d'un second défaut peuvent augmenter.

Un transformateur de mise à la terre crée une connexion définie entre le système électrique et la terre, permettant aux ingénieurs de choisir une méthode de mise à la terre délibérée.

La méthode de mise à la terre peut être une mise à la terre directe, par résistance ou par réactance, selon les objectifs de protection et les limites de courant de défaut admissibles.

Pour de nombreuses installations industrielles, la mise à la terre par résistance est choisie car elle produit suffisamment de courant pour une détection fiable sans causer de dommages excessifs aux équipements.

Le transformateur fournit donc aux relais de protection une référence et au courant de défaut un chemin de retour conçu, plutôt que de laisser le comportement du système incontrôlé.

Fonctionnement de la disposition des enroulements zigzag

Un transformateur de mise à la terre zigzag possède trois colonnes de phase, mais chaque enroulement de phase est divisé en deux sections égales placées sur différentes colonnes du noyau.

Chaque section est connectée à une section associée à une autre phase. L'interconnexion résultante crée le motif d'enroulement zigzag caractéristique.

Dans des conditions de fonctionnement triphasé équilibré, les contributions de tension des sections d'enroulement s'opposent et s'annulent en grande partie au raccordement du neutre.

Comme les tensions de phase sont équilibrées, le transformateur présente un très faible besoin de magnétisation et ne transporte normalement qu'un faible courant en service.

Lors d'un défaut à la terre, la situation change. Les trois courants de phase associés au défaut sont des courants homopolaires, partageant la même relation de phase.

Pour le courant homopolaire, les tensions des sections d'enroulement ne s'annulent plus de la même manière. Le transformateur présente alors un chemin de retour à faible impédance.

Cela permet au courant de circuler depuis la phase en défaut, à travers le système de mise à la terre, vers le neutre du transformateur zigzag, puis de revenir par ses enroulements.

Cette disposition établit un point neutre même si le système en amont est connecté en triangle et ne possède aucun conducteur neutre disponible pour une mise à la terre directe.

Pourquoi le courant de charge normal ne le traverse pas

Une idée fausse courante consiste à penser qu'un transformateur de mise à la terre zigzag se comporte comme un transformateur de distribution ordinaire alimentant un circuit de charge neutre.

Son comportement en fonctionnement normal est différent. Les courants de charge équilibrés de séquence directe ne créent pas de chemin de courant significatif à travers le neutre du transformateur de mise à la terre.

Les connexions d'enroulement sont conçues de sorte que les composantes de flux de phase équilibrées se compensent, minimisant l'excitation du noyau par le système électrique normal.

C'est pourquoi une unité zigzag correctement sélectionnée peut rester faiblement chargée en fonctionnement normal tout en réagissant fortement lors de défauts à la terre.

Sa puissance nominale est donc généralement spécifiée en fonction de la tenue aux défauts de terre de courte durée, de l'impédance, de la tension et de la capacité thermique, plutôt que de la seule capacité de charge continue.

Par exemple, un transformateur de mise à la terre peut être conçu pour transporter un courant de défaut spécifié pendant dix secondes, trente secondes ou toute autre durée d'élimination par la protection.

Les ingénieurs doivent coordonner cette tenue avec le temps de fonctionnement des relais, le temps d'ouverture des disjoncteurs, la capacité de la résistance de mise à la terre et les caractéristiques de défaut prévues du système.

Une sélection basée uniquement sur la tension nominale du système est insuffisante. La tenue au courant de défaut et la philosophie de protection déterminent si le transformateur est correctement dimensionné.

Que se passe-t-il lors d'un défaut monophasé à la terre ?

Considérons un jeu de barres triphasé en triangle sans neutre mis à la terre. Un défaut phase-terre se produit sur un conducteur en aval du jeu de barres.

Sans équipement de mise à la terre, le courant de défaut peut être limité principalement par la capacité répartie des câbles, les parafoudres et d'autres chemins non intentionnels du système.

Lorsqu'un transformateur de mise à la terre zigzag est installé, le point neutre est raccordé à la terre directement ou par l'intermédiaire d'une résistance de mise à la terre.

La phase en défaut dispose alors d'un chemin de retour intentionnel. Le courant circule à travers le défaut, le réseau de mise à la terre des équipements et le raccordement neutre du transformateur.

Les enroulements zigzag renvoient la composante homopolaire vers le système triphasé tout en laissant le fonctionnement normal de la tension entre phases largement inchangé.

Les relais de protection mesurent le courant résiduel ou de terre résultant et commandent le disjoncteur approprié ou le système d'alarme.

La résistance, lorsqu'elle est incluse, limite le courant à une valeur prévue. Cela peut réduire l'énergie d'arc électrique, les contraintes mécaniques et les dommages localisés.

En même temps, le courant de défaut doit rester supérieur au seuil de déclenchement de la protection dans des conditions de défaut minimal crédibles, y compris avec de longues liaisons de départ.

Choisir entre la mise à la terre directe, par résistance et par réactance

Un transformateur de mise à la terre zigzag peut prendre en charge plusieurs stratégies de mise à la terre, mais le transformateur lui-même ne détermine pas le niveau final de courant de défaut.

La mise à la terre directe connecte le neutre directement à la terre. Elle peut produire un courant de défaut à la terre élevé et est généralement appliquée lorsqu'une élimination rapide est requise.

La mise à la terre à basse résistance utilise une résistance de mise à la terre du neutre afin de permettre un courant de défaut contrôlé et relativement élevé pour un fonctionnement rapide et sélectif des protections.

La mise à la terre à haute résistance limite le courant à un niveau beaucoup plus faible, permettant souvent la poursuite de l'exploitation après le premier défaut à la terre pendant l'analyse de l'alarme.

La mise à la terre par réactance utilise une inductance dans le circuit neutre. Elle peut être choisie lorsque les caractéristiques d'impédance ou la coordination du système favorisent cette approche.

L'option appropriée dépend de la classe de tension, de la longueur des départs, du courant de charge capacitif des câbles, de la tenue des équipements, des exigences de continuité du procédé et des normes électriques locales.

La mise à la terre à haute résistance n'est pas automatiquement plus sûre pour tous les systèmes. Si la détection ne permet pas d'identifier l'emplacement du défaut, la poursuite de l'exploitation peut créer un risque opérationnel.

De même, un courant de défaut excessif peut améliorer la sensibilité des relais, mais imposer des contraintes thermiques et mécaniques inacceptables aux câbles, appareillages de commutation et transformateurs.

Comment dimensionner un transformateur de mise à la terre zigzag

Le dimensionnement commence par la tension entre phases du système, car l'isolation des enroulements du transformateur de mise à la terre doit résister aux conditions de tension de fonctionnement et transitoires du réseau.

La valeur clé suivante est le courant de défaut à la terre requis. Celui-ci est souvent déterminé par la sensibilité des relais, le choix de la résistance et la coordination avec les dispositifs de protection en aval.

La tenue thermique de courte durée est tout aussi importante. L'unité doit supporter le courant de défaut sélectionné pendant tout l'intervalle d'élimination par la protection sans dommage.

L'impédance affecte le courant de défaut à la terre disponible et les performances des relais. Elle doit être évaluée avec la résistance de neutre, l'impédance de source et les caractéristiques des départs.

Les ingénieurs doivent également calculer le courant de charge total du système, en particulier dans les vastes réseaux câblés, les installations d'énergie renouvelable, les centres de données et les systèmes de distribution industriels.

Pour une mise à la terre à haute résistance, le courant neutre sélectionné doit généralement dépasser le courant de charge capacitif du système avec une marge d'ingénierie appropriée.

La conception du noyau, la classe d'isolation, la température ambiante, l'environnement d'installation, les exigences sismiques et la protection de l'enveloppe influencent également les spécifications finales de l'équipement.

Le fabricant doit recevoir le schéma unifilaire, le niveau de tension, le temps d'élimination du défaut, le courant neutre souhaité, la méthode de mise à la terre et le schéma de protection avant d'établir un devis.

Où les transformateurs de mise à la terre zigzag sont couramment utilisés

Les transformateurs de mise à la terre zigzag sont fréquemment installés sur des jeux de barres moyenne tension en triangle alimentant des usines industrielles, des exploitations minières, des installations de procédé et des projets d'infrastructure.

Ils sont également utiles dans les systèmes collecteurs d'énergie renouvelable, où les sources basées sur des convertisseurs et les connexions de transformateurs élévateurs peuvent ne pas fournir de neutre accessible.

Les centres de données et les hôpitaux peuvent exiger des dispositions de mise à la terre soigneusement conçues, car la continuité, l'isolement sélectif des défauts et la protection des équipements constituent des priorités opérationnelles.

Dans les réseaux de distribution commerciaux ou industriels, ils peuvent être ajoutés lors de mises à niveau lorsque la connexion du transformateur existant n'offre pas un point neutre approprié.

L'application doit être examinée comme un système complet de mise à la terre. Un transformateur de mise à la terre ne peut pas compenser une mauvaise liaison équipotentielle, des réglages de relais inadaptés ou des électrodes de terre insuffisantes.

Les conditions du site comptent également. Les équipements secs intérieurs, les unités à huile extérieures, les enveloppes de résistances, le cheminement des câbles, la ventilation et l'accès à la maintenance nécessitent une planification coordonnée.

Lien avec la sélection des transformateurs de distribution

Un transformateur de mise à la terre et un transformateur de distribution remplissent des fonctions électriques différentes, bien que tous deux doivent être sélectionnés dans le cadre de la conception globale du système électrique.

Le transformateur de mise à la terre établit et contrôle la référence neutre. Le transformateur de distribution modifie la tension et alimente la demande de charge normale de l'installation.

Pour les projets nécessitant une distribution moyenne tension fiable, le choix du transformateur doit tenir compte de la philosophie de mise à la terre avant la finalisation des réglages de protection et des caractéristiques nominales de l'appareillage de commutation.

Jinshida prend en charge les applications de distribution avec des équipements conçus pour un fonctionnement fiable dans les environnements industriels, commerciaux, d'infrastructure et d'énergie renouvelable.

Par exemple, letransformateur de distribution triphasé sec à résine moulée 35 kV est disponible pour les applications de distribution de 35 kV à 0.4 kV.

Sa construction en résine moulée, son noyau en acier au silicium à grains orientés de haute qualité et son système d'isolation époxy conviennent aux installations où la performance au feu et une faible maintenance sont importantes.

Les puissances disponibles couvrent un large éventail d'exigences de distribution, tandis que les systèmes de protection et de contrôle de la température permettent un fonctionnement surveillé dans des installations exigeantes.

Ce produit ne remplace pas un transformateur de mise à la terre zigzag conçu à cette fin, mais les deux peuvent faire partie d'une solution coordonnée de distribution électrique.

Erreurs de conception courantes à éviter

Une erreur fréquente consiste à supposer que le neutre de n'importe quel transformateur peut être mis à la terre sans vérifier la connexion des enroulements, la tenue d'isolement et les chemins de courant homopolaire disponibles.

Une autre consiste à spécifier un transformateur de mise à la terre zigzag sans définir la valeur de résistance, la durée du défaut, les réglages de déclenchement des relais et la séquence d'ouverture des disjoncteurs.

Les ingénieurs se concentrent parfois uniquement sur le courant de défaut maximal. Le courant minimal de défaut à la terre est également critique, car la protection doit fonctionner dans des conditions défavorables.

Ignorer le courant de charge capacitif des câbles peut être particulièrement problématique dans les grands réseaux moyenne tension, où le courant capacitif peut affecter les performances de la mise à la terre à haute résistance.

Une coordination insuffisante entre le transformateur de mise à la terre et la protection contre les surtensions peut exposer les équipements à des surtensions temporaires dans des conditions de fonctionnement anormales.

Les conducteurs de mise à la terre, les connexions de liaison équipotentielle, la résistance du réseau de terre et les caractéristiques nominales de l'enveloppe de la résistance de neutre doivent être examinés dans le même ensemble de conception.

Enfin, ne traitez pas un transformateur de mise à la terre à tenue de courte durée comme un transformateur auxiliaire continu, sauf si son fabricant confirme que ce régime de fonctionnement est autorisé.

Questions à poser avant de spécifier un équipement

Commencez par déterminer si la source ou le jeu de barres dispose d'un neutre accessible. Si c'est le cas, un transformateur de mise à la terre séparé peut ne pas être nécessaire.

Définissez ensuite si l'objectif est l'élimination immédiate du défaut, la limitation contrôlée du courant de défaut, le fonctionnement d'une alarme au premier défaut, ou une combinaison de ces objectifs.

Demandez quel courant de défaut à la terre les relais de protection requièrent, à quelle vitesse les disjoncteurs ouvrent et si les dispositifs en aval peuvent supporter l'énergie résultante.

Confirmez la capacité totale des câbles du système, l'extension prévue, les contributions des générateurs ou des onduleurs, ainsi que les configurations de fonctionnement possibles lors de la maintenance ou des situations d'urgence.

Demandez la documentation du fabricant couvrant la tension nominale, le niveau d'isolation, l'impédance, la tenue au courant de courte durée, l'échauffement, les normes d'essai et les schémas de raccordement.

Pour les projets internationaux, vérifiez dès le départ les exigences applicables des normes IEC, IEEE, des services publics et des réglementations locales, plutôt que d'adapter la disposition de mise à la terre après l'approvisionnement.

Conclusion

Un transformateur de mise à la terre zigzag crée un point neutre parce que ses enroulements divisés et interconnectés annulent les effets triphasés équilibrés tout en conduisant le courant de défaut homopolaire.

Ce comportement électrique en fait une solution de mise à la terre pratique pour les systèmes en triangle et autrement non mis à la terre, lorsqu'une détection fiable des défauts à la terre est requise.

Sa valeur réside dans le fait de rendre le comportement des défauts à la terre intentionnel : le courant peut être limité, mesuré, coordonné et éliminé selon une stratégie de protection définie.

Pour une spécification fiable, évaluez le système complet plutôt que le transformateur seul, y compris la tenue aux défauts, le choix de la résistance, les réglages des relais, les câbles et l'infrastructure de mise à la terre.

Lorsque ces éléments sont coordonnés, un transformateur de mise à la terre zigzag peut améliorer la fiabilité de la protection, contrôler les contraintes sur les équipements et favoriser un fonctionnement du système plus sûr à long terme.