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Le transformateur de puissance
HT BT
Chapitre 2
Par Jacques BOURBON
JB 2009
L’inventeurLucien Gaulard (1850-1888), chimiste de formation et jeune électricien
français, présente en 1882 à la Société française des Electriciens un
«générateur secondaire », dénommé depuis « transformateur ».
En 1884 Lucien Gaulard met en service une liaison de démonstration (133 Hz)
alimentée par du courant alternatif sous 2000 volts et allant de Turin à Lanzo
(80 km).
La reconnaissance de Gaulard interviendra trop tardivement. Entre-temps, des
brevets ont été pris aussi par d'autres, il finit ses jours dans un asile d'aliénés et
on finit alors par admettre l'intérêt du transformateur qui permet d'élever la
tension délivrée par un alternateur et facilite ainsi le transport de l'énergie
électrique par des lignes à haute tension.
Le principe
Un transformateur est constitué d’un circuit magnétique, composé de tôles
empilées les unes sur les autres.
Sur une colonne de ce circuit magnétique est placé un enroulement réalisé par
des spires de fils conducteur.
Ce bobinage est appelé enroulement primaire du transformateur.
Un second enroulement est bobiné sur le circuit magnétique, il est appelé
enroulement secondaire du transformateur.
La tension secondaire à vide est proportionnelle à la tension du primaire
Les enroulements
Dans la pratique les enroulements sont imbriqués l’un dans l’autre pour
améliorer le rendement du transformateur
Le transformateur est représenté dans les schémas électriques par le
symbole suivant :
Le triphasé
En triphasé le circuit magnétique comporte généralement 3 colonnes.
Sur chaque colonne, un enroulement primaire est imbriqué avec un
enroulement secondaire.
Les trois enroulements secondaires sont reliés ensemble par des barres de
couplages.
On fait de même pour les enroulements primaires.
Les couplages triphasé
Couplage
triangle (D)Couplage
étoile (Y)Couplage
zigzag (Z)
En couplage zigzag la tenue en
régime déséquilibré est très
bonne; ce couplage est
préconisé pour des puissances
inférieures à 250 kVA
Les couplages en triphasé
Un transformateur comprend trois
enroulements primaire.
Et trois enroulements secondaire.
Le primaire est
alimenté par trois
phases en haute
tension (20 kV)
L1
L2
L3
La circulation du courant nécessite un couplage des enroulements.
Par exemple le couplage de type triangle, ou chaque enroulement est alimenté par deux
phases
A
C
B
L1
L2L3
Couplage delta
symbolisé par la
lettre D
Au secondaire d’un transformateur triphasé,
trois phases sont disponibles en basse
tension (400 V).
L1
L2
L3
Il faut également coupler les enroulements.
Par exemple, le couplage de type étoile, où chaque enroulement est raccordé par un
conducteur commun.
L1
L2L3Couplage
étoile
symbolisé
par la lettre y
a
bc
Ont peux éventuellement sortir un neutre n
n
Couplage Dyn
L’indice horaireLe couplage étoile triangle (Dy) sous la forme vectorielle, est
représenté ainsi:
L1
L2L3
Chaque phase est décalée
de 120°, donc pour les trois
phases on a 360°
360°
L’aiguille des
heures d’une
horloge fait le tour
du cadran en 12
heures.
Si on compare la mesure d’angle
en degré avec le système
sexagésimal (base 60, les
heures), on a donc 360°/12h soit
30° par heure.
12
39
6
Entre chaque phase il y a
un décalage de 120° soit
4 heures.
48
330°
L1
L2
L3
Ont dit alors que la phase 1 est à 11 heures11
Sur la plaque signalétique sont indiqués le couplage et l’indice horaire.
Dyn 11
Plaque signalétique d’un
transformateur
Les compatibilités d’indices horaires
L1
L2
L3
n
Un transformateur
existantDyn11
L1
L2
L3
n
Dyn7
Un nouveau transformateur vient s’ajouter
pour être raccordé en parallèle
On vérifie les tensions, et le sens du
champ tournant de chaque
transformateur.
Et pourtant……
Sont-ils compatibles ?
11
L1
L2
L3L1
7
L2
L3
Les deux transformateurs sont
compatibles, mais en branchant
les phases L1 du Dyn11 avec
L2 du Dyn7 …….
Les indices horaires 11,7 et 3
sont compatibles.
Mais pas avec les
autres indices !
Suivant leur déplacement angulaire, on peut classer les
transfos triphasés en 4 groupes :
1. groupe de déplacement angulaire nul :
= 0 (à 2/3 près), indice horaire: 0
2. groupe de déplacement angulaire 180° (ou 60°) :
indice horaire: 6 (ou 2, ou 10)
3. groupe de déplacement angulaire +30°
indice horaire: 1 (ou 5)
4. groupe de déplacement angulaire -30° (ou + 330) indice
horaire: 11 (ou 7)
Les groupes d’indices horaires
Conclusion
Avant de raccorder deux
transformateurs en parallèle, on vérifie :
-Qu’ils ont la même puissance
-Les mêmes tensions
-Le même couplage
Et des indices horaires
compatibles du même
groupe.
Réglages en fonction de la tension HTA
La tension au primaire influence la tension au secondaire : sur certains
réseaux la tension du réseau de distribution HT A peut être inférieure à
20kV.
Il est donc nécessaire de régler hors tension les barrettes de
couplage en fonction du niveau de la tension au primaire.
Réglage de tension par commutateur
Les manœuvres des changeurs de prises ou de tension sont effectuées
transformateur hors tension, et hors charge.
Refroidissement des
transformateursLe passage du courant dans les bobinages du transformateur provoque un
échauffement qui peut devenir nuisible pour le bon isolement de ses
enroulements.
Plusieurs procédés sont utilisés pour le refroidir :
Les transformateurs
immergés, à refroidissement
par diélectrique liquide
Les transformateurs
secs, à refroidissement
par air
Transformateur de type immergé
Les transformateurs immergés présentent
des risques d'incendie et de pollution : un
défaut interne peut provoquer une
surpression entraînant une déformation de
la cuve telle qu'il peut en résulter des fuites
de diélectrique liquide et suivant les
circonstances, son inflammation, voire
l'explosion du transformateur.
Les fuites de diélectrique liquide peuvent
résulter également de joints défectueux de
la cuve ou de rupture des canalisations.
Les diélectriques liquides se répandant
risquent d'occasionner une pollution de la
nappe phréatique. En cas d'incendie ou de
pyrolyse, ils dégagent des produits
toxiques et génèrent des fumées opaques
gênant l'intervention des secours.
Les transformateurs respirants
Pour permettre la dilatation du liquide sans
risque de débordement, les premiers
transformateurs comportaient un volume d'air
entre la surface de l'huile et le couvercle.
Lorsque le liquide revenait à son niveau
initial, l'air ambiant reprenait sa place. Le
transformateur "respirait". L'humidité de l'air
ambiant se mélangeait à l'huile et, à la
longue, se déposait au fond de la cuve (l'eau
étant plus dense que l'huile, de masse
spécifique 0,9).
Rappelons qu'il suffit de 50 à 60 mg d'eau
par litre d'huile pour abaisser de 50 % la
rigidité diélectrique.
Les transformateurs avec
conservateurPour limiter ces inconvénients, le transformateur
est équipé d'un conservateur de volume tel que
le contact air-huile soit localisé à l'intérieur d'un
réservoir d'expansion .
L'adjonction d'un dessiccateur permet de
déshydrater l'air aspiré par le transformateur
(équipé ou non d'un conservateur) .
Cette conception est encore valable à condition
que l'utilisateur change ou régénère
périodiquement la matière asséchante contenue
dans le dessiccateur (tous les huit mois)
Exemple de transformateur avec
conservateur
Protection contrôle signalisation
Relais de protection pour transformateur équipé d’un conservateur
Le relais de protection BUCHHOLZ :
En cas de dégagement gazeux provenant de la décomposition des isolants,
un ou deux contacts peuvent fonctionner pour actionner l’alarme et
déclencher la protection amont.
En cas de fuite importante le basculement successif des 2 contacts assure la
même protection.
ERT étanche remplissage totalTransformateurs à remplissage intégral : Le transformateur est rempli
totalement à 20 °C environ (température des ateliers) et clos hermétiquement
de façon à ne laisser aucun volume d'air en contact avec le liquide
diélectrique .
De ce fait, toute rentrée éventuelle d'humidité est éliminée et le principal
facteur d'oxydation (l'oxygène de l'air) est également éliminé.
L'appareil ne respirant plus et le liquide diélectrique se dilatant, une certaine
surpression s'établit dans la cuve, surpression qui augmente avec la charge
de l'appareil.
Ce sont les plis de la cuve, dont la forme est spécialement étudiée, qui
absorbent la dilation du liquide.
Bloc de protection DGPTDispositif automatique fonctionnant en cas d’émission anormale
de gaz au sein du diélectrique liquide et provoquant la mise hors
tension du matériel : en pratique ce dispositif est un bloc relais de
type DMCR ou DGPT2 qui ferme un contact entraînant la mise
hors tension par déclenchement de l’interrupteur de la cellule QM
Pour fonctionner correctement le DGPT2 doit être entièrement rempli
de diélectrique.
C’est à dire que sa partie transparente doit être pleine d’huile :
les 2 flotteurs noirs de l’appareil sont alors à leur position la plus haute.
Exemple d’un ERT avec un
DGPT
Les contraintes des ERT
Environnement : Obligation d’une rétention totale du diélectrique (huile
minérale ou silicone) pour la protection de l’environnement.
Un transformateur immergé dans l’huile entraîne plusieurs mesures de
protection imposées par la norme NF C 13-100, contre les risques d’épandage
et d’inflammation :
La norme indique par ailleurs des précautions concernant le local ou
l'emplacement quand la distance par rapport à tout autre bâtiment devient
inférieure à 8 mètres :
Si la puissance nominale unitaire de l’un des appareils est supérieure à
630 kVA, le DGPT2 s’impose, entraînant la mise hors tension de l’appareil.
Si elle est inférieure ou égale à 630 kVA, le DGPT2 n’est pas obligatoire.
Classification des
diélectriques liquidesDu point de vue de leur comportement au feu, les diélectriques liquides sont
classés suivant deux caractéristiques : le point de feu et le pouvoir calorifique
inférieur dont la combinaison permet de représenter de façon suffisamment
complète le comportement au feu des produits.
La norme NF C 17-300 classe ainsi les diélectriques liquides par une
désignation comportant une lettre et un chiffre :
-la lettre symbolise le point de feu :
-Le chiffre caractérise le pouvoir calorifique inférieur :
Classe Point feu
O <300
K >300
L Non
mesurable
Classe Pouvoir calorifique
inférieur (Mj/kg)
1 >42
2 32 à 42
3 <32
Caractéristiques des
diélectriquesHuiles minérales: (O1) économiquement intéressant, mais ayant un point feu
relativement bas ce qui peut entraîner certaine contraintes d’installation.
Esters: (K2) organiques de synthèse, biodégradables, non toxiques et non
polluants, ils présentent des points feux élevés (donc difficilement
inflammables), et peuvent être utilisés à la place de l’huile minérale sans
modifier la conception des transformateurs.
Huiles silicones : (K3) ces diélectriques présentent eux aussi des points feux
élevés, ils sont préconisés pour les ERT; toutefois cette solution reste très
occasionnelle car économiquement peu intéressante (certaines caractéristiques
physiques entraînant plusieurs adaptations techniques).
Pyralènes: Les pyralènes, appelés également askarels, forment une famille de
liquides constitués d'un mélange de polychlorobiphényles (PCB). Les pyralènes
sont d'excellents diélectriques, leur principal avantage est leur ininflammabilité.
Mais en cas d’incendie les PCB dégagent des produits toxiques, dioxines ou
furanes, et polluent les nappes phréatiques. Ils sont interdits en France.
Symboles du mode de
refroidissementLe mode de refroidissement d’un transformateur est défini par 4 lettres.
la première indique le fluide de refroidissement INTERNE en contact avec
les enroulements ;
ainsi O correspond à l'huile (Oil en Anglais)
la seconde, le mode de circulation de ce fluide ; deux modes sont possibles
N pour ventilation Naturelle (Natural)
F pour ventilation Forcée (Forced)
la troisième, le fluide de refroidissement EXTERNE ; ainsi A correspond à
Air
la quatrième, le mode de circulation de cet agent extérieur, de type N ou F.
Seuls les transformateurs de type sec pour lesquels les parties actives sont
directement refroidies par l’air extérieur sont définis par deux lettres.
Exemples :
Un transformateur dans l’huile minérale avec :
refroidissement naturel est de type ONAN
ajout de ventilateurs sur les radiateurs devient de type ONAF
fonctionnement possible avec ou sans ventilateur est de type
ONAN/ONAF.
Un transformateur sec enrobé avec :
refroidissement naturel est du type AN.
ajout de ventilateurs devient de type AF.
Exemple d’un transformateur avec de
l’huile minérale O1 et avec un
refroidissement naturel de type ONAN
Les transformateurs secsLes transformateurs secs ne présentent ni risque d'incendie ou de pollution
chaude, ni risque de fuite.
Par contre, ils présentent un certain nombre d'inconvénients :
- nécessité d'un dépoussiérage fréquent sinon risque d'augmentation des
échauffements ;
- mise en œuvre d'une ventilation appropriée ;
-nécessité d'une surveillance et d'un entretien régulier.
Il existe deux types de transformateurs secs
Classe F « enrobé » Classe H « imprégné »
Les transformateurs secs
Leur coût est plus élevé que celui d’un transformateur immergé dans l’huile, à
puissance égale, mais ce choix supprime ou limite les contraintes d’installation.
Le transformateur sec de type F0 nécessite une détection automatique
d’incendie provoquant la mise hors tension du transformateur et le
fonctionnement d’un dispositif d’extinction approprié.
Un transformateur sec enrobé de classe F1 (exemple Trihal) limite
l'inflammabilité par auto extinction du matériel employé et l’absence
d’émissions toxiques et fumées opaques.
Il affranchit de toute mesure de protection contre l’incendie.
Ce type de transformateur est obligatoire pour utilisation dans un IGH.
Un bornier de raccordement des sondes PTC au
convertisseur électronique Z.
Le bornier est équipé d’un connecteur débrochable.
Les sondes PTC sont fournies raccordées au bornier
fixé à la partie supérieure du transformateur.
thermomètre à cadran
Ce thermomètre permet d’indiquer la
température du bobinage basse tension.
Ce thermomètre est raccordé à une sonde
PT 100 et est muni de 2 contacts inverseurs
basculant sur 2 seuils de températures
réglables (alarme : 140°C et déclenchement
: 150°C).
Cette protection thermique n'est pas
appropriée pour le pilotage des
ventilations.
L’Icc aux bornes du transformateur
La tension de court
circuit (Ucc en %)
L’intensité nominale du
transformateur (In en
Ampère)
3.U
PnIn
Pour le calcul de l’intensité de court circuit au niveau des bornes du
transformateur, on utilise la relation suivante :
100/Ucc
InIcc
Pour un transformateur sec de 400kVA l’intensité de court circuit maximum est
de 9,3 kA.
Fin
Merci de votre attention
JB 2009
