L e tr ans ansff or ormate mateu u r de pui ssan ancce H T BT Cha Ch api tr tre e 2 Parr Jacqu es BOURBON Pa
L’inventeur Lucien 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 en service une liaison liaison de démonstration (133 Hz) alimentée par du courant alternatif alternatif sous 2000 volts et allant de Turin à Lanzo (80 km 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.
L’inventeur Lucien 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 en service une liaison liaison de démonstration (133 Hz) alimentée par du courant alternatif alternatif sous 2000 volts et allant de Turin à Lanzo (80 km 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.
L e pr i nc ncii pe Un transformateur est constitué d’un circuit magnétique, 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
L es enr oulements 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 :
L e 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.
L es couplages tr iphasé 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
L es couplages en tr iphasé Il également enroulements. Lafaut circulation du coupler courant les nécessite un couplage des enroulements. Un transformateur comprend trois Etchaque trois enroulements secondaire. Par exemple, le couplage de type étoile, où enroulement est raccordé par un enroulements primaire. Par exemplecommun. le couplage de type triangle, ou chaque enroulement est alimenté par deux conducteur phases
L1
Ont peuxCouplage éventuellement Dyn sortir un neutre n L1
L2 Le primaire est alimenté par trois phases en haute tension (20 kV)
L3
L1
L1 a
Au secondaire d’un transformateur triphasé, trois phases sont A disponibles B c en basse b tension (400 V).
L2
L3C L2 L3 Couplage L2 étoile Couplage delta L3 symbolisé symbolisé par la lettre D par la lettre y
L’indice horaire Le couplage étoile triangle (Dy) sous la forme vectorielle, estcompare la mesure d’angle Si on Sur la plaque signalétique sont indiqués le couplage et l’indice horaire. représenté ainsi: en degré avec le système 330° 360° sexagésimal (base 60, les 12 Dyn 11 Ont dit alors que la phase 111 est à 11 heures heures), on a donc 360°/12h soit Chaque phase est décalée 30° par heure. L1 de 120°, donc pour les trois phases on a 360° L1 Entre chaque phase il y a L’aiguille des un décalage de 120° soit heures d’une 4 heures. horloge fait le tour L2 du cadran en 12 3 9 heures.
L3 8
L3
L2 4
Plaque signalétique d’un
transformateur
Les compatibilités d’indices horaires Un transformateur existant Dyn11
Sont-ils compatibles ? L1 L2
11 On vérifie les n L2 tensions, et le sens du champ tournant L1 de chaque Un nouveau transformateur vient s’ajouter transformateur. L3
pour être raccordé en parallèle Dyn7
Et pourtant…… L2 L3
L1 L2 L3 n
Les indices horaires 11,7 et 3 sont compatibles. Mais pas avec les autres indices !
L1 L3 7
Les deux transformateurs sont compatibles, mais en branchant les phases L1 du Dyn11 avec L2 du Dyn7 …….
Les groupes d’indices horaires 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)
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.
Ré glages en fonction de la tension H TA 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.
Ré glage de tension par commutateur Les manœuvres des changeurs de prises ou de tension sont effectuées transformateur hors tension, et hors charge.
Refroidissement des transformateurs Le 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
Les transformateurs secs, à refroidissement
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.
L es tran sfo rm ateu rs resp iran ts 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 conservateur Pour 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 é tan c h e r em p lis s ag e to tal Transformateurs 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 DGPT Dispositif 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
L es contr aintes des ERT 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 : 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.
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 :
Environnement : Obligation d’une rétention totale du diélectrique (huile
Class ification d es d ié lec triq u es liq u id es Du 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
Car ac té ris tiq u es d es d ié lec triq u es Huiles 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.
Sy m b o l es d u m o d e d e refroidissement Le 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 tran sform ateurs secs Les 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
L es tr ansformateurs 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
th erm o m ètre àc ad ran 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) In
Pn
U . 3
Pour le calcul de l’intensité de court circuit au niveau des bornes du transformateur, on utilise la relation suivante : Icc
In
Ucc / 100
Pour un transformateur sec de 400kVA l’intensité de court circuit maximum est de 9,3 kA.
