Tout sur la protection des transformateurs et les circuits de protection des transformateurs

Les transformateurs sont l'un des composants les plus critiques et les plus coûteux de tout système de distribution. Il s'agit d'un appareil statique fermé généralement trempé dans l'huile, et par conséquent, les défauts qui s'y produisent sont limités. Mais l'effet d'un défaut rare peut être très dangereux pour le transformateur, et le long délai de réparation et de remplacement des transformateurs aggrave encore les choses. Par conséquent , la protection des transformateurs de puissance devient très cruciale.

Les défauts survenant sur un transformateur sont principalement divisés en deux types, qui sont, les défauts externes et les défauts internes, pour éviter tout danger pour le transformateur, un défaut externe est éliminé par un système de relais complexe dans les plus brefs délais. Les défauts internes sont principalement basés sur des capteurs et des systèmes de mesure. Nous parlerons de ces processus plus loin dans l'article. Avant d'y arriver, il est important de comprendre qu'il existe de nombreux types de transformateurs et dans cet article, nous aborderons principalement le transformateur de puissance utilisé dans les systèmes de distribution. Vous pouvez également en apprendre davantage sur le fonctionnement du transformateur de puissance pour en comprendre les bases.

Les fonctions de protection de base comme la protection contre la surexcitation et la protection basée sur la température peuvent reconnaître les conditions qui conduisent finalement à une condition de défaillance, mais la protection complète du transformateur fournie par les relais et les transformateurs de courant est appropriée pour les transformateurs dans les applications critiques.

Dans cet article, nous parlerons donc des principes les plus courants utilisés pour protéger les transformateurs contre les pannes catastrophiques.

Protection des transformateurs pour différents types de transformateurs

Le système de protection utilisé pour un transformateur de puissance dépend des catégories du transformateur. Un tableau ci-dessous montre que,

Catégorie	Estimation du transformateur - KVA
1 phase	3 phases
je	5 - 500	15 à 500
II	501 - 1667	501 - 5 000
III	1668 - 10 000	5001 - 30 000
IV	> 10 000	> 30 000

• Les transformateurs dans la plage de 500 KVA relèvent de la catégorie I et II, ils sont donc protégés par des fusibles, mais pour protéger les transformateurs jusqu'à 1000 kVA (transformateurs de distribution pour 11 kV et 33 kV), des disjoncteurs moyenne tension sont généralement utilisés.
• Pour les transformateurs de 10 MVA et plus, qui relèvent de la catégorie III et IV, des relais différentiels ont dû être utilisés pour les protéger.

De plus, les relais mécaniques tels que les relais Buchholtz et les relais de pression soudaine sont largement utilisés pour la protection des transformateurs. En plus de ces relais, la protection contre les surcharges thermiques est souvent mise en œuvre pour prolonger la durée de vie d'un transformateur plutôt que pour détecter les défauts.

Types courants de protection de transformateur

1. Protection contre la surchauffe
2. Protection contre les surintensités
3. Protection différentielle du transformateur
4. Protection contre les défauts de terre (restreinte)
5. Relais Buchholz (détection de gaz)
6. Protection contre les flux excessifs

Protection contre la surchauffe dans les transformateurs

Les transformateurs surchauffent en raison des surcharges et des conditions de court-circuit. La surcharge admissible et la durée correspondante dépendent du type de transformateur et de la classe d'isolation utilisée pour le transformateur.

Des charges plus élevées peuvent être maintenues pendant une durée très courte si elle est très longue, cela peut endommager l'isolation en raison d' une élévation de température au-dessus d'une température maximale supposée. La température dans le transformateur refroidi à l'huile est considérée comme maximale lorsque ses 95 * C, au-delà desquels la durée de vie du transformateur diminue et cela a des effets néfastes sur l'isolation du fil. C'est pourquoi la protection contre la surchauffe devient essentielle.

Les gros transformateurs ont des dispositifs de détection de température d' huile ou d'enroulement, qui mesurent la température de l' huile ou des enroulements, il existe généralement deux méthodes de mesure, l'une est appelée mesure de point chaud et la seconde est appelée mesure d'huile supérieure, l'image ci-dessous montre un thermomètre avec boîtier de contrôle de température de reinhausen utilisé pour mesurer la température d'un transformateur de type conservateur isolé par liquide.

La boîte a un comparateur qui indique la température du transformateur (qui est l'aiguille noire) et l'aiguille rouge indique le point de consigne de l' alarme. Si l'aiguille noire dépasse l'aiguille rouge, l'appareil activera une alarme.

Si nous regardons vers le bas, nous pouvons voir quatre flèches à travers lesquelles nous pouvons configurer l'appareil pour qu'il agisse comme une alarme ou un déclenchement ou ils peuvent être utilisés pour démarrer ou arrêter des pompes ou des ventilateurs de refroidissement.

Comme vous pouvez le voir sur la photo, le thermomètre est monté sur le dessus du réservoir du transformateur au-dessus du noyau et de l'enroulement, c'est ainsi parce que la température la plus élevée va être au centre du réservoir à cause du noyau et des enroulements. Cette température est connue sous le nom de température supérieure de l'huile. Cette température nous donne une estimation de la température du point chaud du noyau du transformateur. Les câbles à fibres optiques actuels sont utilisés dans l'enroulement basse tension pour mesurer avec précision la température du transformateur. C'est ainsi que la protection contre la surchauffe est mise en œuvre.

Protection contre les surintensités dans le transformateur

Le système de protection contre les surintensités est l'un des premiers systèmes de protection développés, le système de surintensité graduelle a été développé pour se prémunir contre les conditions de surintensité. les distributeurs d'énergie utilisent cette méthode pour détecter les défauts à l'aide des relais IDMT. c'est-à-dire que les relais ayant:

1. Caractéristique inverse, et
2. Durée minimale de fonctionnement.

Les capacités du relais IDMT sont limitées. Ces types de relais doivent être réglés de 150% à 200% du courant nominal maximal, sinon les relais fonctionneront pour des conditions de surcharge d'urgence. Par conséquent, ces relais fournissent une protection mineure pour les défauts à l'intérieur du réservoir du transformateur.

Protection différentielle du transformateur

La protection différentielle de courant polarisé en pourcentage est utilisée pour protéger les transformateurs de puissance et c'est l'un des schémas de protection de transformateur les plus courants qui offre la meilleure protection globale. Ces types de protection sont utilisés pour les transformateurs de puissance supérieure à 2 MVA.

Le transformateur est connecté en étoile d'un côté et en triangle de l'autre côté. Les TC du côté étoile sont connectés en triangle et ceux du côté connecté en triangle sont connectés en étoile. Le neutre des deux transformateurs est mis à la terre.

Le transformateur a deux bobines, l'une est la bobine de fonctionnement et l'autre est la bobine de retenue. Comme son nom l'indique, la bobine de retenue est utilisée pour produire la force de retenue, et la bobine d'actionnement est utilisée pour produire la force de fonctionnement. La bobine de retenue est connectée à l'enroulement secondaire des transformateurs de courant, et la bobine de fonctionnement est connectée entre le point équipotentiel du TC.

Protection différentielle du transformateur fonctionnant:

Normalement, la bobine de fonctionnement ne transporte pas de courant car le courant est adapté des deux côtés des transformateurs de puissance, lorsqu'un défaut interne se produit dans les enroulements, l'équilibre est modifié et les bobines de fonctionnement du relais différentiel commencent à produire un courant différentiel entre les deux côtés. du transformateur. Ainsi, le relais déclenche les disjoncteurs et protège le transformateur principal.

Protection contre les défauts de terre restreinte

Un courant de défaut très élevé peut circuler lorsqu'un défaut se produit au niveau de la traversée du transformateur. Dans ce cas, le défaut doit être résolu dès que possible. La portée d'un dispositif de protection particulier ne doit être limitée qu'à la zone du transformateur, ce qui signifie que si un défaut à la terre se produit à un emplacement différent, le relais alloué pour cette zone doit se déclencher et les autres relais doivent rester les mêmes. C'est pourquoi le relais est nommé relais de protection contre les défauts de terre restreints.

Dans l'image ci-dessus, l' équipement de protection se trouve du côté protégé du transformateur. Supposons qu'il s'agit du côté primaire et supposons également qu'il y ait un défaut à la terre du côté secondaire du transformateur. Maintenant, s'il y a un défaut côté terre, à cause du défaut terre, un composant zéro séquence sera là, et qui ne circulera que du côté secondaire. Et cela ne sera pas reflété dans le côté primaire du transformateur.

Ce relais a trois phases, si un défaut se produit, ils auront trois composants, les composants de séquence positive, les composants de séquence négative et les composants de séquence zéro. Comme les composants des sequins positifs sont décalés de 120 *, donc à tout instant, la somme de tous les courants circulera à travers le relais de protection. Ainsi, la somme de leurs courants sera égale à zéro, car ils sont décalés de 120 *. Le cas est similaire pour les composants de séquence négative.

Supposons maintenant qu'une condition de défaut se produit. Ce défaut sera détecté par les TC car il a un composant homopolaire et le courant commence à circuler à travers le relais de protection, lorsque cela se produit, le relais se déclenche et protège le transformateur.

Relais Buchholz (détection de gaz)

L'image ci-dessus montre un relais Buchholz. Le relais Buchholtz est installé entre le transformateur principal et le réservoir du conservateur lorsqu'un défaut survient dans le transformateur, il détecte le gaz résolu à l'aide d'un interrupteur à flotteur.

Si vous regardez de près, vous pouvez voir une flèche, du gaz s'écoule du réservoir principal vers le réservoir du conservateur, normalement il ne devrait pas y avoir de gaz dans le transformateur lui-même. La plupart du gaz est appelé gaz dissous et neuf types différents de gaz peuvent être produits en fonction de la condition de défaut. Il y a deux vannes en haut de ce relais, ces vannes sont utilisées pour réduire l'accumulation de gaz, et elles sont également utilisées pour prélever un échantillon de gaz.

Lorsqu'une condition de défaut se produit, nous avons des étincelles entre les enroulements ou entre les enroulements et le noyau. Ces petites décharges électriques dans les enroulements chaufferont l'huile isolante, et l'huile se décomposera, donc elle produit des gaz, la gravité de la panne, détecte quels verres sont créés.

Une décharge d'énergie importante entraînera une production d'acétylène et, comme vous le savez peut-être, l'acétylène nécessite beaucoup d'énergie pour être produit. Et vous devez toujours vous rappeler que tout type de défaut produira des gaz, en analysant la quantité de gaz, nous pouvons trouver la gravité du défaut.

Comment fonctionne le relais Buchholz (détection de gaz)?

Comme vous pouvez le voir sur l'image, nous avons deux flotteurs: un flotteur supérieur et un flotteur inférieur, ainsi qu'un déflecteur qui pousse vers le bas le flotteur inférieur.

Lorsqu'un gros défaut électrique se produit, il produit beaucoup de gaz que le gaz s'écoule à travers le tuyau, ce qui déplace le déflecteur et qui force le flotteur inférieur vers le bas, maintenant nous avons une combinaison, le flotteur supérieur est vers le haut et le flotteur inférieur est vers le bas et le déflecteur s'est incliné. Cette combinaison indique qu'une faute massive s'est produite. qui arrête le transformateur et génère également une alarme. L'image ci-dessous montre exactement cela,

Mais ce n'est pas le seul scénario où ce relais peut être utile, imaginez une situation où à l'intérieur du transformateur il y a un arc mineur qui se produit, ces arcs produisent une petite quantité de gaz, ce gaz produit une pression à l'intérieur du relais et le le flotteur supérieur descend en déplaçant l'huile à l'intérieur, maintenant le relais génère une alarme dans cette situation, le flotteur supérieur est abaissé, le flotteur inférieur est inchangé et le déflecteur est inchangé si cette configuration est détectée, nous pouvons être sûrs que nous avons une lente accumulation de gaz. L'image ci-dessous montre exactement cela,

Maintenant, nous savons que nous avons un défaut, et nous allons purger une partie du gaz à l'aide de la vanne au-dessus du relais et analyser le gaz pour trouver la raison exacte de cette accumulation de gaz.

Ce relais peut également détecter des conditions où le niveau d'huile isolante chute en raison de fuites dans le châssis du transformateur, dans cette condition, le flotteur supérieur tombe, le flotteur inférieur tombe et le déflecteur reste dans la même position. Dans cette condition, nous obtenons une alarme différente. L'image ci-dessous montre le fonctionnement.

Avec ces trois méthodes, le relais Buchholz détecte les défauts.

Protection contre les flux excessifs

Un transformateur est conçu pour fonctionner à un niveau de flux fixe dépassant ce niveau de flux et le noyau est saturé, la saturation du noyau provoque un échauffement dans le noyau qui suit rapidement les autres parties du transformateur qui conduit à une surchauffe des composants, donc plus une protection contre le flux devient nécessaire, car elle protège le noyau du transformateur. Des situations de sur-flux peuvent se produire en raison d'une surtension ou d'une réduction de la fréquence du système.

Pour protéger le transformateur contre les flux excessifs, le relais de flux excessif est utilisé. Le relais de sur-flux mesure le rapport tension / fréquence pour calculer la densité de flux dans le cœur. Une augmentation rapide de la tension due à des transitoires dans le système d'alimentation peut provoquer un flux excessif, mais les transitoires s'éteignent rapidement, par conséquent, le déclenchement instantané du transformateur n'est pas souhaitable.

La densité de flux est directement proportionnelle au rapport tension / fréquence (V / f) et l'instrument doit détecter le rapport si la valeur de ce rapport devient supérieure à l'unité, ceci est fait par un relais basé sur un microcontrôleur qui mesure la tension et la fréquence en temps réel, puis il calcule le taux et le compare aux valeurs pré-calculées. Le relais est programmé pour un temps minimum défini inverse (caractéristiques IDMT). Mais le réglage peut être fait manuellement si c'est une exigence. De cette manière, l'objectif sera atteint sans compromettre les protections contre les sur-flux. Maintenant, nous voyons à quel point il est important d'empêcher le déclenchement du transformateur de sur-fluxer.

J'espère que vous avez apprécié l'article et appris quelque chose d'utile. Si vous avez des questions, laissez-les dans la section commentaires ou utilisez nos forums pour d'autres questions techniques.