C’est l’une de ces questions pour lesquelles la réponse courante est souvent simpliste à l’extrême – et parfois tout simplement fausse. J'ai eu des clients qui pensaient qu'un transformateur de mise à la terre était comme un paratonnerre, quelque chose qui attirait les coups et les envoyait à la terre en toute sécurité. Ce n'est pas comme ça que ça marche. Voyons clairement ce que fait réellement un transformateur de mise à la terre en cas de foudre, et ce qu'il ne fait pas.
Premièrement, ce que Lightning fait réellement à un système
Lorsque la foudre frappe une ligne électrique ou à proximité d’une sous-station, elle injecte une énorme impulsion de courant dans le système électrique. Ce courant augmente en microsecondes et peut atteindre des dizaines de milliers d’ampères. La tension au point d'impact tente d'augmenter jusqu'au niveau nécessaire pour pousser ce courant quelque part.
Les dégâts proviennent de cette tension. L'isolation se brise. Les arcs se produisent à travers des dégagements qui auraient dû être sûrs. Les équipements connectés sont soumis à des contraintes pour lesquelles ils n’ont jamais été conçus.
La solution n’est pas d’arrêter la foudre – c’est impossible. Il s'agit de contrôler où va l'énergie et de limiter la tension qui en résulte.
Qu'est-ce qu'un transformateur de terre ?
Un transformateur de terre-parfois appelé transformateur de mise à la terre-n'est pas un dispositif de protection contre la foudre comme l'est un parafoudre. Son travail consiste à créer un point neutre dans un système qui n'en possède pas naturellement, généralement un système connecté en triangle ou un étoile non mis à la terre.
Ce point neutre est connecté à la terre, soit directement, soit via une impédance. Cela permet de fournir un chemin défini pour les courants homopolaires, ceux qui circulent en cas de défaut à la terre.
Sans transformateur de terre, un défaut phase-terre sur un système en triangle n'a pas de chemin de retour à faible impédance. Le courant de défaut est limité par la capacité du système, ce qui signifie qu'il est faible, mais la tension sur les phases sans défaut s'élève jusqu'à des niveaux ligne à ligne ou plus. C'est mauvais pour l'isolation et rend la détection des défauts difficile.
Avec un transformateur de terre, un défaut à la terre devient un événement à faible impédance avec un courant important. Les relais de protection le voient, les disjoncteurs s'ouvrent et le défaut disparaît avant que les dommages ne se propagent.
Où la foudre entre en scène
C'est maintenant ici qu'intervient le lien avec la foudre, et là où commence généralement le malentendu.
Lorsque la foudre frappe un conducteur de phase, elle crée une énorme surintensité. Ce courant doit aller quelque part. Si le système dispose d'un chemin de mise à la terre efficace (via un transformateur de mise à la terre), la surtension peut se propager à la terre de manière contrôlée. Le transformateur fournit un chemin à faible impédance pour la composante homopolaire du courant de foudre.
Mais, et c'est crucial, le transformateur de mise à la terre ne fait pas cela seul. Il fonctionne de concert avec les parafoudres.
Les parafoudres maintiennent la tension à un niveau sûr en conduisant lorsque la tension dépasse un seuil. Le courant circule ensuite à travers les parafoudres, dans le système mis à la terre et à travers le transformateur de terre jusqu'au réseau de terre de la station. L'impédance du transformateur, combinée à la résistance du réseau de terre, détermine la quantité de tension restante pendant la surtension.
Ce que le transformateur de terre apporte réellement
Un chemin défini.Sans référence neutre, le courant de foudre doit trouver son propre chemin vers la terre à travers l'isolation, à travers les gaines des câbles, par le chemin offrant le moins de résistance. Ces chemins ne sont pas conçus pour cela. Résultats des dégâts. Le transformateur de terre fournit un chemin technique.
Stabilisation de tension.Une fois la surtension initiale passée, la tension du système tente de se rétablir. La connexion du transformateur de terre à la terre permet de rétablir une référence neutre stable, réduisant ainsi le risque de défauts consécutifs ou de réamorçages.
Coordination des protections.Les relais de protection ont besoin d'un courant de défaut pour fonctionner. Un contournement induit par la foudre qui se transforme en défaut de suivi de puissance sera éliminé plus rapidement si le transformateur de terre garantit une amplitude de courant de défaut adéquate. Un nettoyage plus rapide signifie moins d’énergie libérée dans l’équipement.
Ce qu'il ne fait pas
Un transformateur de terre n'attire pas la foudre. Il n’absorbe pas l’énergie de la foudre de manière significative. Il ne remplace pas les parafoudres.
J'ai vu des spécifications appelant à un transformateur de mise à la terre pour « protéger contre la foudre » comme s'il s'agissait d'une solution autonome. Ce n'est pas comme ça que ça marche. Les parafoudres limitent la tension. Le transformateur de terre fournit la référence et le chemin. Les deux sont nécessaires.
Types de transformateurs de terre et leur rôle dans les performances en matière de surtension
Transformateurs en zigzagsont les plus courants pour les applications de mise à la terre. Ils offrent une faible impédance aux courants homopolaires (exactement ce que vous souhaitez pour le drainage des courants de défaut et des surtensions de foudre) tout en présentant une impédance élevée aux courants homopolaires et négatifs.
Transformateurs étoile-trianglepeut également servir detransformateurs de mise à la terre. L'enroulement delta fournit un chemin permettant aux courants homopolaires de circuler, créant ainsi une référence neutre. En cas de foudre, l'enroulement en triangle peut aider à répartir l'énergie de surtension entre les phases, réduisant ainsi les contraintes sur n'importe quel point.
Le choix entre eux dépend de la tension du système, du courant de défaut disponible et de la philosophie de protection. Pour les performances contre la foudre, l’un ou l’autre peut fonctionner s’il est correctement coordonné avec les parafoudres.
L'installation est importante - La connexion au réseau de terre
La qualité d'un transformateur de mise à la terre dépend de sa connexion à la terre. Le point neutre doit être connecté à un réseau de mise à la terre à faible résistance. Si la résistance du réseau de terre est élevée, le courant de foudre qui le traverse crée une augmentation de tension qui va à l’encontre de son objectif.
C'est là que je vois des problèmes sur le terrain. Un client installe un transformateur de mise à la terre, le met à la terre sur une seule tige et s'attend à une protection contre la foudre. Ensuite, une grève se produit, la tension au neutre du transformateur monte jusqu'à kilovolts et l'équipement tombe en panne. Le transformateur a fait son travail ; le système de mise à la terre ne l'a pas fait.
La connexion neutre du transformateur de terre doit aller au réseau de terre de la station, avec plusieurs tiges, des conducteurs enterrés et une faible résistance globale. Ce n'est pas négociable.
Considérations relatives à l'entretien
Un transformateur de terre qui reste inutilisé la plupart du temps, ne transportant qu'un courant déséquilibré et un courant de défaut occasionnel, est facile à négliger. Pour que la protection contre la foudre fonctionne en cas de besoin, le transformateur doit être en bon état.
Les tests de résistance d'isolation vérifient que les enroulements ne se sont pas dégradés. Les tests de résistance du réseau de terre confirment que la connexion à la terre ne s'est pas détériorée. Les inspections de connexion détectent les bornes desserrées avant qu'elles ne deviennent des points à haute impédance.
Nous fournissons des directives de maintenance pour chaque transformateur de mise à la terre, adaptées au service et à l'environnement attendus. Pour les zones sujettes à la foudre, des contrôles plus fréquents sont justifiés.
Ce que je dis aux clients sur la protection contre la foudre
Si la foudre vous préoccupe, voici ce dont vous avez besoin :
Premièrement, des parafoudres à chaque point d’entrée de ligne, correctement dimensionnés et coordonnés.
Deuxièmement, un système de mise à la terre à faible impédance comprenant une grille, des tiges et des connexions conçues pour le courant de défaut disponible et les conditions du sol.
Troisièmement, un transformateur de mise à la terre si votre système a besoin d'une référence neutre pour que les deux premiers fonctionnent efficacement.
Le transformateur de terreest le catalyseur. Il permet aux parafoudres de faire leur travail et donne au courant de foudre un chemin qui ne détruit pas l'équipement. Mais cela fait partie d’un système et non d’une solution autonome.
Si vous concevez un système de protection contre la foudre et que vous vous demandez si un transformateur de mise à la terre est adapté, je serai heureux de vous en expliquer les détails. La bonne réponse dépend de la configuration de votre système, des conditions du sol et du niveau de risque acceptable.
Références
- IEEE Std 80, Guide IEEE pour la sécurité lors de la mise à la terre des sous-stations CA.
- IEEE Std C62.22, Guide IEEE pour l'application des parafoudres à oxyde métallique pour les systèmes à courant alternatif.
- CEI 60076-6, Transformateurs de puissance – Partie 6 : Réacteurs (comprend les transformateurs de mise à la terre).
