C’est l’une de ces questions qui semblent simples mais qui touchent au cœur de la tenue d’un transformateur tout au long de sa durée de vie. Des clients m'ont appelé après un orage, frustrés que leur transformateur soit tombé en panne alors que celui d'en bas de la rue avait survécu. La différence se résume généralement à une chose : la capacité de résistance aux surtensions.
Parlons de ce que cela signifie réellement et pourquoi cela varie d'une unité à l'autre.
Comprendre la capacité de résistance aux surtensions
La capacité de tenue aux surtensions fait référence à la capacité d'un transformateur de type sec à gérer les surtensions transitoires de tension de courte durée qui peuvent atteindre plusieurs fois le niveau de fonctionnement normal. Ce ne sont pas des surcharges lentes qui déclenchent les disjoncteurs. Nous parlons d'événements mesurés en microsecondes : des éclairs à des kilomètres de distance qui induisent des pics de tension sur la ligne, une commutation de batterie de condensateurs qui envoie des ondes progressives dans le réseau d'alimentation ou des opérations de disjoncteur qui reflètent des impulsions de tension à travers le système.
Lorsqu'une surtension frappe un transformateur, elle sollicite le système d'isolation entre les spires, entre les phases et entre les enroulements et la terre. Soit l'isolation tient, soit elle ne tient pas. En cas de panne, vous obtenez des courts-circuits tour à tour, des défauts phase à phase ou une panne d'enroulement à la terre. N'importe lequel de ces éléments signifie que le transformateur se déconnecte et doit souvent être remplacé et non réparé.
Ce que mesure réellement la capacité de résistance aux surtensions
En termes pratiques, la tenue aux surtensions d'un transformateur est quantifiée par son niveau d'impulsion de base (BIL). Il s'agit d'une valeur de tension de crête (telle que 10 kV, 30 kV ou 95 kV) à laquelle le système d'isolation doit survivre lors de tests standardisés. La forme d'onde de test est une impulsion de 1,2/50 microsecondes : elle atteint son maximum en 1,2 microsecondes et décroît jusqu'à la moitié de cette valeur en 50 microsecondes. Cette forme se rapproche du type de contraintes transitoires qu'un transformateur voit dues à la foudre ou aux événements de commutation.
Lorsque vous voyez un transformateur de type sec spécifié avec un BIL de 10 kV pour une unité de classe 600 V ou un BIL de 95 kV pour une unité de classe 15 kV, c'est la surtension pour laquelle il est conçu pour résister sans rupture d'isolation. Cela ne signifie pas que le transformateur « surmonte » la surtension et continue de fonctionner, cela signifie que le système d'isolation survit à l'événement sans tomber en panne.
Pourquoi cela est important dans les applications réelles
C'est ici que je vois la confusion le plus souvent. Quelqu'un suppose que, parce qu'un transformateur est conçu pour 480 V, il peut gérer un pic momentané jusqu'à 1 000 V. Et ce pourrait être le cas une fois. Mais les surtensions induites par la foudre peuvent atteindre 6 kV ou plus sur les systèmes basse tension. Sans BIL adéquat, cet événement perce l’isolation.
Dans les immeubles commerciaux, une panne de transformateur signifie que les ascenseurs s’arrêtent, que le système CVC s’arrête et que les locataires s’énervent. Dans les usines industrielles, cela signifie que les lignes de production s’éteignent, que les matières premières se transforment en ferraille et que les équipes de maintenance font des heures supplémentaires. Le coût du transformateur lui-même est faible par rapport aux temps d’arrêt qu’il provoque.
Ce qui détermine réellement la capacité de résistance aux surtensions
Matériaux d'isolation et construction
Le système d’isolation constitue la première ligne de défense. Dans des transformateurs en résine moulée, comme notreTransformateur sec série SC-les bobinages sont coulés sous vide en époxy dans des conditions contrôlées. Cela élimine les vides où une décharge partielle pourrait commencer. L'époxy lui-même a une rigidité diélectrique élevée, mais la façon dont il se lie aux conducteurs et la façon dont le classement du champ interne est géré aux extrémités des enroulements est tout aussi importante.
Pour les types secs ventilés utilisant du Nomex ou des matériaux similaires, l'isolation des couches et les lignes de fuite déterminent la capacité du transformateur à gérer les surtensions. Les matériaux eux-mêmes sont bons, mais la géométrie – la distance que la poussée doit parcourir le long des surfaces, la façon dont le champ se concentre dans les coins – est tout aussi importante.
Conception du bobinage et classement de tension
C'est la partie que vous ne pouvez pas voir de l'extérieur. Lorsqu'une surtension pénètre dans un enroulement, elle ne se répartit pas uniformément. La chute de tension initiale se concentre sur les premiers tours. Si l'isolation tour à tour n'est pas conçue pour cette contrainte, ces premiers tours échouent.
Les bonnes conceptions utilisent des techniques telles que des enroulements entrelacés ou des spires de démarrage blindées pour classer la tension plus uniformément. Il s'agit d'un travail d'ingénierie détaillé, mais il sépare les transformateurs qui survivent aux surtensions de ceux qui n'y survivent pas.
Qualité de fabricationLa meilleure conception échoue si l’exécution est mauvaise. Des vides dans le moulage, une imprégnation incohérente ou une isolation endommagée lors de l'assemblage créent tous des points faibles où les surtensions trouveront leur chemin. C'est pourquoi nous testons chaque unité, et pas seulement des échantillons de conception, pour détecter les décharges partielles. Il détecte les défauts avant qu'ils ne se transforment en pannes sur le terrain.
Comment la résistance aux surtensions est testée
Le test d'impulsion n'est pas quelque chose que vous faites avec un appareil de mesure portatif. Cela nécessite un générateur d'impulsions qui charge les condensateurs et les décharge à travers les enroulements du transformateur avec un timing et une forme d'onde précis.
Pendant le test, nous appliquons une série d'impulsions au niveau BIL complet - polarité positive et négative - tout en surveillant tout changement dans la forme d'onde indiquant une panne. Nous effectuons également des impulsions de tension réduites à des fins de comparaison. Le transformateur réussit si les formes d'onde enregistrées correspondent avant et après l'application de la pleine tension. Tout écart signifie une défaillance interne.
Nous mesurons également les décharges partielles avant et après les tests d'impulsion. Si la surtension a causé des dommages microscopiques qui n'ont pas provoqué de panne immédiate, les niveaux de décharge partielle augmenteront. Cette unité est rejetée.
Protection externe vs capacité interne
Je dois être clair sur quelque chose : les parafoudres externes et la capacité de résistance aux surtensions internes sont complémentaires et non interchangeables.
Les parafoudres limitent la tension qui atteint les bornes du transformateur. Mais ils ont des limites : ils ne peuvent serrer que très vite et une certaine énergie passe toujours. La propre isolation du transformateur doit gérer ce qui reste. S'appuyer entièrement sur une protection externe sans BIL interne adéquate est un pari que j'ai vu trop souvent perdre.
Pour les applications critiques, nous concevons pour le niveau BIL approprié à l'exposition, et nous recommandons des parafoudres comme protection supplémentaire. Les deux comptent.
Ce que nous faisons différemment
Notre approche commence par comprendre où vivra le transformateur. Une unité entrant dans un centre de données avec une alimentation dédiée et un bon blindage a une exposition différente de celle qui alimente un site industriel distant avec des kilomètres de lignes aériennes.
Nous concevons des systèmes d'isolation pour atteindre ou dépasser les niveaux BIL des normes, mais nous ne nous arrêtons pas là. Nous testons chaque unité de production pour la décharge partielle. Nous vérifions les performances des impulsions sur des tests de type et des unités de production d'échantillons. Nous examinons les détails (conception des terminaisons, lignes de fuite, gradation du champ) qui déterminent si un transformateur survit à sa première saison de foudre.
L'essentiel
La capacité de résistance aux surtensions n’est pas une fonctionnalité de luxe. C'est une exigence de base pour tout transformateur connecté au réseau. La question n'est pas de savoir si votre transformateur en a besoin, mais plutôt de savoir si celui que vous achetez l'a réellement ou prétend simplement l'avoir.
Lorsque vous spécifiez des transformateurs de type sec, demandez la cote BIL. Renseignez-vous sur les tests de décharge partielle. Demandez comment les enroulements sont conçus pour gérer les gradients de tension lors des surtensions. Les réponses distinguent les fournisseurs qui comprennent le risque de ceux qui attendent votre premier appel en cas de panne.
Si vous souhaitez discuter de votre candidature et du niveau de protection pertinent, je serai ravi de vous aider. Nos produits, tels que leTransformateur de type sec série SC, sont conçus pour fournir une alimentation électrique fiable dans divers environnements électriques difficiles. Nous visitons beaucoup de sites et nous avons appris ce qui fonctionne.
Références
- IEEE Std C57.12.01, Exigences générales standard pour la distribution de type sec et les transformateurs de puissance.
- CEI 60076-11, *Transformateurs de puissance – Partie 11 : Transformateurs de type sec.
- IEEE Std C62.22, Guide pour l'application des parafoudres à oxyde métallique pour les systèmes à courant alternatif.
