Ferro-résonance dans les transformateurs sur socle : Ce que tout fabricant de transformateurs sur socle souhaite que les prescripteurs sachent

 

En tant que fabricant de transformateurs de type poste enfoui , nous constatons systématiquement la même défaillance, dans le même ordre. Une unité montée sur patin est remplacée pour entretien. Le parafoudre de poteau situé à l’extrémité du câble tombe en panne. L’équipe remplace le parafoudre, réenclenche l’unité, et le remplacement tombe à nouveau en panne quelques mois plus tard – parfois même en quelques semaines. Le transformateur lui-même donne des résultats conformes à chaque vérification routinière. Aucune anomalie n’apparaît sur la plaque signalétique. Ce qui endommage le parafoudre, c’est la ferroresonance, et ce n’est presque jamais la faute du parafoudre.

Ce qu’est réellement la ferroresonance

 

Un noyau de transformateur n’est pas une inductance linéaire. En dessous du point de saturation, sa réactance magnétisante est élevée. À mesure que le noyau s’approche de la saturation, cette réactance s’effondre. Introduisez un composant présentant ce comportement dans un circuit contenant également une capacité — par exemple la capacité entre gaine et conducteur d’un câble souterrain, la capacité de gradation d’un disjoncteur, la capacité d’un isolateur ou d’un banc de condensateurs — et une perturbation due à une manœuvre peut entraîner le circuit dans une oscillation que ni l’élément inductif ni l’élément capacitif, pris séparément, ne pourraient produire.

Telle est la définition complète, et elle explique également pourquoi la ferro-résonance dans les transformateurs ne correspond pas à la résonance bien définie que l’on calcule à partir de XL = XC. Avec une inductance linéaire, il n’existe qu’une seule fréquence de résonance et un seul état stationnaire. Avec un noyau saturable, il en existe plusieurs, et le circuit peut basculer brusquement de l’un à l’autre. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) décrit quatre modes d’oscillation principaux : la ferro-résonance à la fréquence fondamentale, à la fréquence du réseau ; la ferro-résonance sous-harmonique, à une fraction de la fréquence du réseau, le plus souvent un tiers ; la ferro-résonance quasi-périodique, avec des formes d’onde irrégulières ; et la ferro-résonance chaotique, sans aucun motif répétitif. Des surtensions persistantes dans ces modes peuvent atteindre cinq à six fois la tension nominale de ligne, ce qui dépasse largement les niveaux prévus par la coordination de l’isolement d’un enroulement de distribution pour des contraintes continues à la fréquence du réseau.

Deux unités portant des plaques signalétiques identiques peuvent présenter un comportement totalement différent. Le mode dans lequel se stabilise un circuit dépend de l’inductance, de la capacité, de l’amplitude de la tension et des conditions initiales — ce qui signifie, en pratique, qu’il dépend de l’instant précis de la fermeture de l’interrupteur. C’est pourquoi une étude fondée uniquement sur des valeurs nominales ne permettra pas de la détecter, et pourquoi la même manœuvre de commutation peut s’effectuer sans problème cent fois de suite, puis échouer à la cent unième.

Si vous travaillez actuellement à partir d’une spécification sur support fixe, notre équipe d’ingénierie examinera le circuit primaire avec vous avant que la valeur nominale ne soit figée. Envoyez-nous le schéma unifilaire et nous passerons en revue ensemble les quatre conditions.

Les quatre conditions qui doivent coïncider

 

La ferro-résonance est capricieuse. Elle nécessite simultanément quatre conditions : un secondaire à vide, une forte capacité primaire, une commutation commutation monophasée et un noyau qui sature à une surtension modérée — ce qui explique précisément pourquoi elle n’apparaît jamais dans une étude de flux de charge et pourquoi elle est si difficile à reproduire dans une salle d’essais.

Condition	Pourquoi cela compte	Où elle apparaît concrètement
Secondaire à vide ou faiblement chargé	La résistance de charge amortit les oscillations ; un secondaire vide n’offre aucun amortissement	Nouvelle subdivision avant occupation, arrêt saisonnier de l’usine, unité conservée en réserve
Forte capacité primaire	La capacité par unité de longueur de la gaine du câble est nettement supérieure à celle d’une ligne aérienne	Alimentation souterraine longue, câble montant, armoire de réseau, service industriel alimenté par câble
Commutation asymétrique	Laisse une ou deux phases isolées, mais toutefois encore couplées capacitivement à la source	Disjoncteurs monophasés, un fusible fondu, réenclencheurs monopolarisés, manœuvres d’embouts
Noyau qui sature à une surtension modérée	L’inductance de magnétisation s’effondre, permettant au circuit de basculer entre différents points de fonctionnement	Noyaux modernes à faibles pertes et conceptions fonctionnant à une densité d’induction plus élevée

 

Supprimez l’un quelconque des quatre éléments et le phénomène ne démarre généralement pas. C’est précisément ce point qui est utile, car cela signifie qu’il existe quatre endroits distincts où l’on peut éliminer ce phénomène par conception — et la solution la moins coûteuse consiste presque toujours à modifier l’agencement de la commutation. C’est également le moment où la discussion doit passer d’un devis à une sélection, et c’est la première chose qu’un fabricant de transformateurs de type poste enfoui doit soulever avec vous.

Ce qu’il fait à l’unité avant que quiconque ne s’en aperçoive

 

La défaillance que l’équipe remarque en premier se produit généralement au niveau du parafoudre , et non à l’intérieur du réservoir. Un parafoudre à oxyde métallique est une résistance qui ne devient conductrice qu’au-delà de sa tension nominale. Une surtension ferro-résonnante prolongée le maintient en conduction et transforme l’oscillation en chaleur à l’intérieur d’un bloc en céramique, dimensionné pour des impulsions de durée microseconde et un cycle de service défini. Les données de référence Eaton sur la protection contre les surtensions des transformateurs posés au sol énoncent clairement la limite : les parafoudres réduisent les surtensions, mais ne les éliminent pas ; plus le cycle de service du parafoudre est élevé, plus il contient de matériau conducteur et plus longtemps il résiste à une surtension avant de tomber en panne. Un parafoudre de distribution à faible capacité, parfaitement adapté aux coups de foudre, n’est pas dimensionné pour supporter plusieurs minutes d’énergie à fréquence industrielle. Données de référence Eaton TC202005EN — Protection contre les surtensions des transformateurs posés au sol (https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/medium-voltage-power-distribution-control-systems/cooper-power-series-transformers/overvoltage-protection-for-pad-mounted-transformers-information-tc202005en.pdf)

Derrière le parafoudre, les dégâts sont plus discrets et plus difficiles à détecter lors d’un essai de routine. Les surfaces des isolateurs présentent des traces de suivi là où s’est produite la rupture diélectrique. L’isolation des enroulements est percée au point où l’oscillation atteint son maximum, et cette perforation est souvent si petite qu’un essai de rapport de transformation donne encore un résultat conforme. Le noyau chauffe excessivement, car l’excursion du flux dépasse largement la conception prévue, et la chaleur est ce qui réduit la durée de vie de l’isolation. La défaillance du parafoudre est généralement la première conséquence, mais pas la seule.

Il existe également un symptôme qui n’a rien de électrique. Une unité en ferro-résonance produit fréquemment un bourdonnement ou un cliquetis à basse fréquence, différent du bourdonnement normal dû à la magnétostriction — irrégulier, non uniforme et suffisamment fort pour que les équipes le remarquent avant toute intervention d’un relais. Considérez-le comme un signal d’alerte, et non comme une simple nuisance.

 

La commutation monophasée est le déclencheur que vous pouvez maîtriser

 

Parmi les quatre conditions, la commutation asymétrique est celle qu’un concepteur peut éliminer en une seule ligne d’article. Commutation monophasée d’un groupe de transformateurs triphasés — qu’il s’agisse de coupe-circuits, d’un fusible grillé ou d’un dispositif de réenclenchement unipolaire — laisse le groupe partiellement sous tension et couplé capacitivement à la source, ce qui constitue l’initiateur classique dans les systèmes de distribution alimentés par câble.

La norme IEEE Std C57.105-2019, guide d’application des connexions de transformateurs dans les systèmes électriques triphasés, traite ces interactions entre connexions et commutations comme un critère de conception plutôt que comme un accident : IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Cette norme existe précisément parce que l’interaction entre la connexion d’un transformateur et le circuit environnant détermine si un système fonctionne correctement ou non.

Ce qui fonctionne sur le terrain est peu spectaculaire. Commutez les trois phases simultanément à l’aide d’un dispositif à commande groupée, plutôt que de sectionneurs monophasés, chaque fois que la configuration le permet. Lorsque l’emploi de dispositifs monophasés est inévitable, maintenez une petite charge résistive permanente au secondaire pendant la commutation, afin que l’oscillation puisse se dissiper dans cette charge. Une résistance d’amortissement ou un circuit de suppression de la ferro-résonance placé en parallèle avec l’enroulement constitue la couche suivante, et une parafoudre sélectionnée pour les surtensions temporaires plutôt que pour la foudre uniquement est la dernière mesure.

Aucune de ces mesures ne nécessite du matériel exotique. Il suffit de définir simultanément le schéma de commutation et le cycle de service des parafoudres au moment du choix de la puissance nominale du transformateur, et non pas après la pose définitive du câble.

Cinq éléments à inclure dans la demande de devis

 

Connexion et mise à la terre des enroulements. Indiquez si une alimentation primaire en étoile avec neutre mis à la terre est acceptable. Une alimentation primaire en triangle non mise à la terre sur une longue longueur de câble constitue la configuration la plus à risque qui soit, et cette réponse modifie entièrement la problématique des surtensions.

Type principal de dispositif de commutation. Interrupteur de charge triphasé à commande groupée, réenclenchement triphasé ou fusibles monophasés. Si l’utilisation de dispositifs monophasés est inévitable, précisez-le, car cela modifie le parafoudre sélection.

Classe du parafoudre, son cycle d’emploi, sa tension maximale continue (MCOV) et sa capacité à supporter les surtensions temporaires. « Parafoudres inclus » ne constitue pas une spécification. Exigez un parafoudre dimensionné pour résister aux surtensions temporaires, et non uniquement aux coups de foudre.

Tableau des câbles. Section, longueur et type d’isolation de chaque tronçon primaire. La capacité de la gaine constitue l’autre moitié du circuit résonant et n’apparaît pas sur un tableau de désignation standard.

Amortissement secondaire. Préciser si une faible charge permanente ou une résistance d’amortissement restera connectée au secondaire pendant les manœuvres de commutation, ainsi que le pourcentage de la puissance nominale qu’elle représente.

Ce que demande un fabricant de transformateurs enrobés avant votre commande

 

Sur tout projet comportant de longues longueurs de câbles principaux, le premier document que nous demandons n’est pas le tableau des plaques signalétiques. Il s’agit du schéma unifilaire indiquant les longueurs de câbles et la disposition des interrupteurs, car ces deux éléments déterminent si le risque de surtension est négligeable ou réel. A fabricant de transformateurs de type poste enfoui celui qui établit un devis uniquement à partir de la liste des transformateurs fournit un prix pour une unité, non pour une solution.

Chaque unité subit une séquence d’essais normalisée, au cours de laquelle les pertes à vide et le courant d’aimantation sont enregistrés. Ces deux valeurs constituent les données d’entrée permettant de transformer une question de ferro-résonance d’une simple opinion en un calcul concret, et nous les transmettrons à votre ingénieur-conseil avant expédition, sur demande.

Ryan Electric fabrique des transformateurs de distribution et de puissance depuis 2007, à partir d’une base de production de 120 000 m² équipée de plus de 180 ensembles d’équipements de production et d’essai ainsi que de 37 brevets. Depuis 2023, l’entreprise opère en tant que partenaire officiel de coentreprise d’Eaton, ce qui explique pourquoi nous considérons la coordination entre parafoudres et dispositifs de commutation comme faisant partie intégrante du périmètre du transformateur, plutôt que comme un problème relevant d’un tiers.

Un scénario que nous observons fréquemment sur les chantiers de lotissements en Amérique du Nord consiste en une petite unité triphasée — de 75 kVA à 500 kVA — située à l’extrémité d’une dérivation souterraine longue, alimentée via des fusibles monophasés, et desservant une charge qui ne sera pas encore présente pendant un an. Toutes les conditions énumérées se produisent simultanément, et le site reste inutilisé pendant plusieurs mois. Lorsque le concepteur remplace les fusibles par un interrupteur à commande groupée et maintient une faible charge résistive au secondaire durant la phase de mise en service, les défaillances des parafoudres cessent.

Si vous spécifiez des unités sur socle dans un système alimenté par câble, envoyez-nous le schéma unifilaire et le tableau des câbles avant de passer la commande. Nous examinerons l’arrangement de commutation, les caractéristiques du parafoudre et l’amortissement secondaire par rapport à votre circuit réel, puis nous vous indiquerons laquelle des quatre conditions s’applique — et laquelle vous avez déjà éliminée par conception. C’est là le type de discussion qu’un fabricant de transformateurs de type poste enfoui devrait avoir avec vous avant la passation de la commande, et non après la première défaillance d’un parafoudre.

À propos de l'auteur

Cet article a été rédigé par l’équipe d’ingénierie des transformateurs Ryan Electric. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) conçoit et fabrique des transformateurs secs à résine moulée et à imprégnation sous vide (VPI), des transformateurs immergés dans l’huile et des unités sur socle sur sa base de fabrication de 120 000 m², desservant des projets de centres de données, industriels, de services publics et d’infrastructures en Amérique du Nord, en Asie du Sud-Est, au Moyen-Orient et en Afrique.