Transformateurs de mise à la terre : Quand spécifier une unité en zigzag et comment la dimensionner correctement

Le printemps dernier, un ingénieur d’usine de l’Ohio nous a envoyé un courriel concernant une boucle 13,8 kV alimentant trois bâtiments de production. Un défaut phase-terre parcourait ce réseau depuis deux semaines — les relais de protection détectaient presque rien, car la boucle constituait un système isolé de la terre sans chemin de séquence homopolaire permettant au courant de défaut de revenir. Lorsque l’entrepreneur a finalement découvert l’épissure de câble calcinée, deux variateurs de vitesse de moteurs de 500 ch avaient déjà échoué sur les phases saines. La solution qu’il a commandée était un transformateur de mise à la terre de classe 15 kV transformateur de mise à la terre doté d’un enroulement en zigzag. Sa question, concise, était la suivante : « Quel courant nominal dois-je indiquer sur le bon de commande — pour une durée de 10 secondes ou en régime continu ? »

Cette question est plus fréquente qu’elle ne devrait l’être, et c’est précisément à ce stade que les spécifications sont souvent erronées. Voici ce que nous expliquons aux acheteurs lorsque cette question surgit dans leur projet.

 

 

Ce que fait réellement un transformateur de mise à la terre

Ce n’est pas un transformateur de distribution au sens habituel du terme. Une unité de mise à la terre comme celle-ci ne supporte pratiquement aucune charge en fonctionnement normal. Sa fonction consiste à créer un point neutre artificiel sur un réseau qui n’en possède pas — typiquement un réseau connecté en triangle, ou un réseau en étoile dont la borne neutre n’est pas accessible ou ne peut pas être reliée directement à la terre.

Lorsqu’un défaut phase-terre se produit sur un réseau isolé de la terre, le courant de défaut n’a nulle part où circuler, sauf à travers la capacité répartie des câbles et des enroulements, qui est faible. La protection ne peut donc pas éliminer le défaut, et le réseau continue de fonctionner avec une phase à potentiel de terre, tandis que les phases saines passent à la tension composée complète — environ 1,73 fois la tension normale entre phase et neutre, avec des dépassements transitoires possibles lors d’un arc intermittent. Les moteurs et les câbles des phases saines subissent cette contrainte, ce qui entraîne des défaillances d’isolement, souvent plusieurs semaines plus tard et loin du lieu réel du défaut.

Connectez une unité en zigzag avec son neutre mis à la terre, et l’image change. L’enroulement offre un chemin à faible impédance pour les courants homopolaires ; le courant de défaut revient alors par le transformateur, et les dispositifs de protection peuvent enfin le détecter et déclencher. Dans un enroulement en zigzag (étoile interconnectée), chaque phase transporte environ un tiers du courant de défaut homopolaire, ce qui explique pourquoi ces unités sont physiquement compactes par rapport à la charge qu’elles protègent.

 

Zigzag contre étoile-triangle : quel enroulement doit figurer dans votre cahier des charges ?

Les acheteurs nous interrogent sur deux méthodes courantes de construction d’un transformateur de mise à la terre : le zigzag et l’étoile-triangle.

Comparaison	Zigzag (étoile interconnectée)	Étoile-triangle
Courant de charge normal	Quasiment nul — uniquement le courant magnétisant	Peut également alimenter une charge auxiliaire en triangle, si spécifié
Impédance homopolaire	Faible, maîtrisable par conception	Faible, fixé par la géométrie de l’enroulement
Dimensions physiques	Compact, coût le plus bas	Plus volumineux, coût plus élevé
Utilisation typique	Fonction de mise à la terre pure sur les réseaux de 480 V à 34,5 kV	Mise à la terre plus charge auxiliaire ou de service de sous-station
Puissances nominales courantes	400 A pendant 10 s ; continu pour la fonction HRG	Souvent dimensionné pour un fonctionnement continu

Pour un projet dont le seul besoin est un point neutre, le transformateur en zigzag est presque toujours le bon choix — il est plus petit, moins coûteux et plus facile à monter à l’intérieur d’une enveloppe extérieure. Nous fabriquons les deux types dans notre usine, mais environ neuf commandes de mise à la terre sur dix que nous expédions sont des unités en zigzag. Spécifiez uniquement la configuration étoile-triangle lorsque l’unité doit également alimenter une charge auxiliaire, telle qu’un tableau de service de station côté triangle.

 

Régime continu contre régime à courte durée : la décision de spécification la plus déterminante

C’est cette décision qui a provoqué l’appel téléphonique de l’ingénieur de l’Ohio, et c’est celle que la plupart des acheteurs prennent à tort.

A transformateur de mise à la terre qui fonctionne avec un système mis à la terre à faible résistance est conçu pour un régime à courte durée . Le résistor de mise à la terre du neutre du système (NGR) limite le courant de défaut à la terre à une valeur prédéfinie — généralement 400 A, parfois 200 A ou 600 A — et le dispositif de protection élimine le défaut en quelques secondes. Le transformateur est donc dimensionné pour supporter ce courant pendant une durée déterminée, habituellement 10 secondes, conformément aux procédures d’essai IEEE C57.32. Dimensionner une unité à courte durée comme « continue » entraîne un surcoût inutile en cuivre et en noyau ; dimensionner une unité à service continu comme « 10 secondes » constitue un risque pour la sécurité.

Sur un mise à la terre à haute résistance (HRG), le courant est délibérément limité à environ 5 A ou 10 A, et le système continue de fonctionner avec le défaut actif pendant que la maintenance localise celui-ci. Cette unité doit être dimensionnée continu en conséquence, car elle transporte du courant indéfiniment. Confondre les deux types dans une spécification est l’erreur la plus fréquente que nous constatons dans les demandes de devis (RFQ) — un acheteur écrit « transformateur de mise à la terre, 400 A » sans préciser le cycle de service, puis l’usine propose la mauvaise machine.

 

Mettre d’abord le système à la terre : sans mise à la terre, mise à la terre directe, mise à la terre à basse résistance ou HRG

Avant que quiconque puisse évaluer une unité de mise à la terre, la philosophie systémique de mise à la terre doit être définie, car elle détermine le courant, le régime de fonctionnement et le schéma de protection.

• Systèmes sans mise à la terre sont autorisés par de nombreuses normes industrielles — l’article 250.21 du NEC les autorise encore — mais ils tolèrent silencieusement la première défaillance et exposent les équipements sains à des surtensions. Il s’agit de la configuration qui pousse généralement les acheteurs à ajouter ultérieurement une unité de mise à la terre.
• Systèmes en étoile avec mise à la terre solide ne nécessitent pas d’unité de mise à la terre lorsque le neutre est disponible et autorisé. Les unités zigzag apparaissent lorsque le neutre est inaccessible ou lorsque la mise à la terre solide n’est pas autorisée.
• Systèmes avec mise à la terre à faible résistance (généralement 200–800 A, régime de 10 secondes) constituent le choix standard pour la distribution industrielle moyenne tension. Une unité zigzag associée à une résistance de mise à la terre (NGR) permet une détection fiable des défauts tout en limitant les dommages au point de défaut.
• Systèmes avec mise à la terre à haute résistance les systèmes (5–10 A, en continu) permettent de maintenir l’exploitation de l’installation en cas de simple défaut, avec déclenchement d’une alarme ; ils sont courants sur les procédés à 480 V qui ne peuvent pas supporter une coupure imprévue. La norme NEC 250.36 traite de la mise à la terre résistive haute (HRG) pour les systèmes compris entre 480 V et 1000 V.

À titre indicatif, la pratique de mise à la terre qui détermine lequel de ces deux types convient à votre installation est décrite dans la Pratique recommandée IEEE 142 relative à la mise à la terre des systèmes industriels et commerciaux , que nous considérons comme référence fondamentale chaque fois qu’un client nous demande d’examiner sa philosophie système.

 

Ce qui doit figurer sur la fiche technique

Lorsque vous envoyez une demande de devis pour un transformateur de mise à la terre , une fiche technique complète répond à ces points — et un ingénieur chargé des devis détecte immédiatement leur absence :

1. Tension composée du réseau et fréquence (par exemple, 13,8 kV, 60 Hz), ainsi que la classe BIL requise pour le système d’isolement.
2. Mise à la terre du neutre : méthode à faible résistance avec courant et durée du limiteur de courant de neutre (NGR) (400 A, 10 s), ou méthode HRG en service continu (5 A ou 10 A).
3. Régime continu ou régime à courte durée, explicitement indiqué — ne jamais le laisser à l’interprétation.
4. Présence ou non d’une résistance de mise à la terre du neutre, ainsi que sa valeur en ohms, car le enroulement en zigzag à lui seul ne limite pas le courant.
5. Carter et environnement : usage intérieur ou extérieur, montage sur socle ou sur structure de sous-station, ainsi que classe de température.
6. Norme d’essai applicable — nous concevons et essayons conformément à IEEE C57.32 , qui définit les exigences, la terminologie et les procédures d’essai pour les dispositifs de mise à la terre du neutre, y compris les essais d’élévation de température et d’échauffement à court terme.
7. Disposition des enroulements en triangle ou en zigzag, et nécessité éventuelle de supporter une charge auxiliaire.

A transformateur en zigzag pour un système de classe 15 kV, 400 A pendant 10 secondes, constitue une machine petite et légère comparée aux transformateurs de distribution qui l’entourent. Mais « petite » ne signifie pas « simple » — l’impédance homopolaire, la coordination de l’isolement au niveau du neutre et la tenue thermique à court terme doivent toutes faire l’objet d’une conception rigoureuse, et non d’un aménagement improvisé.

 

Comment nous concevons et essayons les unités de mise à la terre chez Ryan

 

 

Depuis 2023, nous collaborons en tant que partenaire officiel de coentreprise d’Eaton, et cette collaboration détermine notre approche des unités spécialisées telles que celle-ci : elles suivent la même rigueur que notre chaîne principale de distribution, et non un traitement secondaire. Notre usine de 120 000 m² exploite plus de 180 ensembles d’équipements, et les transformateurs de mise à la terre ne quittent l’atelier qu’après la production d’un rapport d’essai en usine incluant les essais de rapport de transformation, de résistance d’isolement, de tension appliquée et de tension induite, ainsi que, lorsque le niveau nominal l’exige, un essai de courant de courte durée, observé par notre équipe d’assurance qualité.

Une pratique issue de la salle d’essais : lorsqu’un devis demandé (RFQ) d’un client mentionne uniquement « transformateur de mise à la terre » sans autre précision, nous passons un appel téléphonique avant de formuler notre offre. Au cours de la dernière année, nous avons identifié des spécifications erronées qui auraient conduit à expédier une unité à régime continu dans une application à service de 10 secondes, ou à livrer un transformateur zigzag pour un système nécessitant en réalité un transformateur étoile-triangle avec charge auxiliaire. Ces échanges téléphoniques durent cinq minutes et évitent des mois de complications ultérieures.

 

Le mot de la fin pour les acheteurs

Si votre installation fonctionne avec un système moyenne tension non mis à la terre ou un système triangle pour lequel un neutre solide n’est pas disponible, un transformateur de mise à la terre avec enroulement en zigzag constitue la solution pratique : il offre une voie de circulation aux courants de séquence homopolaire, limite les surtensions sur les équipements sains et permet enfin aux relais de détecter les défauts à la terre. Choisissez l’enroulement en fonction de la nécessité ou non d’une capacité de charge auxiliaire, et choisissez le cycle de service selon votre méthode de mise à la terre : valeurs nominales sur 10 secondes pour les systèmes à faible résistance limités par un NGR, valeurs nominales continues pour les systèmes HRG.

Envoyez-nous votre tension de réseau, votre philosophie de mise à la terre et votre objectif de courant de défaut, et nous confirmerons la puissance nominale avant que vous ne preniez engagement. Envoyez un courriel à [email protected]ou demandez un devis via la page de contact — l’analyse technique est gratuite et constitue l’étape essentielle pour éviter qu’un système non mis à la terre ne se transforme en une coupure imprévue.

 

À propos de l'auteur

Ryan Electric est un fabricant de transformateurs en Chine, fondé en 2007, qui dessert des entreprises d’électricité, des centres de données et des clients industriels en Amérique du Nord, en Asie du Sud-Est et au Moyen-Orient. Cet article a été rédigé par notre équipe d’ingénierie et de rédaction, à partir de l’expérience acquise lors des essais en usine et des retours sur le terrain concernant des projets de transformateurs expédiés dans le monde entier.