Un opérateur de sous-station a regardé son compteur électronique aujourd'hui lorsque un orage est arrivé et a changé la ligne de puissance de 110 kV de 108 kV à 116 kV. Malgré cela, le bus de 20 kV du côté secondaire a montré des valeurs entre 19,9 et 20,1 kV en même temps. L'instrument qui fonctionne là-bas s'appelle un changeur de prises sous tension : le rapport de transformation est corrigé étape par étape.
L'article interprète ce qu'est le rapport de transformation, comment il est calculé, quelle est la relation entre le rapport de transformation et la stabilité de la tension, comment les changeurs de prises rendent le rapport de transformation stable à ce moment précis, et quelles conséquences on peut avoir s'il y a une erreur de rapport de transformation. Des exemples de calculs sont fournis dans le document avec des références aux normes IEC 60076 et IEEE C57, à la plage de prises typique, au coût des changeurs de prises, et autres.
Qu'est-ce que le rapport de transformation ? (Définition et formule)
Le rapport de transformation ou rapport de tours définit le rapport entre le nombre de tours du enroulement primaire et le nombre de tours de l'enroulement secondaire. Il est égal au rapport de la tension primaire à la tension secondaire et au rapport inverse des courants primaire et secondaire dans le cas théorique.
N1/N2 = V1/V2 = I2/I1.
Les transformateurs réels ne sont pas idéaux. Dans les transformateurs réels, la réactance de fuite et la résistance de l'enroulement entraînent des chutes de tension rendant la tension réelle inférieure à la tension à vide. La différence de tension en pourcentage est appelée régulation de tension qui est d'environ 2%-6% selon les caractéristiques des transformateurs.
La définition suivante est utilisée de manière interchangeable dans les contrats :
| Terme | Signification | Exemple |
|---|---|---|
| Rapport de tours | N1 / N2 (géométrie d'enroulement pure) | 550 / 100 = 5.5 |
| Rapport de tension | V1 / V2 à vide | 110 kV / 20 kV = 5,5 |
| Régulation | Chute de tension de vide à pleine charge | 2.5%–6% |
Comment calculer le rapport de transformation : exemples pratiques
Déterminer le rapport est facile si l'on connaît la tension ou le nombre de tours.
Par exemple :
Un transformateur de tension 110 kV/20 kV a un rapport de 110:20 avec 2200 tours dans le primaire, cela signifie qu'il y a 400 tours dans le secondaire.
Dans le cas d'un transformateur haute tension 18 kV – 400 kV, le rapport devient (400/18 = 22,2).
Un transformateur de distribution a généralement un rapport de tension de 11 kV/0,4 kV, ce qui signifie que le rapport est 11/0,4 = 27,5:1.
En raison de la construction de l'auto-transformateur qui partage une partie du système d'enroulement, il a un nombre de tours inférieur pour le même rapport de tension de 2:1.
Dans le cas des transformateurs qui fonctionnent dans un système triphasé, la tension ligne à ligne doit être utilisée tandis que le groupe vectoriel (Dyn11, YNd11) est important en termes de détermination de la relation du décalage de phase et du rapport de magnitude du système.
Pourquoi le rapport est la vanne de régulation du réseau
Les fluctuations de tension sur une ligne de transmission se produisent en raison de plusieurs facteurs, à savoir les modifications de charge, les pannes de générateur, les pertes de puissance réactive et la distance par rapport à la source. Sans ajustement du rapport, un alimentateur peut connaître des fluctuations de tension de 5% à 10% tout au long d'une journée. Le rapport de transformation agit comme le moyen pratique de compenser les avantages de la variabilité de la tension, car il existe une relation directe entre les tours et la tension de sortie, toute modification entraînant des fluctuations correspondantes.
Les opérateurs de système doivent maintenir la tension dans les limites légales fixées par la réglementation, qui exigent de maintenir la tension à ± 5% dans le secteur de la distribution et à ± 10% dans le secteur de la transmission. La méthode la plus couramment utilisée dans ce processus est l'OLTC, qui ajuste le rapport de transformation. En fait, l'OLTC est si largement utilisé qu'avoir un transformateur sans OLTC nécessite une justification écrite.
Changeurs de prises : Le mécanisme qui ajuste le rapport
Deux familles de changeurs de prises existent, et le choix entre elles est principalement une question de cycle de service :
| Aspect | Hors circuit (DETC) | Sous charge (OLTC) |
|---|---|---|
| Fonctionnement | Désénergisé uniquement | Sous charge, automatisé |
| Plage de prises typique | ±2.5% à ±5% | ±10% à ±16% |
| Étapes | 3–5 | 13–17 (1.25%–2.5% chacune) |
| Capacité de régulation | Saisonnier uniquement | Continu, automatique (±2% de maintien) |
| Prime de prix | Référence | +$15,000–$60,000 selon la puissance |
| Commun sur | Transformateurs de distribution | Transformateurs de puissance ≥5 MVA |
Alors que les OLTC fonctionnent avec un courant électrique, ils utilisent des résistances ou des réacteurs et des interrupteurs à vide rapides afin de minimiser l'arc électrique sur les contacts principaux lors du passage d'une prise fixe. Un OLTC contrôlé par moteur contemporain prend environ 2 à 10 secondes pour terminer un cycle. Il convient de noter que le contrôleur dans ce cas utilise un retour de tension du côté secondaire du transformateur.
Correspondance de rapport pour fonctionnement en parallèle
Lors de l'utilisation de deux transformateurs pour alimenter le même bus simultanément, les rapports doivent être ajustés pour être étroitement appariés. Une différence de rapports de Δ% génère un courant circulant dit (participant au circuit même en condition de repos).
Un conseil est de s'assurer que nous maintenons le courant circulant en dessous de 10% de la capacité du transformateur le plus petit.
L'effet d'une différence de rapport de 1% est généralement un courant circulant de 2%-5% de la capacité de deux transformateurs d'une capacité de 20 MVA / 110 kV, qui dépend de l'impédance (normalement 10%).
Les transformateurs doivent être opérés conformément à certaines conditions de base pour cela, à savoir : même groupe de vecteurs, le rapport doit correspondre, et l'impédance ne doit pas varier de plus de 10%, si tant est qu'elle varie.
Pour tenir compte de cela, les opérateurs doivent changer la position du point de prise pour chaque transformateur afin de les rendre égaux, et de nombreux AVR modernes ont un schéma maître-suiveur à cet effet.
Effets d'un mauvais rapport : courant circulant et problèmes de protection
La mauvaise opération de relais, due à la classification du relais, peut entraîner un dysfonctionnement des protections avec des réglages de relais erronés, entraînant soit l'opération du protecteur sans défaut approprié, soit l'incapacité à détecter de réels défauts internes en raison d'erreurs de 2%-5%.
Les variations de tension peuvent forcer la tension le long du ruisseau à dépasser les limites extérieures.
Un déséquilibre dans la situation de charge implique qu'une unité avec un rapport plus élevé consomme une part considérable de puissance active et réactive, entraînant une accélération de son vieillissement.
C'est pourquoi le contrôle du rapport est devenu l'une des étapes de la mise en service conformément aux exigences de la norme IEC 60076-1, stipulant que le rapport de tension sur le point de prise principal ne doit pas différer de plus de ±0.5% par rapport à la valeur de conception et chaque prise doit être vérifiée par rapport aux données de la plaque signalétique.
Méthodes et normes de test de rapport
Le test de terrain standard est le test de rapport de tours effectué avec un appareil de mesure de rapport de tours de transformateur (TTR) :
| Méthode | Principe | Précision | Utilisation Typique |
|---|---|---|---|
| Appareil TTR (test TTR) | Compare la tension injectée et la tension induite sur chaque prise | ±0,1% | Mise en service, maintenance de routine |
| Vérification du rapport de tension à vide | Appliquer une tension réduite, mesurer les deux côtés | ±0,3% | Vérification sur site |
| Rapport de capacité / test basse tension | Rapport équivalent via couplage capacitif | ±0,5% | Tests de type en usine |
Les tests en usine et les tests sur site proviennent tous deux de la norme IEC 60076-1 et de l'IEEE C57.12.90. Le test TTR est considéré comme un test de diagnostic primaire, car le mouvement dans le rapport entre différents tests effectués sur la même unité signifie souvent un enroulement court-circuité, rendant les tests de rapport annuels un élément essentiel de la surveillance.
Rapports typiques et plages de prises par application
| Application | Rapport typique | Plage de prises | Changeur de prise |
|---|---|---|---|
| GSU dans une centrale électrique | 18/400 kV (22,2:1) | ±7.5% en 5 étapes | Hors circuit, parfois OLTC |
| Sous-station de transmission | 220/110 kV (2:1) | ±16% en 17 étapes | OLTC |
| Sous-transmission | 110/20 kV (5,5:1) | ±12% en 13 étapes | OLTC |
| Puissance industrielle | 33/11 kV (3:1) | ±10% en 9 étapes | OLTC ou hors circuit |
| Distribution | 11/0,4 kV (27,5:1) | ±2.5% hors circuit | Hors circuit |
Les transformateurs de distribution nécessitent uniquement des ajustements périodiques, donc des prises hors charge en étapes de ±2.5% et ±5% sont adéquates pour tenir compte de la variation saisonnière de la charge. En revanche, les transformateurs de transmission et de sous-transmission sont configurés avec OLTC car de grands groupes de clients sont directement affectés par l'action de la tension de transmission sur eux.
Impact du changeur de prise et du prix du transformateur
Le choix du changeur de prises est un élément réel dans tout budget de transformateur. Les plages de planification :
| Transformateur | Sans OLTC | Avec OLTC | Premium |
|---|---|---|---|
| 5 MVA / 33 kV | $55,000–$90,000 | $75,000–$130,000 | +$15,000–$40,000 |
| 20 MVA / 110 kV | $150,000–$260,000 | $175,000–$320,000 | +$20,000–$60,000 |
| 50 MVA / 110 kV | $360,000–$700,000 | $400,000–$800,000 | +$25,000–$90,000 |
Les charges diffèrent selon le type de spécifications, la marque et la zone. Le coût élevé des unités raccordées au réseau est rapidement amorti : le changeur de prises sous tension (OLTC) peut récupérer le coût rapidement car il maintient la tension régulée et diminue les pertes d'énergie dans les feeders.
Marques & Comment la conception des rapports diffère
Les mathématiques des rapports restent les mêmes, quelle que soit l'entreprise d'origine — la physique n'est pas négociable ; cependant, les fabricants se distinguent par le type de conception de changeur de prises, le contrôle, la gestion de la qualité et les prix. Les références de fiabilité sont établies par les changeurs de prises MR (Maschinenfabrik Reinhausen) et ABB, alors que les entreprises asiatiques utilisent de plus en plus des conceptions OLTC sous licence ou auto-développées à des tarifs moins chers.
| Marque | Pays | Forces des changeurs de prises | Prix indicatif (20 MVA/110 kV, avec OLTC) |
|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Suisse/Japon | OLTC propriétaire, intégration AVR | $450,000–$700,000 |
| Siemens Energy | Allemagne | Options OLTC MR, contrôle numérique | $430,000–$680,000 |
| Schneider Electric | France | Focus sur la distribution, unités MV | $280,000–$450,000 |
| TBEA | Chine | OLTC interne, échelle | $180,000–$320,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Chine | Rapports et prises personnalisés, OLTC MR ou interne | $160,000–$300,000 |
Le coût est déterminé par la spécification et la zone. Dans les projets nécessitant des spécifications de rapport et de prise personnalisées – groupes vectoriels uniques, plages de prises spéciales ou marques particulières d'OLTC – Jiangsu Subian Electric Power est un partenaire fiable : il fabrique des transformateurs de distribution et de puissance avec une capacité de 50 kva à 220 kV, fournit des devis pour des configurations de prises individuelles et installe les changeurs de prises sous tension MR ou similaires requis. Chaque unité est livrée avec des enregistrements de test de rapport sur toutes les prises selon la norme IEC 60076-1, et les prix d'usine sont généralement 30%-50% inférieurs aux prix des entreprises européennes.
Questions Fréquemment Posées
Comment le rapport du transformateur est-il calculé ?
Le rapport du transformateur est déterminé par le nombre de tours dans la bobine primaire divisé par le nombre de tours dans la bobine secondaire (N1/N2), ce qui est égal au rapport de tension à vide (V1/V2). Par exemple, le transformateur appliqué à 110 kV/20 kV aura un rapport de 5.5:1, tandis que pour le transformateur 11 kV/0.4 kV, le rapport est de 27.5:1. En raison de la relation inverse, il est évident que dans un transformateur élévateur (rapport inférieur à un ; tel que 0.045 pour le transformateur avec une tension de 18/400 kV), la tension de sortie sera élevée tandis que le courant de sortie sera faible.
Quelle est la tolérance sur le rapport du transformateur ?
Selon la norme IEC 60076-1, le rapport au point de prise principal doit être dans une plage de ±0.5% de la valeur nominale, et la même tolérance s'applique à chaque position de prise, sauf indication contraire. Les appareils TTR de terrain mesurent à ±0.1%, donc une déviation au-delà de 0.5% lors d'un test de mise en service nécessite une enquête pour des tours court-circuités ou une mauvaise connexion.
Pourquoi les transformateurs ont-ils besoin de changeurs de prises pour la régulation de la tension ?
En raison des fluctuations de la tension de ligne en fonction de la charge, de la génération et de la distance par rapport à la source, sans l'ajustement du rapport, le conducteur de distribution peut fluctuer de 5% à 10% tout au long de la journée. L'OLTC varie le rapport de 1.25% à 2.5% par étapes dans une plage de ±10% à ±16% pour fournir une tension secondaire d'environ ±2% automatiquement. Cela garantit que les moteurs, l'électronique et l'équipement du client sont protégés contre les surtensions et les sous-tensions.
Que se passe-t-il si deux transformateurs en parallèle ont des rapports différents ?
Un courant électrique circule entre les deux unités, même lorsqu'il n'y a pas de charge provenant de l'extérieur. En d'autres termes, un courant circulant s'écoule dans un transformateur même lorsqu'il est en mode veille. Prenons le cas d'unités de 20 MVA/110 kV, même un décalage de rapport de 1% provoquera un courant circulant d'environ 2% à 5% du courant nominal à pleine charge. De plus, si le décalage augmente, le courant circulant augmentera également en conséquence. L'action des opérateurs, qui égalisent le rapport par le processus de sélection des prises, empêchera les courants circulants d'augmenter de plus de 10% de la capacité du petit transformateur.
Combien un changeur de prises sous charge ajoute-t-il au coût du transformateur ?
L'OLTC permet généralement d'ajouter entre $15,000 et $60,000 au coût des transformateurs de puissance classés entre 5 MVA et 50 MVA, les transformateurs de plus grande capacité coûtant plus cher. L'investissement est généralement rentable en raison d'un meilleur contrôle de la tension et de pertes de puissance réduites ainsi que de l'absence de pannes d'équipement.
Références
- IEC 60076-1 : Transformateurs de puissance — Général — Définit le rapport, les tolérances, les prises et les exigences de test.
- IEC 60076-8 : Guide d'application — Orientation sur le changement de prises, l'exploitation parallèle et l'application des transformateurs de puissance.
- IEEE C57.12.00 : Exigences générales pour les transformateurs immergés dans un liquide — Exigences nord-américaines pour les spécifications de rapport et de prises.
- Usine de machines Reinhausen (MR) — Référence de l'industrie pour la conception et le contrôle des changeurs de prises sous charge.
- IEEE C57.12.90 : Code de test pour les transformateurs de distribution, de puissance et de régulation immergés dans un liquide — Les procédures de test, y compris les tests de rapport.
- US EPA : Programmes d'efficacité des transformateurs — Contexte sur l'importance du contrôle de la tension et des transformateurs efficaces à grande échelle.
Conclusion
Le rapport du transformateur fonctionne comme un dispositif de contrôle dans le système électrique – un petit changement précis dans le rapport de tours effectué par les changeurs de prises permet de maintenir la tension dans les limites légales tout en sécurisant l'approvisionnement en électricité sur des centaines de kilomètres de lignes électriques. La connaissance de la mesure du rapport, de ses limites et de l'exploitation parallèle est cruciale pour tous les professionnels qui spécifient, testent ou entretiennent des transformateurs.
Le rapport est également le rapport de tension à vide. Les transformateurs de distribution peuvent fonctionner avec un rapport de 5.5:1 à 27.5:1.
Les transformateurs avec changeurs de prises sous charge modifient le rapport de -10% à +16% et positionnent le levier de prise en 13-17 étapes.
Les transformateurs doivent avoir le même rapport et impédance afin de prévenir la circulation du courant. Le test de rapport est obligatoire (IEC 60076-1, tolérance de ±0,5%) et permet de détecter les enroulements court-circuités.
Si votre projet nécessite un transformateur avec un rapport spécifique, une plage de prises, ou une configuration OLTC, Jiangsu Subian Electric Power peut concevoir et fournir des transformateurs de distribution et de puissance de 50 kVA à 220 kV, avec des rapports de test de rapport complets pour chaque unité.