Lors de la réunion de l'équipe du matin, un ingénieur de maintenance d'une usine de transformation alimentaire de taille moyenne entre avec le journal des pannes : trois arrêts imprévus se sont produits au cours des quatre derniers mois, il y avait deux enroulements de moteur endommagés sur la ligne d'emballage, et le rapport d'incident d'arc électrique de la salle des compresseurs qui a failli blesser un technicien. L'usine dispose d'un système MV de type Delta et non mis à la terre, et jusqu'à présent, son système n'a jamais soulevé de doutes parmi quiconque. C'est la situation classique où un transformateur de mise à la terre cesse d'être un accessoire optionnel et devient la différence entre une panne gênante et un événement dangereux qui arrête la production.
Dans cet article, la définition et les principes de fonctionnement du transformateur de mise à la terre sont donnés ; ce qui fait que les systèmes non mis à la terre ou en coin delta précipitent le sabotage de l'équipement ; et comment il est possible de réparer les dommages. Il considère également les méthodes zigzag et étoile-delta ainsi que les compare à d'autres formes de méthodes de mise à la terre. Il énumère les critères de mise à la terre pour l'achat. Si vous avez un service de connexion delta, payez-le, et souffrez de pannes monophasées, lisez cet article avant de signer des papiers.
Réponse rapide : A transformateur de mise à la terre est un transformateur triphasé utilisé pour créer un point neutre sur un système autrement non mis à la terre, afin que le système puisse être efficacement mis à la terre. Les deux conceptions standard sont le transformateur zigzag (ZN) et le transformateur de mise à la terre étoile-delta. Les puissances typiques varient de 100 kVA dans une petite application industrielle à plus de 2 000 kVA pour de grandes sous-stations utilitaires ; ces puissances sont considérées comme des puissances continues pour des applications neutres, ainsi que des puissances de court terme (10 sec, 30 sec, 1 min) pour les circuits de défaut. Le coût d'une unité de 100-300 kVA se situe entre $2 000 et $6 000, avec une unité de 500-1 000 kVA coûtant entre $6 000 et $15 000 et une grande installation de 1 500-3 000 kVA coûtant entre $15 000 et $40 000, les prix variant selon la classe de tension, l'impédance et la marque. Une mise à la terre appropriée permet de contrôler les courants de défaut ligne-terre en les limitant, garantissant ainsi que certains éléments de relais agissent de manière sélective tout en protégeant le système contre des surtensions pouvant atteindre 4-5 fois les tensions de phase normales en cas de configuration non mise à la terre.
Qu'est-ce qu'un transformateur de mise à la terre ?
Un transformateur de mise à la terre est un type de transformateur triphasé conçu spécifiquement pour créer un point neutre dans un système électrique qui autrement n'en aurait pas. Dans les systèmes avec des enroulements de transformateur connectés en configuration delta ou des enroulements connectés en delta dans le générateur, il ne peut pas y avoir de point neutre pour la mise à terre. Le transformateur de mise à la terre fournit le sol neutre essentiel afin qu'il puisse être connecté à la terre via l'impédance de mise à la terre, comme un résistor à faible résistance connu sous le nom de résistor de mise à la terre neutre (NGR), des réacteurs, etc., ou via une mise à la terre de type direct en cas de systèmes solidement mis à la terre.
Il est assez important de comprendre les limitations du transformateur de mise à la terre. Il n'active pas les courants de charge normaux. Pendant le fonctionnement normal, les courants dans les enroulements sont pratiquement nuls. Il sert uniquement à transporter le courant de séquence zéro déséquilibré résultant d'un défaut ligne-terre et à établir le potentiel neutre du système. C'est la raison pour laquelle le transformateur de mise à la terre est classé pour un fonctionnement continu (soit par évaluation thermique – kVA) et une évaluation de court-circuit de courte durée (10 sec ou 30 sec à un certain courant nominal).
Pourquoi votre installation peut fonctionner sans mise à la terre
Dans de nombreux environnements industriels, un système delta sans mise à la terre est utilisé en raison de son faible coût d'installation et de sa capacité à résister aux défauts monophasés. Cependant, cela est trompeur, car en raison de l'absence d'un chemin de retour après un défaut ligne-terre dans un système delta non mis à la terre, le système ne s'arrête pas, mais continue de fonctionner avec les deux autres tensions passant du niveau normal au niveau ligne-à-ligne. Si un autre défaut se produit sur une phase différente avant que le premier défaut ne soit éliminé, un double défaut ligne-terre se produit, entraînant un court-circuit phase-à-phase avec des courants de défaut atteignant 10-25 kA de la taille habituelle des systèmes de puissance à moyenne tension.
L'effet indirect le plus sévère de ce type de systèmes est dû aux transitoires. En effet, puisque la présence de défauts de mise à la terre récurrents dans les systèmes non mis à la terre peut provoquer des niveaux de tension dépassant la tension ligne-terre normale de 4 à 5 fois, l'efficacité de l'isolation des câbles est compromise, les enroulements des transformateurs subissent un stress sévère et l'isolation des moteurs est endommagée de nombreuses années avant l'échéance. Les ingénieurs en systèmes de puissance et les assureurs poussent différents utilisateurs vers une mise à la terre efficace en partie en raison de la compréhension de ces défauts.
Comment fonctionne un transformateur de mise à la terre
Les transformateurs de mise à la terre sont applicables lorsque les courants fonctionnant dans des conditions équilibrées triphasées s'additionnent à zéro, consommant ainsi uniquement le courant d'excitation minimal dans le transformateur. Une fonction spéciale du transformateur se révèle lorsque des défauts se produisent. Un courant de séquence zéro doit être renvoyé à la terre chaque fois qu'une des phases subit des défauts comme un défaut ligne-terre. Le transformateur de mise à la terre est capable de fournir le chemin de retour.
En ce qui concerne les transformateurs zigzag, ils se composent de deux enroulements égaux appliqués sur chaque jambe de manière opposée. Cela signifie que maintenant les deux moitiés s'annulent, entraînant des flux phase-à-phase nuls et une liaison nulle. Bien que le transformateur soit passif sous des charges équilibrées, la présence de courants de séquence zéro crée une force électromotrice nette, faisant agir le transformateur comme un chemin très faible.
Zigzag vs. Transformateurs de mise à la terre Wye-Delta
| Caractéristique | Transformateur de mise à la terre Zigzag (ZN) | Transformateur de mise à la terre Wye-Delta |
|---|---|---|
| Arrangement des enroulements | Six enroulements égaux, deux par jambe, moitiés opposées | Trois enroulements connectés en étoile plus un delta tertiaire fermé |
| Objectif principal | Créer un neutre pour la mise à la terre | Créer un neutre et éventuellement fournir une charge auxiliaire |
| Impédance de séquence nulle | Faible et bien contrôlée (5-10% typique) | Peut être ajusté via le tertiaire ; légèrement plus élevé |
| Charge normale | Charge à vide uniquement | Peut supporter une petite charge auxiliaire via le delta ou le wye |
| Coût | Plus bas par kVA | Légèrement plus élevé |
| Application typique | Systèmes delta industriels, neutres de générateur | Sous-stations utilitaires nécessitant une alimentation auxiliaire |
La plupart des installations devraient utiliser ce motif en zigzag. Le coût supplémentaire de l'équipement wye-delta ne serait justifié que s'il y a un besoin d'alimentation monophasée stable pour les charges auxiliaires dans la station, telles que l'éclairage, les chargeurs de batterie et les petits appareils.
Méthodes de mise à la terre comparées
| Méthode | Courant de défaut à la terre | Protection contre les surtensions | Sélectivité des relais | Coût relatif |
|---|---|---|---|---|
| Non mis à la terre (sans référence à la terre) | Uniquement capacitif, mais risque de double défaut | Mauvais ; transitoires jusqu'à 4-5× la tension de phase | Mauvais | Le plus bas |
| Mise à la terre solide (wye) | Le plus élevé (peut dépasser 10 kA) | Excellente | Bon mais haute énergie | Faible |
| Mise à la terre par résistance via NGR | Contrôlé, par exemple, 100-400 A | Bon, sans transitoires | Excellent pour la détection | Modéré |
| Mise à la terre par réactance | Modéré, conçu | Bonne | Bonne | Modéré |
| Transformateur de mise à la terre (zigzag) | Permet l'un des éléments ci-dessus sur les systèmes delta | Restaure un serrage approprié | Permet un relais sélectif | $2,000-$40,000 |
Le point important ici est que ce n'est pas le transformateur de mise à la terre qui détermine la valeur du courant de défaut mais plutôt la résistance ou le réacteur de mise à la terre qui connecte la borne neutre à la terre. De nombreuses installations industrielles utilisent la mise à la terre par résistance à travers des transformateurs zigzag avec une limite de 200 A, ce qui est considéré comme la solution idéale puisque le courant de défaut est suffisant pour garantir une détection et un dégagement fiables des défauts et en même temps n'est pas assez élevé pour créer les problèmes associés aux grandes énergies d'arc.
Spécifications et classements clés
| Paramètre | Valeur typique | Remarques |
|---|---|---|
| Évaluation continue | 100-3 000 kVA | Déterminé par la charge déséquilibrée et le service du système |
| Classification du courant de défaut | 400-1,200 A pendant 10 s / 30 s | Doit correspondre au temps de dégagement du relais |
| Classe de tension | 480 V à 35 kV | Correspondre à la tension ligne à ligne du système |
| Impédance de séquence nulle | 5-10% typique sur une base de 10 s | Contrôle comment le neutre est établi |
| Classe d'isolation | Classe B / F / H (sec), immergé dans l'huile selon la norme IEC | Même logique qu'un transformateur de puissance |
| Normes | IEC 60076-1, IEEE C57.12.00, IEEE C57.32 | Plus IEEE 142 (pratiques de mise à la terre) |
Soyez précis dans la spécification du cycle de service lors de la rédaction de la spécification. Un transformateur zigzag classé pour 10 secondes à un courant de 1,000 A est totalement différent de celui classé pour 1 minute au même courant, et les fabricants les tarife différemment. La classification du temps de défaut doit être compatible avec le temps de dégagement maximum du système de protection afin que le transformateur ne soit jamais sollicité pour porter un courant de défaut au-delà de sa capacité nominale.
Où les transformateurs de mise à la terre sont installés
- Usines de fabrication avec des systèmes liés en delta : production alimentaire, produits chimiques, ciment et usines minières où l'enroulement du transformateur principal est en delta et il n'y a pas de fil neutre.
Mise à la terre neutre des générateurs : générateurs diesel et à gaz naturel dont les enroulements sont connectés en delta pour permettre une mise à la terre par résistance et une détection de défaut à la terre réussie.
Installations maritimes et offshore : endroits où le système non mis à la terre était utilisé traditionnellement mais les pratiques modernes nécessitent la présence d'une référence.
Sous-stations de transformateurs utilitaires : fournissant un point neutre pour les alimentations de distribution à trois fils et fournissant une charge auxiliaire de la station (connexion étoile-delta).
Bâtiments avec 480 V delta : électrification ayant des charges égales à 277 V qui ne peuvent pas être atteintes par la sortie secondaire delta.
Installations d'énergie renouvelable : fermes utilisant des onduleurs avec des transformateurs delta où le transformateur de mise à la terre fournit une protection contre les défauts à la terre. Si la connexion sur votre plaque de transformateur est soit Dd0 soit Dyn11 et qu'il n'y a pas de neutre disponible et que vos charges incluent des équipements monophasés, vous pourriez être un candidat approprié pour un transformateur de mise à la terre même avant que le journal des défauts ne s'aggrave.Voici les tailles de transformateurs de mise à la terre selon la configuration standard des systèmes (en cas de neutre mis à la terre par résistance et durée du défaut de 10 secondes) :
| Tension du système | Taille du service | Évaluation typique en zigzag (continue) | Évaluation typique des défauts | Prix indicatif |
|---|---|---|---|---|
| 480 V delta | 500-1 500 kVA | 100-150 kVA | 400 A / 10 s | $1,500-$3,500 |
| 3,3 kV / 6,6 kV | 1-5 MVA | 150-300 kVA | 400-600 A / 10 s | $2,500-$6,000 |
| 11 kV | 2-10 MVA | 250-500 kVA | 600-800 A / 10 s | $4,000-$10,000 |
| 22 kV / 33 kV | 10-30 MVA | 500-1 000 kVA | 800-1 200 A / 10 s | $8,000-$20,000 |
Marques et comparaison des prix
| Marque | Origine | Spécialisation | Plage de prix approximative |
|---|---|---|---|
| ABB | Suisse/Suède | Packages complets de transformateurs de mise à la terre et de NGR | $5,000-$30,000+ |
| Siemens | Allemagne | Transformateurs de distribution et de mise à la terre pour les services publics | $6,000-$35,000+ |
| Hitachi Energy | Suisse | Grandes unités de mise à la terre pour les sous-stations | $8,000-$40,000+ |
| Schneider Electric | France | Transformateurs zigzag pour systèmes industriels LV/MV | $4,000-$20,000 |
| GE / Eaton | États-Unis | Transformateurs de mise à la terre LV pour services de 480 V | $2,500-$15,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Chine | Transformateurs zigzag et wye-delta de mise à la terre, testés selon la norme IEC 60076 | $1,800-$12,000 |
Des fournisseurs internationaux tels qu'ABB, Siemens, Hitachi Energy et Schneider Electric fabriquent des transformateurs de mise à la terre de haute qualité, et ils établissent la norme en matière de qualité et de documentation. Cependant, leurs prix reflètent les coûts de fabrication élevés et les longs délais de livraison des transformateurs zigzag sur mesure. Jiangsu Subian Electric Power fournit des transformateurs zigzag et wye-delta conformes aux normes IEC 60076-1 et sont fournis avec tous les rapports de test de routine tels que l'impédance de séquence nulle, l'élévation de température et la performance en cas de court-circuit. Subian livre des transformateurs dans le monde entier, propose des classes de tension sur mesure allant de 400 V à 35 kV, et a généralement des prix autour de 40-60% de prix pour des produits européens similaires. En ce qui concerne tout équipement de mise à la terre, il est préférable d'acheter un transformateur bon marché auprès d'un fabricant prêt à fournir des données de test plutôt que de négliger ce type de transformateurs.
Comment sélectionner le bon transformateur de mise à la terre
Vérifiez si le système est réellement non mis à la terre. Confirmez le groupe de connexion du transformateur utilisé (Dyn11, Dd0). Assurez-vous qu'il n'y a pas de neutre disponible.
Après avoir confirmé le système non mis à la terre, déterminez le type de mise à la terre à mettre en œuvre et le courant de court-circuit attendu (100-400 A pour un système industriel mis à la terre par résistance).
Calculez la puissance en kVA de l'unité en tenant compte de la charge déséquilibrée dans le pire des cas et du courant de neutre pendant les courts-circuits. La puissance standard est généralement de 100-500 kVA.
Identifiez la capacité de court-circuit, qui doit inclure des valeurs de courant et de temps (600 A pendant 10 secondes) et assurez-vous qu'elle correspond aux temps de déclenchement maximum de l'onduleur.
Assurez-vous que la classe de tension et les exigences d'isolation sont entièrement respectées. Un transformateur pour le système de 11 kV doit être testé aux valeurs maximales de BIL.
Choisissez l'option zigzag à moins qu'une alimentation auxiliaire ne soit requise. Dans ce cas, le wye-delta doit être utilisé.
Demandez un rapport de test. Des tests confirmant la conception basée sur l'impédance de séquence nulle et les tests d'élévation de température doivent être effectués conformément aux normes IEEE C57.12.90 et IEC 60076.
Remarques sur l'installation et la protection
En fonctionnement normal, le transformateur doit être protégé contre les surcharges car il ne passe pas beaucoup de courant. Des fusibles et des disjoncteurs sont généralement installés du côté primaire et sont conçus pour ne pas fonctionner dans des conditions normales et équilibrées, mais plutôt pour interrompre le courant en cas de court-circuit interne ou de surcharge prolongée. De plus, le neutre doit être connecté à la terre via une impédance de mise à la terre (qu'il s'agisse d'une résistance ou d'un réacteur), et cette connexion doit consister, selon le courant de court-circuit, soit en un barres soit en un câble épais.
La surveillance de la température est importante. Contrairement à un transformateur de charge classique, en raison de la nature des courants de séquence nulle, le noyau et l'enroulement seront chauffés différemment. De nombreux systèmes ajoutent un indicateur de température avec des contacts d'alarme et définissent la période de maintenance requise afin que les connexions puissent être testées par infrarouge plusieurs fois par an. La résistance de mise à la terre doit être située dans un boîtier protégé des intempéries et ventilé et doit avoir un thermomètre, car la résistance est conçue pour fonctionner à une température de plusieurs centaines de degrés Celsius.
Questions Fréquemment Posées
Combien coûte un transformateur de mise à la terre ?
Les prix d'une unité zigzag de 100-300 kVA seront compris entre $2000 et $6000 à une gamme de tensions, entre 480 V et 11 kV. Le prix des unités de 500-1 000 kVA varie généralement entre $6000 et $15 000. Le coût des unités de type sous-station de 1500-3000 kVA peut être de $15 000 et plus. Les prix varient en fonction de la tension nominale, de la capacité de court-circuit et de la marque, et les prix proposés par les entreprises chinoises sont généralement compris entre 40-60% moins chers que ceux des entreprises européennes pour des unités avec les mêmes spécifications.
Quelle taille de transformateur de mise à la terre ai-je besoin ?
La détermination de la taille doit être basée sur les courts-circuits. Avec la capacité de courant de court-circuit, le transformateur de mise à la terre doit donc être adapté au service industriel de 2000 kVA sur un système delta de 11 kV. Pour être plus précis, pour un service industriel de 2000 kVA sur un système delta de 11 kV et avec une résistance de mise à la terre neutre de 200 A, un transformateur de type zigzag de 250-400 kVA et 200 A pendant 10 secondes est considéré comme un équipement généralement viable. Demandez à leur ingénieur de confirmer la capacité de séquence nulle, car un transformateur sous-dimensionné peut entraîner des pannes lors du premier court-circuit.
Un transformateur de mise à la terre peut-il fournir un courant de charge ?
Inefficacement, dans l'unité zigzag. Le transformateur zigzag n'est presque pas sous charge électrique en l'absence de ce qu'on appelle un courant déséquilibré. Si une connexion neutre capable de supporter la charge monophasée est requise, il est possible d'utiliser un transformateur de mise à la terre en configuration étoile-delta, qui a son primaire conçu en configuration étoile et peut ainsi fournir des charges auxiliaires nécessaires à diverses fins, tandis que la configuration delta fonctionne comme le conducteur de séquence nulle.
Quelle est la différence entre un transformateur de mise à la terre et une résistance de mise à la terre neutre (NGR) ?
Ils sont complémentaires, pas alternatifs. Le transformateur de mise à la terre crée le point neutre sur un système delta ; le NGR est l'impédance connectée entre ce neutre et la terre qui limite le courant de court-circuit à une valeur de conception. Un NGR de 200 A limite un court-circuit à la terre à 200 A, quelle que soit la capacité de court-circuit potentielle du système, ce qui protège l'équipement et limite l'énergie d'arc.
Est-il sûr de continuer à faire fonctionner un système non mis à la terre avec des courts-circuits occasionnels ?
Non, et c'est l'erreur la plus coûteuse dans la philosophie de mise à la terre. Le premier défaut à la terre ne se réinitialise pas sur un système non mis à la terre, mais augmente la tension des deux autres phases à la tension ligne à ligne et met l'isolation sous 1,73 fois la tension appliquée. Un second défaut à la terre sur une phase différente crée un court-circuit phase à phase via la terre avec une magnitude de courant pouvant atteindre des dizaines de kiloampères, accompagnée de transitoires de tension nulle de 4 à 5 fois ; c'est exactement la séquence de défauts qui endommage les moteurs et les installations de câbles.
Références
- IEEE 142 — Pratique recommandée pour la mise à la terre des systèmes électriques industriels et commerciaux — Le Livre Vert ; le guide définitif sur pourquoi et comment mettre à la terre les systèmes industriels.
- IEEE C57.32 — Exigences, terminologie et procédures d'essai pour les dispositifs de mise à la terre neutre — Couvre les NGR, les réacteurs et leurs tests.
- IEC 60076-1 — Transformateurs de puissance, Exigences générales — La base de test et de classification pour les conceptions de transformateurs de mise à la terre.
- Eaton — Mise à la terre et protection contre les défauts à la terre — Conseils pratiques sur la conception de systèmes de mise à la terre pour les installations basse tension.
- OSHA 3075 — Contrôle des dangers électriques — Contexte de sécurité électrique au travail pour les exigences de mise à la terre.
- Hitachi Energy — Produits de Transformateurs — Spécifications de référence pour les offres de transformateurs de mise à la terre.
Conclusion
Si vous faites fonctionner un système delta non mis à la terre, il devrait être clair pour vous que les transformateurs de mise à la terre ne sont pas un achat insignifiant ; c'est une solution d'ingénierie conçue pour résoudre une série de problèmes imminents qui mèneront sans aucun doute à une défaillance massive du système. Les principales fonctions du transformateur de mise à la terre sont de fournir une mise à la terre pour votre système, de permettre la restriction du courant d'incident par une résistance, d'assurer la sélectivité de la protection et d'éliminer l'impact de la tension de crête sur tous les équipements connectés.
Connaissez le groupe de connexion de votre système avant de dire que vous avez un neutre.
Utilisez un transformateur zigzag pour une mise à la terre pure et un transformateur étoile-delta s'il y a besoin d'une charge supplémentaire.
Choisissez les dimensions en fonction des classifications de défaut et comparez la classification 10s avec la durée de déclenchement du relais.
Assurez-vous d'avoir l'impédance de séquence nulle spécifiée dans le rapport d'essai.
Pour des transformateurs de mise à la terre zigzag et étoile-delta certifiés construits selon la norme IEC 60076-1 avec des rapports d'essai et des prix directs d'usine, contactez Jiangsu Subian Electric Power via leur site web à www.subian-electric.com et envoyez-leur la tension de votre système, l'objectif de courant de défaut et le cycle de service.