Les inductances triphasees

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Extrait « PRATIQUE DES R2GIMES DE NEUTRE »
1.1.1 Les inductances triphasées
Cette famille regroupe les bobines zigzags et les transformateurs de point neutre
Elles sont chargées de créer un point neutre artificiel et de limiter le courant dans le neutre du réseau.
On privilégie ces dispositifs
Lorsque l’on souhaite épargner le transformateur des contraintes diélectriques liées à la résonance série.
Lorsque l’on souhaite préserver les transformateurs des contraintes mécaniques provoquées par les courants de
défauts à la terre.
Lorsque l’on veut limiter l’amplitude de certaines perturbations (bruit de réseau, phénomène de BALARUC1,
Harmoniques 3 etc....)
Lorsque l’on veut découpler les circuits homopolaires primaires et secondaires du transformateur en cas de
mise à la terre simultané des neutres.
Lorsque l’on souhaite réaliser la mise à la terre du neutre au niveau du jeu de barres.
1.1.1.1 Principe de fonctionnement
Considérons un défaut monophasé à la terre affectant un réseau 20 kV. Le neutre du transformateur est isolé. La
mise à la terre du neutre est constituée d’une inductance j 40 Ω présentant un facteur de qualité 6.
L’impédance homopolaire d’un tel dispositif est : Zo= 20+ 120j. La résistance du défaut Rm est de 10 Ω.
On constate que le dispositif se comporte comme un générateur de courant homopolaire (91 A dans notre
exemple).
L’impédance homopolaire du générateur
U
est égal à 3 fois la valeur de l’impédance Z = 3i
spécifiée sur la plaque signalétique. Elle
correspond à 3 fois la valeur mesurée
U
Zo =
suivant le schéma ci-contre.
i
Zo = 3Z
1
Sur les réseaux présentant une faible puissance de court-circuit, la mise sous tension d’un transformateur de
puissance provoque l’apparition d’un courant homopolaire dans les neutres des transformateurs en service. Ce
phénomène est décrit dans le livre 2
1
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1.1.1.2 Les bobines zig-zag
BPN 1000A
BPN 1000A
BPN 200 A
BPN 300 A
Elles sont constituées de six bobines couplées en zigzag noyées dans un diélectrique liquide. La borne de neutre
peut être reliée à la terre ou à une impédance de limitation (inductance ou résistance). Par son couplage, ce
dispositif offre un bon pouvoir de rééquilibrage des tensions.
La cuve peut être à remplissage totale ou munie d’un conservateur.
1.1.1.3 Caractéristiques électriques
Lω
non négligeable. La
R
puissance active dissipée par la bobine peut alors être importante et limiter la durée de transit du courant
homopolaire.
Ces matériels doivent pouvoir supporter un régime de fonctionnement normalisé en cohérence avec les
évènements susceptibles d’apparaître sur le réseau. Le nombre et la cadence des essais est défini par une étude
statistique des défauts et actualisé par un retour d’expérience.
La norme d’entreprise HN 52-S-50 rédigée par EDF en 1959 précise par exemple que sous une température
ambiante de 40°, le régime de fonctionnement normalisé est composé de la succession de trois stades:
Comme les inductances monophasées, elles peuvent présenter un facteur de qualité
Stade « a » La bobine est en service sous une tension de 1,05 Un, la température de l’appareil est stabilisé. Ce
fonctionnement correspond à un réseau sans défaut. Le point le plus chaud ne doit pas excéder 50°.
Stade « b » Durant 10 mn, l’appareil est traversé d’un courant résiduel à 50 Hz égal à 6% de l’intensité de
neutre spécifié (18 A pour une bobine 300 A et 60 A pour une bobine 1000 A). Ce stade correspond à un
fonctionnement sur défaut résistant non détecté par les protections sélectives.
Stade « c » La bobine est traversée durant 5 s par un courant de neutre correspondant à un court-circuit
monophasé sans résistance sous une tension de 1,05 Un. Ce stade correspond au cas d’un défaut franc devant
être éliminé par les protections sélectives2.
A la fin de ce cycle, l’échauffement moyen des enroulements ne doit pas être supérieur à 210°.
La tenue mécanique de l’appareil est contrôlée par une série d’essais sous une tension triphasée égale à 1,1Un.
L’appareil doit supporter sans dommage une série de courts-circuits francs monophasés se produisant à l’instant
ou la dissymétrie est maximale.
Le rapport entre la valeur max de la première crête et la valeur efficace dépend de la valeur du facteur de qualité
Lω
= tgφ de la bobine. Il est d’autant plus important que le facteur de qualité est grand.
R
2
En réalité, il existe peu de cas ou un tel défaut dure 5s.
2
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Au début des années 90, suite à une série d’avaries et afin de faire évoluer le régime de neutre des réseaux HTA,
EDF a modifié ses spécifications.
Extrait de la documentation TRANSFIX
Bobine 20 kV Zn (Ω)
stade « a «
en permanence
215 A3
6 +j40
5 A à 1,07 Un
1000 A
2,3+ j12
5 A à 1,07 Un
Essai mécanique sur prototype
à 1,07Un
stade « b »
stade « c »
85 A /30s
215 A/5s
500 essais 420A/ 200ms
sans assymétrie
1000 A/5s
1000 essais 1000A/200ms
avec pleine assymétrie
Le cycle a + b+c peut être répété toutes les heures.
1.1.2 Les mesures
Les bobines et les transformateurs de point neutre ne nécessitent pas de maintenance particulière par le fait que
les parties actives sont protégées des agressions externes.
L’expérience montre toutefois que ces matériels sont soumis, durant leur exploitation, à des contraintes
thermiques et électrodynamiques importantes pouvant entraîner à la longue une défaillance de la bobine de point
neutre. Il existe également des cas de déclenchement non justifiés qui nécessitent une expertise avant remise sous
tension. Les mesures doivent permettre de lever le doute.
Principe
Les mesures sont effectuées à la mise en service. On note la température ambiante estimée. Le résultat est
collationné dans la documentation technique.
Lors d’une avarie, on effectue les mêmes mesures et on compare les résultats avec ceux relevés lors de la mise
en service.
1.1.2.1 Mesure de l’impédance
La valeur de l’impédance homopolaire est calculée à
l’aide de la relation
3V
Zo =
I
Dans l’exemple l’impédance homopolaire de la
3.240
bobine vaut Zo=
= 25,96Ω
Ω
27,73
Lorsque la résistance interne de la bobine n’est pas
négligeable, on utilise un wattmètre pour déterminer
le déphasage interne.
On détermine le facteur de puissance de la BPN
W
cosϕ
ϕ=
V. I
Le facteur de qualité de la bobine est donnée par la
X
relation
= tgϕ
R
3
Cette bobine est prévue pour fonctionner en association avec une résistance de 40 Ω
3
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1.1.2.2 Mesure du rapport de transformation interne
Cet essai complète l’essai précédent. Les valeurs
présentent peu d’intérêt. Les résultats doivent par
contre être équilibrés.
On effectue une mesure sur chaque borne de ligne en
déplaçant les connexions. On note le rapport de
Ie
transformation
pour chaque enroulement. On doit
Is
obtenir l’égalité parfaite entre les trois résultats.
Lorsque l’appareil en essai est un transformateur de
point neutre, on effectue des mesures de tension et on
Ve
détermine la valeur
pour les trois enroulements.
Vs
Ces mesures permettent de détecter une avarie
affectant les enroulements
1.1.2.3 Mesure des courants magnétisants sous tension réduite
La valeur des courants magnétisants ne présente pas
d’intérêt. Ils doivent par contre être parfaitement
équilibrés.
On effectue les mesures sur les bornes de lignes
successives avec le même montage et les mêmes
calibres d’appareils.
Un déséquilibre, même léger, est le symptôme d’un
mauvais calage du circuit magnétique ou d’un courtcircuit entre spires.
Dans les années 80, des décalages de circuit
magnétique appartenant à des bobines de point neutre
1000 A ont pu être détectés par la mesure des
courants magnétisants. La valeur de l’impédance
homopolaire n’était pas affectée par cette anomalie.
1.2 Les impédances de neutre
Outre la nécessité de créer un point neutre artificielle, cette solution est souvent retenue lorsque l’exploitant
souhaite créer un neutre fortement impédant ou assurer une compensation partielle ou totale du capacitif du
réseau.
Ces dispositifs sont obtenus par l’association de résistances et d’inductances triphasées. Les réseaux équipés de
tels dispositifs se comportent sensiblement comme des réseaux équipés de résistances de point neutre.
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1.2.1 Inductance raccordée en série avec une résistance
Lorsque le réseau nécessite la création d’un point
neutre artificiel présentant une caractéristique
résistive, on associe une bobine triphasée inductive
et une résistance de point neutre.
Les transformateurs de courant sont insérés dans
l’enveloppe de la résistance.
Afin de limiter les surtensions transitoires, on donne à la résistance une valeur proche de celle présentée par
la réactance de capacité résiduelle du réseau.
En France, les réseaux de distribution publiques 20 kV sont équipés de dispositifs comportant une bobine de
point neutre j12 ou j40 Ω associée à une résistance de 40 Ω. Il faut noter que les dernières spécifications
impose des bobines présentant un facteur de qualité de 6.
Dans ces conditions le dispositif de mise à la terre du neutre se comporte comme une résistance de valeur.
Ce montage présente cependant l’avantage d’offrir une compensation partielle ou totale du courant de
capacité homopolaire et donc une réduction du courant de défaut.
On peut également associer une résistance à un
transformateur de mise à la terre.
La réactance homopolaire du transformateur est
dimensionnée de sorte que
Ro
Xo <
2
Le transformateur dispose d’enroulements couplés
en étoile au primaire avec un neutre sorti et couplé
en triangle au secondaire.
Ce montage, équivalent au précédent permet
d’alimenter les auxiliaires du site. Le déséquilibre
des charges doit cependant être maîtrisé afin de ne
pas générer un courant de neutre préjudicable au
bon fonctionnement du plan de protection.
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1.2.2 Les mesures
Les essais sont identiques à ceux exposés dans les chapitres précédents pour le contrôle des inductances et des
résistances.
Lorsque les éléments constitutifs sont accessibles, on effectue des mesures sur chaque appareil. On peut dans
certains cas avoir une approche un peu plus globale en effectuant par exemple les montages suivant.
La résistance et la bobine de point neutre sont
consignées et réquisitionnées. Les intensités sont
mesurées à l’aide d’une pince ampèremétrique que
l’on déplace.
La mesure permet de déterminer la réactance et les
résistances à froid du circuit de mise à la terre du
neutre.
Zb =
216
216
= 5,837Ω et R =
= 39, 27Ω
17,5
5, 5
Il faut noter que ce montage ne permet pas de mesure
les courants magnétisants de la bobine. Il est
nécessaire d’effectuer les mesures exposées au
chapitre précédent.
A l’aide d’un compas, on peut déterminer la valeur
des courants ir et iLω et en déduire le facteur de
Lω
ir
qualité
=
à froid de la bobine.
R
iLω
6