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LES ÉQUIPEMENTS LES TRANSFORMATEURS MANUEL DE FORMATION Cours EXP-PR-EQ170 Révi

LES ÉQUIPEMENTS LES TRANSFORMATEURS MANUEL DE FORMATION Cours EXP-PR-EQ170 Révision 0.1 Exploration et Production Les Équipements Les Transformateurs Support de cours EXP-PR-EQ170-FR Dernière version : 31/05/2007 Page 2 sur 136 LES ÉQUIPEMENTS LES TRANSFORMATEURS SOMMAIRE 1. OBJECTIFS.....................................................................................................................6 2. CONSTRUCTION / THÉORIE DE FONCTIONNEMENT ................................................7 2.1. INTRODUCTION.......................................................................................................7 2.1.1. Historique des transformateurs .........................................................................9 2.1.2. Éléments physiques d’un transformateur ........................................................10 2.1.2.1. Circuit magnétique : ...................................................................................10 2.1.2.2. Structures les plus courantes de noyaux magnétiques ..............................11 2.1.2.3. Noyau feuilleté en acier au silicium (base fer)............................................13 2.1.2.4. Enroulement...............................................................................................15 2.1.3. Considérations pratiques.................................................................................17 2.1.3.1. Limitations..................................................................................................17 2.1.3.2. Pertes d’énergie.........................................................................................17 3. ÉLECTRICITÉ - DÉFINITIONS......................................................................................20 3.1. FORMULES DES TRANSFORMATEURS ET AIMANTS .......................................20 3.1.1. Perméabilité ....................................................................................................20 3.1.2. Force magnétique ...........................................................................................21 3.1.3. Séquences de fonctionnement d’un transformateur ........................................22 3.2. RAPPORT DE TENSION........................................................................................23 3.2.1. Rapport de transformation...............................................................................23 3.2.2. Rapport 1/1......................................................................................................24 3.2.3. Transformateur abaisseur ...............................................................................25 3.2.4. Transformateur élévateur ................................................................................25 3.2.5. Transformateur monophasé - Polarité.............................................................26 3.3. RAPPORT DE COURANT ......................................................................................28 3.4. RENDEMENT .........................................................................................................28 3.5. EXERCICES ...........................................................................................................30 4. LES DIFFÉRENTS TRANSFORMATEURS ..................................................................34 4.1. CLASSIFICATION...................................................................................................34 4.2. AUTOTRANSFORMATEURS .................................................................................35 4.3. TRANSFORMATEUR MULTIPHASÉ......................................................................37 4.4. TRANSFORMATEUR RÉSONANT.........................................................................38 4.5. TRANSFORMATEURS DE COURANT - INSTRUMENTATION.............................39 4.6. TRANSFORMATEURS DE TENSION - INSTRUMENTATION...............................40 4.7. TRANSFORMATEURS D’IMPULSION...................................................................40 4.8. TRANSFORMATEURS ÉLECTRONIQUES ...........................................................41 4.8.1. Transformateurs FR fréquence radio (transformateurs à ligne de transmission) ..................................................................................................................................41 4.8.2. Baluns .............................................................................................................41 4.8.3. Transformateurs à basse fréquence................................................................41 Exploration et Production Les Équipements Les Transformateurs Support de cours EXP-PR-EQ170-FR Dernière version : 31/05/2007 Page 3 sur 136 4.8.4. Transformateurs de haut parleur .....................................................................42 4.8.5. Transformateurs à faible signal .......................................................................42 4.8.6. Transformateurs de liaison..............................................................................43 4.9. LE TRANSFORMATEUR DE PUISSANCE ............................................................43 5. LES TRANSFORMATEURS DE MESURE....................................................................44 5.1. GÉNÉRALITÉS CONCERNANT COURANT ET TENSION....................................44 5.1.1. Principe et sécurité..........................................................................................44 5.1.2. Branchement des transformateurs de mesure ................................................45 5.1.3. Types de construction des transformateurs de mesure...................................46 5.1.4. Circuits équivalents aux transformateurs de mesure.......................................47 5.1.5. Maintenance et test de contrôle de l’isolation..................................................48 5.2. LE TRANSFORMATEUR DE COURANT TC..........................................................49 5.2.1. Symboles et concepts simplifiés......................................................................49 5.2.2. Câblage d’un TC .............................................................................................49 5.2.3. Tension en circuit ouvert d’un transformateur de courant................................50 5.2.4. Choix et rapport de transformateur de courant................................................51 5.2.4.1. Exemple 1 ..................................................................................................51 5.2.4.2. Exemple 2 ..................................................................................................52 5.2.5. TC spéciaux ....................................................................................................52 5.3. LE TRANSFORMATEUR DE POTENTIEL TP (OU TT DE TENSION)...................53 5.3.1. Symboles et concepts simplifiés......................................................................53 5.3.2. Câblage d’un TP..............................................................................................53 5.3.3. Choix et rapport des transformateurs de tension.............................................55 5.3.3.1. Exemple 1 ..................................................................................................55 5.3.3.2. Exemple 2 ..................................................................................................55 5.3.4. Exemple d’applications de contrôle en triphasé ..............................................57 5.3.4.1. Mesures courantes.....................................................................................57 5.3.4.2. Connexions typiques des TP et TC – 3 phases et neutre ..........................58 5.3.4.3. Connexions typiques des TP et TC – 3 phases pas de neutre...................58 5.4. EXERCICES ...........................................................................................................59 6. TECHNOLOGIE DU TRANSFORMATEUR DE PUISSANCE .......................................60 6.1. DÉFINITION DE NOS BESOINS SUR SITE...........................................................60 6.2. TRANSFORMATEUR SEC .....................................................................................61 6.3. TRANSFORMATEUR DE PUISSANCE IMMERGÉ................................................62 7. BRANCHEMENTS ET PRISES INTERMÉDIAIRES DU TRANSFORMATEUR DE PUISSANCE......................................................................................................................64 7.1. MARQUAGE ...........................................................................................................64 7.2. BRANCHEMENTS ..................................................................................................65 7.2.1. Branchement triangle ......................................................................................66 7.2.2. Branchement en étoile.....................................................................................67 7.2.3. Calcul du rapport de tension du transformateur triphasé.................................68 7.2.3.1. Branchement étoile-étoile...........................................................................69 7.2.3.2. Branchement triangle - étoile .....................................................................69 7.2.3.3. Branchement étoile - triangle .....................................................................71 7.2.3.4. Branchement spécial, en Z.........................................................................73 7.3. DÉPLACEMENT ANGULAIRE (INDICE HORAIRE)...............................................73 7.3.1. Détermination du câblage................................................................................74 7.3.2. Les différentes configurations..........................................................................75 Exploration et Production Les Équipements Les Transformateurs Support de cours EXP-PR-EQ170-FR Dernière version : 31/05/2007 Page 4 sur 136 7.3.3. Astuces pour déterminer le déplacement angulaire ........................................79 7.4. COMMUTATEURS À PRISE DE RÉGLAGE ..........................................................80 7.4.1. Description / emploi du commutateur à prise de réglage.................................80 7.4.2. Version hors charge ........................................................................................81 7.4.3. Version en charge ...........................................................................................81 7.4.3.1. Commutateurs à prise de réglage mécaniques..........................................82 7.4.3.2. Commutateurs à prise de réglage à thyristor .............................................83 7.4.3.3. Commutateurs à prise de réglage à semi-conducteurs (thyristor)..............83 7.4.3.4. Emploi spécifique.......................................................................................83 7.5. BORNES DE BRANCHEMENT ..............................................................................84 7.5.1. Bornes haute tension.......................................................................................84 7.5.2. Bornes et branchements basse tension ..........................................................85 7.5.2.1. Boîtier de raccordement : plaque non métallique.......................................85 7.5.2.2. Câble monophasé sur un chemin de câbles ..............................................86 7.6. EXERCICES ...........................................................................................................88 8. PROTECTIONS ET FONCTIONNEMENT ÉLECTRIQUES ..........................................89 8.1. PROTECTIONS DES LIGNES ÉLECTRIQUES......................................................89 8.1.1. Schéma général de protection d’une ligne ......................................................89 8.1.2. Protections électriques du primaire .................................................................90 8.1.3. Protections électriques du secondaire (BT).....................................................91 8.1.4. Séquences de fonctionnements des rupteurs .................................................92 8.2. ACCESSOIRES DE TRANSFORMATEUR DE PUISSANCE (à l’huile)..................93 8.2.1. Dispositifs de protection interne ......................................................................93 8.2.2. Accessoires externes ......................................................................................94 8.3. SYSTÈME DE MISE À LA TERRE..........................................................................95 8.3.1. Protection contre les surtensions ...................................................................95 8.3.2. Protection différentielle....................................................................................98 8.3.3. Relais de défaut à la terre de la cuve ............................................................100 8.3.4. Transformateur homopolaire .........................................................................100 8.4. FONCTIONNEMENT DES TRANSFORMATEURS EN PARALLÈLE...................102 8.4.1. Configuration de fonctionnement en parallèle ...............................................102 8.4.2. Conditions de fonctionnement en parallèle....................................................103 8.5. EXERCICES .........................................................................................................106 9. ISOLATION, FLUIDES ET REFROIDISSEMENT........................................................107 9.1. PRINCIPES D’ISOLATION ET REFROIDISSEMENT...........................................107 9.1.1. Isolation du câblage ......................................................................................107 9.1.2. Isolation des enroulements............................................................................107 9.2. FLUIDES D’ISOLATION........................................................................................108 9.2.1. Huile minérale ...............................................................................................108 9.2.2. Huile de silicone ............................................................................................108 9.2.3. Liquide halogéné d’isolation pour transformateurs........................................109 9.2.4. Diélectrique PCB ...........................................................................................109 9.3. REFROIDISSEMENT DES FLUIDES DIÉLECTRIQUES......................................109 9.3.1. Transformateur respirant...............................................................................110 9.3.2. Transformateur étanche ................................................................................111 9.3.3. Transformateur de type sec...........................................................................111 9.3.3.1. Classe H, imprégnés................................................................................112 9.3.3.2. Enrobés (encapsulés) ..............................................................................112 Exploration et Production Les Équipements Les Transformateurs Support de cours EXP-PR-EQ170-FR Dernière version : 31/05/2007 Page 5 sur 136 9.4. MÉTHODES DE REFROIDISSEMENT DES TRANSFORMATEURS DE PUISSANCE ................................................................................................................113 9.4.1. Circulation naturelle d’huile ...........................................................................114 9.4.2. Circulations forcées d’huile et d’air................................................................115 9.4.3. Circulation dirigée d’huile dans l’enroulement et forcée d’air.........................115 9.4.4. Radiateur de refroidissement à circulation dirigée d’huile et forcée d’eau.....115 9.5. ACCESSOIRES POUR FLUIDES DE REFROIDISSEMENT................................116 9.5.1. Clapet anti-retour...........................................................................................116 9.5.2. Sécheurs à air (dessiccateurs)......................................................................116 9.5.3. Cuve d’expansion du diaphragme.................................................................117 9.6. EXERCICES .........................................................................................................118 10. TRANSFORMATEUR DE PUISSANCE TESTS ET MAINTENANCE .......................119 10.1. PLAQUE D’IDENTIFICATION DU TRANSFORMATEUR ...................................119 10.1.1. Exercice concernant la plaque d’identification 1..........................................119 10.1.2. Exercice concernant la plaque d’identification 2..........................................120 10.2. TENSION DE COURT-CIRCUIT.........................................................................121 10.2.1. Objectif du test de court-circuit ....................................................................121 10.2.2. Définition .....................................................................................................121 10.2.3. Banc d’essai de détermination de tension de court circuit d’un transformateur ................................................................................................................................122 10.3. MAINTENANCE PRÉVENTIVE DES TRANSFORMATEURS DE PUISSANCE.122 10.3.1. Programme de nettoyage............................................................................123 10.3.2. Test de l’équipement de protection .............................................................124 10.3.3. Prélèvement d’échantillons d’huile de transformateur .................................125 10.3.4. Régénération de l’huile................................................................................126 11. GLOSSAIRE..............................................................................................................128 12. SOMMAIRE DES FIGURES......................................................................................129 13. SOMMAIRE DES TABLEAUX ...................................................................................133 14. CORRIGÉ DES EXERCICES ....................................................................................134 Exploration et Production Les Équipements Les Transformateurs Support de cours EXP-PR-EQ170-FR Dernière version : 31/05/2007 Page 6 sur 136 1. OBJECTIFS Pouvoir expliquer, en en comprenant les principes fondamentaux, les principes de fonctionnement et de maintenance des différents types de transformateurs et de transformateurs de puissance présents sur un site industriel. Cela comprend les accessoires et les protections électriques du transformateur de puissance. Après cette formation, l’élève doit pouvoir : Expliquer le principe de fonctionnement de base d’un transformateur simple, Distinguer les différents types de transformateurs, Décrire les applications et principes de protections d’un transformateur de puissance, Expliquer le choix de tel type de transformateur pour tel emploi spécifique, Distinguer les différents types d’isolation d’un transformateur de puissance, Expliquer le fonctionnement des différents dispositifs de sécurité associés à un transformateur de puissance, Connaître les principes de maintenance d’un transformateur de puissance, Expliquer les dangers associés au fonctionnement et à la maintenance d’un transformateur de puissance. Exploration et Production Les Équipements Les Transformateurs Support de cours EXP-PR-EQ170-FR Dernière version : 31/05/2007 Page 7 sur 136 2. CONSTRUCTION / THÉORIE DE FONCTIONNEMENT 2.1. INTRODUCTION Un transformateur est un dispositif fixe qui transfère l’énergie électrique d’un courant CA d’un circuit à un autre par électromagnétisme. Le transformateur est un appareil électrique qui transfère de l’énergie d’un circuit à un autre par un couplage magnétique sans partie mobile. Un transformateur comprend 2 ou plusieurs enroulements couplés ou encore un seul enroulement à prises et, dans la plupart des cas, un noyau magnétique pour concentrer le flux magnétique. Un changement de courant dans un enroulement (l’enroulement primaire) crée un flux magnétique variable dans le temps dans le noyau, ce qui induit une tension dans l’(les) autre(s) enroulement(s) (enroulement secondaire). Figure 1 : Principe de base d’un transformateur classique Le transformateur est l’un des appareils électriques les plus simples et pour autant les modèles et matériaux des transformateurs sont toujours améliorés. En matière de taille, les transformateurs vont de la taille d’un ongle, pour un transformateur caché dans un microphone de scène, jusqu’à d’énormes unités en gigawatt employées pour relier de grands pans du réseau électrique national. Tous fonctionnent Exploration et Production Les Équipements Les Transformateurs Support de cours EXP-PR-EQ170-FR Dernière version : 31/05/2007 Page 8 sur 136 cependant selon les mêmes principes et présentent de nombreuses similitudes de construction. De quelques VA à 25 MVA Une puissance encore plus grande !! Figure 2 : Différents types de transformateurs Exploration et Production Les Équipements Les Transformateurs Support de cours EXP-PR-EQ170-FR Dernière version : 31/05/2007 Page 9 sur 136 2.1.1. Historique des transformateurs Michael Faraday construisit le premier transformateur en 1831. Il ne l’employa cependant que pour démontrer le principe de l’induction électromagnétique et n’en imagina pas les usages auxquels il serait finalement destiné. Figure 3 : Michael Faraday L’ingénieur Russe Pavel Yablochkov inventa en 1876 un système d’éclairage basé sur un jeu de bobines d’induction, dans lequel les enroulements primaires étaient connectés à une source de courant alternatif et les enroulements secondaires pouvaient être reliés à plusieurs « bougies électriques ». Comme le mentionnait le brevet, un tel système « permet[tait] de fournir une alimentation indépendante à plusieurs dispositifs d’éclairage, sous différentes intensités lumineuses, uploads/Management/ les-accouplements.pdf