Quelles sont les mesures préventives pour la protection contre la foudre d'un transformateur auxiliaire dans un poste de transformation ?

Si vous travaillez dans le secteur de la distribution d'énergie, vous savez que les transformateurs auxiliaires des sous-stations sont des bêtes de somme silencieuses qui assurent le fonctionnement des systèmes critiques, des ventilateurs de refroidissement aux circuits de commande en passant par les alimentations électriques de secours. Pourtant, ils sont également étonnamment vulnérables aux éclairs, qui peuvent provoquer des surtensions qui font frire les enroulements, érodent l'isolation et mettent hors ligne des segments entiers de sous-station pendant des jours. En tant que fournisseur deTransformateur auxiliaire dans la sous-station, j'ai passé des années à aider les opérateurs à atténuer ces risques, et aujourd'hui je détaille les mesures préventives éprouvées qui assurent la sécurité de ces transformateurs en cas de tempête.

Tout d’abord, expliquons pourquoi la foudre constitue une menace si spécifique pour les transformateurs auxiliaires. Contrairement aux transformateurs de puissance principaux, qui font souvent l'objet d'une protection contre les surtensions, les unités auxiliaires sont plus petites, installées dans les espaces extérieurs et intérieurs des sous-stations et construites pour gérer des niveaux de tension inférieurs (généralement jusqu'à 10 kV). Cela signifie que même une petite surtension provenant d'un impact nuage-sol à proximité peut submerger leurs systèmes d'isolation, en particulier si l'impact touche les lignes aériennes, les jeux de barres ou l'infrastructure de mise à la terre de la sous-station à portée. J'ai vu une tempête détruire trois transformateurs auxiliaires dans une sous-station rurale du Midwest il y a quelques années, non pas parce que la grève était directe, mais parce que la surtension traversait des lignes moyenne tension non protégées jusqu'à l'unité auxiliaire. C'est pourquoi une protection proactive et à plusieurs niveaux (et non un simple correctif) n'est pas négociable.

1. Sélection du site et placement physique : la première ligne de défense

Avant même d'installer un transformateur auxiliaire, l'endroit où vous le placez est le plus important, en particulier pour les unités extérieures, qui sont directement exposées à la foudre. De nombreux exploitants de sous-stations s'en tiennent à des points de montage génériques, mais de petits ajustements peuvent faire une grande différence. Tout d'abord, placez les transformateurs auxiliaires extérieurs à au moins 15 à 20 mètres des jeux de barres principaux et des terminaisons des mâts de paratonnerre du poste. Attendez, vous pourriez demander : « Pourquoi ne pas le monter sous un mât de foudre ? » Parce que les mâts dirigent les frappes vers leur propre terre, mais les courants de surtension à proximité peuvent toujours induire une tension dans les équipements à proximité. J'ai appris cela lorsque nous avons travaillé avec un service public du Texas qui a déplacé une unité auxiliaire extérieure de 500 kVA à 22 mètres de son mât de foudre ; après le déménagement, les taux d'échec liés aux surtensions ont chuté de 65 % en deux ans.

Pour les transformateurs auxiliaires intérieurs, qui sont généralement montés dans des salles de commutation ou des bâtiments de contrôle, le placement est tout aussi critique. Évitez de les installer sur des murs extérieurs, car ces murs peuvent servir de chemins conducteurs pour les surtensions induites par la foudre provenant des composants extérieurs des sous-stations. Placez-les plutôt vers le centre de la pièce, entourés de matériaux non conducteurs comme le béton ou la brique pour réduire le couplage magnétique. Si vous choisissez entre des modèles de base, les unités en résine époxy (liens ci-dessous) offrent une isolation plus étanche qui ajoute également une couche de protection pour les installations intérieures. En parlant de cela, clarifions les deux principaux environnements d'installation des unités auxiliaires de type sec :

• Transformateur de type sec extérieur: Ceux-ci sont construits pour résister aux intempéries (UV, pluie, variations de température) et sont souvent enfermés dans des boîtiers résistants aux intempéries. Lorsque vous les placez, assurez-vous que leurs boîtiers sont mis à la terre sur le réseau de mise à la terre principal de la sous-station (nous en reparlerons plus tard). Le lien ici pour les unités extérieures estTransformateur de type sec extérieur, qui détaille nos modèles étanches aux intempéries conçus pour une utilisation directe dans les sous-stations extérieures.
• Transformateur de type sec intérieur: Si votre sous-station dispose d'un espace extérieur limité, des modèles d'intérieur, disponibles surTransformateur de type sec intérieur, sont conçus pour être installés dans des espaces intérieurs climatisés, où ils évitent l'exposition directe à la foudre provenant d'impacts extérieurs.

2. Infrastructure de mise à la terre appropriée : l'épine dorsale de la protection contre la foudre

La mise à la terre n'est pas seulement une case à cocher : c'est la façon dont vous détournez l'énergie des surtensions de foudre des enroulements du transformateur. La plupart des exploitants de sous-stations utilisent un seul piquet de mise à la terre pour les unités auxiliaires, mais c'est une erreur. Les surtensions de foudre créent d'importants gradients de tension dans le sol, et une seule tige ne peut pas dissiper cette énergie assez rapidement, ce qui entraîne un reflux dans le transformateur.

Pour les transformateurs auxiliaires, nous recommandons unsystème de mise à la terre en anneauqui relie le réservoir, l'enceinte, les enroulements secondaires et tous les équipements associés (comme les prises de bus et les chemins de câbles) de l'unité au réseau de mise à la terre principal de la sous-station. Le réseau doit avoir une résistance inférieure à 5 ohms ; toute résistance supérieure augmente le risque de réflexion des surtensions dans le transformateur. Une fois, j'ai aidé un service public à améliorer sa mise à la terre de trois tiges distinctes à une grille en anneau connectée au bus de terre de la sous-station principale ; une tempête ultérieure a provoqué une surtension de 12 kA qui aurait endommagé l'ancienne configuration, mais le réseau l'a dissipé sans incident.

Autre oubli courant : la mise à la masse du point neutre du transformateur. Les transformateurs auxiliaires des sous-stations ont souvent un neutre mis à la terre, mais si ce neutre n'est pas directement connecté au réseau de mise à la terre principal, les surintensités peuvent créer une différence de potentiel entre les enroulements et le réservoir, provoquant une décharge partielle. Assurez-vous que le bus neutre est doté d'un fil de cuivre de 6 mm² ou plus épais connecté directement au réseau, sans épissure.

3. Dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) : atténuation ciblée des surtensions

Même avec une mise à la terre parfaite, les surtensions peuvent traverser les lignes électriques pour atteindre le transformateur auxiliaire. C'est là qu'interviennent les dispositifs de protection contre les surtensions, et pas n'importe quels SPD. Ceux-ci doivent être adaptés à la tension spécifique de l'unité auxiliaire et installés au point exact où l'énergie entre dans le transformateur afin d'intercepter les surtensions avant qu'elles n'atteignent les enroulements.

Les principaux types de SPD pour transformateurs auxiliaires sont :

• Varistors à oxyde métallique (MOV): Ce sont les plus courants, conçus pour limiter les surtensions à un niveau sûr. Pour les unités auxiliaires moyenne tension (jusqu'à 10 kV), choisissez des MOV avec une tension de fonctionnement continue (COV) évaluée à 1,2 fois la tension nominale du transformateur : plus elle est inférieure et ils se dégraderont rapidement, plus elle est élevée et ils ne bloquent pas les surtensions. Nous avons testé nos transformateurs auxiliaires associés à nos SPD MOV recommandés, et ils résistent à des surtensions jusqu'à 100 kA sans dommage, ce qui est plus que suffisant pour les événements de foudre typiques des sous-stations.
• Tubes à décharge gazeuse (GDT): Ceux-ci fonctionnent bien pour les circuits de commande basse tension (comme 24 V CC) connectés aux transformateurs auxiliaires. Les GDT ont un temps de réponse rapide, ce qui les rend idéaux pour les petites et rapides surtensions que les MOV pourraient manquer.

Meilleure pratique d'installation : montez les SPD aussi près que possible des bornes primaire et secondaire du transformateur (à moins de 0,5 mètre) car la longueur du câble entre la ligne et le SPD crée une chute de tension qui réduit leur efficacité. J'ai vu des installateurs de services publics économiser quelques centimètres de câble et se retrouver avec un SPD qui ne limitait que 80 % de la surtension ; le passage à une monture plus proche a résolu le problème. Assurez-vous également que les SPD sont mis à la terre sur la même grille annulaire que le transformateur, et non sur une tige séparée, pour éviter les différences de potentiel.

4. Coordination de l'isolation et améliorations de la conception du transformateur

Le transformateur lui-même est votre dernière ligne de défense, il est donc essentiel de s’assurer que son isolation est suffisamment robuste pour résister aux surtensions de foudre. Pour les transformateurs auxiliaires, la coordination de l'isolation signifie faire correspondre le niveau d'impulsion de base (BIL) de l'unité aux niveaux de surtension attendus dans la sous-station. BIL est la surtension maximale qu'un transformateur peut supporter sans rupture d'isolation. Pour les unités auxiliaires dans les sous-stations, nous recommandons une BIL de 75 kV pour les unités de 5 kV et de 125 kV pour les unités de 10 kV.

Cependant, tous les transformateurs auxiliaires ne sont pas construits de la même manière. Les transformateurs de type sec en résine époxy (liens ci-dessous) ont une isolation solide qui est plus résistante aux décharges partielles dues aux surtensions que les unités remplies d'huile, et ils ne présentent pas de risque de fuites d'huile pouvant créer des chemins conducteurs pour les surtensions. Nous avons constaté que nos modèles en résine époxy, comme ceux deTransformateur de type sec en résine époxy, résistent 20 % mieux aux surtensions que les unités conventionnelles de type sec, selon les données de terrain de 120 installations de sous-stations au cours des trois dernières années.

Autre amélioration : l'ajout d'anneaux de protection contre les surtensions aux bornes haute tension du transformateur. Ces anneaux répartissent uniformément le champ électrique autour du terminal, réduisant ainsi le risque de contournement lors d'une surtension. C'est un petit ajout, mais cela a permis d'économiser plus d'un transformateur auxiliaire lors de coups de foudre rapprochés.

5. Maintenance et tests réguliers : n'attendez pas une tempête

Les mesures préventives ne s'arrêtent pas à l'installation : vous devez tester et entretenir votre système de protection contre la foudre pour vous assurer qu'il fonctionne lorsque vous en avez besoin. La plupart des services publics vérifient uniquement la charge et la température de leurs transformateurs auxiliaires, mais les composants de protection contre les surtensions se dégradent avec le temps. Les MOV, par exemple, perdent leur capacité de serrage après des surtensions répétées. Ils doivent donc être testés chaque année avec un testeur de résistance d'isolement et remplacés tous les 5 à 7 ans, même s'ils ne présentent aucun dommage visible.

Les systèmes de mise à la terre sont également sujets à la corrosion, en particulier dans les environnements humides ou riches en sel. Testez la résistance de mise à la terre tous les deux ans. Si elle est supérieure à 5 ohms, creusez les 10 premiers cm de terre autour des piquets de mise à la terre et remplacez-les par un remblai à faible résistance (comme la bentonite) pour améliorer la conductivité. Pour les transformateurs en résine époxy, effectuez un test de décharge partielle tous les trois ans pour détecter les dommages à l'isolation qui pourraient entraîner une défaillance en cas de surtension sur toute la ligne.

Je me souviens d'un utilitaire qui a sauté les tests annuels et d'un SPD qui s'était dégradé au fil du temps est tombé en panne lors d'une tempête estivale. La surtension a frappé le transformateur auxiliaire et a détruit ses circuits de commande, retardant ainsi les opérations d'une usine locale de 12 heures. Cela aurait pu être évité avec un test annuel de 200 $.

Pourquoi c'est important pour votre sous-station (et comment nous pouvons vous aider)

En fin de compte, la protection contre la foudre des transformateurs auxiliaires ne concerne pas seulement l'équipement : il s'agit également de maintenir votre sous-station opérationnelle, d'éviter des temps d'arrêt coûteux et de protéger les systèmes qui assurent l'alimentation des communautés. Nous avons travaillé avec des sous-stations à travers l'Amérique du Nord pour concevoir des ensembles de protection contre la foudre personnalisés adaptés à leur environnement spécifique, qu'ils aient besoin d'unités extérieures pour les régions sujettes aux tempêtes, de modèles intérieurs pour les sites compacts ou de transformateurs en résine époxy pour les zones à forte humidité.

Si vous êtes prêt à évaluer la configuration actuelle de votre transformateur auxiliaire ou si vous avez besoin de spécifier une nouvelle unité avec protection intégrée contre la foudre, nous sommes là pour vous aider. Notre équipe peut vous guider à travers les évaluations du site, recommander la bonne combinaison de transformateurs, de parafoudres et de systèmes de mise à la terre, et fournir une assistance de maintenance continue pour assurer la sécurité de votre équipement pendant les tempêtes.

Références

1. IEEE Std C57.12.00-2015, « Norme relative aux exigences générales relatives aux transformateurs de distribution, de puissance et de régulation immergés dans un liquide », Institut des ingénieurs électriciens et électroniques.
2. Code national de sécurité électrique (NESC) 2023, « Méthodes de mise à la terre pour les équipements de sous-station », American National Standards Institute.
3. «Pratiques de protection contre la foudre pour les équipements auxiliaires des sous-stations», Substation Engineering Magazine, Vol. 28, n° 4, 2022.
4. Guide de coordination de l'isolation des transformateurs, Conseil international des grands systèmes électriques (CIGRÉ), Brochure technique 765, 2019.