Découvrez les différents types de transformateurs dans les postes électriques haute tension en explorant leur fonctionnement technique et les évaluations mathématiques des paramètres essentiels.
Les postes électriques jouent un rôle important dans le traitement de l’énergie électrique consommée de la génération à la distribution. Ils veillent également à ce que l’énergie soit transformée et convertie pour répondre aux différents besoins électriques. Les transformateurs sont utilisés pour diverses fonctions afin d’accomplir cela de manière efficace. Cet article explore les types de transformateurs utilisés dans les postes électriques et leur rôle dans la manipulation de l’énergie.
Transformateurs de puissance de poste électrique
Les transformateurs de puissance réduisent ou augmentent la tension du réseau en augmentant ou en diminuant la haute tension. Ces transformateurs garantissent des pertes minimales dans la distribution et les transmissions qui proviennent du chauffage par effet Joule en veillant à ce que la tension de transmission soit de 345 kV et plus et distribuée à 11 kV, 33 kV ou 66 kV. Des tensions de distribution inférieures peuvent être utilisées à des fins résidentielles, tandis que des tensions plus élevées sont réservées aux réseaux de protection et de distribution industriels.
Figure 1. Illustration d’un poste électrique haute tension. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Unsplash
Pour mieux comprendre le fonctionnement interne de la transformation de puissance d’un poste électrique, la puissance est évaluée en utilisant l’équation de transformation de tension en tenant compte du rapport de transformation du transformateur (N). L’équation de transformation de tension compare le rapport de tension et le nombre de spires dans les enroulements primaire et secondaire du transformateur et est déterminée à l’aide de :
\[\frac{V_{1}}{V_{2}}=\frac{N_{1}}{N_{2}}\]
où N est le rapport de transformation entre l’enroulement primaire (N1) et l’enroulement secondaire (N2).
Exemple de calcul : Considérons un transformateur élévateur qui augmente la tension dans un poste de 11 kV (primaire) à 220 kV (secondaire). Le rapport de transformation de l’enroulement secondaire peut être facilement évalué comme indiqué ci-dessous.
Solution : Évaluez le rapport de transformation avec \(N=\frac{V_{1}}{V_{2}}\)
\[N=\frac{V_{1}}{V_{2}}=\frac{220 000}{11 000}=20\]
Par conséquent, le rapport de transformation de l’enroulement secondaire est supérieur à celui de l’enroulement primaire de 20 fois.
Pour mieux visualiser la relation entre la tension secondaire (V2) et le rapport de transformation (N), nous vous présentons le graphique de transformation de tension du transformateur ci-dessous, où avec la tension primaire à 11 kV, la tension secondaire augmente régulièrement à mesure que le rapport de transformation augmente.
Figure 2. Graphe montrant la tension de transformation de 11 000 V dans un transformateur élévateur et la tension de sortie en fonction du rapport de transformation. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bob Odhiambo
Les transformateurs de puissance ne sont pas entièrement efficaces, car des pertes d’énergie se produisent dans le cuivre et le noyau de fer associés aux pertes par hystérésis et aux courants de Foucault. La résistance des enroulements de cuivre du transformateur est responsable des pertes de cuivre, car une partie de l’énergie est convertie en chaleur, et cette perte peut être évaluée mathématiquement comme indiqué dans l’équation ci-dessous :
\[P_{cuivre}=I^{2}_{p}\times R_{p}+I^{2}_{s}\times R_{s}\]
Pour les pertes dues à l’hystérésis et aux courants de Foucault, l’équation des pertes de fer est évaluée à l’aide de la formule :
\[P_{fer}=V_{p}\times I_{en-charge}\]
Transformateurs de redressement dans les postes électriques
Pour minimiser les pertes de transmission d’énergie, les postes électriques sont équipés de transformateurs de redressement qui convertissent le courant alternatif (CA) haute tension en courant continu (CC) haute tension. Lors de la conception d’un système en courant continu haute tension (HVDC), la technologie du transformateur de redressement, la puissance nominale et le niveau de tension sont pris en compte. La technologie de redressement utilise des convertisseurs tels que des convertisseurs à commutation de ligne (LCC) et des convertisseurs à source de tension (VSC), qui fonctionnent distinctement dans la rectification de la puissance dans les systèmes HVDC.
Dans la configuration de base d’un convertisseur LCC, la conversion du courant alternatif haute tension en courant continu est réalisée à l’aide de thyristors configurés en ponts de thyristors. La commutation des thyristors est rendue possible par le passage par zéro naturel du courant alternatif, ce qui le rend moins flexible en termes de contrôle. Ce convertisseur convient pour interconnecter des systèmes CA asynchrones et gérer la transmission d’énergie sur de longues distances. Pour déterminer la tension continue de sortie résultante du convertisseur, nous pouvons l’évaluer mathématiquement à l’aide de la formule suivante, où (VCA) représente la tension dans la ligne CA.
\[V_{CC}=\sqrt{3}\times V_{CA}\]
D’autres paramètres essentiels dans le convertisseur de puissance LCC sont le courant du convertisseur (Iconv) et la puissance redresseuse résultante (Prect). Ces paramètres peuvent être déterminés à l’aide des formules suivantes, où le courant dans la ligne CA est déterminé par (ICA).
\[I_{conv}=\frac{2}{\pi}\times I_{CA}\]
\[P_{rect}=\sqrt{3}\times I_{CA}\times V_{CA}\]
Figure 3. Le graphe de forme d’onde LCC montre une tension et un courant sinusoïdaux avec des points de commutation distincts. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bob Odhiambo
Contrairement aux LCC, les VSC peuvent contrôler la direction et l’ampleur du courant continu en utilisant des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) qui offrent plus de souplesse dans le contrôle de la puissance active et réactive provenant de l’intégration des sources d’énergie renouvelable dans le réseau. Dans les VSC, la tension de ligne CA est égale à la tension CC. Le courant de ligne CA est également égal au courant du convertisseur, comme indiqué ci-dessous :
\[V_{CC}=V_{CA}\]
\[I_{conv}=V_{CA}\]
La puissance du convertisseur dans VSC est évaluée à l’aide de la formule :
\[P_{conv}=\sqrt{3}\times V_{CA}\times I_{CA}\]
Figure 4. Le graphe de forme d’onde VSC affiche une forme d’onde de tension et de courant plus régulière, ce qui démontre son fonctionnement contrôlé et continu. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bob Odhiambo
Transformateurs de déphasage
Pour un réseau stable et fiable, les postes électriques peuvent utiliser des transformateurs de déphasage (PST) pour gérer la transmission d’énergie électrique en contrôlant l’angle de phase du flux de puissance. Les PST peuvent également réguler la tension dans le poste électrique, améliorant ainsi davantage le profil de tension. Les PST sont souvent utilisés pour connecter des systèmes de réseau asynchrones et des systèmes de transmission HVDC, et pour contrôler le flux de puissance entre les systèmes CA et CC.
Les PST permettent de contrôler le flux de puissance en ajustant le rapport de transformation du transformateur à l’aide d’un chargeur de déphasage. L’ajustement de l’angle de phase peut donc être évalué en utilisant la formule de réglage du chargeur de déphasage qui détermine la nouvelle tension (Vout, new)
\[V_{out,new}=\frac{N_{spires,new}}{N_{spires,original}}\times V_{out,original}\]
Le flux de puissance est calculé en tenant compte des tensions d’envoi et de réception, de leurs différences de phase ( ) et de la réactance (X) de la ligne de transmission. Le flux de puissance est donc calculé à l’aide de la formule :
\[P_{adjusted}=V_{sending}\times V_{receiving}\times\frac{sinsin(\theta+\Delta\theta)}{X}\]
où la différence d’angle de phase est représentée par (∆ ).
Transformateurs d’instrumentation
Obtenir une lecture précise de la puissance circulant dans les systèmes est essentiel dans les postes électriques. Cependant, il est impossible de faire une lecture lorsque la tension est très élevée car cela pourrait endommager l’instrument de mesure. C’est là que le transformateur d’instrumentation entre en jeu. Ce type de transformateur réduit les niveaux de tension et de courant élevés du poste électrique à un niveau plus sûr qui peut être mesuré par des dispositifs de protection et des instruments de mesure. Les transformateurs de tension (VT), également appelés transformateurs de potentiel (PT), et les transformateurs de courant (CT) sont les deux principaux types de transformateurs d’instrumentation.
Les CT sont conçus pour mesurer les courants élevés dans un poste électrique en réduisant le courant dans la ligne électrique. Des mesures précises peuvent être obtenues en utilisant le principe de l’induction électromagnétique. Ce type de transformateur a une connexion parallèle entre l’enroulement primaire et la ligne électrique. L’enroulement secondaire est connecté aux instruments de mesure et au relais de protection, et la réduction du courant dépend du rapport de transformation entre les enroulements secondaire et primaire. Cela rend les CT adaptés à la détection des surintensités dans la ligne électrique et aux applications de mesure.
Lorsque le CT est exposé à des niveaux élevés de courant primaire, son noyau magnétique se sature. La saturation du CT peut entraîner des lectures incorrectes, impactant la précision globale des mesures de mesure. Pour tenir compte des écarts résultant de la saturation du CT, un paramètre appelé facteur de limitation de précision (ALF) est utilisé pour la quantification et les ajustements corrects. Exprimé comme un rapport entre le courant réel circulant dans l’enroulement secondaire et le courant secondaire nominal du CT, l’ALF est évalué à l’aide de la formule :
\[ALF=\frac{I_{réel}}{I_{nominal}}\]
Contrairement aux CT, qui utilisent le courant pour la mesure, les VT ou PT mesurent la tension dans les lignes haute tension et peuvent également être utilisés pour les circuits de protection de relais. Les VT abaissent la tension à un niveau sûr et, comme pour les CT, utilisent l’induction électromagnétique dans laquelle l’enroulement primaire est connecté à une source haute tension tandis que l’enroulement secondaire est connecté au relais de protection et aux instruments de mesure. Comme pour les CT, les VT sont également utilisés à des fins de mesure et de protection et peuvent détecter les anomalies de tension dans la ligne électrique.
En ce qui concerne la précision des VT, des aspects tels que la saturation et une impédance de charge incorrecte peuvent entraîner des mesures de tension inexactes ou non linéaires. Pour quantifier l’erreur entre le rapport de transformation réel du transformateur et le rapport nominal, le taux d’erreur en pourcentage (PRE) est évalué à l’aide de la formule :
\[PRE=(\frac{Rapport\,de\,transformation\,réel-Rapport\,de\,transformation\,nominal}{Rapport\,de\,transformation\,nominal})\times100\%\]
En résumé sur les transformateurs de poste électrique
À mesure que la technologie des transformateurs évolue, les ingénieurs utilisent différents types pour résoudre différents problèmes d’ingénierie électrique. Les transformateurs utilisés dans les postes électriques sont adaptables. Les transformateurs d’instrumentation trouvent leur place dans la mesure et la protection des relais, tandis que les transformateurs de puissance constituent un élément de base pour augmenter et diminuer les tensions et les courants élevés dans de tels postes.