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TRANSFORMATEURS DEPHASEURSTRANSFORMATEURS DEPHASEURSTRANSFORMATEURS DEPHASEURSTRANSFORMATEURS DEPHASEURS
Par Jean-Christophe Riboud responsable du département ingénierie et
construction de l’unité de production de transformateur de puissance d’ALSTOM
de Saint-Ouen ( France )
1/INTRODUCTION1/INTRODUCTION1/INTRODUCTION1/INTRODUCTION
Le but de cette présentation est de donner le point de vue d’un
constructeur sur les transformateurs déphaseurs de réseau. Après avoir
présenté les différents type de réalisation possibles, nous nous servirons
d’une application réelle pour illustrer nos propos.
2/LES TRANSFORMATEURS DEPHASEURS2/LES TRANSFORMATEURS DEPHASEURS2/LES TRANSFORMATEURS DEPHASEURS2/LES TRANSFORMATEURS DEPHASEURS
Les transformateurs déphaseurs sont des machines statiques dont les
caractéristiques constructives générales sont à quelques détails près
identiques aux transformateurs classiques ils en possèdent donc toutes
les qualités de fiabilité et rendement. De part leurs connexions internes,
ils permettent d’obtenir un déphasage entre les tensions en entrée et en
sortie.
2222----1111 Action sur le réseauAction sur le réseauAction sur le réseauAction sur le réseau
Les transformateurs déphaseurs permettent de réguler les flux de
puissance entre deux réseaux. Plus simplement et sans entrer dans les
modélisations sophistiquées des spécialistes des réseaux, nous pouvons
assimiler un transformateur déphaseur à une impédance variable insérée
dans une ligne. Cette impédance pouvant aussi être négative.
Une des applications principales de ces appareils se trouve lorsque deux
réseaux sont connectés par des lignes en parallèle d’impédances
différentes. Le transfert de puissance naturel et sa répartition n’est alors
lié qu’aux impédances de chaque branche.
L’installation d’un transformateur dans l’une quelconque des branches
permet artificiellement de modifier la répartition naturelle et d’obtenir
n’importe quelle distribution de la charge entre les deux branches.
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Une autre application est la régulation du transfert de puissance entre
deux réseaux indépendants.
Il faut noter que le comportement des transformateurs déphaseurs diffère
sensiblement en fonction de la charge qui les traverse. En effet non
seulement les transformateurs déphaseurs créent un angle de déphasage
à vide qui génère une tension de nature à modifier le transfert de
puissance, mais aussi ceux ci par construction ajoute une impédance au
circuit. En fonction du sens de déphasage ces deux phénomènes peuvent
s’additionner pour produire un déphasage en charge supérieure à celui-ci
vide ou se retrancher pour obtenir l’effet inverse.
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2222----2222 Construction des transformateurs déphaseursConstruction des transformateurs déphaseursConstruction des transformateurs déphaseursConstruction des transformateurs déphaseurs
Tout d’abord un transformateur déphaseur est un transformateur statique
dont les principes de base sont ceux de tous les transformateurs de
réseau. Ils comportent tous au moins une partie active constitué de tôle
magnétique et de bobinage. Cependant afin d’atteindre différent type de
caractéristiques, il est possible d’utiliser des solutions demandant deux
parties active soit deux transformateurs connectés ensemble.
Sachant que pour obtenir un déphasage entre les tensions d’entrée et de
sortie la solution réside toujours dans l’adjonction en série d’une tension
prélevée ou générée par une autre phase.
Par le biais de changeur de prise en charge il est possible d’obtenir un
angle variable par pas de façon similaire à la régulation de tension des
transformateurs de réseau.
2222----2.12.12.12.1 Construction à une partie activeConstruction à une partie activeConstruction à une partie activeConstruction à une partie active
Plusieurs types de construction simples et économiques à une seule
partie active sont possibles. Telle que les triangles prolongés et le delta
hexagonal dont les connexions sont schématisées ci-dessous.
LS
LS
Ces deux schémas sont très indiqués pour des niveaux de tension de
réseau faible ou des applications à angle fixe ne nécessitant pas de
changer de prises.
Par contre ce type de schéma présente l’inconvénient de positionner les
changeurs de prises lorsqu’ils existent, directement sur les lignes et donc
de les exposer aux perturbations atmosphériques. Ce qui réduit le champ
d’application en tension puisqu’il n’existe pas de changeur de prises en
charge conçu pour tous les niveaux de tension de réseaux. De plus pour
des angles faibles le nombre de spire insérée dans la ligne, et donc
l’impédance du transformateur déphaseur sera très faible, ce qui peut
conduire à de graves problèmes de tenue au court-circuit.
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2.2.22.2.22.2.22.2.2 Construction à deux parties activesConstruction à deux parties activesConstruction à deux parties activesConstruction à deux parties actives
Bien que présentant l’inconvénient de nécessiter deux parties actives et
donc très souvent deux colis, se sont ces types de déphaseurs qui sont
les plus fréquents de par la quasi-universalité de leurs applications.
Parmi eux on distingue deux grandes familles, les déphaseurs à module
constant (DMC) et ceux dont la valeur de la tension de sortie dépend de
l’angle de déphasage.
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2.2.2.1 Déphaseur à module variant avec l’angle de déphasage
Essentiellement utilisé au Royaume Uni sous leur forme dite en
quadrature, il combine la variation de tension et la variation d’angle.
V L
V S
La grande variation de la tension de sortie (VL) limite
leurs applications aux petits angles de déphasage.
De plus ces équipements ne sont pas entièrement symétrique et donc
sensible aux sens de transit du flux de puissance
TS
TP
Ils sont composés d’un transformateur principal
installé de façon similaire à un transformateur de
réseau, dont la secondaire sert à alimenter
l’enroulement d’excitation d’un transformateur
survolteur dévolteur (Booster) inséré dans la ligne
Pour d’autres applications particulières il est possible de décliner ce type
d’appareil en des versions moins courantes où la tension du booster ferait
un angle multiple de 60° avec la tension d’entrée dans un sens ou dans
l’autre
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V L
V LV
S
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2.2.2.2 Déphaseur à module constant
Cette version des déphaseurs est la plus répandue, car elle présente le
grand avantage d’avoir une tension de sortie à vide égale à la tension
d’entrée et ce indépendamment du déphasage imposé. Il est clair qu’un
tel type de schéma permet de très grand déphasage, 30° à 45° sont
réalisable aisément si aucun gabarit de transport ne vient limiter la taille
des colis d’expédition.
V L
V S V
P
De plus leur symétrie de construction les
rend insensible au sens de transit de
puissance.
Leurs connexions sont toutefois
un peu plus sophistiquées que
celles des modèles précédents car
il est nécessaire de prévoir un
point milieu sur l’enroulement
série pour alimenter le
transformateur principal.
C’est ce type de construction qui
fut retenu pour les sites de La Praz
et Pragnères
V S
V P
V L
Le fait d’utiliser le point milieu de l’enroulement série du transformateur
survolteur (TS) pour alimenter le transformateur principal garanti dans ce
cas la perpendicularité entre la tension injectée en série et la tension du
TP. Ainsi le TP travail à flux variable en fonction de l’angle, plus l’angle
est grand plus son induction est faible.
La variation d’angle est facilement réalisée à l’aide d’un changeur de prise
en charge installé au secondaire du TP.
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Le constructeur est libre de choisir les rapports des TP et TS car ceux ci
n’ont aucune influence sur le résultat final du déphasage obtenu ; à tel
point que la norme AINSI IEEE C57 135 ne prévoit pas de garantir les
rapports des transformateurs constituant un déphaseur, mais garanti
l’angle de déphasage obtenu à vide.
La liberté de choix des rapports permet en fait au constructeur de
sélectionner le ou les changeurs de prises en charge les mieux adaptés.
Très fréquemment à cause des puissances élevées des ces appareils c’est
la gamme de changeur de prises disponible qui dictera les rapports de
transformation au constructeur.
En charge, en fonction de cosinus ϕ de la charge, du sens du déphasage et de l’impédance du transformateur, le déphasage obtenu sera supérieur
ou inférieur au déphasage à vide.
Par défaut, et en l’absence de prescription contractuelle contraire,
l’utilisation d’un transformateur déphaseur au-delà de son déphasage à
vide n’est pas permise, car ce type de fonctionnement provoquerait des
sur inductions inacceptables dans les circuits magnétiques.
Cependant il est fréquent que l’utilisateur définisse ce type d’appareil en
charge, en laissant le soin au constructeur d’optimiser les impédances et
pertes de l’ensemble déphaseurs pour obtenir la solution la plus
économique. Ces informations sont alors portées sur la plaque
signalétique. L’utilisateur devra cependant spécifier la chute de tension
maximum admissible en ligne.
2.32.32.32.3 Assemblage de déphaseurs Assemblage de déphaseurs Assemblage de déphaseurs Assemblage de déphaseurs
Comme pour les transformateurs classiques il est possible d’installer les
déphaseurs en série ou en parallèle.
L’installation en parallèle permet de garder un déphasage total même en
cas d’arrêt pour maintenance d’un ensemble, cependant la charge
transitée se trouve alors diminuée. Lors de l’installation en série toute la
capacité de charge est conservée en cas d’arrêt d’une tranche, mais
l’angle se trouve réduit.
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C’est l’exploitant qui doit choisir s’il souhaite ce type d’installation.
La puissance assignée des déphaseurs correspondant à la puissance
traversante peut à l’heure actuelle sans aucun problème dépasser les
2500 MVA avec des angles de déphasage à vide allant jusqu’à 15°. Étant
entendu que le dimensionnement physiques un peu comme pour les
autotransformateurs, dépend non seulement de la puissance traversante
(assignée) mais aussi du sinus de l’angle de déphasage à vide.
3333 Le Déphaseur de LA PRAZLe Déphaseur de LA PRAZLe Déphaseur de LA PRAZLe Déphaseur de LA PRAZ
Inséré sur la ligne 400 kV La Praz - Villarodin cet appareil doit permettre
de laisser transiter tout le courant de la ligne dans ses différents régimes
d’IMAP (Intensité maximale admissible en permanence), et d’obtenir un
déphasage de + 5.5 °et – 14.5° en charge avec une tangente ϕ de ± 0.15. Ceci à conduit à définir un appareil de 1081 MVA avec un angle à vide de
± 10°.
Pour des raisons de transport ferroviaire l’appareil a été réalisé en deux
cuves expédiées séparément. La forte puissance a nécessité l’utilisation
de 3 changeurs monophasés de 2000 A qui furent placés dans des
poches démontables afin de limiter le gabarit de transport.
Le transformateur série est muni de trois bornes 400 kV pour liaison à un
poste sous enveloppe métallique (blindé SF6) trois pour la connexion aux
trois phases du réseau d’entrée, 3 pour la connexion aux trois phases du
réseau de sortie, et de trois bornes huile 400 kV pour la connexion entre
les trois points milieu des enroulements série et le transformateur
principal.
Une connexion triphasée basse tension permet de relier le réglage du TP
aux enroulements d’excitation du TS.
Les caractéristiques principales de cet appareil sont :
---- Tension assignée : 400 kV
c’est celle de la ligne
---- Puissance assignée : 1081 MVA
(dimensionnement 205 MVA)
---- Angle à vide : ± 10°
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Masse sur site en étant de marche : 275 + 265 = 550 t
Réfrigération : ODAF
Masses de transport du colis le plus lourd :
175 t
Isolement : choc OP : 1175 kV FICD
520 kV
Réglage par changeur de prises en charge à 33 positions.
Le transformateur déphaseur de La Praz pendant les essais dans l’usine
ALSTOM de Saint-Ouen
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Le transformateur déphaseur de La Praz assemblé sur site.
4444 BibliographieBibliographieBibliographieBibliographie
ANSI IEEE C57 135 IEEE Guide for the application, specification and testing of
phase shifting transformers
Conférence MATPOST :Nouveaux matériels pour réguler les flux de puissance:
transformateur déphaseur et réactance série
International power génération : a shift in idea. April 2002