Choix du transformateur MT/BT

Paramètres caractérisant un transformateur

Un transformateur est défini, d’une part, par ses caractéristiques électriques et, d’autre part, par des caractéristiques liées à sa technologie et à ses conditions d’utilisation.

Caractéristiques électriques

• Puissance assignée Pn : valeur conventionnelle de la puissance apparente en kVA destinée à servir de base à la construction du transformateur. Les essais et garanties du constructeur se référent à cette valeur.
• Fréquence : Ce guide concerne les réseaux 50 et 60 Hz.

  En France, la fréquence du réseau est de 50 Hz.

• Tension(s) assignée(s) primaire(s) et secondaire(s) :
  • pour une double tension primaire, préciser la puissance en kVA correspondant à chaque niveau.
  • la(es) tension(s) secondaire(s) sont celles à vide en circuit ouvert.
• Niveau d’isolement assigné : il est défini par l’ensemble des deux valeurs suivantes :
  • tension de tenue d’essai à fréquence industrielle,
  • tension de tenue à l’onde de choc normalisée, qui simule l’effet de la foudre.

    Pour les tensions considérées dans ce chapitre, les surtensions de manœuvres sont généralement moins importantes que celles dues à la foudre, de sorte qu’il n’y pas d’essai séparé pour les surtensions de manœuvres.

• Prises de réglage manœuvrables hors tension : elles agissent sur la plus haute tension et permettent d’adapter dans des fourchettes ± 2,5% et ± 5% le transformateur à la valeur réelle de la tension d’alimentation. Le transformateur doit être mis hors tension préalablement à la commutation de ces prises.
• Couplages des enroulements (cf. Fig. B23) : il sont indiqués par des symboles pour les couplages en étoile, triangle et zig-zag, et toute combinaison de ces couplages (en particulier pour les transformateurs spéciaux comme les transformateurs héxaphasés ou dodécaphasés) et par un code alpha numérique préconisé par la CEI. Ce code se lit de gauche à droite, la première lettre se référant à l’enroulement de tension la plus élevée, la seconde lettre à celui de tension immédiatement inférieure, etc.
  • Les lettres majuscules se réfèrent à l’enroulement de tension la plus élevée.

    D = couplage triangle en MT

    Y = couplage étoile en MT

    Z = couplage zigzag en MT

    N = neutre MT sorti accessible

  • Les lettres minuscules se réfèrent en général aux enroulements secondaire et le cas échéant tertiaire.

    d = couplage triangle en BT

    y = couplage étoile en BT

    z = couplage zig-zag (interconnexion en étoile) en BT

    n = neutre BT sorti accessible

  • un nombre de 0 à 11, désigné par indice horaire (avec "0" en lieu et place de "12") est accolé aux lettres pour indiquer le déphasage entre la tension primaire et la tension secondaire.

Fig. B23 – Couplages usuels

• 

  Montage en étoile (symbole)

• 

  Montage en triangle (symbole Δ )

• 

  Montage en zig-zag (symbole Z); Le montage zig-zag n’est utilisé que du côté secondaire des transformateurs de distribution.

Pour un transformateur de distribution, Dyn11 est un type classique de couplage des enroulements primaires et secondaires : ce couplage Dyn11 signifie que :

• le primaire est monté en triangle,
• le secondaire, avec un point neutre disponible sur borne, est monté en étoile,
• le déphasage entre les tensions primaires et secondaires est égal à : + 30° électrique. Le nombre "11" signifie que la tension de la phase "1" du secondaire est à "11 heures" tandis que la tension de la phase "1" du primaire est à "12 heures", comme indiqué sur la Figure B32 - Mise en parallèle de transformateurs. Toutes les combinaisons d’enroulements triangle, étoile et zig-zag produisent un déphasage qui est de 30° électrique ou multiple de 30° électrique ou nul. La norme CEI 60076-4 décrit en détail "l’indice horaire".

Caractéristiques liées à la technologie et aux conditions d’utilisation

Cette liste n’est pas exhaustive :

• choix du diélectrique,
• installation intérieure ou extérieure,
• altitude (≤ 1000 m est le cas standard),
• température :
  • ambiante maximum : 40°C,
  • ambiante moyenne journalière : 30°C,
  • ambiante moyenne annuelle : 20°C.

Ces températures sont des valeurs standard selon la norme CEI 60076.

Description des technologies

Il existe deux types de transformateurs :

• les transformateurs de type secs enrobés,
• les transformateurs de type immergés.

Transformateurs de type secs

L’isolation des enroulements est réalisée par des isolants solides à base de résine. Le refroidissement est donc réalisé par l’air ambiant sans liquide intermédiaire. Il est recommandé de choisir le transformateur sec avec les caractéristiques suivantes, conformément à la norme CEI 60076-11 :

• classe E2 de comportement vis à vis de l’environnement (condensation fréquente, pollution élevée) : enrobage procurant un excellent comportement en atmosphère industrielle et une insensibilité aux agents extérieurs (poussière, humidité...) tout en garantissant une parfaite protection de l’environnement et des personnes par la suppression des risques de pollution froide ou chaude,
• classe C2 climatique (fonctionnement transport et stockage jusqu’à -25°C),
• classe F1 de comportement au feu (F2 correspond à un accord spécial entre constructeur et utilisateur), c’est à dire :
  • autoextinction rapide : enrobage possédant une excellente résistance au feu et une autoextinguibilité immédiate, ce qui permet de qualifier ces transformateurs d’ininflammables,
  • matériaux et produits de combustion non toxiques : enrobage exempt de composés halogénés (chlore, brome, etc.) et de composés générateurs de produits corrosifs ou toxiques, ce qui garantit une sécurité élevée contre les risques de pollution chaude en cas de pyrolyse,
  • fumées non opaques : du fait des composants utilisés.

Par exemple, ce qui suit se réfère au procédé de fabrication réalisé par Schneider Electric. Ce procédé, qui procure la classification E2, C2, F1, utilise des systèmes brevetés et exclusifs de bobinage et d’enrobage par moulage sous vide de l’enroulement MT (cf. Fig. B24).

Trois composants constituent l’enrobage :

• résine époxyde à base de biphénol A, de viscosité adaptée à une excellente imprégnation des enroulements
• durcisseur anhydride (non aminé), modifié par un flexibilisateur pour assurer la souplesse du système moulé nécessaire afin d’interdire toute fissure en exploitation,
• charge active pulvérulente composée d’alumine trihydratée Al(OH)3 et de silice qui apporte des propriétés mécaniques et thermiques requises et les qualités intrinsèques exceptionnelles de comportement au feu.

En outre les transformateurs de type sec enrobé assurent une excellente protection contre les contacts directs.

Par exemple, les transformateurs précédents ont une enveloppe ayant un degré de protection IP 3X, conforme aux exigences du décret de protection n° 88-10-56 du 14-11-1988.

Fig. B24 – Transformateur de type sec Trihal

Transformateurs de type immergés

Le liquide utilisé comme diélectrique dans les transformateurs immergés est l’huile minérale. Toutefois des alternatives plus écologiques apparaissent, et l’on trouve des transformateurs immergés dans :

• soit de l’huile minérale, tirée du pétrole
• soit de l’huile végétale, extraite des plantes.

  Ces liquides étant inflammables, voire très inflammables dans le cas de l’huile minérale, il est recommandé de prendre des mesures de sécurité, obligatoires dans la plupart des cas dont la plus simple (utilisée en France) est le relais de protection type DMCR ou DGPT2. En cas d’anomalie, il donne l’ordre de mise hors service du transformateur avant que la situation ne devienne dangereuse.

  L’huile minérale est difficilement biodégradable, même sur le long terme, alors que l’huile végétale est biodégradable à 99% en 43 jours. Elle constitue une alternative écologique, apportant de plus des performances optimisées.

  Le diélectrique liquide sert aussi à évacuer les calories. Il se dilate en fonction de la charge et de la température ambiante. La conception des transformateurs leur permet d’absorber les variations de volume correspondantes.

Pour cela, deux techniques sont employées :

• étanche à remplissage total (ERT) (cf. Fig. B25)

  Cette technique est utilisable actuellement jusqu’à 10 MVA

  Développée par Schneider Electric en 1963, la technique étanche à remplissage total (ERT) ou intégral (ERI), "sans matelas gazeux" des cuves étanches des transformateurs immergés a été adoptée par le distributeur national d’alors, EDF, en 1972. Elle est maintenant communément utilisée partout dans le monde.

  La dilatation du diélectrique liquide est compensée par la déformation élastique des ondes de la cuve du transformateur qui servent également à évacuer les calories.

  La technique ERT présente beaucoup d’avantages par rapport à d’autres procédés :

  • toute oxydation du diélectrique liquide par contact avec l’air est évitée,
  • pas de nécessité de dessiccateur d’air et, en conséquence, réduction de l’entretien et de la maintenance (pas de surveillance ni besoin de changer le dessiccateur) :
  • plus de contrôle de la rigidité diélectrique,
  • protection interne simple possible grâce au relais de pression,
  • facilité d’installation : plus léger et moins haut (absence de conservateur), il offre un meilleur accès aux connexions MT et BT,
  • détection immédiate de toute fuite même sans gravité : de l’eau ne pourra pas pénétrer dans la cuve.

Fig. B25 – Transformateur étanche à remplissage intégral

• respirant avec conservateur (cf. Fig. B26)

La dilatation du diélectrique se fait dans un réservoir d’expansion (conservateur) placé au-dessus de la cuve, comme présenté par la figure. L’espace au dessus du liquide peut être rempli d’air qui pénètre lorsque le niveau du liquide baisse et est partiellement expulsé lorsque le niveau monte. L’air ambiant pénètre à travers un joint étanche à l’huile, puis passe par un système dessiccateur (généralement à base de gel de cristaux de silice) protégeant de l’humidité, avant d’entrer dans le réservoir. Pour certains gros transformateurs l’espace au dessus de l’huile est occupé par une paroi étanche déformable de sorte que le diélectrique ne puisse pas être en contact direct avec l’air ambiant. L’air entre et sort à travers un joint étanche à l’huile et un dessiccateur comme décrit précédemment.

Un réservoir d’expansion est obligatoire pour les transformateurs de plus de 10 MVA, ce qui est la limite actuelle de la technologie à remplissage total.

Fig. B26 – Transformateur respirant avec conservateur

Choix de la technologie

Actuellement, il est possible de choisir entre un transformateur de type sec ou de type immergé dans l’huile jusqu’à 10 MVA.

Pour réaliser ce choix, plusieurs paramètres sont à prendre en considération, dont :

• la sécurité des personnes, au niveau du transformateur ou à son voisinage, sécurité qui fait l’objet d’une réglementation et de recommandations officielles,
• le bilan économique, compte tenu des avantages de chaque technique et de la gamme des matériels existants.

Les règlements pouvant influer sur le choix sont les suivants :

• transformateur de type sec :
  • dans certains pays, un transformateur de type sec est obligatoire dans les immeubles de grande hauteur,
  • les transformateurs de type sec n’imposent aucune contrainte dans les autres cas.
• transformateur immergé dans un diélectrique liquide (cf. Fig.B27) :
  • ce type de transformateur est généralement interdit dans les immeubles de grande hauteur,
  • les contraintes d’installation, ou protections minimales contre les risques d’incendie, varient selon la classe du diélectrique utilisé,
  • les pays dans lesquels l’utilisation d’un diélectrique liquide est largement développée, les classent en différentes catégories selon leur performance de tenue au feu. Celle-ci est caractérisée par deux critères : le point de feu et le pouvoir calorifique inférieur.

Fig. B27 – Catégories de diélectriques

Code	Liquide diélectrique	Point de feu (°C)	Pouvoir calorifique inférieur (°C) (MJ/kg)
O1	Huile minérale	< 300	-
K1	hydrocarbures à haute densité	> 300	48
K2	Esters	> 300	34 - 37
K3	Silicones	> 300	27 - 28
L3	Liquides halogènes isolants	-	12

Par exemple, la réglementation française définit les conditions d’utilisation des transformateurs à diélectriques liquides.

La réglementation précise :

• transformateur de type sec enrobé,
  • il est obligatoire dans les immeubles de grande hauteur,
  • il n’impose pas de contraintes d’installation dans les autres cas,
• transformateur à diélectrique liquide :
  • il est interdit dans les immeubles de grande hauteur,
  • il implique des contraintes d’installation lorsqu’il fait usage d’un certain nombre de diélectriques. Ces contraintes d’installation, ou protections minimales contre les risques d’incendie, varient selon la classe du diélectrique utilisé.

Les normes françaises précisent par ailleurs :

• la norme NF C 27-300 donne une classification des diélectriques liquides d’après leur comportement au feu (Fig. B27), apprécié selon deux critères : le point de feu et le pouvoir calorifique inférieur (ou quantité minimale de chaleur dégagée).
• la norme NF C 17-300 définit les conditions d’installation des transformateurs, contenant des diélectriques liquides, pour assurer la sécurité des personnes et la conservation des biens.

  Elle traite notamment des mesures minimales à prendre contre les risques d’incendie.

  Les principales mesures sont décrites dans le tableau B28 :

  • pour les diélectriques de classe L3, aucune mesure particulière n’est à prévoir
  • pour les diélectriques de classe O1 et K1, les mesures ne sont applicables que s’il y a plus de 25 litres de diélectrique
  • pour les diélectriques de classe K2 et K3, les mesures ne sont applicables que s’il y a plus de 50 litres de diélectrique.

Fig. B28 – Dispositions minimales relatives aux installations électriques avec diélectrique liquide de classe O1, K1, K2 ou K3

Classe du diélectrique	Nombre minimal de litres impliquant des mesures	Local ou emplacement
		Local ou emplacement réservé aux personnes averties ou qualifiées (B4 ou B5) et séparé de tout autre bâtiment d'une distance D			Local réservé aux personnes averties et isolé des locaux de travail par des parois coupe-feu de degré 2 heures		Autres locaux ou emplacements
		D > 8 m	4 m < D < 8 m	D < 4 m vers des locaux	Sans ouverture	Avec ouverture(s)
O1 K1	25	Pas de mesures particulières	Interposition d'un écran pareflammes de degré 1 heure	Mur du bâtiment voisin coupe-feu de degré 2 heures	Mesures (1 + 2) ou 3 ou 4	Mesures (1 + 2 + 5) ou 3 ou (4 + 5)	Mesures (1A + 2 + 4) ou 3
K2 K3	50	Pas de mesures particulières		Interposition d'un écran pare-flammes de degré 1 heure	pas de mesures particulières	Mesures 1A ou 3 ou 4	Mesures 1 ou 3 ou 4
L3		Pas de mesures particulières

• Mesure 1 : Dispositions telles que, si le diélectrique vient à se répandre, il soit entièrement recueilli (bac de rétention, relèvement des seuils et obturation des caniveaux lors de la construction).
• Mesure 1A : En plus de la mesure 1, mise en œuvre de dispositions telles que, si le diélectrique vient à s’enflammer, il ne puisse mettre le feu à des objets combustibles avoisinants (éloignement de tout objet combustible à plus de 4 m de l’appareil, ou à plus de 2 m si interposition d’un écran pare-flammes de degré minimal 1 heure).
• Mesure 2 : Dispositions telles que, si le diélectrique vient à s’enflammer, son extinction naturelle soit rapidement assurée (lit de cailloux).
• Mesure 3 : Dispositif automatique fonctionnant en cas d’émission de gaz au sein du diélectrique et provoquant la mise hors tension du matériel (DMCR ou DGPT2), accompagné d’un dispositif d’alarme.
• Mesure 4 : Détection automatique d’incendie disposée à proximité immédiate du matériel, provoquant la mise hors tension et le fonctionnement d’un dispositif d’alarme.
• Mesure 5 : Fermeture automatique de toutes les ouvertures du local contenant le matériel par des panneaux pare-flammes de degré minimum 1/2 heure

Détermination de la puissance optimale

Surdimensionner un transformateur

Ceci entraîne :

• un investissement et des pertes à vide plus importants,
• une réduction des pertes en charge.

Sous-dimensionner un transformateur

Ceci entraîne un fonctionnement :

• à pleine charge (le rendement qui est maximal entre 50% et 70% de la charge maximale n’est plus, dans ce cas, optimum),
• ou en surcharge qui peut avoir des conséquences graves pour :
  • l’exploitation : échauffement des enroulements provoquant l’ouverture des appareils de protection,
  • le transformateur : vieillissement prématuré des isolants pouvant aller jusqu’à la mise hors service du transformateur.

Définition de la puissance optimale

Pour définir la puissance optimale d’un transformateur il est important de :

• faire le bilan des puissances installées (voir chapitre A),
• connaître le facteur d’utilisation de chaque récepteur,
• déterminer le cycle et la durée de charge ou de surcharge de l’installation
• compenser l’énergie réactive si nécessaire pour :
  • supprimer les pénalités pour les tarifs définissant une puissance appelée maximum (kVA),
  • diminuer la puissance souscrite (PkVA = PkW / cos φ)
• choisir parmi les puissances disponibles en tenant compte :
  • des extensions futures
  • de la sûreté de fonctionnement.

On veillera, en outre, au refroidissement correct du local dans lequel se trouve le transformateur.