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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