Les transformateurs sont des composants essentiels des réseaux électriques, et leur bon fonctionnement est crucial. Lors de la mise sous tension d'un transformateur après son installation ou une opération de maintenance, il arrive parfois d'entendre un bourdonnement important ou une forte détonation. Ce phénomène, possible dans les réseaux électriques du monde entier, suscite souvent des inquiétudes chez les opérateurs : indique-t-il un défaut ou un dommage au transformateur ? Cet article explore les causes profondes de ce phénomène, vous aidant ainsi à distinguer un événement physique normal d'un signe avant-coureur potentiel.

 

1. Cause principale du bruit de commutation : courant d’appel

La cause la plus fréquente de ce bruit important est le courant d'appel, aussi appelé courant de magnétisation. Il s'agit d'une surtension transitoire de forte amplitude — bien supérieure au courant nominal — qui circule dans l'enroulement primaire lorsqu'un transformateur est mis en service sur le réseau électrique à vide (sans charge connectée).

1.1 Comment se produit le courant d'appel

Les transformateurs fonctionnent selon le principe de l'induction électromagnétique. En régime permanent, le flux magnétique (Φ) dans le noyau suit de près la tension appliquée (V). Cependant, au moment précis de la commutation, cet équilibre est rompu.

1.1.1 Le processus transitoire d'établissement du flux

La tension alternative est une onde sinusoïdale. L'instant de commutation (l'angle de phase de la tension) est crucial pour l'établissement initial du flux magnétique. Selon la loi de Faraday :

V = N(dΦ/dt)

où V est la tension instantanée

 N est à son tour

 dΦ/dt est le taux de variation du flux.

 

Le point clé :Si l'interrupteur se ferme précisément au passage par zéro de la tension (tension instantanée nulle), la variation de flux (dΦ/dt) doit également être nulle. Cependant, le flux magnétique initial doit être nul. Pour rattraper la forme d'onde du flux en régime permanent correspondant à la tension, le système génère un important décalage de flux transitoire. L'établissement de ce décalage nécessite un courant instantané très élevé dans l'enroulement : le courant d'appel.

 

1.2 Effets physiques et son résultant

Ce courant instantané, qui peut être 6 à 10 fois supérieur au courant nominal, déclenche de puissants effets physiques à l'intérieur du transformateur :

(1)Forces électromagnétiques intenses :Le courant élevé crée un puissant champ magnétique autour des enroulements, soumettant les conducteurs des enroulements et les pièces structurelles du noyau à des contraintes mécaniques importantes, provoquant de minuscules déplacements ou vibrations instantanés.

(2)Magnétostriction du noyau :Les noyaux des transformateurs sont constitués d'acier au silicium laminé. Sous l'effet d'un champ magnétique intense et variable, le matériau du noyau présente une « magnétostriction », c'est-à-dire que ses dimensions physiques varient légèrement en fonction de l'intensité du champ magnétique.

(3)Génération sonore :Les vibrations structurelles dues aux forces électromagnétiques se combinent aux vibrations de magnétostriction du noyau. Ces vibrations, riches en fréquences, sont amplifiées par le réservoir, les radiateurs, etc., et sont restituées sous forme d'un bruit audible : « bang », « boum » ou bourdonnement.

 

Caractéristique	Valeur typique / Description
Magnitude maximale	Jusqu'à 6 à 10 fois le courant nominal
Durée	En général, plusieurs cycles d'alimentation (de quelques dizaines à quelques centaines de millisecondes).
Taux de décroissance	Décroissance rapide vers le courant à vide en régime permanent (dépend de l'impédance du système et de la conception du transformateur)
Principaux effets physiques	Forces électromagnétiques mécaniques, magnétostriction du noyau
Son typique	Un seul ou une courte série de sons « bang », « boom » ou « thud »

 

Tableau 1 : Caractéristiques et impact du courant d’appel du transformateur

 

2. Distinguer le bruit d'appel normal des indicateurs de défaut

Si la plupart des bruits forts sont dus au courant d'appel normal d'un transformateur, certains sons anormaux peuvent signaler des problèmes. Savoir les différencier est essentiel.

 

2.1 Caractéristiques du bruit d'appel normal

(1)Timing Relatif (RT)Cela se produit précisément au moment de la mise en marche. Le son est bref (il se termine généralement en 1 à 2 secondes).

(2)La nature:Un seul « boum » ou une brève série de « claquements » qui s'estompent rapidement. Ensuite, le transformateur fonctionne avec un bourdonnement uniforme et régulier.

(3)Aucun autre symptôme :Après le son, il n'y a pas de bruit anormal persistant, pas d'émission de fumée ou de gaz inhabituelle, et aucun fonctionnement de dispositif de protection (par exemple, les relais ne se déclenchent pas).

 

2.2 Caractéristiques des sons anormaux indiquant des défauts potentiels

Si les sons suivants se produisent pendant ou après la commutation, cela peut indiquer un problème :

2.2.1 Bruits provenant de défauts électriques internes

Par exemple, courts-circuits entre spires, décharges internes importantes. Ces sons peuvent se mélanger au bruit d'appel, mais présentent des différences :

(1)Craquements secs ou bruits d'arc/décharge continus :Peut accompagner une défaillance de l'isolation interne.

(2)Accompagné de missions de protection :Provoque souvent un déclenchement rapide des relais de surintensité, différentiels ou à gaz (Buchholz), provoquant le déclenchement du circuit.

(3)Persistance:Le défaut et le bruit/vibration associés ne disparaissent généralement pas rapidement comme les effets d'appel d'air.

 

2.2.2 Bruits liés à des problèmes mécaniques

par exemple, une mauvaise mise à la terre du noyau, des structures de serrage desserrées excitées par les fortes forces d'appel.

(1)Bruits persistants, rythmiques, vibrants ou cognants :Un « tic-tac », un « cliquetis » ou un « bourdonnement » anormal et rythmique persiste pendant le fonctionnement en régime permanent après la commutation.

(2)Son localisé :Il est parfois possible de localiser la source du bruit en écoutant à proximité de différentes parties du transformateur, ce qui indique un problème mécanique local.

 

Aspect	Bruit d'appel normal	Bruit de défaut suspecté
Timing	Uniquement au moment de la mise en service	Peut se produire lors de la mise en marche, mais persiste ou réapparaît plus souvent par la suite.
Qualité sonore	« Boum » grave, bref	Crépitement aigu, son d'arc continu, cognement/vibration rythmique
Durée	Disparaît complètement en quelques secondes	Persiste ou survient de façon intermittente
Enseignes électriques d'accompagnement	Aucun déclenchement de protection ; les compteurs reviennent à la normale	Déclenchements de protection fréquents, relevés de compteurs anormaux persistants, changements soudains des données DGA en ligne
Opération ultérieure	Le son redevient immédiatement un bourdonnement uniforme et régulier.	Le bruit de fonctionnement reste anormalement fort ou instable

Tableau 2 : Guide d'identification des bruits de commutation des transformateurs

 

3. Comment gérer et atténuer le courant d'appel et ses effets

Même si le bruit est normal, un courant d'appel élevé peut engendrer des contraintes sur le réseau et le transformateur (par exemple, des chutes de tension, un risque de dysfonctionnement du relais). Les mesures suivantes, adoptées à l'échelle internationale, permettent de le maîtriser.

3.1 Mesure opérationnelle : Commutation contrôlée (contrôle de phase)

(1)Principe:Comme expliqué précédemment, l'amplitude du courant d'appel dépend directement du déphasage de la tension à la mise sous tension. Théoriquement, une mise sous tension au pic de tension engendre le courant d'appel le plus faible.

(2)Action:Utilisez des contrôleurs synchrones (point sur l'onde) ou des disjoncteurs intelligents pour fermer précisément les contacts à un point spécifique de la forme d'onde de tension (près du pic).

(3)Effet:Peut réduire les pics de courant d'appel de plus de 50 %, atténuant considérablement le bruit et les contraintes électromagnétiques.

 

3.2 Mesures au niveau du composant : Gestion de la rémanence ou résistance en série

3.2.1Gestion de la rémanence :

(1)Principe:Après la mise hors tension, le noyau peut conserver un flux magnétique résiduel (rémanence). Si le flux cible généré par la tension de commutation est opposé à la direction de la rémanence, ces flux s'additionnent, aggravant le décalage de flux et le courant d'appel. La gestion active de la rémanence (par exemple, en l'annulant ou en connaissant son état avant la commutation) contribue à une stratégie de commutation optimale.

(2)Effet:Réduit l'imprévisibilité et, combiné au contrôle de phase, optimise la commutation.

 

3.2.2Résistances de pré-insertion :

(1)Principe:Avant la fermeture des contacts du disjoncteur principal, des contacts auxiliaires, reliés à une résistance en série, se ferment en premier. Cette résistance limite le courant initial, permettant ainsi une montée en puissance progressive du flux magnétique. Après un bref délai, les contacts principaux se ferment, court-circuitant la résistance.

(2)Effet:Elle limite physiquement le pic de courant initial ; une méthode très efficace pour les transformateurs haute tension de grande taille.

 

3.3 Mesures de conception du système : Limiteurs de courant d’appel et logique de protection

(1)Limiteurs de courant d'appel :Dispositifs inductifs ou résistifs non linéaires spécialement conçus, connectés temporairement au circuit pour supprimer le pic.

(2)Optimisation du réglage du relais de protection :Le réglage des paramètres de limitation des harmoniques dans les relais différentiels ou de surintensité leur permet de mieux distinguer le courant d'appel (riche en harmonique 2) du véritable courant de défaut, évitant ainsi les déclenchements intempestifs.

 

Conclusion et recommandation

Entendre une forte détonation lors de la mise sous tension d'un transformateur n'est pas une raison immédiate de paniquer. Il s'agit très probablement d'un courant d'appel, un phénomène physique puissant mais généralement normal. Cependant, un opérateur responsable doit être capable de le distinguer. Surveillez les signes avant-coureurs mentionnés ci-dessus. En cas de doute, ou si des symptômes anormaux persistent, consultez un professionnel qualifié pour une inspection. Une bonne compréhension et une gestion appropriée de la mise sous tension des transformateurs garantissent la sécurité et la fiabilité.

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