Quels tests doivent être effectués après un court-circuit soudain ?

—Procédure opérationnelle d'essai de déformation des enroulements (méthode FRA)

Les transformateurs sont des équipements essentiels des réseaux électriques, et leur fonctionnement sûr et stable est primordial. Lors d'un court-circuit soudain, les enroulements d'un transformateur peuvent subir des déformations mécaniques invisibles à l'œil nu. Si ces dommages potentiels ne sont pas détectés rapidement, ils peuvent entraîner une dégradation de l'isolation, une augmentation des décharges partielles et, en fin de compte, une panne catastrophique. Selon les normes de la Commission électrotechnique internationale (CEI) et les statistiques de State Grid Corporation, la déformation des enroulements est l'une des principales causes de défaillance des transformateurs après un court-circuit. Cet article explique comment évaluer scientifiquement l'état des enroulements à l'aide de la méthode d'analyse de la réponse en fréquence (FRA), une technique de détection reconnue internationalement, afin de fournir des données fiables pour les décisions de maintenance ultérieures.

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1. Mécanisme d'impact des courts-circuits soudains sur les enroulements des transformateurs

● Principes des forces électrodynamiques de court-circuit

Lors d'un court-circuit (notamment triphasé), les enroulements sont parcourus par des courants de court-circuit instantanés 10 à 25 fois supérieurs au courant nominal. Selon la loi d'Ampère (F = BIL), ces courants génèrent des contraintes mécaniques considérables sous l'influence des champs magnétiques de fuite. Ces forces peuvent être classées en deux catégories :

 Forces radiales :Comprimez l'enroulement intérieur vers l'intérieur et dilatez l'enroulement extérieur vers l'extérieur.
Forces axiales : Provoquer une déformation par compression ou par étirement aux extrémités supérieure et inférieure de l'enroulement.

La force de pointe instantanée peut atteindre des dizaines de tonnes, dépassant largement la résistance nominale de l'enroulement, ce qui entraîne les schémas de déformation typiques suivants :

● Processus de développement de la déformation par enroulement

La déformation des enroulements après un court-circuit se déroule généralement en trois étapes :

Déformation élastique instantanée :Déformation réversible au moment du court-circuit, qui peut ne pas être détectable lors des tests.
Stade de déformation plastique : Une déformation permanente se produit lorsque la limite d'élasticité du matériau est dépassée.
Effet cumulatif des dégâts :Les courts-circuits répétés provoquent une accumulation de déformations, finissant par entraîner une défaillance de l'isolation.

Les recherches du Conseil international des grands réseaux électriques (CIGRE) montrent qu'environ 68 % des transformateurs présentent une déformation mesurable des enroulements après de graves courts-circuits, et que 30 % d'entre eux développent des défauts graves lors de leur fonctionnement ultérieur.

2. Principes techniques de l'analyse de déformation des enroulements (FRA)

● Concepts de base de l'analyse de la réponse en fréquence

La méthode d'analyse de la réponse en fréquence (FRA) évalue l'état mécanique des enroulements d'un transformateur en mesurant les variations de leurs caractéristiques d'impédance à différentes fréquences. Son fondement théorique est le suivant :

Un enroulement peut être modélisé comme un réseau distribué d'inductance (L), de capacité (C) et de résistance (R). Sa fonction de réponse en fréquence H(f) s'exprime comme suit :

H(f) = Vout(f)/Vin = Zw/[Zs+Zw]

Où Zw est l'impédance de l'enroulement et Zs est l'impédance de la source de signal.

Lorsqu'une déformation physique se produit, les paramètres distribués L et C se modifient, ce qui entraîne des décalages des points de fréquence caractéristiques de la courbe de réponse. La comparaison des données historiques et des données de phase à phase permet d'identifier précisément la position et l'étendue de la déformation.

● Avantages de la méthode FRA

Comparée aux méthodes traditionnelles, l'analyse en fréquence des résultats (FRA) offre les principaux avantages suivants :

Haute sensibilité:Détecte des variations de capacité mineures aussi faibles que 0.1 %.
Non destructif : La tension d'essai est généralement inférieure à 10 V, ce qui garantit l'absence de dommages à l'isolation.
Analyse en fréquence complète : Couvre la bande de fréquences 1 kHz–1 MHz, reflétant des informations à différentes profondeurs.
Évaluation quantitative :Utilise des indicateurs comme le coefficient de corrélation (CC) et l'erreur quadratique moyenne (MSE) pour une évaluation objective.

Selon la norme IEEE C57.156-2016, la méthode FRA atteint une précision supérieure à 95 % dans la détection des déformations d'enroulement et est devenue une procédure de test obligatoire pour les compagnies d'électricité en Europe et aux États-Unis.

3. Procédure de test FRA normalisée (conforme à la norme IEC 60076-18)

● Préparations de base

Isolation de sécurité :Mettre en œuvre les procédures de consignation et d'étiquetage (LOTO) pour s'assurer que le transformateur est complètement hors tension et mis à la terre (tension résiduelle < 50 V).

Supprimez toutes les connexions externes, notamment les fils de dérivation, afin d'éviter les interférences de signal. Cette étape élimine 90 % des erreurs lors des tests sur site.

Contrôles environnementaux

Température:Enregistrer la température ambiante (se référer à la norme IEEE C57.152).
Humidité:≤85% (une humidité élevée augmente le courant de fuite de surface).
Interférence électromagnétique:Effectuer les tests 2 heures après la mise hors tension (pour éviter une surtension du système).

● Principales options de configuration de câblage

Étapes clés:Privilégiez la méthode de bout en bout : connectez la source du signal à la borne haute tension et la borne de mesure à la prise de terre (comme illustré sur la figure 1). La résistance du câblage doit être inférieure à 0.5 Ω afin d’éviter toute distorsion des courbes basse fréquence.

● Paramètres intelligents

fmax = 150 / Puissance nominale MVA (MHz)

Plage de fréquences : 1 kHz – [valeur calculée] MHz (par exemple, 1.5 MHz pour un transformateur de 100 MVA).
Densité de balayage : ≥800 points (distribution logarithmique, automatiquement plus dense dans les plages de hautes fréquences).
Tension d'excitation : 10 V (équilibre entre le rapport signal/bruit et la sécurité).
Traitement du signal : Appliquer une fenêtre de Hanning + une moyenne sur 32 temps (supprime le bruit aléatoire).

4. Analyse des données et diagnostic intelligent (basé sur la norme IEEE C57.156)

● Métriques de diagnostic principales

● Modèles typiques de signatures de défauts

En résumé

L'essai de déformation des enroulements (méthode FRA) est la méthode de référence pour l'évaluation de l'état des transformateurs après un court-circuit. Sa mise en œuvre, rigoureusement normalisée, est essentielle pour garantir la sécurité des équipements. Cet article propose un guide complet couvrant la préparation de l'essai, son exécution sur site et l'analyse des données. Il est important de noter que la précision des résultats FRA dépend fortement du respect de la procédure et de l'exhaustivité des données de référence. Il est conseillé aux entreprises de constituer une base de données FRA couvrant l'ensemble du cycle de vie et de se conformer aux normes internationales (par exemple, CEI 60076-18) afin d'optimiser l'utilisation de cette technologie. Pour les postes critiques, les systèmes de surveillance FRA en ligne permettent un suivi en temps réel de l'état des enroulements, prévenant ainsi les défaillances potentielles à un stade précoce.

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