Analyse de la ferrorésonance dans les transformateurs et les réseaux de distribution

Principaux enseignements

• • La ferrorésonance résulte d'un état particulier du circuit ; par conséquent, la séquence de commutation et la capacité sont tout aussi importantes que la puissance nominale du transformateur.

  • Les transformateurs de distribution à faible charge et les armoires de commutation monophasées doivent faire l'objet d'une attention particulière dans tout plan d'étude.

  • Une prévention efficace repose sur une modélisation non linéaire, des détails précis concernant la mise à la terre et des procédures d'exploitation permettant d'éviter toute mise sous tension partielle.

La ferrorésonance endommage les transformateurs lorsqu’une opération de commutation ordinaire laisse un noyau saturé en interaction avec une capacité du système suffisante pour maintenir une surtension déformée.

C’est pourquoi ce phénomène semble si souvent mystérieux a posteriori. Il est possible qu’il n’y ait aucun défaut visible, que le courant soit modeste, et que le transformateur soit néanmoins mis hors service en raison d’une contrainte d’isolation, de bruits, d’échauffement ou de déclenchements répétés des fusibles. Une analyse de flux de charge en régime permanent ne permettra pas de détecter ce phénomène, pas plus qu’un simple modèle transitoire avec une inductance linéaire. Il faut intégrer la séquence de commutation, la capacité et le comportement magnétique non linéaire dans la même étude. Les États-Unis comptent environ 55 millions à 69 millions de transformateurs de distribution en service, ce qui signifie que même les interactions de commutation peu courantes méritent une attention particulière lors de la planification. C’est en raison de cette ampleur que la ferrorésonance doit faire partie intégrante des études de commutation de routine pour les transformateurs et les lignes de distribution, plutôt que d’être reléguée dans un dossier réservé aux défaillances rares.

Quelles sont les causes de la ferrorésonance lors des opérations courantes de commutation des transformateurs ?

La ferrorésonance se produit lorsqu'une inductance de transformateur saturable continue d'interagir avec la capacité du système après un état de commutation inhabituel. Le circuit entre alors dans un état d'oscillation non linéaire au lieu de fonctionner normalement en sinusoïde. La tension reste élevée, déformée et soutenue jusqu'à ce que la topologie change ou qu'un amortissement suffisant soit ajouté.

Un cas fréquent se produit lorsqu'une phase d'un banc de transformateurs triphasés est mise hors tension, alors que la capacité du câble, la capacité de gradation du disjoncteur ou la capacité de ligne-terre continuent d'injecter une tension dans la phase déconnectée. Le transformateur n’est plus alimenté de manière équilibrée, mais il n’est pas non plus totalement isolé. Cette connexion partielle suffit à faire entrer l’une des branches en saturation et à entretenir l’oscillation. Les opérateurs interprètent souvent cet événement comme un incident de commutation intempestif, car le courant ne ressemble pas à celui d’un défaut classique.

Il convient de considérer la ferrorésonance comme un phénomène lié au circuit, car c’est le schéma de commutation qui détermine le résultat. Un même transformateur peut fonctionner normalement lors d’une séquence de commutation et présenter une défaillance grave lors d’une autre. C’est pourquoi une inspection a posteriori apporte rarement à elle seule une réponse claire. 

« La cause réside dans l'interaction entre la capacité du réseau, l'état de commutation, la mise à la terre et la courbe de magnétisation. »

C'est dans les transformateurs de distribution à faible charge que le risque est le plus élevé

Les transformateurs de distribution peu chargés sont les plus exposés, car l'amortissement y est faible et la branche de magnétisation domine le courant. Les faibles capacités provenant des câbles, des traversées, des contacts de disjoncteurs ou des tronçons de conducteurs à nu peuvent alors entretenir une oscillation qui s'éteindrait rapidement sous une charge plus importante. Les conditions à vide sont les premiers cas à examiner.

Prenons l'exemple d'un transformateur de distribution monté sur socle situé à l'extrémité d'une ligne d'alimentation souterraine lors d'une opération de commutation pour maintenance. Le côté secondaire ne supporte pratiquement aucune charge, une phase est coupée en amont et le câble d'alimentation continue de contribuer à la capacité phase-terre. Cette combinaison crée exactement le type de circuit à amortissement faible dans lequel la ferrorésonance s'installe et persiste. Le transformateur semble inactif, et c'est là une partie du problème.

C’est pourquoi la ferrorésonance dans les transformateurs de distribution est si souvent négligée lors de la phase de conception. Les ingénieurs ont tendance à se concentrer sur la charge de pointe, les conditions de défaut ou la chute de tension, alors que le cas le plus dangereux se situe à l’extrémité opposée de la plage de fonctionnement. Les lignes d’alimentation rurales, les charges saisonnières, les transformateurs de réserve et les batteries de secours méritent une attention particulière. Un transformateur peu chargé ne se protégera pas automatiquement simplement parce que la puissance du réseau est faible.

La commutation unipolaire crée les conditions de circuit nécessaires à la ferrorésonance

La commutation unipolaire provoque une ferrorésonance lorsqu’une ou deux phases restent couplées par l’intermédiaire d’une capacité, tandis qu’une autre phase pousse le noyau du transformateur en saturation. Cette mise sous tension partielle est plus dangereuse qu’une ouverture ou une fermeture triphasée « propre », car le circuit conserve une référence de tension inégale et un chemin d’oscillation faible.

Un cas courant dans le secteur des services publics se produit lorsqu’un fusible saute sur l’une des phases d’un banc de transformateurs aériens triphasés. Les deux autres phases restent connectées ; le noyau du transformateur ne reçoit plus de flux équilibré, et la phase ouverte continue de capter de la tension par le biais de la capacité parasite. Un autre cas se présente lorsqu’un interrupteur ne fonctionne pas comme un véritable dispositif groupé et que les pôles se séparent à des moments différents. Aucun de ces deux événements ne semble dramatique vu de l’extérieur, mais tous deux créent la topologie exacte nécessaire à la ferrorésonance.

Il convient de considérer l'état unipolaire comme un indicateur d'alerte, car il détermine la manière dont vous évaluez l'exposition aux risques liés à la commutation. Les réglages de protection, les pratiques en matière de fusibles et les procédures de commutation jouent tous un rôle important à cet égard, car ils déterminent la durée pendant laquelle le circuit reste dans cet état partiel délicat. Plus cet état perdure, plus le risque est élevé que le transformateur se stabilise à une tension anormale prolongée au lieu de subir un bref phénomène transitoire.

Une surtension prolongée résulte de l'interaction entre une inductance non linéaire et la capacité du système

Une surtension persistante apparaît car l'inductance du transformateur n'est pas fixe. Une fois que le noyau est saturé, l'inductance effective varie en fonction de la tension et du flux. La capacité du système continue d'alimenter en énergie cette branche non linéaire, de sorte que le circuit peut se stabiliser dans des états sous-harmoniques, quasi-périodiques ou chaotiques au lieu de s'éteindre progressivement après un bref phénomène transitoire.

Lors d’un phénomène de ferrorésonance, on observe souvent une montée de la tension d’une phase vers la terre, accompagnée d’une forte dégradation de la forme d’onde. Une étude de cas portant sur un transformateur en étoile mis à la terre et faiblement chargé peut montrer une phase avoisinant 1,8 par unité, avec une forte distorsion d’ordre inférieur, un bruit important et un échauffement qui ne correspond pas au courant mesuré. Les guides techniques publiés font état de surtensions de ferrorésonance comprises entre environ 1,25 à 6 par unité dans les réseaux électriques.

Ce décalage entre l'intensité de la tension et l'amplitude du courant explique pourquoi le problème passe si facilement inaperçu. Une protection standard contre les surintensités ne donne pas une image complète de la situation, et un simple instantané de la valeur efficace peut donner l'impression que le problème est moins grave qu'il ne l'est en réalité. Il faut disposer de données de tension, de flux et de décalage du neutre dans le domaine temporel pour évaluer la contrainte réelle. C'est la persistance du phénomène qui cause les dégâts, et la première crête ne représente qu'une partie du problème.

Le niveau de saturation du noyau détermine si une simulation peut reproduire la ferrorésonance

Le niveau de détail de la saturation du noyau détermine si votre simulation mettra en évidence ou non la ferrorésonance. Un modèle de transformateur à inductance fixe ne permet pas de reproduire l'échange non linéaire qui est à l'origine de ce phénomène. Il est nécessaire de disposer d'une courbe de magnétisation, d'un point de genou de saturation approprié, d'un traitement du flux résiduel, ainsi que d'une représentation explicite des capacités de phase vers la terre environnantes.

Prenons deux modèles d’un même transformateur d’alimentation. Le premier utilise une branche d’excitation linéaire et un transformateur idéal générique. Le second intègre une branche d’excitation non linéaire, un flux résiduel issu de la mise hors tension précédente et une capacité de câble sur chaque phase. Seul le second modèle permettra de reproduire la surtension et la forme d’onde déformée que les équipes de terrain signalent effectivement après une séquence de commutation inhabituelle.

C’est au niveau de ces détails de modélisation que la mise en œuvre prend toute son importance. SPS SOFTWARE vous offre un moyen transparent d’examiner la représentation non linéaire du transformateur, les capacités des lignes d’alimentation et les états de commutation au sein d’une seule étude basée sur la physique, ce qui correspond exactement aux exigences des travaux sur la ferrorésonance. Si l’un de ces éléments est masqué ou simplifié à l’excès, l’étude ne mettra pas clairement en évidence le risque.

Une étude sur la ferrorésonance devrait commencer par examiner des cas de commutation plausibles

Une étude utile sur la ferrorésonance commence par les cas de commutation auxquels votre système sera réellement confronté. Il ne faut pas partir de scénarios extrêmes ou de défaillances de protection rares. Commencez par la mise sous tension à vide, les coupures monophasées, la rupture d’un fusible, le fonctionnement en pôles décalés et les étapes d’isolation pour maintenance qui laissent la capacité connectée.

Un processus de travail efficace est court et structuré :

• Commencez par modéliser le transformateur à vide et sous une charge très faible.
• Tester les états ouverts monophasés et le fonctionnement en pôles décalés.
• Prendre en compte la capacité entre phase et terre des câbles, des traversées et des appareillages de commutation.
• Représentez explicitement la courbe de magnétisation non linéaire et le flux résiduel.
• Enregistrer les tensions de phase, le décalage du neutre, la distorsion et la durée de l'événement

Une étude des circuits d'alimentation s'avère bien plus utile lorsque l'on classe les cas en fonction de leur crédibilité opérationnelle. Une bascule vers le mode de maintenance sur un transformateur au sol alimenté par câble méritera davantage d'attention qu'un dysfonctionnement improbable impliquant plusieurs appareils. Le tableau de contrôle ci-dessous permet de garder cette priorité bien présente à l'esprit.

La prévention commence par des séquences de commutation contrôlées lors de la mise sous tension du transformateur

La prévention est plus efficace lorsque la commutation ne laisse pas le transformateur dans un état de mise sous tension partielle. Un fonctionnement tripolaire, une isolation totale de toutes les phases et des procédures évitant l'exposition monophasée à faible charge permettent d'éliminer les conditions propices à la ferrorésonance. Le respect des règles d'exploitation est généralement plus important que l'ajout de matériel une fois que des défaillances sont apparues.

Imaginez une équipe en train de remettre sous tension un banc triphasé de secours après des réparations. Si les pôles sont proches les uns des autres, dans le cadre d’une véritable opération en groupe, et que le banc supporte une charge temporaire modérée, le circuit subit un bref transitoire avant de se stabiliser. Si un pôle est à la traîne, si un fusible reste ouvert ou si un long câble reste connecté à une phase non chargée, cette même opération peut se transformer en un événement de surtension prolongée. Le transformateur n’a pas changé. C’est la séquence qui a changé.

Vous devriez traduire cette observation en règles de commutation. Vérifiez le montage des fusibles sur les bancs triphasés, identifiez les dispositifs susceptibles de laisser une phase à vide et rédigez des procédures de maintenance qui évitent de laisser les enroulements du transformateur bloqués derrière la capacité des alimentations. Certains sites justifieront l'utilisation de résistances d'amortissement ou le choix d'autres dispositifs, mais la plupart des risques sont éliminés en amont grâce au contrôle des séquences et à l'étude approfondie des opérations réelles sur le terrain.

L'absence de précisions sur la mise à la terre du neutre masque le risque de ferrorésonance

La configuration de la mise à la terre du neutre détermine souvent si un cas de commutation douteux reste inoffensif ou se transforme en ferrorésonance. La référence de terre contrôle l'équilibre de tension, le décalage du neutre et la manière dont la capacité renvoie le courant. Si le chemin de mise à la terre est omis, simplifié ou mal raccordé dans le modèle, vous sous-estimerez à la fois la gravité de la surtension et la persistance de l'événement.

Un transformateur primaire en étoile mis à la terre, dont le neutre présente une impédance élevée non prévue, peut se comporter de manière très différente d’un appareil identique, selon la plaque signalétique, dont le neutre est solidement mis à la terre. Cette différence apparaît le plus clairement après une commutation partielle, lorsqu’une phase est faiblement alimentée par l’intermédiaire d’une capacité et que le point neutre commence à se déplacer. Les équipes de terrain interprètent souvent ce phénomène comme un dysfonctionnement aléatoire du transformateur, car les détails relatifs à la mise à la terre sont faciles à manquer sur les schémas et encore plus faciles à omettre dans les études simplifiées.

« C’est grâce à ce niveau de rigueur en matière de modélisation que l’on évite que les opérations courantes ne se traduisent par des dommages inexpliqués sur les transformateurs. »

Le jugement pertinent est simple. La ferroresonance n'est généralement plus un mystère dès lors que le modèle intègre le schéma de commutation réel, le noyau non linéaire, la capacité d'alimentation et le raccordement au neutre. Le logiciel SPS SOFTWARE est parfaitement adapté à cette tâche, car il permet de vérifier directement chaque hypothèse et de tester les étapes de commutation que les planificateurs et les équipes utiliseront concrètement.