Transformateur de distribution saturé et échauffement anormal
Un transformateur triphasé Dy11 de 630 kVA, 20 kV/400 V, 50 Hz, alimente une petite zone industrielle. Depuis la mise en service, on relève au primaire un courant à vide de 4,8 % du courant nominal, supérieur aux 2 % attendus, et le thermostat déclenche après quelques heures alors que la charge mesurée ne dépasse pas 70 % du nominal. La tension primaire mesurée est de 21,5 kV, soit 7,5 % au-dessus de la tension assignée. Le client signale par ailleurs des vibrations et un bruit de fond plus fort que sur les autres postes. Un essai à vide a été réalisé à tension réduite et a donné des pertes fer cohérentes avec la fiche constructeur.
1. Proposer une explication physique cohérente avec l'ensemble des symptômes et indiquer les vérifications à mener.
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L'ensemble des indices pointe vers une surexcitation magnétique : la tension primaire est 7,5 % au-dessus du nominal, ce qui augmente le flux dans le noyau (U ≈ 4,44·N·f·Φ), et le fer entre en saturation partielle. En saturation, le courant magnétisant croît très vite et se déforme : il devient riche en harmoniques de rang 3, ce qui explique à la fois le courant à vide élevé (4,8 %) et les vibrations et le bruit accru. Les pertes fer, proportionnelles à peu près à B², augmentent et provoquent l'échauffement, alors même que la charge n'est que de 70 %. L'essai à vide à tension réduite étant cohérent avec la fiche, le noyau n'est pas dégradé : le problème est bien l'exploitation à tension trop haute. Vérifications à mener : mesurer la tension aux bornes du primaire sur plusieurs jours (réglage du changeur de prise), relever la forme d'onde du courant à vide pour confirmer la présence d'harmoniques 3, contrôler le réglage du plot de réglage (utiliser la position 21 000 V ou 22 000 V si elle existe), et vérifier la ventilation du local et le bon fonctionnement du thermostat.
2. Expliquer l'effet du couplage Dy11 sur le comportement des harmoniques de rang 3 et sur les conséquences pratiques d'un déséquilibre de charge.
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Le couplage triangle au primaire offre un chemin de circulation aux courants homopolaires de rang 3 : ceux-ci se referment dans le triangle et ne remontent pas sur le réseau 20 kV, ce qui est favorable. En revanche, au secondaire en étoile avec neutre distribué, les courants harmoniques 3 dus aux charges non linéaires s'additionnent dans le neutre et peuvent le surcharger, et la tension étoile se déforme. L'indice horaire 11 signifie que la tension secondaire est en avance de 330° (ou en retard de 30°) sur la primaire ; cela n'a pas d'effet direct sur les harmoniques mais impose une cohérence lors de mises en parallèle avec d'autres transformateurs. En cas de déséquilibre de charge entre phases, le courant de neutre apparaît et le flux homopolaire n'est pas compensé par le triangle primaire de la même façon qu'avec un couplage Yy : la tension des phases chargées chute et les autres montent, d'où un risque de surtension sur les phases les moins chargées. Il faut donc répartir les départs monophasés de façon équilibrée et surveiller le courant de neutre.