Interrupteurs de prises hors tension vs. sous charge : quelle est la différence ?

What is a Transformateur Qu’est-ce qu’un interrupteur de prises ?

Un interrupteur de prises pour transformateur est un dispositif qui modifie le nombre effectif de spires dans l’un des enroulements du transformateur. Modifier le nombre de spires modifie le rapport de transformation et ajuste ainsi la tension secondaire.

La relation fondamentale d’un transformateur peut s’exprimer ainsi :

V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂

Où :

V₁ est la tension primaire ;
V₂ est la tension secondaire ;
N₁ est le nombre de spires de l’enroulement primaire ;
N₂ est le nombre de spires de l’enroulement secondaire.

Les régleurs de prises sont généralement installés sur l’enroulement haute tension, car le courant y est plus faible. Un courant plus faible permet de réduire la contrainte de commutation et les dimensions physiques de l’équipement de réglage des prises. Toutefois, l’emplacement réel de l’enroulement dépend de la conception du transformateur et des exigences du système.

Les régleurs de prises de transformateur se divisent généralement en deux catégories :

1. Régleurs de prises hors tension (DETC)
2. Régleurs de prises sous charge (OLTC)

La différence essentielle réside dans la possibilité ou non de modifier la position de prise pendant que le transformateur est sous tension et alimente une charge.

Qu’est-ce qu’un régleur de prises hors tension ?

Un régleur de prises hors tension ne peut être actionné que lorsque le transformateur est entièrement hors tension.

Il est aussi couramment appelé :

• DETC, ou changeur de prises hors tension ;
• changeur de prises hors circuit ;
• changeur de prises à vide ;
• changeur de prises hors charge.

Ces termes sont parfois utilisés de façon interchangeable sur le marché, mais « changeur de prises hors tension » constitue la description la plus claire, car elle précise la condition essentielle de sécurité : le transformateur ne doit pas être sous tension pendant l’opération.

Avant de modifier la position du prélèvement, les opérateurs doivent isoler le transformateur de toutes les sources électriques possibles, appliquer les procédures requises de verrouillage et d’étiquetage, vérifier l’absence de tension, et suivre les instructions du fabricant du transformateur.

Pourquoi un DETC ne peut-il pas être actionné sous tension ?

Un changeur de prises hors tension classique n’est pas conçu pour établir ou interrompre un courant de charge.

Lors d’un changement de prise, ses contacts peuvent temporairement se déconnecter d’une prise avant d’établir la connexion suivante. Si le transformateur était sous tension, cette action pourrait provoquer un arc électrique entre les contacts.

Les conséquences possibles comprennent :

• contacts brûlés ou érodés ;
• carbonisation du matériau isolant ou de l’huile ;
• courts-circuits internes ;
• panne du changeur de prises ;
• dégâts au transformateur ;
• risque d’incendie ou de danger pour le personnel.

Pour cette raison, un changeur de prises hors tension (DETC) ne doit jamais être actionné simplement parce que le transformateur semble « faiblement chargé ». Il ne doit être actionné que dans les conditions hors tension spécifiées par le fabricant.

Avantages d’un changeur de prises hors tension

Un DETC possède une structure mécanique et électrique relativement simple.

Ses principaux avantages comprennent généralement :

• un coût initial inférieur ;
• construction compacte ;
• moins de composants mobiles ;
• exigences réduites en matière de maintenance ;
• fiabilité mécanique élevée ;
• fonctionnement manuel simple ;
• adapté aux réglages de tension peu fréquents.

Un DETC est souvent approprié lorsque la tension d’alimentation est relativement stable et que la position du prélèvement sur le transformateur ne doit être sélectionnée qu’au moment de l’installation, de la mise en service, de la maintenance saisonnière ou d’une coupure planifiée.

Limitations d’un changeur de prises hors tension

La principale limitation est que le réglage des prises nécessite de retirer le transformateur du réseau.

Un DETC est donc moins adapté lorsque :

• la tension varie fréquemment ;
• les charges changent considérablement au cours de la journée ;
• la production ne peut pas être interrompue ;
• la tension doit rester dans une plage de fonctionnement étroite ;
• une régulation à distance ou automatique est requise ;
• la génération renouvelable provoque des fluctuations fréquentes de tension.

Un changeur de prises hors tension ne corrige pas non plus automatiquement les variations de tension, à moins qu’un opérateur n’arrête le transformateur et ne sélectionne manuellement une autre position.

Qu’est-ce qu’un changeur de prises sous charge ?

Un changeur de prises sous charge modifie le rapport de transformation tout en maintenant le transformateur sous tension et en le laissant débiter du courant.

Il est couramment abrégé en OLTC . Dans certains marchés, le terme régulateur de prises sous charge , ou LTC, est également utilisé.

Un OLTC transfère le courant de charge d’une prise d’enroulement à une prise adjacente sans interrompre l’alimentation. Cette capacité le rend adapté aux réseaux électriques nécessitant une régulation de tension fréquente, automatique ou à distance.

La norme IEC 60214 définit les exigences de performance et les méthodes d’essai applicables aux régulateurs de prises sous charge et hors tension. Selon les principes d’application de la norme IEC, un OLTC est conçu pour modifier le rapport de transformation du transformateur alors que celui-ci est sous tension et chargé, sans interruption de l’alimentation.

Applications typiques des OLTC

Les transformateurs à régulation de prises sous charge sont couramment utilisés dans :

• les postes sources ;
• les postes de distribution ;
• centrales électriques ;
• installations sidérurgiques et métallurgiques ;
• mines ;
• centres de données ;
• grandes installations industrielles ;
• projets d’énergies renouvelables ;
• infrastructures critiques ;
• installations dotées de charges sensibles aux interruptions.

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Comment un changeur de prises sous charge fonctionne-t-il ?

Un changeur de prises sous charge doit accomplir deux tâches simultanément :

1. Maintenir le chemin du courant de charge pendant le changement de prise.
2. Éviter un courant de circulation excessif entre des prises adjacentes.

Les prises adjacentes d’un transformateur présentent des potentiels électriques différents. Une connexion directe entre elles créerait un courant de circulation pouvant être suffisamment élevé pour endommager l’enroulement ou l’équipement de commutation.

Un CPT donc utilise un processus de transition contrôlé.

Commutation « établissement avant coupure »

Un CPT typique établit une connexion vers la prise suivante avant de déconnecter complètement la prise initiale. Ce principe de fonctionnement est couramment désigné par l’expression établissement avant coupure .

Pendant la courte période de transition, le CPT peut être connecté à deux prises adjacentes.

Une impédance est introduite afin de limiter le courant de circulation entre elles. Selon la conception du CPT, cette impédance de transition peut être :

• une résistance de transition ;
• un réacteur de transition, parfois appelé autotransformateur préventif.

Megger décrit le processus OLTC comme un pont entre une prise adjacente avant la coupure de la prise supportant la charge. Une impédance résistive ou réactive limite le courant de circulation pendant que les deux prises sont temporairement connectées.

Séquence typique d’un OLTC à résistances

Bien que la séquence exacte dépende de la conception de l’OLTC, un fonctionnement simplifié de type résistance est le suivant :

1. Le transformateur supporte la charge via la prise courante.
2. Un contact de transition relie la prise suivante via une résistance de transition.
3. Les deux prises sont temporairement connectées, tandis que la résistance limite le courant de circulation.
4. Le chemin principal du courant bascule vers la nouvelle prise.
5. La prise d’origine est déconnectée.
6. La résistance de transition est retirée du circuit.
7. L’OLTC achève l’opération à la nouvelle position de service.

La résistance de transition n’est utilisée que pendant une courte période de commutation. Elle n’est pas conçue pour rester continuellement connectée dans une position de service normale.

Les OLTC modernes peuvent utiliser des contacts d’arc conventionnels, des interrupteurs sous vide, des transitions par résistances, des transitions par réactances ou d’autres dispositions spécifiques au fabricant.

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Composants principaux d’un OLTC

Un OLTC traditionnel à résistances peut comprendre :

Sélecteur de prises

Le sélecteur de prises identifie la prise suivante de l’enroulement. Il exécute normalement la fonction de sélection sans commuter le courant de charge nominal.

Interrupteur de dérivation

L’interrupteur de dérivation transfère le courant de charge depuis la prise initiale vers la prise sélectionnée.

Résistances de transition

Les résistances de transition limitent le courant de circulation pendant que deux prises adjacentes sont temporairement mises en pont.

Sélecteur de commutation

Un sélecteur de commutation inversible ou à réglage grossier/fin peut étendre la plage de réglage sans nécessiter un nombre excessif de connexions d’enroulement de réglage.

Mécanisme d’entraînement motorisé

Le mécanisme d’entraînement motorisé fournit l’énergie et la séquence contrôlée nécessaires pour effectuer une commutation de prise.

Selon la conception, la CTO peut également comprendre :

• des indicateurs de position ;
• des fin de course mécaniques et électriques ;
• des compteurs d’opérations ;
• des commandes locales et à distance ;
• relais régulateurs automatiques de tension ;
• indicateurs de niveau d’huile ;
• protection actionnée par pression ou par gaz ;
• surveillance de la température ;
• dispositifs de surveillance en continu de l’état.

Tous les commutateurs sous charge ne comportent pas les mêmes composants. Par exemple, les commutateurs sous charge à vide et les commutateurs sous charge à isolation sèche peuvent présenter des dispositions différentes pour la commutation et l’isolation.

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Comment le changement de prise affecte-t-il la tension secondaire ?

Pour un transformateur doté de prises de réglage sur l’enroulement haute tension et d’une alimentation primaire relativement constante :

• L’augmentation du nombre effectif de spires de l’enroulement haute tension accroît le rapport et abaisse généralement la tension secondaire.
• La diminution du nombre effectif de spires de l’enroulement haute tension réduit le rapport et élève généralement la tension secondaire.

En termes simplifiés :

\[ V_2 \approx V_1 \times \frac{N_2}{N_1} \]

Si \(V_1\) et \(N_2\) restent constants :

• augmenter \(N_1\) réduit \(V_2\) ;
• diminuer \(N_1\) augmente \(V_2\).

Toutefois, des expressions telles que « monter la prise », « descendre la prise », « actionner la prise vers le haut » ou « actionner la prise vers le bas » ne sont pas universellement cohérentes. Leur signification peut dépendre du fabricant, de la convention utilisée par le gestionnaire du réseau, de l’arrangement des enroulements, du système de commande ou de la méthode de numérotation des positions.

Les opérateurs doivent donc se fier à :

• la plaque signalétique du transformateur ;
• le tableau des positions de prise ;
• le schéma de commande ;
• le manuel d’instructions du commutateur sous charge (OLTC) ;
• la procédure de fonctionnement approuvée.

Ils ne doivent pas déduire le sens de la tension uniquement à partir du numéro de position du prélèvement.

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DETC par rapport à l’OLTC : principales différences

Le coût exact, les dimensions, les intervalles d’entretien et les capacités de fonctionnement dépendent de la puissance nominale du transformateur, de sa classe de tension, de sa plage de prises, de sa technologie de commutation et du fabricant. Un rapport de prix fixe entre les transformateurs DETC et OLTC ne doit pas être considéré comme une règle universelle.

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Pourquoi choisir un transformateur à prises sous charge ?

1. Régulation de la tension sans arrêt programmé

L’avantage principal d’un transformateur OLTC réside dans sa capacité à ajuster le rapport de transformation sans retirer le transformateur du service pour chaque opération de prise.

Ceci est précieux là où une interruption planifiée affecterait :

• la production continue ;
• infrastructures critiques ;
• les systèmes informatiques et de communication ;
• les établissements hospitaliers ;
• les systèmes ferroviaires ;
• opérations minières ;
• clients des services publics.

Un transformateur à prises sous charge (OLTC) soutient la continuité de l’alimentation, mais il ne garantit pas qu’un système électrique ne subira jamais d’interruption. Des pannes de transformateur, des interventions des dispositifs de protection, des défaillances en amont, des opérations de maintenance et d’autres événements systémiques peuvent tout de même interrompre l’alimentation.

2. Amélioration de la conformité en tension

La tension varie en raison de l’évolution de la charge, de l’impédance de la ligne, du sens du flux de puissance, de la production générée et des conditions du réseau en amont.

Un OLTC peut aider à maintenir la tension au niveau du jeu de barres contrôlé dans sa plage spécifiée. Le maintien d’une tension acceptable favorise :

• le fonctionnement correct des équipements ;
• la qualité de l’énergie ;
• les performances des moteurs ;
• la durée de vie de l’isolation ;
• conformité de la tension client ;
• stabilité du fonctionnement du système.

3. Meilleure coordination avec la compensation de puissance réactive

La puissance réactive fournie par un condensateur shunt est approximativement proportionnelle au carré de la tension de fonctionnement :

\[ Q \propto V^2 \]

Si la tension diminue, le banc de condensateurs produit moins de puissance réactive. Si la tension augmente excessivement, la puissance réactive fournie augmente et peut contribuer à une surtension ou à une surcompensation.

La coordination du réglage en charge (OLTC) avec les bancs de condensateurs, les bobines d’inductance, les compensateurs statiques de puissance réactive (SVC), les STATCOM et les ressources basées sur onduleurs permet d’améliorer la gestion globale de la tension et de la puissance réactive.

La stratégie de commande doit être soigneusement conçue. Une mauvaise coordination peut entraîner un nombre excessif de manœuvres de prises, des commutations répétées de condensateurs, des oscillations de commande (« hunting ») ou des écoulements défavorables de puissance réactive.

4. Réduction des pertes réseau dans certaines conditions de fonctionnement

Le maintien de la tension du système dans une plage de fonctionnement appropriée peut réduire les courants excessifs et éviter certaines pertes réseau.

Cependant, il est trop général de prétendre que chaque opération d’un transformateur à prises sous charge (OLTC) minimise automatiquement les pertes. Le résultat réel dépend de :

• caractéristiques de la charge ;
• facteur de puissance ;
• impédance de l’alimentation ;
• demande dépendante de la tension ;
• pertes du transformateur ;
• flux de puissance réactive ;
• génération distribuée ;
• objectifs de commande.

Les stratégies modernes de contrôle de la tension prennent donc en compte davantage que la tension seule.

5. Fonctionnement à distance et automatique

Un transformateur à prises sous charge (OLTC) peut être commandé par :

• des boutons poussoirs locaux ;
• un système de commande à distance ;
• Un système SCADA ;
• un relais automatique de régulation de tension ;
• une automatisation coordonnée de sous-station.

La régulation automatique permet au système de commande de comparer la tension mesurée à une valeur cible et d’émettre des ordres d’augmentation ou de diminution après que les délais configurés et les conditions de bande morte soient satisfaites.

La bande morte et le délai empêchent des opérations inutiles causées par de faibles ou temporaires variations de tension.

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Quand un OLTC ne doit-il pas être mis en service ?

Il n’existe pas de liste universelle unique applicable à chaque commutateur sous charge (OLTC). Le fonctionnement autorisé dépend de son courant nominal en service continu, de sa conception, de son système de protection, de son manuel d’exploitation, de l’état du transformateur et des procédures locales.

Les opérateurs doivent suivre les instructions fournies par les fabricants du transformateur et du commutateur sous charge (OLTC).

Le changement de prise peut nécessiter un blocage ou une suspension dans des conditions telles que les suivantes.

Courant dépassant la capacité de commutation autorisée

Un commutateur sous charge (OLTC) possède un courant nominal en service continu et une capacité de fonctionnement spécifiée. Si le courant du transformateur dépasse la valeur autorisée pour le changement de prise, la commutation risque de surcharger les contacts de transition, les interrupteurs sous vide, les résistances de transition ou d’autres composants conducteurs.

Certains commutateurs sous charge (OLTC) disposent d’une capacité de surcharge spécifiée, tandis que d’autres doivent être bloqués au-delà d’un seuil de courant configuré. L’exploitation en surcharge doit donc être évaluée en fonction de la puissance nominale réelle du commutateur sous charge (OLTC) et du manuel du fabricant — et non selon une règle générale.

Alarme anormale du système de protection du commutateur sous charge (OLTC)

Les régleurs sous charge immergés dans l’huile peuvent être équipés de relais de pression dédiés, de relais de débit d’huile, de dispositifs à actionnement gazeux ou d’autres équipements de protection.

Une alarme peut indiquer un arc électrique, une formation de gaz, un problème au niveau du système huile ou une autre condition interne anormale. Aucune autre manœuvre de prélèvement ne doit être tentée tant que l’alarme n’a pas été examinée conformément aux instructions d’exploitation.

Les dispositions de protection varient selon les régleurs sous charge classiques à huile, les régleurs sous charge à vide, les unités isolées par gaz et les régleurs sous charge secs.

Milieu isolant insuffisant

Pour un régleur sous charge isolé par huile, la mise en service peut être interdite si :

• le niveau d’huile est inférieur à la plage autorisée ;
• la rigidité diélectrique est inacceptable ;
• l’huile est fortement contaminée ;
• une fuite est détectée ;
• le compartiment à huile ou le système de pression présente un fonctionnement anormal.

Ces conditions ne s'appliquent pas de la même manière à chaque technologie de changeur de prises.

Indication d'entraînement ou de position anormale

L'exploitation doit être arrêtée si le changeur de prises sous charge (OLTC) présente :

• un changement de prise incomplet ;
• un désaccord de position ;
• une défaillance de l'entraînement moteur ;
• un blocage mécanique ;
• un bruit inattendu ;
• des déclenchements répétés des dispositifs de protection ;
• des fins de course endommagées ;
• un compteur d’opérations ou une anomalie temporelle.

Émettre de façon répétée des commandes à un OLTC coincé ou incomplètement actionné peut aggraver les dommages.

Limite de maintenance atteinte

Un OLTC définit des critères d’inspection ou de maintenance fondés sur des facteurs tels que :

• le nombre d’opérations ;
• le courant commuté ;
• l’usure des contacts ;
• l’état de l’huile ;
• la durée de service ;
• les recommandations du fabricant ;
• résultats de la surveillance des conditions.

Si un seuil d’entretien a été atteint, la poursuite du fonctionnement peut ne pas être autorisée tant que l’inspection ou l’intervention requise n’a pas été effectuée.

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Pourquoi un courant élevé peut-il être dangereux lors d’un changement de prise ?

Pendant la transition d’un changeur sous charge à résistances, le système de commutation doit supporter le courant de charge du transformateur tout en régulant le courant de circulation entre prises adjacentes.

Les composants de transition subissent une contrainte électrique et thermique combinée. Si le courant de fonctionnement dépasse la capacité de commutation admissible du changeur sous charge, la contrainte exercée sur les contacts et les résistances de transition peut dépasser leurs limites de conception.

Les conséquences possibles comprennent :

• usure excessive des contacts ;
• surchauffe ;
• arc électrique sévère ;
• détérioration des résistances de transition ;
• décomposition de l’huile ;
• augmentation de la pression ;
• fonctionnement de protection ;
• Panne du changeur de prises sous charge (OLTC) ou du transformateur.

C’est pourquoi de nombreux systèmes de commande de transformateurs intègrent une fonction de blocage par surintensité pour les commandes automatiques de changement de prise.

Toutefois, la valeur de blocage doit être fondée sur la puissance nominale réelle de l’OLTC, la conception du transformateur, les réglages des relais et les instructions du fabricant.

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Comment choisir entre un changeur de prises hors tension (DETC) et un changeur de prises sous charge (OLTC)

Un changeur de prises hors tension peut constituer le choix préférable lorsque :

• la tension d’alimentation est stable ;
• les ajustements de prise sont rarement nécessaires ;
• les arrêts programmés sont acceptables ;
• la simplicité est une priorité ;
• le contrôle automatique est inutile ;
• un coût initial plus faible est important.

Un changeur de prises sous charge peut être préférable lorsque :

• les variations de tension sont fréquentes ;
• les charges varient considérablement ;
• la continuité d’alimentation est importante ;
• une régulation automatique de la tension est requise ;
• une commande à distance est requise ;
• la génération renouvelable affecte la tension ;
• le bus commandé doit rester dans une plage étroite de tension.

La décision doit tenir compte des exigences liées au cycle de vie, et non uniquement du prix initial du transformateur.

Les facteurs d’évaluation importants comprennent :

• plage de régulation de tension ;
• nombre et taille des pas de prises ;
• courant maximal en traversée ;
• fréquence des opérations ;
• profil de charge ;
• tenue en court-circuit ;
• niveau d’isolement ;
• ressources de maintenance ;
• exigences en matière de commande et de communication ;
• fiabilité requise ;
• conditions environnementales ;
• normes applicables.

Questions fréquemment posées

Un changeur de prises hors tension peut-il être actionné lorsque le transformateur est à vide mais reste sous tension ?

Normalement, non.

Un changeur de prises hors tension exige généralement que le transformateur soit électriquement mis hors tension, et non simplement déchargé. Un transformateur sous tension peut encore imposer une tension aux contacts du changeur de prises, même si le courant de charge secondaire est faible ou absent.

Suivre systématiquement la procédure d’isolement du fabricant.

Un OLTC rend-il le transformateur ininterrompu ?

N°

Un OLTC évite une coupure uniquement pour les réglages normaux des prises. Il ne protège pas le système contre toutes les pannes possibles du transformateur, du réseau, des dispositifs de protection ou de l’alimentation amont.

Les installations critiques peuvent encore nécessiter des transformateurs redondants, des sources d’alimentation doubles, des systèmes onduleurs (UPS), des groupes électrogènes, des schémas de transfert ou d’autres mesures de continuité.

Chaque changeur sous charge utilise-t-il systématiquement des résistances de transition ?

N°

De nombreux changeurs sous charge utilisent des résistances de transition, mais d’autres emploient des réactances de transition. Les conceptions modernes peuvent également recourir à des interrupteurs à vide ainsi qu’à divers agencements de sélecteurs ou d’interrupteurs-diverters.

Un changeur sous charge est-il toujours automatique ?

N°

Un changeur sous charge peut être actionné manuellement, électriquement depuis un tableau de commande local, à distance via un système SCADA ou automatiquement au moyen d’un relais régulateur de tension.

Un numéro de prise plus élevé élève-t-il systématiquement la tension secondaire ?

Pas nécessairement.

La numérotation des positions de prises et les conventions « augmenter/réduire » varient. Les opérateurs doivent consulter le diagramme des prises du transformateur ainsi que la documentation relative aux commandes.

Un changeur hors charge est-il plus fiable qu’un changeur sous charge ?

Un changeur hors charge est mécaniquement plus simple et exige généralement moins de maintenance. Un changeur sous charge est plus complexe, car il doit commuter le courant en charge sans interruption de l’alimentation.

Toutefois, la fiabilité réelle dépend de la conception, de l’application, de la maintenance, du régime de fonctionnement, de l’installation et de la qualité de fabrication.

À quelle fréquence un commutateur sous charge (OLTC) doit-il être entretenu ?

Il n’existe pas d’intervalle universel.

La maintenance peut dépendre du temps écoulé, du nombre d’opérations, de la charge commutée, de l’usure des contacts, de l’état de l’huile, des résultats des diagnostics et des instructions du fabricant. Les OLTC à vide peuvent présenter des exigences de maintenance différentes de celles des OLTC conventionnels à commutation dans l’huile.

Conclusion

La différence entre un commutateur hors tension et un commutateur sous charge est simple :

• A DETC modifie le rapport du transformateur uniquement lorsque celui-ci est hors tension.
• Un OLTC modifie le rapport pendant que le transformateur est sous tension et alimente une charge.

L’ingénierie d’un OLTC est plus complexe. Il doit maintenir le chemin du courant de charge tout en limitant le courant de circulation entre les prises adjacentes de l’enroulement. Cela est obtenu grâce à une séquence de commutation contrôlée utilisant une résistance ou une réactance de transition, selon la conception.

Les transformateurs à prises sous charge (DETC) sont économiques, compacts et adaptés aux réglages peu fréquents. Les transformateurs à prises sous charge (OLTC) conviennent mieux aux applications nécessitant une régulation fréquente de la tension, une commande à distance, un fonctionnement automatique ou une continuité améliorée pendant les changements de prise.

Le choix final doit reposer sur le système électrique, les exigences opérationnelles, la stratégie de maintenance, les normes applicables et le coût total sur le cycle de vie.