Comment la saturation des transformateurs de courant fausse les essais de protection différentielle

Principaux enseignements

• La saturation des transformateurs de courant devient un problème de différentiel de barre lorsque les TC des lignes de distribution saturent à des moments différents et génèrent un faux courant de fuite lors de défauts externes.
• Les tests d'injection sinusoïdale pure permettent de vérifier le bon fonctionnement, mais pour effectuer des tests fiables, il faut disposer de formes d'onde saturées spécifiques à chaque alimentateur, tenant compte des effets de décalage, de rémanence et de charge.
• Une preuve utile consiste à passer en revue les quelques conditions de contrainte qui font passer un relais de l'état de repos à l'état d'actionnement, puis à vérifier la sécurité dans chacun de ces cas.

La saturation d'un transformateur de courant peut donner l'impression qu'un relais différentiel de barre, pourtant fiable, est instable précisément lors des défauts qu'il est censé contenir.

Ce phénomène trouve son origine dans la physique des formes d’onde et n’apparaît dans les réglages des relais qu’une fois que les courants sont déjà déformés. Un défaut qui débute au passage à zéro de la tension peut comporter un décalage en courant continu équivalent à 100 % de la composante alternative; c’est pourquoi un transformateur de courant qui semble adéquat sur le papier peut saturer presque instantanément lors d’un défaut externe grave. On ne peut pas considérer la protection différentielle de barre comme une simple comparaison de courants secondaires « propres » lorsque le courant primaire est asymétrique et que les noyaux sont déjà polarisés. Un bon essai doit reproduire le profil de saturation que le relais rencontrera lors de défauts externes. Les injections sinusoïdales « propres » restent importantes, mais elles ne permettent pas de déterminer si le relais restera fiable lorsqu’un transformateur de courant d’une ligne d’alimentation tombera en panne en premier.

La saturation du transformateur de courant commence lorsque le courant de défaut dépasse la marge de flux du noyau

La saturation d'un transformateur de courant commence lorsque le circuit secondaire n'est plus en mesure de maintenir le flux magnétique du noyau en dessous du point d'inflexion. Un courant de défaut élevé, un décalage en courant continu, un flux rémanent et la charge secondaire épuisent la marge de flux disponible. Une fois cette marge épuisée, le courant secondaire s'aplatit et ne correspond plus au courant primaire.

Prenons le cas d'un défaut sur une ligne d'alimentation externe à proximité du bus. Le courant primaire augmente brusquement, la composante continue décale la forme d'onde vers le haut, et le noyau doit supporter ce décalage de flux avant que le courant secondaire ne puisse se stabiliser. Un transformateur de courant qui fonctionne correctement à dix fois le courant nominal lors d'un essai en régime permanent peut tout de même entrer en saturation en quelques millisecondes lorsque ce même courant arrive avec un fort décalage. Des câbles secondaires plus longs et une charge de relais plus importante accélèrent l'arrivée de ce phénomène.

Vous êtes confronté autant à un effet de mémoire qu’à un problème d’amplitude. Le flux ne se réinitialise pas parfaitement entre deux événements, et le relais ne perçoit jamais directement cet état caché. C’est pourquoi la saturation du transformateur de courant semble imprévisible lors de la mise en service, lorsque le banc d’essai injecte des courants idéaux mais que le défaut de champ présente une asymétrie, une rémanence et des charges inégales. Pour garantir la sécurité, il faut avant tout reconnaître que la saturation est un problème relevant du domaine temporel.

Les transformateurs de courant saturés génèrent un courant différentiel parasite en cas de défauts externes

« La protection différentielle de bus compare la somme des courants des branches d'alimentation au niveau des entrées du relais. »

En cas de défaut externe, cette somme devrait rester proche de zéro. La saturation rompt cet équilibre, car l'un des transformateurs de courant reproduit un courant secondaire inférieur à celui des autres ; la contrainte reste donc élevée tandis que le courant de déclenchement apparent augmente en raison de l'erreur de mesure.

Prenons un bus équipé de trois transformateurs de courant (TC) en bon état sur les branches d'alimentation et d'un TC sur la branche défectueuse, qui arrive à saturation après le premier quart de cycle. Les canaux en bon état continuent de reproduire le courant de défaut asymétrique, mais le canal saturé présente un écrêtage et un retard. Le relais détecte alors un courant de débordement, même si le défaut se situe en dehors de la zone protégée. Ce courant de débordement est un faux courant différentiel généré par une mesure inégale, et non par un défaut interne.

Cette distorsion va au-delà d’une simple perte d’amplitude. La saturation entraîne également un déphasage et supprime certaines parties de la forme d’onde, ce qui signifie que la logique de filtrage et de limitation du relais reçoit une forme qu’elle n’a jamais été conçue pour traiter comme un courant de charge ou un courant de défaut direct. Si votre test se limite à vérifier les amplitudes secondaires stables, vous passerez à côté du mécanisme précis qui provoque le déclenchement lors d’un défaut externe.

Le dysfonctionnement du relais résulte d'une incompatibilité entre les réponses des transformateurs de courant des lignes d'alimentation

Le dysfonctionnement d'un relais résulte d'un décalage entre les réponses des transformateurs de courant (TC) d'une ligne d'alimentation, et non de la saturation seule. Lorsque les TC présentent des rapports, des charges, des longueurs de câble, des flux rémanents ou des classes de noyau différents, ils entrent en saturation à des instants différents. Le relais compare ces réponses inégales et peut interpréter ce décalage comme un événement sur le bus interne.

Imaginons deux transformateurs de courant d'alimentation présentant une classe nominale identique, mais un câblage secondaire différent. L'un est court et relié directement au tableau. L'autre passe par un câblage plus long, des borniers supplémentaires et présente une résistance de boucle plus élevée. Lors d'un défaut externe important, le canal soumis à une charge plus élevée atteint plus rapidement la saturation et se rétablit plus tardivement. Le relais ne sait pas qu'un courant est en retard en raison de la contrainte subie par le cuivre et le noyau.

C’est pourquoi des réglages identiques sur l’ensemble des alimentations ne garantissent pas un comportement identique. La limitation en pourcentage et la logique de pente réduisent le risque, mais le relais reste tributaire d’une qualité d’entrée comparable. Si un canal s’effondre avant les autres, l’élément de commande peut franchir le seuil alors que l’élément de limitation semble encore valide. Le problème ne provient pas de la logique du relais. Il provient d’une fidélité de mesure inégale en situation de contrainte.

Les tests sinusoïdaux simples ne permettent pas de détecter les pires comportements de saturation

Des tests sinusoïdaux simples permettent de vérifier la détection, la polarité et la synchronisation, mais ils ne garantissent pas la protection contre la saturation du transformateur de courant. Le cas le plus défavorable se présente en présence d'un courant de défaut asymétrique, d'un décalage décroissant et d'un flux initial non nul. Une source de courant propre permettra de confirmer le bon fonctionnement tout en masquant la distorsion de la forme d'onde à l'origine d'un faux déclenchement.

Un essai de mise en service consiste souvent à injecter des courants sinusoïdaux égaux à chaque entrée d'alimentation et à vérifier la stabilité de la limitation en cas de défaut externe. Ce contrôle est utile, mais il ne donne guère d'indications sur ce qui se passe lorsqu'un transformateur de courant (TC) entre en saturation après 8 ms tandis que les autres restent linéaires pendant encore un demi-cycle. C'est dans ce décalage que réside la fenêtre de vulnérabilité du relais. Une onde sinusoïdale pure ne crée jamais ce phénomène.

Cette lacune dans les essais se manifeste lors de la mise en service et de la simulation de défauts. Il est possible de réussir tous les essais d'injection secondaire nominale et de mettre néanmoins en service un réseau qui se déclenche en cas de défaut externe grave. Cette lacune est particulièrement importante au niveau des barrages, car tous les transformateurs de courant (TC) des alimentations participent à la même décision au même instant.

Des modèles précis reproduisent l'évolution du flux à l'origine de la saturation

Une modélisation précise ne permet de reproduire la saturation que lorsqu'elle tient compte de l'historique du flux magnétique plutôt que de l'erreur de rapport en régime permanent. Il faut intégrer dans un même modèle la courbe d'excitation, la résistance de l'enroulement, la charge secondaire, le flux rémanent et le décalage de défaut. Cette combinaison permet de déterminer à quel moment le courant secondaire est écrêté, se décale et perd en fidélité.

Un modèle de noyau « frais » semble souvent rassurant, car il part d'un flux nul pour chaque cas. Or, les équipements sur site partent rarement de là. Le flux résiduel peut rester proche de 80 % du flux de saturation après un événement précédent, ce qui signifie que la prochaine défaillance externe mènera le noyau à la saturation bien plus tôt que ne le prévoit un modèle de réinitialisation. Cette seule hypothèse peut transformer un cas de test sûr en un cas de déclenchement intempestif.

Les modèles pertinents tiennent également compte des différences propres à chaque alimentation. Une alimentation peut présenter un câblage plus long, une charge différente ou un état rémanent différent après un défaut antérieur. Si l’on fait la moyenne de ces conditions pour obtenir un bloc de transformateur de courant (TC) générique, on élimine justement le déséquilibre auquel réagit la protection différentielle de bus. Une bonne modélisation ne repose pas tant sur la ressemblance visuelle des formes d’onde que sur la reproduction exacte du déséquilibre détecté par le relais.

Les essais différentiels sur bus doivent injecter des courants secondaires saturés inégaux

Les essais différentiels sur bus doivent reproduire les courants secondaires saturés inégaux générés par chaque ligne d'alimentation lors d'un même défaut. Cela implique des formes d'onde distinctes pour chaque entrée, alignées dans le temps, avec des débuts, des profondeurs et des retours à l'état non saturé différents.

« Des courants limités identiques sur tous les canaux ne permettent pas de refléter la marge de sécurité réelle du relais. »

Un bus à quatre alimentations en est un exemple clair. Un seul défaut sur une ligne externe peut provoquer la saturation précoce du transformateur de courant (TC) de la branche défectueuse, laisser deux TC de branches distantes dans un état quasi linéaire et pousser un quatrième canal vers un léger écrêtage plus tard dans le cycle. Le relais réagit à cette combinaison de signaux, et non à une courbe de courant unique et stylisée. Une plateforme de test plateforme qu’OPAL-RT peut injecter ces formes d’onde saturées spécifiques à chaque branche en temps réel, tandis que le relais applique ses propres logiques de filtrage, de limitation et de déclenchement.

Cette configuration est importante car les systèmes de relais de bus prennent une décision commune à partir de plusieurs entrées de courant. Il est nécessaire de garantir à la fois la précision de la synchronisation par canal et la précision de l'amplitude du courant. Si votre séquence de laboratoire utilise une seule forme d'onde déformée copiée sur toutes les entrées d'alimentation, le test devient simple tant pour le relais que pour l'ingénieur, mais il ne correspond plus au comportement réel du défaut à l'origine d'un dysfonctionnement.

Les contrôles de sécurité doivent passer au crible les conditions qui entraînent une saturation

Les contrôles de sécurité doivent passer au crible les quelques conditions susceptibles de faire passer un relais de l'état de retenue à l'état de déclenchement. L'angle d'apparition du défaut, le rapport X/R du système, la charge, le flux rémanent et le déséquilibre de l'alimentation fournissent bien plus d'informations que des injections nominales répétées. La fiabilité d'un relais n'est prouvée qu'une fois que ces points de contrainte cessent de provoquer des déclenchements intempestifs lors de défauts externes.

• Balayer l'angle d'origine de la défaillance sur toute l'onde de tension.
• Augmentez ou réduisez le système X/R pour contrôler la décroissance du décalage.
• Adapter la charge secondaire en fonction des différences de câblage sur site.
• Lancer des cas avec un flux rémanent non nul dans les transformateurs de courant sélectionnés.
• Modifier la synchronisation de la saturation d'un alimentateur à l'autre.

Vous obtiendrez une meilleure réponse à partir de cinq cas complexes qu’à partir de cinquante cas simples. Une série d’essais pratiques en laboratoire illustre clairement ce point. Vous pouvez reproduire le même défaut externe avec un flux rémanent de 0 %, 50 % et 80 % sur un transformateur de courant d’alimentation et constater que le relais ne reste stable que lorsque les formes d’onde injectées correspondent à la saturation inégale que le matériel va rencontrer. La protection différentielle de barrage dépend de la fiabilité de la contention en situation de contrainte, et cette évaluation repose sur une reproduction rigoureuse des formes d’onde. OPAL-RTrépond parfaitement à cette étape décisive, car il vous permet de tester le relais face aux formes de courant saturées qui provoquent réellement des dysfonctionnements, plutôt que face à des signaux « propres » que le relais ne rencontrera jamais en service.