En général, les transformateurs de mise à la terre sont utilisés dans des systèmes de distribution. Un transformateur de mise à la terre fournit une source de courant homopolaire et il est utilisé aussi pour convertir un circuit à 3 fils non mis à la terre en un circuit à 4 fils mis à la terre.

Les transformateurs de mise à la terre permettent :

Le transformateur de mise à la terre est généralement un transformateur avec un primaire couplé en étoile et mis à la terre et un secondaire en triangle ouvert. Il existe aussi d’autres types de transformateurs de mise à la terre avec les couplages suivants:

• Avantages du transformateur de mise à la terre couplé en zig-zag :

• Avantages du transformateur de mise à la terre couplé en étoile-triangle :

Le meilleur moyen de mettre à la terre un réseau électrique couplé en triangle (isolé de la terre), comme souvent le cas pour les transformateurs MT/BT d’une turbine éolienne en 33kV ou en 66kV, est d’utiliser un transformateur de mise à la terre couplé en étoile-triangle pour créer un neutre  artificiel.

La connexion de l’enroulement primaire peut être en Zig-Zag ou en étoile à la terre.

La connexion de l’enroulement secondaire peut être en triangle ou en étoile.

Dans le cas où le couplage est en triangle-étoile. L’enroulement secondaire couplé en triangle est ouvert à deux extrémités et une résistance est connectée à travers ces deux extrémités comme illustré dans la figure ci-dessous.

La tension nominale de l’enroulement primaire couplé en étoile doit être identique à celle du circuit à mettre à la terre, tandis que la tension nominale de l’enroulement secondaire couplé en triangle peut être choisie comme tout niveau de tension standard.

Lors d’un défaut, une tension induite apparaitra au niveau de l’enroulement secondaire couplé en triangle et une chute de tension à travers la résistance connectée sera mesurée. En fonction de la valeur mesurée et le réglage de la protection du neutre restreint, un signal d’alarme ou de déclanchement est envoyé au système de protection.

Une fois la tension de l’enroulement primaire est définie, les niveaux d’isolement BIL et SIL sont à choisir conformément à la norme IEC 60071 pour un niveau de tension Um équivalent (sauf pour certains cas d’exception pour les centrales éoliennes offshores).

Le transformateur de mise à la terre doit être dimensionné de telle sorte que la circulation du courant phase-phase en régime normal ne produit aucune surchauffe excessive. Des valeurs typiques peuvent aller de 5 ampères à quelques centaines d’ampères.

Pour les transformateurs de mise à la terre et d’alimentation des auxiliaires à la fois. La puissance nominale est définie par la puissance consommée au niveau des auxiliaires.

Dans le cas d’un transformateur de mise à la terre avec un couplage triangle-étoile. La tension mesurée à travers le triangle ouvert n’est autre que la somme des tensions à la terre (3V0).

Le courant dans le neutre I0 est égal à 3*In. Il doit être inférieur à la valeur du courant qui peut circuler dans le neutre pour éviter un déclenchement intempestif de la protection de terre.

La valeur du courant de défaut monophasé à la terre doit généralement être choisie selon la règle suivante : Aussi bas que possible, aussi haut que nécessaire.

Aussi bas que possible : Pour réduire les dommages à l’emplacement du défaut et réduire les tensions de contact et l’augmentation de potentiel de terre.

Aussi haut que nécessaire : Pour assurer la stimulation des protections et éviter les coupures non sélectives dues au courant capacitif de défaut à la terre dans les départs non défectueux.

La résistance insérée dans le triangle ouvert permet de limiter le courant de défaut à une valeur acceptable selon les critères de design pendant un certain temps.

Les tensions pendant le défaut peuvent être exprimée de la manière suivante :

V_AG = V_AN + V_NG = K<0 + 0 ……………. (1)

V_BG = V_BN + V_NG = K<-120 + 0 ………..(2)

V_CG = V_CN + V_NG = K<+120 + 0 ……….. (3)

Pour un défaut à la terre de la phase A, V_AN = 0, et la tension à travers la résistance du neutre (V_NG) est tout simplement l’inverse de la tension phase neutre de la phase A.

V_AG = 0 (quand la phase A est en défaut de terre)

V_AN + V_NG = 0

V_AN = – V_NG = – K<0 = 1<180 ……….. (4)

Faisons -(4)-(2): V_{BG =}  V_BN + V_NG = K<-120 + K<180 = 1,732K<150 ……….. (5)

Faisons -(4)-(1) : V_{CG =}  V_CN + V_NG = K<120 + K<180 = 1,732K<150 ……….. (6)

Les deux équations (5) et (6) montrent que la tension de la phase saine augmente de 1,732 fois durant un défaut à la terre d’une phase.

Par ailleurs, la somme des tensions des trois phases donnera :

V_AG + V_{BG +} V_CG = 0 + 1.732K<-150 + 1.732K<150 = 3K<180 ……….. (7)

V (Triangle ouvert) = V primaire / turn ratio = (1/turn ratio) 3K < 180 ……….. (8)

Cette dernière équation « 8 » peut-être écrite de façon générale comme suit.

V (Triangle ouvert) = (1/turn ratio)x(3 V L-G système) < (Un phase en défaut + 180)

Pour mieux amortir le réseau électrique pendant une phase transitoire et éviter des phénomènes de Ferro-résonance, les considérations suivantes sont prises en compte pour le choix de la valeur de la résistance :

La résistance devrait être dimensionnée de telle sorte que l’impédance du transformateur de mise à la terre est assez faible, par conséquent, lorsqu’un défaut à la terre se produit, le courant de défaut sera assez élevé.

Il est conseillé d’adapter une valeur « r » de résistance correspondant à une puissance active totale dissipée U²/3r égale ou supérieure à la puissance capacitive 2xCxWxU² en présence d’un défaut phase-terre.

U²/3r  ≥ 2xCxWxU²

En divisant par U/racine(3)

U/racine(3)/r ≥  2xCxWxU/racine(3)

U/racine(3)/r : Est la valeur du courant de défaut terre I_L dans la mise à la terre.

3CWU/racine(3) : Est la valeur du courant capacitif I_C du réseau en cas de défaut terre.

Pour choisir la valeur de la résistance, prenons l’hypothèse suivante : I_L ≥ 2x I_C

Le critère précédent permet de définir la limite inférieure du courant de défaut franc phase-terre. Pour le choix de la limite supérieure, il convient de s’assurer que le courant de défaut ne provoque pas de dégâts sur le trajet qu’il emprunte et particulièrement dans les écrans de câbles. L’intensité maximale supportée par les écrans de câbles peut être précisée par les constructeurs, en général de 500 à 3 000 A pendant 1 seconde.

Source :

• IEC 60076 Series: Power transformers
• IEC 60071 Series: Insulation co-ordination
• IEEE std 80
• Neutral earthing in an industrial HV network, Merlin Gerin Technical Specification n° 62
• AKTIF Grounding Transformers