Enquête sur les pratiques de l'industrie en matière de déconnexion de bobines de stator des alternateurs hydrauliques et sur leurs impacts

L'enroulement stator est un des composants essentiels d'un alternateur hydraulique. Quand un défaut à la terre se produit dans un alternateur hydraulique en service, il n'est pas toujours possible de procéder immédiatement à un remplacement de la bobine en défaut. En effet, pour des raisons commerciales ou contractuelles l'alternateur doit être remis en exploitation dans les délais les plus courts. Souvent la solution rapide consiste à déconnecter les bobines en défaut et à faire fonctionner l'alternateur avec un déséquilibre de tension acceptable, en attendant un arrêt programmé au cours duquel la réparation pourra être exécutée.

Alors que le remplacement des barres préformées peut être très facilement réalisable avec du personnel compétent, dans le cas où des barres de rechange sont disponibles, la situation est tout à fait différente quand il s'agit de procéder à un remplacement de bobines multispires. Dans ce dernier cas une solution possible, qui requiert l'intervention d'un personnel hautement qualifié et un volume de travail significatif, consiste à:

• Couper les parties (jambes) côté entrefer de quelques bobines en bon état,
• Extraire et remplacer les bobines en défaut,
• Raccorder en position les nouvelles jambes de bobine côté entrefer.

L'autre solution, qui est beaucoup plus facile à réaliser et qui coûte moins cher, consiste à couper et à shunter les bobines en défauts, et à exploiter l'alternateur avec un déséquilibre de tension, jusqu'à son ultéreur rembobinage.

La Brochure Technique (BT) présente les différentes pratiques mises en oeuvre pour déconnecter les bobines, et propose des informations sur les pratiques les meilleures, qui assurent un fonctionnement sûr de l'alternateur exploité avec des bobines déconnectées.

Contenu de la Brochure Technique

La Brochure Technique comporte 5 chapitres et des annexes, dont la teneur est la suivante :

Chapitre 1 : Le chapitre explicite les besoins à l'origine et les objectifs de la BT, élaborée à partir de l'expertise de l'industrie, issue de différentes publications de référence et enrichie des contributions à une enquête. 

Chapitre 2 : On trouve dans ce chapitre des informations sur les enroulements de stator, sur les différents types d'enroulements de stator, et une section plus pédagogique sur les principes fondamentaux des diagrammes d'enroulement, sur leur lecture et leur établissement, sur le calcul des facteurs d'enroulements, sur les types de connexions des enroulements, etc. Ces informations sont destinées à donner les informations techniques nécessaires pour lire et comprendre un diagramme d'enroulement et être capable de situer la position des bobines en défaut dans le diagramme.

Chapitre 3 : Ce chapitre constitue un guide technique sur :  

• La manière de localiser un défaut de l'enroulement stator, pour des bobines directement à la terre et non directement à la terre
• La déconnexion d'une bobine en défaut et sur l'évaluation de l'état du reste de la bobine
• L'analyse des dommages provoqués par ledéfaut au sein de l'enroulement et sur le noyau
  • Les méthodes de réparation des enroulements
  • Comment on doit déconnecter une bobine
  • Comment shunter et ouvrir une bobine
  • Comment raccorder un jambe entrefer de bobine
  • Comment remplacer une bobine complète
  • Comment déconnecter un circuit parmi d'autres

• Les essais électriques requis sur le reste de la bobine après la déconnexion des bobines en défaut
• Les mesures à effectuer avant le retour en exploitation de l'alternateur
• Les méthodes de réduction du déséquilibre entre circuits
• Les pièces de rechange nécessaires pour les remplacements de bobine, pour les barres, côtés entrefer et opposé, d'enroulements imbriqués ou ondulés

Dans ce chapitre sont présentés les moyens de réduction des impacts négatifs sur la production de l'alternateur en choisissant les bonnes bobines de même contribution à la tension dans le circuit de production de la tension. Dans certains cas une bobine peut être déconnectée sans conséquences majeures sur la puissance nominale de l'alternateur. Dans d'autres cas, qui représentent la majorité des situations, des bobines en bon état doivent être shuntées pour éviter une réduction significative de la puissance nominale due l'alternateur.

Chapitre 4 : Ce chapitre est dédié à la présentation des résultats d'une enquête auprès des possesseurs d'alternateurs hydrauliques de petite et grande puissances, du Canada, d'Allemagne, du Portugal et des Etats-Unis, et auprès de constructeurs, de consultants et de chercheurs du Brésil, du Canada, de Croatie, d'Allemagne, d'Italie et des Etats –Unis

L'enquête s'intéressait aux circonstances dans lesquelles un défaut se produit, aux techniques utilisées pour localiser le défaut, aux options de réparation retenues, aux techniques utilisées pour déconnecter une bobine et pour la déconnexion des circuits, aux problèmes rencontrés avec les bobines déconnectées, aux calculs prévisionnels permettant de déterminer les effets annexes de la déconnexion des bobines, aux procédures de retour en service de l'alternateur, à l'équilibrage de  l'enroulement, etc.

Chapitre 5 : Il consiste en une analyse des données collectées dans l'enquête, qui se porte sur les opérations de réparation réalisées, les calculs et les mesures effectués dans le cadre de l'équilibrage des enroulements. Les réponses à l'enquête ont souligné le besoin d'un guide sur la méthode de déconnexion des bobines.

Dans les annexes sont disponibles :

• Les définitions, abréviations et symboles utilisés
• Des liens et références
• Le questionnaire distribué.

Section pédagogique sur le diagramme d'enroulement stator

Cette section a pour objectif de fournir aux utilisateurs des alternateurs un corpus de connaissances suffisant pour comprendre un diagramme d'enroulement, pour l'établir à partir de zéro, et l'utiliser pour déterminer dans quelle phase et dans quel circuit se situe la bobine en défaut. Elle propose également un moyen de calculer la contribution à la tension de chacune des bobines d'un enroulement de stator, et les informations utiles au calcul du déséquilibre de tension après une déconnexion de bobines.

Les enroulements des alternateurs hydrauliques sont majoritairement constitués de bobines multispires préformées, en deux couches, de barres Roebel dans des enroulements imbriqués ou ondulés. Les caractéristiques de ces types d'enroulement et les types de connexion sont décrits en détail, avec des figures et des diagrammes. On met également en exergue ce qui est attendu d'un diagramme d'enroulement.

Il arrive quelquefois que l'on ne dispose pas d'un diagramme d'enroulement, et il faut alors des expertises disponibles pour établir un diagramme d'enroulement en partant de zéro, en utilisant certaines observations essentielles et toute autre information existant dans les plans. Les paramètres qui sont connus, comme le nombre d'encoches par pôle, peuvent être exploitées pour reconstituer la distribution des groupes de bobines de l'enroulement, et des exemples fournis dans la BT aident à mieux le comprendre. Les autres facteurs calculés, tels que le facteur d'inclinaison des encoches, le facteur de raccourcissement ou d'allongement, le facteur de distribution, le facteur de bobinage, sont utilisés pour déterminer la tension induite dans un côté de bobine et den tirer la tension induite totale par phase (Figure 1).

Guide technique

Les alternateurs hydrauliques disposent de systèmes de protection qui détectent les défauts du stator, mais souvent la localisation effective du défaut dans les enroulements doit être physiquement déterminée et on doit pouvoir y accéder. Des essais comme la résistance d'isolement de chaque enroulement, les essais Hi-pot CC, et les inspections visuelles peuvent permettre de réduire la zone de recherche à une phase ou à un circuit spécifiés (Figure 2). Des essais supplémentaires sont nécessaires selon que le défaut à la terre de la bobine est franc ou pas, pour identifier la bobine incriminée, et la déconnecter en suivant la méthode appropriée.

Dans cette partie de la BT on décrit en détail comme on trouve le défaut, comment on peut réaliser la réparation et quels essais sont réellemnt recommandés avant la remise en service de l'alternateur. Quand un défaut se produit et que le dommage a été évalué, et avant de commencer les travaux de déconnexion de bobine, il est recommandé qu'un expert procède à une évaluation du déséquilibre entre enroulements qui sera induit par la déconnexion des bobines, et qu'il calcule la réduction de la puissance assignée de l'alternateur qui sera imposée pour éviter l'excès d'échauffement de certaines parties  des enroulements. Cette évaluation pourra aider à définir et recommander la procédure de réparation la plus économique entre:

• Ne shunter que les bobines en défaut
• Shunter les bobines en défaut et shunter des bobines en bon état pour équilibrer les circuits de phase
• Déconnecter des circuits de phase
• Rembobiner le stator.

Les détails sont fournis pour chaque procédure, parmi lesquelles le shuntage d'une bobine en défaut, le raccordement des côtés entrefer d'une bobine pour replacer une bobine complète et la déconnexion d'un circuit complet (Figure 3). Une liste des pièces de rechange nécessaires au remplacement d'une bobine unitaire ou d'une barre placée dans une encoche côté entrefer ou opposé est proposée, pour les différents types d'enroulement.

En règle générale, le shuntage d'une bobine unique peut conduire à une réduction de la puissance assignée de l'alternateur quand les connexions du groupe de bobines sont longues (1 à7), si on n'équilibre pas l'enroulement par déconnexion de bobines en bon état. Par contre, shunter une bobine unique peut ne pas conduire à une réduction de puissance de l'alternateur si les connexions du groupe de bobines sont courtes (1 à 4), et s'il y a plus de 15 bobines dans les circuits parallèles. Il est toutefois recommander de surveiller les courants dans les circuits d'enroulements avant de remettre en service l'alternateur, pour s'assurer que les courants circulant dans les circuits parallèles restent dans des plages acceptables. Les courants circulant entre les circuits parallèles accroissent la température dans certains circuits parallèles et pourraient conduire à une réduction de la puissance assignée de l'alternateur. De même le déséquilibre de tension entre circuits, consécutif à la déconnexion et au shuntage des bobines, doit être maintenu dans des limites acceptables. Il faut, en conséquence, procéder à des essais et à des mesures électriques pour confirmer l'acceptabilité des nouvelles conditions d'exploitation avant la remise en service.

Les principaux résultats

Les questionnaires ont été diffusés auprès des utilisateurs et des constructeurs d'alternateurs hydrauliques de différents pays, pour collecter des informations sur les pratiques et les effets associés à la déconnexion des bobines de stator des alternateurs hydrauliques. L'échantillon reçu concernait (Tableau 1):

• Des propriétaires ou des opérateurs d'alternateurs hydrauliques représentant une capacité installée de 15 GW, et quelque 194 unités dont la plus puissante était de 440 MVA;
• Des constructeurs titulaires d'accords contractuels de prestation d'investigation, de travaux de réparation et d'essai;
• Des consultants et des chercheurs d'un institut de recherches.

Cause des défauts d'enroulement

Les retours de l'enquête montrent clairement que les défauts des alternateurs hydrauliques sont en majorité apparus en cours d'exploitation, du fait du vieillissement des enroulements de stator. Les défauts dus à la projection de matériaux étrangers provenant du rotor et les défauts survenant au cours d'essais électriques de routine,  représentent l'autre proportion importante des défauts (Tableau 2).

Méthode de détermination de l'emplacement du défaut

Une inspection visuelle est réalisée d'abord pour localiser des indices du défaut. Ensuite, en fonction de l'endroit du défaut, par ex. dans ou à l'extérieur du noyau stator, et selon  la résistance à la terre, on pourra utiliser une palette de sources de tension, de sources de courant et de générateurs d'impulsions pour localiser le défaut par observation d'étincelles, de bruit ou de fumée (Tableau 3).

Options de réparation

D'après les réponses les barres Roebel défectueuses sont remplacées immédiatement par des barres de réserve quand elles sont disponibles, néanmoins la pratique courante montre qu'elles sont souvent shuntées temporairement, jusqu'à un arrêt programmé ou dans l'attente de barre de rechange (Tableau 4).

Un autre résultat, inattendu, est que juste un peu plus de 50% des bobines multispires défectueuses sont maintenues en place, déconnectées et shuntées en permanence (Tableau 5). 

La technique de réparation la plus courante consiste à couper et ôter les portions d'extrémités de bobines, et à remplacer la bobine endommagée. D'autres techniques sont mises en œuvre pour le remplacement des bobines multispires, et sont listées dans le Tableau 6.

Problèmes rencontrés avec les bobines déconnectées

Les problèmes les plus fréquents rencontrés après la remise en service de l'alternateur sont les élévations de température du stator, des vibrations de stator et des restrictions d'absorption MVAR (c. à d. facteur de puissance capacitif et sous-excitation). Ces problèmes sont surtout observés avec les enroulements à bobines multispires. Ils sont dus à une mauvaise évaluation  de la réduction de puissance de l'alternateur, de l'évaluation de l'échauffement de l'enroulement et des courants dans chaque circuit parallèle (Tableau 7).

Calculs de prévision avant réparation des enroulements

Les calculs de prévision effectués avant la réparation des enroulements portent sur la réduction de la puissance assignée de l'alternateur, sur l'élévation de température des enroulements du stator, et sur la valeur des courants dans chaque circuit parallèle. Ces calculs sont pour la plupart réalisés avec des méthodes de calcul développées en interne, qui ne font pas appel à des méthodes de calcul aux éléments finis (FEM) (Tableaux 8 et 9).

Equilibrage des enroulements

Quand c'est nécessaire on peut utiliser plusieurs méthodes pour équilibrer un enroulement. Le shuntage de bobines en bon état est réalisé, en tant que de besoin, pour une des deux motivations ci-après: la première est le besoin d'équilibrer les courants au niveau de la protection différentielle de phase divisée par le shuntage de bobines saines équivalentes dans l'autre phase divisée de la même phase; la seconde vise à éviter les courants inverses dans les trois phases de l'alternateur par le shuntage de bobines saines équivalentes dans les deux autres phases. Les réponses au questionnaire, listées dans le Tableau 4, donnent une idée de la répartition des pratiques.

Aucune information précise n'a été donnée dans les réponses à l'enquête sur le nombre des bobines à déconnecter dans un circuit d'enroulement ou dans une phase, mais il semble de le nombre des bobines qui peuvent être déconnectées dans un circuit sont moins de 10% du nombre total des bobines du circuit. La BT donne par contre des détails sur les critères utilisés pour choisir les bobines appropriées à l'équilibrage.

Conclusion

L'enquête a mis en évidence que dans la plupart des cas, quand les bobines en défaut ont été déconnectées et shuntées, les enroulements stator doivent être rééquilibrés par la déconnexion de bobines saines. Cette situation semble être particulièrement vérifiée quand les connexions dans un groupe de bobines de l'enroulement sont longues (1 à 7), entre un groupe de bobines et le groupe adjacent de la même phase et de la même polarité. Il semble toutefois que l'équilibrage soit moins nécessaire quand les connexions de groupe de bobines dans l'enroulement sont courtes (1 à 4) entre un groupe de bobines et le groupe adjacent de la même phase et de polarité inverse. Mais, in fine, aucune règle définie ne peut être avancée sur la nécessité d'équilibrer ou non  un enroulement, dans la mesure où les alternateurs hydrauliques sont tous différents dans leur conception, et où le nombre et la position dans l'enroulement des bobines à déconnecter se présentent à chaque fois de façon différente.

L'enquête a aussi fait ressortir le manque d'outils commercialement disponibles pour le calcul des courants de circulation, des élévations de température des enroulements de stator dans chaque circuit parallèle et de la réduction  assoiciée de la puissance assignée de l'alternateur en fonction du nombre de bobines déconnectées, de leur position dans l'enroulement, et de la configuration de l'enroulement (c. à d. la séquence des groups de bobines, du type des connexions entre groups de bobines, etc.). Il semble qu'un outil  basé sur la méthodologie du cadre abc  (Approximate Bayesian Computation) serait intéressant à développer.