Le rapport de mise en service d'un appareil de 40 MVA qui a pris 14 mois pour arriver vient d'être acquis par l'ingénieur de la sous-station. L'appareil est censé répondre aux besoins d'une région qui compte 60 000 consommateurs. 28 000 litres d'huile sont présents à l'intérieur du réservoir, ainsi que 20 tonnes d'assemblage noyau-enroulement et le système de refroidissement de l'unité qui est responsable de la régulation de la chaleur avec un budget d'augmentation de température de 65K. L'ingénieur réalise que la simplicité du réservoir en acier présente des complications potentielles sous la forme de chimie des gaz dissous, de gestion des points chauds, d'équilibre d'humidité entre le papier et le liquide et d'un changeur de prises qui est responsable du commutateur sous charge.
Le but de cet article est de fournir des informations sur les transformateurs de puissance immergés dans un liquide, comment ces appareils agissent en tant que transformateurs de tension de puissance, le fonctionnement du système de refroidissement, la différence entre l'huile minérale et les fluides esters, la complexité des schémas de défaillance liés au contrôle du fonctionnement du transformateur et les prix associés aux machines de différentes capacités.
En résumé, un transformateur de puissance rempli de liquide est un type de transformateur qui est refroidi et isolé à l'aide d'un liquide, dans la plupart des cas de l'huile minérale qui est utilisée dans environ 75–85% d'unités, tandis que lorsqu'il y a un risque d'incendie ou d'effets dangereux pour l'environnement, des huiles comme les esters naturels et synthétiques sont utilisées. La méthode de refroidissement par liquide offre une capacité de refroidissement supérieure à celle du refroidissement par air, la tolérance de température est (65K) égale à (65K) et supérieure à 50–60K pour les transformateurs secs.
Qu'est-ce qu'un transformateur de puissance immergé dans un liquide ?
Un transformateur de puissance immergé dans un liquide est celui dans lequel la partie active du transformateur, y compris l'enroulement et le noyau, est logée dans un réservoir en acier rempli d'un fluide isolant. Le rôle du liquide isolant est double. Tout d'abord, il agit comme un diélectrique qui isole les conducteurs du sol et fournit certaines parties de l'isolation avec du papier et du carton pressé. Deuxièmement, il agit comme un fluide de refroidissement et évacue la chaleur de l'enroulement et du noyau vers le réservoir et les radiateurs qui sont ensuite refroidis par l'air.
Cette combinaison de deux fonctions est une raison de l'efficacité élevée de l'immersion liquide. L'air est un mauvais diélectrique et aussi un mauvais conducteur de chaleur, rendant possible la dissipation de la chaleur de l'enroulement de type sec avec beaucoup plus d'efforts. De plus, la conductivité thermique du liquide est environ trente-six fois plus élevée que celle de l'air et il absorbe beaucoup plus de chaleur par litre que l'air. Ainsi, depuis plusieurs centaines de kVA, pratiquement chaque transformateur est considéré comme un transformateur de type liquide immergé (qui est souvent appelé transformateur immergé dans l'huile).
Pourquoi l'immersion liquide l'emporte à grande échelle
Les raisons pour lesquelles l'immersion liquide est meilleure en ce qui concerne les tailles de transformateurs peuvent être simplement énoncées :
- Capacité thermique : Selon la norme IEC 60076-2, l'augmentation de température moyenne des enroulements utilisés dans les transformateurs immergés dans l'huile est égale ou inférieure à 65 degrés Celsius, ce qui entraîne des puissances continues plus élevées en raison d'un meilleur transfert de chaleur qui peut être réalisé.
- Résistance diélectrique : En raison du fait que l'huile a une résistance diélectrique de 40-70 kV/2,5 mm, elle peut être utilisée pour réduire l'espacement et le volume en raison du fait qu'elle est beaucoup plus élevée que celle de son homologue aérien.
- Capacité de surcharge : Les transformateurs liquides sont conçus pour résister à des surcharges pendant de courtes périodes – par exemple, comme le prescrit la norme IEC 60076-7, des surcharges d'un montant de 130 % peuvent se poursuivre pendant 2 heures.
- Diélectrique auto-réparant : Des décharges mineures dans l'huile créent des gaz, qui se dissolvent, et l'huile revient à son état opérationnel normal contrairement à un espace aérien, qui ne peut pas se réparer lui-même.
- Diagnosabilité : Le liquide exprime une empreinte chimique de chaque processus se produisant à l'intérieur, ce qui rend l'analyse des gaz dissous le système d'alerte précoce le plus efficace en ingénierie électrique.
Ces avantages sont contrebalancés par les inconvénients connus des systèmes liquides, à savoir le danger d'incendie et de fuites, le poids, ainsi que la complexité des activités de maintenance inhérentes à l'utilisation de machines contenant du liquide. C'est pourquoi l'industrie s'appuie sur des solutions d'ingénierie, des normes et un strict respect des règles pour minimiser ces risques.
Comment fonctionne le refroidissement et l'isolation liquides
Dans les transformateurs remplis de liquide, le refroidissement est réalisé par ventilation naturelle ou forcée par air. Dans le mode de base ONAN (huile naturelle, air naturel) :
- La chaleur produite par le noyau et les enroulements chauffe l'huile entourant le transformateur, ce qui la rend moins dense ;
- L'huile chauffée est déplacée à travers des conduits à l'intérieur des enroulements vers la partie supérieure du réservoir ;
- L'huile chauffée est libérée vers le conservateur puis à travers des radiateurs, où elle est refroidie par l'air ;
- L'huile refroidie retourne à la partie inférieure du transformateur et s'écoule à nouveau dans les enroulements pour répéter le cycle.
Les conceptions modernes permettent de contrôler le processus de refroidissement avec des systèmes de circulation d'huile dans des transformateurs plus grands impliquant des pompes pour forcer l'huile à travers les conduits d'enroulement (modes OF) et des ventilateurs devant les radiateurs (modes AF). Les modes de refroidissement en question sont reflétés dans la désignation de la plaque signalétique comme ONAN, ONAF, OFAF, etc.
| Code de refroidissement | Signification | Augmentation typique de capacité | Utilisation courante |
|---|---|---|---|
| ONAN | Huile naturelle, air naturel | Évaluation de base | La plupart des transformateurs de distribution et de puissance moyenne |
| ONAF | Huile naturelle, air forcé (ventilateurs) | +20–30% pendant que les ventilateurs fonctionnent | Charges cycliques, capacité de surcharge |
| OFAF | Huile forcée, air forcé | +30–45% | Transformateurs de puissance moyenne à grande |
| ODAF | Flux d'huile dirigé, air forcé | La plus haute évaluation par unité | Transformateurs de grande puissance >60 MVA |
Bien qu'une unité avec une puissance de 40 MVA ONAN puisse être classée à 50 MVA ONAF lors de l'utilisation de ventilateurs, puisque les ventilateurs doublent approximativement la chaleur dissipée par le côté air, l'isolation fonctionne comme un moyen composite. Le papier et le carton pressé constituent la barrière d'isolation, tandis que le liquide occupe tout l'espace libre existant. Il est également important de noter que l'équilibre d'humidité dans le papier et l'huile doit être pris en compte. Le papier absorbe facilement l'eau et l'huile est capable de dissoudre l'eau. Dans l'application des transformateurs remplis d'esters, l'huile permet une forte absorption d'humidité par le papier, ce qui ralentit le processus de vieillissement, tandis que dans les unités standard à huile minérale isolante, l'eau pénètre le papier plus rapidement, ce qui accélère le vieillissement du papier.
Huile minérale vs. Fluides d'esters
Le choix du type de liquide est l'une des spécifications les plus importantes pour un transformateur immergé dans un liquide. Les principales options sont :
| Liquide | Point d'inflammation | Biodégradabilité | Tolérance à l'humidité | Coût relatif du liquide | Meilleure adéquation |
|---|---|---|---|---|---|
| Huile minérale | ~160°C | Lent | Faible | Référence | Sous-stations standard |
| Minéral haute température | ~300°C | Lent | Faible | +20–40% | Intérieur, marge de sécurité plus élevée |
| Ester naturel | >300°C | >90% en 28 jours | Élevé | +30–60% | Zones à risque environnemental et d'incendie |
| Ester synthétique | >300°C | Modéré | Élevé | +60–100% | Intérieur, haute tension, actifs critiques |
L'huile minérale est toujours considérée comme l'option la plus courante en raison de son coût faible et de son utilisation très répandue grâce à ses caractéristiques suffisantes lorsqu'elle est installée efficacement avec une séparation contre l'incendie appropriée et un confinement de l'huile. Les esters sont utilisés dans les cas où il est nécessaire de respecter les lois ou réglementations locales concernant l'utilisation de l'huile minérale - à l'intérieur, autour des plans d'eau, dans des voûtes urbaines compactes, et activement sur les sites utilisant des ressources renouvelables. Il convient de mentionner que les esters sont assez coûteux par rapport à l'huile minérale - $3000 – $8000, ce qui dépend totalement de la capacité d'un transformateur - et un tel investissement sera rentabilisé sous forme d'approbation de tous les permis, conditions d'assurance et réduction du vieillissement du papier.
La complexité : Modes de défaillance et diagnostics
Les transformateurs remplis de liquide tombent en panne de manière bien définie, donc pour savoir comment faire fonctionner l'actif, il faut comprendre :
- Vieillissement de l'isolation : La principale cause de défaillance, due à l'influence de la température et de l'humidité. Chaque six degrés (Celsius) d'excès thermique réduit de moitié la durée de vie de l'isolation en papier.
- Ingress d'humidité : Traumatismes subis par l'isolation interne à travers ses respirateurs, fuites et joints vieillissants. Plus d'humidité réduit la résistance diélectrique.
- Décharges partielles et arc électrique : Entretien de l'atmosphère où les gaz produits sont identiques à ceux détectés par la DGA.
- Défaillances thermiques : L'augmentation de la température de l'huile interne due à de mauvais contacts ou à des conduits obstrués provoque également des développements de gaz.
- Dysfonctionnement du changeur de prises : Détails à l'intérieur d'un corps rempli d'huile qui s'usent avec l'opération.
Chaque cause de dysfonctionnement laisse une “trace de gaz” pratique : maintenant, le liquide peut être appelé un “échantillon de diagnostic vivant” au prix de $200–600 visites par an. Avec une surveillance en ligne multi-gaz au prix de $8000–40000, il a été possible de surveiller l'état des transformateurs remplis d'huile d'une certaine manière.
Spécifications typiques par classification
| Puissance | Classe de tension | Impédance | Refroidissement | Perte typique (sans charge / charge) |
|---|---|---|---|---|
| 500 kVA | 10–35 kV | 4–4.5% | ONAN | ~1.0 / ~5.2 kW |
| 1 000 kVA | 10–35 kV | 4.5–5% | ONAN | ~1.7 / ~10.5 kW |
| 10 MVA | 35–110 kV | 7.5–8% | ONAN/ONAF | ~10 / ~50 kW |
| 40 MVA | 110–220 kV | 10–12% | ONAN/ONAF/OFAF | ~30 / ~170 kW |
| 100 MVA | 110–220 kV | 12–14% | OFAF/ODAF | ~70 / ~380 kW |
Les chiffres se réfèrent à la spécification IEC 60076 et changent en fonction de la catégorie de perte, des types de matériaux et du producteur. Cependant, la tendance est toujours là : l'impédance augmente avec la puissance nominale afin de maintenir les courants pendant un défaut sous contrôle, le refroidissement devient plus intensif pendant l'opération, et les pertes augmentent à un rythme plus lent que la puissance, rendant ainsi l'efficacité croissante avec la taille : une machine de 100 MVA peut atteindre une efficacité dépassant 99.7%.
Efficacité et économie de durée de vie
Le coût des transformateurs remplis de liquide repose sur les pertes, et ces pertes sont significatives. Par exemple, si nous prenons un équipement électrique de 40 MVA avec 30 kW de perte à vide et 170 kW de perte en charge à 60% d'utilisation :
- La perte à vide serait : 30 kW maintenue pendant 8 760 heures : 30 × 8 760 = 263 MWh/an.
- Les pertes en charge seraient : 170 kW × 0,36 × 8 760 heures = 536 MWh/an.
- Le nombre résultant est : La somme de ceux-ci est d'environ 800 MWh/an évaluée à $56 000-$80 000 basé sur $0,07-0,10/kWh.
En 25 ans, les pertes totales s'élèveraient à $1,4-$2,0 million – c'est plusieurs fois supérieur à la valeur d'achat de l'équipement. Ainsi, c'est la principale raison pour laquelle les entreprises prennent en compte les pertes lors de l'estimation des dépenses énergétiques et préfèrent acquérir des unités avec des prix plus élevés mais des pertes plus faibles. Il existe une règle empirique, pour chaque différence de 10 kW de pertes, les coûts doivent être évalués à $7 000 – $8 700 par an d'opération continue à vide ou ajustés en fonction du ratio d'utilisation pour les pertes en charge.
| Exemple de 40 MVA | Perte (kW) | Énergie annuelle (MWh) | Coût sur 25 ans @ $0.08/kWh |
|---|---|---|---|
| Perte à vide (P0) | 30 | 263 | $525,000 |
| Perte de charge (Pk) à 60% facteur de charge | 170 | 536 | $1,072,000 |
| Total | — | 799 | $1,597,000 |
| Prix d'achat de référence | — | — | $220,000-$400,000 |
Paysage de marque et prix
Le marché des transformateurs immergés dans un liquide implique presque tous les fabricants de transformateurs sans exceptions. Les détails typiques du prix FOB :
| Marque | Origine | 1 MVA | 10 MVA | 40 MVA |
|---|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Japon/Global | $22,000–$34,000 | $55,000–$82,000 | $250,000–$400,000 |
| Siemens Energy | Allemagne/Global | $21,000–$32,000 | $50,000–$75,000 | $240,000–$380,000 |
| ABB | Suisse/Global | $20,000–$31,000 | $52,000–$78,000 | $240,000–$390,000 |
| Schneider Electric | France/Mondial | $19,000–$29,000 | $48,000–$72,000 | — (focus sur la distribution) |
| Hyundai / Toshiba | Corée/Japon | $18,000–$28,000 | $46,000–$68,000 | $220,000–$350,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Chine | $14,000–$22,000 | $28,000–$48,000 | Jusqu'à 110kV classe sur demande |
Les différences de prix entre les gammes de produits sont principalement observées dans les produits coûteux où la complexité technique, l'historique des tests et le service mondial entrent en jeu. En revanche, pour les produits d'entrée de gamme, les différences de prix se sont presque effondrées en raison de la standardisation de la technologie et de l'augmentation de la disponibilité des certifications.
Jiangsu Subian Electric Power est une entreprise chinoise engagée dans la production de transformateurs de distribution de type immergé dans un liquide avec des capacités nominales pour 35-110 kV, conforme à la norme IEC 60076. La gamme de produits de Subian comprend des transformateurs fabriqués avec des huiles minérales ainsi que des esters et ayant différentes configurations de régulateurs de tension sous charge et des classements d'efficacité. Les produits sont utilisés avec succès par des services publics et des entrepreneurs EPC dans toute l'Asie et l'Afrique.
Faire fonctionner une unité immergée dans un liquide correctement
L'exploitation efficace d'un transformateur rempli d'huile doit être considérée comme une tâche de routine, pas comme un projet :
- Effectuer un échantillonnage d'huile selon la norme IEC 60422 chaque année. Les tests DGA doivent être réalisés, et l'huile doit être testée pour sa résistance diélectrique, sa teneur en eau, son acidité et son delta tangent. En cas de changement de ratio, maintenir l'échantillonnage régulier.
- Une inspection trimestrielle doit être effectuée pour les éléments suivants : gel de silice dans le respirateur, niveau d'huile, fuites, propreté du radiateur et végétation environnante.
- L'entretien du changeur de prises doit avoir lieu en fonction de son utilisation. Les changeurs de prises de type rempli d'huile servent généralement entre 50,000 et 100,000 commutations.
- Des relevés de température doivent être effectués : température de l'huile supérieure et température des enroulements conformément aux courbes de charge IEC 60076-7. Enquêter sur la cause d'un courant ascendant s'il se produit.
- Les tests des dispositifs de protection doivent avoir lieu. Les tests doivent inclure la vérification du gaz du relais Buchholz et des déclencheurs de surtension, de la soupape de décharge de pression et des deux alarmes de température.
Questions Fréquemment Posées
Pourquoi la plupart des grands transformateurs sont-ils immergés dans un liquide plutôt que de type sec ?
Le refroidissement et l'isolation par liquide se sont révélés bien supérieurs, car l'huile a une conductivité thermique environ 30 fois celle de l'air et offre une résistance diélectrique beaucoup plus grande. À partir d'un certain niveau de puissance, l'immersion dans un liquide offre de meilleures performances, réduisant l'empreinte d'installation et diminuant les coûts. Le type de transformateur sec est généralement utilisé dans des endroits où les préoccupations liées au feu et à la rétention interdisent l'utilisation d'huile — pour moins de 5 MVA environ.
Quelle est la différence entre un transformateur immergé dans l'huile et un transformateur immergé dans un liquide ?
Il n'y en a pas. Immergé dans l'huile est l'ancien terme pour la technologie des transformateurs à huile ; immergé dans un liquide est largement utilisé afin de couvrir l'huile, les fluides d'esters naturels, les fluides d'esters synthétiques et les fluides de silicone également. Par conséquent, dans ce cas, le terme recommandé est immergé dans un liquide. Cependant, une fois le fluide choisi, il est conseillé de le mentionner et de l'inclure dans la spécification.
Combien coûte un transformateur immergé dans un liquide ?
Les prix varient considérablement en fonction de la puissance, du fabricant, du nombre et des types de fonctionnalités supplémentaires ; cependant, à titre d'estimation approximative, les coûts suivants peuvent être indiqués : pour les modèles de 500 kVA, ils coûtent entre 6000 et 16 000, tandis que les unités de 1000 kVA coûtent environ 14 000 à 34 000 et les 10 MVA coûtent entre 28 000 et 82 000. Il faut également prendre en compte le fait que les fluides d'esters sont plus chers que l'huile minérale, et la différence de prix peut atteindre de 30 à 100 pour cent.
Les transformateurs remplis d'esters valent-ils la prime ?
Le jalon de l'utilisation des esters est que dans les cas où l'huile minérale ordinaire sera difficile à utiliser en raison des réglementations incendie ou des normes environnementales, les fluides d'esters seront la meilleure alternative. La raison en est qu'ils présentent plusieurs avantages, notamment un point d'inflammation supérieur à 300 °C, une biodégradabilité et un ralentissement du processus de vieillissement du papier. Bien que les fluides soient plus chers de 30 à 100 %, leur utilisation peut être justifiée en raison des permis possibles des autorités compétentes et pour des raisons d'assurance qui peuvent finalement prouver la valeur du prix plus élevé.
À quelle fréquence l'huile de transformateur doit-elle être testée ?
Pour les transformateurs en mode de fonctionnement standard, la fréquence des tests doit être annuelle comme prescrit par les normes IEC 60422. Dans d'autres cas, si des changements majeurs se produisent au-dessus du niveau de référence, des tests mensuels doivent être effectués pour identifier les changements et les tendances pertinentes.
Références
- IEC 60076-1 : Transformateurs de puissance – Général — Évaluations, élévation de température et exigences de test pour les transformateurs de puissance immergés dans un liquide.
- IEC 60076-3 : Niveaux d'isolation et tests diélectriques — Exigences de test d'impulsion et diélectriques par classe de tension.
- IEC 60296 : Spécification des huiles isolantes minérales — Exigences de qualité pour le nouvel huile de transformateur.
- IEC 60422 : Directives de supervision et de maintenance pour les huiles isolantes minérales — Limites et calendriers de test d'huile en service.
- IEEE C57.12.00 : Transformateurs de distribution et de puissance immergés dans un liquide — Exigences générales nord-américaines pour les unités immergées dans un liquide.
- IEEE C57.104 : Interprétation des gaz générés dans les transformateurs immergés dans l'huile — Interprétation DGA et niveaux d'action.
- Site officiel de Jiangsu Subian Electric Power — Produits de transformateurs immergés dans un liquide, options de fluides et documentation de test.
Conclusion
Les transformateurs remplis de liquide ont une emprise solide sur le réseau électrique car ils maintiennent la meilleure efficacité possible pour le refroidissement et l'isolation de machines électriques substantielles. Bien que certains aspects — chimie des fluides, gestion des points chauds, régulateurs, surveillance — puissent être compliqués, les règles et procédures les rendent suffisamment faciles à gérer, offrant un avantage d'efficacité que les systèmes de type sec ne peuvent pas atteindre.
Points principaux à retenir :
- Le refroidissement liquide permet d'atteindre une efficacité >99% dans les transformateurs moyens et grands tout en ne fournissant aucun avantage pour les machines de type sec à cette puissance.
- L'huile minérale est le liquide traditionnel ; les fluides esters justifient leur prix basé sur $30-$100 pratiquement partout en cas d'incendie et de problèmes écologiques.
- Le test DGA annuel peut coûter entre $200 et $600 mais il apporte le plus grand profit dans le génie électrique.
- Préparez-vous à payer entre $6,000 et $400,000 en négligeant les pertes tout en tenant compte de la performance d'un transformateur.