À la mi-juillet, un ingénieur de sous-station se tient dans la cour des transformateurs d'une ville portuaire du Moyen-Orient, chaude et poussiéreuse, surveillant un signal alarmant sur l'écran. La température des enroulements a atteint 118ºC et continue d'augmenter sur un transformateur avec une élévation de température de 65 K et une capacité de 50 MVA. Cela fait moins de deux ans depuis l'installation et le transformateur a été soumis à une forte charge pendant un été implacablement chaud et record. Il semble que le système de refroidissement à huile naturelle du transformateur ne parvienne pas à éliminer la chaleur du réservoir du transformateur. L'ingénieur est confronté au dilemme que tout propriétaire de grand transformateur doit résoudre un jour : il pourrait soit moderniser le système de refroidissement du transformateur, soit le déclasser, soit se préparer à une durée de vie plus courte de l'unité. Il convient de noter que le refroidissement n'est pas un simple problème de maintenance. C'est une considération d'ingénierie déterminant la capacité du réservoir du transformateur et la durée de vie de l'isolation électrique.
L'article présente toutes les technologies de refroidissement de transformateurs disponibles, y compris le refroidissement ONAN, le refroidissement ONAF, le refroidissement OFAF, le refroidissement ODWF, et de nouvelles solutions telles que les solutions de modernisation par air et par tube calorifique.
En résumé : Les méthodes de refroidissement pour les transformateurs sont définies par les codes à quatre lettres de la norme IEC : ONAN, ONAF, OFAF, OFWF et ODWF. La limite thermique est déterminée par l'augmentation moyenne maximale de la température des enroulements, généralement de 65 K pour les transformateurs immergés dans l'huile selon la norme IEC 60076-2 et IEEE C57.12.00. L'installation de ventilateurs à air forcé dans un transformateur ONAN donne généralement une augmentation de capacité continue d'environ 20-33% ; l'application complète du refroidissement à huile forcé peut augmenter l'approvisionnement en électricité de 40-50% par rapport à un appareil auto-refroidi.
Pourquoi le refroidissement détermine la sortie du transformateur
Les transformateurs transforment l'énergie électrique très efficacement, mais même les 1 à 3 % de puissance qui se transforment en chaleur impliquent une énorme perte. Par exemple, un transformateur d'une capacité de 50 MVA fonctionnant avec une efficacité de 99 % a une perte de chaleur d'environ 500 kW en continu, ce qui suffit à chauffer une petite maison. La chaleur générée n'a qu'un seul chemin à suivre : c'est à travers le système d'isolation vers l'huile ou l'air, puis vers le mur et les radiateurs du réservoir, puis enfin vers l'eau ou l'air environnant. Ce processus d'élimination de la chaleur donne une limite supérieure à la performance continue du transformateur mesurée en kVA.
La chaleur est un ennemi des transformateurs. La principale cause du vieillissement de l'isolation suit le principe d'Arrhenius : chaque augmentation de la température de 6-10 K au-dessus de la température de point chaud attendue réduit de moitié la durée de vie attendue de l'isolation. Un transformateur conçu pour une élévation de température moyenne de 65 K et fonctionnant à 80 K non seulement verra ses performances se dégrader considérablement, mais consommera également sa durée de vie de conception très rapidement, lui faisant perdre des années de vie chaque mois.
Décodage du code de refroidissement et principales méthodes de refroidissement
Le processus de refroidissement est identifié selon la nomenclature standard à quatre lettres définie dans la norme IEC 60076-2 et IEEE C57.12.00 : la première lettre indique le milieu extrêmement important qui entre en contact avec les enroulements (o = huile, k = liquide avec un point d'éclair supérieur à 300°, a = air), la deuxième lettre nous informe sur la manière dont ce milieu est circulé (n = naturellement, f = circulation forcée artificiellement, d = circulation dirigée), la troisième lettre fait référence au milieu avec lequel l'appareil interagit (a = air, w = eau) et la dernière lettre se réfère à la manière dont la circulation est effectuée (n = naturellement, f = artificiellement).
| Code de refroidissement | Comment ça fonctionne | Augmentation de puissance typique vs. ONAN | Taille typique du transformateur |
|---|---|---|---|
| ONAN | L'huile circule par convection naturelle ; la chaleur se dissipe dans l'air stagnant | Référence | Jusqu'à ~5 MVA (étape unique) ; les grandes unités sont classées ONAN à charge réduite |
| ONAF | Ajoute des ventilateurs de radiateur ; air soufflé à travers les surfaces de refroidissement | +20 à +33% | 5-100 MVA |
| OFAF | Les pompes à huile forcent la circulation ; les ventilateurs forcent l'air sur les radiateurs | +40 à +50% | 50-300 MVA |
| OFWF | Huile pompée à travers un échangeur de chaleur refroidi par eau | +40 à +50%, empreinte compacte | Grandes unités où l'eau est disponible |
| ODWF / ODAN / ODAF | Flux d'huile dirigé à travers les canaux d'enroulement ; ventilateurs ou eau à l'extérieur | Jusqu'à +60% sur le design dirigé | 100 MVA et plus |
Les classifications multi-étapes sont couramment utilisées lors de l'achat de transformateurs de puissance, par exemple ONAN/ONAF/ONAF ou la combinaison de ONAN/ONAF/ONAF/ONAF, et permettent aux opérateurs d'activer les ventilateurs à mesure que la charge augmente. Par exemple, un transformateur d'une puissance de 60 MVA peut être classé à 40 MVA en tant qu'ONAN, à 50 MVA en tant qu'ONAF, et à 60 MVA, avec tous les ventilateurs actifs. Les ventilateurs utilisés sont généralement des ventilateurs axiaux consommant de 0,75 kW à 3 kW de puissance, un montant négligeable compte tenu des charges qu'ils soutiennent, s'élevant à plusieurs centaines à des milliers de dollars par installation, ventilateur inclus.
ONAN vs. ONAF vs. OFAF vs. ODWF
| Caractéristique | ONAN | ONAF | OFAF | ODWF |
|---|---|---|---|---|
| Pièces mobiles | Aucun | Ventilateurs uniquement | Pompes + ventilateurs | Pompes + système d'eau |
| Plage de puissance typique | Jusqu'à 5-10 MVA | 5-100 MVA | 50-300 MVA | 100 MVA et plus |
| Coût par MVA | Le plus bas | Modéré | Plus élevé | Le plus élevé |
| Fiabilité / maintenance | La plus élevée ; rien à échouer | Les moteurs des ventilateurs nécessitent une attention | Joints et moteurs de pompe ajoutés | Risque de fuites d'eau et de contamination |
| Empreinte | Grands bancs de radiateurs | Radiateurs compacts + ventilateurs | Compact avec pompes | Le plus compact |
| Bruit | Le plus bas | Bruit des ventilateurs | Bruit de la pompe + ventilateur | Bruit de la pompe + eau |
Il est simple de comprendre les compromis d'ingénierie ici : chaque étape de refroidissement forcé supplémentaire fournit des MVA supplémentaires par unité de volume de réservoir, mais entraîne l'ajout d'équipements susceptibles de tomber en panne, de consommer de l'énergie ou de produire du bruit. ONAN reste l'option la plus courante, car elle n'a pas de modes de défaillance autres que le transformateur, tandis qu'ONAF est l'option par défaut en raison de ventilateurs abordables, testés et facilement rétrofitables ; OFAF et ODWF ne sont utilisés que pour les grands transformateurs, lorsque les réservoirs et la densité de chaleur ne laissent pas d'autre option.
Classes et limites d'augmentation de température
| Paramètre | Valeur typique IEC 60076-2 | IEEE C57.12.00 Valeur Typique |
|---|---|---|
| Élévation moyenne maximale des enroulements (immergés dans l'huile) | 65 K | 55 K (OA), 65 K (FA) |
| Élévation maximale des points chauds des enroulements | 78 K (point chaud à 85°C, 7 K de tolérance ambiante) | 80 K |
| Élévation maximale de l'huile supérieure | 60 K | 55-65 K par classe |
| Température ambiante de conception | Moyenne 30°C, max 40°C | Moyenne 30°C, max 40°C |
| Limite de température maximale des points chauds | 98°C (enroulement), 105°C (huile) | 110°C en continu |
Ces chiffres font partie d'un accord ou d'un contrat avec un format. Si un transformateur ne réussit pas le test d'évaluation de l'élévation de température à l'usine, alors il n'a pas respecté les conditions de la spécification et la certification doit inclure l'élévation de température mesurée. Lorsque l'altitude est prise en compte (1 000 m ou plus) ou une température ambiante élevée (plus ou moins 40 degrés Celsius), alors les facteurs doivent être vérifiés dans la norme IEC 60076-2, la raison étant que les appareils devront être déclassés dans un climat plus chaud et seront donc différents des appareils qui seront utilisés dans un climat modéré.
Afin de comprendre comment les différentes étapes de refroidissement influencent le processus | le même transformateur de 25 MVA a été considéré avec différentes conditions et processus, afin que l'on puisse réaliser la particularité lorsque les fournisseurs fournissent des offres irréalistes :
| Mode de Refroidissement | Puissance Continue (25 MVA Réservoir) | Élévation à 25°C Ambiant | Élévation à 40°C Ambiant | Déclassement Nécessaire à 40°C |
|---|---|---|---|---|
| ONAN (naturel) | ~15 MVA | 52 K huile supérieure | 67 K huile supérieure | ~12% |
| ONAF (ventilateurs en marche) | ~20 MVA | 48 K huile supérieure | 63 K huile supérieure | ~8% |
| OFAF (pompes + ventilateurs) | ~25 MVA | 44 K huile supérieure | 59 K huile supérieure | ~5% |
| ODWF (direct + eau) | ~30 MVA | 40 K huile supérieure | 55 K huile supérieure | ~5% |
Rénovation et Augmentation des Unités Existantes
La conversion d'ONAN à ONAF est souvent la méthode de mise à niveau préférée car elle est généralement moins coûteuse que l'achat d'un transformateur plus grand.
Vérifiez la conception thermique. Obtenez la confirmation du fabricant sur la capacité des radiateurs et des points chauds dans les enroulements à supporter la chaleur supplémentaire. Certains réservoirs nécessiteront une surface de radiateur supplémentaire même avec l'installation de ventilateurs.
- Installer un banc de ventilateurs. Le coût sera généralement compris entre $1500 et $8000 et inclura 2 à 6 ventilateurs axiaux, des protections, des cadres de montage, du câblage en plus des contacteurs, tandis que l'installation nécessitera 2 à 4 jours d'arrêt.
- Équiper d'un commutateur à température contrôlée. Les ventilateurs doivent commencer à fonctionner à partir d'un signal de température de l'huile supérieure tout en s'éteignant automatiquement en fonction d'un minuteur ou d'une chute de température afin d'éviter un fonctionnement cyclique rapide.
- Mettre à jour la plaque signalétique et la protection. La nouvelle puissance combinée doit être incluse dans les réglages des relais ainsi que dans les dossiers de maintenance.
- Mettre en service avec un test de fonctionnement thermique. Il serait conseillé de répéter le test d'élévation de température à la nouvelle puissance afin de s'assurer que l'élévation des enroulements de 65 K est respectée.
Aller au-delà de l'ONAF et utiliser la circulation d'huile forcée nécessite plus d'efforts, car cela implique l'ajout de pompes à huile et la modification de la plomberie du réservoir. Cette option est envisagée pour les transformateurs dépassant 30 MVA. Les conversions refroidies à l'eau (OFWF) pourraient être possibles, mais en réalité, elles n'apportent pas tant d'avantages car elles sont liées au risque de fuites.
Refroidissement des transformateurs à sec
Les transformateurs à sec se caractérisent par leur utilisation de l'air pour le refroidissement et leur conformité à des codes particuliers qui incluent AN (Air Naturel) ou AF (Air Forcé). En termes d'évacuation de chaleur, les transformateurs à sec n'incluent pas d'huile, et s'appuient donc sur la surface de leurs enroulements encapsulés ou enroulés. La capacité des transformateurs à sec est relativement plus petite que celle des modèles remplis d'huile. Par exemple, les transformateurs en résine coulé typiques peuvent atteindre une capacité maximale allant jusqu'à 3-10 MVA. Les transformateurs à sec peuvent être classés en deux classes d'élévation de température selon la norme IEC 60076-11 : Classe F (qui augmente de 100K pour atteindre une température de 155°C) et Classe H (qui augmente de 125K pour atteindre une température de 180°C).
La mise en œuvre du refroidissement par air forcé ajoute quelques centaines de dollars pour le ventilateur et augmente la capacité nominale du transformateur d'environ 25 à 30%. L'avantage clé des transformateurs à sec est l'absence d'huile dans le processus d'exploitation. Cependant, l'utilisation de l'air comme moyen de refroidissement pose également certains inconvénients, tels que la nécessité d'une ventilation adéquate et un système coûteux pour la gestion de la poussière.
Quelle méthode de refroidissement pour quelle application
- Transformateurs de distribution de plus de 2,5 MVA – Dans ce cas, ONAN est la méthode standard utilisée pour la plupart des applications. Elle peut être utilisée, cependant, dans un cas où il y a une présence de charge industrielle à pics, permettant l'utilisation de l'ONAF.
- Transformateurs de puissance – À ce stade, la méthode ONAN pourrait être utilisée avec certains ventilateurs pour fournir un environnement de refroidissement approprié.
- Les grands transformateurs de puissance (plus de 100 MVA) sont de type OFAF, donc des pompes à huile et des systèmes de circulation forcée sont utilisés pour ces dispositifs.
- DISTRICT OFFSHORE ET LIEUX ENCOMBRÉS – Un type OFWF devrait être préféré lorsqu'il y a des ressources en eau, réduisant la taille du système.
- Les bâtiments commerciaux intérieurs traitent des unités de type sec tout en utilisant les méthodes AN et AF, car l'huile et le code de sécurité incendie intérieur ne vont pas bien ensemble.
- Les climats chauds et les bases en haute altitude nécessitent la mise en œuvre d'un niveau de refroidissement supplémentaire et/ou d'une réduction de puissance car l'air ambiant n'est pas capable d'absorber beaucoup de chaleur.
Marques et comparaison des prix
| Marque | Origine | Technologies de refroidissement proposées | Plage de prix approximative (1 MVA ONAN) |
|---|---|---|---|
| ABB | Suisse/Suède | Gamme complète, expérience ODWF et flux dirigé | $10,000-$25,000 |
| Siemens | Allemagne | Grandes unités de puissance, ONAF/OFAF en plusieurs étapes | $11,000-$28,000 |
| Hitachi Energy | Suisse | Transformateurs de puissance avec refroidissement avancé | $12,000-$30,000 |
| Schneider Electric | France | Unités de distribution et de type sec AF | $9,000-$22,000 |
| Eaton / GE | États-Unis | Distribution ONAN/ONAF | $7,000-$18,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Chine | ONAN, ONAF, classifications en plusieurs étapes, type sec AN/AF | $5,000-$14,000 |
Les leaders du marché tels qu'ABB, Siemens, Hitachi Energy et Schneider Electric sont les acteurs déterminants de l'industrie des transformateurs de puissance à grande échelle avec leurs conceptions ODWF/OFAF qui sont utilisées comme références dans l'industrie. Notamment, des fabricants tels que Jiangsu Subian Electric Power sont connus pour leurs unités ONAN et ONAF en plusieurs étapes conçues pour les classes plus petites de 0,5 à 10 MVA qui intéressent la plupart des clients. Leurs unités ont été testées conformément à la norme IEC 60076-2, et elles reçoivent des certificats vérifiant que les laboratoires de montée en température peuvent mesurer la montée en température de leurs transformateurs. Subian expédie ses produits dans le monde entier ; elle peut produire des réservoirs et des radiateurs selon les spécifications des clients à des prix qui sont de 40 à 60% inférieurs aux prix proposés par ses concurrents européens. Les clients qui ont besoin de rétrofit de banc de ventilateurs devraient vérifier avec Subian les spécifications techniques pour la technologie de surface des radiateurs et les choix de pompes, car lorsque la température ambiante atteint 40 degrés Celsius, ces spécifications sont plus importantes que le prix.
Comment choisir la bonne méthode de refroidissement
- La première chose est de définir le type de profil de charge. Un profil de charge avec utilisation constante a un besoin de refroidissement plus élevé qu'un profil de charge avec utilisation variable. Par conséquent, une étape de refroidissement peut être optimisée pour faire fonctionner les ventilateurs seuls pendant les heures de pointe de l'après-midi.
- Ensuite, vous devez considérer les effets de l'ambiance. Si votre ambiance est supérieure à 40 degrés Celsius ou si vous êtes situé à une altitude de plus de 1000 mètres, vous devrez réduire la puissance selon la norme IEC 60076-2 ou fournir une étape de refroidissement supplémentaire.
- Assurez-vous de prendre en compte les exigences d'espace de l'équipement. Les batteries de radiateurs nécessitent de l'espace dans la cour, mais les technologies OFWF et ODWF réduisent la taille de l'emprise au prix des systèmes d'eau.
- La fiabilité est d'une grande importance. Pour les infrastructures critiques, les étapes ONAN et les ventilateurs simples doivent être privilégiés par rapport aux pompes chaque fois que cela est possible, tant que la puissance le permet.
- Soyez conscient du coût total de possession. Les moteurs et les pompes consomment de l'énergie et nécessitent un entretien. Un grand réservoir ONAN peut avoir un coût inférieur à celui d'un moteur refroidi par air forcé simple.
- N'oubliez pas de demander un test d'élévation de température avec des augmentations de 65 K (ou désirées) des enroulements attestées par le certificat de test plutôt que supposées.
Entretien et Surveillance
La défaillance des systèmes de refroidissement se produit en silence et est généralement indiquée par une alarme déclenchée par la chute de température. Dans une pratique de refroidissement saine, un certain nombre d'inspections des pièces défectueuses telles que les pales de ventilateur, les moteurs de ventilateur, les grilles de ventilateur, etc. sont incluses. En plus d'un contrôle mensuel de toutes les pièces mentionnées, un contrôle trimestriel des joints de pompe et des indicateurs de flux d'huile doit être effectué. Avec une thermographie annuelle des batteries de radiateurs, il est également nécessaire de réaliser un test écrit du démarrage automatique du ventilateur contrôlé par interrupteur de température. En ce qui concerne les grands panneaux de refroidissement, la section de température des enroulements et le DGA doivent être analysés ensemble ; s'il y a une élévation d'un point chaud sans dysfonctionnement du ventilateur, cela indique un problème au sein d'une pièce interne de l'unité de refroidissement.
La quantité d'huile dans le conservateur doit correspondre à la conception de refroidissement. L'apparition d'un faible niveau d'huile peut conduire à une situation où la cavitation se produit et cela peut être d'un grand danger par rapport à la surchauffe.
Questions Fréquemment Posées
Que signifient ONAN et ONAF sur une plaque signalétique de transformateur ?
Ce sont des désignations liées au refroidissement selon la norme IEC 60076-2. ONAN signifie huile naturelle et air naturel, ce qui signifie la conception standard auto-refroidie. La désignation ONAF inclut les ventilateurs de radiateur qui aident à refroidir le transformateur, et donc la désignation ONAF désigne la capacité d'opération accrue, qui est de 20% à 33% supérieure à celle de la conception auto-refroidie. Pour cette raison, les transformateurs ONAN/ONAF sont classés deux fois.
Combien cela coûte-t-il d'ajouter un refroidissement par air forcé à un transformateur ?
La modernisation d'un ONAF sur un transformateur de classe distribution coûte entre 1500 et 8000 dollars, car elle implique généralement l'installation de 2 à 6 ventilateurs, ainsi que l'installation des grilles, des contacteurs et des interrupteurs de contrôle de température. L'utilisation d'air forcé aide à augmenter la capacité du transformateur d'au moins 20 à 33.
Puis-je surcharger un transformateur si j'allume les ventilateurs ?
Les surcharges ne sont autorisées que jusqu'à la puissance nominale ONAF et seulement si la température de l'air et l'altitude sont dans les limites prescrites dans le concept. L'augmentation réelle de la température est une exigence ; ainsi, en cas d'augmentation de la température moyenne supérieure à 65K, la durée de vie de l'isolation sera réduite.
Quelle est la différence entre le refroidissement OFAF et ODWF ?
La différence réside dans le fait qu'en OFAF, l'huile est circulée à travers le radiateur tandis qu'en OFDA, l'huile est pompée dans les canaux de refroidissement des enroulements par le biais d'un flux d'eau à travers l'échangeur de chaleur.
L'altitude a-t-elle vraiment un impact sur le refroidissement des transformateurs ?
En effet, c'est le cas. Au-dessus de 1000 mètres, la densité de l'air diminue, ce qui rend le refroidissement très inefficace.
Références
- IEC 60076-1 — Transformateurs de puissance, Exigences générales — Spécification maître pour les classifications et les pertes.
- IEC 60076-2 — Transformateurs de puissance, élévation de température — La norme qui définit les codes de refroidissement et les limites d'élévation de température.
- IEEE C57.12.00 — Exigences générales pour les transformateurs immergés dans un liquide — Code de refroidissement nord-américain et référence de base pour l'élévation de température.
- IEC 60076-11 — Transformateurs à sec — Classes thermiques pour les unités refroidies à air.
- Hitachi Energy — Produits de Transformateurs — Référence pour les classifications de refroidissement par étapes sur les grands transformateurs de puissance.
- Transformateurs ABB — Référence de l'industrie pour les options de technologie de refroidissement et les fiches techniques.
- Transformateurs Siemens Energy — Documentation sur le refroidissement et l'augmentation de capacité pour les transformateurs de puissance.
Conclusion
Les refroidissements des transformateurs agissent comme des facteurs décisifs importants déterminant la puissance et la durée de vie du transformateur. Chaque fois que l'on lit le code de 4 lettres pour le refroidissement, on comprend les spécifications de l'élévation de température et on fait un choix entre le refroidissement naturel, le refroidissement forcé ou l'ajout d'un ventilateur aux systèmes de refroidissement existants, toutes ces informations ont une utilisation pratique en ingénierie.
- ONAN est la norme de base ; ONAF représente une amélioration et consiste en 20-33% par rapport à l'ONAN avec des coûts supplémentaires de rétrofit allant de $1,500 à $8,000.
- OFAF et ODWF sont utilisés pour les transformateurs de grande taille en raison des densités de chaleur.
- La température devra être prouvée par le test et certifiée avec l'élévation de température des enroulements de 65 K.
- En cas de haute altitude ou de températures élevées, les transformateurs devront être déclassés ou le refroidissement devra être renforcé.