Les transformateurs à sec sont remplis d'huile pour réduire la surchauffe — Vrai ou Faux ?

Les auteurs remettent en question leurs propres affirmations. Leurs points de vue sur les transformateurs secs ne peuvent pas être justifiés. Comme ces types de transformateurs ne contiennent pas de liquide, le transformateur se compose de bobinages et d'un noyau soutenus par l'air ambiant. Les matériaux isolants utilisés dans le cas des transformateurs secs sont solides, c'est-à-dire des matériaux en époxy, des matériaux imprégnés de résine ou des bobinages imprégnés sous vide. Il y a une présence de liquides dans les transformateurs immergés dans l'huile et, par conséquent, les exigences de conception pour les transformateurs secs ne peuvent pas s'appliquer aux types de transformateurs immergés dans l'huile. En conséquence, l'affirmation principale de l'article est que le processus utilisé dans l'article n'est pas adapté au type d'équipement auquel il est appliqué.

En conclusion, le résultat est défavorable. Par conséquent, avec l'inclusion d'un système de refroidissement à base d'huile, un transformateur de type sec est transformé en un transformateur rempli de liquide. Le refroidissement est effectué par l'air, soit naturel (c'est-à-dire atmosphérique) soit mécanique (c'est-à-dire forcé). Selon la norme IEC 60076-11, il existe différents types d'isolation thermique (Classe A (105 °C), Classe E (120 °C), Classe B (130 °C), Classe F (155 °C), Classe H (180 °C), Classe N (200 °C) et Classe C (220 °C)) avec leurs limites dépendant des caractéristiques environnementales de la classe.

La Réclamation, et Pourquoi Elle Est Erronée

Le mot “ sec ” n'a rien à voir avec le langage marketing mais concerne les transformateurs dont les éléments de refroidissement et d'isolation ne sont pas liquides. L'IEC a publié l'IEC 60076 -11 relatif aux transformateurs secs et indiquant les unités capables de fonctionner à une puissance de 2500 kVA et une tension de 36 kV. Le terme “ sec ” utilisé ici n'implique rien de liquide.

La confusion à ce sujet découle du fait que les deux types de transformateurs peuvent sembler identiques en termes d'apparence, de localisation dans les sous-stations et partagent les mêmes fabricants. Les deux types de transformateurs sont capables de convertir l'énergie électrique d'une forme à une autre à travers le noyau en métal et les bobines en cuivre. Ce qui distingue les deux, c'est le fait que les transformateurs de puissance utilisent de l'huile, tandis que le transformateur sec utilise uniquement l'air comme moyen d'isolation et de refroidissement.

Les deux familles sont généralement comparées exactement sur les critères que ce mythe inverse, et où les transformateurs de type sec et immergés dans l'huile diffèrent réellement se résume au milieu de refroidissement, à la charge d'incendie, à l'empreinte, au régime de maintenance et à l'endroit où l'unité est autorisée à être installée — et non à celui qui contient de l'huile.

Ce qui Refroidit Réellement un Transformateur de Type Sec

L'air est principalement responsable de rendre les types secs inférieurs en termes d'augmentation maximale de température par rapport aux unités remplies d'huile ayant des capacités identiques.

• Performance thermique. La conductivité thermique de l'air est estimée à environ 0,026 W/m·K. D'autre part, la conductivité thermique de l'huile de transformateur est d'environ 0,12 W/m·K, ce qui signifie que l'huile a une performance thermique quatre ou cinq fois supérieure à celle de l'air. Ce chiffre unique éclaire les différences entre les groupes d'espèces.
• Méthodes de refroidissement. L'air naturel (AN) effectue le refroidissement uniquement par convection, tandis que l'air forcé (AF) nécessite l'installation de ventilateurs produisant une performance de refroidissement à court terme accrue. Une autre alternative, qui est un type hybride, est connue sous le nom d'ANAF et signifie refroidissement naturel de l'air à charge normale et refroidissement par l'utilisation de ventilateurs à pleine charge. Notez que l'installation de groupes de ventilateurs rend ce type plus bruyant et augmente l'entretien, ce qui doit être souligné lorsque quelqu'un déclare qu'il vise uniquement l'AF en raison de ses avantages supposés.
• Dégagement et circulation de l'air. La plupart des fabricants recommandent d'assurer un dégagement d'au moins 300 mm des murs pour le refroidissement naturel de l'air ou de réduire le dégagement minimum à environ 150 mm lors de l'utilisation du refroidissement par air forcé. Le chiffre ci-dessus doit être pris en compte lors de la planification de l'installation de l'équipement, car les recommandations des fabricants formulent des limitations claires.
• La propreté est cruciale pour l'efficacité du refroidissement, car la présence de poussière sur les enroulements et dans les passages de refroidissement peut entraîner des pertes d'efficacité atteignant 15-30%. C'est pourquoi les programmes d'entretien périodique des types secs prévoient un nettoyage régulier, tandis que les homologues remplis d'huile ne fournissent ni recommandations ni exigences.
• L'altitude et les paramètres environnementaux ont des effets néfastes sur le fonctionnement du refroidissement.

La méthode de refroidissement devient également la convention de nommage sur la fiche technique, et les unités de type humide utilisent les mêmes lettres différemment — la comparaison de la technologie de refroidissement entre les types de transformateurs, y compris les variantes à huile forcée, est présentée dans cet aperçu des méthodes de refroidissement des transformateurs, qui est une référence utile lorsqu'une spécification cite ONAN, ONAF ou OFAF et que vous devez savoir ce que les lettres engagent le fournisseur à respecter.

Classes d'isolation et limites d'élévation de température

C'est ici que la classification d'un transformateur de type sec devient pertinente, donc la précision est cruciale. Il n'y a pas d'huile pour aider à dissiper la chaleur, donc le système d'isolation solide doit résister aux températures qu'il est conçu pour supporter ; la norme IEC 60076-11 décrit à la fois la classe d'isolation et l'augmentation de température maximale autorisée par rapport à la température ambiante.

• Classe A (105 °C) — augmentation de température des enroulements de 60 K. Équipement plus ancien.
• Classe E (120 °C) — 75 K. Ce n'est pas très courant aujourd'hui.
• Classe B (130 °C) — 80 K. Souvent utilisé dans des applications générales.
• Classe F (155 °C) — 100 K. C'est ce qui est généralement utilisé pour les applications de distribution.
• Classe H (180 °C) — 125 K. Utilisé dans des conditions de fonctionnement plus exigeantes avec des charges plus élevées.
• Classe N (200 °C) — 135 K. Cette classe est utilisée dans des applications spéciales.
• Classe C (220 °C) — 150 K. Largement utilisé en Amérique du Nord dans les installations VPI de type sec ; à la température de 150 K, la température du point chaud à pleine charge dépasse 210 °C.

En comparaison, un transformateur immergé dans l'huile conforme aux normes IEC 60076-2 et ANSI avec une augmentation de température maximale de 65 K et une élévation moyenne de l'huile supérieure supposée ne pas dépasser 55 K maintient une température de point chaud de 78 °C au-dessus du niveau ambiant. L'huile n'est pas là pour refroidir le transformateur, mais plutôt pour atteindre une efficacité suffisamment élevée dans le processus d'évacuation de la chaleur et fournir une isolation diélectrique entre les enroulements principaux et les enroulements suivants.

Cela est important pour les affaires dans le contexte du vieillissement thermique. L'équation d'Arrhenius stipule que la durée de vie de l'isolation est réduite de moitié pour chaque augmentation de 10 °C de la température maintenue. Ainsi, un transformateur de type sec dépassant le point chaud de 20 °C perdrait non seulement une fraction de sa durée de vie, mais la majorité de celle-ci, avec son dysfonctionnement se manifestant dans la défaillance de l'isolation bien après la défaillance, plutôt que de donner des indications au préalable. C'est aussi pourquoi la construction des enroulements et le système d'isolation, et non l'enveloppe, décident de ce qu'un transformateur de type sec peut réellement supporter, et le détail au niveau des composants derrière cela est exploré dans ce qui se trouve à l'intérieur d'un transformateur de type sec et pourquoi chaque partie est importante.

Trois constructions, trois produits différents

Avec “type sec” n'étant pas une distinction autonome mais plutôt un concept global, nous pouvons voir que les trois principales variétés se comportent suffisamment différemment pour ne pas être utilisées de manière interchangeable.

• Résine de coulée. En termes simples, nous encapsulons les enroulements dans de la résine sous vide, formant un corps solide d'isolation, ayant de bonnes propriétés mécaniques et une grande résistance à l'eau, à la poussière et à l'agression chimique. La décharge partielle devient un problème majeur ici puisque la défaillance commence généralement dans les solides à cause des vides, et c'est la raison pour laquelle l'organisation IEC 60076-11 rend les tests de décharge partielle obligatoires. Cela est typique pour le réseau de distribution intérieur.
• Résine encapsulée et méthode VPI. Dans cette technique, au lieu de réaliser un enroulement en utilisant la méthode de coulée, nous l'imprégnons d'abord avec de la résine dans une chambre à vide haute pression, obtenant un système d'isolation robuste de classe H ou classe C avec une bonne tolérance aux surcharges. Cette méthode est devenue assez courante aux États-Unis, en particulier dans les travaux de modernisation.
• Type ouvert ou ventilé. Ici, l'enroulement est simplement enfermé dans un revêtement tout en s'appuyant sur le flux d'air et généralement une classe d'isolation plus élevée en général. Cette méthode n'est généralement pas très coûteuse et les niveaux de protection atteignent IP20 ou IP23.

La classification de l'enveloppe ne dépend pas des préférences des propriétaires, mais du type d'environnement dans lequel l'unité est utilisée : par exemple, la classification IP00 serait utilisée dans le cas d'enroulements ouverts placés dans une pièce spécialement désignée, IP20 serait utilisée dans le cas d'une installation à l'intérieur d'une pièce fermée. Un produit représentatif dans cet espace est le Transformateur de distribution à sec en résine coulée de la série SCB pour systèmes de 6 à 10 kV, où l'enroulement encapsulé dans l'époxy, la classe d'isolation spécifiée et le noyau à faibles pertes sont les paramètres qui déterminent l'adéquation plutôt que le chiffre kVA seul.

Où les types à sec sont utilisés, et pourquoi le mythe persiste

La raison pour laquelle les transformateurs à sec sont utilisés est la sécurité. L'absence de liquide implique qu'il n'y aura pas de fuites d'huile, pas de confinement bundé, pas de fosse de confinement d'huile, pas de charge d'incendie de centaines de litres de liquide en feu à l'intérieur du bâtiment, et pas de nécessité de tests d'huile périodiques. C'est ce qui permet de les utiliser à l'intérieur, près des zones de travail, dans des tunnels, sur des plateformes offshore, ainsi qu'à l'intérieur des centres de données.

Les exemples d'application incluent :

• Centres de données et installations informatiques, y compris salles de moyenne tension, isolateurs UPS et réductions PDU, endroits où il n'y a aucune chance de récupérer d'un incident de fuite d'huile.
• Hôpitaux, aéroports, centres commerciaux, immeubles de grande hauteur, etc. où, en raison des restrictions sur la stratégie incendie, il n'est pas possible d'utiliser des transformateurs remplis d'huile à proximité des personnes.
• Industrie des énergies renouvelables où les applications de nacelle, de tour ou d'onduleur pourraient être justifiées en raison de l'accès coûteux à la maintenance et du volume d'enveloppe limité.
• Usines industrielles et services publics où les conséquences d'une fuite d'huile pourraient être considérées comme dangereuses et où des mesures de sécurité seraient nécessaires.
• Sous-stations urbaines et souterraines où l'empreinte et le risque d'incendie sont des questions essentielles et où un transformateur à sec peut être utilisé là où un transformateur à huile nécessiterait une salle de protection incendie spécifiquement équipée avec une classification de résistance au feu.

Les projets réels dans cet espace sont généralement spécifiés selon la même logique, et une installation livrée donne une meilleure idée de cela qu'une fiche technique — par exemple, les transformateurs à sec fournis pour un projet d'alimentation électrique double au Pakistan montrent le schéma : alimentations doubles, installation intérieure, pas de confinement d'huile, et un schéma de protection construit autour du transformateur plutôt qu'autour du risque du transformateur lui-même.

Le mythe provient de trois sources.

• Produits synonymes. Presque tous les fabricants commercialisent les deux types, et les produits refroidis à l'huile occupent souvent la première place dans le catalogue car ils s'avèrent moins coûteux en utilisation. Ainsi, la personne feuilletant le catalogue verrait le terme huile et supposerait que tous les produits présentés avec lui sont des produits refroidis à l'huile.
• Confusion des termes réels. Des mots comme ONAN et ONAF décrivent des types de refroidissement, et les mêmes lettres sont présentes dans les transformateurs de type sec avec une signification différente. Par exemple, “ AN ” signifie air naturel dans le cas des transformateurs de type sec.
• La confusion est fonctionnelle et non cosmétique. Les transformateurs refroidis à l'huile fonctionnent effectivement mieux en termes de prévention de la surchauffe, ce qui rend la phrase “ l'huile prévient la surchauffe ” vraie si elle est appliquée à l'autre famille de transformateurs. L'erreur ici est le fait que cette affirmation est attribuée au mauvais type de transformateur.

Que vérifier avant d'acheter

Cinq facteurs contribuent de manière significative et tous devraient figurer sur la fiche technique plutôt que d'être discutés en détail lors des discussions commerciales.

• Classification de l'isolation et augmentation de la température. Les résultats de la classe F avec 100 K et de la classe H avec 125 K sont deux produits différents tout en possédant la même kVA. Assurez-vous de l'existence à la fois de la classe et du niveau d'augmentation de la température, et assurez-vous des conditions de température ambiante.
• Conditions de refroidissement et présence de ventilateurs. AN, AF ou ANAF sont inclus, ainsi que le niveau de bruit pour un appareil situé à proximité d'une zone occupée.
• Classification IP de l'enveloppe et son effet sur la puissance continue dans les installations sur site.
• Pertes et évaluation de l'efficacité. Les pertes à vide et les pertes en charge constituent le coût d'exploitation pendant toute la durée de son fonctionnement. Elles sont également soumises à des réglementations dans certains pays, comme par exemple, la norme GB/T 10228-2023 qui prévoit les définitions des classes d'efficacité en Chine, tandis que les réglementations ErP Tier 2 contrôlent la qualité des produits sur le marché européen.
• Exigences de certification. La norme IEC 60076-11 est une norme acceptée internationalement et la norme UL 1562 est une norme pour les transformateurs à sec à usage général et à puissance utilisés en Amérique du Nord.

Un mot important sur le prix : les transformateurs à sec sont généralement plus chers que les transformateurs à huile du même type et la raison en est. Ce n'est pas attribué à de meilleures performances de ces unités mais leur prix est dû au fait qu'ils n'utilisent pas d'huile. En général, ils sont beaucoup moins chers pendant toute la période d'installation et plus chers à l'étape initiale.

Questions Fréquemment Posées

Les transformateurs à sec sont-ils remplis d'huile ?

Non. Il n'y a pas de milieux liquides dans les transformateurs à sec à des fins de refroidissement ou d'isolation. Au lieu de cela, les transformateurs à sec s'appuient sur l'air pour le refroidissement soit par refroidissement naturel comme dans les transformateurs de type AN, soit artificiel comme dans les transformateurs de type AF. Ils utilisent également des matériaux d'isolation solides tels que l'isolation en résine époxy coulée ou les enroulements imprégnés de résine. La norme IEC 60076-11 traite des transformateurs à sec, qui est valable pour les transformateurs de puissance de 2500 kVA et de tension de 36 kV.

Pourquoi les transformateurs à sec ont-ils des limites d'augmentation de température inférieures à celles des transformateurs immergés dans l'huile ?

L'air est connu pour être un conducteur de chaleur beaucoup moins efficace par rapport à l'huile. Avec une conductivité thermique de 0,026 W/m·K pour l'air contre environ 0,12 W/m·K pour l'huile isolante, le transformateur à sec n'est pas capable d'évacuer rapidement l'excès de chaleur des enroulements. Afin que l'isolation reste suffisamment bonne pendant toute la période d'utilisation de 30 ans, il est nécessaire que la température des enroulements ne monte pas trop rapidement—60 K dans le cas de l'isolation de classe A et 150 K de l'isolation de classe C, qui sont spécifiées dans la norme IEC 60076-11. Avec le transformateur à huile, il a été observé que la température des enroulements augmentait de 65 K tandis que la température de l'huile augmentait de 55 K.

Comment un transformateur à sec se refroidit-il sans huile ?

Le transfert de puissance se produit par trois formes. La transmission de la bobine à l'isolation solide peut se faire par conduction, du boîtier à l'air ambiant par convection, et par radiation depuis le boîtier. La convection naturelle (AN) est suffisante pour presque toutes les applications où il y a suffisamment d'espace pour que ce processus se déroule à environ 300 mm de tout mur ou 150 mm lorsque le refroidissement forcé est utilisé. Pour répondre aux exigences de capacité accrues tout en conservant la même taille de base de l'unité, des ventilateurs sont soit installés (AF), soit installés sous condition de leur fonctionnement uniquement lorsque cela est nécessaire (ANAF). En termes d'entretien, la couverture de poussière des bobines et des canaux de refroidissement diminuerait l'efficacité des systèmes de 15-30%.

Lequel est meilleur, un transformateur à sec ou un transformateur immergé dans l'huile ?

Aucun des types de transformateurs n'est généralement préféré ; au contraire, ils sont fabriqués pour différentes applications. Si la sécurité incendie, l'installation à l'intérieur, la proximité des personnes, la sécurité écologique et la maintenance difficile empêchent son utilisation (comme dans les centres de données, les hôpitaux, les grands bâtiments, les tunnels, les sous-stations offshore et urbaines), le transformateur à sec doit être utilisé. Le transformateur rempli d'huile doit être sélectionné si le faible coût par kVA, le fonctionnement à haute température, l'installation extérieure dans une zone de rétention, ou la facilité d'entretien de l'huile sont nécessaires, ce qui est généralement requis pour de grandes installations de distribution et de transmission en extérieur. Les types de transformateurs ne sont pas mutuellement exclusifs ; en fait, il est courant qu'un site utilise des transformateurs à huile aux sous-stations d'entrée et des transformateurs à sec dans ses stations de distribution.

Références

1. Commission électrotechnique internationale — IEC 60076-11, transformateurs de puissance à sec
2. UL Standards & Engagement — UL 1562, Transformateurs, Distribution, Type sec
3. NFPA 70, Code électrique national — Article 450, transformateurs et voûtes de transformateurs
4. Schneider Electric — documentation sur l'application et la sélection des transformateurs à sec
5. Siemens — matériel de référence sur la technologie des transformateurs et les méthodes de refroidissement

Conclusion

Les transformateurs à sec ont des principes de construction différents de ceux des transformateurs traditionnels car ils fonctionnent sans huile comme isolation. Bien que les transformateurs à sec perdent une partie de leur résistance thermique et n'utilisent aucun fluide de combustion comme matériaux isolants, ces transformateurs peuvent être installés dans des lieux tels que des centres de données, des hôpitaux, des tunnels et des sous-sols sans besoin de gestion des déversements, de services de lutte contre les incendies ou de surveillance de l'huile. Le problème de compréhension du transformateur à sec est dû au principe de fonctionnement similaire des transformateurs remplis d'huile et des transformateurs à sec et à l'existence du même vocabulaire pour les deux. Les instructions relatives à ce type de transformateur fournissent des informations suffisantes sur le système d'isolation, l'élévation de température et les différentes méthodes de refroidissement.