Lors de l'exécution d'une opération minière en Australie occidentale, l'ingénieur électricien a rencontré un problème pour fournir à l'usine de concassage éloignée une alimentation électrique appropriée. L'équipement sur site nécessitait une alimentation triphasée de 415 V pour alimenter les moteurs du concasseur, une alimentation monophasée de 240 V pour l'éclairage et les commodités, ainsi qu'un point neutre suffisamment fiable pour le système de protection contre les défauts à la terre. Au total, trois transformateurs – abaisseur, auxiliaire et de mise à la terre – représenteraient la solution en termes de performance électrique, mais la zone d'opération éloignée, la limitation d'espace sur un skid, ainsi que le coût élevé de transport et d'installation des transformateurs séparés ne permettaient pas d'utiliser une solution à trois transformateurs. La solution établie était d'utiliser un transformateur de conception combinée qui permettait d'intégrer les fonctions de transformation de tension et d'alimentation auxiliaire. Les transformateurs de conception combinée sont arrivés sur le site en un seul envoi, ont pris une journée pour l'installation, et ont fonctionné sans faille pendant six ans. La question de savoir comment choisir le transformateur combiné du type requis représente la quête d'un transformateur multifonction capable d'exécuter les fonctions qui devraient autrement être remplies séparément plutôt que d'être en mesure de comprendre les types de transformateurs combinés disponibles sur le marché et leurs applications, ce qui doit être pris en compte lors du choix.
Un transformateur combiné est un transformateur qui exécute deux ou plusieurs fonctions électriques simultanément qui nécessiteraient autrement deux transformateurs. Les types de transformateurs combinés les plus couramment utilisés incluent le transformateur de mise à la terre étoile-delta, le transformateur à enroulements doubles, le transformateur à trois enroulements, le transformateur monté sur socle. .
L'avantage de l'utilisation de transformateurs combinés réside dans la réduction de l'empreinte de l'équipement, ce qui conduit à une simplification de l'installation et à un nombre réduit d'interconnexions et à un coût inférieur par rapport au nombre de transformateurs. L'inconvénient du transformateur combiné est le fait que si un transformateur tombe en panne, toutes ses fonctions seront hors service et qu'il sera plus compliqué d'apporter des modifications et des extensions dans le transformateur combiné que pour les unités séparées. La clé d'une spécification réussie est que toutes les fonctions du transformateur doivent être spécifiées avec précision, et qu'une certaine configuration choisie doit correspondre aux exigences, accompagnée de tests de type réalisés par un fabricant.
Ce qu'est un transformateur combiné — et pourquoi il est spécifié.
Un transformateur combiné est un transformateur qui combine deux ou plusieurs fonctions électriques en une seule unité : reproduction de la tension, mise à la terre, alimentation auxiliaire, protection des circuits et mesure. Il n'est pas traité comme une catégorie de produit avec un ensemble standard de spécifications. C'est une approche de conception qui évite d'installer trois transformateurs, chacun ayant son propre équipement, noyau, bushing, protection propre et câblage. Au lieu de cela, les ingénieurs peuvent avoir un transformateur avec toutes les fonctions non transformantes de tension bien adaptées. La configuration la plus simple et la plus populaire des transformateurs combinés utilisés dans l'industrie dans les applications de deux et de services publics est un transformateur de mise à la terre wye-delta avec un circuit secondaire supplémentaire. L'enroulement primaire connecté en étoile de ce transformateur a un point neutre pour mettre à la terre le circuit en fonction du type de mise à la terre. Les enroulements secondaires connectés en delta garantissent que l'alimentation auxiliaire triphasée est fournie aux charges de service de la station, par exemple pour l'éclairage, et d'autres moyens d'assurer le contrôle du fonctionnement du réseau électrique. Le transformateur combiné fonctionne maintenant comme un transformateur de mise à la terre et un transformateur d'alimentation auxiliaire, éliminant le besoin d'utiliser deux transformateurs supplémentaires. Pour les ingénieurs, l'utilisation de ces types présente l'avantage d'assurer une réduction de la surface des sous-stations ou des installations de pompage ou de compression ou des unités distantes. Tout cela contribue à réduire l'utilisation des fondations et des conduits nécessaires, ainsi qu'à minimiser le nombre de dispositifs de sécurité et à faciliter le schéma de protection sans les augmentations majeures des coûts totaux des équipements allant jusqu'à 20%–30% par rapport à l'option d'achat de deux transformateurs séparément.
D'autres configurations de transformateurs combinés utilisées, autres que le transformateur à enroulement double avec un OLTC intégré qui peut être utilisé si la tension primaire change, étant une bonne solution pour les longues lignes électriques, régulant donc automatiquement la tension ; le transformateur à trois enroulements, sauf qu'il a un enroulement primaire et deux enroulements secondaires à différents niveaux de tension, fournit l'alimentation de deux ensembles de charges indépendants à travers le transformateur sans s'affecter mutuellement ; le transformateur monté sur socle avec appareillage de commutation et mesure intégrés est utilisé pour construire les stations de distribution souterraines standard dans les zones résidentielles. Pour un aperçu de l'ensemble de la gamme de types et de configurations de transformateurs disponibles pour ces applications et d'autres, consultez le catalogue de produits à Subian Électrique, qui comprend des transformateurs combinés, des transformateurs de mise à la terre, des transformateurs de distribution et des transformateurs de puissance spécialisés.
Comment spécifier la tension, le kVA et les exigences de mise à la terre pour un transformateur combiné
Spécifier un transformateur combiné correctement nécessite que l'acheteur définisse chaque fonction électrique que le transformateur doit exécuter, et fournisse au fabricant les valeurs spécifiques — les tensions, les puissances en kVA, l'impédance, la méthode de mise à la terre, l'élévation de température, et la norme applicable — pour chaque fonction. Les paramètres clés qui doivent être inclus dans la spécification sont résumés dans le tableau ci-dessous pour la configuration de transformateur combiné la plus courante : le transformateur de mise à la terre en étoile-delta avec un secondaire de puissance auxiliaire.
| Paramètre | Ce qu'il définit | Comment le spécifier |
|---|---|---|
| Tension du système primaire | La tension ligne à ligne du système auquel l'enroulement primaire du transformateur sera connecté. Cela détermine la classe de tension du transformateur, sa cote BIL, et le niveau d'isolation des enroulements primaires et des bushing. | Indiquez la tension nominale du système et la tension maximale du système. Pour un système de 4 160 volts, spécifiez “ 4 160 V nominal, 4 800 V maximum. ” La BIL doit être spécifiée en fonction de l'environnement de surtension dû à la foudre et aux manœuvres du système — typiquement 60 kV BIL pour un système de 4 160 volts, 95 kV BIL pour un système de 13 800 volts. |
| kVA de mise à la terre et courant neutre | La capacité thermique de l'enroulement de mise à la terre (étoile). Ce n'est pas la même chose que le kVA de puissance auxiliaire. La cote kVA de mise à la terre détermine combien de courant de défaut à la terre le transformateur peut supporter, et pendant combien de temps. | Spécifiez le courant neutre continu (le courant que le neutre peut supporter en continu dans des conditions normales et déséquilibrées — typiquement une petite valeur, 5–10 % du courant de pleine charge du système) et le courant neutre de courte durée (le courant que le neutre peut supporter pendant la durée d'un défaut à la terre — typiquement 10 secondes, 30 secondes, ou 1 minute). Par exemple : “ Courant neutre continu : 10 A. Courant neutre de courte durée : 200 A pendant 10 secondes. ” |
| kVA de puissance auxiliaire et tension | La puissance que l'enroulement secondaire delta fournira aux charges de service de la station. Il s'agit d'une sortie standard triphasée, trois fils. | Indiquez la cote kVA et la tension secondaire. Par exemple : “ Puissance auxiliaire : 150 kVA, 480 V, triphasé, trois fils. ” La cote kVA doit être déterminée par un calcul de charge pour les charges de service de la station, avec une marge pour la croissance future. |
| Impédance | L'impédance du transformateur détermine la chute de tension sous charge et l'ampleur du courant de défaut à la terre. Une impédance plus faible entraîne un courant de défaut à la terre plus élevé et une meilleure régulation de la tension mais une obligation de courant de défaut plus élevée sur l'équipement en aval. | Spécifiez l'impédance en pourcentage sur la base du kVA de mise à la terre. Pour un système à mise à la terre par résistance, l'impédance est typiquement de 4–6 %. L'impédance doit être coordonnée avec la résistance de mise à la terre et le schéma de relais de protection. Consultez un ingénieur électricien si le système comprend plusieurs sources ou des transformateurs en parallèle. |
| Méthode de mise à la terre | Comment le point neutre de l'enroulement en étoile sera connecté à la terre. La méthode de mise à la terre détermine l'ampleur du courant de défaut à la terre et le type de relais de protection qui sera utilisé. | Indiquez la méthode de mise à la terre et la valeur du résistor ou du réacteur de mise à la terre. Par exemple : “ Mise à la terre par résistance, résistor de mise à la terre de 20 ohms, limitant le courant de défaut à la terre à 200 A à 4 160 V. ” Le résistor de mise à la terre est un dispositif séparé, mais le transformateur combiné doit être conçu pour fonctionner avec lui. |
| Norme applicable | La norme à laquelle le transformateur doit être conçu et testé. Cela détermine les procédures d'essai, les critères d'acceptation et la documentation que le fabricant doit fournir. | Spécifiez IEEE C57.12.01 pour les transformateurs de type sec, IEEE C57.12.00 pour les transformateurs remplis d'huile, ou IEC 60076 pour les applications internationales. Si le transformateur doit être installé dans un pays spécifique, spécifiez la norme nationale applicable — par exemple, CSA C9 au Canada, AS 60076 en Australie. |
La règle 80% et autres considérations de charge pour un transformateur combiné
La règle 80% pour les transformateurs stipule que les transformateurs ne doivent pas être exploités en continu au-dessus de 80% de leur puissance KVA, et cela s'applique aux transformateurs combinés comme aux transformateurs réguliers, mais elle doit être appliquée séparément pour chaque fonction individuelle du transformateur. L'enroulement de mise à la terre doit être conçu pour le courant de défaut à la terre continu et à court terme qu'il transportera en cas de défaut, et la règle 80% ne s'applique pas à l'enroulement de mise à la terre de la même manière qu'elle s'applique aux charges continues, car cet enroulement fonctionne uniquement dans des conditions anormales, et la capacité à court terme est plus importante que la puissance continue. L'enroulement auxiliaire doit être classé à 125% de la charge qu'il dessert, et la règle 80% signifie que le transformateur doit être exploité à une puissance ne dépassant pas 80% de sa puissance auxiliaire KVA. Ainsi, un transformateur fonctionnant avec un enroulement auxiliaire de 150 KVA pour des charges de 120 KVA est acceptable, mais s'il est utilisé avec un enroulement auxiliaire de 150 KVA pour une charge de 150 KVA, il sera sous-dimensionné — il chauffera, l'isolation vieillira plus rapidement et la durée de vie opérationnelle diminuera. La norme IEEE C57.96 fournit des informations sur le chargement des transformateurs et sa relation avec la durée de vie de l'isolation et la température pour les transformateurs à huile et à sec, et un acheteur qui suit ces exigences à l'étape de conception obtiendra un transformateur conçu pour la charge réelle.
Efficacité, pertes et coût total de possession
A transformateur combiné a des pertes à vide (les pertes dans le noyau, qui sont présentes chaque fois que le transformateur est alimenté) et des pertes en charge (les pertes dans les enroulements, qui varient avec le carré du courant). Les pertes en charge de l'enroulement de puissance auxiliaire sont le composant de perte dominant lorsque les charges de service de la station sont en fonctionnement, et les pertes de l'enroulement de mise à la terre sont négligeables pendant le fonctionnement normal car l'enroulement de mise à la terre ne transporte que le petit courant neutre déséquilibré. L'acheteur qui compare les offres pour un transformateur combiné doit évaluer les pertes en utilisant une formule de capitalisation des pertes qui convertit les pertes d'énergie annuelles en un coût en capital actualisé, et doit comparer le coût total évalué — prix d'achat plus la valeur capitalisée des pertes — plutôt que le prix d'achat seul. La formule est : Coût Total Évalué = Prix d'Achat + (A × Pertes à Vide en Watts) + (B × Pertes en Charge en Watts), où A et B sont les facteurs de capitalisation des pertes en dollars par watt. Le facteur A reflète le coût de l'énergie qui est consommée en continu, 24 heures sur 24, et il est généralement de $5 à $10 par watt pour les applications industrielles et utilitaires. Le facteur B reflète le coût de l'énergie qui est consommée sous charge, et il est généralement de $1 à $3 par watt. Le Département de l'Énergie des États-Unis publie les facteurs de capitalisation des pertes standard pour différents types d'installations, et l'acheteur peut utiliser ces valeurs, ou les valeurs spécifiques de son propre tarif électrique, pour comparer les offres sur une base de coût total. Un transformateur combiné avec un prix d'achat plus élevé et des pertes plus faibles aura souvent un coût total évalué inférieur à celui d'un transformateur avec un prix d'achat plus bas et des pertes plus élevées — et la différence peut être substantielle sur une durée de service de 25 à 35 ans.
Questions Fréquemment Posées
Quelle est la règle 80% pour les transformateurs ?
Selon la règle 80%, le transformateur ne doit pas être chargé en continu au-delà de 80% de la kVA nominale sur la plaque signalétique ; par conséquent, cela fournit une marge thermique pour empêcher l'isolation de vieillir trop rapidement ainsi que facilite la croissance de la charge sans avoir besoin d'installer un transformateur plus grand et offre la possibilité d'accommoder des surcharges à court terme sans déclencher les dispositifs de protection du transformateur. La règle est déduite du guide de chargement IEEE C57.96 et sert de norme industrielle pour le dimensionnement des transformateurs.
Comment savoir quel transformateur j'ai besoin ?
Afin de déterminer le transformateur à utiliser, il faut noter toutes les exigences que le transformateur pourrait devoir satisfaire et en déduire le total des kVA connectés à la fin. Après cela, choisissez le transformateur en fonction de la position — extérieur ou intérieur — ainsi que du fait que le type de transformateur doit être de type sec ou rempli d'huile selon les exigences du code civil. Ensuite, la puissance du transformateur à choisir devrait être (la standard) la supérieure et la charge réelle prise en compte afin de ne pas dépasser la règle 80% concernant le fonctionnement continu du transformateur. La fréquence doit également être prise en compte.
Comment choisir le bon transformateur de courant ?
Choisir le bon transformateur de courant (CT) nécessite de déterminer le courant primaire (le courant de charge maximum que le CT doit mesurer), le courant secondaire (un CT a généralement un courant secondaire de 5 A ou 1 A pour la mesure et la protection), la classe de précision (définit l'erreur du CT à courant nominal et charge), la charge (impédance des relais, compteurs et fils connectés au CT), et la taille physique et le type d'installation du CT. De plus, le CT doit être classé pour la tension du système électrique et le courant de court-circuit disponible. Il est important de mentionner qu'il s'agit d'un dispositif individuel qui est différent d'un transformateur de puissance combiné.
Comment déterminer quelle taille de transformateur j'ai besoin ?
Pour calculer la taille d'un transformateur dont vous avez besoin, il faut déterminer les kVA de toutes les charges attachées, appliquer les facteurs de demande liés à chaque type de charge selon le NEC ou les codes locaux, ajouter toutes les charges continues comme 125% de la puissance nominale, et sélectionner le kVA standard supérieur le plus proche de la valeur calculée. Les informations nécessaires pour produire ce calcul correctement sont un rapport d'étude de charge, une copie de l'article #220 du NEC, et le tableau de puissance kVA du fabricant.
Références
- IEEE C57.12.01 — Norme pour les exigences générales des transformateurs de distribution et de puissance de type sec. La norme fondamentale IEEE pour la conception, les tests et les performances des transformateurs de type sec, y compris les exigences pour les transformateurs à fonction combinée.
- IEEE C57.96 — Guide pour le chargement des transformateurs de distribution et de puissance de type sec. Le guide IEEE qui définit la relation entre la charge, la température et la durée de vie de l'isolation, et la source de la règle de chargement 80%.
- U.S. Department of Energy — Facteurs de capitalisation des pertes pour l'évaluation des transformateurs. L'agence réglementaire qui publie les facteurs de capitalisation des pertes standard pour évaluer les offres de transformateurs sur une base de coût total de possession.
- NFPA 70 (NEC) — Article 220 (Load Calculations) and Article 450 (Transformers). The National Electrical Code requirements for load calculation and transformer installation in the United States.
In this case, the complication comes with selecting a combined transformer which requires identifying all the roles that the transformer needs to fulfil, including voltage conversion, grounding, auxiliary power supply, and voltage regulation and then determining the specifications of each role in such detail that the manufacturer will be able to achieve all of them at once. With a properly defined combined transformer you reduce the footprint, the cost of installation and the maintenance of the electrical system as opposed to a set of single-function transformers. However, if you fail the specification process, it means your grounding kVA, auxiliary voltage, and impedance are not mentioned, and the manufacturer will use its default product thus failing to meet your requirements. Subian Electric produces combined transformers for the global market. The kVA of these transformers, their voltages, grounding, and required test documentation make them an attractive offer for a professional buyer.