Une fois que vous ouvrez un transformateur de distribution, les seules choses que vous verrez à l'intérieur sont des métaux (acier, aluminium ou cuivre), du papier, de l'huile, de la porcelaine, etc. Vous verrez également quelques gadgets qui ont pour seul but de protéger le transformateur de tout ce qui pourrait mal se passer avec lui. Si vous considérez les transformateurs qui durent trente ans et ceux qui tombent en panne après quatre, il convient de noter que les éléments de construction de ces deux machines ne diffèrent pas, mais ce qui change réellement, c'est la qualité de leurs éléments de construction et leur précision de mesure. Le guide que vous allez lire vous indiquera ce que vous trouverez dans un transformateur et quelles fonctions tous ces éléments remplissent. Vous découvrirez également les facteurs de satisfaction liés aux achats de transformateurs ainsi que comment déterminer si un transformateur a été mal fabriqué ou est de haute qualité.
À l'intérieur d'un transformateur, il y a un noyau en acier laminé, un enroulement basse tension et un enroulement haute tension ainsi qu'un système d'isolation composé de papier, de carton pressé et d'huile (le type sec utilise de la résine époxy à la place de l'huile). Le changeur de prises du transformateur montre des conducteurs à travers le réservoir. Un radiateur est une partie du réservoir, il y a un conservatoire avec un respirateur en gel de silice, il y a un relais Buchholz, un système de décharge de pression ainsi que des thermomètres. C'est le noyau qui détermine les pertes à vide, les enroulements déterminent les pertes en charge et la résistance aux courts-circuits ; l'isolation détermine la durée de vie du transformateur et les accessoires montrent l'état du fabricant.
Les Six Systèmes à l'Intérieur d'un Transformateur
Utiliser l'approche de la pensée systémique est bénéfique pour comprendre le reste de l'article car elle a un fonctionnement unique et une manière spécifique de réaliser des tests.
- Le système du magnétisme comprend le noyau laminé, qui remplit la fonction de transfert d'énergie et de conversion de la tension.
- Le système électrique se compose des enroulements basse et haute tension, de leurs connexions et des connexions qui se font à l'intérieur d'eux.
- La fonction diélectrique est de prévenir le flux de courant électrique et de maintenir les propriétés diélectriques.
- Le système mécanique se compose du mécanisme de pressage du noyau, du cadre d'enroulement et du réservoir avec les enroulements.
- La fonction de transfert de chaleur se compose des dispositifs de refroidissement, des ventilateurs, du système de circulation d'huile et des dispositifs de mesure de température.
- Les systèmes de contrôle et de protection se composent de relais Buchholz, de capteurs de pression, de température et d'analyse de gaz.
Le Noyau : Où se Décide la Perte à Vide
Le noyau est constitué d'une série de fines pièces d'acier empilées les unes sur les autres qui sont presque toujours fabriquées en acier au silicium orienté à grain, CRGO. L'orientation du grain est importante car le flux magnétique suit la direction du laminage, ce qui correspond à la manière dont le noyau est fabriqué. La teneur en silicium, qui se situe entre 3 et 4%, augmente la résistivité permettant de supprimer les courants de Foucault, et l'épaisseur du laminage fait le reste du travail.
| Propriété | Ce que vous verrez dans une spécification |
|---|---|
| Épaisseur de laminage | 0,23 mm, 0,27 mm ou 0,30 mm, occasionnellement 0,35 mm |
| Grade | M3 / M4 / M5 conventionnel, ou des grades à haute induction tels que 23HP85 |
| Perte de noyau | 0,85 à 1,40 W/kg à 1,7 T, 50 Hz, selon le grade |
| Facteur d'empilement | 95% à 98% |
| Type de joint | Joint à pas, en biais à 45°, avec bavure maintenue à 10 à 20 µm |
| Revêtement de surface | Revêtement d'isolation C5 ou C6 selon la norme IEC 60404-1 |
Deux rangées sont d'importance commerciale. En termes de pertes dans le noyau, nous pouvons dire que passer d'un noyau à usage général d'environ 1,30 W/kg pour une épaisseur de 0,30 mm à un noyau de haute qualité de 0,85 W/kg pour une épaisseur de 0,23 mm se traduit par une réduction d'un tiers de la perte à vide dans un transformateur. Un transformateur fonctionnant 8 760 heures par an bénéficie beaucoup de la différence, bien que cela ne puisse pas être vu de l'extérieur du réservoir.
Une autre rangée importante est liée au joint. Un joint à pas avec bavure minimisée facilite la réduction de l'écart, ce qui signifie un courant d'excitation plus faible, moins de bruit, ainsi que des pertes parasites. La performance d'un noyau fabriqué avec un joint à bout et un cisaillement rugueux semble cependant identique mais est considérablement pire.
Les Enroulements : Cuivre, Aluminium et les Joints Entre
Les transformateurs de distribution sont conçus de telle manière que l'enroulement basse tension est placé le plus près possible du noyau et que l'enroulement haute tension est situé plus loin, ce qui permet d'économiser de l'espace d'isolation entre l'enroulement et le noyau et de faciliter le prélèvement de l'enroulement. L'enroulement est fabriqué en cuivre ou en aluminium sous forme de fil rond ou plat.
La raison de ce remplacement est plutôt simple bien que souvent mal interprétée. La conductivité électrique du cuivre est de 100% IACS, la conductivité de l'aluminium est d'environ 61%, ce qui signifie que pour réaliser un enroulement en aluminium avec la même résistance, il devrait être environ 1,6 fois plus grand en section transversale. Étant donné que l'aluminium est également beaucoup plus léger, l'enroulement final est significativement plus léger et un transformateur entièrement en aluminium pèse beaucoup moins que son équivalent en cuivre avec les mêmes spécifications. Cette différence de poids est l'un des tests de terrain les plus rapides pour les acheteurs.
La principale chose qui change n'est pas l'efficacité d'un appareil correctement construit, qui varie de quelques dixièmes de pour cent à pleine charge, mais les joints. Le joint entre l'enroulement en aluminium et l'enroulement en cuivre ou entre deux enroulements en aluminium doit avoir son revêtement d'oxyde retiré et scellé, sinon ils provoqueront des problèmes de chauffage. Il est considéré comme une pratique standard aujourd'hui d'utiliser un placage en étain, des plaques de transition bimétalliques, le soudage ultrasonique et, si le budget le permet, d'utiliser une classe d'isolation supérieure dans la conception de l'appareil pour garantir la fiabilité thermique de la conception de l'appareil.
Pour les unités de distribution immergées dans l'huile dans la plage de 11 kV à 33 kV, c'est la partie de la conception où une offre basse apparaît généralement en premier, et il vaut la peine de lire la propre description d'un fournisseur de leur gamme de transformateurs de distribution immergés dans l'huile avant de comparer les prix, car la formulation autour du matériau d'enroulement et de la méthode de joint est rarement accidentelle.
Isolation et Huile : Les Parties Qui Échouent Lentement
Le matériau isolant d'un transformateur est la combinaison de papier kraft et de carton pressé traité avec de l'huile, et l'espérance de vie dépend de la température et de la teneur en humidité. C'est pratiquement toute l'histoire de la fiabilité en une ligne.
Le papier ne se dégrade pas brusquement. Il se dépolymérise, entraînant une perte de résistance mécanique, et le degré de polymérisation diminue de 1 000 pour le papier neuf à 200 ou moins à la fin de sa vie. Les produits du vieillissement incluent des composés de furan, et pour cette raison, une analyse de furan est effectuée comme indicateur de fin de vie, en plus de l'eau qui traite.
L'huile remplit trois fonctions en même temps : isolation, transfert de chaleur des enroulements vers les radiateurs, et rapport d'état. La nouvelle huile minérale doit avoir une tension de claquage d'au moins 30 kV testée sur un écart de 2,5 mm, et un niveau d'humidité de dizaines de parties par million peut réduire cette valeur de moitié. Pour cette raison, les tests d'huile sont le moyen de diagnostic le moins coûteux, et c'est aussi ainsi que le transformateur qui a une belle peinture et de l'huile humide peut encore échouer.
Dans le cas d'une unité de type sec, le système diélectrique est différent, et le mode de défaillance change également. Le moulage époxy des enroulements est réalisé avec une limite de décharge partielle généralement à 10 pC ou moins selon la norme IEC 60076-11, et même un moulage avec des vides peut passer le test de fréquence de puissance mais déchargera toujours pendant l'opération jusqu'à ce qu'un suivi se produise.
Le Changeur de Prise
Les transformateurs de distribution utilisent généralement un changeur de prise hors circuit, qui est un type d'interrupteur manuel qui modifie le traitement des enroulements haute tension du transformateur par étapes, qui sont généralement égales à environ ±5% par étapes d'environ 2.5%. Le changeur de prise est réglé lors de la mise en service pour correspondre à la tension effective en termes généraux afin qu'il soit couvert et ne nécessite aucun entretien.
Les transformateurs conçus pour des applications de plus grande taille et de type transmission sont conçus pour utiliser le type de changeur de prise sous tension, qui permet de changer les prises du transformateur avec la tension passant par le changeur de prise. La différence dans la charge d'entretien est substantielle, et cela est couvert dans cette explication du changeur de prise sous tension et de ce qu'il fait.
Une remarque pratique : les plaintes concernant la “basse tension à l'extrémité éloignée du feeder” sont souvent dues à un changeur de prise laissé sur la mauvaise prise et cela devrait être la première vérification à effectuer avant de blâmer le service public.
Réservoir, Conservateur, Déshydratateur et le Relais Buchholz
En plus de stocker de l'huile, le réservoir contient également la partie noyau et bobine du transformateur, protège contre les défauts internes, fournit une surface de refroidissement et supporte les bushing et accessoires.
La zone de refroidissement est fournie par des radiateurs ou des plaques ondulées avec des ventilateurs installés pour un refroidissement forcé dans une unité plus grande. Au-dessus du réservoir, il y a un conservateur qui est un petit réservoir contenant le volume d'expansion de l'huile. Le conservateur s'assure que le réservoir principal est plein et que les bushing et le sommet de l'enroulement sont immergés dans l'huile dans une plage de température de -20 °C à + 50 °C.
Le déshydrateur est situé à l'extrémité de la chaîne. Il se compose de gel de silice qui absorbe l'humidité de l'air qui remplit le réservoir lorsque l'huile refroidit. Le changement de bleu à rose est probablement le seul signe de l'état de l'huile.
Le relais Buchholz est un élément de la canalisation entre le réservoir et le conservateur. Les relais ont deux parties : l'une qui réagit à l'accumulation lente de gaz et la seconde qui réagit à la montée d'huile vers le conservateur lorsque l'onde de pression causée par la défaillance se produit. Comment le déshydrateur et le relais fonctionnent ensemble est exposé dans cette note sur les fonctions principales du déshydrateur et du relais de gaz..
Le dispositif de décharge de pression est la dernière ligne. Si un arc génère du gaz plus rapidement que le Buchholz ne peut réagir, le PRD se lève et ventile, idéalement loin de l'endroit où se tiennent les personnes.
Bagues et Boîtes de Câbles
La bague sert de pièce permettant au courant d'entrer dans un réservoir mis à la terre sans provoquer de court-circuit. C'est un type spécial d'isolateur ; elle est fabriquée en papier saturé d'huile dans de la porcelaine pour la moyenne tension et est équipée d'un noyau de condensateur qui égalise le champ électrique entre le conducteur et la bride. Elle est faite de porcelaine ou d'époxy du côté basse tension, tandis qu'une boîte de câbles avec partitionnement de phase peut également être installée.
Les bagues peuvent en réalité échouer plus fréquemment qu'on ne le pense, et les raisons sont fastidieuses, des problèmes tels que de la porcelaine fissurée, des joints usés, des bornes trop serrées et des trous de respiration obstrués. Vérifiez d'abord la bague lors de l'inspection du transformateur, car une fissure capillaire est facile à détecter et à réparer tandis que le court-circuit ne l'est pas.
Qu'est-ce qui change dans un transformateur à sec
Dans le cas d'un transformateur à sec, il n'y aura pas d'huile, de conservateur, de respirateur ou de relais Buchholz utilisés et l'air ainsi que l'isolant solide prendront la place du diélectrique. Les enroulements sont imprégnés et encapsulés par moulage époxy, tandis que le empilement CRGO agit comme noyau.
Il s'agit simplement d'un compromis. Vous vous débarrassez de la charge d'incendie de l'huile et de l'entretien du transformateur à huile, c'est pourquoi de telles unités sont installées dans des bâtiments, des hôpitaux, des tunnels et des centres de données. Mais elles ont un prix : elles sont plus sensibles à l'humidité et à la saleté car l'air a une résistance diélectrique inférieure à celle de l'huile et la surface sale de l'enroulement présente un risque de devenir un chemin de fuite. La classe d'isolement monte jusqu'à F ou H, tandis que le système de refroidissement devient soit AN soit AF et le test de décharge partielle est d'une importance capitale.
Si l'application est intérieure et que le risque d'incendie domine, la spécification est assez différente de celle d'une unité à huile, et cet aperçu de transformateurs de distribution à sec couvre les classes et les codes de refroidissement plus en détail.
Comment juger un transformateur à partir de ce qu'il y a à l'intérieur
Vous ne pouvez pas voir à l'intérieur d'un réservoir scellé, et vous n'en avez pas besoin. Sept points de contrôle couvrent la plupart des risques.
| Point de contrôle | Que demander | À quoi ressemble une mauvaise réponse |
|---|---|---|
| Classe de noyau | Certificat d'essai de fabrication mentionnant la classe et l'épaisseur | “ Acier au silicium de haute qualité ” sans classe |
| Matériau d'enroulement | Méthode de conducteur et de joint déclarée, plus masse unitaire | Silence sur le joint, ou masse bien en dessous des pairs |
| Test de perte | Perte à vide et à charge mesurée par rapport aux valeurs garanties | Seulement des chiffres garantis, pas de mesure |
| Tenue au court-circuit | Rapport d'essai conforme à la norme IEC 60076-5, ou un calcul de conception | L'affirmation selon laquelle les tests ne sont “ pas nécessaires ” |
| Élévation de température | Résultat de test de type conforme à la norme IEC 60076-2 | Un chiffre calculé présenté comme mesuré |
| État de l'huile | Tension de claquage et humidité à l'expédition | Aucun test d'huile sur une unité à huile |
| Décharge partielle | Mesure de PD de routine, surtout sur le type sec | “ PD n'est pas requis pour cette classe ” |
L'importance de la mesure des pertes est soulignée. Conformément à la norme IEC 60076-1, les pertes totales maximales autorisées s'élèvent à +15%, ce qui signifie que la conception qui respecte cette exigence est plus coûteuse que celle qui a été conçue sur le niveau moyen des pertes. Par conséquent, il est conseillé de demander les valeurs réelles au lieu de garanties et de procéder à la comparaison entre différentes offres. Les méthodes d'essai elles-mêmes sont couvertes dans ce guide pour tester un transformateur.
Ce que vous ne pouvez pas voir, et que vous devriez demander
Trois constituants invisibles sont un facteur décisif pour la durée de vie du réservoir. Ce sont le serrage du noyau, le renfort des enroulements et l'humidité de l'isolation au niveau du joint.
L'état du serrage du noyau peut être estimé à partir du bruit et des relevés de courant à vide. Si les tôles ne sont pas bien ajustées, le bruit augmentera progressivement. Le renfort des enroulements peut être évalué à l'aide de tests de court-circuit. Cela rend l'essai de type effectué pour les prototypes une information plus précieuse qu'une pile de certificats de qualité non liés. L'humidité de l'isolation ne peut être observée que quelques années après le processus de scellement du réservoir.
Vous devriez demander des photographies du noyau et des enroulements avant le remplissage du réservoir, les données de pression de serrage du noyau et les informations sur le vide et le remplissage d'huile. L'entreprise effectuant les opérations mentionnées ci-dessus vous fournira les informations requises sans hésitation. Si l'entreprise ne peut pas ou ne veut pas les fournir, elle passera à un sujet complètement différent.
FAQ
Quels sont les principaux composants à l'intérieur d'un transformateur ?
Nous avons les composants suivants : noyau, enroulement basse tension, enroulement haute tension, isolation, telle que papier, carton pressé et huile, ou isolation époxy dans les types de transformateurs secs, changeur de prises, bushing, réservoir, radiateurs, conservateur, déshydratateur, relais Buchholz, dispositif de décharge de pression et thermomètres. Dans les transformateurs plus grands, nous avons également des transformateurs de courant de bushing et des capteurs de surveillance.
Pourquoi le noyau est-il laminé plutôt que solide ?
Pour arrêter le chemin des courants de Foucault. Un noyau en acier solide permettrait à des courants circulants significatifs de circuler à travers le métal, le chauffant ainsi et gaspillant de l'énergie. Des couches minces, isolées les unes des autres par une couche de revêtement isolant, contraignent ces courants en petites boucles, réduisant ainsi considérablement les pertes.
Comment puis-je savoir si un transformateur est enroulé en cuivre ou en aluminium ?
Examinez la masse de l'unité avec des unités comparables de différents fabricants, vérifiez la plaque de données et le rapport d'essai, et demandez une confirmation écrite du matériau d'enroulement. Un enroulement en aluminium nécessitera une taille de conducteur 1,6 fois plus grande, tout en permettant à l'unité d'atteindre un poids inférieur. Notez que la vérification physique ne peut avoir lieu que sur une unité cassée ou démontée.
À quoi sert l'huile à l'intérieur d'un transformateur ?
Il y a trois aspects : l'isolation, le transfert de chaleur des enroulements vers les radiateurs, et la surveillance de l'état. La tension de claquage de l'huile et le niveau d'humidité sont les deux principales mesures qui fournissent des informations sur l'état de l'équipement immergé dans l'huile.
Références
- Rex Power Magnetics — Que contient un transformateur de puissance
- Daelim Transformer — À l'intérieur du transformateur
- Haute à basse tension — Guide des pièces du transformateur
- Reinhausen — Changeurs de prises sous tension et surveillance des transformateurs
- Nynas — Technologie et tests de l'huile de transformateur
Conclusion
Le transfert d'énergie se fait à travers l'acier, le conducteur, le papier, l'huile et quelques dispositifs de protection qui font partie du transformateur. Il existe quelques types de composants qui sont communs dans les transformateurs. La différence se fait par le type d'acier utilisé, les mesures précises des pertes, la qualité des joints et si l'unité était sèche lors de son scellement. Envoyez des informations concernant la demande, le processus et les pertes et nous enverrons toutes les spécifications des transformateurs, y compris le grade de revêtement et les spécifications des enroulements, pas seulement le prix.