Les ingénieurs qui ont participé à des appels d'offres pour des transformateurs témoigneront de ce que c'est que de comparer deux offres en termes d'apparence, alors qu'elles sont absolument différentes en ce qui concerne la qualité : le grade de l'acier du noyau, la conception des enroulements, le serrage et l'isolation. La connexion delta-wye du transformateur n'est qu'une partie du travail effectué. Ce qui est également important, c'est la manière dont il est construit. Le présent document explique toutes les caractéristiques de construction des transformateurs delta-wye, telles que la disposition du noyau et des enroulements, l'agencement des bornes, les changeurs de prises, le système de refroidissement et la conception du réservoir, permettant ainsi d'avoir un aperçu de l'offre soumise.
Une réponse à cette question est la suivante. Le transformateur delta-wye se compose de trois enroulements HV connectés en delta et de trois enroulements LV connectés en wye, disposés concentriquement autour d'un noyau laminé en acier au silicium orienté dans le sens du grain. Le transformateur comprend également un point neutre LV, trois bornes HV, quatre bornes LV, un changeur de prises hors circuit/en charge, et le système de refroidissement (le type à huile utilise ONAN/ONAF et le type sec utilise AN/AF). Les meilleures caractéristiques de la construction incluent le serrage étroit des joints de noyau en biais, le renforcement des enroulements en tailles axiales et radiales pour les forces de court-circuit, l'isolation classée pour BIL (tension d'impulsion de foudre) de la classe de tension requise, et le processus de séchage sous vide.
Aperçu de la construction
Un transformateur delta-wye est composé de deux parties, la partie active et la partie enveloppe. La partie active est constituée de l'assemblage noyau-enroulement qui est composé d'un noyau de transformateur à trois branches (un transformateur à cinq branches peut être nécessaire pour des applications de puissance plus importantes), ainsi que des trois enroulements HV connectés en delta et des trois enroulements LV connectés en wye, accompagnés du changeur de prises et de l'isolation des conducteurs. L'enveloppe est soit constituée d'un réservoir (dans le cas d'un transformateur immergé dans l'huile) avec des radiateurs ou des ailettes de refroidissement, des bornes, un système de préservation de l'huile et des dispositifs de protection, soit d'un boîtier ventilé avec des bornes (dans le cas de transformateurs solides). Dans les transformateurs immergés dans l'huile, la partie active est séchée sous vide et imprégnée d'huile minérale qui remplit la fonction d'isolation et de refroidissement. Dans les transformateurs de type sec, les enroulements sont coulés sous vide dans de l'époxy, éliminant ainsi complètement l'utilisation du système à huile. Les connexions delta et wye sont réalisées dans le transformateur et extérieurement, seules trois bornes HV et soit trois bornes LV avec un neutre, soit quatre bornes LV sont visibles du côté LV.
| Composant | Construction typique | Fonction |
|---|---|---|
| Noyau | Laminations GOES, joints en biais, section transversale en escalier | Chemin de flux à faibles pertes |
| Enroulement LV (wye) | Cuivre, enroulé en hélice ou en couches, position intérieure | Transporte le courant LV, fournit le neutre |
| Enroulement HV (delta) | Cuivre, enroulé en couches ou en disques, position extérieure | Transporte la tension de ligne, forme une boucle delta |
| Barrières d'isolation | Papier cellulose / époxy, dimensionné pour BIL | Résistance diélectrique |
| Changeur de prises | Hors circuit ±2×2.5%, ou OLTC | Ajustement du rapport de tension |
| Réservoir / enceinte | Acier soudé, scellé ou conservateur (huile) ; boîtier ventilé (sec) | Protection, refroidissement, confinement de l'huile |
Le Noyau : Grade d'acier, Joints et Serrage
Le plus grand facteur en ce qui concerne la perte de puissance et la production de bruit est la qualité du noyau. Les noyaux modernes sont fabriqués à partir d'acier au silicium orienté dans le grain (GOES) de grades tels que 27ZH95 ou 23ZH85 ou également à partir de métal amorphe pour une meilleure efficacité. Le grade indique le type d'acier utilisé et indique l'épaisseur de l'acier et l'efficacité de perte, un nombre plus bas signifiant moins de perte par kilogramme. Les tôles ont une coupe en biais le long des bords, réduisant ainsi le degré de perte et le courant produit par les coins. Les tôles doivent également être assemblées de manière à ressembler à une forme circulaire pour minimiser la surface occupée lors de l'enroulement. La dernière étape consiste à s'assurer que le noyau est fixé correctement. Le noyau peut être trop lâche et créer des vibrations, ou trop serré et donc endommager l'isolation.
Enroulements : Agencement Delta et Wye
Les enroulements sont placés en motifs concentriques sur chacune des branches : les enroulements LV sont situés le plus près du noyau, tandis que les enroulements HV sont placés à l'extérieur avec des barrières d'isolation dans la direction axiale et radiale selon la classe de tension. L'enroulement LV, qui comprend le neutre et la connexion wye, est généralement sous forme hélicoïdale ou en couches en cuivre (ou en aluminium dans les modèles à moindre coût), tandis que l'enroulement HV est situé sous forme en couches ou en disques en cuivre. La connexion delta est faite pour relier les enroulements HV ensemble. La boucle est le chemin du courant pour le troisième harmonique et le courant de séquence zéro. La connexion wye relie les trois extrémités de l'enroulement LV avec un point neutre commun connecté à la borne neutre. Le matériau utilisé dans l'enroulement est important car le cuivre a moins de résistance et une meilleure résistance aux courts-circuits par rapport à l'aluminium de la même section transversale, bien que les coûts soient de 10% à 20% de plus sur la partie active.
Système d'isolation et BIL
L'isolation permet à l'appareil de supporter les surtensions de commutation, la tension de fréquence de puissance et les impulsions de foudre. Les unités isolées à l'huile utilisent des papiers de cellulose enroulés autour de leurs conducteurs comme barrières ; elles sont imbibées d'huile minérale. En revanche, les unités de type sec emploient des matériaux isolants en verre ou en mica imprégnés d'époxy. Le principal paramètre de l'isolation est appelé BIL (niveau d'isolation de base) qui représente la tension d'impulsion maximale requise pour qu'une machine fonctionne correctement. Le BIL dépend des classes de tension : le BIL pour les unités classées pour un fonctionnement à 12 kV est égal à 95 kV, le système classé pour 24 kV nécessite un BIL d'au moins 125-170 kV, tandis que le BIL requis pour les systèmes classés pour 36 kV peut être compris entre 170 kV et 250 kV. Les distances entre les enroulements LV et HV, les distances de fuite pour les bushing, et l'isolation aux bords des bobines satisfont aux exigences du BIL. Cependant, les appareils construits avec un dégagement d'isolation inférieur peuvent passer le test de routine, bien qu'ils puissent échouer au test d'impulsion, donc les tests diélectriques décrits dans la norme IEC 60076-3 incluent des tests d'impulsion pour toutes les unités pouvant supporter le niveau d'isolation désigné.
| Tension du système HV | Exigence typique de BIL | Test typique de fréquence de puissance |
|---|---|---|
| Classe 12 kV | 95 kV | 28 kV |
| Classe 17,5 kV | 125 kV | 38 kV |
| Classe 24 kV | 125–170 kV | 50 kV |
| Classe 36 kV | 170–250 kV | 70 kV |
| Classe 52 kV | 250–325 kV | 95 kV |
Réservoir, Bushing et Bornes
Le réservoir immergé dans l'huile est un conteneur métallique, qui est soit équipé d'un élément de conservation soudé et d'un indicateur de niveau de liquide, soit hermétiquement scellé avec un coussin de gaz. Le réservoir a des bushing haute tension, des bushing basse tension, le changeur de prises, l'indicateur de température de l'huile, la soupape de décharge de pression, ainsi que des vannes de drainage et d'échantillonnage. Des parois ondulées en forme de flèche, des radiateurs de refroidissement ajoutés et des plaques d'ailettes sont utilisés pour refroidir l'huile. La construction appropriée du réservoir nécessite le soudage des coutures critiques sur toute leur longueur. Il doit être sablé et peint avec un bon revêtement protecteur. Enfin, le réservoir doit être testé concernant la pression interne pour confirmer son étanchéité.
Changeurs de prises : Hors circuit et Sous charge
Le changeur de prises modifie le rapport de transformation pour gérer les variations de tension dans le réseau. La plupart des transformateurs delta-wye de distribution sont équipés d'un changeur de prises hors circuit avec des prises +/-2 x 2.5%, qui ne peuvent être actionnées que lorsque le transformateur est éteint. Cet appareil est simplement un mécanisme simple et fiable ayant des marquages clairs des différentes positions. Les transformateurs plus grands ou ceux fonctionnant dans des réseaux instables sont équipés d'un changeur de prises sous charge (OLTC), qui change la prise sous charge en travaillant via une chambre d'arc dans l'huile (dans le cas des unités remplies d'huile). Ce mécanisme est beaucoup plus complexe et augmente généralement le prix de 10-25% et nécessite un certain entretien. Dans les systèmes delta-wye, les prises sont généralement connectées à l'enroulement delta HV, qui a un courant moindre et un devoir de commutation plus bénin.
Conception du système de refroidissement
La quantité de courant qu'un appareil est capable de transporter sans dépasser les limites de température permises dépend du refroidissement. Les appareils refroidis par huile utilisent la méthode ONAN par laquelle l'huile de refroidissement circule par convection naturelle à travers des rails ou des ailettes. Au-dessus d'un certain niveau de charge, le refroidissement forcé est utilisé (appelé ONAF). Cette méthode permet 20-33 %. L'élévation de température de ce type d'équipement est conçue pour être d'environ 60-65 K avec la température ambiante de travail étant de 40°C. Pour les appareils de type sec, le refroidissement est effectué soit par air naturel (AN) soit par air forcé (AF) où une certaine classe de température est maintenue pour assurer le refroidissement.
| Classe de refroidissement | Description | Effet de capacité | Utilisation typique |
|---|---|---|---|
| ONAN | Imprégné d'huile, convection naturelle | Évaluation de la plaque signalétique | Distribution standard |
| ONAF | Ventilateurs à air forcé immergés dans l'huile | +20–33% | Facteur de charge élevé, sites chauds |
| OFAF | Huile et air forcés | +40–60% | Évaluations de puissance plus élevées |
| AN | Type sec, air naturel | Évaluation de la plaque signalétique | Installations intérieures |
| AF | Type sec, air forcé | +20–30% | Charge de pointe intérieure |
Comment la construction affecte la performance et la fiabilité
| Caractéristique de construction | Effet sur la performance |
|---|---|
| Cœur GOES de haute qualité, joints en biais | Moins de pertes à vide et courant d'aimantation |
| Enroulements en cuivre, dimensionnement correct des conducteurs | Moins de pertes en charge, meilleure résistance au court-circuit |
| Renforts radiaux et axiaux serrés | Résiste aux forces de court-circuit sans mouvement des enroulements |
| Espacements d'isolation appropriés et séchage | Passe les tests d'impulsion, pas de défaillance de décharge partielle en service |
| Séchage sous vide et imprégnation à l'huile | Élimine l'humidité, prolonge la durée de vie de l'isolation |
| Protection contre la corrosion sur le réservoir | Longue durée de vie dans des atmosphères côtières et industrielles |
La mise en place de l'arrangement est confirmée au cours des tests — le rapport, le groupe vectoriel ainsi que le décalage de phase démontrent la justesse de l'arrangement de connexion delta-wye. Cependant, l'efficacité sur une longue période est le résultat de la conception solide de l'arrangement : un fonctionnement en court-circuit provoque un impact de court-circuit, qui est des centaines de fois plus fort que le poids des enroulements, et seul le bon renfort permet de continuer à utiliser le transformateur après qu'un défaut se soit produit.
Comment évaluer la qualité de construction lors de l'achat
- Interroger sur le type de matériau du noyau et les mesures garanties de pertes à vide basées sur le rapport d'essai afin de valider avec les prix de l'appel d'offres.
- Examiner le type de matériau conducteur. Que ce soit du cuivre ou de l'aluminium, cela a un impact sur les pertes, les évaluations de court-circuit et les coûts d'exploitation ; donc, vous devez connaître la section transversale du conducteur et la densité de courant.
- Vérifier que la conception de résistance au court-circuit est conforme à la norme IEC 60076-5, avec des calculs ou des résultats d'essai pour les situations de défaut déclarées.
- Examiner le niveau d'isolation. Confirmer que le BIL correspond à votre classe de tension et que les tests d'impulsion sont intégrés dans les tests de conception.
- Vérifier les dessins pour les configurations d'enroulement, le renforcement, la structure du réservoir et la disposition des douilles dans la disposition de l'équipement avant la production.
- Assurez-vous d'avoir vu les tests. Pour les projets de haute importance, demandez des tests de routine observés ou une inspection par un tiers – la disponibilité de l'entrepreneur envoie un signal de qualité.
Marques Principales et Gammes de Prix
| Marque | Pays | Solidité de construction | Plage de prix indicatif (US$) |
|---|---|---|---|
| ABB | Suisse/Suède | Conception mature, portée complète des tests | $4,000–$60,000 |
| Siemens | Allemagne | Construction conforme à la norme IEC | $3,500–$55,000 |
| Schneider Electric | France | Expertise en résine coulé de type sec | $3,000–$45,000 |
| Hitachi Energy | Suisse | Pièces actives de qualité utilitaire | $4,500–$70,000 |
| Eaton | États-Unis | Constructions de distribution nord-américaines | $2,500–$42,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Chine | Construction transparente, constructions sur mesure | $3,000–$45,000 |
Les prix sont indicatifs des classifications de distribution et dépendent du grade du noyau, du conducteur, du BIL et des accessoires. ABB, Siemens, Schneider Electric, Hitachi Energy et Eaton établissent la référence pour la construction et disposent de dessins et de procédures d'essai équitables. Jiangsu Subian Electric Power Co., Ltd s'adresse aux acheteurs qui nécessitent la même méthode de construction à un prix inférieur — transformateurs delta-wye fabriqués selon les spécifications IEC 60076 utilisant des noyaux orientés en grains de haute qualité, des enroulements en cuivre, des joints en onglet, et subissant des tests complets en usine couvrant des tests de routine tels que le rapport, le groupe vectoriel, l'impédance, les pertes, la performance diélectrique, et capables d'organiser des tests ou inspections témoins par un tiers. Subian fournit des dessins et des documents d'essai inestimables donnant une analyse détaillée de la qualité de construction, ce qui est nécessaire pour le client afin de comparer un fabricant chinois avec un européen. Voir la capacité de fabrication sur le site Web de Subian Electric.
Questions Fréquemment Posées
Pourquoi l'acier au silicium orienté en grains est-il utilisé dans les noyaux de transformateur ?
Le traitement de l'acier orienté en grains lui permet d'avoir des propriétés magnétiques de première classe dans une direction — la direction de laminage. Lors de la conception des transformateurs, les ingénieurs orientent les laminations de manière à ce que le flux du champ magnétique soit perpendiculaire à cette direction, ce qui entraîne une réduction significative du courant d'aimantation et des pertes à vide par rapport à l'utilisation d'acier non orienté. Des joints en onglet correctement réalisés, ainsi qu'un serrage étroit, contribuent à l'efficacité et réduisent le bruit.
À quoi ressemble physiquement une construction Dyn11 ?
Les trois enroulements haute tension sont disposés en formation delta fermée à l'intérieur du réservoir, tandis que les trois enroulements basse tension partagent une connexion neutre, qui est sortie pour donner lieu à une quatrième borne à l'extérieur. Une fois l'enroulement vu de l'extérieur, on note que trois bushing HV et quatre bornes LV (trois lignes et neutre) sont visibles. L'ordre d'enroulement sur chaque personne est LV - intérieur et HV - extérieur, où le changeur de prises est situé du côté HV.
Les transformateurs delta-wye sont-ils immergés dans l'huile ou de type sec ?
Les deux. Les sous-stations de distribution extérieures utilisent des systèmes immergés dans l'huile en raison de leur robustesse et de leur efficacité, tandis que celles intérieures, souterraines et sensibles au feu préfèrent des systèmes de résine coulé de type sec. La connexion électrique delta-wye reste la même dans les deux cas, sauf pour les systèmes d'isolation et de refroidissement.
Quelle est la différence entre les enroulements en cuivre et en aluminium dans la construction ?
Le cuivre a une résistivité plus faible et une résistance mécanique plus élevée par rapport à l'aluminium, ainsi l'unité enroulée en cuivre a des pertes plus faibles et une capacité de court-circuit optimale à la même classification de capacité. La partie active d'une telle machine coûte environ 10%–20% de plus. L'aluminium est principalement utilisé pour des raisons budgétaires dans les machines de distribution, qui sont généralement examinées en termes de coût initial.
Subian peut-il fournir des dessins de construction avant la commande ?
Oui. Jiangsu Subian Electric Power propose des dessins d'agencement des éléments, des schémas de connexion ainsi que des informations pertinentes sur les composants clés dans le cadre de sa proposition technique, tandis que les dessins de fabrication finaux peuvent également être inspectés avant la production. En cas de projets importants, l'entreprise peut organiser des revues de conception pré-production et des tests conjoints.
Références
- IEC 60076-1 — Transformateurs de puissance : Général — la norme régissant l'évaluation, les pertes et les exigences de construction.
- IEC 60076-3 — Niveaux d'Isolation et Essais Dielectriques — définit les exigences BIL et de test diélectrique par classe de tension.
- IEC 60076-5 — Capacité à Résister aux Courts-Circuits — la norme pour la vérification de la résistance au court-circuit de la construction des enroulements.
- NEMA TP-1 — Efficacité Énergétique pour les Transformateurs de Distribution — référence de performance liée à la qualité de construction du noyau.
- Hitachi Energy — Produits de Transformateurs — documentation de référence sur la construction et les tests d'un fabricant de premier plan.
- UL 1561 — Norme de sécurité des transformateurs de type sec — norme de sécurité pertinente pour la construction en résine coulée.
Conclusion
Selon les caractéristiques de conception des transformateurs delta-wye, ce n'est généralement pas la plaque signalétique qui révèle des caractéristiques telles que l'efficacité, le bruit, la tolérance aux défauts et la durée de vie du transformateur, mais les caractéristiques de construction de ce transformateur, qui incluent le grade d'acier du noyau, les joints en biais, le conducteur et l'agencement des enroulements, les espacements d'isolation, le renforcement, le réservoir, le changeur de prises et le refroidissement. En lisant un appel d'offres en tenant compte de ces paramètres et en entrant dans le processus d'appel d'offres, les offres deviennent comparables, non pas en termes de prix, mais en ce qui concerne le mérite. Il faut suivre le principe de demander des preuves de test IEC 60076 et, si nécessaire, un test témoin. Les transformateurs delta-wye de Jiangsu Subian Electric Power sont construits à partir de matériaux transparents et respectent toutes les normes. Passez en revue les dessins de construction et les données de test avec l'équipe avant de vous engager dans votre prochain projet. site officiel avant de vous engager dans votre prochain projet.