Dommages induits par les harmoniques sur les transformateurs secs et contremesures

La pollution harmonique est devenue une menace majeure pour le fonctionnement sûr des transformateurs secs à mesure que les charges non linéaires se répandent dans les réseaux électriques. Cet article explique comment les harmoniques endommagent les transformateurs secs et ce qui peut être fait pour assurer leur fonctionnement en toute sécurité.

Transformateur de puissance sec à enroulements en époxy rouge et base de montage bleue

Dommages causés par les harmoniques

• Augmentation des pertes et élévation anormale de la température. Les courants harmoniques intensifient les effets de peau et de proximité dans les enroulements des transformateurs. La résistance en courant alternatif augmente, ce qui accroît notablement les pertes cuivre, et le flux harmonique à haute fréquence augmente également les pertes par courants de Foucault et par hystérésis dans le noyau — les pertes par courants de Foucault augmentent approximativement avec le carré de la fréquence, et les pertes par hystérésis approximativement avec la fréquence. Ces pertes supplémentaires se transforment en chaleur, poussant la température de fonctionnement à un niveau anormalement élevé.
• Vieillissement plus rapide de l'isolation et durée de vie plus courte. Les transformateurs secs sont refroidis par convection d'air (refroidissement par air naturel AN ou refroidissement par air forcé AF), ils sont donc sensibles à la température. Une température élevée soutenue accélère le vieillissement thermique des matériaux d'isolation tels que la résine époxy et le papier Nomex. Selon le modèle de vieillissement de la norme IEC 60076-12:2008, le taux de vieillissement de l'isolation augmente de façon exponentielle avec la température, doublant approximativement pour chaque augmentation de 6 K, ce qui augmente considérablement le risque de claquage.
• Réduction de la capacité de charge (déclassement nécessaire). Étant donné que les harmoniques ajoutent de la chaleur, le transformateur ne peut plus fournir sa puissance nominale de plaque signalétique et doit fonctionner à une charge plus faible. Un transformateur choisi pour la même capacité nominale en régime harmonique peut en réalité supporter moins de charge, ce qui réduit l'utilisation de la capacité et gaspille la valeur de l'actif.
• Augmentation des vibrations et du bruit. Les champs magnétiques harmoniques modifient les composantes fréquentielles de la magnétostriction du noyau et peuvent exciter la résonance dans les parties structurelles, rendant le transformateur nettement plus bruyant, souvent avec un sifflement à haute fréquence. Les vibrations à long terme peuvent également desserrer les fixations ou déformer les enroulements.

Stratégies d'atténuation

Normes référencées

• IEC 60076-12:2008 — Transformateurs de puissance – Partie 12 : Guide de charge pour les transformateurs de puissance à isolation sèche
• IEC 60364-5-54 — Installations électriques à basse tension – Partie 5-54 : Choix et mise en œuvre des matériels électriques – Schémas de mise à la terre et conducteurs de protection
• IEC 61936-1:2021 — Installations électriques de puissance de tension alternative supérieure à 1 kV – Partie 1 : Règles communes

Résumé

Les harmoniques sont le « tueur invisible » des transformateurs à isolation sèche : les surchauffes qu'ils provoquent accélèrent le vieillissement de l'isolation, et ce vieillissement est cumulatif et irréversible. Aucune mesure unique ne suffit ; une approche globale est nécessaire — idéalement un couplage Dyn11 ou un transformateur à facteur K au stade de la conception, et des filtres actifs ou des réactances correctement configurés en service.

Une telle atténuation élimine non seulement les risques pour la sécurité, mais améliore également l'efficacité opérationnelle et la durée de vie, en maintenant le système électrique stable et fiable.

Édité à partir de :Leon