Rapport sur le marché mondial des transformateurs à état solide (SST) de moyenne tension – Couverture complète de la tension primaire

1. Contexte et portée

Ce rapport fournit une revue systématique des exigences de tension côté primaire (côté réseau) pour les transformateurs à état solide (SST) — également appelés transformateurs électroniques de puissance (PET) — sur les marchés mondiaux hors Chine.

Définitions principales :

• Tension primaire / côté réseau : Le niveau de distribution moyenne tension auquel le SST est connecté. C'est la base fondamentale pour la conception de l'isolation, le nombre de modules de puissance connectés en série, la sélection des parafoudres, la conformité CEM et la certification de raccordement au réseau.

• Tension assignée (U) : La tension nominale du système (par ex., 11 kV, 13,8 kV).

• Tension maximale pour le matériel (Um) : La tension de référence pour la conception de l'isolation, généralement de 10 % à 20 % supérieure à la tension assignée.

• Niveau de tenue au choc de foudre assigné (BIL) : La capacité de tenue de l'isolation contre les surtensions de foudre.

• Tension de tenue à la fréquence industrielle : La tension de tenue de courte durée à la fréquence industrielle, appliquée à travers l'isolation et à travers les contacts ouverts.

Définition normalisée de la moyenne tension :

• Système IEC (IEC 60038 / IEC 60076 / IEC 62271) : La moyenne tension est définie de 1 kV à 35 kV. La CEI 60038 Édition 7.1 (2009 + AMD1:2021), Tableau 3, divise les systèmes triphasés de 1 kV à 35 kV en Série I (usage général, 50/60 Hz) et Série II (nord-américain, spécifique 60 Hz). Les valeurs entre parenthèses (par ex., 15 kV, 17,5 kV) sont désignées comme « non préférées » et ne sont pas recommandées pour les nouveaux systèmes.

• Système IEEE/ANSI (ANSI C84.1 / IEEE C57 / IEEE C37) : La moyenne tension est généralement définie comme >1 kV et <100 kV, avec des tensions de distribution allant généralement de 2,4 kV à 34,5 kV. Le matériel est classé par Classe de tension plutôt que par tension nominale à des fins d'isolation.

Paysage de la fréquence du réseau :

• Environ 70 % des pays/régions utilisent 50 Hz (dominé par l'IEC).

• Environ 30 % utilisent 60 Hz (dominé par l'IEEE, y compris l'Amérique du Nord, l'Amérique latine et certaines parties de l'Asie).

• Quelques pays ont un fonctionnement double 50/60 Hz (Japon, certaines nations des Caraïbes).

Série RW Transformateurs à état solide

2. Paysage mondial de la tension primaire – Couverture complète des 13 niveaux

En combinant les normes IEC 60038 et ANSI C84.1/IEEE, les tensions primaires moyenne tension mondiales peuvent être résumées dans les 13 niveaux clés suivants. Pour que les SST atteignent une « couverture mondiale complète », chaque plateforme d'isolation doit être traitée individuellement.

Niveau 1 : 3,3 kV / 3,6 kV (Bas de gamme IEC)

• Um = 3,6 kV, BIL ≈ 20–40 kV.

• Applications : Réseaux de distribution industrielle dans certains pays, mines, grandes installations industrielles. Classé dans la CEI 60038 comme « non recommandé pour les nouveaux systèmes de distribution publique ».

• Régions : Installations historiques en Autriche, en Belgique et dans d'autres pays européens ; parties de l'Europe de l'Est et systèmes d'influence russe. La demande de SST est faible ; elle peut être absorbée par la plateforme 7,2 kV via une compatibilité descendante.

Niveau 2 : 6,6 kV / 7,2 kV (Classe 7,2 kV IEC)

• Um = 7,2 kV, BIL = 60 kV, Tenue à la fréquence industrielle = 20 kV.

• Fréquence : Coexistence 50/60 Hz.

• Régions : Japon (primaire du Japon oriental), Corée du Sud (industriel), Australie, Nouvelle-Zélande, parties de l'Europe de l'Est (6 kV russe), Afrique du Sud (historique).

• Note : Dans la CEI 60038, 6,6 kV correspond à Um = 7,2 kV et est un niveau « d'usage général ».

Niveau 3 : 10 kV / 11 kV (Classe 12 kV IEC)

• Um = 12 kV, BIL = 75 kV, Tenue à la fréquence industrielle = 28 kV.

• Fréquence : Principalement 50 Hz.

• Régions : Cœur du Royaume-Uni et des anciens systèmes du Commonwealth britannique/coloniaux ; l'un des niveaux les plus largement utilisés à l'échelle mondiale — Inde, Australie, Nouvelle-Zélande, Afrique du Sud, Égypte, Kenya, Nigeria, Émirats arabes unis (DEWA/ADDC), Qatar, Koweït, Oman, Bangladesh, Népal, Malaisie, Sri Lanka, etc.

• Note : La norme CEI 60038 répertorie à la fois 10 kV (ancien système d'Europe continentale) et 11 kV (système britannique). Les équipements sont uniformément conçus pour la plateforme Um = 12 kV / BIL = 75 kV.

Niveau 4 : 12,47 kV / 13,2 kV / 13,8 kV (Classe 15 kV IEEE)

• Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (110 kV optionnel dans certains cas), Tenue en fréquence industrielle ≈ 36 kV.

• Fréquence : 60 Hz.

• Régions : Colonne vertébrale absolue de l'Amérique du Nord (États-Unis, Canada), couvrant >60 % de la charge moyenne tension américaine ; Amérique latine (Brésil, Mexique, Argentine, Chili) ; Philippines.

• Note : Les tensions 12,47 / 13,2 / 13,8 kV appartiennent toutes à la même « Classe d'isolation 15 kV » selon la norme ANSI C84.1. L'isolation, les parafoudres et les câbles sont sélectionnés par Classe, et non par la tension nominale. Il s'agit d'une règle universelle dans la distribution nord-américaine.

Niveau 5 : 15 kV (Système CEI, Valeur non préférée) – [Ajout clé]

• Um = 17,5 kV, BIL = 95 kV, Tenue en fréquence industrielle = 38 kV (calibre du câble : 8,7/15 kV).

• Fréquence : 50 Hz.

• Référence normative : Dans la série I de la CEI 60038, (17,5) — (15) est indiqué entre parenthèses comme une valeur « non préférée », mais il reste une tension reconnue.

• Régions d'application principales – Afrique de l'Est (Corne de l'Afrique) :

  • Éthiopie : La colonne vertébrale de la distribution moyenne tension se compose de 15 kV et 33 kV à deux niveaux. Le réseau de distribution est alimenté par des transformateurs abaisseurs 132/33 kV, 132/15 kV et 45/15 kV. Ethiopian Electric Power (EEP) a lancé le remplacement en masse des appareillages 15 kV et 33 kV dans plusieurs sous-stations (par exemple, Haramaya II, Chellenko II, Woliso, etc., à 132/33/15 kV). La majorité des lignes de départ à Addis-Abeba fonctionnent à 15 kV.

  • Kenya : Les réseaux historiques incluent le 15 kV aux côtés des systèmes 11/33 kV.

  • Tanzanie, Ouganda et autres membres de la Communauté d'Afrique de l'Est : Certaines applications à 15 kV existent en raison de la coordination régionale du réseau.

  • Turquie : La moyenne tension inclut le 15 kV (aux côtés de 6,3 / 11 / 20 / 34,5 kV).

  • Afrique du Nord / Moyen-Orient : Certains anciens systèmes hérités dans certains pays fonctionnent à 15 kV.

• ⚠️ Avertissement critique de conception (Piège courant pour les exportateurs de SST) :

  • Le 15 kV CEI a Um = 17,5 kV, tandis que la « Classe 15 kV » IEEE 13,8 kV a Um ≈ 15 kV. Bien que les deux aient un BIL = 95 kV, la tension maximale pour les équipements diffère.

  • La tension résiduelle du parafoudre, les lignes de fuite, l'équilibrage de tension du module de puissance et l'isolation des câbles doivent être calculés pour 17,5 kV.

  • Ne pas utiliser la plateforme matérielle IEEE 15 kV pour les applications CEI 15 kV — la marge d'isolation sera insuffisante, entraînant des risques de claquage à long terme. Inversement, l'utilisation de la plateforme CEI 17,5 kV en Amérique du Nord entraîne des coûts excessifs.

  • Par conséquent, le 15 kV CEI (Um = 17,5 kV) et la Classe 15 kV IEEE (Um ≈ 15 kV) doivent être traités comme deux plateformes d'isolation complètement indépendantes.

Niveau 6 : 20 kV / 24 kV (Classe 24 kV CEI)

• Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Tenue en fréquence industrielle = 50 kV.

• Fréquence : Principalement 50 Hz.

• Régions : Distribution standard d'Europe continentale — Allemagne, France, Pays-Bas, Belgique, Autriche, Suisse, Danemark, Norvège, Suède, Finlande, Espagne, Portugal, Italie ; ainsi que certaines parties de l'Amérique latine (le Brésil a une distribution mixte à 20 kV).

• Note : La CEI 60038 répertorie à la fois 20 kV et 24 kV (20 kV comme tension assignée, 24 kV comme Um). Les équipements sont uniformément conçus pour Um = 24 kV / BIL = 125 kV. La France utilise à la fois le 20 kV et le 33 kV.

Niveau 7 : 22 kV (Norme régionale de facto)

• Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Tenue en fréquence industrielle = 50 kV.

• Fréquence : 50 Hz.

• Régions : Indonésie, Thaïlande, Vietnam (pays d'Asie du Sud-Est utilisant le système CEI) ; la Corée du Sud inclut également le 22 kV (la tension de distribution standard de KEPCO est de 22 900 V, soit 22,9 kV, 60 Hz) ; l'ouest du Japon utilise le 22 kV.

• ⚠️ Rappel critique : 22 kV ne fait pas partie de la séquence préférée de l'IEC 60038 ; il s'agit d'une tension de dérive opérationnelle régionale. Cependant, les équipements doivent être conçus pour Um = 24 kV, BIL = 125 kV. Une inadéquation entraînera un échec lors des tests de foudre/impulsion sur site en Asie du Sud-Est. L'IEC 60038 note que 22,9 kV (avec Um = 24,2 ou 25,8 kV) est utilisé dans « certains pays » — faisant spécifiquement référence à la Corée du Sud.

Série RW Transformateur hybride à état solide AC-DC

Niveau 8 : 24,94 kV / 26,4 kV (Classe IEEE 25 kV)

• Um = 27 kV, BIL = 125 kV (150 kV en option), Tenue en fréquence industrielle ≈ 50 kV.

• Fréquence : 60 Hz.

• Régions : Amérique du Nord (banlieue américaine, lignes rurales longues à faible charge, correspondant à 24,94 kV GrdY/14,4 kV) ; parties de l'Amérique latine.

• Note : Classé comme « Classe 25 kV » selon l'ANSI C84.1. Les niveaux d'isolation sont proches de l'IEC 24 kV, mais les tolérances de tension du système diffèrent.

Niveau 9 : 30 kV / 33 kV (Classe IEC 36 kV)

• Um = 36 kV, BIL = 170 kV, Tenue en fréquence industrielle = 70 kV.

• Fréquence : 50 Hz.

• Régions : Royaume-Uni métropolitain (distribution primaire 33 kV), Inde (33 kV HT), Afrique du Sud (Eskom), Égypte, Kenya, Nigeria et autres nations africaines, Australie, Nouvelle-Zélande (33 kV), Golfe du Moyen-Orient (Émirats arabes unis, Arabie saoudite, Qatar, etc.), Éthiopie (33 kV aux côtés de 15 kV comme réseau principal).

• Note : L'IEC 60038 liste 30 kV et 33 kV en parallèle ; les deux sont conçus pour Um = 36 kV / BIL = 170 kV. Certains pays africains classent le 33 kV comme « haute tension » à des fins tarifaires.

Niveau 10 : 34,5 kV (Classe IEEE 35 kV)

• Um = 38 kV (ou classe 36 kV), BIL = 200 kV (150 kV en option), Tenue en fréquence industrielle = 80 kV.

• Fréquence : 60 Hz.

• Régions : Amérique du Nord (États-Unis, Canada – lignes rurales longues, interconnexion d'énergie renouvelable), Brésil, Mexique, autres pays d'Amérique latine (distribution secondaire/sous-transport), Philippines (34,5 kV).

• Note : Classé comme « Classe 35 kV » selon l'ANSI C84.1. Il s'agit de la tension dominante pour l'interconnexion des centrales électriques renouvelables en Amérique du Nord.

Niveau 11 : 35 kV (IEC, certains pays)

• Um = 40,5 kV, BIL = 200 kV (145 kV niveau inférieur dans certains cas).

• Fréquence : 50 Hz.

• Régions : France, parties de l'Europe du Nord, Europe de l'Est, systèmes d'influence russe, Vietnam (35 kV), parties de l'Amérique du Sud.

• Note : Il s'agit de l'extrémité supérieure de la Série I de l'IEC 60038. Bien que numériquement proche de l'IEEE 34,5 kV, l'isolation (Um = 40,5 contre 38 kV) et la fréquence (50 contre 60 Hz) diffèrent. Les SST doivent être adaptés séparément.

Niveau 12 : 45 kV / 66 kV (Transition distribution–transport)

• Um = 52 kV / 72,5 kV, BIL ≈ 250 kV / 325 kV respectivement.

• Régions : Éthiopie (45 kV, 66 kV sous-transport), Royaume-Uni (66 kV), Afrique du Sud (66 kV), Nouvelle-Zélande (66 kV), Amérique du Nord (69 kV).

• Note : Celles-ci approchent de la limite MT/HT. Si des SST sont appliqués ici, la conception doit suivre la classe 72,5 kV. Ce rapport se concentre principalement sur les tensions jusqu'à 38 kV.

Niveau 13 : Retour par terre à fil unique (SWER) – Cas particulier

• IEC 60038 Tableau 7 : Um = 24 kV correspond à des tensions de système de 13,9 kV / nominale 12,7 kV ; Um = 36 kV correspond à 20,8 kV / 19,1 kV. Principalement utilisé dans les zones reculées d'Australie et de Nouvelle-Zélande (SWER 12,7 kV / 19,1 kV).

• Les applications SST sont limitées, mais l'isolation reste toujours ancrée aux classes 24 kV / 36 kV.

3. Répartition par système normalisé

3.1 Système normalisé IEC (Série I, principalement 50 Hz)

Séquence de tension assignée préférée de la Série I de l'IEC 60038 (1–35 kV) :

3.3 — 6.6 — 11 — (15) — 22 — 33 — (35) kV

Séquence Um correspondante :

3.6 — 7.2 — 12 — (17.5) — 24 — 36 — (40.5) kV

Groupements régionaux :

• Europe continentale (système 20/24 kV) : Allemagne, France, Pays-Bas, pays nordiques, etc. Isolation : Um = 24 kV / BIL = 125 kV.

• Système du Royaume-Uni et du Commonwealth (séquence 11/33 kV) : Royaume-Uni, Inde, Australie/Nouvelle-Zélande, Afrique du Sud, Moyen-Orient, majeure partie de l'Asie du Sud-Est. Correspond à Um = 12 kV (BIL 75) et Um = 36 kV (BIL 170).

• Asie du Sud-Est 22 kV mixte : Indonésie, Thaïlande, Vietnam – ancrés sur la plateforme Um = 24 kV.

• Système 15 kV d'Afrique de l'Est (point clé) : Éthiopie (réseau principal 15+33 kV), Kenya, Tanzanie, etc. Le 15 kV fonctionne comme une plateforme indépendante à Um = 17,5 kV / BIL = 95 kV. Il s'agit de l'application réelle la plus significative au niveau mondial de la valeur non préférée de 15 kV de la CEI.

Série RW Transformateur d'état solide SST 40,5 kV

3.2 Système standard IEEE/ANSI (Série II / C84.1, 60 Hz)

Les tensions nord-américaines dérivent de la progression 120 V × √3 (2,4 → 4,16 → 12,47 → 13,8 → 24,94 → 34,5 kV), fondamentalement différente de la base européenne de 220 V (3,3/6,6/11 kV).

Classe d'isolation (Classe de tension) selon ANSI C84.1 + IEEE C57.12.00 :

• Classe 5 kV : Couvre 4,16 kV, Um ≈ 4,76 kV, BIL = 60 kV.

• Classe 15 kV : Couvre 12,47 / 13,2 / 13,8 kV, Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (110 kV en option).

• Classe 25 kV : Couvre 24,94 kV, Um = 27 kV, BIL = 125 kV (150 kV en option).

• Classe 35 kV : Couvre 34,5 kV, Um = 38 kV, BIL = 200 kV (150 kV en option).

Principales régions :

• Cœur de l'Amérique du Nord (13,8 kV + 34,5 kV) : États-Unis, Canada.

• Amérique latine (13,8/34,5 kV) : Brésil, Mexique, Argentine, Chili, etc.

• Asie-Pacifique 60 Hz (Système IEEE) : Philippines (13,8/23/34,5 kV), Corée du Sud (22,9/34,5 kV, 60 Hz), Arabie saoudite (parties à 13,8 kV, 60 Hz pour le pétrole/gaz/municipal).

⚠️ Rappel critique : La « classe 15 kV » nord-américaine est un concept de classe d'isolation, où 12,47/13,2/13,8 kV partagent la même plateforme d'isolation. Ceci ne doit pas être confondu avec la CEI 15 kV (Um = 17,5 kV).

3.3 Cas mixtes et spéciaux

• Japon (Coexistence 50/60 Hz – la seule division de fréquence Est-Ouest au monde) :

  • Japon oriental (Tokyo, Hokkaido, etc., 50 Hz) : primaire 6,6 kV, avec 22 kV dans le centre de Tokyo et pour les grands utilisateurs (le SST nécessite une plateforme 22 kV).

  • Japon occidental (Kansai, Kyushu, etc., 60 Hz) : primaire 22 kV.

  • Plage de moyenne tension : de 6,6 kV à 66 kV ; réseau de distribution principal d'environ 740 000 km. Interconnecté via 4 stations de conversion de fréquence HVDC.

  • Stratégie SST : Nécessite des plateformes 7,2 kV et 24 kV + commutation de firmware double fréquence 50/60 Hz.

• Corée du Sud (60 Hz, Hybride Tension CEI + Fréquence IEEE) :

  • Tension de distribution standard : 22 900 V (22,9 kV) ; dispose également de 6,6 kV et 34,5 kV.

  • Le 22,9 kV est classé sous la CEI comme proche de la classe 24 kV (Um = 24,2/25,8 kV), BIL = 125 kV.

  • Stratégie SST : Plateforme 24 kV + 60 Hz ; doit être conforme aux spécifications techniques de raccordement au réseau de KEPCO (notamment anti-îlotage, harmoniques, injection de courant continu <0,5 %, facteur de puissance >90 %).

• Afrique du Sud, Australie : Nominalement CEI, mais avec plusieurs tensions coexistantes (11/22/33 kV), et l'Australie possède le SWER 12,7/19,1 kV.

4. Isolation primaire du SST et cartographie des paramètres clés

Les SST utilisent la conversion électronique de puissance (AC-DC-AC + transformateur d'isolation à haute fréquence). La coordination de l'isolation principale doit satisfaire à la fois : (a) aux normes de tension de tenue côté réseau, et (b) aux surtensions de blocage et à l'équilibrage de tension internes des modules IGBT/MOSFET/SiC.

Cartographie d'isolation clé :