Analyse des normes et des performances structurelles des équipements de distribution combinés
Normes et Classification des Dispositifs de Distribution d'Énergie Combinés
Il existe une variété relativement large de dispositifs de distribution d'énergie combinés. Les plus couramment utilisés incluent les postes de transformation préfabriqués, les transformateurs en boîtier, les postes de transformation préassemblés, les transformateurs combinés, les postes de transformation en boîtier de style européen et les postes de transformation en boîtier de style américain.
Normes Pertinentes pour les Dispositifs de Distribution d'Énergie Combinés
Les normes pertinentes actuellement en vigueur pour les dispositifs de distribution d'énergie combinés en Chine comprennent principalement : la norme nationale GB/T 17467-1998 Postes de Transformation Préfabriqués Haute Tension/Basse Tension, la norme de l'industrie mécanique JB/T 10217-2000 Transformateurs Combinés, et la norme de commande de l'industrie électrique DL/T 537-2002 Lignes Directrices de Sélection pour les Postes de Transformation Préfabriqués Haute Tension/Basse Tension en Boîtier.
En 1995, la Commission Électrotechnique Internationale (CEI) a publié la norme IEC1330-1995 Postes de Transformation Préfabriqués Haute Tension/Basse Tension. La norme nationale GB/T 17467-1998 Postes de Transformation Préfabriqués Haute Tension/Basse Tension est équivalente à la norme IEC1330. Dans cette norme, un poste de transformation préfabriqué est défini comme "un équipement qui a passé les essais de type et qui est utilisé pour transmettre l'énergie électrique d'un système haute tension vers un système basse tension. Il comprend des transformateurs, des équipements de commutation haute et basse tension, des lignes de connexion et des équipements auxiliaires enfermés dans un boîtier".
La norme de l'industrie mécanique JB/T 10217-2000 Transformateurs Combinés stipule que la définition standard d'un transformateur combiné est : "un transformateur qui combine le corps du transformateur, les équipements de commutation, les fusibles, les changeurs de dérivation et les équipements auxiliaires correspondants".
La norme de commande de l'industrie électrique DL/T 537-2002 Lignes Directrices de Sélection pour les Postes de Transformation Préfabriqués Haute Tension/Basse Tension en Boîtier a révisé la norme originale DL/T 537-1993 Conditions Techniques de Commande pour les Postes de Transformation en Boîtier de 6 à 35 kV, rendant la norme de l'industrie électrique pour les postes de transformation en boîtier conforme à la norme IEC 1330-1995. Les différences entre DL/T 537-2002 et IEC 1330-1995 (c'est-à-dire GB/T 17467-1998) sont présentées dans le Tableau 1.
Les trois normes nationales mentionnées ci-dessus sont toutes des normes recommandées. En raison des caractéristiques différentes de diverses industries, chaque norme a ses propres particularités. La norme de commande de l'industrie électrique est considérée du point de vue de l'utilisateur, basée sur les normes internationales (nationales), et ajoute le contenu introduit dans le Tableau 1, fournissant ainsi une base plus détaillée pour la sélection de l'équipement.
Classification des Dispositifs de Distribution d'Énergie Combinés
Malgré les normes mentionnées ci-dessus, la dénomination des dispositifs de distribution d'énergie combinés dans les applications pratiques n'est pas très uniforme, et la classification varie également. Il y a principalement deux catégories : l'une consiste à définir les postes de transformation préfabriqués uniquement comme des postes de transformation en boîtier de style européen ; l'autre consiste à appeler collectivement tous les dispositifs de distribution d'énergie combinés des postes de transformation préfabriqués, puis à diviser les postes de transformation préfabriqués en "postes de transformation en boîtier de style européen" et "postes de transformation en boîtier de style américain". Certains fournisseurs, afin de répondre aux besoins de différents utilisateurs, ont même un produit avec deux noms.
Analyse de la Structure et des Performances
Poste de Transformation Préfabriqué de Style Européen
Dans les années 1970, la Chine a importé des équipements de distribution d'énergie intégrés de 6 à 10 kV de pays européens tels que la France et l'Allemagne. Cet équipement innovant a intégré les trois composants principaux d'un poste de transformation (équipement de commutation haute tension, transformateur et armoire de distribution basse tension) dans un seul boîtier, établissant ainsi le concept de poste de transformation préfabriqué.
En décembre 1993, l'ancien Ministère de l'Électricité a publié la norme de l'industrie DL/T 537-1993 "Spécifications Techniques pour les Postes de Transformation Préfabriqués de 6 à 35 kV". L'article 3.1 de cette norme définit explicitement : "Un ensemble complet de distribution d'énergie compact, composé d'équipements de distribution haute tension, de transformateurs, d'équipements de distribution basse tension et de dispositifs de comptage de l'énergie électrique, enfermés dans un ou plusieurs boîtiers, sera désigné comme un poste de transformation préfabriqué, abrégé en poste de transformation en boîtier." Originaire de conceptions européennes, cette configuration est devenue communément connue sous le nom de poste de transformation préfabriqué de style européen.
Après la publication de la Norme Nationale GB/T 17467-1998 "Postes de Transformation Préfabriqués Haute Tension/Basse Tension" en 1998, la terminologie officielle a été modifiée en "poste de transformation préfabriqué". Cependant, tant les utilisateurs que les fabricants continuent à se référer à ces installations comme des postes de transformation en boîtier ou des postes de transformation de style européen dans la pratique courante.
Caractéristiques Structurales :
Le poste de transformation de style européen comprend généralement trois compartiments fonctionnels :
Compartiment haute tension
Compartiment basse tension
Compartiment transformateur
Deux configurations principales sont utilisées :
Disposition linéaire : Configuration standard
Disposition triangulaire : Adoptée pour des exigences complexes de circuits basse tension
Avantages de Performance par Rapport aux Postes de Transformation Traditionnels :
Optimisation de la proximité de la charge :
Réduit le rayon d'alimentation de 40 à 60 %
Diminue les coûts d'investissement en câbles de 25 à 35 %
Réduit les pertes de ligne de 15 à 20 %
Efficacité spatiale :
Occupe environ 10 % de l'emprise au sol d'un poste de transformation traditionnel
Réduit les coûts de génie civil de 60 à 70 %
Installation simplifiée :
Temps de construction sur site réduit de 50 à 60 %
Limitations Techniques et Solutions :
La conception encapsulée présente des défis critiques en matière de gestion thermique :
Dissipation de chaleur limitée, ce qui augmente la température interne (augmentation typique de ΔT : 8 à 12 °C)
Impact potentiel sur la stabilité des composants (estimation de la dégradation des performances : 3 à 5 % par augmentation de 10 °C)
Les stratégies industrielles de mitigation incluent :
Systèmes de ventilation avancés :
Murs de boîtier structurés en labyrinthe
Ventilateurs d'extraction axiaux (capacité typique de 200 à 400 m³/min)
Mesures d'amélioration thermique :
Optimisation des radiateurs (surface augmentée de 20 à 30 %)
Matériaux isolants résistants à la chaleur (classe H ou supérieure)
Ces solutions, bien qu'efficaces, introduisent :
Complexité structurelle (prolongation du cycle de fabrication : 15 à 20 %)
Consommation d'énergie supplémentaire (systèmes auxiliaires : 5 à 8 % de la charge totale)
Émissions acoustiques (augmentation typique du niveau de bruit : 3 à 5 dBA)
Récents Progrès Technologiques :
Les fabricants leaders ont réalisé des développements novateurs en matière de gestion thermique :
Nouvelles configurations de dissipation de chaleur pour les transformateurs (amélioration de l'efficacité : 12 à 15 %)
Aérodynamique optimisée du boîtier (réduction de la température : 6 à 8 °C)
Conceptions de haute capacité certifiées (≥ 800 kVA) sans ventilation forcée
Conformité aux limites thermiques des transformateurs secs selon la norme GB 1094.11 (élévation maximale de la température des bobinages : 100 K)
Ces innovations maintiennent la conformité aux normes nationales tout en réalisant :
Économies d'énergie (réduction de la puissance des ventilateurs : 100 %)
Réduction du niveau de bruit (4 à 7 dBA)
Amélioration de la fiabilité opérationnelle (amélioration du MTBF : 20 à 25 %)
Postes de Transformation en Boîtier de Style Américain (Transformateurs Combinés)
Dans les années 1990, les transformateurs de distribution triphasés compartimentés de style américain sont entrés sur le marché chinois. Selon la norme américaine ANSI C57.12.26-1992 Norme pour les Transformateurs de Distribution Triphasés Compartmentés Auto-refroidis avec Connecteurs Haute Tension à Branchement Rapide, les câbles haute tension sont connectés au transformateur via des connecteurs de câble dans le compartiment haute tension, et les câbles basse tension sont connectés aux bornes basse tension avec des boulons dans le compartiment basse tension. Le réservoir d'huile du transformateur compartimenté est équipé de fusibles haute tension et de commutateurs de charge à quatre positions. Le transformateur peut fonctionner comme un terminal ou dans un réseau en boucle, protégeant et contrôlant l'état d'alimentation côté haute tension du transformateur.
Les fabricants de transformateurs en Chine ont ajouté des disjoncteurs basse tension et des compteurs d'électricité aux compartiments basse tension des produits de style américain, les transformant en dispositifs de distribution d'énergie combinés. Ces dispositifs sont largement utilisés dans les communautés résidentielles. Pour les distinguer des postes de transformation en boîtier de style européen, on les appelle postes de transformation en boîtier de style américain, également connus sous le nom de transformateurs combinés. La norme de l'industrie mécanique JB/T 10217-2000 Transformateurs Combinés explique la définition standard des transformateurs combinés (comme mentionné ci-dessus). Dans l'article 3.7, il définit les "compartiments haute et basse tension" comme "des espaces où les terminaisons de câbles haute et basse tension et les parties de commande et de contrôle des composants électriques sont enfermés par des plaques d'acier, s'appuyant sur les parois du réservoir d'huile". C'est l'une des différences structurelles par rapport aux postes de transformation en boîtier de style européen.
Cette norme classe les transformateurs combinés (postes de transformation en boîtier de style américain) en deux types selon la structure du réservoir d'huile : type réservoir commun et type réservoir séparé. Dans le type réservoir commun, les composants électriques haute tension partagent un réservoir d'huile de transformateur avec le corps du transformateur, désigné par la lettre ZG. Dans le type réservoir séparé, les composants électriques haute tension tels que les commutateurs de charge sont placés dans un réservoir d'huile séparé, tandis que les autres composants électriques haute tension et le corps du transformateur sont installés dans un autre réservoir d'huile. Les circuits d'huile des deux réservoirs ne sont pas connectés, désignés par la lettre ZF.
Transformateurs Combinés à Réservoir Commun
En plus des avantages des postes de transformation en boîtier de style européen, les transformateurs combinés à réservoir commun offrent les avantages suivants :
Emprise Réduite : Occupe environ 3/5 de la surface d'un poste de transformation en boîtier de style européen.
Meilleure Dissipation de Chaleur : Le transformateur est directement exposé, ce qui est bénéfique pour la dissipation de chaleur. La structure est relativement simple, et le prix de vente est relativement bas (environ 3/5 de celui d'un poste de transformation en boîtier de style européen).
Transport et Installation Faciles : Plus petit en volume, ce qui facilite le transport et l'installation.
Dans le contexte chinois, les postes de transformation en boîtier de style américain importés directement de l'étranger présentent les défauts suivants :
Dégradation de l'Huile du Transformateur : Lorsque le commutateur de charge haute tension fonctionne, l'arc généré est susceptible de provoquer la décomposition de l'huile du transformateur, affectant la durée de vie globale du poste de transformation en boîtier de style américain.
Opération en Phase Manquante : Lorsqu'un fusible haute tension fond, cela peut entraîner une opération du transformateur en phase manquante.
Fonctionnalité Limitée du Circuit Haute Tension : Le circuit haute tension a des fonctions relativement simples, qui ne répondent pas pleinement aux exigences des réglementations actuelles de fonctionnement électrique. Par exemple, le commutateur de charge haute tension n'a pas de point de disconnexion visible.
Pour remédier à ces problèmes, les fabricants nationaux ont apporté plusieurs améliorations. Comme mentionné ci-dessus, des disjoncteurs basse tension (généralement des disjoncteurs à air intelligents) ont été ajoutés aux compartiments basse tension des postes de transformation en boîtier de style américain pour réaliser plusieurs protections contre les défauts tels que les surcharges, les sous-tensions, les courts-circuits et les défauts à la terre. Cela élimine le phénomène de fusion des fusibles haute tension en raison des courts-circuits ou des surcharges dans les lignes de distribution basse tension, évitant ainsi l'opération en phase manquante du transformateur. Deuxièmement, la partie haute tension a été redessinée. Par exemple, en termes de protection haute tension, les postes de transformation en boîtier de style américain utilisent des commutateurs de charge pour couper l'alimentation de la charge et s'appuient sur des fusibles de protection de secours et des fusibles à branchement rapide pour la protection complète de l'alimentation.
Transformateurs Combinés à Réservoir Séparé
Jusqu'à présent, la plupart des postes de transformation en boîtier de style américain fabriqués par les fabricants de transformateurs appartiennent au type ZG de transformateurs combinés à réservoir commun. Pour éliminer les inconvénients des transformateurs combinés à réservoir commun mentionnés ci-dessus, les fabricants nationaux de transformateurs ont séparé les composants haute tension tels que les commutateurs de charge et les fusibles de protection de secours du réservoir d'huile du transformateur. De l'huile à point d'éclair élevé est injectée dans les petits compartiments des composants haute tension tels que les commutateurs de charge, et de l'huile ordinaire de type 25 est injectée dans le réservoir d'huile du transformateur. Cela résout non seulement le problème de vieillissement de l'huile du transformateur causé par l'opération du commutateur de charge, mais aussi le problème de dissipation de chaleur causé par l'utilisation d'huile à point d'éclair élevé dans l'ensemble du réservoir d'huile du transformateur (en raison de sa viscosité élevée).
Adoption des Transformateurs à Alliage Amorphe
Le transformateur est le composant le plus volumineux et le plus générant de chaleur dans un poste de transformation en boîtier. Ses caractéristiques structurelles et le niveau de pertes sont directement liés à la conception globale du poste de transformation en boîtier.
En 1996, la Chine a réussi à développer et produire des transformateurs de distribution non cristallins de moins de 500 kVA, mais la production était faible et n'a pas atteint une production à grande échelle. En 1998, la Shanghai Xindian Electric Company a introduit la technologie de conception et de fabrication des transformateurs amorphes de General Electric (GE) aux États-Unis pour une production à grande échelle. Actuellement, il y a plus de 20 fabricants de transformateurs amorphes. Les pertes à vide des noyaux de fer à alliage amorphe sont de 20 % de celles de la série S9, montrant un effet d'économie d'énergie très significatif.
Les normes de transformateurs de distribution ANSI jouent également un rôle dans le contexte plus large de la technologie et du marché des transformateurs. Cependant, le principal facteur limitant l'adoption des transformateurs à alliage amorphe dans les postes de transformation en boîtier nationaux est le prix, qui nécessite que le pays mette en œuvre des politiques d'incitation appropriées. En fait, il existe de nombreuses politiques d'incitation pour l'utilisation de transformateurs à alliage amorphe à l'échelle nationale et internationale. Selon les fabricants taïwanais, la région de Taïwan a établi des normes strictes pour les produits de transformateurs à alliage non cristallin. Quel que soit l'endroit où les utilisateurs achètent des transformateurs à alliage amorphe, ils peuvent recevoir des subventions en fonction de la capacité du transformateur, avec une récompense de dizaines de milliers de dollars taiwanais par kW.
Comparaison entre les Postes de Transformation en Boîtier de Style Européen et Américain
Comme mentionné ci-dessus, les postes de transformation en boîtier de style américain et européen partagent des avantages en termes de volume, d'emprise au sol et de coordination environnementale. Les postes de transformation en boîtier de style américain, souvent conçus en référence aux normes relatives aux transformateurs de distribution ANSI, présentent même certains avantages par rapport aux postes de transformation de style européen en termes d'emprise au sol, de prix et de dissipation de chaleur. Par exemple, dans le cas du poste de transformation en boîtier de type DXB(W)-1.10, les embases haute et basse tension, les changeurs de dérivation, les conservateurs d'huile et les vannes de vidange du transformateur sont installés sur un mur latéral, chacun étant enfermé dans des compartiments d'équipements haute et basse tension distincts. Le transformateur forme ainsi une partie de la coque du poste de transformation en boîtier, tandis que les trois autres murs latéraux sont équipés de dissipateurs de chaleur ondulés exposés à l'air. Cela améliore les conditions de dissipation de chaleur et réduit certaines pertes.
Cependant, comme les parties de dissipation de chaleur des postes de transformation en boîtier de style américain sont exposées à l'air pendant une longue période, de nouveaux problèmes tels que la corrosion des matériaux en raison de l'environnement naturel apparaissent, affectant la durée de vie globale de l'équipement. De plus, en été, la température des dissipateurs de chaleur des postes de transformation en boîtier de style américain peut atteindre 80 à 90 °C, posant un risque de brûlure pour les personnes qui s'en approchent accidentellement.
Les postes de transformation en boîtier de style européen utilisant des transformateurs à alliage amorphe sont de nouveaux produits développés par les fabricants nationaux. Ils représentent une avancée technologique après les transformateurs combinés à alliage amorphe (y compris les types à réservoir commun et séparé). Avec des améliorations dans d'autres conceptions de dissipation de chaleur, ils atteignent un refroidissement naturel tout en répondant aux exigences nationales de montée en température, éliminant la consommation d'énergie et le bruit des ventilateurs. Ainsi, les postes de transformation en boîtier de style européen à alliage amorphe possèdent d'excellentes caractéristiques techniques.
Conclusion
Avec la promotion accrue des normes, la dénomination des dispositifs de distribution d'énergie combinés devrait devenir plus unifiée. Le développement de la technologie et l'amélioration des processus de fabrication et des structures rendent les postes de transformation en boîtier de style américain et européen plus avantageux par rapport aux postes de transformation traditionnels. Ils sont mieux adaptés aux
