Développement et Caractéristiques Techniques des Transformateurs à Sec dans Différentes Régions

Avant les années 1960, les transformateurs à sec utilisaient principalement une isolation de classe B dans des conceptions à ventilation ouverte, avec le modèle de produit désigné comme SG. À cette époque, les enroulements en feuille n'étaient pas encore disponibles, donc les bobines basse tension étaient généralement construites à l'aide de conducteurs multicâbles en configurations superposées ou en spirale, tandis que les bobines haute tension adoptaient un design de type disque. Les conducteurs utilisés étaient soit des fils doublement enveloppés de fibre de verre, soit des fils enveloppés de fibre de verre avec un revêtement d'alkyde.

La plupart des autres composants d'isolation étaient fabriqués en matériaux de fibre de verre phénolique. Le processus d'imprégnation impliquait l'utilisation de vernis d'isolation de classe B pour imprégner les bobines haute et basse tension à température et pression ambiantes, suivi d'un séchage à température moyenne (les températures ne dépassant pas 130°C). Bien que ce type de transformateur à sec représentait une amélioration significative en termes de résistance au feu par rapport aux transformateurs immergés dans l'huile, ses performances en termes de résistance à l'humidité et à la pollution étaient insuffisantes.

En conséquence, la production de ce type a été arrêtée. Néanmoins, la conception réussie de ses calculs électriques, magnétiques et thermiques, ainsi que sa disposition structurelle, ont jeté les bases solides pour le développement ultérieur de nouveaux transformateurs à sec à ventilation ouverte isolés de classe H.

Aux États-Unis, certains fabricants, tels que FPT Corporation en Virginie, ont développé des transformateurs à sec utilisant le matériau aramide NOMEX® de DuPont comme principal isolant. FPT propose deux modèles de produits : le type FB, avec un système d'isolation classé à 180°C (classe H), et le type FH, classé à 220°C (classe C), avec des augmentations de température des bobines de 115K (125K en Chine) et 150K, respectivement. Les bobines basse tension utilisent soit des enroulements en feuille, soit des enroulements multicâbles superposés, avec l'isolation entre spires et couches réalisée en NOMEX®.

Les bobines haute tension sont de type disque, avec des conducteurs enveloppés de papier NOMEX®. Au lieu de blocs d'espacement conventionnels entre les disques de bobine, des espaces en forme de peigne sont utilisés, réduisant efficacement la tension maximale entre les disques de moitié et améliorant considérablement la résistance aux courts-circuits axiaux des bobines haute tension - bien que cela augmente la complexité du bobinage et le temps de fabrication. Les bobines haute et basse tension sont enroulées concentriquement pour améliorer la résistance mécanique. Certains designs intègrent également des plaques d'isolation en NOMEX® comme espaces et blocs.

Les cylindres d'isolation entre les enroulements haute et basse tension sont fabriqués à partir de carton de papier NOMEX® d'une épaisseur de 0,76 mm. Le processus d'imprégnation utilise plusieurs cycles d'imprégnation sous vide à pression (VPI) suivis d'un séchage à haute température (atteignant 180–190°C). Chez FPT, ces transformateurs sont fabriqués avec une tension maximale de 34,5 kV et une capacité maximale de 10 000 kVA. Cette technologie a reçu la certification UL aux États-Unis.

En Chine, certains fabricants de transformateurs ont adopté les matériaux d'isolation NOMEX® de DuPont et les spécifications de fabrication pertinentes (telles que HV-1 ou HV-2) ainsi que les normes techniques de transformateurs Reliatran® pour produire des transformateurs à sec de type SG isolés de classe H, similaires au type FB de FPT. Cependant, contrairement à FPT, les fabricants nationaux imprègnent généralement uniquement les bobines plutôt que l'ensemble du transformateur. Bien que l'imprégnation complète du corps offre une meilleure étanchéité globale, elle est moins esthétique et nécessite que tous les tests de produit soient terminés avant le traitement. De plus, le vernis d'imprégnation est plus susceptible de se contaminer, rendant l'imprégnation des bobines seulement une option plus pratique et raisonnable dans le contexte chinois.

En Europe, le développement des transformateurs à sec a pris une voie plus diversifiée. En plus des technologies de moulage sous vide en résine époxy et de bobinage, d'autres types ont émergé, y compris des transformateurs encapsulés non moulés à isolation solide de type SCR et des transformateurs à sec à ventilation ouverte de type SG similaires à ceux en Chine. Dans les années 1970, un fabricant suédois a développé des transformateurs à sec à ventilation ouverte utilisant l'isolation NOMEX®. Plus tard, un autre fabricant a remplacé le NOMEX® par de la fibre de verre et du DMD, réduisant les coûts des matériaux.

La structure des bobines ressemblait à celle des premiers produits isolés de classe B, avec des bobines basse tension enroulées en multicâbles ou en feuille et des bobines haute tension de type disque. L'isolation entre spires était faite de fibre de verre, et les espaces étaient en céramique. D'autres composants d'isolation utilisaient des stratifiés de tissu de verre de résine d'éther diphenyle modifié (pour les cylindres) ou des stratifiés de tissu de verre de polyamide-imide modifié (pour les cylindres), DMD, SMC et des matériaux similaires. La méthode de traitement des bobines utilisait l'IV (imprégnation sous vide) sans application de pression pendant l'imprégnation.

Les aspects techniques clés de ce processus comprennent le choix approprié du vernis d'imprégnation (résine) et des paramètres de processus, ainsi que la production de pièces en céramique. Les céramiques ordinaires sont fragiles, non vernies, sensibles à l'humidité et sujettes à la fissuration sous des contraintes inégales ou des gradients thermiques. Par conséquent, elles doivent posséder une très grande densité et dureté - qualités actuellement réalisables uniquement à travers des matériaux importés.