SCB et SGB transformateurs à sec expliqués

1. Introduction

Un transformateur fonctionne sur le principe de l'induction électromagnétique. Les principaux composants d'un transformateur sont les enroulements et le noyau. Pendant le fonctionnement, les enroulements servent de chemin pour le courant électrique, tandis que le noyau sert de chemin pour le flux magnétique. Lorsqu'une énergie électrique est injectée dans l'enroulement primaire, le courant alternatif crée un champ magnétique alternatif dans le noyau (c'est-à-dire que l'énergie électrique est convertie en énergie du champ magnétique). En raison du couplage magnétique (liaison de flux), le flux magnétique passant à travers l'enroulement secondaire change continuellement, induisant ainsi une force électromotrice (FEM) dans l'enroulement secondaire. Lorsqu'un circuit externe est connecté, l'énergie électrique est transmise à la charge (c'est-à-dire que l'énergie du champ magnétique est reconvertie en énergie électrique). Ce processus de conversion "électricité–magnétisme–électricité" est réalisé sur la base du principe de l'induction électromagnétique, et ce processus de conversion d'énergie constitue le principe de fonctionnement d'un transformateur.

U1N2 = U2N1

U1 : Tension primaire ; N1 : Nombre de spires de l'enroulement primaire ; U2 : Tension secondaire ; N2 : Nombre de spires de l'enroulement secondaire

Selon la norme nationale chinoise GB 1094.16, un transformateur à sec est clairement défini comme un transformateur dont le noyau et les enroulements ne sont pas immergés dans un liquide isolant. Son milieu d'isolation et de refroidissement est l'air. Dans un sens large, les transformateurs à sec peuvent être divisés en deux types principaux : encapsulés et à enroulements ouverts.

• Le type "SC(B)" fait référence à un transformateur à sec moulé dans de la résine époxy (le "B" dans la désignation du modèle indique que les enroulements sont faits de feuilles de cuivre ; le "B" dans "SG(B)" a la même signification). L'enroulement haute tension est entièrement encapsulé avec de la résine époxy, tandis que l'enroulement basse tension n'est généralement pas entièrement moulé avec de la résine époxy - seules les extrémités des spires sont scellées avec de la résine époxy (cela est également dû au fait que le côté basse tension transporte un courant plus élevé, et un moulage complet aurait un effet négatif sur la dissipation de la chaleur). Actuellement, les transformateurs à sec de type SC(B) sont les produits dominants sur le marché, et cet article les utilise comme exemple pour l'analyse. La plupart des transformateurs de type SC(B) ont une isolation de classe F, avec quelques-uns classés en classe H.

• Le type "SG(B)" est un transformateur à sec à enroulements ouverts qui utilise du papier d'isolation NOMEX de DuPont (États-Unis) pour l'isolation entre les spires. L'enroulement basse tension est fait de feuilles de cuivre, et les enroulements haute et basse tension subissent un traitement d'isolation VPI (Impregnation sous Vide et Pression). La surface est recouverte d'une couche de vernis isolant époxy. La plupart des transformateurs à sec de type SG(B) ont une isolation de classe H, avec quelques-uns classés en classe C.

• Il existe un autre type de transformateur à sec, désigné "SCR(B)", qui est un type encapsulé mais non moulé avec de la résine époxy. Il est entièrement encapsulé en utilisant du papier NOMEX et du gel de silicone, basé sur une technologie française. Ce produit a une demande très limitée sur le marché. Tous les transformateurs à sec de type SCR(B) ont une isolation de classe H.

2 Avantages des transformateurs à sec

• Sûrs, ignifuges, ininflammables, antiparasitaires, sans pollution, et peuvent être installés directement au centre de la charge ;

• Sans maintenance, avec des coûts d'exploitation globaux faibles ;

• Excellente résistance à l'humidité - peuvent fonctionner normalement à 100 % d'humidité et peuvent être remis sous tension sans pré-séchage après avoir été arrêtés ;

• Faibles pertes, faible décharge partielle, faible bruit, forte dissipation thermique, et capables de fonctionner à 150 % de la charge nominale sous conditions de refroidissement forcé par air ;

• Équipés d'un système de protection et de contrôle de température complet, offrant une assurance fiable pour un fonctionnement sûr ;

• Compact, léger, empreinte au sol réduite, et coûts d'installation faibles.

3.Inconvénients des transformateurs à sec

• Pour la même capacité et la même tension nominale, les transformateurs à sec sont plus chers que les transformateurs à huile ;

• La tension nominale est limitée - généralement jusqu'à 35 kV, avec seulement quelques modèles atteignant 110 kV ;

• Généralement utilisés à l'intérieur ; lorsqu'ils sont utilisés à l'extérieur, ils nécessitent un boîtier de protection avec un haut niveau de protection contre l'intrusion (IP) ;

• Pour les enroulements moulés en résine, si endommagés, ils doivent souvent être mis au rebut, car la réparation est généralement difficile.

4. Structure des transformateurs à sec

4.1 Enroulements
(1) Enroulement en couches : Fabriqué en empilant des conducteurs plats ou ronds et en les enroulant en spirale pour former plusieurs couches. Des isolants ou des canaux de ventilation sont placés entre les couches. L'enroulement est moulé et durci sous vide à l'aide d'un moule et d'un équipement de moulage spécialisé. Processus : enroulement hélicoïdal en couches → placé dans le moule → moulage sous vide.

(2) Enroulement en feuille : Fabriqué en enroulant des conducteurs fins et larges, avec un tour par couche. L'isolant inter-couche sert également d'isolant entre les tours. Les enroulements en feuille utilisent généralement des canaux de refroidissement axiaux : pendant l'enroulement, des bandes d'espacement sont insérées à des positions de tours spécifiques et sont ensuite retirées pour former des canaux d'air axiaux. Après l'enroulement sur une machine d'enroulement en feuille, la bobine n'a besoin que d'être chauffée et durcie - aucun moule ni moulage n'est nécessaire.

Pourquoi le bobinage haute tension est-il placé sur la couche extérieure et le bobinage basse tension sur la couche intérieure?
Parce que le côté basse tension fonctionne à une tension plus faible et nécessite un espace d'isolation plus petit, le placer plus près du noyau réduit la distance entre le bobinage et le noyau, réduisant ainsi la taille globale et le coût du transformateur. De plus, le bobinage haute tension a généralement des connexions de prises; le placer à l'extérieur rend l'exploitation plus pratique et plus sûre.

4.2 Noyau

• Construit en empilant plusieurs feuilles de silicium enduites de vernis isolant;

• Le noyau est principalement serré par des cadres de serrage et des boulons de serrage;

• Les cadres de serrage supérieurs et inférieurs compriment le noyau et les bobinages via des tiges de liaison ou des plaques de liaison;

• Les composants d'isolation du noyau comprennent l'isolation du cadre, l'isolation des boulons, ou l'isolation des plaques de liaison.

Pourquoi le noyau doit-il être mis à la terre?
Lors du fonctionnement normal, le noyau du transformateur doit avoir un et un seul point de mise à la terre fiable. Sans mise à la terre, une tension flottante se développerait entre le noyau et la terre, entraînant des décharges intermittentes de rupture du noyau vers la terre. La mise à la terre du noyau en un seul point élimine la possibilité d'une tension flottante.

Cependant, si le noyau est mis à la terre en deux points ou plus, des potentiels inégaux entre les sections du noyau provoqueront des courants de circulation entre les points de mise à la terre, entraînant des pannes de mise à la terre multiples et un surchauffe localisée. Ces pannes de mise à la terre du noyau peuvent provoquer une élévation locale de température importante, potentiellement déclenchant un saut de protection. Dans des cas extrêmes, des points fondus sur le noyau créent des courts-circuits entre les feuilles, augmentant considérablement les pertes dans le noyau et affectant gravement les performances et le fonctionnement du transformateur—parfois nécessitant le remplacement des feuilles de silicium pour la réparation. Par conséquent, les transformateurs ne doivent pas avoir plusieurs points de mise à la terre; un seul et exactement un point de mise à la terre est autorisé.

5.Système de Contrôle de Température

La sécurité de fonctionnement et la durée de vie d'un transformateur à sec dépendent largement de la sécurité et de la fiabilité de l'isolation des bobinages. Si la température des bobinages dépasse la limite thermique de résistance de l'isolation, l'isolation sera endommagée—c'est l'une des principales causes de dysfonctionnement du transformateur. Par conséquent, la surveillance de la température de fonctionnement et la mise en œuvre de contrôles d'alarme et de coupure sont cruciales.

(1) Contrôle automatique des ventilateurs: Les signaux de température sont mesurés par des détecteurs de température à résistance Pt100 intégrés dans la partie la plus chaude du bobinage basse tension. À mesure que la charge du transformateur augmente et que la température de fonctionnement s'élève, le système démarre automatiquement les ventilateurs de refroidissement lorsque la température du bobinage atteint 110°C, et les arrête lorsque la température redescend à 90°C.

(2) Alarme de haute température et coupure de surtempérature: Les signaux de température provenant des bobinages ou du noyau sont collectés par des thermistances non linéaires PTC intégrées dans le bobinage basse tension. Si la température du bobinage continue à monter et atteint 155°C, le système émet un signal d'alarme de surtempérature. Si la température augmente encore jusqu'à 170°C, le transformateur ne peut plus fonctionner en toute sécurité, et un signal de coupure de surtempérature doit être envoyé au circuit de protection secondaire.

(3) Système d'affichage de température: Les valeurs de température sont mesurées par des thermistances Pt100 intégrées dans le bobinage basse tension et affichent directement la température de chaque bobinage de phase (avec une surveillance triphasée, affichage de la valeur maximale et enregistrement de la température maximale historique). Le système fournit une sortie analogique de 4–20 mA pour la température la plus élevée. Si une transmission à distance vers un ordinateur est requise (jusqu'à 1200 mètres), il peut être équipé d'une interface d'ordinateur et d'un émetteur, permettant une surveillance simultanée de jusqu'à 31 transformateurs. Le signal de thermistance Pt100 peut également déclencher des alarmes et des coupures de surtempérature, renforçant davantage la fiabilité du système de protection de température.

6. Enveloppe des Transformateurs à Sec

En fonction des caractéristiques de l'environnement de fonctionnement et des exigences de protection, les transformateurs à sec peuvent être équipés de différents types d'enveloppes. Généralement, une enveloppe de classe IP20 est sélectionnée, qui empêche l'entrée d'objets solides étrangers de plus de 12 mm de diamètre et de petits animaux tels que rats, serpents, chats et oiseaux, évitant ainsi des pannes graves comme les courts-circuits et les interruptions de courant, et fournissant une barrière de sécurité pour les parties sous tension.

Si le transformateur doit être installé à l'extérieur, une enveloppe de classe IP23 peut être utilisée. En plus de la protection offerte par l'IP20, elle empêche également les gouttes d'eau tombant à des angles allant jusqu'à 60° de la verticale. Cependant, l'enveloppe IP23 réduit la capacité de refroidissement du transformateur, donc une attention particulière doit être portée à la dérate de sa capacité de fonctionnement lors de la sélection de ce type d'enveloppe.

7. Méthodes de refroidissement des transformateurs à sec

Les transformateurs à sec utilisent deux méthodes de refroidissement : le refroidissement naturel par air (AN) et le refroidissement forcé par air (AF).

Avec le refroidissement naturel par air, le transformateur peut fonctionner en continu à sa capacité nominale pendant une longue période.

Avec le refroidissement forcé par air, la capacité de sortie du transformateur peut être augmentée de 50 %, ce qui le rend adapté pour un fonctionnement en surcharge intermittente ou en cas d'urgence. Cependant, lors d'un fonctionnement en surcharge, les pertes de charge et la tension d'impédance augmentent considérablement, rendant l'opération non économique ; par conséquent, un fonctionnement en surcharge continu prolongé doit être évité.

8. Éléments de test pour les transformateurs à sec

• Mesure de la résistance directe des enroulements :
  Vérifie la qualité de soudage des conducteurs internes, l'état de contact entre les changeurs de dérivation et les connexions, ainsi que si les résistances des phases sont équilibrées. Généralement, l'imbalance de résistance entre les lignes ne devrait pas dépasser 2 %, et l'imbalance entre les phases ne devrait pas dépasser 4 %. Une imbalance excessive de résistance directe peut provoquer des courants circulants entre les trois phases, augmentant les pertes par courants circulants et entraînant des effets indésirables tels que la surchauffe du transformateur.

• Vérification du rapport de tension à toutes les positions de dérivation :
  Vérifie si le nombre de spires est correct et si toutes les connexions de dérivation sont correctement câblées. Lors de l'application de 1000 V au côté haute tension (et ses diverses dérivations), vérifiez si le transformateur sort environ 400 V sur le côté basse tension.

• Vérification du groupe de connexion des enroulements triphasés et de la polarité.

• Mesure de la résistance d'isolement des fixations isolantes du noyau et du noyau lui-même.

• Mesure de la résistance d'isolement des enroulements :
  Évalue le niveau d'isolation entre les enroulements haute tension, basse tension et la terre. Généralement, un mégohmmètre de 2500 V est utilisé, et les valeurs de résistance d'isolement mesurées (HT–BT, HT–terre, BT–terre) doivent dépasser les valeurs standard spécifiées.

• Test de tension alternative de tenue des enroulements :
  Évalue la force principale de l'isolation entre HT, BT et la terre via un test de résistance diélectrique. Ce test est décisif pour détecter les défauts localisés introduits lors de la fabrication. Pour les transformateurs à sec, les tensions de test typiques sont : 35 kV pour l'enroulement de 10 kV et 3 kV pour l'enroulement de 0,4 kV, chacune appliquée pendant 1 minute sans rupture pour être considérée comme acceptable.

• Tests de commutation et d'interverrouillage des disjoncteurs de tous les côtés du transformateur :
  Vérifie la fiabilité des opérations des relais de protection et confirme que les équipements de commutation sont intacts et exempts de défauts.

9. Test de commutation impulsionnelle (inrush)

(1) Lors de la déconnexion d'un transformateur à vide, une surtension de commutation peut se produire. Dans les systèmes électriques avec une neutre non mise à la terre ou mise à la terre via un bobinage d'extinction d'arc, l'amplitude de la surtension peut atteindre 4 à 4,5 fois la tension de phase ; dans les systèmes avec une neutre directement mise à la terre, elle peut atteindre jusqu'à 3 fois la tension de phase. Pour vérifier si l'isolation du transformateur peut supporter la tension pleine ou la surtension de commutation, un test impulsionnel est nécessaire.

(2) L'alimentation d'un transformateur à vide produit un courant de démarrage magnétique, qui peut atteindre 6 à 8 fois le courant nominal. Le courant de démarrage diminue rapidement au début - généralement réduisant à 0,25 à 0,5 fois le courant nominal en 0,5 à 1 seconde - mais la diminution complète peut prendre beaucoup plus longtemps, jusqu'à plusieurs dizaines de secondes pour les transformateurs de grande capacité. En raison des forces électromagnétiques importantes générées par le courant de démarrage, le test impulsionnel est effectué pour évaluer la solidité mécanique du transformateur et pour évaluer si les relais de protection peuvent mal fonctionner pendant la phase initiale de décroissance du courant de démarrage.
Généralement, les transformateurs nouvellement installés subissent 5 tests impulsionnels, tandis que les transformateurs révisés subissent 3 tests impulsionnels.

10. Test à vide

L'objectif du test à vide est :

• De mesurer la perte à vide et le courant à vide du transformateur ;

• De vérifier si la conception et la fabrication du noyau répondent aux spécifications techniques et aux normes ;

• De détecter les défauts du noyau tels que le surchauffage local ou l'isolation locale insuffisante.

Lors du test, le côté haute tension est ouvert, et la tension nominale est appliquée au côté basse tension. La perte à vide est principalement due à la perte de fer.

Les défauts détectables par le test à vide incluent :

• Une mauvaise isolation entre les laminations d'acier silicium ;

• Des courts-circuits locaux ou des dommages par brûlure entre les laminations du noyau ;

• Un défaut d'isolation des boulons traversant le noyau, des bandes d'acier, des plaques de serrage, des yokes supérieurs, etc., causant des courts-circuits ;

• Des feuilles d'acier silicium lâches, mal alignées ou des espaces d'air excessifs dans le circuit magnétique ;

• Une mise à la terre multi-points du noyau ;

• Des courts-circuits interbobinages ou intercouches dans les enroulements, ou un nombre inégal de tours dans les branches parallèles causant un déséquilibre en ampère-tours ;

• L'utilisation de feuilles d'acier silicium à haute perte et de faible qualité ou des erreurs dans les calculs de conception.

11. Test de court-circuit

Le test de court-circuit mesure principalement les pertes par court-circuit et l'impédance. Il est effectué lors de la mise en service pour vérifier la correction de la structure des enroulements, et après le remplacement des enroulements pour vérifier les écarts significatifs par rapport aux résultats précédents des tests.

L'alimentation du test peut être triphasée ou monophasée, appliquée au côté haute tension tandis que le côté basse tension est court-circuité. Pendant le test, le courant du côté haute tension est élevé à sa valeur nominale, et le courant du côté basse tension est contrôlé pour rester à la valeur nominale.

12. Gestion des conditions anormales des transformateurs à sec

12.1 Bruit anormal du transformateur

• Bruit mécanique causé par :

• Écrous de serrage du noyau desserrés ;

• Déformation des coins du noyau en raison d'un mauvais traitement pendant le transport ou l'installation ;

• Objets étrangers reliant des parties du noyau ;

• Vis de montage du ventilateur desserrées ou débris étrangers à l'intérieur du ventilateur ;

• Vis de montage de l'enveloppe desserrées, provoquant une vibration et un bruit du panneau ;

• Vis de fixation du bus basse tension desserrées ou absence de connexions flexibles, entraînant une vibration et un bruit ;

• Tension d'entrée excessive provoquant une sur-excitation et un bourdonnement plus fort.

• Bruit des harmoniques d'ordre supérieur : irrégulier en motif—variable en volume et présent de manière intermittente. Principalement causé par des équipements générant des harmoniques (par exemple, fours électriques, redresseurs à thyristors) du côté de l'alimentation ou de la charge, qui renvoient des harmoniques dans le transformateur.

• Facteurs environnementaux : petite salle de transformateur avec des murs lisses créant un effet de "caisse de résonance", amplifiant le bruit perçu.

12.2 Affichage de température anormal

• Capteur non inséré dans la prise située à l'arrière de l'unité d'affichage de température—la lumière témoin s'allume ;

• Connexion lâche à la prise du capteur augmentant la résistance, provoquant des lectures de température faussement élevées ;

• Lecture de température infinie sur une phase indique une rupture de circuit dans le fil de résistance en platine du capteur ;

• Lecture anormalement élevée sur une phase suggère que la résistance en platine est dans un état partiellement cassé (intermittent).

Un transformateur fonctionne sur le principe de l'induction électromagnétique. Les composants principaux d'un transformateur sont les enroulements et le noyau. Pendant son fonctionnement, les enroulements servent de chemin pour le courant électrique, tandis que le noyau sert de chemin pour le flux magnétique. Lorsque l'énergie électrique est introduite dans l'enroulement primaire, le courant alternatif crée un champ magnétique alternatif dans le noyau (c'est-à-dire que l'énergie électrique est convertie en énergie de champ magnétique). En raison du couplage magnétique (liaison de flux), le flux magnétique passant à travers l'enroulement secondaire change continuellement, induisant ainsi une force électromotrice (FEM) dans l'enroulement secondaire. Lorsqu'un circuit externe est connecté, l'énergie électrique est transmise à la charge (c'est-à-dire que l'énergie du champ magnétique est convertie à nouveau en énergie électrique). Ce processus de conversion "électricité–magnétisme–électricité" est réalisé sur la base du principe de l'induction électromagnétique, et ce processus de conversion d'énergie constitue le principe de fonctionnement d'un transformateur.