Production de transformateurs UHV : Lente, Précise, Essentielle
1. Aperçu
Les transformateurs à très haute tension (THT) sont des équipements de base dans les systèmes électriques modernes. Comprendre leurs classes de tension, leur structure complexe, leurs processus de fabrication précise et leurs techniques de production critiques révèle pourquoi ils représentent le sommet des capacités de fabrication d'équipements électriques d'un pays.
Définition du niveau de tension
Le terme "transformateur à très haute tension" fait généralement référence aux transformateurs utilisés dans les lignes de transmission en courant alternatif (CA) ayant une tension nominale de 1 000 kV ou plus, ou dans les lignes de transmission en courant continu (CC) ayant une tension nominale de ±800 kV ou plus.
1.1 Contexte technique
Le développement de tels transformateurs à haute tension est motivé par la croissance économique nationale et celle du secteur de l'électricité, visant à permettre la transmission de puissance sur de longues distances, à grande capacité et avec peu de pertes. Par exemple, dès 2010, la Chine a développé indépendamment un transformateur THT de 1 000 kV / 1 000 MVA.
1.2 THT dans la transmission en courant continu
La technologie THT est également cruciale dans la transmission en courant continu à haute tension (HVDC). Par exemple, le transformateur convertisseur THT de ±1 100 kV est l'un des produits clés des stratégies chinoises « Made in China 2025 » et « Initiative de la Ceinture et de la Route », sa technologie étant maintenant reconnue comme étant parmi les meilleures au monde.
2. Composants principaux
Les transformateurs THT présentent des structures hautement complexes et précises. En prenant un transformateur THT à bain d'huile typique comme exemple, il se compose principalement des composants suivants :
| Composant | Fonctions et caractéristiques |
| Cœur de fer | Il est fabriqué en empilant des feuilles d'acier silicium de haute qualité pour former le circuit magnétique principal. Les transformateurs UHV peuvent adopter des structures innovantes telles que le noyau segmenté en six modules pour réduire les pertes et faciliter le transport. |
| Enroulements | Incluant les enroulements à haute tension et les enroulements à basse tension. Généralement, l'enroulement à basse tension est enroulé sur la couche intérieure, et l'enroulement à haute tension est enroulé sur la couche extérieure. C'est le composant central permettant au transformateur de réaliser la transformation de tension. |
| Système d'isolation | Incluant l'isolation des enroulements, l'isolation intercalaire et l'huile de transformateur. Les transformateurs UHV adopteront une structure d'isolation avec des anneaux d'angle moulés multicouches, une structure d'isolation barrière de paroi de cuve compacte, etc., pour assurer une marge d'isolation suffisante. |
| Cuve et huile de transformateur | La cuve contient le cœur de fer, les enroulements et l'huile de transformateur ; l'huile de transformateur joue un rôle d'isolation et de refroidissement. |
| Dispositif de régulation de tension | Les transformateurs UHV utilisent généralement un changeur de pas sous charge au point neutre pour la régulation de tension, et peuvent adopter un mode de régulation de tension externe indépendant, c'est-à-dire que le corps du transformateur et la cuve du transformateur de compensation de régulation de tension sont disposés séparément. |
| Système de refroidissement | Il dissipe la chaleur générée pendant le fonctionnement. Les transformateurs UHV peuvent adopter des conceptions avancées telles qu'une structure de dissipation de chaleur multi-canaux et une nouvelle structure de passage d'huile de pince de noyau pour optimiser la dissipation de chaleur. |
| Dispositifs de protection et gaine isolante | Incluant le vase d'expansion, le relais de gaz, l'absorbeur d'humidité, le chemin de sécurité, etc. Les gaines isolantes haute et basse tension réalisent la connexion entre les conducteurs internes et les lignes externes, et assurent l'isolation par rapport à la cuve. Les gaines UHV ont des conceptions complexes, par exemple, des cylindres d'isolation multicouches et des structures de support de tiges seront adoptés pour assurer un champ électrique uniforme. |
3. Processus de fabrication et technologies clés
La fabrication des transformateurs à très haute tension (THT) est un processus d'ingénierie systématique qui s'étend des matières premières aux produits finis. Ce qui suit présente ses principales étapes de production :
| Étape | Contenu principal |
| Conception et sélection des matériaux | Effectuer la conception électromagnétique, d'isolation et structurelle basée sur les paramètres électriques, et sélectionner des tôles de silicium de haute qualité, des fils de cuivre sans oxygène, des matériaux isolants à haute performance, etc. |
| Fabrication du noyau de fer | Inclut le découpage, le empilage et le serrage des tôles de silicium. La précision dimensionnelle et la qualité de l'empilage affectent directement les performances du circuit magnétique et les pertes à vide. |
| Production de l'enroulement | Enrouler les bobines sur des machines d'enroulement spéciales selon les paramètres de conception et effectuer un traitement d'isolation (comme le recouvrement de papier isolant). Le nombre de spires doit être précis, l'arrangement serré, et l'isolation fiable. |
| Traitement d'isolation et séchage | Les enroulements et le corps du transformateur doivent subir un vernissage sous vide et un séchage pour améliorer les performances d'isolation. Pour les produits UHV, des dispositifs de séchage par phase gazeuse à haute puissance peuvent être utilisés lors de l'assemblage sur site pour garantir que la teneur en humidité des matériaux isolants est ≤ 0,4%. |
| Fabrication du réservoir d'huile et des composants | Fabriquer les réservoirs d'huile de transformateur et les composants structurels métalliques tels que les serre-joints et les écrans. |
| Assemblage final | Assembler intégralement le noyau de fer séché, les enroulements, les connexions, etc. dans le réservoir d'huile, y compris l'arrangement et la fixation des connexions, et l'installation des accessoires tels que les embases et les dispositifs de refroidissement. |
| Inspection et essais | Une série de tests stricts est requise avant la livraison, tels que le test de tenue à la tension d'isolement, le test de pertes à vide/charge, la mesure des décharges partielles, l'expérience de montée en température, etc. |
Les processus clés suivants sont essentiels à la performance et à la durée de vie des transformateurs à très haute tension (THT) et nécessitent une attention particulière :
3.1 Conception électromagnétique et contrôle du flux parasite
3.1.1 Importance
Les transformateurs THT ont des capacités très élevées (par exemple, jusqu'à 500 MVA par enroulement), ce qui rend le flux parasite un problème plus prononcé. Un excès de flux parasite peut provoquer un surchauffage localisé et des pertes supplémentaires, mettant en péril le fonctionnement sûr.
3.1.2 Points clés à considérer
Des techniques avancées de simulation électromagnétique doivent être utilisées. Des mesures telles que le blindage magnétique innovant du joug et le blindage en cuivre en forme de "L" aux jonctions du réservoir sont utilisées pour réduire efficacement les pertes par courants de Foucault dans les composants structurels—jusqu'à 25%.
3.2 Conception et traitement de la structure d'isolation
3.2.1 Importance
Le système d'isolation est la ligne de vie pour un fonctionnement fiable des transformateurs THT, car il doit supporter des tensions de service extrêmement élevées et des surtensions potentielles.
3.2.2 Points clés à considérer
Des conceptions telles que des structures d'isolation multicouches moulées en angle sont adoptées pour assurer une distribution uniforme du champ électrique et une marge d'isolation suffisante aux extrémités des enroulements et aux sorties de câbles. Les processus d'imprégnation sous vide et de séchage doivent être strictement contrôlés—par exemple, en utilisant des équipements de séchage par phase vapeur de grande capacité sur site pour assurer un séchage complet des matériaux d'isolation, atteignant une teneur en humidité ≤ 0,4%. Cela est crucial pour prévenir les décharges partielles et la rupture de l'isolation.
3.3 Processus d'assemblage sur site
3.3.1 Importance
Dans les régions où les conditions de transport sont difficiles—telles que les zones d'altitude ou montagneuses—les transformateurs THT doivent être assemblés sur site. Cela implique le démontage, le transport, la protection et le remontage de milliers de composants, ce qui fait que sa conception et la complexité de son processus dépassent largement celles des transformateurs conventionnels.
3.3.2 Points clés à considérer
Des conceptions modulaires de structure sont essentielles—par exemple, des cadres de noyau segmentés et des structures de connexion détachables. Les tolérances d'assemblage sur site doivent atteindre une précision au niveau du millimètre (par exemple, le décalage d'alignement entre l'enroulement et le centre du noyau < 3 mm). Un processus rigoureux de contrôle des tolérances, de prévention de l'humidité et de protection contre la saleté est nécessaire pour garantir les performances après l'assemblage.
3.4 Fabrication des enroulements et contrôle qualité
3.4.1 Importance
La qualité des enroulements détermine directement les performances électriques, la résistance mécanique et la capacité de résistance aux courts-circuits du transformateur.
3.4.2 Points clés à considérer
Des équipements de bobinage automatisés doivent être utilisés pour assurer un contrôle précis de la tension et de l'alignement des couches. Après le bobinage, des tests de tenue à la tension secteur et de résistance continue sont effectués pour éliminer les risques tels que les courts-circuits interbobines.
3.5 Tests d'acceptation en usine et mesure de décharge partielle
3.5.1 Importance
Ces tests servent de point de contrôle final de la qualité avant la livraison, identifiant les défauts potentiels dans la conception ou la fabrication.
3.5.2 Points clés à considérer
Au-delà des tests standard, la mesure de décharge partielle (DP) est particulièrement critique. Le test DP est très sensible aux défauts minuscules de l'isolation et sert d'indicateur clé de l'état de l'isolation interne.
3.6 Bobinage des enroulements pour les transformateurs THT
3.6.1
| Étape | Rôle et Valeur de l'Opération Manuelle | Rôle de l'Assistance Mécanique/Technique |
| Processus de Bobinage du Noyau | Dominant. Les artisans s'appuient sur le toucher, la vue et l'expérience pour contrôler précisément des milliers de détails tels que la position du fil, la tension et le placement des pièces isolantes. | Auxiliaire. Fournit une plateforme de bobinage stable et une alimentation de base, mais ne peut pas remplacer le réglage final fin. |
| Contrôle de Précision | Garantie essentielle. Les meilleurs artisans peuvent contrôler la tolérance entre deux couches de fils à moins de 1mm (la norme de l'industrie est de 2mm) pour assurer les meilleures performances électriques. | Fournit des outils de mesure (comme des règles), mais la réalisation de la précision dépend du jugement immédiat et du réglage fin des artisans. |
| Procédés Spéciaux (par exemple, Soudage) | Irremplaçable. Face à des centaines de types de fils et des milliers de points de soudage, les artisans doivent contrôler avec précision la température, la distance et le temps, comme dans le processus de soudage haute fréquence. | Fournit des équipements de soudage, mais le contrôle des paramètres et l'opération dépendent entièrement des compétences des artisans. |
| Direction de Développement Futur | La "connaissance tacite" des artisans expérimentés reste le cœur du sujet. | Intelligence et numérisation. Convertir l'expérience des excellents artisans en données pour la traçabilité de la qualité et la surveillance de l'environnement, accumulant des connaissances pour l'intelligence future. |
3.6.2 Raisons pour lesquelles l'enroulement des bobines ne peut pas être entièrement automatisé
Il existe trois raisons principales pour lesquelles le savoir-faire manuel reste irremplaçable dans l'enroulement des bobines de transformateurs UHV :
3.6.2.1 Exigences extrêmes de précision
Les bobines de transformateurs UHV sont généralement enroulées à partir de milliers de mètres de conducteur, formant plusieurs milliers de spires, avec un poids final atteignant 20 à 30 tonnes métriques. Tout au long du processus d'enroulement, chaque coup de maillet, le placement de chaque entretoise isolante et l'enroulement de chaque couche de papier isolant doivent être exécutés avec une précision absolue—la moindre déviation est inacceptable. Ce niveau de jugement en temps réel et de micro-ajustements dépasse les capacités actuelles des machines, dont les "mains" et les "yeux" ne peuvent toujours pas égaler la dextérité et l'intuition des maîtres artisans.
3.6.2.2 Complexité structurelle et adaptabilité
Les transformateurs UHV existent sous une grande variété de designs avec des structures hautement complexes et variables. Par exemple, dans les transformateurs convertisseurs ±1,100 kV, des centaines ou même des milliers de soudures peuvent être nécessaires pour connecter différents types de conducteurs. Les opérateurs doivent ajuster leurs techniques en fonction de différences minimes dans les matériaux des fils—comparable à "connecter des capillaires". Cette prise de décision non standardisée et fortement adaptative, ainsi que son exécution, est précisément là où le savoir-faire manuel excelle.
3.6.2.3 Recherche intransigeante de la qualité
Une seule bobine implique des dizaines de milliers de détails critiques. La moindre négligence—tel qu'omettre une couche de papier isolant—peut entraîner une rupture d'isolation, résultant en des coûts de reprise de plusieurs centaines de milliers ou même de millions de RMB, et potentiellement mettre en péril la sécurité de l'ensemble du réseau électrique. Face à ce risque de qualité extrême, compter sur des artisans hautement responsables et exceptionnellement qualifiés reste l'approche la plus fiable.
4. Capacité de production
Dans l'industrie des transformateurs UHV, la production annuelle est généralement mesurée en capacité totale (en kVA), et non par nombre d'unités, car les puissances nominales des transformateurs individuels varient considérablement—de quelques centaines de MVA à plus de 1,000 MVA par unité.
4.1 Capacité pratique et équilibre stratégique
Étant donné la nature chronophage de l'enroulement manuel, comment l'industrie répond-elle à la demande ?
4.1.1 Fiabilité plutôt que vitesse
Les transformateurs UHV sont souvent appelés le "cœur" du réseau électrique, où la fiabilité est primordiale. Par exemple, le Maître Artisan Zhang Guoyun a participé à l'enroulement de plus de 10,000 bobines sur 25 ans, avec une longueur totale de conducteur dépassant 40,000 kilomètres. Ses bobines enroulées à la main atteignent constamment des tolérances inter-couches de conducteur inférieures à 1 mm—moitié de la norme industrielle de 2 mm. Cette précision exceptionnelle, que les machines ne peuvent pas encore reproduire de manière stable, détermine directement la performance et la durée de vie du transformateur.
4.1.2 Comment la capacité est mesurée
Ces actifs de haute valeur sont produits sur une base strictement "commande-dépendante", et non pour le stock—similaire à la construction de porte-avions ou de machines de lithographie EUV. La capacité est donc définie par le nombre d'unités qualifiées qu'une usine peut livrer avec succès en un an.
4.1.3 Stratégies pour améliorer l'efficacité globale
Pour améliorer l'efficacité sans compromettre la qualité, les fabricants investissent massivement dans la formation de grandes équipes de techniciens hautement qualifiés. Par exemple, les "Studios d'Innovation des Maîtres Artisans" ont formé plus de 2,000 employés aux techniques avancées d'enroulement. De plus, la planification de production et la gestion des flux de travail sont optimisées pour assurer une coordination fluide entre les opérations d'enroulement de noyau et les processus de soutien avant et après.
| Contenu | Données/Échelle | Informations Clés |
| Capacité du Leader Industriel | TBEA dispose d'une capacité annuelle d'environ 495 millions de kVA | Représente l'échelle de fabrication nationale la plus élevée. |
| Capacité Totale Nationale | En 2023, la capacité des transformateurs UHV en Chine était d'environ 50 millions de kVA (0,5 milliard de kVA), et elle devrait atteindre 60 millions de kVA (0,6 milliard de kVA) en 2025 | Reflete le niveau global de la capacité des transformateurs UHV à l'échelle nationale. |
| Cycle de Fabrication | Le cycle de fabrication des transformateurs UHV est extrêmement long, généralement entre 18 et 36 mois | C'est le facteur le plus crucial limitant la production annuelle. |
4.2 Pourquoi la production annuelle est limitée
Le volume de production annuel des transformateurs à très haute tension (THT) ne peut pas être mesuré en "dizaines de milliers" comme pour les marchandises ordinaires, principalement en raison de leurs processus de fabrication extrêmement complexes et de leurs cycles de production très longs.
4.2.1 Techniquement complexe et chronophage
Souvent appelés le "cœur" du réseau électrique, les transformateurs THT sont soumis à des normes extrêmement strictes en matière de conception, de matériaux, de fabrication et d'essais. Le processus complet - de l'approvisionnement en matières premières et la fabrication précise des composants clés (comme les enroulements et les noyaux) jusqu'à l'assemblage final et les tests rigoureux qui durent plusieurs mois - prend un temps très long à être achevé.
4.2.2 Capacité allouée à quelques mégaprojets
Dans le monde, seules quelques entreprises possèdent la capacité de fabriquer des transformateurs THT de ±800 kV ou plus (par exemple, TBEA, XD Group, Siemens, ABB). Les projets nationaux de THT sont approuvés et construits par étapes, avec des quantités de transformateurs soigneusement planifiées à l'avance pour chaque grand projet. Par exemple, un seul projet de transmission THT en courant continu peut nécessiter des dizaines de transformateurs de conversion. Par conséquent, la capacité de production massive des fabricants leaders - telle que la capacité de TBEA d'environ 500 millions de kVA - est dédiée à la réalisation de commandes spécifiques pour de grands projets plutôt qu'à la production de stocks pour une vente spéculative.
4.3 Contexte industriel et demande mondiale
4.3.1 Forte croissance intérieure
La construction du réseau THT en Chine est actuellement en pleine expansion. Selon la planification nationale, pendant la période du 14e Plan Quinquennal (2021-2025), State Grid a prévu 38 nouvelles lignes THT - comprenant 24 projets AC et 14 projets DC - ce qui représente une expansion significative par rapport à l'échelle du 13e Plan Quinquennal. Cela fournit un marché intérieur stable et en croissance pour les transformateurs THT.
4.3.2 Demande mondiale en forte croissance avec la Chine comme fournisseur clé
A l'échelle mondiale, l'industrie électrique fait face à une pénurie sévère de transformateurs. Les délais de livraison pour les transformateurs standard ont dépassé deux ans, et pour les grands transformateurs de puissance, ils atteignent maintenant trois à quatre ans. Dans ce contexte, la Chine est devenue un fournisseur mondial crucial, grâce à sa chaîne industrielle complète, son efficacité de production élevée (par exemple, alors qu'il faut environ 18 mois aux fabricants étrangers pour construire un transformateur THT, les principales entreprises chinoises peuvent le faire en environ trois mois) et sa compétitivité en termes de coûts. Les exportations de transformateurs de la Chine ont explosé - atteignant 29,711 milliards de yuans RMB au cours des huit premiers mois de 2025, soit une augmentation de plus de 50 % en glissement annuel - démontrant que la capacité de production chinoise répond activement à la demande internationale croissante.
4. Conclusion
En tant que "cœur électrique" qui transmet l'électricité à travers les montagnes et les vallées, le transformateur THT incarne le niveau le plus élevé de sophistication technique - de la conception et des matériaux à chaque étape de fabrication. Ce sont précisément ces processus rigoureux et les percées technologiques dans les domaines clés qui sous-tendent le réseau THT moderne, efficace et hautement fiable d'aujourd'hui.
