Quelles sont les caractéristiques techniques et les applications des transformateurs de distribution monophasés?

1 Caractéristiques techniques des transformateurs monophasés

D'après la pratique opérationnelle des réseaux de distribution étrangers, il est connu que les transformateurs monophasés sont largement utilisés. Comparés aux transformateurs triphasés, ils présentent des avantages uniques, qui se manifestent comme suit :

1.1 Structure simple

Cette caractéristique fait que, en utilisant les mêmes matériaux, pour les transformateurs monophasés de même capacité, leurs pertes à vide sont inférieures à celles des transformateurs triphasés. Dans une certaine mesure, ils répondent mieux aux besoins d'économie d'énergie et de réduction de la consommation. En prenant comme exemples les transformateurs couramment utilisés avec des capacités de 100 kVA et 50 kVA, la comparaison des différents indicateurs est présentée dans le Tableau 1.

Calculé sur 8 000 heures de fonctionnement annuelles, un transformateur de distribution monophasé D10 de 100 kVA présente 1 280 kWh de pertes à vide en moins qu'un transformateur triphasé S9 de même capacité ; un de 50 kVA en économise 880 kWh. En moyenne, les transformateurs monophasés réduisent les pertes à vide de plus de 50% par rapport aux types triphasés.

1.2 Compact et facile à installer

Cela permet aux lignes basse tension d'atteindre les points de charge plus près, réduisant ainsi le rayon d'alimentation et limitant les pertes du réseau de distribution. Les pertes du réseau basse tension représentaient autrefois une part importante des pertes totales du réseau. Avant la rénovation, les pertes des lignes aériennes basse tension urbaines étaient de 7% à 12% (voire plus de 30% dans certaines régions). Après la modernisation des réseaux ruraux, un objectif de perte globale de 12% a été fixé, les villes s'en approchant maintenant.

Deux causes principales expliquent les hautes pertes basse tension : 1) Les transformateurs triphasés pour l'alimentation résidentielle/commerciale maintiennent les sources d'énergie loin des charges, augmentant le rayon d'alimentation et les pertes de ligne ; les courants déséquilibrés ajoutent également des pertes au transformateur. 2) Des rayons importants facilitent le vol d'électricité, compliquant la gestion. Les transformateurs monophasés placent les sources d'énergie près des utilisateurs, réduisant les distances d'alimentation, les pertes de ligne et les risques de vol.

Le modèle d'alimentation "petite capacité, points denses, rayon court" largement utilisé dans les réseaux basse tension réduit efficacement les pertes - les transformateurs monophasés sont essentiels pour mettre en œuvre cette approche.

1.3 Économies relatives sur le coût du projet

Pour l'alimentation par transformateur monophasé, les branches haute tension utilisent un montage à deux conducteurs, et les lignes basse tension utilisent deux ou trois conducteurs. En revanche, les transformateurs triphasés nécessitent un montage haute tension à trois conducteurs et basse tension à quatre conducteurs. Ainsi, les installations monophasées économisent des conducteurs et réduisent l'utilisation de fusibles à déclenchement, de parafoudres et de matériel. Les statistiques incomplètes montrent que les installations monophasées réduisent d'environ 10% le coût des lignes haute tension et de 15% le coût des projets de lignes basse tension.

1.4 Amélioration de la fiabilité de l'alimentation électrique

Les transformateurs monophasés conviennent aux scénarios de petite capacité et de points denses, augmentant la couverture des utilisateurs. Statistiquement, une base d'utilisateurs plus large augmente les coefficients de fiabilité. Pour la gestion, la rationnement via le tirage de circuit par transformateur unique réduit les interruptions et atténue l'impact sur la fiabilité. Structuralement, les bobines intégrées des transformateurs triphasés présentent un risque de panne totale du transformateur si une bobine tombe en panne, causant des coupures d'électricité dans la zone.

Techniquement, les transformateurs triphasés (Y/Y₀ ou △/Y₀) font face à des anomalies de tension dans les autres phases lorsque un fusible saute. Leur système basse tension à trois fils et quatre fils de 380V/220V est à risque de surtensions soudaines en cas de court-circuit neutre, perturbant l'éclairage et endommageant les équipements. Les transformateurs monophasés évitent en grande partie ces problèmes, assurant la fiabilité.

2 Applications des transformateurs monophasés
2.1 Domaine d'utilisation

Sur la base des caractéristiques techniques des transformateurs monophasés, leur utilisation est recommandée dans les scénarios suivants :

2.1.1 Zones résidentielles des communautés urbaines

Actuellement, la consommation d'électricité dans les zones résidentielles urbaines est principalement destinée à l'éclairage et à l'alimentation monophasée (par exemple, les appareils ménagers tels que les climatiseurs et les réfrigérateurs), répondant aux exigences d'"alimentation haute tension directe aux ménages". Selon la conception des logements et la distribution de la charge, adoptez un modèle d'alimentation "un transformateur monophasé par immeuble" ou "un par unité" pour minimiser le rayon d'alimentation du réseau basse tension (idéalement dans un rayon de 100 mètres), améliorant l'efficacité et la qualité de l'alimentation électrique.

2.1.2 Éclairage rural et utilisation d'énergie à petite échelle

L'éclairage rural et les applications d'énergie à petite échelle (par exemple, les petites machines agricoles, les équipements d'irrigation) ont une charge faible et peu fluctuante, ce qui les rend adaptées aux petits transformateurs monophasés. Un déploiement approprié de tels transformateurs peut correspondre précisément aux besoins de charge, réduire les coûts d'alimentation et assurer une alimentation électrique stable.

2.1.3 Communautés et marchés où le vol d'électricité est sévère

La mise en œuvre de l'"alimentation haute tension directe aux ménages" peut éliminer le vol d'électricité causé par un câblage basse tension illégal. De plus, elle facilite l'évaluation des pertes de ligne par ligne et par transformateur, permettant une surveillance précise des pertes de consommation d'énergie et renforçant la gestion de l'énergie.

2.1.4 Optimisation de l'alimentation électrique pour les petits utilisateurs industriels

Promouvez la transition des petits utilisateurs industriels des "transformateurs partagés" aux "transformateurs dédiés". Avec la popularisation des transformateurs monophasés, les petits utilisateurs industriels et commerciaux peuvent installer des unités dédiées. Guidés par les politiques d'électricité et de tarification, l'adoption de transformateurs dédiés deviendra plus prévalente, séparant l'éclairage résidentiel de l'énergie triphasée industrielle. Le remplacement des transformateurs triphasés par des transformateurs monophasés là où c'est approprié peut réduire les pertes dans les lignes basse tension publiques et les transformateurs partagés, équilibrer les charges et améliorer la stabilité de la tension chez l'utilisateur.

2.2 Problèmes lors de l'utilisation de transformateurs monophasés

Actuellement, la plupart des transformateurs de distribution monophasés utilisent des feuilles de silicium laminées à froid de haute qualité (recuites) comme matériau de noyau, fabriquées par technologie de noyau enroulé. Leurs pertes à vide et sous charge, ainsi que le bruit de fonctionnement, sont bien inférieurs aux transformateurs triphasés de type S9.

Avec le groupe de connexion I/I₀, il existe deux méthodes de câblage principales :

• Trois prises (côté basse tension) : Un seul enroulement avec une prise centrale mise à la terre, formant deux enroulements. Rapport de tension : 10 kV/0,22 kV. Câblage : Voir Figure 1 (a₁, a₂ = conducteurs de phase ; x = neutre).

• Quatre prises (côté basse tension) : Deux enroulements (pas de connexion électrique entre eux). Rapport de tension (haute à basse) : 10 kV/0,22 kV. Câblage : Voir Figure 2.

Dans la figure, a₁, a₂ sont les conducteurs de phase, et x₁, x₂, x sont les conducteurs neutres. Lors de l'utilisation de transformateurs monophasés, notez les points suivants :

• Pour l'alimentation, le côté basse tension utilise généralement un montage à trois conducteurs. Prenez x₁/x₂/x comme conducteur neutre (doit être mis à la terre de manière fiable). a_1 ，a₂ (conducteurs de phase) ne peuvent pas être parallélisés ; distribuez uniformément les charges pour minimiser le courant neutre à la prise basse tension et réduire les pertes.

• Pour l'alimentation basse tension, utilisez le système TT (interrupteur de neutre commandable) ou TN (interrupteur de neutre non commandable).

• Sélectionnez la prise haute tension en fonction des courants triphasés de sortie 10 kV du poste. Les courants déséquilibrés augmentent les pertes du transformateur principal, provoquent une tension négative de séquence et risquent de provoquer un dysfonctionnement de la protection. Mesurez d'abord les courants de sortie 10 kV et définissez la prise en fonction des règles d'équilibrage des courants.

• Les transformateurs monophasés conviennent aux charges monophasées. Effectuez un relevé de la composition et de la disposition des charges ; séparez les charges monophasées et triphasées, placez les transformateurs près des charges pour augmenter l'efficacité.

• Faites des prévisions de charge ; choisissez un transformateur de 20 à 100 kVA (gamme typique).

• Pour l'alimentation basse tension, installez des interrupteurs sectionnels/raccordables (si possible) pour améliorer la fiabilité.