Solution d'amélioration complète des performances pour les transformateurs de transport : Optimisation du refroidissement et réduction des pertes dans le circuit magnétique

1. Contexte et défis

Avec la croissance continue des charges électriques et les exigences de plus en plus strictes pour le fonctionnement stable du réseau, les transformateurs de transport font face à des défis importants en termes d'efficacité opérationnelle, de contrôle de l'élévation de température et de fiabilité à long terme. Des températures d'exploitation excessives accélèrent le vieillissement des matériaux d'isolation, réduisent la durée de vie des équipements et augmentent les risques de défaillance. Les pertes élevées dans le circuit magnétique (principalement les pertes fer et cuivre) réduisent l'efficacité de l'utilisation de l'énergie, entraînant des coûts opérationnels inutiles. Pour répondre aux deux problèmes courants rencontrés par les transformateurs de transport - l'élévation excessive de température et les pertes significatives du circuit magnétique - cette solution globale a été élaborée.

2. Objectifs de la solution

• Réduction significative des températures de fonctionnement : Contrôler la température du haut de l'huile et la température des points chauds des enroulements dans des marges de fonctionnement sûres.
• Réduction efficace des pertes du circuit magnétique : Se concentrer sur la réduction des pertes à vide (pertes fer) et des pertes à charge (pertes cuivre), améliorant ainsi l'efficacité opérationnelle globale.
• Amélioration de la fiabilité opérationnelle : Réduire les taux de défaillance dus à la surchauffe et aux pertes excessives, prolongeant ainsi la durée de vie des transformateurs.
• Optimisation du coût total du cycle de vie : Améliorer l'efficacité économique des transformateurs grâce à l'économie d'énergie et à la réduction de la fréquence de maintenance.

3. Mesures clés d'atténuation

Cette solution adopte une stratégie intégrée de "Contrôle des pertes à la source + Amélioration de la capacité de dissipation thermique + Gestion précise de l'état":

3.1 Optimisation et mise à niveau du système de refroidissement, amélioration de l'efficacité de la dissipation thermique (traitement de l'élévation de température)

• Mise en œuvre de méthodes de refroidissement haute efficacité :
• Refroidissement forcé par air (OFAF/ODAF) : Moderniser les transformateurs actuellement refroidis naturellement par air (ONAN) ou refroidis par air forcé (ONAF), ou équiper les nouveaux transformateurs de ventilateurs axiaux haute performance. Sélectionner des ventilateurs efficaces, peu bruyants et résistants aux intempéries combinés à un contrôle intelligent de l'écoulement d'air (par exemple, démarrage/arrêt automatique en fonction de la température ou ajustement par variateur de fréquence) pour améliorer considérablement l'efficacité de la convection d'air sur les surfaces des radiateurs et éliminer rapidement la chaleur.
• Refroidissement forcé par eau d'huile (OFWF) : Priorisé pour les transformateurs de très grande capacité, ceux avec un facteur de charge élevé ou ceux opérant dans des températures ambiantes élevées. Équipés de pompes à huile haute performance et d'échangeurs de chaleur à plaques pour tirer parti de la capacité calorifique spécifique élevée de l'eau pour un échange thermique efficace. Nécessite des systèmes de traitement d'eau de soutien (pour prévenir l'entartrage et la corrosion) et des mécanismes d'assurance de fiabilité (par exemple, circuits d'eau doubles, pompes de secours).
• Refroidissement assisté par tubes thermiques : Installer des modules de tubes thermiques aux points critiques des radiateurs pour conduire et dissiper efficacement la chaleur des points chauds locaux par le principe de changement de phase.
• Optimisation de la structure et de la disposition des radiateurs :
• Utiliser des radiateurs avec une surface accrue (par exemple, radiateurs à ailettes, radiateurs à panneaux) et des conceptions de trajet d'écoulement optimisées.
• Assurer des trajets d'écoulement fluides pour les milieux de refroidissement (air ou eau), éliminer les restrictions locales d'écoulement et améliorer l'uniformité de la dissipation thermique.
• (Pour le refroidissement par air) Optimiser la position des ventilateurs et la conception des conduits pour assurer une couverture uniforme de l'écoulement d'air sur les surfaces des radiateurs, minimisant les zones mortes.
• Contrôle intelligent du refroidissement :
• Ajuster automatiquement la puissance du système de refroidissement (vitesse/nombre de ventilateurs, débit de pompe à huile) en fonction de la surveillance en temps réel de la température de l'huile, de la température des enroulements et de la température ambiante. Assurer un refroidissement à la demande, garantissant l'efficacité de la dissipation thermique tout en minimisant la consommation d'énergie des équipements auxiliaires.

3.2 Optimisation des matériaux et de la structure du noyau, réduction des pertes fer (contrôle des pertes magnétiques du noyau)

• Sélection de matériaux de noyau haute performance :
• Privilégier des feuilles d'acier silicium laminé à froid à haute perméabilité et faibles pertes unitaires (par exemple, acier HiB) ou des matériaux plus avancés en alliage amorphe (offrant des avantages significatifs pour la réduction des pertes à vide).
• Contrôler strictement l'épaisseur, la planéité et la qualité du revêtement isolant des feuilles d'acier silicium pour minimiser les pertes hystérésis et les pertes par courants de Foucault.
• Optimisation de la conception et des processus de fabrication du noyau :
• Mettre en œuvre des techniques de superposition en escalier pour minimiser la réticence magnétique aux joints, réduisant ainsi les pertes fer supplémentaires.
• Contrôler précisément le facteur de superposition du noyau et la force de serrage pour assurer une distribution uniforme du chemin magnétique et éviter la saturation locale excessive.
• (Application de technologies avancées) Explorer des techniques comme le scribing laser (Laser Scribbling) pour optimiser davantage la structure de domaine magnétique du matériau.
• Optimiser les méthodes de mise à la terre du noyau et le blindage pour réduire les pertes parasites dans les composants structuraux.

3.3 Optimisation de la conception et des processus de fabrication des enroulements, réduction des pertes cuivre (contrôle clé des pertes magnétiques)

• Optimisation de la structure des enroulements et de la conception électromagnétique :
• Calculer précisément la distribution des ampères-tours, optimiser la forme de la section transversale des conducteurs (par exemple, en utilisant des câbles transposés continus - CTC ou des câbles transposés auto-adhésifs - TTC) pour minimiser les courants circulants et les pertes par courants de Foucault.
• Sélectionner raisonnablement le matériau du conducteur (cuivre sans oxygène haute conductivité) et la densité de courant, réduisant efficacement les pertes de résistance directe tout en respectant les contraintes d'élévation de température.
• Optimiser la hauteur, le diamètre et les dimensions radiales des enroulements pour contrôler le flux de fuite et réduire les pertes parasites.
• Processus de fabrication avancés :
• Assurer une compacité uniforme des enroulements en utilisant des équipements de bobinage à tension constante.
• Utiliser des procédés avancés de trempage sous vide (VPI) ou de moulage par résine pour assurer un remplissage complet des espaces vides avec des matériaux isolants, améliorant la conductivité thermique et la résistance mécanique, ce qui aide à la dissipation de la chaleur et réduit les décharges partielles.

3.4 Surveillance de l'état du circuit magnétique et maintenance proactive (gestion en boucle fermée, assurant les performances à long terme)

• Mise en œuvre d'une surveillance précise de l'état du circuit magnétique :
• Évaluer de manière exhaustive la santé du circuit magnétique en intégrant la surveillance en ligne (par exemple, analyse des gaz dissous - DGA, surveillance des décharges partielles à haute fréquence, surveillance des vibrations/bruits acoustiques, thermographie infrarouge) et les tests hors ligne (tests périodiques de déformation des enroulements, tests de pertes à vide et à charge, tests de courant de terre du noyau).
• Surveillance ciblée : signes de défauts de mise à la terre multi-points du noyau, fluctuations anormales des pertes, surchauffe des écrans magnétiques et des structures de serrage.
• Mise en place d'un mécanisme de maintenance préventive :
• Élaborer des plans de maintenance ciblés du circuit magnétique basés sur les données de surveillance de l'état et l'historique opérationnel.
• Inspecter périodiquement la mise à la terre du noyau et de la structure de serrage : S'assurer d'une mise à la terre monopoint fiable, détecter et corriger rapidement les défauts de mise à la terre multi-points (qui augmentent considérablement les pertes fer et provoquent une surchauffe).
• Inspecter les écrans magnétiques, les serre-joints et autres composants structurels : Vérifier la présence de jeux, de surchauffe ou de traces de décharge ; éliminer rapidement les anomalies.
• Lors des inspections de levage du noyau/couvercle, effectuer des vérifications et des maintenances ciblées sur les joints de stratification du noyau et l'état de serrage.
• Réaliser une analyse diagnostique approfondie des tendances à la hausse des pertes anormales pour identifier les causes racines et mettre en œuvre des mesures correctives.

4. Bénéfices attendus

• Réduction significative de l'élévation de température : Les températures de fonctionnement (notamment les températures des points chauds) sont attendues pour être efficacement contrôlées, avec des réductions atteignant les objectifs projetés (par exemple, 15-25%), allégeant considérablement le stress de vieillissement thermique sur l'isolation.
• Réduction efficace des pertes du circuit magnétique :
• Pertes fer (pertes à vide) : Réduction attendue de 20-40% grâce aux nouveaux matériaux et processus (particulièrement significative lors de l'utilisation d'alliages amorphes).
• Pertes cuivre (pertes à charge) : Réduction attendue de 10-25% grâce à une conception optimisée des enroulements.
• Amélioration globale de l'efficacité de 1 à 3 points de pourcentage, apportant des bénéfices économiques considérables et une réduction des émissions de carbone.
• Amélioration substantielle de la fiabilité : Les risques de défaillance dus à la surchauffe et aux anomalies du circuit magnétique sont considérablement réduits, améliorant la disponibilité des équipements et prolongeant leur durée de vie.
• Optimisation du coût total du cycle de vie : Malgré un investissement initial potentiellement plus élevé (par exemple, matériaux haute performance, systèmes de refroidissement avancés), les avantages tirés des économies d'énergie à long terme, de la réduction des coûts de maintenance et de la prolongation de la durée de vie sont plus importants, réalisant un retour sur investissement (ROI) favorable.

5. Domaine d'application

Cette solution s'applique aux nouveaux transformateurs de transport (énergie) à isolation liquide et aux transformateurs en service à un niveau de tension de 35 kV et au-dessus. Des mesures spécifiques peuvent être personnalisées et mises en œuvre en fonction de la capacité, du niveau de tension, de l'environnement de fonctionnement, de l'importance et de l'état actuel du transformateur.