Quels marchés nationaux acceptent l'aluminium comme substitut aux bobinages en cuivre ?

—Une stratégie de réduction des coûts pour la fabrication des transformateurs

Dans le contexte de la transition énergétique mondiale et de la modernisation des infrastructures électriques, les coûts de fabrication des transformateurs et des réacteurs sont devenus un enjeu majeur pour l'industrie. Le cuivre, matériau conducteur traditionnel, offre d'excellentes performances, mais son prix élevé incite les fabricants à rechercher des alternatives. Les bobinages en aluminium, grâce à leur coût avantageux, gagnent progressivement du terrain sur certains marchés. Cependant, leur adoption varie considérablement d'un pays à l'autre, en fonction des normes techniques, des réglementations et des préférences des utilisateurs.

Cet article analyse l'acceptation des transformateurs bobinés en aluminium sur le marché mondial, examine leur faisabilité technique et leur rentabilité, et fournit des informations basées sur des données pour aider les fabricants et les professionnels des achats à prendre des décisions optimales.

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1. Faisabilité technique et avantages économiques des bobinages en aluminium

● Comparaison de la conductivité

Le cuivre possède une conductivité supérieure (environ 58 MS/m à 20 °C) à celle de l'aluminium (environ 35 MS/m à 20 °C). Par conséquent, à section égale, les enroulements en aluminium présentent une résistance plus élevée, ce qui entraîne des pertes d'énergie plus importantes. Pour égaler la capacité de transport de courant du cuivre, les conducteurs en aluminium nécessitent généralement une section plus importante (environ 1.6 fois supérieure).

Malgré sa résistance supérieure, la densité de l'aluminium (2.7 g/cm³) est nettement inférieure à celle du cuivre (8.96 g/cm³), ce qui permet de réduire le poids et les coûts de transport et d'installation. De plus, le prix de l'aluminium (~2.5/kg) est beaucoup plus bas que celui du cuivre ( 9/kg), réduisant ainsi les coûts totaux des matériaux de 30 à 50 %.

● Résistance mécanique et fiabilité des connexions

L'aluminium possède une résistance mécanique inférieure, ce qui le rend susceptible de se desserrer sous l'effet de vibrations prolongées ou de cycles thermiques, augmentant ainsi la résistance de contact et les risques de surchauffe. Par conséquent, les transformateurs bobinés en aluminium nécessitent des techniques de connexion spécifiques, telles que :

Soudage par ultrasons : réduit les interférences de la couche d’oxyde, améliorant ainsi la fiabilité de la connexion.
Joints en aluminium étamé ou cuivré : réduisent la résistance de contact, minimisant ainsi l’échauffement localisé.

De plus, le coefficient de dilatation thermique de l'aluminium (23.1×10⁻⁶/°C) est supérieur à celui du cuivre (17×10⁻⁶/°C), ce qui nécessite des marges de contrainte thermique plus importantes dans la conception.

2. Quels marchés nationaux acceptent les transformateurs bobinés en aluminium ?

L’acceptation des transformateurs à enroulement aluminium varie selon les pays, en fonction des normes, des réglementations, des pratiques commerciales et des exigences du réseau électrique. Voici un aperçu des principaux marchés :

●Amérique du Nord : un chef de file dans l’adoption des transformateurs à enroulement en aluminium

Les normes de la NEMA (National Electrical Manufacturers Association) et de l'IEEE autorisent explicitement les enroulements en aluminium dans les transformateurs de distribution. Compte tenu de l'étendue du réseau électrique américain et de la forte sensibilité aux coûts, les transformateurs à enroulement en aluminium dominent le secteur de la distribution de moins de 10 MVA.

Facteurs de marché:
 Sensibilité aux coûts : Des entreprises de services publics comme Duke Energy et    Southern Company privilégie le coût total de possession (CTP) dans ses achats.
 Chaîne d’approvisionnement mature :Des fabricants comme ABB et Siemens propose des solutions optimisées pour le bobinage en aluminium.

● Europe : Adoption limitée sous des normes strictes

Bien que les normes CEI n'interdisent pas les enroulements en aluminium, elles imposent des marges de sécurité plus élevées, ce qui augmente les coûts de fabrication et réduit les avantages de prix. Les marchés haut de gamme en Allemagne et en France privilégient toujours le cuivre, tandis qu'en Europe de l'Est (par exemple, en Pologne et en Roumanie), l'aluminium est utilisé dans les projets aux budgets limités.

● Marchés émergents (Inde, Asie du Sud-Est) : Forte acceptation

En Inde, les transformateurs bobinés en aluminium représentent plus de 60 % du marché de la distribution, sous l'impulsion de :

Extension du réseau électrique rural :Les projets à petit budget demandent    équipement rentable.
Soutien à la fabrication locale : Des entreprises comme Crompton Greaves proposent des conceptions optimisées.

3. Comment optimiser la conception du bobinage en aluminium pour des raisons de coût et de fiabilité ?

● Calcul de la section transversale du conducteur

Pour garantir une capacité de transport de courant équivalente, la section transversale du conducteur en aluminium doit satisfaire aux conditions suivantes :

          AAl=ACu×ρAlρCu

Où? :

   = Section transversale du conducteur en aluminium

 = Section transversale du conducteur en cuivre

  = Résistivité du cuivre (1.68×10⁻⁸ Ω·m)

  = Résistivité de l'aluminium (2.82×10⁻⁸ Ω·m)

Exemple :  Pour un conducteur en cuivre de 50 mm², l'équivalent en aluminium est d'environ 84 mm².

● Optimisation de la conception thermique

Les transformateurs à enroulement aluminium nécessitent un refroidissement amélioré pour limiter les points chauds. Les solutions comprennent :

● Disposition asymétrique des conduits de refroidissement :
 Des conduits 20 % plus larges côté haute tension pour compenser les différences de température des enroulements.
 Ailettes de refroidissement ondulées, augmentant la surface de 30 % par rapport aux modèles traditionnels.

● Médias de refroidissement avancés :

● Contrôle intelligent de la température :
 Capteurs à fibres optiques distribués (précision de ±0.5°C).
Réglage dynamique de la vitesse du ventilateur, réduisant la consommation d'énergie de 15 %.

● Améliorations de la fiabilité de la connexion

Le point faible des bobinages en aluminium réside dans leurs connexions. Parmi les innovations, on peut citer :

● Procédé de soudage hybride :
(1) Pré-soudage ultrasonique + soudage laser de précision.
(2) La résistance au cisaillement passe de 50 MPa à 85 MPa.

Flux de processus:Préparation de surface → Soudage grossier par ultrasons (400W/3s) → Soudage fin au laser (1kW/0.5s) → Contrôle non destructif.

● Conception du tampon de contrainte thermique :
Les ressorts hélicoïdaux compensent la dilatation thermique (ΔL = α·L·ΔT).
Paramètres clés : α de l'aluminium = 23.1×10⁻⁶/°C ; jeu de dilatation de 1.5 mm par mètre d'enroulement.

En résumé

Les transformateurs à bobinage aluminium sont largement répandus en Amérique du Nord et en Inde, mais présentent des limitations en Europe et sur les marchés haut de gamme. Les fabricants doivent s'adapter aux normes, aux structures de coûts et aux besoins des utilisateurs de leurs marchés cibles. En optimisant la conception des conducteurs, les systèmes de refroidissement et les techniques de connexion, les bobinages aluminium permettent de réduire considérablement les coûts tout en préservant la fiabilité, ce qui en fait une option intéressante pour le secteur de l'énergie.

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