L’optimisation du processus de laminage peut-elle réduire les fuites de flux ?
—Analyse approfondie de la transposition des enroulements et de la technologie des joints étagés à recouvrement du noyau

Dans le contexte mondial de neutralité carbone, la consommation énergétique des équipements électriques est devenue une préoccupation croissante. Selon les données de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), les pertes de transport et de distribution représentent environ 8 à 15 % de la production mondiale d'électricité. En tant qu'équipements clés des réseaux électriques, l'amélioration du rendement des transformateurs est essentielle pour les économies d'énergie et la réduction des émissions. La directive sur l'écoconception de l'Union européenne (UE) et les normes d'efficacité énergétique du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) continuent d'évoluer, stimulant l'innovation dans les technologies de réduction des pertes des transformateurs. Parmi ces dernières, le contrôle du flux de fuite, en raison de son impact décisif sur les pertes de charge, est devenu un enjeu majeur de la conception des transformateurs.

1. La racine du flux de fuite : le chemin caché de la perte d'énergie

Le flux de fuite désigne le champ magnétique parasite dans les transformateurs, qui ne participe pas efficacement au transfert d'énergie. Il résulte des effets combinés des lois de l'induction électromagnétique et de l'imperfection des circuits magnétiques. Lorsqu'un courant alternatif circule dans les enroulements, la distribution inégale des ampères-tours et la réluctance discontinue du noyau (notamment la variation brutale de la valeur μ aux jonctions) provoquent une déviation du flux magnétique par rapport au trajet principal, formant ainsi un flux de fuite. Ses dangers incluent :

● Pertes par courants de Foucault : Le flux de fuite alternatif induit des courants de Foucault dans les conducteurs d'enroulement, les pinces de noyau et les parois du réservoir, générant de la chaleur Joule (pertes I²R).

● Augmentation des pertes parasites :Conduit à des points chauds locaux, menaçant la durée de vie de l'isolation (norme IEEE C57.12.00).

● Tension d'impédance plus élevée : Affecte la stabilité de la tension du réseau (CEI 60076-1).

2. Technologie de transposition des enroulements : l'art précis de l'équilibrage du potentiel magnétique

●Principe fondamental : reconstruire la symétrie électromagnétique
Dans les enroulements conventionnels, les conducteurs internes transmettent moins de flux magnétique et présentent une inductance plus faible, tandis que les conducteurs externes transmettent davantage de flux et présentent une inductance plus élevée (selon la loi d'Ampère ∮H·dl = I_enc). Cette asymétrie entraîne : des courants circulants (courants de boucle) entre conducteurs parallèles ; une distorsion des champs de fuite axiaux et radiaux ; la technologie de transposition modifie systématiquement la position spatiale des conducteurs, garantissant ainsi à chaque conducteur un chemin équivalent dans le champ magnétique, équilibrant ainsi les paramètres électromagnétiques.

    ●Mise en œuvre technique et effets quantifiés

Étude de cas: Un transformateur de 240 MVA installé dans un poste électrique néerlandais a montré qu'après 32 transpositions complètes, les pertes de courant de circulation ont diminué de 2.8 % à 0.6 %, l'échauffement local a diminué de 14 K et le rendement a atteint IE4. Cette technologie est particulièrement adaptée aux transformateurs haute tension et haute capacité, offrant une réduction significative des pertes malgré une complexité accrue du procédé.

3. Technologie de joint étagé à recouvrement : une avancée révolutionnaire dans l'optimisation des circuits magnétiques

●Défauts dans les articulations traditionnelles
Les joints droits traditionnels créent des entrefers discrets dans le circuit magnétique, ce qui entraîne une réfraction du flux magnétique et une saturation locale. Les principaux problèmes sont les suivants :

(1)Forte augmentation des réticences locales : Les lames d'air réduisent considérablement la perméabilité μ (R_m = l/(μA), où R_m est la réluctance).

(2) Distorsion du flux magnétique :Une partie du flux contourne l’espace, formant un flux de fuite diffus.

(3)Ppertes par courants de Foucault faibles : Les champs magnétiques tangentiels sur les bords de l'acier au silicium provoquent des pertes par tourbillonnement élevées (P_e ∝ (B_m ft)^2).

●Mécanisme physique des joints à chevauchement
Les assemblages à recouvrement par gradins utilisent une découpe laser de précision pour créer un engagement dents-rainures à plusieurs niveaux, réduisant ainsi l'angle de rotation du flux magnétique de 90° à moins de 30° et réduisant l'espacement effectif à 1/5-1/7 d'un seul gradin. Ceci permet :

(1)Transition de flux graduel : Les lignes magnétiques tournent en douceur le long des pentes en escalier, évitant ainsi une réfraction brusque.

(2)Longueur d'espacement effective réduite : La longueur totale de l'espace est dispersée en plusieurs micro-espaces, ce qui réduit considérablement la réticence.

(3)Suppression des courants de Foucault : Minimise les champs magnétiques transversaux, limitant les effets de bord.

●Étude de cas : Les données de test d'un fabricant chinois ont montré que l'utilisation de joints à 7 niveaux réduisait les pertes à vide de 35 %, le courant d'excitation de 40 % et le bruit de fonctionnement de 7 dB. Cette innovation améliore non seulement l'efficacité, mais aussi la fiabilité, et est désormais adoptée comme norme par des fabricants leaders comme ABB et Siemens.

4. Effets synergétiques et pratiques d'ingénierie

●Validation de la réduction des pertes au niveau du système
L'application combinée de la transposition des enroulements et des joints à recouvrement progressif produit un effet synergétique notable. La transposition équilibre le flux de fuite axial, tandis que les joints à recouvrement progressif suppriment le flux de fuite radial, ce qui permet une distribution globale plus uniforme des fuites.

En résumé

La transposition des enroulements et les joints étagés du noyau représentent le summum de la conception des circuits magnétiques des transformateurs. Le premier rétablit la symétrie électromagnétique pour éliminer le déséquilibre ampère-tour, tandis que le second optimise la continuité magnétique pour supprimer la distorsion de flux, maîtrisant ainsi systématiquement les champs de fuite. Motivées par les objectifs mondiaux de neutralité carbone, ces technologies ne sont pas de simples options, mais essentielles à une production verte. Nos conceptions, certifiées par DNV-GL et déployées sur les réseaux d'Europe, d'Amérique du Nord et d'Asie-Pacifique, redéfinissent les normes industrielles avec une réduction de 40 % des pertes à vide et de 25 % des pertes en charge, établissant ainsi de nouvelles références en matière de transport d'énergie efficace.

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