Comment faire face à une augmentation excessive de la température ?
—Une triple approche : sélection du radiateur, optimisation du flux d'air et suppression des points chauds

L'échauffement excessif des transformateurs est un problème critique auquel sont confrontés de nombreux ingénieurs électriciens. Non seulement les températures élevées accélèrent le vieillissement des matériaux isolants, réduisant considérablement la durée de vie des équipements, mais elles peuvent également entraîner des défaillances catastrophiques telles que des ruptures d'isolation, des incendies, voire des explosions. Cet article explore trois stratégies fondamentales : le choix scientifique des radiateurs, la conception optimisée du système de circulation d'air et la suppression précise des points chauds. Ces stratégies offrent une solution systématique pour relever les défis liés à l'échauffement et garantir un fonctionnement sûr, efficace et durable des transformateurs.

1. Sélection scientifique du radiateur : la base de la capacité de refroidissement

Les radiateurs constituent le principal canal de dissipation de la chaleur des transformateurs. Leur principe de fonctionnement consiste à augmenter la surface pour améliorer la dissipation thermique. Lorsque l'huile du transformateur traverse le radiateur, la chaleur est transférée de la surface métallique à l'air. Le choix du radiateur détermine directement la limite supérieure de la capacité de refroidissement.

● Principe de base : adéquation précise de la capacité de refroidissement et de la production de chaleur
La principale tâche consiste à garantir que la puissance de refroidissement nominale du radiateur (P_radiateur) soit égale ou supérieure aux pertes totales maximales estimées du transformateur (P_pertes totales), avec une marge de conception raisonnable (généralement de 15 à 25 %). P_pertes totales inclut les pertes à vide (pertes du noyau, P_sans charge) et les pertes en charge (pertes du cuivre des enroulements, P_charge).

Exemple de calcul:

P_perte_totale = P_sans_charge + P_charge × (facteur de charge)²
Pour un transformateur avec P_no_load = 50 kW, P_load = 200 kW à 100 % de charge et une charge de fonctionnement maximale de 90 % :
P_perte_totale = 50 + 200 × (0.9)² = 50 + 162 = 212 kW
La capacité de refroidissement du radiateur doit satisfaire :

P_radiateur ≥ 212 × 1.2 ≈ 254.4 kW (marge de 20 %)

● Sélection du type : le contexte est important
  Types de radiateurs courants et leurs applications :

● Analyse approfondie des performances : au-delà de la surface

(1)Efficacité des ailerons (η_f) :Les extrémités des ailerons sont plus froides que les racines ; la zone de refroidissement effective est réduite. η_f dépend de la conductivité thermique du matériau (λ), de son épaisseur (δ), de sa hauteur (H) et de son coefficient de transfert thermique de surface (h) :
                       η_f ≈ tanh(mH) / (mH)
Un λ élevé (par exemple, alliage d'aluminium > 200 W/mK par rapport à l'acier au carbone ~ 50 W/mK) et un δ/H optimisé améliorent η_f.

(2) Résistance au débit d'huile et perte de la pompe :Dans les systèmes à huile forcée (OFAF), la conception du radiateur affecte la puissance de la pompe. Des passages d'écoulement plus larges ou des parois plus lisses réduisent la résistance (ΔP ∝ vitesse²), minimisant ainsi les pertes parasites.

(3) Adaptabilité environnementale :Les zones à forte pollution (poussière, débris) nécessitent un espacement des ailettes plus large (> 6 mm) ; les régions côtières exigent des revêtements/alliages résistants à la corrosion.

 2. Optimisation du flux d'air — Amélioration de l'échange de chaleur côté air

Même avec des radiateurs robustes, une mauvaise conception du flux d'air peut gravement entraver le refroidissement.

● Principes du flux d'air : minimiser la résistance, maximiser le flux
Objectifs clés : garantir des chemins à faible résistance, un flux d’air uniforme sur les ailettes et aucune recirculation d’air chaud.

● Mesures d’optimisation :

(1) Zone d'admission adéquate et air propre :La surface d'entrée (A_inlet) doit correspondre à : A_inlet ≥ Q_air / V_inlet, où Q_air correspond au débit d'air total (calculé en fonction des besoins de refroidissement) et V_inlet à la vitesse d'entrée recommandée (2 à 4 m/s). Utiliser des filtres faciles à entretenir.

(2) Éliminer les courts-circuits : séparer strictement les flux d’air chaud/froid :

-Barrières physiques:Installer des déflecteurs entre les radiateurs ou les murs.

-Zones de pression :Utilisez des ventilateurs et une conception d'armoire pour créer des zones de pression négative (entrée)/positive (sortie) claires.

-Liquidation:Maintenir un diamètre de sortie >1.5× par rapport aux obstacles pour empêcher la rentrée d'air chaud.

(3) Sélection et disposition des ventilateurs (OFAF/ODAF) :

-Faites correspondre les courbes de performance du ventilateur à la résistance du système.

-Flux d'air uniforme :Placement symétrique des ventilateurs ou diffuseurs pour radiateurs larges.

-Redondance et VFD :La redondance N+1 ou les ventilateurs à vitesse variable réduisent la consommation d'énergie/le bruit à faible charge.

(4) Effet cheminée :Pour le refroidissement naturel (ONAN), les conduits d'évacuation verticaux améliorent la flottabilité thermique.

3. Suppression des points chauds : ciblage des points faibles

Les points chauds des enroulements entraînent le vieillissement de l'isolation (conformément aux limites CEI/IEEE), souvent 15 à 40 °C plus chaud que la température supérieure de l'huile.

● Causes des points d’accès :

(1)Concentration par courants de Foucault :Pertes locales élevées aux extrémités des enroulements, aux transpositions ou aux conducteurs en raison de la distorsion du champ magnétique.

(2) Débit d'huile irrégulier :Les canaux d’huile mal conçus/obstrués réduisent le refroidissement.

(3) Pertes structurelles :Les courants de Foucault induits dans les pinces/parois du réservoir chauffent l'huile à proximité.

● Technologie de base : flux d'huile dirigé (ODAF)
L'ODAF dirige l'huile vers les zones critiques via des pompes, des conduits isolés et des buses, offrant :

(1) Perturbation de la couche limite :Les jets d’huile à grande vitesse améliorent le transfert de chaleur (h ∝ vitesse^0.6–0.8).

(2) Élimination de la zone morte :Assure une couverture d'huile complète dans les régions d'enroulement complexes.

(3)Température moyenne inférieure de l'huile :Améliore le refroidissement de base pour les points chauds

 Résultat:L'ODAF réduit les points chauds de 10 à 25 °C par rapport à                             

● Mesures supplémentaires :

(1) Blindage électromagnétique :Les blindages en acier non magnétique (par exemple, en acier inoxydable) ou en cuivre/aluminium à proximité des zones à forte fuite réduisent les courants de Foucault sur les parois du réservoir.

(2)Revêtements avancés :Les nano-revêtements à haute teneur en λ (par exemple, nitrure de bore, graphène) sur les enroulements/isolants améliorent la conduction thermique (technologie émergente).

En résumé

La gestion de l'échauffement des transformateurs nécessite une approche globale : choix d'un radiateur adapté, optimisation du flux d'air et suppression ciblée des points chauds. Pour des solutions sur mesure, contactez notre équipe technique et bénéficiez de conseils d'experts en optimisation du refroidissement.

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