Comment optimiser la conception de la structure du transformateur pour réduire l’augmentation de la température ?

—Analyse des technologies clés

Dans les réseaux de transport et de distribution d'électricité, les transformateurs sont des équipements essentiels dont la température de fonctionnement a un impact direct sur la fiabilité, l'efficacité énergétique et la durée de vie. Des données de recherche de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) montrent que pour chaque réduction de 10 000 °C de l'échauffement des transformateurs, le vieillissement des matériaux isolants ralentit de 50 %, tandis que l'efficacité s'améliore de 0.3 % à 0.7 %. Avec l'accélération de la transition énergétique mondiale et le durcissement des réglementations en matière d'efficacité énergétique (par exemple, le règlement européen Écoconception 2021 exige une réduction de 10 % à 20 % des pertes à vide pour les transformateurs de distribution), le contrôle de l'échauffement est devenu un paramètre de conception essentiel. Cet article analyse systématiquement les solutions d'ingénierie pour l'optimisation structurelle des transformateurs et le contrôle de l'échauffement, à partir de perspectives interdisciplinaires, notamment la science des matériaux, l'électromagnétisme et la thermodynamique, apportant ainsi des éclairages techniques pour l'industrie.

1. Optimisation du système central : de l’innovation matérielle à la conception structurelle

● Micro-mécanismes et macro-avantages de l'acier au silicium à haute perméabilité

Les pertes dans le noyau représentent 30 à 50 % des pertes totales des transformateurs, ce qui fait des tôles d'acier au silicium de pointe une mesure fondamentale pour réduire l'échauffement. À l'échelle microscopique, l'acier au silicium à grains orientés laminé à froid (CRGO) atteint un alignement de texture Goss de plus de 85 % (contre 30 à 40 % pour l'acier au silicium conventionnel), garantissant ainsi l'alignement de la direction de magnétisation avec l'axe facile et réduisant les pertes par hystérésis de 40 à 60 %. Une étude de JFE Steel Corporation montre que l'acier au silicium 30JG120 de 0.23 mm d'épaisseur présente une perte unitaire de seulement 1.10 W/kg à une densité de flux de travail de 1.7 T, soit une réduction de 25 % par rapport à l'acier au silicium traditionnel de 0.3 mm.

Les paramètres clés pour les applications pratiques d’ingénierie comprennent :

(1)Sélection de l'épaisseur :L'acier au silicium de 0.23 mm réduit les pertes par courants de Foucault de 15 % par rapport à 0.27 mm, mais augmente les coûts de 20 %.

(2)Technologie de revêtement :Les revêtements isolants composites phosphate-silicate atteignent une résistance interlaminaire supérieure à 100 Ω·cm².

(3)Contrôle de la magnétostriction :Le traçage laser réduit le coefficient de magnétostriction à moins de 0.5 ppm, minimisant ainsi le chauffage induit par les vibrations.

Tableau 1 : Comparaison des matériaux de base

● Dynamique des fluides et analyse électromagnétique des structures articulaires Innovation

Une distribution de flux non uniforme au niveau des jonctions du noyau crée des points chauds localisés. L'optimisation multiphysique peut atténuer considérablement ce problème. Une conception de jonction à onglet à 45° réduit l'angle de rotation du flux de 90° à 45°, abaissant la densité de flux maximale au niveau de la jonction de 1.8 T à 1.5 T et réduisant les pertes localisées de 35 %. L'expérience d'ABB montre qu'une jonction à cinq étages avec un entrefer de 0.5 mm réduit le courant à vide de 12 %, ce qui correspond à une baisse de 4 à 6 K de l'échauffement du noyau.

Points techniques clés :

(1) Optimisation de l'angle d'articulation :Les joints à onglet à 45° réduisent flux de fuite transversal de 50 % par rapport aux joints bout à bout.

(2) Conception par étapes :Joints en trois étapes pour un flux lisse transition, réduisant l'augmentation de la température des articulations de 3 à 5 K.

(3)Traitement au laser :L'irradiation laser locale affine la taille des grains à 20-30 µm dans les zones de joint.

2. Conception du système d'enroulement : de la sélection des conducteurs à l'optimisation du champ thermique

● Principes de couplage électrothermique pour les matériaux conducteurs

La résistance CA des conducteurs d'enroulement affecte directement les pertes de charge, ce qui nécessite de prendre en compte les effets de peau et de proximité. Lorsque l'épaisseur du conducteur d dépasse 1.5 fois la profondeur de pénétration δ (δ ≈ 9.3 mm pour le cuivre à 50 Hz), la résistance CA augmente fortement. Les conducteurs transposés corrigent ce problème en effectuant une rotation périodique des brins (tous les 5 à 10 mm), ce qui égalise la distribution du courant et limite les pertes circulantes à moins de 5 % des pertes totales.

Considérations techniques :

(1) Forme du conducteur :Les fils de cuivre plats avec un rapport largeur/épaisseur de 3:1 réduisent la résistance CA de 15 % par rapport aux fils ronds.

(2) Hauteur de transposition :Pour les enroulements transportant > 1000 A, un pas ≤ 8 mm est recommandé.

(3)Système d'isolation :Le papier isolant Nomex® (180 °C) d'une épaisseur de 0.05 mm atteint un facteur de remplissage de 0.85.

La formule de résistance CA corrigée :

Rac = Rdc[1 + 0.00393(T-20)]·(1 + kₛ·F(d/δ) + kₚ·G(s/d))

  Où? :

k = coefficient d'effet de peau (0.8-1.2)

k = coefficient d'effet de proximité (0.5-1.0)

F, G = fonctions empiriques

● Stratégies de contrôle actif du champ thermique

L'analyse CFD montre que les enroulements continus traditionnels présentent des gradients de température axiaux de 15 à 20 K, tandis que les enroulements à fente axiale avec conduits d'huile dirigés limitent ce gradient à 8 K. L'étude de cas de Siemens Energy sur un transformateur de 800 kVA a démontré une réduction de 12 K de la température du point chaud grâce aux éléments suivants :

(1)Partitionnement radial :Quatre chemins parallèles réduisent la densité de courant de 3.2 à 2.6 A/mm².

(2) Conduits d'huile axiaux :Les conduits verticaux de 6 mm augmentent la vitesse de l'huile de 0.1 m/s à 0.25 m/s.

(3) Blindage d'extrémité :Les anneaux électrostatiques en cuivre réduisent l'intensité du champ final de 3.5 kV/cm à 2.0 kV/cm.

3. Innovations en matière de systèmes de refroidissement : du contrôle passif au contrôle intelligent

● Optimisation multi-échelle des systèmes d'écoulement d'huile

La dissipation thermique des transformateurs immergés dans l'huile dépend de l'organisation du flux d'huile. Un refroidissement dirigé optimisé améliore le coefficient de transfert thermique h de 30 à 50 %.

 Nu = 0.023·Re^0.8·Pr^0.4
 (Nu = nombre de Nusselt, Re = nombre de Reynolds, Pr = nombre de Prandtl)

Pratiques clés :

(1) Dimensionnement des conduits d'huile :Les conduits de 6 à 8 mm optimisent la turbulence (Re≈4000).

(2)Vitesse d'écoulement :0.2-0.3 m/s équilibre la perte de charge et le transfert de chaleur.

(3)Huiles avancées :Les esters synthétiques offrent une viscosité 15 % inférieure et une h 20 % supérieure à celle de l'huile minérale.

● Réponse dynamique des systèmes de refroidissement intelligents

Les systèmes basés sur l'IoT ajustent le refroidissement en temps réel :

(1)Contrôle du ventilateur :Un fonctionnement intermittent à < 60 % de charge réduit la consommation d'énergie de 40 %.

(2)Pompes à vitesse variable :Le contrôle de fréquence réduit la puissance de la pompe de 50 % à charge partielle.

(3) Caloducs :Gère des flux de chaleur de points chauds jusqu'à 50 W/cm².

4. Évolution des normes et tendances futures

Les dernières normes d’efficacité imposent des limites plus strictes :

(1)CEI 60076-14:2019:Surveillance des points d'accès en temps réel requise.

(2)IEEE C57.91-2011 :La limite d'augmentation de la température de l'huile supérieure a été réduite de 60 °C à 55 °C.

(3)Chine GB 20052-2020 :Les transformateurs de niveau 1 doivent réduire les pertes à vide de 20 %.

Les technologies émergentes:

(1)Gestion thermique numérique :Prédiction du champ de température en temps réel via des jumeaux numériques.

(2)Nanofluides :Coefficients de transfert de chaleur supérieurs de 30 % et plus.

(3) Supraconducteurs :Les transformateurs supraconducteurs à haute température éliminent les pertes de cuivre.

En résumé

L'optimisation de l'élévation de température nécessite une approche globale « matériau-structure-contrôle ». Des mesures combinées peuvent réduire l'élévation de température de 15 à 25 K, améliorer le rendement de 0.8 à 1.5 % et diminuer les émissions annuelles de CO₂ de 5 à 10 tonnes (par transformateur de 1 000 kVA). Les fabricants devraient adopter des plateformes de conception multiphysiques pour intégrer le contrôle de la température tout au long du cycle de vie du produit.

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