Comment éviter une panne soudaine de court-circuit du transformateur ?

—Analyse des solutions de vérification de la résistance aux courts-circuits et de renforcement structurel

Dans les réseaux électriques et la distribution industrielle, les courts-circuits soudains des transformateurs entraînant une déformation des enroulements et une rupture de l'isolation constituent un défi mondial pour la fiabilité des équipements électriques.IEEE C57.12.00 Statistiquement, les impacts de courant de court-circuit peuvent soumettre les enroulements à des forces électromagnétiques supérieures à 100 kN, provoquant la défaillance de 40 % des transformateurs après leur premier court-circuit. Cet article explique de manière systématique les processus de vérification de la résistance aux courts-circuits et les technologies de renforcement structurel, basés sur des normes internationales telles queIEC 60076-5 et mes IEEE C57.12.90, soutenu par des données de validation d'ingénierie interrégionales.

Contenu

1. Mécanisme de destruction et quantification des risques de courant de court-circuit

● Impact de la force électromagnétique du courant de court-circuit

(1)Calcul du courant de court-circuit et électromagnétique 

Génération de force Lorsqu'un court-circuit se produit sur le côté secondaire du transformateur, le courant primaire augmente jusqu'à 10 à 25 fois sa valeur nominale, déterminée par le pourcentage de tension d'impédance du transformateur (%).

Formule:

Définitions des variables :

· : Tension nominale du système

·: Pourcentage de tension d'impédance (plage typique : 4 % à 12 %)

·: Courant nominal du transformateur

Mise en situation : Un transformateur de 1000 kVA avec Z%=6% et I_Évalué = Le 1443A a un courant de court-circuit de :

(2)Dommages mécaniques directs causés par des champs électromagnétiques 

Forces Selon la formule de la force de Lorentz, les forces électromagnétiques entre les conducteurs d'enroulement adjacents sont :

Définitions des variables :

·: Densité de flux de fuite (0.5–1.2 T, déterminée par l'espacement des enroulements et le courant)

·:Courant de court-circuit

·: Longueur effective du conducteur

Mise en situation :Si B=0.8T et L=2m, la force est : F=0.8×24,050×2=38,480N(≈38.5kN)

Modes de défaillance :

·Compression axiale : Les enroulements haute tension subissent une pression vers l'intérieur, ce qui entraîne un écrasement de l'isolation entre les spires.

·Expansion radiale : Les enroulements basse tension se dilatent vers l'extérieur, provoquant des fractures des supports et un effondrement éventuel.

● Effets thermiques et dégradation de l'isolation

(1) Mécanisme de chauffage Joule :

Le courant de court-circuit génère de la chaleur via la résistance de l'enroulement :

Définitions des variables :

·R: Résistance de l'enroulement (Ω)

·t: Durée du court-circuit (généralement ≤ 2 secondes)

·c: Capacité thermique spécifique (cuivre : 385 J/kg·K)

·m: Masse du conducteur

Mise en situation : Pour un conducteur en cuivre de 50 kg avec IAsc =24 kA et t=1s :

(2)Processus de défaillance de l'isolation :

·Décomposition thermique: La résine époxy se carbonise lorsque les températures dépassent 105°C (limite d'isolation de classe A).

·Réduction de la rigidité diélectrique : La tension de claquage du papier isolant chute de 5 à 8 % par augmentation de 10 °C (CEI 60076-5).

·Courts-circuits entre spires : La tension d'amorçage d'une décharge partielle chute de 15 kV à moins de 6 kV, provoquant des dommages permanents.

2. Normes internationales pour la vérification de la résistance aux courts-circuits

● IEC 60076-5:Norme de base pour les essais de stabilité dynamique pour les transformateurs ≤ 35 kV.

(1)Procédure de test:

·État avant court-circuit :Appliquer le courant nominal ; surveiller la température et les vibrations.

·Impulsion de court-circuit :Appliquer un courant symétrique à 75 % de la position de prise pendant 0.25 seconde.

·Répétez trois fois pour évaluer les dommages cumulatifs.

(2)Critères de réussite :

·Variation de réactance ≤ 2 %

·Déformation de l'enroulement ≤1.5 ​​mm (mesurée via des capteurs de déplacement laser).

● IEEE C57.12.90 :Validation de la résistance mécanique Norme clé pour les transformateurs de grande capacité en Amérique du Nord.

(1)Exigences :

(2)Méthodes d'essai:

·Simulation de pression statique à l'aide de vérins hydrauliques (maintien de 60 secondes).

·Balayage de fréquence de vibration (10–2000 Hz) ; décalage de fréquence naturelle ≤ 5 %.

3. Solutions de renforcement structurel pour une meilleure résistance aux courts-circuits

● Systèmes de support d'enroulement optimisés

(1)Techniques de renforcement :

·Entretoises imprégnées de résine époxy : 

L'époxy renforcé de fibres de verre (résistance à la flexion ≥ 350 MPa, 4 fois plus résistant que le bois) réduit la déformation radiale de 3.2 mm à 0.8 mm.

·Systèmes de compression axiale : 

Les ensembles de ressorts à disque (précharge ≥ 50 kN) atténuent  compression axiale, augmentant les cycles de résistance de 1 à 3 (selon IEC 60076-5).

(2)Comparaison des performances :

● Améliorations de la structure du noyau et du serrage

(1)Techniques de renforcement :

·Acier au silicium à faible hystérésis : L'acier 23ZDKH90 réduit le transfert d'énergie vibratoire du noyau de 40 %, évitant ainsi la résonance (conforme à la norme ISO 10816-3).

·Colliers de serrage soudés multicouches : L'acier Q345B (limite d'élasticité 345 MPa, 47 % supérieure à celle du Q235) absorbe des forces axiales de 300 kN (conforme à la norme IEEE C57.12.90).

(2)Propriétés mécaniques:

En résumé

Conclusion Les transformateurs modernes renforcés viaIEC 60076-5 et mesIEEE C57.12.90 les normes peuvent résister Courants de court-circuit ≥ 50 kA (CEI niveau 4). Des études de cas mondiales montrent une réduction de 70 % des taux de défaillance annuels (Livre blanc ABB 2023). Pour des solutions personnalisées, contactez notre équipe technique pour des services de simulation, de test et de validation.

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