Limites d'élévation de température des transformateurs secs par rapport aux transformateurs immergés dans l'huile : principales différences

Dans les réseaux électriques, les transformateurs sont essentiels à la conversion et à la distribution de l'énergie. Leurs performances et leur fiabilité influent directement sur la sécurité du réseau. En fonctionnement, les transformateurs génèrent de la chaleur, faisant de l'élévation de température un indicateur de performance critique. Du fait des différences de méthodes de refroidissement, les transformateurs secs et les transformateurs immergés dans l'huile présentent des variations importantes de leurs limites d'élévation de température. Cet article propose une analyse détaillée des normes, des facteurs influents et des principes techniques sous-jacents à ces limites, permettant ainsi aux ingénieurs en énergie, aux responsables des achats et aux professionnels du secteur de mieux appréhender ce paramètre clé.

À l'échelle mondiale, des organismes de normalisation tels que l'IEEE, la CEI et l'ANSI ont clairement défini les limites d'échauffement des transformateurs. La comparaison de ces normes permet de mieux déterminer le transformateur le plus adapté aux différentes situations.

1. Définition et importance des limites de hausse de température

L'élévation de température correspond à la différence entre la température interne d'un transformateur sous charge nominale et la température ambiante. Par exemple, si la température ambiante est de 30 °C et la température des enroulements de 110 °C, l'élévation de température est de 80 K (remarque : l'unité est le kelvin, K, et non le degré Celsius, °C).

Δθ = Tmesuré − Tambiant

Exemple : Température ambiante 40°C, température d'enroulement 110°C → Élévation de température = 70K.

Pourquoi le contrôle de l'élévation de température est-il crucial pour la survie du système ?

2. Limites d'élévation de température pour les transformateurs secs

Les transformateurs secs sont refroidis par air et leur isolation est généralement réalisée en résine époxy ou en papier Nomex®. Du fait de la faible capacité thermique massique et de la faible conductivité thermique de l'air, ces transformateurs dissipent moins bien la chaleur, ce qui limite leur échauffement.

Selon les normes IEC 60076-11 et IEEE C57.12.01, les limites d'élévation de température pour les transformateurs secs sont les suivantes :

● Pourquoi les limites des transformateurs de type sec sont-elles plus basses ?
Les transformateurs secs utilisent la convection de l'air pour leur refroidissement, et la conductivité thermique de l'air (0.026 W/m·K) est bien inférieure à celle de l'huile de transformateur (0.12 W/m·K). Afin de garantir la longévité de l'isolation, les limites d'élévation de température doivent être strictement contrôlées. Par exemple, un transformateur sec de classe F (155 °C) tolère une élévation de température de 100 K, mais fonctionne généralement en dessous de 80 K pour des raisons de fiabilité.

● Modèle de calcul de l'élévation de température pour les transformateurs secs
L'élévation de température est proportionnelle à la charge de manière exponentielle :

Δθ = ΔθR × (I/IR)^1.6

ΔθR : Élévation de température nominale (ex. : 100 K)

I/IR : Rapport de charge

Exemple : Un transformateur sec de classe F à 120 % de charge :
Élévation de température = 100 × (1.2)^1.6 ≈ 135 K (dépasse la limite de 35 %).

● Conseils d'entretien

(1)Espacement:Gardez une distance de ≥300 mm des murs (≥150 mm pour la convection forcée).

(2)Propreté: L'accumulation de poussière réduit l'efficacité du refroidissement de 15 à 30 %.

(3)Surcharge: Limiter à ≤3 surcharges quotidiennes, espacées de >4 heures (pour éviter l'accumulation de chaleur).

3. Limites d'élévation de température pour les transformateurs immergés dans l'huile

Les transformateurs immergés dans l'huile utilisent de l'huile minérale ou des esters synthétiques pour le refroidissement et l'isolation. La capacité thermique massique élevée de l'huile et la circulation forcée (par exemple, refroidissement ONAN/ONAF/OFAF) permettent une dissipation thermique supérieure, autorisant ainsi des limites d'échauffement plus élevées.

Conformément aux normes IEC 60076-2 et ANSI C57.12.00, les limites des transformateurs immergés dans l'huile sont les suivantes :

Pourquoi des limites plus élevées pour les transformateurs immergés dans l'huile ?

(1)Efficacité de refroidissement de l'huile : La conductivité thermique (0.12 W/m·K) est 5 fois supérieure à celle de l'air.

(2)Stabilité thermique: Une huile de haute qualité résiste à des températures supérieures à 100 °C sur le long terme sans se dégrader.

(3)Refroidissement forcé : Les grandes unités utilisent des ventilateurs (ONAF) ou des pompes à huile (OFAF) pour réduire davantage l'élévation de température.

4. Facteurs clés influençant la hausse des températures

● Charger le profil

(1)Charge continue :La température se stabilise à proximité des limites de conception.

(2)Charge intermittente :Les surcharges de courte durée peuvent être amorties par des constantes de temps thermiques (τ = 30-120 min), mais doivent être conformes aux directives IEC 60354.

limites progressives

Formule de montée dynamique (IEC 60354)

Δθo = ΔθoR + τ × (dP/dt)

τ : Constante de temps thermique (petites unités ≈1.5 h, grandes unités ≈3 h).

dP/dt : Taux de variation de la perte.

Application:Calcul de l'élévation de température dans les parcs éoliens avec des charges fluctuantes.

Conseils d'entretien

(1)Niveau d'huile: Taux de dilatation ≈ 0.0007/°C → élévation de température de 40 K augmente le volume de 2.8 %.

(2)Qualité de l'huile :Un indice d'acide supérieur à 0.1 mg KOH/g réduit le refroidissement efficacité de 12 à 18 %.

(3)Système de refroidissement:Une panne de ventilateur augmente la consommation en mode ONAF de % 40.

● Température ambiante

L'IEEE définit la température ambiante comme une moyenne annuelle de 30 °C. Dans les régions chaudes (par exemple, au Moyen-Orient), des classes d'isolation supérieures (par exemple, classe H) sont requises.

● Méthodes de refroidissement

(1)Type sec : AN (convection naturelle) ou AF (air pulsé).
(2)Immersion dans l'huile : ONAN/ONAF/OFWF. Refroidissement forcé(3)réduit la hausse mais augmente la consommation d'énergie.

5. Calcul et surveillance de l'élévation de température

● Formules de calcul

Élévation de l'enroulement immergé dans l'huile selon la norme IEC 60076-7 :

Où? :

hausse réelle

Élévation à pleine charge

Rapport de charge (réelle/nominale)

Rapport de perte cuivre/fer

Exposant empirique (huile : n≈0.8 ; sec : n≈1.0)

● Surveillance en temps réel

Les transformateurs modernes utilisent la détection de température distribuée par fibre optique (DTS) ou la thermographie infrarouge pour le suivi des points chauds.

Solutions avancées pour les unités immergées dans l'huile

(1)DTS à fibre optique :

-±1°Précision C, 0.01°Résolution C.

-Intégré dans les enroulements haute tension pour la cartographie thermique 3D.

-Détection des points chauds par diffusion Raman :

ΔT = (c × Δϕ) / (4πL × α)

  (α: Coefficient de fibre).

(2) Analyse des gaz dissous (AGD) :

-C₂H₄ >50 ppm indique des points chauds (>150°C).

En résumé

La différence de limites d'élévation de température entre les transformateurs secs et les transformateurs immergés dans l'huile provient de l'écart de performance thermique entre l'air et l'huile : la conductivité de l'air n'est que 1/5 de celle de l'huile, et sa chaleur spécifique est <1/2, ce qui oblige les transformateurs secs à adopter des limites plus strictes (généralement 80-100K contre 65K en moyenne / 78K au point chaud pour l'huile).

Pour les applications intérieures (centres de données, bâtiments commerciaux, etc.), les groupes électrogènes à sec excellent grâce à leur conception étanche et sans entretien, mais nécessitent un refroidissement forcé et une isolation de classe H. Dans les environnements extérieurs difficiles (centrales électriques, plateformes offshore, etc.), les groupes électrogènes immergés dans l'huile tirent parti de l'inertie thermique de l'huile et d'un système de refroidissement modulable (OFAF/OFWF) pour des conceptions compactes et une meilleure tolérance aux surcharges.

Les innovations futures comprennent :

(1)Type sec : époxy nano-dopé (par exemple, les charges AlN augmentent la conductivité de 40 %).

(2)Immersion dans l'huile : les fluides isolants biosourcés (point d'incendie > 320 °C) redéfinissent les marges de sécurité.

Pour une sélection optimale, les ingénieurs doivent utiliser des modèles jumeaux numériques IEC 60076-14 pour simuler le climat local et les profils de charge, en quantifiant les pertes dues au vieillissement thermique sur 20 ans afin d'équilibrer sécurité et coût.

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