Face à l'accélération de l'urbanisation et à la raréfaction croissante des terres, les postes de transformation souterrains sont devenus un élément essentiel des infrastructures électriques urbaines modernes. En tant qu'équipements centraux de ces postes, les transformateurs sont confrontés à de nombreux défis spécifiques lors de leur installation et de leur exploitation en milieu souterrain. Cet article examine en détail les principales exigences environnementales liées à l'installation de transformateurs dans les postes de transformation souterrains urbains, afin d'aider les planificateurs, les ingénieurs et le personnel de maintenance à mieux appréhender ces spécifications techniques particulières.

 

Contenu

1. Exigences en matière de contrôle de la température et de la ventilation

La principale caractéristique environnementale d'un poste souterrain est son environnement clos, qui pose des problèmes majeurs pour la dissipation de la chaleur des transformateurs. Contrairement aux postes aériens, l'environnement souterrain est dépourvu de convection naturelle, ce qui favorise l'accumulation de chaleur. Il peut en résulter une surchauffe du transformateur, affectant ainsi les performances de son isolation et sa durée de vie.

Les mesures de contrôle de la température doivent inclure :

● Systèmes de ventilation forcée :

 Utiliser des systèmes de ventilation mécanique composés de ventilateurs axiaux et de conduits. Conformément aux recommandations de la norme IEEE C57.91-2011, maintenir la température ambiante en dessous de 40 °C.

Le calcul du volume d'air de ventilation suit la formule suivante :

Q = H / (ρ ×Cp× ΔT)

Où Q représente le volume d'air requis (m³/s)

H représente la perte totale du transformateur (W).

ρ est la densité de l'air (environ 1.2 kg/m³).

Cp est la capacité thermique massique de l'air (environ 1005 J/kg·K).

ΔT représente l'élévation de température admissible (généralement prise comme étant de 15 K).

 

● Systèmes de réfrigération et de climatisation :

Lorsque la ventilation seule est insuffisante, des unités de climatisation dédiées sont nécessaires. La capacité de refroidissement doit être suffisante pour dissiper la chaleur dégagée par le transformateur à sa charge maximale, en tenant compte d'une conception redondante.

● Réseau de surveillance de la température :

Déployez plusieurs capteurs de température autour du transformateur pour une surveillance en temps réel des températures des points chauds, garantissant ainsi la conformité aux exigences de la norme IEC 60076-7.

Capacité du transformateur (kVA)	Ventilation minimale (m³/h)	Méthode de ventilation recommandée	Norme de contrôle de la température
≤ 1000	1500 - 3000	Ventilateur naturel + axial	≤ 40 ° C
1000 - 5000	3000 - 8000	Ventilation mécanique forcée	≤ 38 ° C
≥ 5000	≥ 10000	Assistance mécanique et climatisation	≤ 35 ° C

Tableau 1 : Exigences relatives aux systèmes de ventilation selon la capacité des transformateurs

2. Exigences en matière d'humidité, d'étanchéité et de protection contre l'humidité

L'humidité relative dans les environnements souterrains est généralement plus élevée qu'en surface, notamment pendant les saisons des pluies ou dans les zones à nappe phréatique élevée. Une humidité élevée réduit les performances d'isolation des transformateurs et accélère la corrosion des composants métalliques, ce qui rend le contrôle de l'humidité essentiel.

Le système d'étanchéité et de protection contre l'humidité doit comprendre :

● Conception de mur anti-infiltration :

 Utiliser des structures en béton armé avec des agents d'étanchéité. Le coefficient de perméabilité doit être inférieur à 1 × 10⁻¹¹ m/s. L'épaisseur des parois est généralement d'au moins 300 mm, avec des joints d'étanchéité.

● Système de drainage :

La capacité du puisard doit permettre le débit d'entrée maximal possible sur 24 heures, et il est équipé d'un système à double pompe (une en fonctionnement, une de secours). Le débit de la pompe de drainage est calculé par la formule Q = CA√(2gh), où C est le coefficient de débit (environ 0.6), A est la section de sortie, g est l'accélération gravitationnelle et h est la hauteur manométrique.

● Équipement de déshumidification :

Maintenir l'humidité relative en dessous de 60 % (valeur recommandée par la norme IEEE 979). Calcul de la capacité de déshumidification : W = V × ρ × (ω₁ - ω₂), où V est le volume de l'espace, ρ est la masse volumique de l'air, ω₁ et ω₂ sont respectivement les teneurs en humidité initiale et cible.

● Traitement de scellement :

 Utiliser un mastic spécialisé sur les traversées, les bornes, etc. du transformateur, conforme à l'indice d'étanchéité IP68 spécifié dans la norme IEC 60840.

3. Aménagement spatial et exigences d'installation (Version optimisée et détaillée)

Les contraintes d'espace dans les sous-stations souterraines présentent des défis uniques pour l'installation des transformateurs, nécessitant une prise en compte globale sous des angles tels que l'utilisation de l'espace 3D, l'interaction des équipements et la gestion du cycle de vie.

(1)Principes de l'aménagement de l'espace tridimensionnel

Considérations relatives à la conception de la profondeur :

● Superposition verticale :

 On adopte généralement une structure à trois niveaux : « Niveau câbles – Niveau équipements – Niveau ventilation ». Le transformateur doit être placé au milieu du niveau équipements, à une hauteur d’au moins 2.5 m par rapport à la plaque de base (conformément à la norme IEEE 841), et un dégagement vertical d’au moins 1.2 m est prévu pour la maintenance. Cette configuration garantit la stabilité des équipements et facilite le raccordement des câbles et les opérations de maintenance.

● Zonage horizontal :

Divisez l'espace en zones fonctionnelles : zone des équipements principaux, zone des équipements auxiliaires et zone des couloirs d'accès. Placez le transformateur dans la zone des équipements principaux, en maintenant une distance D par rapport au mur le plus proche ≥ max(1.5 m, 0.3 × hauteur de l'équipement). Cette distance est calculée en fonction du rayonnement thermique.q = εσ(T₁⁴ - T₂⁴), où ε est l'émissivité (0.9 pour les transformateurs), σ est la constante de Stefan-Boltzmann (5.67×10⁻⁸ W/m²K⁴).

(2)Ingénierie d'installation dynamique

Points clés pour la conception du système de transport et d'installation :

● Système de rails coulissants :

 Utilisez des guides à rouleaux robustes avec capacité de chargeW = μN + mg(sinθ + μcosθ)où μ est le coefficient de frottement (0.15 pour un contact acier-acier), θ est l'angle d'inclinaison (doit être < 5°). Installer des tampons hydrauliques aux extrémités des voies, avec une énergie absorbée E = 0.5 mv² ≤ Ed (où Ed est l'énergie absorbée nominale).

● Technologie de positionnement 3D : 

Utilisez des instruments d'alignement laser pour garantir la précision de l'installation : écart de niveau ≤ 1 mm/m (selon IEC 61936), écart de la ligne centrale ≤ 3 mm. Erreur de positionnement Δx = √(Δx₁² + Δx₂²), où Δx₁ est la tolérance de fabrication, Δx₂ est l'erreur d'installation.

Paramètre	≤10 MVA	10-40 MVA	≥40 MVA	norme d'essai
Capacité portante de la fondation (MPa)	0.8	1.2	1.5	GB50007
Déplacement vibratoire (mm)	≤ 0.05	≤ 0.03	≤ 0.02	ISO10816.
Précision de positionnement (mm)	± 5	± 3	± 2	IEC60076
Coefficient de sécurité du point de levage	3.5	4.0	4.5	ASME B30.20

Tableau 2 : Spécifications des paramètres spatiaux pour les transformateurs de différentes capacités

(4)Conception d'accessibilité pour la maintenance

Les plans de maintenance complets du cycle de vie doivent inclure :

● Interfaces de démontage modulaires : 

L'espacement des boulons de raccordement de la bride est déterminé parP = πD / n, où D est le diamètre de la bride, n est un multiple de 4 (minimum 16). Force de préchargeF = 0.7 × σy × As, où σy est la limite d'élasticité du boulon, As est la section transversale de contrainte.

● Passerelles d'inspection visuelle : 

Aménager des couloirs périphériques de largeurW = 0.8 + 0.1 × Hauteur de l'équipement (m), charge au sol ≥ 5 kN/m². L'angle de vision α pour les points de surveillance clés (bagues, jauges d'huile, etc.) doit satisfaire tanα = h / d ≥ 0.7 (h est la hauteur des yeux, d est la distance horizontale).

4. Exigences en matière de sécurité incendie et de sûreté (Version systématiquement mise à jour)

La conception de la protection incendie des sous-stations souterraines doit établir un système de protection à quatre niveaux « Prévention-Contrôle-Confinement-Extinction », formant une défense en profondeur.

(1)Protection contre les incendies dynamiques

Technologies clés pour la prévention et le contrôle des risques thermiques :

● Système d'extinction des incendies de nappes d'hydrocarbures :

Pour les transformateurs immergés dans l'huile, utiliser des revêtements intumescents ignifuges avec un coefficient de dilatation K = V₂ / V₁ ≥ 30 (V₂ étant le volume après dilatation). L'épaisseur du revêtement δ = Q / (λ × ΔT), où Q est le flux thermique (à prendre comme référence 50 kW/m²), et λ la conductivité thermique (≤ 0.1 W/m·K après dilatation).

● Gestion des fumées :

Le volume d'évacuation des fumées Q_smoke est donné par la formule Q_smoke = 0.19 P √H, où P représente le périmètre du compartiment en feu (en mètres) et H sa hauteur (en mètres). La vitesse d'évacuation des fumées doit être de 6 à 8 m/s, afin de maintenir la hauteur de la couche de fumée au-dessus de 2 m (norme NFPA 92).

(2)Protection liée à plusieurs niveaux

Architecture d'un système intelligent de protection contre l'incendie :

● Couche de détection :

Détecteurs de flamme à triple longueur d'onde (longueurs d'onde de réponse <3μm, 3-5μm, >5μm), avec une densité de placement augmentée de 30 % par rapport à la surface.

● Couche de contrôle :

 Adoptez des contrôleurs PES (Sécurité d'ingénierie basée sur la performance), avec un taux de défaillance λ ≤ 1×10⁻⁶ /h.

● Couche d'exécution :

 Temps de réponse du groupe de vannes combiné t = V / (Q × C), où V est le volume du tuyau, Q est le débit, C est le coefficient du milieu (1.2 pour le gaz).

(3)Protection structurelle contre l'incendie

Exigences spécifiques en matière de construction résistante au feu :

● Couche protectrice en béton :

L'épaisseur est calculée par la formule R = 0.1 × √(t / k), où t représente le temps de résistance au feu (en min) et k le coefficient de conduction (0.0015 pour le béton). Enrobage des armatures ≥ 50 mm ; ajouter des fibres de polypropylène (dosage : 0.9 kg/m³) pour prévenir l'écaillage.

● Étanchéité au feu :

Utiliser des membranes coupe-feu composites, pression d'expansionP = ηRT / V(η représente le nombre de moles de gaz, R est une constante). Doit résister à une pression ≤ 50 kPa lors d'un test de résistance au feu de 3 heures.

Type d'ouvrage	Conductivité thermique (W/m·K)	Taux d'expansion	Température appropriée	Norme de certification
Panneau de silicate de calcium	0.15	Aucun	≤ 1000 ° C	UL263
Graphite expansé	0.08	100x	≤ 800 ° C	EN1366
Couverture d'aérogel	0.02	Aucun	≤ 650 ° C	ISO834.
Fibre de céramique	0.12	Aucun	≤ 1260 ° C	ASTM E119

Tableau 3 : Comparaison des performances des matériaux résistants au feu

5. Compatibilité électromagnétique et contrôle du bruit (Plan de mise en œuvre approfondi)

La nature semi-fermée du milieu souterrain provoque des interférences électromagnétiques et des problèmes de bruit qui se manifestent par des effets d'ondes stationnaires, nécessitant des mesures ciblées.

(1)Optimisation de la topologie électromagnétique

Méthodes de construction d'un système de blindage 3D :

● Blindage multicouche :

La couche extérieure est constituée d'une tôle d'acier galvanisé de 1 mm (efficacité de blindage ≥ 40 dB à 1 MHz), la couche intérieure d'une feuille de cuivre de 0.3 mm (≥ 60 dB). Utiliser des joints EMI aux jonctions, impédance de transfert Zt < 5 mΩ/m (IEC 61000-5-7).

● Filtrage par guide d'ondes : 

Concevoir les ouvertures comme des guides d'ondes à coupure, de diamètre d < c / (2f √εr), où c est la vitesse de la lumière, f la fréquence d'interférence maximale et εr la constante diélectrique. Dimensions typiques : structure en nid d'abeille, ouverture ≤ 5 mm, profondeur ≥ 50 mm.

(2)Contrôle de la transmission des vibrations

Conception d'un système d'isolation des vibrations à plusieurs étages :

● Isolement primaire : 

La rigidité de l'isolateur en caoutchouc est donnée par k = (2πf)²m, où f est la fréquence de perturbation (typiquement 100 Hz pour les transformateurs) et m la masse. Le coefficient d'amortissement ζ = c / (2√(km)) est compris entre 0.05 et 0.1.

● Isolement secondaire :

 Adopter des systèmes de suspension électromagnétiques actifs, bande passante de contrôle Δf ≥ 2 × Plage de fluctuation de vitesse, force d'actionnement F = ma, a est l'accélération de vibration admissible (prendre 0.1 g pour les stations souterraines).

(3)Effet trou noir acoustique

Application des structures d'absorption acoustique non linéaires :

● Matériaux à impédance graduée : 

L'impédance acoustique Z(x) = Z₀ e^(βx), β est le coefficient d'atténuation (prendre 0.5 - 1.5 Np/m). Placer un matériau poreux à gradient d'épaisseur ≥ 100 mm à 1 m du transformateur peut réduire le bruit au-dessus de 500 Hz de 15 dB(A).

● Systèmes de réduction active du bruit : 

Le placement du microphone d'erreur suit le principe λ/4 (λ est la longueur d'onde), l'algorithme de contrôle utilise FxLMS, ​​coefficient de convergence μ = 0.0001 / (P × L), P est la puissance d'entrée, L est la longueur du filtre.

(4)Matrice d'atténuation harmonique

Solutions de filtrage multidimensionnel :

● Filtrage spatial :

Configurez des filtres homopolaires avec connexion delta, rapport d'impédance Z₀ / Z₁ ≥ 10, où Z₀ = 3R + 3X, Z₁ = R + jX.

● Filtrage temporel : 

Fréquence de commutation du filtre actif f_sw ≥ 10 × Ordre harmonique le plus élevé, erreur de suivi du courant δ = √(∑(I_h - I_href)²) / I₁ ≤ 5% (IEC 61000-3-6).

Grâce aux mesures d'optimisation approfondies décrites ci-dessus, le niveau de perturbation électromagnétique des transformateurs dans les sous-stations souterraines peut répondre aux exigences de la classe A de la norme CISPR11, avec un bruit contrôlé en dessous de 55 dB(A) (mesuré à 1 m de l'équipement), atteignant pleinement les valeurs recommandées par la norme IEEE Std 1127.

Normes internationales et meilleures pratiques

Les principaux systèmes de normes internationaux ont des priorités différentes concernant l'installation des transformateurs de sous-stations souterraines :

• Normes CEI (Commission électrotechnique internationale) : Elles mettent l'accent sur les performances des équipements et les méthodes d'essai, par exemple la série CEI 60076.

• Normes IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) : axées sur la conception et la sécurité des systèmes, par exemple la série de normes IEEE C57.

• Normes GB (Normes nationales chinoises) : Adaptées aux conditions nationales, par exemple, GB/T 17468-2019.

 

Conclusion

Les exigences environnementales liées à l'installation de transformateurs dans les sous-stations souterraines urbaines constituent un problème complexe impliquant de multiples facteurs relevant de disciplines telles que la thermodynamique, le génie civil et la sécurité électrique. Grâce aux progrès technologiques, de nouveaux matériaux(par exemple, une huile isolante nanofluide)Les technologies de surveillance intelligentes améliorent sans cesse la fiabilité et l'efficacité des sous-stations souterraines. Les planificateurs et les ingénieurs doivent trouver un équilibre optimal entre l'investissement initial et les coûts d'exploitation à long terme, les contraintes spatiales et les marges de sécurité, ainsi que le progrès technique et la fiabilité éprouvée, afin de garantir le fonctionnement sûr et efficace de ces « cœurs énergétiques urbains » en milieu souterrain.

 

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