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02 Forme du noyau de fer

Le noyau de fer est constitué d'une colonne de fer et d'un joug de fer. La colonne de fer est recouverte d'enroulements et le joug de fer la relie pour former un circuit magnétique fermé.

La figure 1A représente un transformateur monophasé, la figure 1B un transformateur triphasé. La structure du noyau de fer se divise en deux parties : C, la partie enroulée, appelée colonne du noyau, et Y, la partie fermant le circuit magnétique, appelée culasse. Un transformateur monophasé possède deux colonnes de noyau, un transformateur triphasé en possède trois.

Le flux magnétique dans le noyau de fer d'un transformateur étant alternatif, afin de réduire les pertes par courants de Foucault, ce noyau est généralement constitué de copeaux de fer en tôle d'acier au silicium à haute résistivité. Ces copeaux sont d'abord découpés aux dimensions requises (feuilles de découpe), puis assemblés par recouvrement. La figure 2A illustre le noyau d'un transformateur monophasé. Chaque couche est composée de quatre feuilles de découpe. La figure 2b représente le noyau d'un transformateur triphasé : chaque couche est composée de six pièces, assemblées par recouvrement selon différentes méthodes afin de décaler les jonctions du circuit magnétique. Ce procédé permet d'éviter la circulation des courants de Foucault entre les tôles. De plus, l'imbrication des couches réduit le nombre de fixations nécessaires, simplifiant ainsi la structure lors du pressage du noyau. Lors de l'assemblage, les pièces poinçonnées sont d'abord superposées pour former un noyau de fer complet, puis la culasse inférieure est serrée, les pièces poinçonnées de la culasse supérieure sont tirées pour exposer la colonne du noyau de fer, les enroulements préfabriqués sont placés sur la colonne du noyau de fer, et enfin les pièces poinçonnées de la culasse supérieure étirées sont insérées.

Selon la disposition des enroulements dans le noyau, on distingue deux types de transformateurs : les transformateurs à noyau et les transformateurs à enveloppe. La principale différence réside dans la distribution du circuit magnétique : dans les transformateurs à enveloppe, la bobine est entourée d'un noyau magnétique, tandis que dans les transformateurs à noyau, la majeure partie de la bobine est constituée d'un noyau métallique, seule une partie de la bobine étant située à l'extérieur du noyau, formant ainsi une boucle magnétique.

03 Dissipation thermique du noyau de fer

En fonctionnement normal, le noyau de fer du transformateur génère de la chaleur par pertes fer. Plus le noyau est lourd et volumineux, plus la chaleur générée est importante. Une température de l'huile de transformateur supérieure à 95 °C favorise le vieillissement du noyau. Il est donc essentiel de maintenir la température de surface du noyau aussi bas que possible, ce qui requiert une structure de dissipation thermique efficace. Cette structure vise principalement à augmenter la surface d'échange thermique du noyau. La dissipation de chaleur du noyau comprend principalement la dissipation de chaleur dans les canaux d'huile et dans les conduits d'air.

Dans les transformateurs immergés dans l'huile de grande capacité, des rainures d'huile sont souvent pratiquées entre les tôles du noyau de fer afin d'améliorer la dissipation thermique. Ces rainures sont de deux types : parallèles à la tôle d'acier au silicium et perpendiculaires à celle-ci, comme illustré sur la figure 4. La seconde configuration offre une meilleure dissipation thermique, mais sa structure est plus complexe.

Le noyau de fer du transformateur sec est refroidi par air. Afin d'éviter que sa température ne dépasse la valeur admissible, un conduit d'air est souvent installé dans la colonne du noyau et la culasse.

04 Bruit du noyau de fer

Les transformateurs produisent du bruit en fonctionnement. Ce bruit provient principalement de la magnétostriction de la tôle d'acier au silicium du noyau de fer. La magnétostriction se traduit par une dilatation de la tôle d'acier au silicium le long des lignes d'induction magnétique lorsque le noyau de fer est excité. Dans la direction perpendiculaire à ces lignes, la tôle se dilate et se contracte. Par ailleurs, la structure et les dimensions géométriques du noyau, ainsi que les procédés de fabrication, influent également sur le niveau de bruit.

Le niveau sonore du noyau de fer peut être réduit par les mesures techniques suivantes :

(1) Utilisez une tôle d'acier au silicium de haute qualité avec une faible valeur magnétostrictive ε.

(2) Réduire la densité de flux magnétique du noyau.

(3) Améliorer la structure du noyau de fer.

(4) Choisissez une taille de noyau raisonnable.

(5) Adopter une technologie de traitement avancée.

05 Mise à la terre du noyau de fer

En fonctionnement normal, le champ électrique qui se forme entre les enroulements et conducteurs électrifiés et la cuve d'huile du transformateur est non uniforme. Le noyau de fer et ses composants métalliques sont immergés dans ce champ. Du fait de cette différence de potentiel par induction électrostatique, le potentiel de suspension du noyau et de ses composants métalliques diffère également. Lorsque cette différence de potentiel atteint un niveau critique, l'isolation entre ces deux points se rompt, provoquant des étincelles. Ces décharges peuvent dégrader l'huile du transformateur et endommager l'isolation rigide. Pour éviter ce phénomène, le noyau et ses composants métalliques doivent impérativement être mis à la terre de manière fiable.

Le noyau doit être mis à la terre en un seul point. Si le noyau de fer ou d'autres composants métalliques ne sont mis à la terre qu'en deux points ou plus, un circuit fermé se forme, générant une circulation de courant pouvant atteindre plusieurs dizaines d'ampères. Ceci peut entraîner une surchauffe locale, la décomposition de l'huile, voire la fusion de l'élément de mise à la terre ou la destruction du noyau de fer. Ces situations sont inacceptables. Par conséquent, le noyau doit impérativement être mis à la terre en un seul point.

II. Structure d'enroulement du transformateur

Fonction de l'enroulement 01

L'enroulement est l'élément fondamental du transformateur ; il assure la création du champ magnétique et la transmission de l'énergie électrique. Généralement constitué de fil de cuivre ou d'aluminium enroulé autour d'un isolant en papier, il est placé dans le noyau du transformateur. Ce dernier doit présenter une isolation thermique, une résistance mécanique et une résistance thermique suffisantes.

Type d'enroulement

La structure des enroulements de transformateurs se divise généralement en deux catégories : la structure en couches et la structure en galette. La structure en couches se caractérise par des spires continues disposées le long de l'axe de l'enroulement ; elle est généralement utilisée dans les transformateurs de puissance à faibles pertes des séries S8 et S9. La structure en galette, quant à elle, se caractérise par des spires enroulées en continu en galette (segment) dans le sens radial, puis composées de plusieurs galettes disposées axialement. Elle est généralement utilisée dans les transformateurs de grande et très grande taille fonctionnant à haute tension (110 kV et plus).

En général, les enroulements des transformateurs de puissance fabriqués en Chine adoptent une structure concentrique. Un enroulement concentrique signifie que les spires sont enroulées à l'extérieur du noyau, suivant une ligne cylindrique identique quelle que soit la section transversale de celui-ci. Un espace d'isolation et un canal de dissipation thermique (canal d'huile) doivent être prévus entre les enroulements haute et basse tension, ainsi qu'entre les enroulements basse tension et le noyau de fer. Ces éléments sont séparés par un tube en carton isolé. L'espace d'isolation dépend du niveau de tension de l'enroulement et du dégagement requis par le canal de dissipation thermique. Lorsque l'enroulement basse tension est placé à proximité du noyau, l'espace d'isolation requis entre celui-ci et le noyau est relativement faible, ce qui permet de réduire la taille de l'enroulement et, par conséquent, celle du transformateur.

Le transformateur triphasé est le plus couramment utilisé dans les réseaux électriques. Son utilisation pour connecter un réseau de transport à trois tensions différentes est plus économique, moins encombrante et plus facile à entretenir et à gérer que l'utilisation de deux transformateurs classiques. Un transformateur triphasé à trois enroulements adopte généralement un couplage YY-△, c'est-à-dire que les enroulements primaire et secondaire sont couplés en étoile (Y), et le troisième enroulement en triangle (△), comme illustré sur la figure XX. Le couplage en triangle forme une boucle fermée, traversant la même phase que le courant harmonique de rang 3. Ainsi, les enroulements primaire et secondaire du couplage étoile ne sont pas affectés par la tension harmonique de rang 3. De cette manière, il offre un point neutre aux circuits primaire et secondaire. Dans les réseaux de transport longue distance, le troisième enroulement peut également être couplé à une chambre de synchronisation pour améliorer le facteur de puissance de la ligne.

III. Structure des conducteurs du transformateur

01 Matériaux et classification du plomb

Les enroulements du transformateur sont connectés extérieurement à l'extrémité principale du fil, appelée conducteur, qui relie ce conducteur au transformateur d'alimentation externe, mais qui permet également la transmission de l'énergie électrique du transformateur vers l'extérieur.

Il existe principalement les types de prospects suivants :

(1) le fil conducteur relié à l'extrémité du fil d'enroulement et au boîtier ;

(2) connecter les fils entre les extrémités enroulées ;

(3) la prise de bobinage est reliée au fil de prise relié à l'interrupteur

Le matériau principal est généralement :

(1) Barre de cuivre nue, champ d'application applicable : transformateur de classe 10 kV 6300 kVA et inférieur ;

(2) Barre de cuivre ronde enveloppée de papier, domaine d'application : transformateur de petite capacité 10 ~ 35 kV ;

(3) Barre de cuivre nue, champ d'application : conducteurs d'enroulement basse tension de 10 kV et moins ;

(4) Fil de cuivre multibrins, champ d'application : tous les niveaux de tension, en particulier 110 kV et plus ;

(5) Tuyau en cuivre, champ d'application : câble de transformateur de 220 kV et plus.

Afin de garantir une distance d'isolation suffisante, les conducteurs traversant les gaines en bois stratifié ou en carton doivent répondre aux exigences de performance électrique, de résistance mécanique et d'échauffement. Le choix des conducteurs repose également sur la rigidité diélectrique et la résistance mécanique, ainsi que sur l'échauffement en court-circuit et sous charge continue.

02 Connexion du câble

Les modes de raccordement des conducteurs de transformateur sont : le brasage, le soudage au gaz, le soudage à froid et le raccordement par boulonnage.

L'électrode de brasage doit être en alliage de cuivre phosphoreux pour la connexion entre la sortie de l'enroulement et le conducteur, ainsi qu'entre les conducteurs.

Le soudage au gaz est utilisé pour souder les barres de cuivre, les fils conducteurs et les câbles perforant les joints de boîtier.

Le soudage par pression à froid consiste à insérer les deux bornes reliées par un fil conducteur dans un tube métallique, puis à utiliser un moule pour comprimer ce tube et souder les deux bornes. Ce procédé ne nécessite aucun chauffage, est relativement sûr, évite les soudures accidentelles et préserve l'isolation des fils et autres composants. Il offre une excellente qualité d'extrusion et une bonne résistance à la traction. C'est pourquoi le soudage par pression à froid est la principale méthode de connexion des fils conducteurs pour les transformateurs de grande taille.

La fixation par boulon est principalement utilisée pour le raccordement du fil conducteur au manchon de la tige de guidage. Le fil conducteur est démontable et permet de compenser les variations de longueur. Généralement, la structure en arc de cercle du fil conducteur permet une dilatation libre, également appelée connexion souple.

03 Fixation du plomb

Afin de garantir la distance d'isolation du conducteur et de résister aux vibrations et aux chocs de l'énergie électrique pendant le fonctionnement et les courts-circuits sans déplacement ni déformation, des pièces de serrage doivent être utilisées pour fixer le conducteur.

Les éléments de fixation des conducteurs doivent présenter une résistance mécanique et électrique suffisante. Leur structure est généralement composée d'un support en bois, sur lequel sont fixés les éléments de fixation aux parties métalliques du transformateur. Pour renforcer la résistance mécanique, des boulons métalliques sont utilisés, mais la fixation entre les éléments de fixation doit être réalisée à l'aide de boulons époxy. Un dispositif de maintien est également prévu. Enfin, une plaque isolante doit être ajoutée autour des conducteurs afin d'assurer une isolation supplémentaire et d'éviter leur blocage.

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