Principes de base des transformateurs de puissance

1. 2. Classification par enroulement

2. (1) Transformateur à double enroulement : utilisé pour les transformateurs élévateurs, les transformateurs abaisseurs, les transformateurs d'usine, etc.

3. (2) Transformateur à trois enroulements : utilisé pour les transformateurs abaisseurs, les transformateurs de liaison, etc.

4. (3) Transformateur auto-couplant : utilisé pour les transformateurs abaisseurs, les transformateurs de liaison, etc.

5. (4) Transformateur divisé : Il existe deux types de division axiale et de division radiale, qui sont utilisés pour les transformateurs d'usine et les transformateurs de démarrage.

7.3. Classification par structure

8. (1) Transformateur monophasé : utilisé pour les transformateurs de 330 à 1000 kV.

9. (2) Transformateur triphasé : utilisé pour les transformateurs de 10 à 500 kV.

10. (3) Transformateur combiné : Le transformateur est divisé en plusieurs parties, et le transformateur est combiné après son arrivée sur le site, qui est utilisé dans les zones où la circulation est difficile.

12.4. Classification par méthode de refroidissement

13. (1) Transformateur immergé dans l'huile : utilisé pour les transformateurs de 10 à 1000 kV.

14. (2) Transformateur de type sec : utilisé pour les transformateurs de 10 à 110 kV.

15. (3) Transformateur SF6 : actuellement utilisé pour les transformateurs de 110 kV.

17.5. Modèle de transformateur de puissance

19. (1) Signification des lettres dans le modèle

21. D—Monophasé F—Refroidissement par immersion dans l'huile et par air

22. O—auto P—circulation forcée d'huile

23. S — Triphasé ou à trois bobines J — Autorefroidissement par immersion dans l'huile

24. Z — Régulateur de tension en charge L — Bobine en aluminium

26. * Les bobines en cuivre et les doubles bobines ne nécessitent pas l'ajout de symboles

28. (2) Exemple

30. SFPSL—120000/110 : Transformateur triphasé à trois enroulements, à circulation d'huile forcée et à refroidissement par air, 110 kV, 120 MVA, à bobines en aluminium.

32. OSFPSZ—240000/330 : Transformateur triphasé à trois enroulements, 330 kV, 240 MVA, à régulation de tension en charge, à circulation d’huile forcée et refroidissement par air, à couplage automatique

Deuxièmement, la bobine du transformateur de puissance

La bobine est l'élément le plus important et le plus complexe du transformateur de puissance. Elle est constituée de fil de cuivre (ou d'aluminium) et comprend des éléments isolants spécifiques.

1. Spirale

La principale caractéristique du bobinage spiralé réside dans le grand nombre de fils parallèles enroulés en spirale, chaque spire constituant un tour. Ce type de bobinage présente une excellente stabilité mécanique, une bonne dissipation thermique et une fabrication soignée, ce qui explique son utilisation fréquente dans les bobines basse tension et forte intensité des transformateurs.

La bobine hélicoïdale peut être enroulée en trois structures : hélice simple, double hélice et quadruple hélice, selon l'intensité du courant.

2. Bobine continue

Lorsqu'une bobine est composée de plusieurs segments de fil répartis dans le sens axial et qui n'ont pas besoin d'être soudés entre eux, on parle de bobine continue.

La surface d'appui terminale de la bobine continue est importante, la force axiale est élevée, la résistance aux courts-circuits est forte et chaque segment de ligne présente une capacité de dissipation thermique élevée. Ce type de bobine trouve de nombreuses applications, indépendamment du niveau de tension ou de la plage de puissance.

3. Bobine emmêlée

Une bobine enchevêtrée est constituée de plusieurs segments de ligne enchevêtrés (en forme de tarte). Les bobines entièrement enchevêtrées (en forme de gâteau) sont appelées bobines entièrement enchevêtrées et sont couramment utilisées dans les transformateurs de tension supérieure ou égale à 220 kV. Une bobine composée d'une partie de segments de ligne enchevêtrés (en forme de gâteau) et d'une partie de segments de ligne continus est appelée bobine continue enchevêtrée et est utilisée dans les transformateurs de tension supérieure ou égale à 66 kV.

L'insertion de spires non adjacentes entre les spires adjacentes de la bobine crée des segments de ligne enchevêtrés et décalés, formant ainsi une bobine complexe. Ceci augmente la capacité longitudinale de la bobine et améliore la distribution de la tension impulsionnelle sur toute sa hauteur axiale, ce qui explique son utilisation répandue dans diverses bobines haute tension.

4. Bobine blindée interne

La bobine continue à blindage interne améliore la distribution de la tension impulsionnelle en augmentant la capacité série entre les segments de ligne. Sa particularité réside dans le fait que les spires du condensateur supplémentaire sont directement bobinées à l'intérieur du segment de ligne. Les extrémités de ces spires sont isolées puis suspendues dans le segment. Ces spires ne sont pas parcourues par un courant et ne fonctionnent que sous tension impulsionnelle.

Les bobines continues à blindage interne sont disponibles structurellement sous forme de cavalier à deux sections, de cavalier à quatre sections, de cavalier à huit sections et de connexion segmentaire.

Troisièmement, le noyau de fer du transformateur de puissance

Le noyau de fer est également un composant important du transformateur de puissance. Il est constitué de feuilles d'acier au silicium à haute perméabilité empilées, puis fixées par des attaches en acier ou liées par des rubans de verre.

1. Tôle d'acier au silicium

Les tôles d'acier au silicium utilisées dans les transformateurs de puissance sont des tôles d'acier au silicium-gadolinium à froid d'une épaisseur de 0,3 à 0,5 mm. Actuellement, seules les usines sidérurgiques de Wuhan et de Shanghai Baosteel sont capables de produire ce type de tôles. Cependant, les tôles d'acier au silicium destinées aux transformateurs de grande taille doivent être importées du Japon.

2. La structure du noyau de fer

(1) Noyau de fer monophasé à deux colonnes, utilisé pour divers transformateurs monophasés.

(2) Noyau de culasse côté colonne de section monophasée, utilisé pour les transformateurs monophasés haute tension de grande capacité.

(3) Le noyau à culasse latérale monophasé à deux colonnes est utilisé pour les transformateurs monophasés de grande capacité à haute tension et à très haute tension.

(4) Le noyau de fer du transformateur triphasé à trois colonnes est utilisé pour divers transformateurs triphasés.

(5) Noyau de fer à cinq colonnes pour transformateurs triphasés de grande capacité.

Quatrièmement, le réservoir d'huile du transformateur immergé dans l'huile

1. Le réservoir d'huile de type baril est principalement utilisé pour divers petits transformateurs immergés dans l'huile et transformateurs immergés dans l'huile de très grande taille.

2. Réservoir d'huile de type cloche, largement utilisé dans les transformateurs immergés dans l'huile de 110 à 500 kV.

3. Le réservoir d'huile totalement étanche est sur le point d'être définitivement remplacé par un système de soudure. Il n'a été utilisé ces dernières années que dans les transformateurs immergés dans l'huile de 110 kV et plus.

5. Conservateur d'huile du transformateur immergé dans l'huile

Le conservateur d'huile du transformateur remplit deux fonctions : l'une est de fournir un espace pour la dilatation et la contraction thermiques de l'huile du transformateur dans le réservoir d'huile ; l'autre est d'isoler l'huile du transformateur de l'atmosphère extérieure afin d'empêcher son vieillissement.

1. Conservateur d'huile de type capsule, qui utilise des capsules en caoutchouc pour séparer l'huile du transformateur de l'atmosphère extérieure et offre un espace pour la dilatation et la contraction thermiques de l'huile du transformateur.

2. Le conservateur d'huile à diaphragme utilise un diaphragme en caoutchouc pour séparer l'huile du transformateur de l'atmosphère extérieure et offre un espace permettant à l'huile du transformateur de se dilater et de se contracter.

3. Le conservateur d'huile ondulé utilise un séparateur métallique composé de tôles ondulées pour isoler l'huile du transformateur de l'atmosphère extérieure et lui permettre de se dilater et de se contracter thermiquement. Il existe deux types de conservateurs d'huile ondulés : à bain d'huile interne et à bain d'huile externe. Le premier offre de meilleures performances, mais son volume est plus important.

6. Méthode de refroidissement du transformateur immergé dans l'huile

1. Symboles représentant les méthodes de refroidissement

La première lettre : O — huile minérale, K — fluide isolant synthétique, L — gaz isolant.

La deuxième lettre : N - circulation par convection naturelle, F - circulation forcée d'huile, D - circulation guidée forcée.

La troisième lettre : A - air, W - eau.

Quatrième lettre : N - convection naturelle, F - circulation forcée (ventilateur, pompe).

2. Exemples

ONAN – Refroidissement gratuit

ONAF - refroidissement par air

OFAF — Refroidissement par air à circulation d'huile forcée

ODAF — Refroidissement guidé par circulation d'huile forcée

Sept, traversée de transformateur

1. Traversée isolante en porcelaine pure de 40 kV et moins

Ce type de gaine existe en deux versions : à tige de guidage et à passage de câble. La version à tige de guidage est utilisée pour les traversées basse tension des transformateurs ; la version à passage de câble est utilisée pour les lignes de sortie haute tension de 10 à 20 kV.

2. Traversée à courant élevé de 40 kV et moins

Ce type de traversée présente deux structures : à tige de guidage et capacitive. La traversée à tige de guidage, en céramique pure, est utilisée pour la sortie de l’enroulement basse tension des transformateurs de générateurs de moyenne puissance ; la traversée capacitive est utilisée pour la sortie de l’enroulement basse tension des transformateurs de générateurs de grande puissance.

3. Traversée capacitive papier-huile de 66 kV et plus

L'isolation interne de ce manchon est constituée d'un noyau de condensateur composé de papier isolant et de feuille d'aluminium enroulés alternativement. Le noyau et le manchon en porcelaine sont remplis d'huile isolante. La connexion entre le manchon et l'enroulement peut se faire par tige de guidage ou par câble. Le noyau du condensateur, constitué de papier et d'huile, est enroulé alternativement sur le tube conducteur à l'aide de papier isolant de 0,08 à 0,12 mm d'épaisseur et de feuille d'aluminium de 0,01 mm d'épaisseur.

4. Traversées capacitives à ruban papier de 66 kV et plus

L'isolation interne de ce manchon est constituée d'un noyau de condensateur formé par l'enroulement alterné de papier adhésif et de feuille d'aluminium. Le noyau et le manchon en porcelaine sont remplis d'huile isolante, la partie inférieure du manchon étant dépourvue de manchon en porcelaine. Cependant, le tanδ de ce type de boîtier est élevé et le papier adhésif se fissure facilement, générant des décharges partielles. Sa production est actuellement arrêtée.

5. Traversée de condensateur moulée en résine

L'isolation principale de cette gaine est constituée d'un noyau de condensateur formé par l'enroulement alterné de papier isolant et de feuille d'aluminium, recouvert de résine époxy pour former une gaine isolante solide. Ce type de traversée peut être utilisé comme traversée huile-gaz : la partie supérieure est installée dans la canalisation du GIS et remplie de gaz SF6 ; la partie inférieure est immergée dans l'huile de transformateur.

8. Méthode de régulation de tension d'un transformateur de puissance

1. Méthode de régulation de tension

Il existe deux méthodes de régulation de tension pour les transformateurs : la régulation à vide et la régulation en charge. La régulation à vide, également appelée régulation de tension sans excitation, consiste à réguler la tension lorsque le transformateur est à l'arrêt et sans charge. Le dispositif de régulation de tension à vide est appelé changeur de prises à vide ; le dispositif de régulation de tension en charge est appelé changeur de prises en charge.

2. Position de régulation de tension en charge

Il existe trois types de régulation de tension en charge pour les transformateurs : la régulation de la tension au point neutre, la régulation de la tension aux extrémités des lignes moyenne tension et la régulation de la tension aux extrémités des lignes d'enroulement haute tension. Parmi celles-ci, la régulation de la tension au point neutre est relativement simple à mettre en œuvre et trouve de nombreuses applications.

3. Interrupteur de régulation de tension en charge

Le pressostat fait également office de changeur de prises. Actuellement, la qualité des changeurs de prises en charge de fabrication nationale est insuffisante, et la plupart de ces changeurs sont importés, notamment des sociétés allemande MR et suédoise ABB.

Neuf, huile de transformateur

1. Composition de l'huile de transformateur

L'huile pour transformateurs est une huile minérale, qui est un mélange de nombreuses molécules d'hydrocarbures de différents poids moléculaires, principalement des composés hydrocarbonés tels que des alcanes, des naphtènes et une petite quantité d'hydrocarbures aromatiques.

2. Fonction et qualité de l'huile pour transformateur

Huile pour transformateurs, utilisée comme huile isolante pour les transformateurs immergés dans l'huile. Cette huile assure à la fois l'isolation et la dissipation de la chaleur.

L'huile pour transformateurs est classée en deux catégories selon son point de congélation : l'huile n° 25 et l'huile n° 45. Le point de congélation de l'huile n° 25 est de -25 °C, celui de l'huile n° 45 est de -45 °C.

L'huile pour transformateurs n° 25 est une huile paraffinique, tandis que l'huile n° 45 est une huile naphténique. Auparavant, l'huile n° 45 devait être importée ; désormais, la raffinerie de Karamay, dans le Xinjiang, peut également la produire.

10. Processus de fabrication d'un transformateur de puissance

Le transformateur de puissance se compose de deux parties : le corps et les accessoires. Le corps comprend un enroulement, des éléments isolants, un noyau de fer, un changeur de prises, de l’huile de transformateur et un réservoir d’huile. Les accessoires du transformateur incluent un conservateur d’huile, un refroidisseur, des traversées isolantes, un relais à gaz, un détendeur et un thermomètre. Le refroidisseur, l’huile isolante, les traversées isolantes, le changeur de prises, le relais à gaz, le détendeur et le thermomètre sont tous achetés auprès de fournisseurs externes. On trouvera ci-après une brève description des procédés de fabrication de certains composants principaux.

1. Bobinage : installation du squelette de bobinage - bobinage - soudage des fils - emballage isolant - mise en forme de la bobine - test de la bobine.

2. Assemblage du noyau de fer : découpe de la tôle d'acier au silicium - ébavurage - empilage du noyau de fer - installation de la plaque de traction et du blindage - fixation du noyau de fer - test du noyau de fer - installation des clips du noyau de fer.

3. Traitement des pièces isolantes : découpe des pièces isolantes - ébavurage - chanfreinage des coins - traitement anti-humidité.

4. Traitement des réservoirs de carburant et des réservoirs de stockage d'huile : découpe de tôles d'acier - soudage des réservoirs de carburant et des réservoirs de stockage d'huile - élimination de la rouille - sablage - peinture d'apprêt - peinture - test de résistance mécanique.

5. Assemblage général : installer le noyau de fer - installer la conduite du réservoir de carburant - installer la bobine - empiler le joug de fer - installer le changeur de prises - souder le fil conducteur - enrouler l'isolation du fil conducteur - test du produit semi-fini - séchage du corps - finition du corps - assemblage du réservoir de carburant - assemblage des accessoires - remplissage d'huile - test d'étanchéité - circulation d'huile chaude - mise en place statique.

11. Test en usine du transformateur de puissance

Les tests en usine des transformateurs de puissance se divisent en trois catégories : les tests de routine (en usine), les tests de type et les tests spéciaux. Les tests de routine sont obligatoires pour chaque transformateur à sa sortie d'usine ; les tests de type sont effectués sur un échantillon de 1 à 2 transformateurs d'un même type de produit ; les tests spéciaux sont proposés par l'utilisateur et leurs modalités sont définies en accord avec le fabricant.

1. Exigences et réglementations de base pour les essais d'isolation haute tension

Les enroulements du transformateur sont testés en fonction de la tension de service maximale Um et du niveau d'isolation correspondant. Le tableau suivant présente les éléments de test d'isolation stipulés dans la norme nationale GB1094.3-2003 « Transformateur de puissance - Partie III : Niveau d'isolation, essai d'isolation et entrefer externe ».

2. Éléments de test de routine (en usine)

(1) Mesure de la résistance CC de l'enroulement : mesure sur toutes les bornes de prise.

(2) Mesure du rapport : mesurer à toutes les positions de prise.

(3) Détection du groupe de câblage : test à la position de prise nominale.

(4) Mesure de la résistance d'isolement, du rapport d'absorption et de l'indice de polarisation : Seuls les transformateurs de 220 kV et plus peuvent mesurer l'indice de polarisation.

(5) Test de tanδ et de capacité de l'enroulement : les transformateurs de 35 kV et plus doivent être testés pour tanδ. .

(6) Test de tanδ et de capacité des traversées : les traversées capacitives de 66 kV et plus doivent être testées pour tanδ et capacitance.

(7) Test de l'huile de transformateur : analyse de l'huile, rigidité diélectrique, tanδ, analyse chromatographique et autres paramètres. Les transformateurs de 750 kV et plus doivent également faire l'objet d'un test de granulométrie. De plus, les analyses chimiques et chromatographiques de l'huile ont été répétées tout au long du processus de test.

(8) Mesure des pertes à vide et du courant à vide : Effectuez le test sous le câblage de tension nominale.

(9) Mesure de la perte de charge et de l'impédance de court-circuit : essai sous câblage à tension nominale.

(10) Essai de décharge partielle : La quantité de décharge n'est pas utilisée comme évaluation, mais seulement comme référence pour savoir si un essai à haute tension peut être effectué.

(11) Essai d'impulsion à onde complète de foudre : transformateurs de 220 kV et plus, de 120 MVA et plus.

(12) Essai d'impact opérationnel : transformateurs de 330 kV et plus.

(13) Essai de tenue inductive avec mesure des décharges partielles : transformateurs de 110 kV et plus.

(14) Essai de tension de tenue à la fréquence de construction externe de l'enroulement basse tension et du point neutre.

(15) Essai de décharge partielle : Cet essai est un essai d'évaluation de la valeur d'essai en usine.

(16) Mesure de l'électricité du débit d'huile : transformateurs avec pompes à huile de 330 kV et plus.

(17) Essai de décharge partielle de la pompe à huile rotative : transformateurs avec pompe à huile de 330 kV et plus.

2. Typer les éléments de test

(1) Test d'élévation de température.

(2) L'onde de coupure de la foudre a été testée.

(3) Test d'impact d'onde complète de foudre au point neutre.

(4) Test d'interférence radio

3. Éléments de test spéciaux

(1) Mesure du niveau sonore.

(2) Mesure de l'impédance homopolaire des transformateurs triphasés.

(3) Mesure harmonique du courant à vide.

(4) Mesure de la puissance absorbée par le moteur du ventilateur et le moteur de la pompe à huile.

(5) Mesure des caractéristiques de transfert de tension transitoire.

(6) Test de résistance aux courts-circuits.