En tant que fournisseur de transformateurs de sous-station, j'ai été témoin du rôle essentiel que jouent ces appareils dans les réseaux de distribution d'énergie. Les transformateurs de sous-station sont les bêtes de somme du réseau électrique, augmentant ou abaissant les niveaux de tension pour assurer un transport d’électricité efficace et sûr. Cependant, comme tout équipement électrique, ils sont sujets au vieillissement, ce qui peut impacter considérablement leurs performances et leur durée de vie. Dans cet article de blog, j'aborderai le mécanisme de vieillissement des transformateurs de sous-stations, en explorant les facteurs qui contribuent à leur détérioration et les stratégies que nous pouvons employer pour atténuer ces effets.
1. Les bases des transformateurs de sous-station
Avant de discuter du mécanisme de vieillissement, passons brièvement en revue les composants et fonctions de base d'un transformateur de sous-station. Un transformateur de sous-station typique se compose d'un noyau, d'enroulements, de matériaux isolants et d'un système de refroidissement. Le noyau, généralement constitué d'acier au silicium laminé, offre un chemin à faible réluctance pour le flux magnétique. Les enroulements, constitués de conducteurs en cuivre ou en aluminium, sont chargés de transférer l'énergie électrique par induction électromagnétique. Les matériaux isolants, tels que l'huile et le papier, empêchent les pannes électriques entre les enroulements et le noyau. Le système de refroidissement, utilisant souvent la circulation d'huile, dissipe la chaleur générée pendant le fonctionnement.
Un type courant de transformateur de sous-station est leTransformateur de type noyau. Dans un transformateur de type noyau, les enroulements entourent le noyau, ce qui contribue à réduire le flux de fuite et à améliorer l'efficacité du transformateur.
2. Vieillissement thermique
Le vieillissement thermique est l’un des facteurs les plus importants contribuant à la détérioration des transformateurs des sous-stations. En fonctionnement normal, les transformateurs génèrent de la chaleur en raison de la résistance des enroulements (pertes I²R) et des pertes par hystérésis et courants de Foucault dans le noyau. Si cette chaleur n’est pas dissipée efficacement, la température des composants du transformateur augmentera.
Les matériaux isolants des transformateurs, notamment le papier à base de cellulose, sont très sensibles à la température. À mesure que la température augmente, les molécules de cellulose présentes dans le papier commencent à se décomposer selon un processus appelé pyrolyse. Ce claquage entraîne une diminution de la résistance mécanique et des propriétés diélectriques de l'isolant papier. Au fil du temps, le papier devient cassant et plus sujet aux fissures, ce qui peut éventuellement conduire à une panne électrique.
L'équation d'Arrhenius est souvent utilisée pour décrire la relation entre le taux de vieillissement des matériaux isolants et la température. Selon cette équation, le taux de vieillissement double pour chaque augmentation de température de 8 à 10 °C au-dessus de la température de fonctionnement normale. Par conséquent, maintenir un refroidissement adéquat et surveiller la température du transformateur est crucial pour ralentir le processus de vieillissement thermique.
3. Oxydation et humidité
L'oxydation est un autre mécanisme de vieillissement important dans les transformateurs de sous-station. L'huile isolante des transformateurs peut réagir avec l'oxygène de l'air, en particulier à des températures élevées. Ce processus d'oxydation forme des acides, des boues et d'autres sous-produits. Les acides peuvent corroder les composants métalliques du transformateur, tels que les enroulements et le noyau, tandis que les boues peuvent s'accumuler dans le transformateur, bloquant les canaux d'écoulement d'huile et réduisant l'efficacité du refroidissement.
L'humidité joue également un rôle néfaste dans le vieillissement des transformateurs. L'humidité peut pénétrer dans le transformateur par divers moyens, tels qu'une mauvaise étanchéité lors de la fabrication ou de la maintenance, ou par l'absorption de vapeur d'eau de l'atmosphère. L'humidité présente dans l'huile isolante peut réduire sa rigidité diélectrique et accélérer le processus d'oxydation. De plus, l’humidité peut hydrolyser l’isolant cellulosique, dégradant ainsi davantage ses propriétés mécaniques et électriques.
Pour empêcher l'oxydation et la pénétration d'humidité, les transformateurs sont souvent équipés de conservateurs et de systèmes de ventilation. Le conservateur fournit un réservoir pour l'huile isolante, permettant l'expansion et la contraction de l'huile avec les changements de température. Le système de ventilation, rempli d'un déshydratant tel que du gel de silice, élimine l'humidité de l'air entrant dans le transformateur.
4. Stress électrique
Le stress électrique est un autre facteur qui contribue au vieillissement des transformateurs de sous-station. Pendant le fonctionnement, les transformateurs sont soumis à diverses contraintes électriques, notamment des tensions de fonctionnement normales, des surtensions dues à la foudre ou à des opérations de commutation, ainsi que des tensions transitoires.
Des contraintes électriques élevées peuvent provoquer des décharges partielles dans les matériaux isolants. Les décharges partielles sont des pannes électriques localisées qui se produisent dans de petits vides ou dans des défauts d'isolation. Ces décharges génèrent des électrons et des ions de haute énergie, qui peuvent endommager les matériaux isolants en érodant le papier cellulosique et en décomposant l'huile isolante. Au fil du temps, l’effet cumulatif des décharges partielles peut conduire à la formation de vides et de canaux plus importants dans l’isolation, augmentant ainsi le risque de panne électrique complète.
Pour résister aux contraintes électriques, les transformateurs sont conçus avec une épaisseur et une configuration d'isolation appropriées. Des tests d'isolation réguliers, tels que la mesure des décharges partielles et la mesure du facteur de perte diélectrique, peuvent aider à détecter les premiers signes de dégradation de l'isolation due aux contraintes électriques.
5. Contrainte mécanique
Les contraintes mécaniques peuvent également affecter le vieillissement des transformateurs des sous-stations. Les transformateurs sont soumis à des vibrations mécaniques pendant leur fonctionnement, qui peuvent être provoquées par les forces électromagnétiques entre les enroulements et le noyau, ainsi que par des facteurs externes tels que l'activité sismique ou les machines à proximité.
Ces vibrations peuvent provoquer le desserrage ou le déplacement des composants mécaniques du transformateur, tels que les enroulements et les structures de serrage. Des enroulements desserrés peuvent entraîner une augmentation de la résistance électrique et un échauffement local, tandis que des structures de serrage décalées peuvent réduire la stabilité mécanique du transformateur. De plus, les contraintes mécaniques peuvent également endommager l'isolation en frottant ou en abrasant l'isolation en papier.
Pour minimiser les contraintes mécaniques, les transformateurs sont conçus avec des structures de support mécanique appropriées et des mécanismes d'amortissement des vibrations. Lors de l'installation et de la maintenance, il est important de s'assurer que le transformateur est correctement fixé et aligné.
6. Atténuer les effets du vieillissement
En tant que fournisseur de transformateurs de sous-stations, nous nous engageons à fournir des solutions pour atténuer les effets du vieillissement et prolonger la durée de vie de nos transformateurs. Voici quelques-unes des stratégies que nous employons :
- Systèmes de refroidissement avancés: Nous utilisons des technologies de refroidissement de pointe, telles que des systèmes de refroidissement forcé à l'huile et à air forcé, pour assurer une dissipation efficace de la chaleur. Ces systèmes peuvent maintenir la température du transformateur dans la plage optimale, réduisant ainsi le taux de vieillissement thermique.
- Matériaux isolants de haute qualité: Nous nous approvisionnons en matériaux isolants de haute qualité avec une excellente stabilité thermique et chimique. Par exemple, nous utilisons du papier cellulosique thermiquement amélioré qui présente une plus grande résistance à la température et à l’humidité.
- Outils de surveillance et de diagnostic: Nous fournissons à nos clients des outils avancés de surveillance et de diagnostic, tels que des capteurs de température, des détecteurs de décharges partielles et des analyseurs de gaz dissous. Ces outils permettent une surveillance en temps réel de l'état du transformateur, permettant une détection précoce des problèmes potentiels et une maintenance en temps opportun.
- Conception et fabrication appropriées: Nos transformateurs sont conçus et fabriqués pour répondre aux normes les plus élevées de l'industrie. Nous utilisons des techniques de conception avancées pour optimiser les performances magnétiques et électriques des transformateurs, réduisant ainsi les contraintes électriques et mécaniques sur les composants.
7. Conclusion
Comprendre le mécanisme de vieillissement des transformateurs de sous-stations est essentiel pour garantir leur fonctionnement fiable et à long terme. Le vieillissement thermique, l’oxydation, l’humidité, les contraintes électriques et mécaniques sont les principaux facteurs contribuant à la détérioration des transformateurs. En mettant en œuvre des stratégies d'atténuation appropriées, telles qu'un refroidissement avancé, des matériaux de haute qualité et une surveillance continue, nous pouvons ralentir le processus de vieillissement et prolonger la durée de vie des transformateurs des sous-stations.
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Références
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- Lesieutre, BC et Sabin, TM (2004). Prédiction de la durée de vie de l'isolation des transformateurs : une revue. Magazine IEEE sur l'isolation électrique, 20(4), 12 - 23.
- Commission électrotechnique internationale (CEI). (2010). CEI 60076 - 7 : Transformateurs de puissance - Partie 7 : Guide de chargement des transformateurs de puissance immergés dans l'huile.