Une analyse complète des caractéristiques et des applications des transformateurs secs

En tant que composant clé indispensable des systèmes d'alimentation modernes, les transformateurs secs remplacent rapidement les transformateurs traditionnels immergés dans l'huile dans le monde entier grâce à leur conception unique sans huile et à leurs performances de sécurité supérieures.

Concepts de base et principes de fonctionnement des transformateurs secs

Les transformateurs secs sont des transformateurs de puissance qui n'utilisent pas de milieu isolant liquide (tel que l'huile de transformateur). Au lieu de cela, leurs enroulements et leur noyau sont soit directement exposés à l'air, soit encapsulés avec un matériau isolant solide. Comparés aux transformateurs traditionnels immergés dans l'huile, les transformateurs secs utilisent des matériaux isolants solides (tels que la résine époxy et la fibre de verre) pour assurer l'isolation électrique entre les enroulements, éliminant complètement le risque de fuite d'huile et d'incendie. Ils sont particulièrement adaptés aux applications nécessitant une sécurité et une protection de l'environnement élevées. En fonction de la méthode d'isolation, les transformateurs secs sont principalement divisés en deux catégories : imprégnés (VPI) et moulés (CRT). Les premiers utilisent un procédé d'imprégnation sous vide pour imprégner les enroulements avec du vernis isolant, tandis que les seconds utilisent de la résine époxy coulée sous vide pour former une couche protectrice isolante solide.

En termes de principe de fonctionnement, les transformateurs secs adhèrent toujours au principe physique de base de l'induction électromagnétique. Lorsqu'un courant alternatif traverse l'enroulement primaire, il génère un flux magnétique alternatif dans le noyau, qui à son tour induit une force électromotrice dans l'enroulement secondaire, réalisant ainsi la conversion de tension. Cependant, les transformateurs secs mettent en œuvre ce principe de base grâce à une conception structurelle unique et à la sélection des matériaux pour optimiser les performances. Par exemple, la technologie de transformateur sec brevetée récemment développée par TBEA utilise trois jambes de noyau parallèles avec leurs axes perpendiculaires à la surface inférieure. Cela optimise efficacement la répartition du champ magnétique et réduit les pertes par courants de circulation et de Foucault. Cette structure de noyau innovante, combinée à des enroulements basse tension et à une feuille spécialement enroulée (avec un angle d'enroulement contrôlé entre 175° et 185°), améliore considérablement l'efficacité énergétique du transformateur.

Les transformateurs secs ont une large gamme de capacités nominales, allant de dizaines de kVA à des dizaines de milliers de kVA, les transformateurs secs de 1000 kVA étant un produit courant sur le marché. Ces transformateurs utilisent généralement des tôles d'acier au silicium à haute perméabilité laminées pour le noyau. Les enroulements sont coulés sous vide et une dissipation thermique efficace est obtenue grâce à des systèmes de refroidissement à air naturel ou forcé. En termes de niveau de tension, les transformateurs secs sont passés des 10 kV et 35 kV traditionnels aux 66 kV d'aujourd'hui et même plus.

Les noms des transformateurs secs reflètent généralement leurs caractéristiques techniques. Dans la série "SCB", "S" signifie triphasé, "C" pour moulé et "B" pour enroulements en feuille. Le numéro suivant représente le niveau de performance ; par exemple, "SCB18" indique une efficacité énergétique conforme à la norme de type 18. Avec les progrès technologiques, la classification de l'efficacité énergétique des transformateurs secs continue de s'améliorer. L'utilisation de nouveaux matériaux tels que les alliages amorphes a réduit les pertes à vide et en charge d'environ 15 % à 20 % par rapport aux transformateurs traditionnels immergés dans l'huile. Ces avancées technologiques ont rendu les transformateurs secs de plus en plus essentiels dans les mises à niveau des systèmes d'alimentation et le développement des énergies renouvelables.

Structure du noyau et innovations matérielles dans les transformateurs secs

La conception structurelle des transformateurs secs détermine directement leurs performances et leur durée de vie. Les transformateurs secs modernes atteignent un fonctionnement sûr, efficace et fiable grâce à une configuration de composants sophistiquée et à une application de matériaux innovants. Un transformateur sec typique se compose de quatre composants principaux : le noyau, les enroulements, le système d'isolation et le système de refroidissement. Chaque composant est méticuleusement conçu et optimisé pour répondre aux exigences exigeantes des différents scénarios d'application.

La structure du noyau de fer constitue la base du circuit magnétique d'un transformateur sec. Il est généralement construit en laminant des tôles d'acier au silicium laminées à froid à haute perméabilité. L'épaisseur et le processus de stratification des tôles d'acier au silicium ont un impact direct sur les pertes à vide du transformateur. La dernière technologie brevetée de TBEA démontre une approche innovante de la conception du noyau de fer : une structure avec trois jambes de noyau parallèles, avec leurs axes perpendiculaires à la base, optimise efficacement la répartition du champ magnétique et réduit les pertes d'énergie. Encore plus avancés, les noyaux de fer fabriqués à partir d'alliages amorphes, qui peuvent réduire les pertes à vide de plus de 30 % par rapport aux tôles d'acier au silicium traditionnelles, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications avec de grandes fluctuations de charge. Bien que coûteux, les alliages amorphes offrent des avantages significatifs en matière d'économie d'énergie tout au long de leur cycle de vie et deviennent une caractéristique standard des transformateurs secs haut de gamme.

Le système d'enroulement, en tant que composant de circuit d'un transformateur sec, a un impact direct sur ses pertes en charge et sa résistance aux courts-circuits. Les enroulements des transformateurs secs modernes sont principalement en cuivre et en aluminium. Le cuivre offre une conductivité supérieure mais un coût plus élevé, tandis que l'aluminium offre un prix plus compétitif. Dans la conception brevetée de TBEA, chaque jambe de noyau est équipée d'un enroulement basse tension, qui est enroulé en plusieurs couches de feuille autour de la circonférence extérieure de la jambe de noyau. Cette structure améliore non seulement l'efficacité, mais réduit également les pertes d'énergie causées par les courants de Foucault. L'isolation des enroulements est coulée ou imprégnée de résine époxy, créant une forte couche protectrice isolante qui peut résister aux surtensions élevées et dissiper efficacement la chaleur.

Le système d'isolation est une caractéristique clé qui distingue les transformateurs secs des transformateurs immergés dans l'huile et constitue un facteur crucial pour leur sécurité. Les transformateurs secs modernes utilisent principalement des méthodes d'isolation par coulée de résine époxy ou par imprégnation sous pression sous vide (VPI). La coulée de résine époxy scelle complètement les enroulements dans le matériau isolant, offrant une excellente résistance à l'humidité et à la poussière. Par exemple, Shunte Electric utilise cette technologie pour maintenir le bruit des transformateurs dans les centres de données en dessous de 50 décibels. La technologie VPI, quant à elle, utilise de multiples imprégnations sous pression sous vide pour infuser profondément le vernis isolant dans les enroulements, formant ainsi une couche d'isolation uniforme. Les derniers transformateurs secs de Jingquanhua sont dotés d'une conception de système d'isolation optimisée, offrant une solution d'alimentation plus sûre et plus fiable pour les centres de données.

Le système de refroidissement a une influence décisive sur la capacité de charge et la durée de vie des transformateurs secs. Puisqu'il n'y a pas d'huile comme milieu de refroidissement, les transformateurs secs s'appuient principalement sur la convection de l'air pour dissiper la chaleur. Les méthodes de refroidissement courantes comprennent le refroidissement à air naturel (AN) et le refroidissement à air forcé (AF). Les transformateurs secs de grande capacité sont généralement conçus en mode hybride AN/AF, qui refroidit naturellement en charge normale et démarre les ventilateurs pour un refroidissement forcé en cas de surcharge. En optimisant la conception des conduits d'air et la zone de dissipation thermique, les transformateurs secs de 1000 kVA peuvent maintenir l'élévation de température dans une plage raisonnable, même en cas de forte charge. Les transformateurs secs 66 kV d'Envision Energy pour les éoliennes offshore adoptent une conception ultra-compacte, permettant une dissipation thermique efficace dans un espace limité, répondant aux exigences de fonctionnement dans des environnements offshore difficiles.