Structure et principe de fonctionnement des transformateurs immergés dans l'huile : Guide technique complet

Transformateurs à bain d'huile jouent un rôle essentiel dans les réseaux de transmission et de distribution d'énergie d'aujourd'hui. Qu'il s'agisse de sous-stations électriques, d'installations industrielles, de bâtiments commerciaux ou de réseaux ruraux, ces transformateurs assurent une conversion stable de la tension, une grande fiabilité et une longue durée de vie.

Cet article fournit une explication claire et professionnelle de la structure et principe de fonctionnement des transformateurs à bain d'huile, aidant les ingénieurs, les équipes d'approvisionnement et les utilisateurs finaux à mieux comprendre leurs performances et leurs applications.

Qu'est-ce qu'un transformateur immergé dans l'huile ?

Un transformateur à bain d'huile (également appelé transformateur à huile) est un type de transformateur d'énergie ou de puissance. transformateur de distribution dans lequel le le noyau et les enroulements sont entièrement immergés dans l'huile isolante du transformateur. L'huile remplit deux fonctions principales :

1. Isolation : Empêche les ruptures électriques entre les composants
2. Refroidissement : Transfère la chaleur des enroulements et du noyau à la surface du réservoir

Ces transformateurs sont utilisés pour les deux transmission de puissance et réseaux de distribution, communément classée comme :

• Transformateur de puissance immergé dans l'huile - pour les applications à haute tension et à haute capacité
• Transformateur de distribution immergé dans l'huile - pour la distribution de 10kV/20kV/35kV à 230/400V

Leur capacité à supporter des charges importantes, des conditions de surcharge et des environnements extérieurs difficiles en fait l'épine dorsale de l'infrastructure électrique mondiale.

Composants structurels des transformateurs immergés dans l'huile

Bien que les conceptions varient d'un fabricant à l'autre, un transformateur à bain d'huile standard comprend généralement les composants suivants :

1. Noyau (circuit magnétique)

Le noyau du transformateur est la voie magnétique qui guide le flux magnétique alternatif. Il est généralement constitué de :

• Tôles d'acier au silicium à grains orientés laminées à froid
• Épaisseur généralement inférieure à 0,3 mm
• Faibles pertes par hystérésis et par courant de Foucault

Il existe deux types de structures communes :

• Transformateur à noyau - les enroulements entourent les membres du noyau
• Transformateur à coquille - le noyau entoure les enroulements

La plupart des transformateurs de puissance et de distribution utilisent aujourd'hui la structure à noyau en raison d'un meilleur refroidissement et d'une meilleure résistance mécanique.

Les transformateurs de grande capacité comprennent conduits d'huile à l'intérieur du noyau afin que l'huile en circulation puisse éliminer efficacement la chaleur du circuit magnétique.

2. Bobinages (bobines primaires et secondaires)

Les enroulements sont responsables de la conversion de la tension par induction électromagnétique. Ils sont généralement constitués de conducteurs en cuivre ou en aluminium, isolés avec des matériaux à haute température.

Les structures d'enroulement les plus courantes sont les suivantes

• Enroulements concentriques
• Enroulements entrelacés ou en disque
• Bobinages en couches pour les bobines HT et BT

Considérations clés pour les enroulements :

• Doit résister aux forces mécaniques de court-circuit
• Doit dissiper efficacement la chaleur dans l'huile du transformateur
• Nécessité d'une isolation robuste pour éviter les défauts entre les virages et entre les phases et la terre

Les défaillances typiques de l'enroulement sont les suivantes

• Courts-circuits entre spires (dus au vieillissement de l'isolation ou à une surcharge)
• Défauts phase-terre (dus à l'humidité, à la dégradation de l'huile ou à la surtension)
• Déformation causée par les forces du courant de court-circuit

La circulation de l'huile permet de maintenir l'intégrité de l'isolation et de dissiper la chaleur générée par les pertes I²R.

3. Huile de transformateur et réservoir d'huile

Le réservoir d'huile abrite le noyau et les enroulements et est remplie d'huile minérale de haute qualité pour transformateurs.
Le réservoir remplit ces fonctions :

• Contient l'huile du transformateur
• Fournit un environnement étanche pour prévenir l'oxydation
• Soutient les ailettes du radiateur pour la dissipation de la chaleur

Les transformateurs immergés dans l'huile de petite et moyenne taille utilisent généralement :

• Réservoirs d'huile étanches (hermétiquement scellé)
• Parois ondulées des réservoirs pour permettre la dilatation thermique
• Radiateurs ou ailettes de refroidissement pour une meilleure dissipation de la chaleur

Les transformateurs de plus grande taille peuvent comprendre conservateurs d'huile (vase d'expansion d'huile) pour maintenir l'équilibre de la pression et éviter le contact entre l'huile et l'air.

4. Changeur de robinet

Le changeur de prise est utilisé pour ajuster la tension de sortie du transformateur aux fluctuations du réseau.

Les types comprennent

• Changeur de prise hors charge (OLTC) - réglé lorsque le transformateur est hors tension
• Changeur de prises en charge (LTC/OLTC) - ajuste automatiquement la tension pendant le fonctionnement

Les changeurs de prises assurent une tension secondaire stable même en cas de fluctuation des conditions du réseau primaire.

5. Bagues

Les bagues assurent l'isolation haute tension des conducteurs qui traversent la paroi de la cuve du transformateur.

Types :

• Bagues en porcelaine
• Bagues en composite
• Bagues remplies d'huile pour les applications haute tension

Ils doivent résister aux tensions élevées, aux contraintes environnementales et aux charges mécaniques.

6. Dispositifs de protection et de surveillance

Les transformateurs à bain d'huile sont dotés de divers mécanismes de protection :

• Relais Buchholz - détecte l'accumulation de gaz due à des défauts internes
• Soupape de sécurité - libère l'excès de pression interne
• Capteurs de température/thermomètres - surveiller la température de l'huile et du bobinage
• Indicateur de niveau d'huile - assure un volume d'huile adéquat
• Reniflard (gel de silice) - empêche l'humidité de pénétrer dans le système de conservation

Ces dispositifs garantissent un fonctionnement sûr et durable.

Principe de fonctionnement des transformateurs immergés dans l'huile

Les transformateurs à bain d'huile fonctionnent selon le principe suivant induction électromagnétique.

Décortiquons le processus :

1. Une tension est appliquée à l'enroulement primaire

Lorsqu'une tension alternative est appliquée à la bobine primaire, un courant alternatif circule, générant un champ magnétique dans le noyau de fer.

2. Liens de flux magnétique avec l'enroulement secondaire

Le flux magnétique alternatif traverse le noyau et relie les enroulements primaire et secondaire.

La tension induite obéit à l'équation de la FEM du transformateur : E=4.44fNΦmax

Où ?

• E = tension induite
• f = fréquence
• N = nombre de tours
• Φmax = flux magnétique maximal

Des rapports de rotation différents créent des tensions de sortie différentes.

3. Transfert d'énergie par couplage magnétique

• Lorsque le côté secondaire est circuit ouvertSeul le courant de magnétisation circule dans l'enroulement primaire.
• Lorsque le secondaire est chargéle courant circule dans la charge, générant un flux opposé.
• L'enroulement primaire ajuste automatiquement son courant pour maintenir l'équilibre du flux magnétique.

Cet équilibre dynamique permet le transfert d'énergie du primaire au secondaire sans contact électrique direct.

4. Refroidissement et isolation de l'huile

L'huile de transformateur circule continuellement grâce à la convection naturelle ou aux pompes à huile forcées, remplissant plusieurs fonctions vitales :

• Transfère la chaleur des enroulements et du noyau à la paroi du réservoir
• Améliore la résistance de l'isolation
• Empêche la pénétration de l'humidité
• Réduit l'oxydation et la dégradation thermique

Ce refroidissement à base d'huile permet aux transformateurs à bain d'huile de supporter des capacités beaucoup plus élevées que les transformateurs à sec.

Avantages des transformateurs immergés dans l'huile

1. Excellente capacité de refroidissement

L'huile assure une meilleure dissipation de la chaleur, ce qui permet d'augmenter la capacité de charge et la durée de vie.

2. Haute résistance électrique

L'huile pour transformateurs améliore considérablement la force d'isolation entre les composants.

3. Longue durée de vie

Les transformateurs à bain d'huile correctement entretenus dépassent souvent les 25-35 ans de fonctionnement.

4. Adapté à l'installation en extérieur

Ils fonctionnent de manière fiable dans des conditions météorologiques difficiles.

5. Gestion efficace des surcharges

Le refroidissement de l'huile permet aux transformateurs de supporter des surcharges temporaires sans endommager gravement l'isolation.

Applications des transformateurs immergés dans l'huile

Les transformateurs à bain d'huile sont largement utilisés dans :

• Sous-stations de services publics
• Usines de fabrication industrielle
• Opérations minières
• Réseaux de distribution ruraux et urbains
• Projets d'énergie renouvelable
• Systèmes d'alimentation électrique commerciaux et résidentiels

Conclusion

Les transformateurs à bain d'huile restent le choix privilégié pour la distribution mondiale d'électricité grâce à leur structure robuste, leurs performances thermiques élevées et leur fiabilité à long terme. La compréhension de leurs composants et de leurs principes de fonctionnement aide les utilisateurs à prendre des décisions éclairées en matière d'approvisionnement, d'exploitation et de maintenance.