Leéchauffement d'un-transformateur de type secest l'un de ces détails techniques qui peuvent paraître simples sur une fiche technique, mais qui en disent long sur le fonctionnement réel du transformateur.

Chaque fois qu’un transformateur est sous tension, il produit de la chaleur. Une partie provient du noyau magnétique, tandis que davantage de chaleur est généralement générée dans les enroulements à mesure que la charge augmente. Cette chaleur doit sortir. S'il reste piégé à l'intérieur du transformateur, la température augmente, l'isolation vieillit plus rapidement et la fiabilité peut en souffrir avec le temps.

En termes fondamentaux :

Augmentation de la température=Température du transformateur − Température ambiante

Ainsi, si l'air ambiant est à 40 degrés et que la température moyenne des enroulements atteint 140 degrés, l'augmentation de la température des enroulements est de 100 K.

Les transformateurs de type sec-sont refroidis parl'air plutôtque l’huile isolante. Cela rend le flux d’air, la ventilation, la construction des enroulements, les matériaux d’isolation et les conduits de refroidissement particulièrement importants. En pratique, le transformateur lui-même et le local dans lequel il est installé doivent être considérés comme un seul système thermique.

Quelles sont les causes de l'augmentation de la température dans un transformateur de type sec- ?

Il existe plusieurs sources de chaleur, maisperte de noyau et perte d'enroulementsont les plus grands.

La perte du noyau se produit chaque fois que le transformateur est sous tension. Cela provient principalement de l’hystérésis et des courants de Foucault dans le noyau magnétique. Contrairement à la perte dans les enroulements, elle ne disparaît pas lorsque le transformateur est légèrement chargé.

La perte d'enroulement est plus étroitement liée au courant de charge. La composante résistive est communément exprimée comme suit :

P = I²R

Cela mérite d’être pris en compte car le courant est au carré. Si le courant augmente, le chauffage des enroulements peut augmenter beaucoup plus rapidement que prévu.À 80 % du courant nominal, par exemple, la composante I²R de la perte d'enroulement représente environ 64 % de la valeur au courant nominal, en supposant que les autres conditions restent similaires.

Il y a aussipertes perdues et supplémentaires. Le flux de fuite peut induire des courants dans les pièces structurelles métalliques, créant un échauffement localisé. Les courants harmoniques peuvent également rendre la situation plus compliquée. Les équipements tels que les systèmes UPS, les entraînements à fréquence variable-, les onduleurs solaires, les chargeurs de véhicules électriques et autres charges électroniques - de puissance peuvent introduire des harmoniques et augmenter l'échauffement du transformateur.

Ainsi, la température finale est essentiellement un équilibre :la quantité de chaleur produite par le transformateur par rapport à la quantité de chaleur qu'il peut éliminer.

La température ambiante compte également. Un transformateur fonctionnant dans une salle électrique chaude a moins de marge thermique que le même transformateur installé dans un espace plus frais et bien-aéré.

Augmentation de la température des transformateurs de type sec sans-résine-

Les transformateurs de type sec sans-résine-utilisent des systèmes d'isolation qui ne dépendent pas d'une encapsulation complète en résine époxy. Selon la conception, les enroulements peuvent utiliser du vernis, de la fibre de verre, du Nomex, une isolation à l'air ou d'autres matériaux isolants solides.

Comme il n'y a pas de couche épaisse de résine coulée-autour des enroulements, le flux d'air peut jouer un rôle particulièrement important. La conception doit fournir suffisamment d’espace pour que la chaleur s’éloigne des parties actives sans créer de goulots d’étranglement thermiques inutiles.

Surface de dissipation thermique des transformateurs de type sec sans-résine-

Lesurface de dissipation thermique des transformateurs de type sec sans-résine-est essentiellement la surface disponible pour transférer la chaleur dans l’air ambiant.

La chaleur générée dans le noyau et les enroulements doit traverser l’isolation et les composants structurels avant d’atteindre l’air. Une bonne conception thermique donne à cette chaleur un chemin raisonnablement direct hors du transformateur.

Géométrie d'enroulementcompte ici. Les canaux d'air radiaux et axiaux peuvent aider l'air plus frais à entrer dans les sections inférieures du transformateur tandis que l'air plus chaud monte et sort par les sections supérieures. Dans les transformateurs refroidis naturellement, cette circulation se fait principalement parconvection.

Cela semble simple, mais l’installation peut facilement gêner.

Si un transformateur est installé trop près d'un mur, si les ouvertures de ventilation sont obstruées ou si la salle électrique a une mauvaise circulation de l'air, la température de fonctionnement réelle peut être beaucoup plus élevée que prévu.

Pour les unités plus grandes, le refroidissement à air forcé-peut être utilisé pour augmenter le débit d'air et fournir une capacité supplémentaire. Mais il ne suffit pas de placer simplement un ventilateur à côté du transformateur. L'air doit atteindre les chemins de refroidissement prévus à l'intérieur du transformateur.

Charge thermique des transformateurs de type sec sans-résine-

Lecharge thermique des transformateurs de type sec sans-résine-est principalement lié à leurs pertes totales dans les conditions réelles d’exploitation.

La perte dans le noyau est présente chaque fois que le transformateur est sous tension, tandis que la perte dans l'enroulement change avec la charge. À mesure que le courant s'approche de la valeur nominale, l'échauffement des enroulements augmente considérablement en raison de la relation I²R.

La charge connectée elle-même mérite également une attention particulière. Un transformateur fournissant une charge linéaire simple peut avoir un profil thermique assez prévisible. Un transformateur alimentant un équipement UPS, des entraînements à vitesse variable-, des redresseurs ou d'autres charges non linéaires peuvent être une autre histoire.

Les courants harmoniques peuvent augmenter les pertes supplémentaires et provoquer un échauffement supplémentaire dans les enroulements et les pièces métalliques. Cela est particulièrement pertinent dans les centres de données, les installations industrielles, les projets d'énergie renouvelable et les installations de recharge de véhicules électriques.

Pour ces applications, la sélection du transformateur ne doit pas être basée uniquement sur la valeur kVA de la plaque signalétique. Le contenu harmonique, le profil de charge, les heures de fonctionnement prévues et la croissance future de la charge doivent tous être pris en compte.

Augmentation de la température des transformateurs de type sec sans-résine-

Leaugmentation de la température des transformateurs de type sec sans-résine-est déterminé par l’équilibre entre la production de chaleur et la dissipation de chaleur.

Lorsqu’un transformateur est mis sous tension pour la première fois, sa température augmente progressivement. À mesure que la différence de température entre le transformateur et l’air ambiant augmente, la dissipation thermique augmente également. Finalement, le transformateur atteint une condition thermique relativement stable.

Mais la température n’est pas la même partout.

Le noyau, les enroulements, l'isolation, les pinces et les composants structurels peuvent tous fonctionner à des températures différentes. Certaines sections du bobinage peuvent devenir considérablement plus chaudes que la température moyenne du bobinage. Ces zones sont généralement appelées points chauds.

Cette distinction est importante car le vieillissement de l’isolation est fortement influencé par les zones les plus chaudes. Mesurer l'extérieur du transformateur peut fournir des informations utiles lors de la maintenance, mais cela ne vous indique pas nécessairement ce qui se passe à l'intérieur de l'enroulement.

La norme CEI 60076-11 fournit des exigences relatives aux tests d'augmentation de température-des transformateurs de type sec. Les valeurs de référence courantes incluent environ80 K pour une isolation de classe B, 100 K pour une classe F et 125 K pour une classe H, en fonction de la norme applicable et de la conception du transformateur.

Augmentation de la température des transformateurs de type sec en résine-

Transformateurs secs en résine-, en particuliertransformateurs en-résine moulée, utilisez la résine époxy comme élément important du système d’isolation des enroulements.

La résine fournit une isolation électrique et un support mécanique tout en aidant à protéger les enroulements de l'humidité, de la poussière et d'autres contaminants environnementaux. En même temps, il fait partie du chemin de transfert de chaleur.

Cela signifie les propriétés thermiques de la résine. Il en va de même pour la disposition des enroulements, la taille des conducteurs, l’épaisseur de la résine, les conduits de refroidissement et les pertes totales du transformateur.

Les transformateurs en résine coulée-sont couramment utilisés dans les bâtiments commerciaux, les installations industrielles, les installations d'énergie renouvelable, les infrastructures de transport et d'autres applications où la protection de l'environnement et une isolation fiable sont importantes.

Augmentation de la température du noyau de transformateur de type sec en résine-

Leélévation de température d'un noyau de transformateur de type sec en résine-vient principalement depertes de base.

Hystérésis et pertes par courants de Foucaultse produire chaque fois que le noyau est sous tension. Leur niveau dépend du matériau magnétique, de la fréquence de fonctionnement, de la densité de flux, de l'épaisseur de la stratification et de la conception globale du noyau.

L'utilisation d'un acier électrique de haute-qualité et le maintien de la densité du flux magnétique dans une plage appropriée peuvent contribuer à réduire les pertes dans le noyau. Mais réduire les pertes ne représente qu’une partie du travail. La chaleur qui reste doit encore être bien évacuée du transformateur.

Un flux parasite excessif ou une mauvaise conception magnétique peuvent également créer un échauffement localisé dans le noyau et les composants métalliques à proximité. C’est pourquoi les conceptions électromagnétique et thermique doivent être considérées ensemble plutôt que séparément.

Lors des tests d'augmentation de la température en usine, le transformateur fonctionne jusqu'à ce qu'il atteigne une condition thermique stable. Les résultats mesurés permettent de confirmer qu'il peut fonctionner dans ses conditions nominales sans dépasser les limites spécifiées.

Augmentation de la température des enroulements de transformateur de type sec en résine-

Leaugmentation de la température des enroulements de transformateur de type sec en résine-est l'une des considérations thermiques les plus importantes dans la conception d'un transformateur en-résine coulée.

Le courant circulant dans les conducteurs produit de la chaleur. Cette chaleur doit ensuite traverser l’isolant et la résine avant de pouvoir atteindre l’air ambiant.

En conséquence, la taille du conducteur, la densité de courant, la disposition des enroulements, l'épaisseur de l'isolation, les propriétés thermiques de la résine, les chemins de refroidissement et les pertes de charge affectent tous la température finale de l'enroulement.

Et encore une fois, la température à l’intérieur d’un enroulement n’est pas parfaitement uniforme. Un point chaud interne peut être nettement plus chaud que la surface externe de la résine.

C'est pourquoi un thermomètre infrarouge est utile pour vérifier les conditions externes pendant la maintenance, mais il ne peut pas déterminer à lui seul la température interne réelle du point chaud-.

Cela devient encore plus important avec des charges exigeantes. Les machines industrielles, les centres de données, les équipements d'énergie renouvelable et les systèmes électroniques de puissance peuvent créer des niveaux de charge évoluant rapidement ou relativement élevés. Un transformateur sélectionné pour ces applications doit être évalué en fonction de son profil de fonctionnement réel, et pas seulement de sa valeur nominale en kVA.

Élévation de température et classe d'isolation

La classe thermique de l'isolation est un autre élément important dans l'évolution de l'augmentation de la température.

Par exemple, si la température ambiante est de 40 degrés et que l'augmentation de température spécifiée est de 100 K, la température moyenne du bobinage serait d'environ 140 degrés.

Cela ne signifie pas que chaque point du bobinage est exactement à 140 degrés. Les points chauds internes peuvent être plus élevés.

Une classe d'isolation plus élevée offre une plus grande capacité thermique, mais cela ne doit pas être interprété comme une raison pour faire fonctionner délibérément le transformateur à une température plus élevée. Garder les températures de fonctionnement sous contrôle contribue toujours à réduire le vieillissement de l’isolation et offre une plus grande marge thermique.

Augmentation de la température du transformateur de type résine ou non-résine sèche-

Les transformateurs de type sec avec ou sans résine--peuvent fournir des performances thermiques fiables lorsqu'ils sont correctement conçus.

Il n’existe pas de règle simple disant qu’un type a toujours une élévation de température plus faible.

Un transformateur-sans résine-bien conçu peut dissiper efficacement la chaleur grâce à des structures d'enroulement ouvertes et à une bonne circulation de l'air. Un transformateur en résine moulée-, quant à lui, peut combiner une forte protection mécanique et environnementale avec de bonnes performances thermiques lorsque sa résine et sa conception d'enroulement sont correctement conçues.

Le meilleur choix dépend de l'application, de l'environnement d'installation, du système d'isolation requis, des conditions de charge et des spécifications du projet.

Comment contrôler l'augmentation de la température d'un transformateur de type sec-

L'idée de base est assez simple :générer moins de chaleur et éliminer plus efficacement la chaleur générée.

Des matériaux de noyau à faibles-pertes, des conducteurs correctement dimensionnés, des structures d'enroulement optimisées et des canaux de refroidissement efficaces peuvent tous contribuer à réduire l'augmentation de la température pendant la phase de conception.

Le dimensionnement correct du transformateur est tout aussi important. Un transformateur qui fonctionne en continu à pleine charge ou presque subira naturellement une contrainte thermique plus importante qu'un transformateur disposant d'une certaine capacité disponible.

L'environnement d'installation est également important. Il doit y avoir suffisamment d'espace autour du transformateur pour la circulation de l'air et les ouvertures de ventilation doivent rester dégagées. Si le transformateur est installé à l'intérieur d'une salle électrique, le système de ventilation ou de climatisation de la pièce doit tenir compte de la chaleur dégagée par le transformateur.

Pour les transformateurs conçus pour un fonctionnement AN/AF, le refroidissement à air forcé-peut fournir une capacité supplémentaire pendant les périodes de forte demande. Les ventilateurs et les commandes doivent être vérifiés régulièrement afin que le refroidissement supplémentaire soit réellement disponible en cas de besoin.

Un entretien de routine peut éviter de nombreux problèmes thermiques évitables. L'accumulation de poussière peut restreindre la circulation de l'air, tandis que des connexions électriques desserrées peuvent créer des points chauds localisés. En présence de charges non linéaires, la vérification des courants harmoniques peut également aider à identifier les sources inattendues d'échauffement du transformateur.

Pourquoi l'augmentation de la température est importante pour la durée de vie du transformateur

La température a une relation directe avec le vieillissement de l’isolation. Un fonctionnement continu à des températures excessives peut accélérer la détérioration de l’isolation et éventuellement raccourcir la durée de vie du transformateur.

Toutefois, l’augmentation de la température ne doit pas être considérée seule. La classe d'isolation, la température ambiante, la charge, la méthode de refroidissement et la conception du transformateur fonctionnent tous ensemble.

Lors de la sélection d'un transformateur de type sec-, il est donc préférable de regarder au-delà des valeurs nominales de tension et de kVA de base. Les spécifications thermiques importantes incluent l'échauffement, la classe d'isolation, la méthode de refroidissement, la perte de charge sans -, la perte de charge, la température ambiante, l'altitude d'installation, la charge harmonique et le profil de charge attendu.

Conclusion

Leaugmentation de la température des-transformateurs de type secest un élément important de l’évaluation des performances et de la fiabilité du transformateur. Le noyau, l'enroulement, les pertes parasites et supplémentaires créent de la chaleur, tandis que l'environnement de construction et d'installation du transformateur détermine l'efficacité avec laquelle cette chaleur est évacuée.

Pourtransformateurs de type sec sans-résine-, la surface de dissipation thermique, le flux d'air et les conduits de refroidissement des enroulements jouent un rôle particulièrement important. Pourtransformateurs de type sec en résine-, les propriétés thermiques de la résine et la conception des enroulements encapsulés sont tout aussi importantes.

La valeur d'augmentation de la température-ne doit jamais être considérée comme un chiffre isolé. Cela a beaucoup plus de sens si l’on considère la classe d’isolation, la température ambiante, la charge du transformateur, la méthode de refroidissement, les pertes, l’altitude et le contenu harmonique.

Pour les installations industrielles, les bâtiments commerciaux, les projets d'énergie renouvelable, les centres de données et autres applications exigeantes, le choix d'un transformateur de type sec-avec la bonne conception thermique peut aider à maintenir les températures de fonctionnement sous contrôle, à ralentir le vieillissement de l'isolation et à assurer un fonctionnement fiable pendant toute la durée de vie du transformateur.

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