Augmentation de la température du transformateur : limites, calcul et guide de refroidissement

Augmentation de la température du transformateurfait partie de ces détails techniques qui peuvent paraître simples sur le papier mais qui comptent beaucoup dans la réalité. Chaque transformateur produit de la chaleur lorsqu’il est sous tension et qu’il transporte une charge. Le défi consiste à évacuer efficacement cette chaleur et à maintenir le noyau, les enroulements, l’isolation et l’huile dans la plage de température prévue.

Cela devient particulièrement important avec untransformateur immergé dans l'huile-. L’huile de transformateur fait plus que fournir une isolation électrique. Il évacue également la chaleur des pièces actives et la transfère vers le réservoir, les radiateurs et l’air ambiant.

Ainsi, lorsque les ingénieurs parlent duaugmentation de la température des-transformateurs immergés dans l'huile, ils examinent vraiment l'ensemble du système thermique - pertes du transformateur, circulation de l'huile, équipement de refroidissement, conditions ambiantes, conception du réservoir et charge réelle.

Élévation de température et température des transformateurs

Tout d’abord, il convient de clarifier un point commun :température du transformateuretaugmentation de la température du transformateurne sont pas la même chose.

La température du transformateur est la température réelle d'un composant, tel que l'enroulement, l'huile supérieure, le noyau ou le réservoir. L’augmentation de la température estla différence entrecette température et la température ambiante ou de référence spécifiée.

En termes simples :

Température du transformateur=Température ambiante + Élévation de température

Par exemple, si la température ambiante est de 30 degrés et que l'augmentation de la température supérieure-de l'huile est de 55 K, la température supérieure-de l'huile est approximative de 85 degrés.

Bien sûr, un vrai transformateur n’est pas aussi simple. Différentes pièces fonctionnent à des températures différentes. La température du bobinage est normalement plus élevée que celle de l’huile environnante, et une petite zone du bobinage peut devenir beaucoup plus chaude que la température moyenne du bobinage. Cette zone de température-la plus élevée est connue sous le nom depoint chaud sinueux.

C'est pourquoi la conception thermique des transformateurs prend en compte plus qu'une simple lecture de température.

Normes d'augmentation de la température des transformateurs

Les exigences en matière d'augmentation de température- dépendent de la norme applicable, de la conception du transformateur, du système d'isolation, de la méthode de refroidissement et des conditions de fonctionnement.

CEI 60076-2fournit les exigences relatives aux tests d'augmentation de température-pour les transformateurs-immergés dans un liquide. LeIEEE C57La série est également largement utilisée, en particulier pour les applications de transformateurs en Amérique du Nord.

Pour un projet spécifique, il est toujours préférable de vérifier la norme applicable et les spécifications du projet plutôt que de simplement copier un chiffre de température provenant d'un autre transformateur.

Tableau des limites d'augmentation de la température du transformateur

Pour les conceptions conventionnelles de transformateurs immergés dans un liquide, les valeurs couramment référencées dans la norme CEI 60076-2 sont les suivantes :

Ces chiffres constituent des références techniques utiles, mais ils ne doivent pas être traités comme des limites universelles pour chaque transformateur. Les exigences réelles peuvent varier en fonction du liquide isolant, du système d'isolation, du système de refroidissement, des spécifications du transformateur et de la norme applicable.

Et il y a un autre point qu’il est facile de passer à côté :l'augmentation de la température n'est pas une température absolue.

Le tableau n’est qu’une simple illustration. La température de fonctionnement réelle du transformateur dépend de la charge, des conditions de refroidissement, de la répartition de la chaleur et de la conception thermique du fabricant.

Les pratiques de transformateur IEEE font également la distinction entre les conceptions avec différentes augmentations moyennes de température des enroulements, y compris celles couramment utilisées.55 degréset65 degrésconceptions pour transformateurs immergés dans l'huile minérale--. Là encore, les données techniques garanties par le fabricant doivent constituer la référence finale pour un projet spécifique.

Vieillissement des matériaux isolants et augmentation de la température

La température a un effet direct sur le vieillissement de l’isolation des transformateurs.

Lorsque l’isolation fonctionne à des températures élevées pendant de longues périodes, son processus de vieillissement s’accélère généralement. L’isolation solide et l’huile isolante peuvent être affectées par une contrainte thermique continue.

Lepoint chaud sinueuxmérite une attention particulière. Un transformateur peut avoir une température moyenne d’enroulement acceptable alors qu’une zone localisée est beaucoup plus chaude.

Une bonne conception du transformateur tente de garder ces points chauds sous contrôle. La géométrie appropriée des enroulements, les chemins d'écoulement de l'huile, la sélection des conducteurs et la capacité de refroidissement jouent tous un rôle.

Température ambiante moyenne pondérée

Température ambianteest un autre facteur à ne pas négliger.

Un transformateur fonctionnant avec la même élévation de température aura évidemment une température absolue plus élevée lorsqu'il est installé dans un environnement chaud.

Ceci est particulièrement pertinent dans les régions tropicales, les sous-stations fermées et les installations industrielles où les températures ambiantes peuvent rester élevées pendant de longues périodes.

Les ingénieurs devront peut-être prendre en compte les températures saisonnières, l'altitude d'installation, la ventilation, le rayonnement solaire et les équipements à proximité.

En d’autres termes, le même transformateur peut se comporter de manière très différente dans deux environnements d’installation, même lorsque l’échauffement nominal est identique.

Chauffage et refroidissement des transformateurs

Un transformateur génère de la chaleur principalementperte de noyau, perte d'enroulement et perte de charge parasite.

Les pertes dans le noyau sont principalement associées à l'hystérésis et aux courants de Foucault dans le noyau magnétique. Les pertes dans les enroulements sont principalement liées à la résistance des conducteurs, tandis que des pertes parasites supplémentaires peuvent se produire dans les enroulements, les parois du réservoir, les pinces et autres composants métalliques.

Pour un-transformateur immergé dans l'huile, le chemin de transfert de chaleur de base-ressemble à ceci :

Noyau et enroulements → huile de transformateur → réservoir/radiateurs → air ambiant

Lorsque le transformateur atteint l’équilibre thermique, la chaleur générée à l’intérieur est à peu près équilibrée par la chaleur libérée à l’extérieur.

Méthodes de dissipation thermique du transformateur

Plusieurs mécanismes de transfert de chaleur-fonctionnent ensemble à l'intérieur d'un transformateur.

Pour un transformateur de petite ou moyenne taille, un refroidissement naturel peut suffire. Cependant, à mesure que la capacité du transformateur augmente, la quantité de chaleur qui doit être évacuée augmente également. C’est là qu’interviennent les grands radiateurs, les ventilateurs, les pompes ou la circulation d’huile dirigée.

Méthodes de refroidissement du transformateur

Plusieurs dispositifs de refroidissement sont couramment utilisés pour les transformateurs immergés dans l'huile.

Le refroidissement ONAN reste un choix populaire car il est relativement simple et fiable. Il y a moins de composants auxiliaires à entretenir, ce qui constitue un réel avantage dans de nombreuses installations.

Pour les transformateurs plus grands, des ventilateurs peuvent être ajoutés pour augmenter la capacité de refroidissement. Les très gros transformateurs de puissance peuvent utiliser une circulation d'huile forcée-pour fournir un transfert de chaleur plus contrôlé.

Chauffage et refroidissement de l'huile-Transformateurs immergés

Huile de transformateurest au cœur du système thermique dans un transformateur-immergé dans l'huile.

À mesure que le noyau et les enroulements génèrent de la chaleur, l’huile environnante devient plus chaude. L’huile chaude devient moins dense et se déplace naturellement vers le haut, tandis que l’huile plus froide descend. Cela crée une circulation à l'intérieur du transformateur.

C’est essentiellement ainsi que fonctionne le refroidissement ONAN.

L'huile chauffée finit par atteindre le réservoir etradiateurs, où sa chaleur est transférée à l'air ambiant.

La charge du transformateur a un effet majeur sur ce processus. Les pertes dans les enroulements sont approximativement proportionnelles au carré du courant :

Pcu ∝ I²

Cela signifie qu’une augmentation relativement modeste du courant peut entraîner une augmentation beaucoup plus importante des pertes dans les enroulements.

Il s'agit d'une comparaison simplifiée. Les pertes réelles du transformateur sont plus compliquées car la résistance des conducteurs change avec la température et des pertes parasites supplémentaires sont présentes.

Pourtant, le message est assez clair : une surcharge soutenue peut rapidement devenir un problème thermique.

Augmentation de la température de l'huile-Enroulements de transformateur immergés

Leaugmentation de la température des-enroulements de transformateur immergés dans l'huileest l’un des paramètres clés dans la conception thermique des transformateurs.

La température de l'enroulement dépend du matériau conducteur, de la résistance de l'enroulement, de la densité de courant, de la géométrie de l'enroulement, des canaux d'écoulement d'huile, de la disposition de l'isolation, de la méthode de refroidissement et de la charge.

La température n’est pas non plus répartie uniformément dans tout le bobinage. Certaines zones seront naturellement plus chaudes que d'autres, et l'emplacement- où la température est la plus élevée devient le point chaud sinueux.

Une relation simplifiée est :

Température du point chaud-= Température ambiante + sommet-augmentation de l'huile + enroulement-vers-gradient de température de l'huile

Le calcul réel est plus complexe et dépend de la conception du transformateur et de la norme applicable.

Méthodes de calcul technique pour le débit d’huile et l’augmentation de la température dans les enroulements

Les ingénieurs peuvent évaluer le débit d'huile du transformateur et la température des enroulements à l'aide de calculs analytiques, de modèles thermiques et, pour les transformateurs plus grands ou plus complexes, de la dynamique des fluides computationnelle (CFD).

Certains des principaux paramètres incluent :

Une bonne-conception du flux d'huile est essentielle. Si l'huile ne circule pas correctement dans un enroulement, des points chauds localisés peuvent se développer même lorsque la température globale du transformateur semble acceptable.

Pour les gros transformateurs de puissance, l'analyse CFD peut aider les ingénieurs à identifier les flux d'huile irréguliers, les gradients de température et les emplacements potentiels de points chauds avant la fabrication du transformateur.

Dissipation thermique des réservoirs d'huile de transformateur

Le réservoir d’huile du transformateur n’est pas seulement un conteneur pour l’huile. Il fait également partie du système de refroidissement.

Après avoir absorbé la chaleur du noyau et des enroulements, l’huile transfère cette chaleur aux parois du réservoir. La surface du réservoir libère ensuite la chaleur dans le milieu environnant.

Les transformateurs plus grands nécessitent normalement des radiateurs pour fournir une zone de transfert de chaleur supplémentaire-.

Dissipation thermique par convection

La convection est l’une des principales façons par lesquelles un transformateur libère de la chaleur.

Lorsque la surface du réservoir devient plus chaude que l’air ambiant, l’air à proximité se réchauffe, devient moins dense et s’élève. L'air plus frais se déplace ensuite vers la surface du réservoir.

Cela crée une circulation naturelle de l’air et éloigne la chaleur du transformateur.

Avec le refroidissement à air forcé-, les ventilateurs augmentent le flux d'air sur les surfaces des radiateurs. Ceci est particulièrement utile lorsque le transformateur fonctionne à charge élevée.

Radiation

La cuve du transformateur et les radiateurs dégagent également de la chaleur par rayonnement thermique.

La quantité de chaleur rayonnée dépend de la température de la surface, de l'émissivité, de la zone exposée et des conditions environnantes.

Le rayonnement ne fonctionne pas seul. En pratique, le rayonnement et la convection fonctionnent ensemble et contribuent tous deux à la dissipation thermique globale du transformateur.

Élévation de température des réservoirs d’huile de transformateur tubulaires

Les réservoirs d'huile tubulaires des transformateurs utilisent des structures tubulaires pour augmenter la zone de transfert de chaleur externe-.

Le chemin thermique de base reste :

Pièces actives → huile → réservoir tubulaire → air ambiant

Une plus grande surface de refroidissement peut améliorer la dissipation thermique, en particulier pour les transformateurs refroidis naturellement.

L'échauffement d'un réservoir d'huile de transformateur tubulaire dépend de la charge du transformateur, de la circulation de l'huile, des dimensions des tubes, de l'espacement des tubes, de la température ambiante et du débit d'air autour du réservoir.

Le réservoir doit donc être conçu comme faisant partie du système thermique complet, avec le noyau, les enroulements, les passages d'huile, les radiateurs et l'air ambiant.

Pourquoi l'augmentation de la température du transformateur est importante

Pourquoi passer autant de temps à discuter de la hausse des températures ? Parce qu'il a un lien direct avecdurée de vie de l'isolation, capacité de charge du transformateur, performances de refroidissement, fiabilité et durée de vie.

Un fonctionnement à long terme-à des températures excessives peut accélérer le vieillissement de l'isolation et augmenter le risque de détérioration thermique. D’un autre côté, un système de refroidissement surdimensionné peut entraîner des coûts d’équipement et une consommation d’énergie auxiliaire inutiles.

Le but n’est pas simplement de rendre le transformateur aussi froid que possible. Une bonne ingénierie consiste à trouver le bon équilibre entre la génération de chaleur, la dissipation thermique, l’efficacité, le coût, la fiabilité et le profil de charge réel.

Les installations électriques modernes méritent également une attention particulière. Les centres de données, les variateurs de fréquence-à fréquence variable, les convertisseurs d'énergie-renouvelables, les systèmes de recharge pour véhicules électriques et autres charges électroniques-de puissance peuvent introduire des courants harmoniques. Ces courants peuvent augmenter les pertes supplémentaires du transformateur et contribuer à l’échauffement.

Facteurs clés affectant l’augmentation de la température du transformateur

Lors de la sélection ou de la spécification d'un transformateur immergé dans l'huile, il vaut la peine d'examiner l'environnement de fonctionnement complet plutôt que de se concentrer sur un seul chiffre de température.

Conclusion

Augmentation de la température du transformateurest un élément fondamental de la conception, des tests et du fonctionnement du transformateur. Il décrit à quel point un composant du transformateur devient plus chaud par rapport à la température ambiante de référence et fournit une indication utile de l'efficacité du système thermique du transformateur.

Pour untransformateur immergé dans l'huile-, la chaleur générée par le noyau et les enroulements est transférée à l'huile isolante, transportée à travers le système de refroidissement, transmise au réservoir et aux radiateurs, et finalement libérée par convection et rayonnement.

Leaugmentation de la température des-transformateurs immergés dans l'huiledépend de nombreux facteurs, notamment la charge du transformateur, la température ambiante, la conception des enroulements, la circulation de l'huile, la méthode de refroidissement, la construction du réservoir et la zone de transfert de chaleur disponible-.

Le point chaud du bobinage mérite une attention particulière car une surchauffe localisée peut accélérer le vieillissement de l’isolation même lorsque la température moyenne reste dans des limites acceptables.

Pour les fabricants de transformateurs tels queTransformateur Yawei, la conception thermique est donc une partie essentielle de l’ingénierie produit. La configuration des enroulements, les-chemins d'écoulement de l'huile, la répartition des pertes, la conception des radiateurs, l'équipement de refroidissement et les tests d'augmentation de température-doivent tous fonctionner ensemble.

Lors de la spécification d'un transformateur, vérifiez toujours lesNormes CEI 60076 ou IEEE C57, les exigences du projet, le système d'isolation, le système de refroidissement, les conditions ambiantes et les données techniques garanties par le fabricant. Des valeurs telles que60 K, 65 K, 70 K et 78 Ksont des valeurs de référence en matière d'augmentation de température-dans des conditions définies, et non des limites universelles de température de fonctionnement-pour chaque transformateur.

En fin de compte, une bonne conception thermique est en principe assez simple : générer moins de chaleur inutile, déplacer la chaleur efficacement, garder les points chauds sous contrôle et s'assurer que le transformateur peut gérer la charge réelle-qu'il verra réellement.

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