Les transformateurs de puissance

Rôle et différents types de transformateurs de puissance 

Un transformateur de puissance est défini comme un appareil statique à induction électromagnétique, à deux enroulements ou plus, destiné à transformer un système de tension(s) et courants(s) alternatifs, de valeurs généralement différentes et de même fréquence, en vue de transférer une puissance électrique (selon le dictionnaire multi-langue de la Commission Électrotechnique Internationale) [1, 2]. Les transformateurs de puissance font donc passer l’énergie électrique d’un niveau de tension à un autre. Pour le transport, ils augmentent les niveaux de tension pour réduire au minimum les pertes tandis qu’ils les a baissent pour la distribution. Le terme transformateur de puissance est employé pour désigner tous les transformateurs utilisés depuis la centrale de production jusqu’à la distribution [2]. En fonction de leurs applications, les transformateurs de puissance peuvent être classés en plusieurs catégories [3].
• Les transformateurs élévateurs sont situés dans les postes de départ d’une centrale, leur rôle est d’élever la tension produite à partir des générateurs (entre 11 et 25 kV), afin de minimiser les pertes sur les lignes. Par exemple au Québec l’électricité est transportée à des tensions allant jusqu’à 765 kV.
• Les transformateurs d’interconnexions font passer l’électricité d’un niveau de transport plus élevé à une tension de répartition moins élevée (161/120 kV) afin de faciliter sa distribution dans les postes régionaux.
• Les transformateurs abaisseurs, se trouvent au niveau des postes électriques afin d’adapter la tension électrique de transport (161/120 kV) aux différentes tensions de distributions soit (25 kV, 69 kV).
• Les transformateurs de distribution sont utilisés pour abaisser la tension et l’adapter à l’utilisateur à des fins domestiques ou industrielles.

Les niveaux de tensions ci-dessus mentionnés sont généralement utilisés au Québec (Canada). Cependant, ils peuvent varier d’un pays à autre. En plus à ces catégories, on peut y ajouter les transformateurs à usage industriels, comme les transformateurs de fours électriques, transformateur redresseurs, les autotransformateurs, etc.

Constitutions 

Quel que soit le type de transformateurs de puissance, ils se composent généralement des parties principales suivantes :
– Le noyau qui est composé de tôles en matériaux ferromagnétiques empilées et séparées entre elles par du vernis. Cette configuration permet de réduire les pertes fer (perte par courant de Foucault et perte par hystérésis);
– Les enroulements, montés sur le noyau fait d’un conducteur, généralement en cuivre, entourés de papier imprégné d’huile (transformateur immergé) pour séparer les spires les unes des autres;
– La cuve où l’ensemble des enroulements et le noyau sont placés. La cuve est remplie d’un fluide (généralement l’huile minérale);
– Les traversées sont utilisées pour raccorder les enroulements du transformateur aux lignes électriques à travers la cuve;
– Le changeur de prises est utilisé pour régler la tension en fonction de la charge sur le réseau, en ajoutant ou en retranchant des spires des enroulements;
– Le système de refroidissement, pour dissiper la chaleur et maintenir le transformateur à des températures acceptables. Le mode de refroidissement varie d’un transformateur à un autre selon le niveau de puissance, les exigences et l’utilisation du client;
– Divers accessoires (bornes de traversées, thermomètres, relais Buchholz, dessiccateur, conservateur, etc…).

Causes de défaillances 

Les transformateurs de puissances sont souvent situés dans des endroits stratégiquement critiques. Les dommages résultant d’une panne et la perte de production qui s’ensuivent peuvent s’avérer très coûteux. Les défaillances peuvent être classées de types électriques, mécaniques ou thermiques. Les causes de défaillances peuvent être internes ou externes.

En 1983, une enquête internationale sur les causes de défaillances des transformateurs de puissance a été effectuée par la CIGRE [5, 6]. L’enquête a montré que pour des transformateurs avec changeurs de prises, 40 % des défaillances ont été causées par ces derniers, 26 % sont reliés aux enroulements et 12 % aux traversées. Dans une autre enquête effectuée en Afrique de sud, sur 188 transformateurs, les défaillances de 56 d’entre eux ont été causées par le vieillissement de l’isolation [5].

Dans une autre étude réalisée par William H. Bartley P. E. [7], il a été rapporté que sur 97 défaillances de transformateurs, 24 étaient dues au vieillissement de l’isolation. Leur étude statistique a montré que les risques de défaillances de l’isolation sont les plus élevés et les plus coûteux en termes de dépenses.

Isolation huile/ papier 

Mise à part certains transformateurs de distribution de type secs, la plupart des transformateurs de puissance sont remplis d’huile. L’isolation solide à l’intérieur du transformateur est constituée de papier et de carton. L’imprégnation par un isolant liquide, essentiellement les huiles minérales, leur confère une rigidité diélectrique remarquable.

Étant donné que la rigidité diélectrique de l’huile est supérieure à celle de l’air, les transformateurs immergés d’huile sont plus compacts que les transformateurs secs de même puissance. Depuis le début du 20ème siècle, le complexe isolant huile/papier est largement utilisé dans l’industrie électrique [8].

Huile isolante 

Dans les transformateurs de puissance, l’huile sert à la fois d’isolant électrique entre les différents éléments internes et de fluide caloporteur, c’est-à-dire qu’elle permet de dissiper la chaleur dégagée par le circuit magnétique et les conducteurs. La chaleur à évacuer est véhiculée par circulation naturelle ou forcée de l’huile vers les radiateurs extérieurs. L’efficacité du refroidissement est influencée directement par la viscosité et la chaleur spécifique de l’huile utilisée [9]. 90 à 95% du marché mondial des isolants liquides est dominé par les huiles minérales [10]. Ce choix peut être justifié non seulement par leur faible coût, mais également par leurs excellentes propriétés diélectriques. Cependant, lorsque la résistance au feu devient un critère prépondérant, les huiles silicones et esters, appelées liquides à haut point de feu, constituent un meilleur choix.

L’huile minérale est un produit obtenu à partir du raffinage du pétrole brut. Elle est composée essentiellement d’hydrocarbures (atome de carbone et d’hydrogène) et en quantité très faible, de composés soufrés et de traces de composés organométalliques (Fe, Cu, Al, Na, etc.) qui peuvent affecter considérablement ses propriétés électriques [9].

On distingue trois familles d’hydrocarbures: les Paraffines, les Naphtènes et les Aromatiques. Les Aromatiques sont des hydrocarbures plus instables que les composés paraffiniques et naphténiques. Ils étaient souvent utilisés pour les condensateurs et les traversées isolées. Les huiles naphténiques et paraffiniques sont chimiquement stables, ils diffèrent les unes des autres par leurs structures moléculaires et leurs caractéristiques physico-chimiques. Malgré leurs différences, les études ont montré que la qualité des huiles isolantes ne dépend pas beaucoup du type paraffinique ou naphténique [11]. Cette distinction n’est donc pas prise en compte par les normes internationales. Les spécifications requises des huiles minérale utilisées dans les appareils de H.T sont répertoriées dans la norme ASTM désignation D3487 [12] ou la CEI 60296 [13]. Ces normes définissent deux types d’huiles en fonction de la teneur en antioxydants. Les principales qualités exigées pour ces huiles sont donc [3] :
– une faible viscosité et un bas point d’écoulement pour assurer sa fluidité aux basses températures;
– un point d’éclair (ou point d’inflammabilité) élevé;
– une bonne stabilité chimique essentiellement vis-à-vis des phénomènes d’oxydation et de décomposition;
– une rigidité diélectrique élevée.

Pour améliorer certaines propriétés, les fabricants ajoutent des additifs chimiques aux huiles isolantes. Par exemple, un antioxydant est ajouté dans une huile isolante pour améliorer sa stabilité à l’oxydation. Ces additifs ne font que prolonger la durée d’utilisation de l’huile, une fois les antioxydants consommés, l’huile est sujette à l’oxydation et à la formation des boues et d’acides.

Le papier isolant
Dans les transformateurs de puissance, le papier est utilisé pour l’isolation des enroulements, tandis que le carton sert d’isolation entre les enroulements et entre les enroulements et le noyau. Le carton est formé de plusieurs couches de papier compressé. Le papier et le carton sont constitués de fibres de cellulose extraites de la pulpe du bois ou des fibres du coton.

Le papier Kraft est, à l’heure actuelle, un des papiers les plus utilisés dans l’industrie électrique des transformateurs. Les trois constituants principaux du papier kraft sont la cellulose (90%), les lignines (6 à 7%) et les hémicelluloses (3 à 4%) [14]. La cellulose est caractérisée par son degré de polymérisation moyen, qui est le nombre moyen de motifs glucose par chaîne de cellulose. Comme nous le verrons plus loin, l’état du papier peut être apprécié par la détermination de son degré de polymérisation (§ 3.2.6).

Afin d’être considéré comme un bon isolant, le papier doit posséder les propriétés suivantes:
– Une bonne tension de claquage;
– Résistivité élevée;
– Faible facteur de dissipation;
– Une bonne résistance à la traction;
– Un degré de polymérisation élevé;
– Un faible coût.