Équipement essentiel des réseaux électriques, le transformateur assure les fonctions critiques de transformation de la tension, de distribution et de transport de l'énergie. Selon leur mode de refroidissement et leur matériau isolant, on distingue principalement deux catégories de transformateurs : les transformateurs secs et les transformateurs immergés dans l'huile. Ces deux types de transformateurs présentent des différences significatives en termes de structure, de performances, d'applications, etc. Comprendre ces différences est primordial pour la conception, le choix, l'exploitation et la maintenance des réseaux électriques.
Les transformateurs secs utilisent l'air comme fluide de refroidissement et leur structure de noyau comprend :
- Noyau en fer : Généralement composé de tôles d'acier au silicium laminées à froid de haute qualité et laminées ensemble.
- Enroulements : Imprégnés ou coulés avec de la résine époxy ou d’autres matériaux isolants solides.
- Système d'isolation : Repose sur des matériaux d'isolation solides (tels que le papier Nomex, la résine époxy, etc.) pour assurer l'isolation entre les enroulements et entre les enroulements et le sol.
- Boîtier : Généralement un boîtier métallique ou non métallique avec un niveau de protection IP20 ou supérieur.
- Système de refroidissement : Refroidissement par air naturel ou refroidissement par air forcé (avec ventilateurs installés).
Les transformateurs immergés dans l'huile utilisent de l'huile isolante comme fluide de refroidissement et d'isolation, et leur structure principale comprend :
- Noyau en fer : Également composé de feuilles d'acier au silicium laminées, mais conçu pour s'adapter à un environnement immergé dans l'huile.
- Enroulements : Généralement des conducteurs en cuivre ou en aluminium directement immergés dans de l’huile isolante.
- Système d'isolation : Système d'isolation composite huile-papier (huile isolante + carton isolant).
- Réservoir d'huile : Réservoir d'huile métallique étanche équipé d'accessoires tels qu'un conservateur d'huile et un évent.
- Système de refroidissement : Refroidissement par circulation d'huile naturelle ou refroidissement par circulation d'huile forcée (avec pompes à huile installées).
Les transformateurs de type sec utilisent des matériaux d'isolation solides, tels que :
- Coulage en résine époxy
- Procédé d'imprégnation sous vide et pression (VPI)
- enroulement de ruban isolant solide
Les transformateurs immergés dans l'huile utilisent un système d'isolation composite composé d'huile isolante liquide (généralement de l'huile minérale) et de matériaux isolants solides (carton isolant). L'huile isolante assure non seulement l'isolation, mais aussi la dissipation de la chaleur.
Méthodes de refroidissement des transformateurs secs :
- Refroidissement naturel par air (AN) : Utilise la convection naturelle de l'air pour dissiper la chaleur.
- Refroidissement par air forcé (AF) : Équipé de ventilateurs pour forcer le flux d'air, ce qui peut augmenter la capacité de 30 à 50 %.
Méthodes de refroidissement des transformateurs immergés dans l'huile :
- Refroidissement naturel à l'huile et à l'air (ONAN) : Circulation naturelle de l'huile, s'appuyant sur le réservoir d'huile pour la dissipation de la chaleur.
- Refroidissement par air pulsé naturel à l'huile (ONAF) : Équipé de ventilateurs pour refroidir le radiateur.
- Refroidissement par air forcé à l'huile (OFAF) ou refroidissement par eau forcée à l'huile (OFWF) : utilise des pompes à huile pour forcer la circulation de l'huile.
- Transformateurs de type sec : généralement utilisés pour les petites et moyennes capacités, ne dépassant généralement pas 10 MVA.
- Transformateurs immergés dans l'huile : large gamme de capacités, de quelques dizaines de kVA à plusieurs centaines de MVA.
- Transformateurs secs : généralement ne dépassant pas 35 kV.
- Transformateurs immergés dans l'huile : Peuvent atteindre des niveaux de tension ultra-élevés (500 kV et plus).
- Transformateurs secs : pertes à vide relativement élevées, mais les pertes en charge sont équivalentes à celles des transformateurs immergés dans l’huile.
- Transformateurs immergés dans l'huile : L'huile isolante offre une bonne dissipation de la chaleur, et le rendement global est légèrement supérieur.
- Transformateurs à sec : Capacité de surcharge limitée, ne dépassant généralement pas 20 % de surcharge à court terme.
- Transformateurs immergés dans l'huile : L'huile isolante possède une grande capacité thermique et la capacité de surcharge à court terme peut atteindre plus de 50 %.
- Transformateurs de type sec : Bruit relativement élevé (55-75 dB).
- Transformateurs immergés dans l'huile : Niveau sonore plus faible (50-70 dB), car le réservoir d'huile a un effet d'isolation acoustique.
- Transformateurs secs : sans liquides inflammables, bonne résistance au feu, et peuvent être utilisés dans les immeubles de grande hauteur, les métros et autres lieux.
- Transformateurs immergés dans l'huile : L'huile isolante étant inflammable, il convient de prendre en compte les distances de sécurité incendie et les mesures antidéflagrantes.
- Transformateurs secs : aucun risque de fuite d’huile, plus respectueux de l’environnement.
- Transformateurs immergés dans l'huile : Risque de fuite et de pollution de l'huile, nécessitant des contrôles réguliers de la qualité de l'huile.
- Transformateurs secs : Pratiquement sans entretien, ils nécessitent seulement un nettoyage et une inspection réguliers.
- Transformateurs immergés dans l'huile : Nécessitent une inspection régulière du niveau et de la qualité de l'huile, ainsi qu'un traitement ou un remplacement de l'huile.
- Systèmes de distribution électrique dans les immeubles de grande hauteur et les centres commerciaux.
- Les lieux présentant des exigences élevées en matière de protection contre l'incendie, tels que les métros, les tunnels et les aéroports.
- Environnements inflammables et explosifs tels que l'industrie pétrochimique.
- Les lieux où les exigences en matière de fiabilité de l'alimentation électrique sont élevées, tels que les centres de données et les hôpitaux.
- Sous-stations intérieures ou lieux à espace limité.
- Postes de transformation et centrales électriques en extérieur.
- Postes de transformation centraux dans les systèmes de transport et de distribution d'électricité.
- Transformateurs principaux des grandes entreprises industrielles.
- Occasions nécessitant une transformation à grande échelle.
- Les réseaux de distribution d'électricité sensibles aux coûts, tels que les réseaux électriques ruraux.
- Transformateurs à sec : leur prix est généralement de 30 à 50 % supérieur à celui des transformateurs immergés dans l’huile de même capacité.
- Transformateurs immergés dans l'huile : Investissement initial plus faible.
- Transformateurs secs : Faibles coûts d’entretien, mais un rendement légèrement inférieur peut entraîner une augmentation des frais d’électricité.
- Transformateurs immergés dans l'huile : Coûts de maintenance plus élevés (traitement de l'huile, tests, etc.), mais rendement élevé.
- Transformateurs secs : leur durée de vie est généralement de 20 à 30 ans.
- Transformateurs immergés dans l'huile : leur durée de vie peut atteindre 30 à 40 ans.
Avec les progrès technologiques et les exigences croissantes en matière de protection de l'environnement, les deux types de transformateurs évoluent constamment :
Tendances de développement des transformateurs secs :
- Évolution vers une capacité plus importante et des niveaux de tension plus élevés.
- Application de nouveaux matériaux d'isolation (tels que l'aérogel).
- Intégration de technologies de surveillance intelligentes.
Tendances de développement des transformateurs immergés dans l'huile :
- Application d'huiles isolantes respectueuses de l'environnement (huile d'ester végétal, huile de silicone, etc.).
- Technologie entièrement étanche pour réduire les besoins de maintenance.
- Systèmes de surveillance numériques et intelligents.
Les transformateurs secs et les transformateurs immergés dans l'huile présentent chacun leurs avantages et leurs inconvénients. Les facteurs suivants doivent être pris en compte de manière exhaustive lors du choix :
- Environnement d'installation (intérieur/extérieur, contraintes d'espace)
- exigences en matière de sécurité incendie
- exigences en matière de capacité et de niveau de tension
- Investissement initial et coûts d'exploitation à long terme
- capacités et ressources de maintenance
- exigences en matière de protection de l'environnement
En pratique, les deux types de transformateurs ne sont pas totalement substituables, mais complémentaires et coexistants, chacun présentant des avantages dans des domaines spécifiques. Avec les progrès technologiques, l'écart de performance entre les deux se réduit, mais les différences fondamentales persisteront longtemps. Les concepteurs et les utilisateurs de réseaux électriques doivent choisir le type de transformateur le plus adapté à leurs besoins spécifiques afin de garantir une alimentation électrique sûre, fiable et économique.
