Les transformateurs constituent l'épine dorsale, souvent méconnue, des réseaux électriques modernes. Ils permettent le transport efficace de l'énergie électrique sur de longues distances en élevant la tension pour le transport et en l'abaissant pour la distribution et l'utilisation. Sans transformateurs fiables, la stabilité du réseau, la distribution efficace de l'énergie et la régulation de la tension entre les réseaux de production, de transport et de distribution seraient impossibles. Parmi les différents types de transformateurs, le transformateur immergé dans l'huile demeure la solution la plus répandue pour les applications moyenne et haute tension grâce à sa fiabilité éprouvée, sa capacité thermique élevée et la flexibilité de sa conception. Cet article examine la définition et la structure de base des transformateurs immergés dans l'huile , explique leurs principes de refroidissement et d'isolation, les compare aux transformateurs secs et explore des scénarios d'application typiques.
Qu'est-ce qu'un transformateur immergé dans l'huile ?
Un transformateur immergé dans l'huile est un transformateur électrique dont les enroulements et le noyau sont baignés dans un bain d'huile minérale isolante (ou d'un autre fluide isolant). L'huile remplit deux fonctions essentielles : l'isolation électrique et le transfert thermique. En entourant les enroulements conducteurs et le noyau magnétique, l'huile augmente la rigidité diélectrique entre les composants et évacue la chaleur générée en fonctionnement par convection et conduction vers la cuve du transformateur et les surfaces de refroidissement externes. Les transformateurs immergés dans l'huile vont des petits transformateurs de distribution aux grands transformateurs de puissance de plusieurs centaines de MVA destinés aux postes de transformation.
Principaux éléments structuraux
Les transformateurs immergés dans l'huile sont des ensembles complexes composés de plusieurs éléments interdépendants. Les principaux composants sont :
Noyau magnétique (noyau de fer)
Le noyau assure le chemin magnétique à faible réluctance pour l'induction du flux entre les enroulements primaire et secondaire. Il est généralement constitué de tôles d'acier électrique à grains orientés empilées afin de minimiser les pertes par courants de Foucault et par hystérésis. La conception du noyau (noyau nu ou noyau en coquille) influe sur la distribution du flux, la réactance de fuite et le comportement en court-circuit.
Enroulements (primaire et secondaire)
Les enroulements sont constitués de bobines de conducteur en cuivre ou en aluminium agencées de manière à obtenir le rapport de spires requis. Leur géométrie (couches, disques, hélicoïdales) est choisie en fonction du niveau de tension, des besoins en refroidissement et de la tenue aux courts-circuits. L'isolation entre les spires, les couches et l'enroulement par rapport au noyau est assurée par des papiers isolants, du carton pressé et de l'huile isolante.
Réservoir et enceinte
La cuve est un récipient en acier étanche qui abrite le noyau et les enroulements et contient l'huile isolante. Les cuves peuvent être lisses ou munies d'ondulations et de radiateurs afin d'augmenter la surface d'échange thermique. Pour les transformateurs de distribution, on utilise généralement des cuves compactes ; pour les transformateurs de puissance de grande taille, on emploie des conservateurs d'huile, des radiateurs et une tuyauterie d'huile séparés.
Huile isolante (huile de transformateur)
Traditionnellement, l'huile minérale (huiles de pétrole raffinées) sert d'isolant et de fluide réfrigérant. Des fluides alternatifs (esters synthétiques, esters naturels, fluides siliconés) sont parfois utilisés pour une meilleure sécurité incendie ou une biodégradabilité accrue. La pureté de l'huile, son taux d'humidité et sa rigidité diélectrique sont rigoureusement contrôlés par filtration et tests.
Accessoires et protection
Les composants auxiliaires comprennent des traversées pour les connexions haute tension, des réservoirs de conservation (pour la dilatation de l'huile), des unités de ventilation pour contrôler l'entrée d'humidité, des dispositifs de décharge de pression, des pompes à huile (dans les systèmes à huile forcée), des radiateurs ou ventilateurs ONAN/ONAF, des changeurs de prises pour le réglage de la tension en charge ou hors charge et des dispositifs de surveillance (indicateurs de température, relais gaz dans l'huile, ports d'analyse des gaz dissous (DGA)).
Principes de refroidissement et de dissipation de la chaleur dans les transformateurs immergés dans l'huile
La gestion thermique est un aspect fondamental de la conception d'un transformateur, car les pertes (pertes dans le noyau et pertes par effet Joule) convertissent l'énergie électrique en chaleur. Une dissipation efficace permet de maintenir les températures des enroulements et de l'isolation dans des limites acceptables afin de prévenir un vieillissement accéléré.
génération de chaleur
Pertes dans le noyau : dues à l’hystérésis magnétique et aux courants de Foucault dans le noyau feuilleté ; largement indépendantes de la charge et proportionnelles à la tension et à la fréquence appliquées.
Pertes par effet Joule (charge) : pertes I²R dans les enroulements qui augmentent avec le courant de charge.
mécanismes de transfert de chaleur
Conduction : la chaleur se propage des surfaces chaudes des enroulements à l'huile environnante par contact direct.
Convection naturelle : l’huile chaude, moins dense, monte et se dirige vers les surfaces plus froides (parois du réservoir, radiateurs) ; l’huile plus froide redescend et recircule autour des enroulements. Cette circulation évacue la chaleur de la zone des enroulements.
Convection forcée : des ventilateurs ou des pompes (dans les systèmes ONAF/OFWF) accélèrent le débit d'huile pour augmenter le transfert de chaleur lorsque la convection naturelle est insuffisante à des charges élevées.
Rayonnement et convection à la surface du réservoir : la chaleur est finalement dissipée dans l'air ambiant à partir du réservoir et des radiateurs.
Classifications de refroidissement
Les normes industrielles définissent les modes de refroidissement, tels que ONAN (refroidissement naturel à l'air), ONAF (refroidissement naturel à l'air forcé), OFAF (refroidissement forcé à l'air forcé à l'huile) et OFWF (refroidissement forcé à l'eau forcée à l'huile). Le choix dépend de la puissance nominale, des conditions ambiantes et de la capacité de surcharge requise.
interaction entre isolation et température
La durée de vie des matériaux isolants dépend fortement de la température ; on estime généralement qu'une augmentation de 6 à 10 °C de la température de fonctionnement réduit de moitié la durée de vie de l'isolation. Par conséquent, le refroidissement par huile est essentiel pour prolonger la durée de vie des transformateurs en maîtrisant la température des points chauds.
Avantages par rapport aux transformateurs secs
Les transformateurs immergés dans l'huile sont souvent privilégiés dans de nombreuses applications en raison de leur combinaison de performances électriques, de gestion thermique et de rentabilité. Leurs principaux avantages sont les suivants :
Capacité de refroidissement supérieure
L'huile immergée assure une évacuation de la chaleur plus efficace que l'air, permettant une capacité de charge continue plus élevée et une meilleure tolérance aux surcharges à court terme.
force diélectrique plus élevée
L'huile remplit les vides et améliore l'environnement diélectrique autour des enroulements et des ensembles de noyau, augmentant ainsi les marges de tension de claquage et réduisant le risque de décharge partielle.
compacité et rentabilité
À puissance nominale égale, les transformateurs immergés dans l'huile ont généralement une taille physique plus petite et un coût de fabrication inférieur à celui des unités sèches équivalentes, notamment à moyenne et haute tension.
Durée de vie plus longue en cas d'entretien régulier
Un entretien, une filtration et une surveillance appropriés de l'huile (par exemple, DGA) permettent de détecter rapidement les défauts naissants et de prolonger sa durée de vie.
Flexibilité dans la conception
Les groupes électrogènes immergés dans l'huile peuvent être conçus pour les changeurs de prises en charge, les grandes capacités nominales et les systèmes d'isolation spécialisés pour les applications de réseau exigeantes.
Il est toutefois essentiel de prendre en compte les compromis : les transformateurs immergés dans l’huile présentent un risque d’incendie plus élevé si de l’huile minérale est utilisée, nécessitent des mesures de manipulation et de protection de l’environnement, et peuvent exiger une infrastructure de site plus robuste. Dans les environnements soumis à des exigences strictes en matière de sécurité incendie — tels que les espaces intérieurs confinés, les mines ou les immeubles de grande hauteur —, les transformateurs secs ou les fluides alternatifs (comme les esters naturels) peuvent être préférables.
Scénarios d'application typiques
Les transformateurs immergés dans l'huile sont utilisés dans de nombreux secteurs exigeant une fiabilité élevée et une gestion thermique efficace. Voici quelques exemples d'applications :
Postes de transport et de distribution
Les grands transformateurs de puissance (HT/MT) des sous-stations sont presque toujours immergés dans l'huile en raison de leurs capacités élevées et de leur besoin d'un refroidissement efficace et d'une régulation de tension.
Systèmes d'alimentation industrielle
Les industries lourdes (sidérurgie, pétrochimie, cimenterie, exploitation minière) nécessitent des transformateurs robustes pour les gros moteurs et les charges de processus ; les modèles immergés dans l'huile supportent efficacement les charges élevées et les contraintes transitoires.
Intégration des énergies renouvelables et interconnexion au réseau
Les parcs éoliens et les centrales solaires utilisent des transformateurs immergés dans l'huile aux points de collecte centraux et aux stations d'élévation pour se connecter au réseau de transport.
réseaux de distribution de services publics
Les transformateurs de distribution montés sur poteau ou sur socle, qui desservent les zones résidentielles et commerciales, utilisent souvent de l'huile pour des raisons de compacité et de performance thermique.
Plateformes marines et offshore
Des transformateurs immergés dans l'huile spécialement conçus (avec des fluides ignifuges si nécessaire) sont utilisés pour l'alimentation électrique des navires et les installations offshore.
centres de données et grands campus commerciaux
Là où l'espace, l'efficacité et la fiabilité sont essentiels, on utilise des unités immergées dans l'huile, parfois avec des mesures de sécurité incendie supplémentaires ou des fluides alternatifs pour se conformer aux normes locales.
Conclusion et recommandation
Les transformateurs immergés dans l'huile demeurent un élément essentiel de la distribution d'énergie fiable dans les secteurs de la production, de l'industrie et du commerce. Leur gestion thermique efficace, leur comportement diélectrique robuste et leurs options de conception flexibles en font le choix privilégié pour les applications de moyenne et haute puissance. La réussite de leur déploiement repose non seulement sur une conception initiale rigoureuse, mais aussi sur une maintenance attentive, une surveillance de l'état et, le cas échéant, le choix de fluides isolants modernes et de technologies de surveillance numérique.