À l’intérieur d’un transformateur de puissance : tous les composants que vous devez connaître

Quand tu travailles avec transformateurs de puissance assez longtemps, vous réalisez qu'il ne s'agit pas d'une simple boîte lourde posée sur une dalle de béton. Il s’agit d’un système soigneusement assemblé de dizaines de pièces individuelles, chacune ayant une tâche spécifique. Si vous vous êtes déjà demandé ce qu'il y avait réellement à l'intérieur de ce réservoir en acier rempli d'huile ou comment une unité de type sec survit sans aucun liquide, voici une visite guidée terre-à-terre.

Je me concentrerai d'abord sur le type immergé dans l'huile (le plus courant que l'on voit dans les sous-stations ou sur les poteaux électriques), puis j'expliquerai rapidement en quoi les transformateurs de type sec diffèrent.

Le cœur absolu – parties magnétiques et électriques

Quelle que soit sa taille, chaque transformateur commence avec les deux mêmes éléments : un noyau et des enroulements. Le noyau est construit à partir de fines feuilles d’acier au silicium empilées ensemble. Son seul rôle est de transporter le flux magnétique. Considérez-le comme le squelette qui rend le transfert d’énergie possible.

Autour de ce noyau, vous trouverez les enroulements – généralement des bobines de cuivre ou d'aluminium. Un ensemble est destiné à la haute tension, un autre à la basse tension. Ce sont les véritables « fils » où le courant circule. Entre le noyau et les enroulements, ainsi qu'entre les différentes couches d'enroulement, se trouvent des pièces d'isolation (carton pressé, papier ou matériaux synthétiques). Sans eux, l’électricité sauterait là où elle ne devrait pas.

Enfin, des câbles internes connectent différentes sections des enroulements et amènent le chemin électrique jusqu'aux traversées (que nous reviendrons plus tard). Ces câbles sont soigneusement acheminés et isolés, car à l’intérieur du réservoir, tout est bien emballé.

Huile isolante et système de refroidissement

Dans un transformateur rempli d'huile , l'ensemble noyau-bobine est immergé dans l'huile de transformateur. Cette huile n’est pas du carburant ; c'est une huile minérale hautement raffinée qui fait trois choses : isole, refroidit et aide à éteindre tout arc interne. Vous pouvez l’appeler l’élément vital de l’unité.

Le réservoir lui-même contient tout : l’huile, le noyau, les enroulements et les câbles. Mais un réservoir en acier ordinaire ne dissipe pas la chaleur assez rapidement. C'est pourquoi vous voyez ces panneaux nervurés ou ces radiateurs boulonnés à l'extérieur. Certaines unités plus grandes utilisent des refroidisseurs à air pulsé ou à huile pulsée, mais l'idée est la même : se débarrasser de la chaleur générée par les enroulements et le noyau.

À mesure que l’huile chauffe, elle se dilate. Pour gérer cette expansion sans faire éclater le réservoir, il y a un conservateur (beaucoup de gens l'appellent réservoir de conservation d'huile ou simplement « coussin d'huile ») monté au-dessus du réservoir principal. Il inspire et expire à mesure que le volume d'huile change, gardant le réservoir principal plein à tout moment.

Sécurité et protection

Les transformateurs peuvent vivre des décennies, mais ils ont besoin de chiens de garde. Le plus connu est le relais Buchholz (relais à gaz). Il se trouve dans le tuyau entre le réservoir principal et le conservateur. Si un défaut mineur produit des bulles de gaz, le relais les piège et envoie une alarme. Si un défaut majeur crée une soudaine poussée d’huile, le relais déclenche instantanément le disjoncteur.

L’air extérieur qui pénètre dans le conservateur transporte de l’humidité et de la poussière. C'est là qu'intervient le reniflard au gel de silice : un réservoir transparent rempli de gel bleu ou orange qui absorbe l'humidité de l'air entrant. Lorsque le gel devient rose ou blanc, vous savez qu'il est saturé.

En cas d'événements de surpression (par exemple, un court-circuit qui vaporise l'huile), une soupape de surpression s'ouvre pendant une fraction de seconde, puis se referme. Sans cela, le réservoir pourrait littéralement s’ouvrir.

Vous trouverez également un thermomètre (souvent doté d'un cadran et d'un tube capillaire) mesurant la température supérieure de l'huile, et parfois des simulateurs de température de bobinage. Les opérateurs s'appuient sur ces lectures pour décider si le transformateur est surchargé ou présente un problème de refroidissement.

Certains transformateurs plus grands incluent un purificateur d’huile – un petit réservoir rempli d’un matériau adsorbant qui filtre en permanence l’eau et les boues de l’huile. Ce n’est pas tape-à-l’œil, mais cela prolonge la durée de vie de l’isolation de plusieurs années.

Là où l’électricité entre et sort – traversées et plus encore

Les câbles internes doivent traverser la paroi du réservoir pour atteindre le monde extérieur. C'est ce que font les bagues en porcelaine ou en composite. Ils ressemblent à de grandes coupelles ou piliers isolants. À l'intérieur de chaque traversée, un conducteur descend jusqu'à l'enroulement, tandis que le corps en porcelaine maintient la haute tension à l'écart du réservoir mis à la terre.

Au-dessus du réservoir, la plaque signalétique est votre seule source d'information fiable : elle vous indique la valeur nominale MVA, les tensions, le groupe de connexion (comme Dyn11 ou Yyn0), l'impédance et le numéro de série. Ne vous fiez jamais aux marquages ​​peints d’il y a dix ans.

Pour l'entretien, chaque réservoir rempli d'huile est équipé d'au moins un robinet de vidange d'huile au fond. Et vous verrez toujours une cosse de mise à la terre clairement marquée, soudée au réservoir – c'est là que vous connectez la grille de mise à la terre de la station pour protéger les personnes des courants de défaut.

Le changeur de prises – réglage fin de la tension

La plupart des transformateurs de puissance incluent un changeur de prises. Il s'agit d'un mécanisme de commutation connecté à l'enroulement haute tension qui ajoute ou supprime quelques tours. Cela ajuste légèrement la tension de sortie lorsque la tension du réseau entrant dérive. Les changeurs de prises hors tension (DETC) ne peuvent fonctionner que lorsque le transformateur est complètement déconnecté de l'alimentation. Les changeurs de prises en charge (OLTC) fonctionnent pendant que le transformateur est sous tension, mais ils sont beaucoup plus complexes, avec un compartiment d'huile séparé et un entraînement par moteur.

Un petit mot sur transformateurs secs

Si le transformateur se trouve à l’intérieur (comme à l’intérieur d’un bâtiment ou d’une tour d’éolienne), vous trouverez souvent des unités de type sec. Pas d'huile du tout. Le noyau et les enroulements sont soit coulés dans de la résine époxy, soit enveloppés de plusieurs couches d'isolation, puis laissés exposés à l'air. Le refroidissement s'effectue naturellement ou avec des ventilateurs intégrés.

Parce qu'il n'y a pas d'huile, toutes les pièces liées à l'huile disparaissent : pas de conservateur, pas de relais Buchholz, pas de reniflard en gel de silice, pas de vanne de vidange d'huile et pas de purificateur d'huile. Mais le noyau électrique – le noyau de fer, les enroulements, l’isolation interne, les fils, les traversées, la plaque signalétique et la cosse de mise à la terre – reste exactement le même. Le changeur de prises, s'il est présent, est également de type sec.

Ainsi, lorsque quelqu'un demande « Qu'est-ce qu'il y a à l'intérieur d'un transformateur de puissance ? », la réponse honnête est : cela dépend s'il est de type immergé dans l'huile ou sec. Mais pour les bêtes de somme de la grille remplies d’huile, la liste est longue – et chaque pièce, du plus petit joint au noyau principal, sert un objectif. Après deux décennies dans le domaine, j'ai appris que sauter l'un d'eux, c'est créer des ennuis.