Transformateurs de puissance — dispositif et principe de fonctionnement
Lors du transport d'électricité sur de longues distances, le principe de transformation est utilisé pour réduire les pertes. À cette fin, l'électricité produite par les générateurs est acheminée vers le poste de transformation. Il augmente l'amplitude de la tension entrant dans la ligne électrique.
L'autre extrémité de la ligne de transmission est connectée à l'entrée de la sous-station distante. Sur celui-ci, la tension est réduite pour répartir l'électricité entre les consommateurs.
Dans les deux sous-stations, des dispositifs d'alimentation spéciaux sont impliqués dans la transformation de l'électricité de forte puissance :
1. transformateurs ;
2. autotransformateurs.
Ils ont de nombreuses fonctionnalités et caractéristiques communes, mais diffèrent par certains principes de fonctionnement. Cet article ne décrit que les premières conceptions où le transfert d'électricité entre les bobines individuelles est dû à l'induction électromagnétique. Dans ce cas, les harmoniques de courant et de tension variant en amplitude préservent la fréquence d'oscillation.
Les transformateurs sont utilisés pour convertir le courant alternatif basse tension en une tension plus élevée (transformateurs élévateurs) ou une tension plus élevée en une tension plus basse (transformateurs abaisseurs). Les plus répandus sont les transformateurs de puissance d'application générale pour les lignes de transmission et les réseaux de distribution. Les transformateurs de puissance sont dans la plupart des cas construits comme des transformateurs de courant triphasés.
Caractéristiques de l'appareil
Les transformateurs de puissance en électricité sont installés sur des sites fixes pré-préparés avec des fondations solides. Des chenilles et des galets peuvent être installés pour être posés au sol.
Une vue générale de l'un des nombreux types de transformateurs de puissance fonctionnant avec des systèmes de tension 110/10 kV et avec une puissance totale de 10 MVA est présentée dans l'image ci-dessous.
Certains éléments individuels de sa construction sont munis de signatures. Plus en détail, l'agencement des pièces principales et leur agencement mutuel sont représentés sur le dessin.
Un noyau 9 est installé à l'intérieur du réservoir, sur lequel sont placés les enroulements avec les enroulements basse tension 11 et haute tension 10. La paroi avant du transformateur est 8. Les bornes de l'enroulement haute tension sont connectées aux entrées traversant des isolateurs en porcelaine 2.
Les enroulements pour l'enroulement basse tension sont également connectés aux fils traversant les isolateurs 3.Le couvercle est fixé au bord supérieur du réservoir et un joint en caoutchouc est placé entre eux pour empêcher l'huile de fuir dans le joint entre le réservoir et le couvercle. Deux rangées de trous sont percés dans la paroi du réservoir, des tuyaux à paroi mince 7 y sont soudés, à travers lesquels l'huile s'écoule.
Sur le couvercle se trouve un bouton 1. En le tournant, vous pouvez inverser les spires de la bobine haute tension pour régler la tension sous charge. Des pinces sont soudées au couvercle, sur lequel est monté un réservoir 5, appelé détendeur.
Il comporte un indicateur 4 avec un tube en verre pour surveiller le niveau d'huile et un bouchon avec un filtre 6 pour la communication avec l'air ambiant.Le transformateur se déplace sur des rouleaux 12 dont les axes traversent les poutres soudées au fond du réservoir .
Lorsque des courants importants circulent, les enroulements du transformateur sont soumis à des forces qui tendent à les déformer. Pour augmenter la résistance des enroulements, ils sont enroulés sur des cylindres isolants. Si une bande carrée est placée dans un cercle, la zone du cercle n'est pas entièrement utilisée. Par conséquent, les barres de transformateur sont réalisées avec une section étagée par assemblage à partir de tôles de différentes largeurs.
Schéma hydraulique du transformateur
L'image montre une composition simplifiée et l'interaction de ses principaux éléments.
Des vannes spéciales et une vis sont utilisées pour remplir / vidanger l'huile, et la vanne d'arrêt située au fond du réservoir est conçue pour prélever des échantillons d'huile puis effectuer son analyse chimique.
Principes de refroidissement
Le transformateur de puissance possède deux circuits de circulation d'huile :
1. externe ;
2. interne.
Le premier circuit est représenté par un radiateur composé de collecteurs supérieur et inférieur reliés par un système de tuyaux métalliques. L'huile chauffée les traverse, qui, étant dans les conduites de réfrigérant, se refroidit et retourne dans le réservoir.
La circulation d'huile dans le réservoir peut se faire :
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de manière naturelle ;
-
forcé en raison de la création de pression dans le système par les pompes.
Souvent, la surface du réservoir est augmentée en créant des ondulations - des plaques métalliques spéciales qui améliorent le transfert de chaleur entre l'huile et l'atmosphère environnante.
L'apport de chaleur du radiateur à l'atmosphère peut être réalisé en soufflant le système par des ventilateurs ou sans eux en raison de la convection d'air libre. Le flux d'air forcé augmente efficacement l'évacuation de la chaleur de l'équipement, mais augmente la consommation d'énergie pour faire fonctionner le système. Ils peuvent réduire caractéristique de charge du transformateur jusqu'à 25%.
L'énergie thermique dégagée par les transformateurs modernes de grande puissance atteint des valeurs énormes. Sa taille peut être attribuée au fait que maintenant, à ses frais, ils ont commencé à mettre en œuvre des projets de chauffage de bâtiments industriels situés à côté de transformateurs en fonctionnement constant. Ils maintiennent des conditions de fonctionnement optimales de l'équipement, même en hiver.
Contrôle du niveau d'huile dans le transformateur
Le fonctionnement fiable du transformateur dépend en grande partie de la qualité de l'huile avec laquelle son réservoir est rempli. En fonctionnement, on distingue deux types d'huile isolante : l'huile sèche pure, qui est versée dans la cuve, et l'huile de travail, qui se trouve dans la cuve lors du fonctionnement du transformateur.
La spécification de l'huile de transformateur détermine sa viscosité, son acidité, sa stabilité, ses cendres, sa teneur en impuretés mécaniques, son point d'éclair, son point d'écoulement, sa transparence.
Toute condition de fonctionnement anormale du transformateur affecte immédiatement la qualité de l'huile, son contrôle est donc très important dans le fonctionnement des transformateurs. Communiquant avec l'air, l'huile est humidifiée et oxydée. L'humidité peut être éliminée de l'huile en la nettoyant avec une centrifugeuse ou un filtre-presse.
L'acidité et les autres violations des propriétés techniques ne peuvent être éliminées qu'en régénérant l'huile dans des dispositifs spéciaux.
Les défaillances internes du transformateur telles que les défauts d'enroulement, les défauts d'isolation, l'échauffement local ou le "feu dans le fer", etc. entraînent des modifications de la qualité de l'huile.
L'huile circule en continu dans le réservoir. Sa température dépend de tout un ensemble de facteurs d'influence. Par conséquent, son volume change tout le temps, mais est maintenu dans certaines limites. Un vase d'expansion est utilisé pour compenser les écarts de volume de l'huile. Il est pratique de surveiller le niveau actuel de celui-ci.
Un indicateur d'huile est utilisé pour cela. Les dispositifs les plus simples sont fabriqués selon le schéma des vases de communication à paroi transparente, pré-gradués en unités de volume.
La connexion d'un tel manomètre en parallèle avec le vase d'expansion est suffisante pour surveiller le fonctionnement. En pratique, il existe d'autres indicateurs pétroliers qui diffèrent de ce principe d'action.
Protection contre la pénétration d'humidité
La partie supérieure du vase d'expansion étant en contact avec l'atmosphère, un sécheur d'air y est installé, ce qui empêche l'humidité de pénétrer dans l'huile et réduit ses propriétés diélectriques.
Protection contre les dommages internes
C'est un élément important du système d'huile relais gaz… Il est installé à l'intérieur de la tuyauterie reliant la cuve du transformateur principal au vase d'expansion. Par conséquent, tous les gaz libérés lorsqu'ils sont chauffés par l'huile et l'isolant organique traversent le conteneur avec l'élément sensible du relais de gaz.
Ce capteur est réglé dès le fonctionnement pour une très petite formation de gaz admissible, mais se déclenche lorsqu'il augmente en deux étapes :
1. pour émettre un signal d'avertissement lumineux / sonore au personnel de service pour l'apparition d'un dysfonctionnement lorsque la valeur définie de la première valeur est atteinte ;
2. couper les disjoncteurs de tous les côtés du transformateur pour libérer la tension en cas de gazage violent, ce qui indique le début de puissants processus de décomposition de l'huile et de l'isolant organique, qui commencent par des courts-circuits à l'intérieur du réservoir.
Une fonction supplémentaire du relais de gaz est de surveiller le niveau d'huile dans le réservoir du transformateur. Lorsqu'elle descend à une valeur critique, la protection gaz peut fonctionner selon le réglage :
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signal uniquement ;
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s'éteindre avec un signal.
Protection contre la montée en pression d'urgence à l'intérieur du réservoir
Le tuyau de vidange est monté sur le couvercle du transformateur de manière à ce que son extrémité inférieure communique avec la capacité du réservoir et que l'huile s'écoule à l'intérieur jusqu'au niveau du détendeur. La partie supérieure du tube s'élève au-dessus de l'expanseur et se rétracte sur le côté, légèrement pliée.Son extrémité est fermée hermétiquement par une membrane de sécurité en verre, qui se rompt en cas d'augmentation de pression d'urgence due à l'apparition d'un échauffement indéfini.
Une autre conception d'une telle protection est basée sur l'installation d'éléments de soupape qui s'ouvrent lorsque la pression augmente et se ferment lorsqu'ils sont relâchés.
Un autre type est la protection contre le siphon. Il est basé sur la compression rapide des ailes avec une forte montée des gaz. En conséquence, le verrou qui maintient la flèche, qui dans sa position normale est sous l'influence d'un ressort comprimé, est renversé. La flèche libérée brise la membrane de verre et soulage ainsi la pression.
Schéma de connexion du transformateur de puissance
À l'intérieur du boîtier du réservoir se trouvent:
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squelette avec poutre supérieure et inférieure;
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circuit magnétique ;
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bobines haute et basse tension;
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réglage des branches d'enroulement;
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prises basse et haute tension
-
le bas des traversées haute et basse tension.
Le cadre, avec les poutres, sert à fixer mécaniquement tous les composants.
Design d'intérieur
Le circuit magnétique sert à réduire les pertes du flux magnétique traversant les bobines. Il est fabriqué à partir de nuances d'acier électrique selon la méthode laminée.
Le courant de charge circule dans les enroulements de phase du transformateur. Les métaux sont choisis comme matériaux pour leur fabrication : cuivre ou aluminium de section ronde ou rectangulaire. Des marques spéciales de papier câblé ou de fil de coton sont utilisées pour isoler les spires.
Dans les enroulements concentriques utilisés dans les transformateurs de puissance, un enroulement basse tension (BT) est généralement placé sur le noyau, qui est entouré d'un enroulement haute tension (HT) à l'extérieur.Cette disposition des bobinages, d'une part, permet d'éloigner le bobinage haute tension du noyau, et d'autre part, elle facilite l'accès aux bobinages haute tension lors des réparations.
Pour un meilleur refroidissement des bobines, des canaux formés par des entretoises isolantes et des joints entre les bobines sont laissés entre elles. L'huile circule à travers ces canaux qui, lorsqu'ils sont chauffés, montent puis descendent à travers les tuyaux du réservoir, dans lesquels ils sont refroidis.
Les bobines concentriques sont enroulées sous la forme de cylindres situés les uns dans les autres. Pour le côté haute tension, un enroulement continu ou multicouche est créé, et pour le côté basse tension, un enroulement spiralé et cylindrique.
L'enroulement BT est placé plus près du piquet : cela facilite la réalisation d'une couche pour son isolation. Ensuite, un cylindre spécial est monté dessus, assurant l'isolation entre les côtés haute et basse tension, et l'enroulement HT est monté dessus.
La méthode d'installation décrite est illustrée sur le côté gauche de l'image ci-dessous, avec la disposition concentrique des enroulements de tige du transformateur.
Le côté droit de l'image montre comment les enroulements alternés sont placés, séparés par une couche isolante.
Afin d'augmenter la résistance électrique et mécanique de l'isolation des enroulements, leur surface est imprégnée d'un type spécial de vernis glyphthalique.
Pour connecter les enroulements d'un côté de la tension, les circuits suivants sont utilisés:
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étoiles;
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Triangle;
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zigzag.
Dans ce cas, les extrémités de chaque bobine sont marquées de lettres de l'alphabet latin, comme indiqué dans le tableau.
Type de transformateur Côté bobinage Basse tension Moyenne tension Haute tension Début fin neutre Début fin neutre Début fin neutre Monophasé a x — A Ht — A x — Deux enroulements triphasés a NS 0 — — — A x 0 b Y B Y avec G ° C Z Trois enroulements trois phases a x At Ht A x b Y 0 YT 0 B Y 0 ° С Z Ht ° С Z
Les bornes des enroulements sont connectées aux conducteurs de descente correspondants qui sont montés sur les boulons de l'isolateur de traversée situés sur le couvercle de la cuve du transformateur.
Afin de réaliser la possibilité de régler la valeur de la tension de sortie, des dérivations sont réalisées sur les enroulements. L'une des variantes des branches de contrôle est représentée sur le schéma.
Le système de régulation de tension est conçu avec la possibilité de modifier la valeur nominale à ± 5 %. Pour ce faire, effectuez cinq étapes de 2,5 % chacune.
Pour les transformateurs de puissance de forte puissance, la régulation est généralement réalisée sur un bobinage haute tension. Cela simplifie la conception du commutateur de prise et permet d'améliorer la précision des caractéristiques de sortie en fournissant plus de tours de ce côté.
Dans les bobines cylindriques multicouches, les branches régulatrices sont réalisées à l'extérieur de la couche à l'extrémité de la bobine et sont situées symétriquement à la même hauteur par rapport à la culasse.
Pour les projets individuels de transformateurs, des branches sont réalisées dans la partie médiane. Lors de l'utilisation d'un circuit inverse, une moitié de l'enroulement se fait avec la bobine droite et l'autre avec la bobine gauche.
Un interrupteur triphasé est utilisé pour commuter les robinets.
Il dispose d'un système de contacts fixes, qui sont connectés aux branches des bobines, et de contacts mobiles, qui commutent le circuit, créant différents circuits électriques avec des contacts fixes.
Si les branches sont réalisées près du point zéro, un interrupteur contrôle le fonctionnement des trois phases à la fois. Cela peut être fait parce que la tension entre les différentes parties de l'interrupteur ne dépasse pas 10 % de la valeur linéaire.
Lorsque des prises sont faites dans la partie médiane de l'enroulement, son propre interrupteur individuel est utilisé pour chaque phase.
Méthodes de réglage de la tension de sortie
Il existe deux types de commutateurs qui permettent de modifier le nombre de tours sur chaque bobine :
1. avec réduction de charge ;
2. sous charge.
La première méthode prend plus de temps à compléter et n'est pas populaire.
La commutation de charge facilite la gestion des réseaux électriques en fournissant une alimentation ininterrompue aux consommateurs connectés. Mais pour ce faire, vous devez avoir une conception complexe du commutateur, qui est équipée de fonctions supplémentaires :
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effectuer des transitions entre branches sans interruption des courants de charge en connectant deux contacts adjacents lors de la commutation ;
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limiter le courant de court-circuit à l'intérieur de l'enroulement entre les prises connectées lors de leur mise sous tension simultanée.
La solution technique à ces problèmes est la création d'appareils de commutation commandés à distance, utilisant des réacteurs et des résistances limiteurs de courant.
Sur la photo présentée au début de l'article, le transformateur de puissance utilise un réglage automatique de la tension de sortie sous charge en créant une conception AVR qui combine un circuit de relais pour contrôler un moteur électrique avec un actionneur et des contacteurs.
Principe et modes de fonctionnement
Le fonctionnement d'un transformateur de puissance repose sur les mêmes lois que dans un transformateur classique :
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Un courant électrique traversant la bobine d'entrée avec une harmonique variable dans le temps des oscillations induit un champ magnétique changeant à l'intérieur du circuit magnétique.
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Le flux magnétique changeant pénétrant dans les spires de la deuxième bobine induit une FEM en eux.
Modes de fonctionnement
Pendant le fonctionnement et les essais, le transformateur de puissance peut être en mode de fonctionnement ou d'urgence.
Mode de fonctionnement créé en connectant une source de tension à l'enroulement primaire et la charge au secondaire. Dans ce cas, la valeur du courant dans les enroulements ne doit pas dépasser les valeurs admissibles calculées. Dans ce mode, le transformateur de puissance doit alimenter tous les consommateurs qui lui sont connectés pendant longtemps et de manière fiable.
Une variante du mode de fonctionnement est les tests à vide et en court-circuit pour vérifier les caractéristiques électriques.
Pas de charge créé en ouvrant le circuit secondaire pour y couper le flux de courant. Il sert à déterminer :
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Efficacité;
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facteur de transformation ;
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pertes dans l'acier dues à l'aimantation du noyau.
Une tentative de court-circuit est créée en court-circuitant les bornes de l'enroulement secondaire, mais avec une tension sous-estimée à l'entrée du transformateur à une valeur capable de créer un courant nominal secondaire sans le dépasser.Cette méthode est utilisée pour déterminer les pertes de cuivre.
Aux modes d'urgence, un transformateur inclut toute violation de son fonctionnement, entraînant une déviation des paramètres de fonctionnement en dehors des limites de leurs valeurs admissibles. Un court-circuit à l'intérieur des enroulements est considéré comme particulièrement dangereux.
Les modes d'urgence entraînent des incendies d'équipements électriques et le développement de conséquences irréversibles. Ils sont capables de causer des dommages massifs au système électrique.
Par conséquent, afin d'éviter de telles situations, tous les transformateurs de puissance sont équipés de dispositifs automatiques, de protection et de signalisation, conçus pour maintenir le fonctionnement normal de la boucle primaire et la déconnecter rapidement de tous les côtés en cas de dysfonctionnement.