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Les systèmes de refroidissement des transformateurs sont essentiels pour maintenir des températures de fonctionnement optimales et assurer la fiabilité et l'efficacité des transformateurs électriques. La chaleur excessive peut dégrader l'isolation, réduire l'efficacité et raccourcir la durée de vie, faisant de la gestion thermique un aspect critique de la conception et du fonctionnement des transformateurs.

Comprendre la production de chaleur des transformateurs

Les transformateurs de puissance gèrent une tension et un courant élevés, qui génèrent inévitablement de la chaleur en raison de pertes électriques dans les enroulements (pertes de cuivre) et le noyau (pertes de fer).

Sources primaires de chaleur dans les transformateurs

Les transformateurs génèrent de la chaleur par plusieurs mécanismes en fonctionnement normal. La principale source de production de chaleur dans le transformateur est sa perte de cuivre ou la perte I2R, bien qu'il existe d'autres facteurs qui contribuent à la chaleur dans le transformateur, comme l'hystérie et les pertes de courant de Foucault.

Les pertes de transformateurs, telles que les pertes ohmiques dans les enroulements, les pertes de cœur et les pertes de chaleur, contribuent à l'augmentation de la température, un aspect particulièrement critique étant le point chaud, une région localisée dans les enroulements où la température atteint des sommets dus à la production de chaleur concentrée.

Conséquences d'un refroidissement inadéquat

Si cette chaleur ne se dissipe pas correctement, la température du transformateur augmentera continuellement, ce qui peut causer des dommages dans l'isolation du papier et dans le milieu d'isolation liquide du transformateur.

Des températures élevées peuvent modifier la composition chimique de l'huile isolante, augmenter sa teneur en gaz et affecter davantage la distribution de la chaleur au sein du transformateur. Cet effet en cascade souligne l'importance de mettre en place des systèmes de refroidissement robustes depuis la phase de conception initiale jusqu'à l'ensemble du cycle de vie opérationnel du transformateur.

Types de systèmes de refroidissement de transformateurs

Les méthodes de refroidissement sont identifiées par des codes de lettres internationaux tels que ONAN, ONAF, OFAF et OFWF, représentant chacune différentes combinaisons de circulation d'huile et d'air (ou d'eau).

ONE (Huile naturelle d'air naturel) Refroidissement

ONAN est une méthode de refroidissement par l'air naturel, où l'huile de transformateur circule naturellement en raison de différences de densité induites par la chaleur, et la chaleur est dissipée des radiateurs dans l'air ambiant par l'air naturel.

Dans la circulation convectionnelle de l'huile, l'huile chaude s'écoule vers la partie supérieure du réservoir du transformateur et la place vacante est occupée par l'huile froide. Cette huile chaude qui vient à la partie supérieure, dissipera la chaleur dans l'atmosphère par conduction naturelle, convection et rayonnement dans l'air et deviendra froide, et de cette façon l'huile dans le réservoir du transformateur circule continuellement lorsque le transformateur est mis en charge.

Les systèmes ONAN fonctionnent silencieusement, avec un entretien minimal et sont idéaux pour les transformateurs jusqu'à ~25 MVA, et cette méthode est fiable, rentable et largement utilisée pour les transformateurs de distribution et de service. Les avantages du refroidissement ONAN comprennent l'absence de pièces mobiles, les exigences minimales d'entretien, et le fonctionnement silencieux, cependant, l'efficacité de refroidissement est limitée, et le transformateur ne peut pas gérer des charges thermiques élevées.

Comme le taux de dissipation de la chaleur dans l'air dépend de la surface dissipante du réservoir d'huile, il est essentiel d'augmenter la surface effective du réservoir, de sorte que la surface dissipante supplémentaire sous forme de tubes ou de radiateurs est connectée au réservoir du transformateur.

L'ONAF (Aviation naturelle de pétrole) Refroidissement

L'ONAF est synonyme de "Huile Natural Air Forced", et comme l'ONAF refroidit plus vite qu'ONAN, les transformateurs électriques peuvent supporter plus de charge sans dépasser les limites de température.

Dans les systèmes ONAF, la circulation de l'huile reste naturelle: aucune pompe n'est utilisée, seul le refroidissement de l'air est forcé à l'aide de ventilateurs, et seul l'air est forcé; l'huile continue à couler naturellement en raison de gradients thermiques. La dissipation de la chaleur peut être améliorée en augmentant la surface dissipante, mais elle devient encore plus rapide avec l'écoulement de l'air forcé, lorsque les ventilateurs soufflent de l'air sur la surface de refroidissement, en éliminant la chaleur plus efficacement que l'air naturel.

Les systèmes ONAF conviennent aux transformateurs de taille moyenne dont la puissance est comprise entre 50 MVA et 100 MVA, et les ventilateurs de refroidissement sont commandés par des interrupteurs thermostat qui s'allument lorsque la température supérieure de l'huile dépasse un seuil préétabli (habituellement de 50 à 55 °C) et s'éteignent lorsqu'elle tombe sous un autre seuil.

Les transformateurs dont la capacité est inférieure à 2500 kVA (trois phases) ou à 833 kVA (une seule phase) reçoivent généralement une augmentation de 15 % de leur capacité lorsque le refroidissement par air forcé est appliqué, tandis que les transformateurs de moyenne portée de 2500 à 10 000 kVA peuvent être notés pour une augmentation de 25 % sous ONAF.

FAF (Force aérienne forcée à l'huile) Refroidissement

Comme les taux de conversion dépassent 40 à 60 MVA ou lorsqu'ils sont soumis à des conditions de charge ou de pic continues élevées, les méthodes de refroidissement traditionnelles comme ONAN ou ONAF peuvent ne pas permettre un dégagement de chaleur suffisant et, dans de tels scénarios, le refroidissement OFAF (Oil Forced, Air Forced) est utilisé pour améliorer considérablement la circulation interne du pétrole et le refroidissement externe de l'air.

Dans le système de refroidissement OFAF, les pompes à huile circulent l'huile dans le réservoir du transformateur, avec OFAF debout pour le refroidissement "Oil Forced Air Forced", et ce système est compact et fournit la même capacité de refroidissement que les méthodes précédentes mais prend moins d'espace. Le refroidissement OFAF est le choix standard pour les transformateurs de puissance haute capacité (≥60 MVA) dans les réglages de réseau, industriel et de génération.

Cette circulation à double force assure un transfert thermique maximal des enroulements vers l'environnement, et les pompes et ventilateurs peuvent être conçus par étapes ou des paires redondantes pour un fonctionnement sans danger. La circulation active de l'huile et de l'air rend les systèmes OFAF particulièrement efficaces pour les applications à haute capacité et les environnements opérationnels exigeants.

ODAF (Fonctionnement aérien commandé par l'huile)

On peut considérer que le refroidissement par air dirigé par l'APDAF ou par l'huile du transformateur est la version améliorée de l'OFFA, où la circulation forcée de l'huile est dirigée vers le flux par des voies prédéterminées dans l'enroulement du transformateur.

L'huile fraîche entrant dans le réservoir du transformateur par le refroidisseur ou le radiateur passe par l'enroulement où des trous pour le débit d'huile ou les chemins de circulation d'huile pré-décidée entre conducteurs isolés sont prévus pour assurer un transfert de chaleur plus rapide.

OFFF (eau forcée par l'huile) Refroidissement

Les systèmes OFWF utilisent des échangeurs de chaleur et des circuits d'eau, et non de l'air, pour éliminer la chaleur de l'huile de transformateur, ce qui les rend idéales pour les environnements intérieurs ou fermés.

Les transformateurs ONWF utilisent des équipements de refroidissement de l'eau pour forcer l'eau à travers la surface du transformateur avec des équipements d'échange de chaleur.

Systèmes de refroidissement KNAN et KNAF

KNAN et KNAF suivent la même logique de refroidissement que ONAN et ONAF, mais avec une différence clé : le fluide à l'intérieur du réservoir. Le K en KNAN et KNAF signifie un fluide dont le point d'éclair est supérieur à 300°C, généralement des esters naturels tels que FR3, et ces fluides sont moins inflammables que l'huile minérale et souvent biodégradables, ce qui les rend aptes à être utilisés dans des endroits où les exigences de confinement des incendies ou la sensibilité écologique.

Les transformateurs KNAN et KNAF utilisent des esters naturels (K), pas de l'huile minérale (O), et tout comme ONAN et ONAF, le mécanisme de refroidissement interne est la convection naturelle (N). Leur viscosité, leurs taux de transfert de chaleur et leurs caractéristiques de vieillissement varient de celles de l'huile minérale, et tous ces facteurs influencent les performances de refroidissement, ce qui explique pourquoi KNAN n'est pas toujours un remplacement thermique par abaissement de l'ONAN.

Refroidissement par transformateur à sec

Contrairement aux unités remplies de liquide, les transformateurs de type sec comptent sur l'air comme milieu de refroidissement, soit par convection naturelle ou par circulation forcée, et la compréhension des méthodes de refroidissement disponibles, des limites de hausse de température et de la coordination de l'isolation est la clé pour choisir le transformateur approprié pour une application ou un environnement donné.

Les transformateurs AA sont auto-refroidis (A) par le débit d'air naturel (A), tandis que les transformateurs AFA utilisent l'air ambiant comme milieu de refroidissement (A) mais tirent leur méthode de refroidissement primaire de la circulation forcée de l'air (FA), et normalement, les ouvertures de ventilation sont utilisées pour les ventilateurs pour forcer l'air (FA) à entrer et à sortir de l'unité.

Le refroidissement par air forcé peut augmenter la capacité d'un transformateur de 25 à 50 % par rapport à sa capacité d'air naturel, et les ventilateurs sont souvent contrôlés par la température, ne s'activant que lorsque les températures d'enroulement atteignent un seuil prédéfini, minimisant ainsi la consommation d'énergie et le bruit.

Comprendre la nomenclature du système de refroidissement

Tous les transformateurs récents utilisent un système à quatre lettres, où les deux premières lettres indiquent le système de refroidissement interne autour du noyau et des bobines, et les deux dernières lettres indiquent le système externe autour des surfaces de refroidissement extérieures. Cette nomenclature normalisée fournit un moyen clair et concis de communiquer les caractéristiques du système de refroidissement.

Première lettre: Moyen de refroidissement interne

"O" représente l'huile minérale ou les fluides synthétiques avec un point d'éclair de 300 degrés Celsius et moins, le fluide avec un point d'éclair de plus de 300 degrés Celsius est représenté par "K", et la lettre "L" est utilisée lorsque le fluide n'a pas de point d'éclair mesurable.

Deuxième lettre: Méthode de circulation interne

La deuxième lettre indique comment le fluide de refroidissement interne circule dans le transformateur. « N » représente la circulation naturelle entraînée par des courants de convection, tandis que « F » indique la circulation forcée par des pompes. « D » est utilisé lorsque le flux d'huile est dirigé par des voies spécifiques à l'intérieur des enroulements pour un refroidissement optimisé.

Troisième et quatrième lettres : Refroidissement externe

La troisième lettre identifie le milieu de refroidissement externe — "A" pour l'air ou "W" pour l'eau. La quatrième lettre décrit la méthode de circulation du milieu externe: "N" pour la circulation naturelle et "F" pour la circulation forcée à l'aide de ventilateurs ou de pompes. Cette approche systématique permet de spécifier avec précision les caractéristiques du système de refroidissement.

Considérations de conception pour les systèmes de refroidissement de transformateurs

Pour sélectionner la méthode de refroidissement appropriée pour un transformateur, il faut tenir compte de la puissance nominale (MVA), du profil de charge (stable ou variable), de l'environnement d'installation (air libre ou fermé), de l'espace disponible, de la température ambiante et des besoins de fiabilité opérationnelle.

Puissance nominale et capacité de charge

La puissance nominale du transformateur est l'un des principaux facteurs déterminant les besoins du système de refroidissement. ONAN est adapté aux capacités plus petites et aux environnements plus froids, ONAF offre un équilibre d'efficacité et de coût pour les capacités moyennes, et OFAF est idéal pour les transformateurs à haute capacité dans des conditions exigeantes.

Chaque classe de refroidissement (ONAN, ONAF, OFAF, OFWF) est conçue pour répondre à des scénarios d'application spécifiques, de sorte que le choix doit être fait sur la base d'une évaluation globale des conditions d'exploitation et de la cote de transformateur.

Température ambiante et conditions environnementales

ONAN s'appuie sur la circulation naturelle de l'huile et de l'air, adapté aux climats plus froids et aux capacités plus faibles, ONAF ajoute des ventilateurs pour améliorer le refroidissement de l'air, idéal pour les capacités et les températures modérées, et OFAF utilise des pompes et des ventilateurs pour une efficacité de refroidissement maximale, parfait pour les transformateurs à haute capacité dans les environnements chauds.

À une altitude supérieure à 1 000 m (3 300 pi), la densité de l'air diminue, réduit l'efficacité du refroidissement et les transformateurs doivent être déraillés ou équipés de systèmes à air forcé pour maintenir des performances de refroidissement adéquates.

Contraintes spatiales et environnement d'installation

L'espace disponible influe de façon significative sur la conception du système de refroidissement.Les systèmes refroidis par eau nécessitent généralement moins d'espace physique que les solutions de remplacement refroidies par air avec une capacité de refroidissement équivalente.

Les installations intérieures peuvent favoriser les systèmes à air comprimé ou refroidis par l'eau, tandis que les installations extérieures peuvent tirer parti de la circulation naturelle de l'air et des plus grandes banques de radiateurs.

Considérations relatives au bruit

Les systèmes ONAN fonctionnent silencieusement en raison de leur nature passive, ce qui les rend idéales pour les environnements sensibles au bruit tels que les hôpitaux, les zones résidentielles et les établissements d'enseignement. Les systèmes à air et à huile forcée génèrent du bruit opérationnel des ventilateurs et des pompes, qui peuvent nécessiter des enceintes acoustiques ou d'autres mesures d'atténuation en milieu urbain ou résidentiel.

Les exigences spécifiques à l'application, telles que les contraintes d'espace, les limites de bruit ou les limites de contrôle SCADA, peuvent décourager l'utilisation de bancs de ventilateurs à plusieurs étages.

Conception et configuration du radiateur

Les études ont analysé les configurations de deux à six ventilateurs, les blocs radiateurs contenant de trois à cinq radiateurs, les hauteurs des nageoires allant de 2000 à 2600 mm, les nombres des nageoires de 14 à 30 et l'espacement des nageoires entre 35 et 60 mm, et pour les ventilateurs, les études ont considéré des diamètres de 500 à 1000 mm, des vitesses allant de 550 à 1130 RPM.

Les études ont identifié la hauteur, la longueur et l'espacement des nageoires comme paramètres clés affectant les performances thermiques, concluant que les configurations optimales des nageoires pourraient réduire considérablement la température des points chauds.

Systèmes de refroidissement multi-étages

Un exemple de notations multiples serait ONAN/ONAF/ONAF, où le transformateur a une notation de base où il est refroidi par convection naturelle et deux notations supplémentaires où des groupes de ventilateurs sont activés pour fournir un refroidissement supplémentaire afin que le transformateur soit capable de fournir des kVA supplémentaires.

Les unités supérieures à 10 000 kVA peuvent voir une augmentation de 33 % de l'ONAF1 et jusqu'à 67 % sous une deuxième étape de ventilateur, connue sous le nom d'ONAF2, et ce modèle de refroidissement à marches permet aux concepteurs de transformateurs d'offrir des enveloppes de performance flexibles sans surconstruire les systèmes de cœur et d'enroulement, et permet également aux opérateurs de reporter le fonctionnement du ventilateur jusqu'à ce que les charges soient élevées, ce qui améliore l'efficacité énergétique.

Les systèmes hybrides sont utilisés, ce qui permet d'activer ou de désactiver les ventilateurs de refroidissement en fonction de la demande électrique et des variations de température ambiante, et les ventilateurs à vitesse variable sont étudiés pour ajuster leur vitesse en fonction de la chaleur produite.

Surveillance et contrôle de la température

Lorsque la température de l'huile supérieure dépasse le premier point de consigne (généralement 50-55°C au-dessus des températures ambiantes ou absolues comme 50-55°C), un relais thermostat active les ventilateurs de refroidissement, et dans les systèmes ONAF, tous les ventilateurs commencent ensemble, tandis que dans les systèmes plus avancés, les ventilateurs peuvent commencer à vitesse réduite et augmenter progressivement à pleine vitesse.

Les détecteurs de température de résistance (RTD) ou les thermistors sont intégrés dans des enroulements pour surveiller la température en temps réel, et ces capteurs alimentent les données de température dans les systèmes de surveillance locaux ou à distance, soutenant la maintenance prédictive et les fonctions d'alarme.

Les plaques nominatives du transformateur indiquent l'augmentation de la température, qui représente l'augmentation moyenne de la température de l'enroulement au-dessus de la température de l'air ambiant à pleine charge, et cette augmentation, combinée à la classe d'isolation et aux conditions ambiantes, détermine la température de fonctionnement totale.

Considérations relatives au système d'isolation

La classification du système d'isolation représente la température maximale autorisée dans le point le plus chaud du bobinage lorsqu'il est utilisé dans un environnement maximal de 40 °C. En interne, les bobinages peuvent devoir être dimensionnés différemment pour supporter une contrainte thermique plus élevée, et le système d'isolation doit être évalué pour les températures élevées associées à une charge élevée soutenue.

La température du point chaud, généralement supérieure de 10 à 15 °C à la température moyenne de l'enroulement, est également surveillée pour garantir que le chauffage localisé reste dans des limites sûres.

Considérations relatives au cycle de vie et à l'économie

La conception d'un transformateur pour soutenir ONAF2 signifie plus que le simple boulonnage sur des ventilateurs supplémentaires, car il nécessite généralement une plus grande banque de radiateurs, un volume de fluide accru, des moteurs plus puissants et des supports structuraux potentiellement plus lourds, et à l'intérieur, les enroulements peuvent devoir être dimensionnés différemment pour supporter une plus grande contrainte thermique, et ces changements augmentent les coûts d'immobilisation et le temps de livraison.

Pour les clients qui ne pousseront jamais leurs transformateurs au-delà d'ONAN ou d'une première étape de refroidissement du ventilateur, ces caractéristiques supplémentaires sont inutiles et peu rentables. L'analyse des coûts du cycle de vie devrait tenir compte des investissements initiaux en capital, de la consommation d'énergie, des exigences d'entretien et de la durée de vie prévue lors de la sélection des systèmes de refroidissement.

Sécurité incendie et conformité environnementale

Le choix entre ONAN et KNAN est plus qu'une décision thermique, car ce choix reflète la sécurité incendie, la conformité réglementaire et les considérations environnementales. Les transformateurs ONAN, qui utilisent de l'huile minérale, sont généralement plus rentables et légèrement plus efficaces dans le transfert de chaleur.

Les liquides naturels d'ester offrent toutefois des avantages importants dans les endroits sensibles à l'environnement ou où la sécurité-incendie est primordiale.

Fonctionnement et positionnement du système de refroidissement

Les systèmes modernes de refroidissement des transformateurs fonctionnent souvent en plusieurs étapes, activant une capacité de refroidissement supplémentaire à mesure que les charges thermiques augmentent. Cette approche par étapes optimise l'efficacité énergétique tout en assurant un refroidissement adéquat dans toutes les conditions de fonctionnement.

Étape 0: Refroidissement naturel

En condition de base, aucun dispositif de refroidissement supplémentaire ne fonctionne, cette étape s'applique aux transformateurs ONAN en continu et aux transformateurs ONAF/OFAF pendant les charges légères, la chaleur est dissipée naturellement à travers la surface du réservoir et les radiateurs sans assistance mécanique, et cette étape est la plus écoénergétique puisqu'elle consomme une puissance de refroidissement nulle.

La phase 0 fonctionne en continu jusqu'à ce que la température supérieure de l'huile dépasse le point de consigne de la première étape, par exemple dans un transformateur ONAF typique de 100 kVA, la phase 0 reste active jusqu'à ce que la température supérieure de l'huile dépasse de 45 à 50 °C au-dessus de l'environnement.

Étape 1: Refroidissement par air forcé

L'activation des ventilateurs de la phase 1 augmente le coefficient convectif de transfert de chaleur à la surface du radiateur, et pour un transformateur ONAF, les ventilateurs d'activation peuvent améliorer l'efficacité de refroidissement d'environ 40 à 50% par rapport à la circulation naturelle seule, créant ainsi une condition de refroidissement intermédiaire efficace grâce à la combinaison de circulation d'air forcé et de circulation d'huile naturelle.

Étape 2: Activation de la pompe à huile

Si la température supérieure de l'huile continue de dépasser un deuxième point de consigne (habituellement de 60 à 65 °C au-dessus de l'environnement), des mesures de refroidissement supplémentaires s'activent et, dans les transformateurs OFAF, la pompe à huile démarre, forçant la circulation de l'huile par des voies conçues, tandis que dans certains modèles, des ventilateurs de refroidissement supplémentaires peuvent démarrer ou des ventilateurs existants fonctionnent à des vitesses plus élevées.

Étape 3: Capacité maximale de refroidissement

Si les températures continuent de monter au-delà du deuxième point de consigne (habituellement de 70 à 75 °C au-dessus de l'environnement), tous les systèmes de refroidissement fonctionnent à une capacité maximale, les pompes et les ventilateurs fonctionnant à pleine vitesse.

Considérations relatives à l'entretien et à la fiabilité

Un entretien adéquat des systèmes de refroidissement est essentiel pour assurer la fiabilité et les performances à long terme des transformateurs. Différentes méthodes de refroidissement ont des exigences de maintenance variables qui doivent être prises en compte pendant la sélection du système et tout au long du cycle de vie opérationnel.

Entretien passif du système

Les systèmes ONAN nécessitent un entretien minimal en raison de leur nature passive. Les inspections régulières devraient porter sur la propreté des radiateurs, le niveau et la qualité du pétrole, ainsi que l'intégrité des joints et des joints d'étanchéité. Il est essentiel de maintenir la propreté des enceintes des transformateurs et de la zone environnante pour assurer le bon fonctionnement, les chambres et les chambres des transformateurs ne devraient pas être utilisées comme espaces de stockage, et l'efficacité du transfert de chaleur peut être réduite de façon significative si la saleté et le crampon s'accumulent sur les surfaces.

Maintenance active du système

Les systèmes à air forcé et à huile forcée nécessitent un entretien plus approfondi en raison de leurs composants mécaniques. L'exploitation du ventilateur introduit une demande d'entretien dans les environnements à forte humidité ou à poussière.

Du point de vue de l'approvisionnement, un transformateur conçu pour le fonctionnement de l'ONAF2 peut aussi nécessiter des systèmes de surveillance améliorés, y compris des capteurs de température, des commandes de ventilateur et des alarmes qui peuvent coordonner le fonctionnement du ventilateur en réponse aux conditions de charge, et si ces systèmes échouent ou ne sont pas entretenus, la capacité supplémentaire offerte par l'ONAF2 ne peut pas être utilisée en toute sécurité.

Gestion de la qualité des huiles

L'analyse de l'huile doit surveiller la résistance diélectrique, la teneur en eau, l'analyse des gaz dissous et les niveaux d'acidité. Elle doit être totalement séchée pour s'assurer que le transformateur est complètement exempt de vapeur d'eau avant l'introduction de l'huile de refroidissement.

On peut traiter l'air et l'humidité dans le réservoir en aspirant à travers un tuyau de respirateur contenant un filtre et un dessiccatif absorbant l'humidité, comme un gel de silice, en pressurisant légèrement le réservoir avec une couverture d'azote ou un autre gaz inerte, ou en utilisant un diaphragme en caoutchouc souple qui flotte sur l'huile pour le sceller de l'air.

Stratégies d'entretien prédictive

Les capteurs avancés améliorent la précision, l'enregistrement des données et les capacités de maintenance prédictive, identifient les hausses anormales de température qui empêchent les pannes soudaines, détectent les dysfonctionnements du système de refroidissement avant qu'ils ne se traduisent par une surchauffe et permettent aux équipes de maintenance de prendre des mesures préventives, réduisant les temps d'arrêt.

Applications réelles des systèmes de refroidissement des transformateurs

Les systèmes de refroidissement des transformateurs sont déployés dans diverses applications, chacune ayant des exigences opérationnelles uniques et des défis environnementaux. Comprendre ces applications réelles aide les ingénieurs à sélectionner et optimiser les solutions de refroidissement pour des cas d'utilisation spécifiques.

Sous-stations électriques et réseaux de transmission

Les sous-stations de puissance représentent l'une des applications les plus courantes pour les grands transformateurs de puissance avec des systèmes de refroidissement sophistiqués. Les transformateurs de sous-station plus grands peuvent utiliser l'une ou l'autre méthode pour augmenter la capacité de refroidissement et de charge (ONAN/ONAF).

Les transformateurs de niveau de transmission fonctionnent souvent à des vitesses supérieures à 100 MVA, ce qui exige des systèmes de refroidissement OFAF ou ODAF qu'ils gèrent la production de chaleur importante. Ces systèmes doivent maintenir un fonctionnement fiable dans diverses conditions, des charges estivales maximales aux minimums d'hiver, tout en tenant compte des exigences de stabilité du réseau et de qualité de l'énergie.

Installations industrielles de fabrication

Les applications industrielles impliquent souvent des charges élevées et continues avec une tolérance limitée pour les temps d'arrêt. Les installations de fabrication peuvent nécessiter des transformateurs avec des systèmes de refroidissement robustes capables de manipuler des charges élevées soutenues tout en fonctionnant dans des conditions environnementales difficiles.

Des industries comme la production d'acier, le traitement chimique et la fabrication automobile exigent des transformateurs avec des systèmes de refroidissement fiables qui peuvent fonctionner en continu à une capacité nominale ou à proximité.

Intégration des énergies renouvelables

Les installations d'énergie renouvelable, y compris les parcs éoliens et les centrales solaires, présentent des défis uniques en matière de système de refroidissement. Les transformateurs de parcs éoliens doivent fonctionner de façon fiable dans des endroits éloignés où les températures ambiantes varient et où l'accès à l'entretien est limité.

Les installations solaires connaissent souvent des températures ambiantes élevées pendant les périodes de pointe, nécessitant des systèmes de refroidissement conçus pour les climats chauds. La nature intermittente de la production renouvelable peut permettre des systèmes de refroidissement par étapes qui ne s'activent que pendant les périodes de pointe de production, optimisant l'efficacité énergétique.

Bâtiments urbains et commerciaux

Les installations urbaines sont confrontées à des contraintes uniques, notamment des contraintes d'espace, de bruit et de sécurité incendie. KNAN et KNAF utilisent des réfrigérants non inflammables préférés dans les installations pétrochimiques ou où une protection contre l'incendie est nécessaire.

Les installations intérieures des bâtiments commerciaux peuvent utiliser des systèmes de refroidissement OFWF qui éliminent la nécessité de grandes banques de radiateurs extérieurs. Ces systèmes compacts s'intègrent bien aux systèmes mécaniques de construction et peuvent rejeter la chaleur par l'intermédiaire de l'infrastructure de refroidissement existante.

Applications maritimes et extracôtières

Les navires et les plates-formes en mer nécessitent des transformateurs conçus pour des environnements difficiles et corrosifs avec un espace limité. Les systèmes refroidis par eau sont couramment utilisés dans ces applications, en tirant parti des systèmes de refroidissement en eau de mer ou en boucle fermée.

Les plates-formes éoliennes offshore et les installations de production de pétrole dépendent de transformateurs dotés de systèmes de refroidissement robustes conçus pour fonctionner en continu dans des conditions difficiles.

Centres de données et infrastructures essentielles

Les centres de données exigent une fiabilité extrêmement élevée avec une tolérance minimale pour les interruptions de puissance. Les transformateurs qui servent ces installations disposent souvent de systèmes de refroidissement redondants, d'une surveillance avancée et de capacités de basculement automatique.

Les opérations 24/7 et les facteurs de charge élevés typiques des centres de données nécessitent des systèmes de refroidissement conçus pour une charge continue à la capacité nominale ou proche. La surveillance de la température et l'entretien prédictif sont essentiels pour prévenir les défaillances liées à la chaleur qui pourraient compromettre les opérations critiques.

Applications climatiques extrêmes

Dans un projet récent pour un grand complexe industriel en climat chaud, la capacité d'un transformateur 150 MVA OFAF à maintenir des températures optimales de fonctionnement même sous de lourdes charges et des températures ambiantes élevées était cruciale pour les opérations de l'installation.

Les installations du désert sont confrontées à des défis liés aux températures ambiantes élevées, à la poussière et à la disponibilité limitée de l'eau, ce qui exige généralement un refroidissement par air forcé et une filtration accrue.

Installations temporaires et mobiles

Les installations d'alimentation temporaire pour les chantiers de construction, les interventions d'urgence ou les événements spéciaux nécessitent des transformateurs mobiles équipés de systèmes de refroidissement autonomes, qui doivent être compacts, faciles à transporter et capables de se déployer rapidement.

Technologies de refroidissement avancées et tendances futures

Des technologies de refroidissement efficaces pour les transformateurs de puissance sont essentielles aux systèmes modernes de production d'électricité, assurant la fiabilité, les performances et la durée de vie prolongée, et cet examen analyse systématiquement les progrès, les défis et les possibilités des systèmes de refroidissement pour les transformateurs de puissance.

Technologies de refroidissement des nanofluides

Il met en lumière les innovations dans la conception des radiateurs, comme les radiateurs montés sur le dessus et les bouchons de cheminée, et explore des solutions de rechange durables, y compris les esters biodégradables, les nanofluides et les méthodes de ventilation hybrides.

La recherche sur les applications nanofluides pour le refroidissement des transformateurs montre qu'il est prometteur d'améliorer les performances thermiques sans exiger de modifications majeures aux conceptions des systèmes de refroidissement existants.

Intégration des conduites de chaleur

Un réservoir expérimental de traitement d'huile, refroidi par des tuyaux thermiques aromatisés, a été construit dans le laboratoire de l'Université de technologie d'Amirkabir et, avant de procéder à l'expérience, il était essentiel de déterminer la résistance thermique des tuyaux thermiques, avec des expériences menées pour évaluer la résistance thermique et expliquer le modèle expérimental du système de refroidissement avancé.

Les tuyaux de chaleur offrent un transfert passif de chaleur avec une conductivité thermique élevée, ce qui peut améliorer l'efficacité du refroidissement tout en réduisant la consommation d'énergie.

Systèmes intelligents de refroidissement

Les systèmes de contrôle avancés utilisant des algorithmes d'intelligence artificielle et d'apprentissage des machines peuvent optimiser le fonctionnement du système de refroidissement en fonction des modes de charge, des conditions ambiantes et de l'analyse prédictive.

L'intégration avec les systèmes de réseau intelligent permet le fonctionnement coordonné des systèmes de refroidissement des transformateurs sur l'ensemble des réseaux, optimisant la consommation d'énergie tout en maintenant une gestion thermique adéquate.

Fluides de refroidissement biodégradables et durables

Les préoccupations environnementales et les pressions réglementaires entraînent une adoption accrue de fluides de refroidissement biodégradables, en particulier d'esters naturels et synthétiques, qui offrent des caractéristiques de sécurité incendie et une meilleure compatibilité environnementale par rapport aux huiles minérales traditionnelles, même s'ils peuvent nécessiter des modifications de conception pour obtenir des performances thermiques équivalentes.

Les études en cours portent sur le développement de fluides de refroidissement de nouvelle génération qui combinent une performance thermique supérieure à la durabilité environnementale. Les évaluations du cycle de vie prennent de plus en plus en compte le choix des systèmes de refroidissement, compte tenu non seulement de la performance opérationnelle, mais aussi de l'impact environnemental tout au long de la durée de vie du transformateur.

Modélisation et optimisation computationnelles

L'utilisation de techniques de modélisation thermique, comme l'analyse des éléments finis (FEA), peut aider à identifier les points chauds potentiels dans la conception du transformateur. La modélisation avancée de la dynamique des fluides calculateurs (CFD) permet une analyse détaillée du comportement thermique et des fluides au sein des transformateurs, soutenant l'optimisation des conceptions de systèmes de refroidissement avant le prototypage physique.

Une méthode de couplage thermique-fluide à plusieurs échelles a été introduite pour modéliser avec précision la température du transformateur en incluant les conduits de refroidissement par radiateur, avec les enroulements modélisés en 3D en utilisant la méthode du volume fini et les conduits de refroidissement par radiateur simplifiés en 1D en utilisant des données nodales.

Systèmes de refroidissement hybrides et adaptatifs

Une tendance est l'utilisation croissante de systèmes hybrides, par exemple, certains transformateurs sont conçus pour fonctionner comme ONAN dans des conditions normales, mais peuvent passer à ONAF ou même à OFAF en mode pics ou températures extrêmes. Ces systèmes adaptatifs optimisent l'efficacité énergétique en utilisant uniquement la capacité de refroidissement requise pour les conditions de fonctionnement actuelles.

Les futurs systèmes de refroidissement intégreront probablement des algorithmes de contrôle plus sophistiqués qui tiennent compte de plusieurs facteurs, y compris les prévisions de charge, les prévisions météorologiques, les prix de l'électricité et l'état de l'équipement lors de la détermination des stratégies de refroidissement optimales.

Mesure du rendement et évaluation

L'évaluation de la performance du système de refroidissement exige l'examen de plusieurs paramètres au-delà de la simple capacité thermique.

Facteur de mérite

Plusieurs études proposent un indicateur de performance, le facteur de mérite (FOM), qui relie la puissance de refroidissement ajoutée des ventilateurs à l'énergie électrique utilisée pour les utiliser, et bien qu'il ne soit pas idéal de comparer directement la puissance de refroidissement thermique avec l'énergie électrique, la puissance de refroidissement reflète l'énergie résiduelle du transformateur, rendant l'indicateur quelque peu viable.

Cette mesure aide les ingénieurs à évaluer l'efficacité des systèmes de refroidissement forcé en comparant les avantages thermiques avec l'énergie électrique consommée.

Limites de hausse de température

Pour un transformateur à une élévation de température de 55°C, le système de refroidissement est conçu pour maintenir une température moyenne d'enroulement ne dépassant pas 55°C, au-dessus d'une température ambiante de 30°C. Les spécifications de hausse de température définissent les exigences de performance thermique que les systèmes de refroidissement doivent satisfaire.

Certains clients préciseront une isolation de 220 °C avec une élévation de 80 °C ou 115 °C pour obtenir une capacité surchargée, une meilleure efficacité et une durée de vie plus longue. Les spécifications de hausse de température prudente fournissent une marge thermique pour les conditions de surcharge et prolongent la durée de vie de l'isolation.

Efficacité de refroidissement et capacité de charge

L'efficacité du système de refroidissement a un impact direct sur la capacité de charge et la flexibilité du transformateur. Un transformateur peut être classé ONAN/ONAF (2500/3125 kVA), où jusqu'à 2500 kVA, la surface de refroidissement du transformateur est refroidie par convection naturelle et au-delà de 2500 kVA, les ventilateurs du transformateur s'activent, forçant l'air à travers la surface de refroidissement externe, et cette capacité d'air forcé prolongée augmente le kVA total de 25 %.

Cette relation entre la capacité de refroidissement et la capacité de charge démontre comment la conception du système de refroidissement influence directement l'utilisation du transformateur et sa flexibilité opérationnelle.

Meilleures pratiques pour la sélection et la mise en oeuvre du système de refroidissement

La mise en place réussie d'un système de refroidissement des transformateurs nécessite une attention particulière aux multiples facteurs tout au long du cycle de vie du projet, depuis la spécification initiale jusqu'à la mise en service et à l'exploitation continue.

Analyse détaillée des besoins

D'abord, analyse approfondie des exigences opérationnelles, y compris la puissance nominale, le profil de charge, les conditions ambiantes, les contraintes d'espace, les limites de bruit et les exigences de fiabilité.Envisagez les besoins actuels et les possibilités d'expansion futures des systèmes de refroidissement de dimensionnement.Le choix du système de refroidissement devrait être basé sur une analyse minutieuse des besoins spécifiques, y compris les exigences de capacité, les conditions environnementales, les modèles de charge et les réglementations locales, comme chaque type a sa place, et le bon choix peut avoir une incidence significative sur l'efficacité, la fiabilité et la longévité.

Analyse des coûts du cycle de vie

Évaluer les options de systèmes de refroidissement en fonction des coûts totaux du cycle de vie plutôt que des investissements initiaux seulement. Considérer la consommation d'énergie, les besoins en entretien, la durée de vie prévue et les coûts de remplacement lorsqu'on compare les solutions de rechange.

Conformité environnementale et réglementaire

Veiller à ce que la conception des systèmes de refroidissement soit conforme à tous les règlements environnementaux, codes d'incendie et normes de l'industrie applicables.

Redondance et fiabilité

Pour les applications critiques, intégrer la redondance dans la conception du système de refroidissement pour assurer le fonctionnement continu pendant les pannes de composants. Plusieurs étapes de refroidissement, ventilateurs et pompes redondants et capacités de basculement automatique améliorent la fiabilité du système.

Mise en service et essais

Mettre en place des procédures de mise en service complètes pour vérifier la performance du système de refroidissement avant de mettre en service les transformateurs.

Planification de l'entretien

Élaborer des procédures et des calendriers détaillés de maintenance en fonction du type de système de refroidissement et des recommandations du fabricant. L'entretien régulier des radiateurs, des ventilateurs et des pompes prévient les défaillances et la surveillance en temps réel détecte la dégradation tôt.

Conclusion

Les systèmes de refroidissement sont essentiels pour la fiabilité et la performance des transformateurs de puissance, chaque méthode – de l'ONAN à l'OFWF – servant des besoins opérationnels spécifiques, équilibrage de la circulation naturelle et forcée des fluides de refroidissement, et le choix d'une méthode de refroidissement adaptée en fonction des exigences de performance thermique, de l'environnement d'installation et de la qualification des transformateurs, car le refroidissement approprié améliore non seulement l'efficacité, mais prolonge également la durée de vie des transformateurs et empêche toute défaillance prématurée.

La sélection et la conception des systèmes de refroidissement des transformateurs exigent une attention particulière aux multiples facteurs, notamment la puissance nominale, les conditions ambiantes, les contraintes d'espace, les limites de bruit, les exigences de fiabilité et les coûts du cycle de vie.

Les ingénieurs et les gestionnaires d'installations doivent rester informés des nouvelles technologies et des meilleures pratiques pour garantir que leurs installations de transformateurs offrent des performances fiables et efficaces tout au long de leur vie de conception. En comprenant les principes, les options et les considérations exposés dans cet article, les parties prenantes peuvent prendre des décisions éclairées qui optimisent les performances du système de refroidissement des transformateurs pour leurs applications spécifiques.

Pour plus d'informations sur les systèmes de refroidissement des transformateurs et la gestion thermique, consultez IEEE Standards Association pour les normes industrielles et Commission électrotechnique internationale pour les lignes directrices internationales.Des ressources supplémentaires sur la conception et l'exploitation des transformateurs peuvent être trouvées par l'intermédiaire du US Department of Energy[, Institut de recherche sur la puissance électrique et CIGRE (Conseil international des grands systèmes électriques).