Qu'est-ce qu'un transformateur immergé dans un liquide ?

Un transformateur immergé dans un liquide est un transformateur de puissance dont le noyau et les enroulements sont immergés dans un liquide diélectrique (généralement de l'huile minérale ou des esters synthétiques). Le liquide assure deux fonctions essentielles : l'isolation électrique entre les composants sous tension et le transfert de chaleur à partir des enroulements et du noyau. Ces transformateurs sont largement utilisés pour les applications de distribution et de systèmes électriques où une taille compacte, un refroidissement fiable et des performances éprouvées à long terme sont nécessaires.

Types de liquides et catégories de transformateurs

Les transformateurs immergés dans un liquide sont classés à la fois en fonction du liquide isolant utilisé et de la construction du transformateur. Le choix du liquide affecte l'inflammabilité, la biodégradabilité, les performances thermiques et les exigences de maintenance.

Liquides isolants courants

• Huile minérale – utilisation historique la plus élevée ; excellentes propriétés diélectriques ; inflammable; nécessite un confinement de l’huile et un contrôle des fuites.
• Esters végétaux/synthétiques — biodégradables, point d’éclair plus élevé, meilleure performance au feu ; peut prolonger la durée de vie de l'isolation du papier.
• Fluides silicone et autres produits synthétiques — utilisés dans des applications spécialisées où les performances par rapport à la température ou à l'ininflammabilité sont des priorités.

Catégories de construction de transformateurs

• Transformateurs remplis d'huile hermétiquement scellés — conçus pour minimiser la pénétration d'humidité et réduire la maintenance.
• Type conservateur (reniflard) : comprend un conservateur d'huile et un reniflard en gel de silice pour l'expansion et le contrôle de l'humidité.
• Transformateurs immergés avec refroidissement forcé à l'huile ou à air forcé — pour une charge ou une stabilité de température plus élevée.

Construction et composants clés

Un transformateur immergé dans un liquide intègre des systèmes mécaniques, électriques et fluidiques. Comprendre ces composants facilite la planification de la maintenance et le diagnostic des pannes.

Noyau, enroulements et réservoir

Le noyau en acier laminé fournit le chemin magnétique ; les enroulements (cuivre ou aluminium) sont enroulés et isolés, puis physiquement soutenus à l'intérieur d'un réservoir en acier qui contient le liquide isolant. Un support mécanique approprié limite les vibrations et les déplacements sous les forces de court-circuit.

Système d'isolation et accessoires

Le papier/carton isolant combiné au liquide forme le système diélectrique. Les accessoires comprennent des bagues, des robinets/OLTC (changeur de prises en charge) ou un changeur de prises hors charge, un conservateur ou une chambre d'expansion, un reniflard en gel de silice, un thermomètre, un dispositif de décompression et des jauges de niveau d'huile.

Comment fonctionne un transformateur immergé dans un liquide

Le fonctionnement suit des principes électromagnétiques : une tension alternative au primaire crée un flux magnétique variable dans le temps dans le noyau ; ce flux induit une tension dans le secondaire proportionnelle au rapport de tours. Les pertes (noyau et cuivre) génèrent de la chaleur ; le liquide absorbe la chaleur et la transfère à la surface du réservoir, où elle se dissipe dans l'air ambiant ou est refroidie via des radiateurs et des ventilateurs.

Avantages et limites

Avantages

• Excellent refroidissement : le liquide éloigne la chaleur des enroulements plus efficacement que l'air, permettant une capacité de charge plus élevée pour une taille donnée.
• Fiabilité éprouvée et longue durée de vie lorsqu'elle est correctement entretenue.
• Faible bruit et empreinte compacte par rapport aux types secs comparables pour les puissances moyennes et grandes.

Limites et risques

• Risque d'incendie avec l'huile minérale : nécessite une protection contre les incendies, un espacement ou l'utilisation de fluides moins inflammables dans les sites sensibles.
• Impact environnemental potentiel des fuites de pétrole – le confinement et l’intervention en cas de déversement sont obligatoires dans de nombreuses juridictions.
• La pénétration d'humidité au fil du temps peut dégrader l'isolation en papier si les respirateurs et les joints sont inadéquats.

Applications et évaluations typiques

Les transformateurs immergés dans le liquide couvrent une large gamme : transformateurs de distribution sur poteau (gamme kVA), transformateurs sur socle pour la distribution souterraine, transformateurs de puissance de sous-station (gamme MVA) et unités spécialisées pour l'industrie et les énergies renouvelables. La sélection dépend de la tension du système, du niveau de court-circuit, du profil de charge et des contraintes du site.

Exigences d'installation et de site

Fondation et espacement

Installer sur une fondation plane et rigide dimensionnée pour le poids du transformateur et les charges sismiques. Prévoyez des dégagements minimaux pour le refroidissement, l’accès à la maintenance et la sécurité conformément aux codes électriques locaux. Assurer une mise à la terre et une protection contre la foudre appropriées si nécessaire.

Confinement du pétrole et environnement

Lorsque de l’huile minérale est utilisée, les cadres réglementaires exigent souvent un confinement secondaire (diguettes, dalles en béton) et des plans d’intervention en cas de déversement. Pour les sites sensibles, envisagez des fluides moins inflammables et biodégradables afin de réduire le fardeau réglementaire.

Maintenance, surveillance et tests

La maintenance proactive prolonge la durée de vie du transformateur et évite les pannes imprévues. Une combinaison d’inspection visuelle, de tests de fluides et de tests électriques donne les meilleurs résultats.

Tâches de routine

• Inspection visuelle des fuites, de la corrosion et du niveau d'huile.
• Remplacement ou régénération du reniflard en gel de silice pour contrôler la pénétration de l'humidité.
• Balayage thermique des traversées, radiateurs et connexions pour détecter les points chauds.

Tests diagnostiques

• Analyse des gaz dissous (DGA) : identifie les défauts naissants tels que les arcs électriques, la surchauffe et les décharges partielles.
• Tests de rigidité diélectrique de l'huile (BDV), de teneur en eau, d'acidité et de tension interfaciale.
• Test de rapport de spire, résistance d'enroulement, facteur de puissance d'isolation (tan delta) et analyse de réponse en fréquence de balayage (SFRA).

Dépannage des défauts courants

Les problèmes courants des transformateurs incluent la surchauffe, les fuites, la défaillance des traversées et les arcs internes. Le dépannage systématique combine l'historique opérationnel, les modèles DGA, l'imagerie thermique et les tests électriques pour identifier les causes profondes et prioriser les actions.

Critères de sélection et comparaison

La sélection du bon transformateur immergé dans un liquide nécessite d'évaluer les caractéristiques de charge, les contraintes du site, les règles environnementales et le coût total de possession, maintenance comprise.

Sécurité, réglementations et considérations environnementales

Respectez les codes électriques locaux, les réglementations anti-incendie et les règles environnementales concernant le confinement secondaire et l'élimination de l'huile de transformateur usagée. Pour les installations dans des zones peuplées ou sensibles sur le plan environnemental, adoptez des fluides peu inflammables et assurez le confinement des déversements. Assurez-vous que le personnel respecte les procédures de verrouillage/étiquetage, de travail à chaud et d’espace confiné lors de l’exécution de la maintenance.

Planification de la durée de vie et du remplacement

La durée de vie typique varie de 25 à 40 ans en fonction de la charge, du refroidissement, de la maintenance et de l'état du fluide. Utilisez les tendances du DGA, du facteur de puissance d’isolation et de la qualité de l’huile pour prévoir la fin de vie. Planifiez le remplacement bien avant une panne catastrophique pour éviter les temps d'arrêt du système et les remplacements d'urgence coûteux.

Conseils pratiques pour les opérateurs et les ingénieurs

• Établir un programme de surveillance de routine : analyses visuelles, thermiques, échantillonnage d'huile et DGA à intervalles réguliers.
• Documentez l’historique de charge et les performances thermiques pour détecter les surcharges chroniques.
• Envisagez de passer aux fluides esters pour une meilleure sécurité incendie dans les sites peuplés.
• En cas de doute, consultez les fabricants de transformateurs et les laboratoires d’essais accrédités pour l’interprétation DGA et les interventions majeures.

Questions fréquemment posées

Puis-je remplacer l’huile minérale par un ester dans un transformateur existant ?

Parfois oui, mais la conversion nécessite des contrôles de compatibilité : les joints, les garnitures, la peinture et l'isolation en papier peuvent réagir différemment. Des tests en laboratoire et l'approbation du fournisseur sont requis avant le remplacement du fluide.

À quelle fréquence dois-je effectuer une DGA ?

La fréquence dépend de la criticité : les transformateurs de grande importance font souvent l'objet d'un DGA trimestriel ou mensuel, tandis que les unités à faible risque peuvent être échantillonnées chaque année. Après tout événement anormal (défaut, surcharge, foudre), échantillonnez immédiatement.

Quand un transformateur est-il considéré comme en fin de vie ?

Envisagez le remplacement lorsque les tests d'isolation montrent une dégradation progressive, que le DGA indique des défauts internes irréversibles, que les coûts de réparation dépassent le coût de remplacement ou lorsque la fiabilité opérationnelle est compromise.

Les transformateurs immergés dans le liquide restent la pierre angulaire de la distribution électrique en raison de leurs performances thermiques et de leur rentabilité. Une sélection et une installation appropriées des fluides, une surveillance proactive et le respect des réglementations en matière de sécurité et d'environnement maximiseront la fiabilité et minimiseront les risques.