Présentation générale des transformateurs de puissance

Constitution des transformateurs

Un transformateur est un appareil statique à induction électromagnétique, à deux enroulements ou plus, destiné à transformer un système de tension(s) et courants(s) alternatifs, en un système de tension(s) et courant(s) de valeurs différentes, mais de même fréquence et de même forme, en vue de transférer une puissance électrique.. Il effectue cette transformation avec un excellent rendement.

Un transformateur de puissance se compose essentiellement d’un circuit magnétique et d’un circuit électrique .
• Un circuit magnétique qui a pour fonction de canaliser le flux magnétique. Le circuit magnétique est feuilleté pour réduire les pertes par hystérésis et les courants de Foucault.
• Une partie électrique constituée d’enroulements primaires et secondaires (ou bobines). Leur fonction est de produire respectivement un flux variable au primaire et de créer une tension induite au secondaire.
• Une partie mécanique qui a pour fonction de supporter l’ensemble, de protéger les enroulements, de permettre la fixation et la manutention et d’assurer le refroidissement. Tout cet ensemble se trouve à l’intérieur d’une cuve métallique étanche.
• Les bornes de raccordement permettent les liaisons des bobinages avec les réseaux extérieurs. Ce sont généralement des traversées isolantes fixées sur le couvercle du transformateur. La CEI (Commission électrotechnique internationale) classe les transformateurs de puissance à isolation dans l’huile en trois catégories :
• Les transformateurs de distribution : sont classés dans cette catégorie, les transformateurs ayant une puissance maximale égale à 2500 kVA en triphasé ou 833 kVA en monophasé
• Les transformateurs de moyenne puissance, les transformateurs dont la puissance supérieure à 2500 kVA et au maximum égale à 100 MVA en triphasé ou 33,3 MVA en monophasé.
• Les transformateurs de puissance sont les transformateurs dont la puissance est supérieure à 100 MVA.

Le système d’Isolation des transformateurs

L’isolation des parties actives des transformateurs de puissance est réalisée à l’aide de papier, de carton et d’huile (minérale ou synthétique). Ce système d’isolation qui est le maillon le plus faible dans le transformateur, représente la partie la plus importante du transformateur à entretenir et exige pour ce faire une attention particulière .

Isolation solide
L’isolation solide des transformateurs est réalisée à l’aide de papier et de carton. Le papier sert à l’isolation des enroulements tandis que le carton, sert d’isolation entre les enroulements, et entre les enroulements et le noyau.

Présentation du papier kraft utilisé dans les transformateurs
Le papier et le carton utilisés dans l’isolation des enroulements des transformateurs sont constitués de fibres de celluloses (chaînes de glucose extraites de la pulpe de bois ou de fibres de coton) dont l’unité est C₆H₁₀O₅. Les celluloses sont formées de longues chaînes comprenant environ 1 200 anneaux de glucose reliés par des ponts d’oxygène .

Le degré de polymérisation (DP) initial de la cellulose à l’état naturel (dans le cas du coton) peut être environ égal ou supérieur à 20 000. Initialement, le bois est composé de 40 à 55% de cellulose, lignines 15 à 35% (composés aromatiques polycycliques) et 25 à 40% d’hémicellulose. Le procédé Kraft permet la production du papier utilisé comme isolant électrique, par l’élimination de la lignine et de l’hémicellulose. Cette opération qui permet d’augmenter la teneur du papier en cellulose à environ 90% contre 6 à 7% d’hémicellulose, de lignine et de pentosane a pour conséquence de réduire le DP à une valeur moyenne d’environ 1200. La longueur de ces fibres varie de 1 à 20 nm et leur diamètre de 15 à 30 pm. La longueur moyenne d’une chaîne de cellulose peut être évaluée par la mesure du degré de polymérisation (DP). La densité, la longueur et la diversité des fibres de cellulose qui les constituent, confèrent à ces matériaux des caractéristiques mécaniques et électriques particulières..

Le papier permet la rigidité mécanique et l’espacement diélectrique nécessaires pour assurer l’isolement des parties électriques sous tension. Il possède d’excellentes caractéristiques diélectriques et son imprégnation par un isolant liquide, essentiellement l’huile minérale, lui confère une rigidité diélectrique remarquable. Il fournit la résistance mécanique indispensable pour la mise en place et la tenue du bobinage. La durée de vie du transformateur est très fortement dépendante de la qualité de l’isolation solide (papier). La durée de vie du papier correspond à la durée de vie du transformateur. Lorsque le papier est neuf, la valeur du degré de polymérisation (DP) est d’environ 1 200 et sa résistance à la traction est alors égale à 117 000 kPa. Lorsque cette valeur atteint 200 et la résistance à la traction une valeur de 30 000 kPa, le papier est considéré comme ayant atteint la fin de sa durée de vie utile, entrainant par la même occasion celle du transformateur de puissance..

Afin de servir comme bon isolant, le papier doit avoir les propriétés suivantes :
• Bonne tension de claquage
• Haute résistivité
• Faible facteur de dissipation
• Faible conductivité de l’extrait
• Bonne résistance à la traction
• Haut degré de polymérisation

Présentation du papier thermo-stabilisé
Les papiers thermiquement améliorés ou papier thermo-stabilisés ont été développés à la fin des années 1950. Ce type de papier est obtenu en ajoutant au papier Kraft des stabilisants qui lui permettent de ralentir le processus de vieillissement et d’augmenter la température de fonctionnement maximale de transformateurs.

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Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 Contexte général
1.2 Problématique
1.3 Objectifs
1.4 Originalité et avantages
1.5 Organisation de la thèse
CHAPITRE 2 PRÉSENTATION GÉNERALE DES TRANSFORMATEURS DE PUISSANCE
2.1 Introduction
2.2 Constitution des transformateurs
2.3 Le système d’Isolation des transformateurs
2.3.1 Isolation solide
2.3.2 Isolation
2.4 Dégradation de l’isolation des transformateurs
2.4.1 Le vieillissement thermique du papier
2.4.2 Le vieillissement des huiles isolantes
2.4.3 Le vieillissement du complexe huile/papier
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 MATÉRIELS ET MÉTHODES DE MESURES
3.1 Introduction
3.2 Mesure de l’humidité dans les
3.2.1 La méthode de Karl Fischer
3.2.2 La méthode thermogravimétrique
3.3 Mesure du facteur de dissipation diélectrique
3.3.1 Principe de la mesure
3.3.2 Montage pratique de la mesure des pertes diélectrique d’un transformateur
3.4 Mesure du degré de polymérisation (DPv)
3.5 La tension interfaciale de l’huile (IFT)
3.6 Spectrophotométrie UV/Visible
3.7 Mesure de la turbidité
3.7.1 Principe de la mesure de la turbidité
3.8 La Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR)
3.8.1 Principe de fonctionnement
3.8.2 Principe de la mesure
3.9 Chromatographie en phase gazeuse (CPG)
3.9.1 Principe de la détection et de la mesure des gaz dissous
3.10 Conclusion
CHAPITRE 4 OPTIMISATION DU CYCLE DE SÉCHAGE DU PAPIER THERMO-STABILISÉ AVANT SON IMPRÉGNATION
4.1 Introduction
4.2 Contexte général de l’étude
4.2.1 Techniques du séchage du papier en industrie
4.2.2 Cinétique de la dégradation du papier
4.2.3 Cinétique du séchage du papier
4.3 Méthodologie
4.3.1 Processus de la dégradation du papier
4.3.2 Processus du séchage du papier
4.3.3 Modèle global du processus du séchage
4.4 Présentations des résultats des travaux
4.4.1 Modélisation de la dégradation du papier
4.4.2 Étude et modélisation du processus du séchage de l’isolation papier
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 INFLUENCE DU PAPIER SUR LA TENDANCE AU GAZAGE DE L’HUILE EN PRESENCE DE DECHARGES ELECTRIQUES
5.1 Introduction
5.2 Contexte général de l’étude et état de l’avancement de la recherche
5.3 Méthodologie
5.4 Présentation des résultats et discussions
5.4.1 Impact du papier sur le dégagement gazeux
5.4.2 Analyse des gaz dissous suite à l’application du champ électrique
5.4.3 Impact du papier sur les caractéristiques physicochimiques
5.5 Conclusion
CHAPITRE 6 IMPACT DE LA QUALITÉ DE L’ISOLATION PAPIER/HUILE SUR LE RENDEMENT TRANSFORMATEURS DE PUISSANCE
6.1 Introduction
6.2 Contexte de l’étude
6.3 Circuit équivalent d’une isolation d’un transformateur en courant alternatif
6.4 Méthodologie
6.5 Présentation des résultats et discussions
6.5.1 Quantification des pertes par un exemple numérique
6.5.2 Mesures des pertes réalisées sur un transformateur modèle
6.5.3 Solutions permettant de réduire les pertes diélectriques
6.6 Conclusion
CHAPITRE 7 CONCLUSION GÉNÉRALE