1. Aperçu des incidents
Récemment, le taux de défaillance des transformateurs 110 kV a montré une tendance à la hausse notable à l'échelle mondiale. Les transformateurs défaillants ont une capacité moyenne de 32,4 MVA, supérieure à la capacité de fonctionnement typique pour cette classe de tension, les unités de 31,5 MVA étant les plus courantes. Les transformateurs fabriqués après 2015 représentent 43,5 % des incidents, certains étant en service depuis moins de huit ans. Les surintensités de court-circuit externes ont causé 35,5 % de tous les incidents (48 % pour les transformateurs à changement de prise en charge), les défauts d'enroulement étant le principal facteur déclencheur.
2. Causes fondamentales des défauts d'enroulement
(a) Forces électrodynamiques dues aux courants de court-circuit
Lors de courts-circuits soudains, les enroulements des transformateurs sont soumis à des forces radiales et axiales. Les forces radiales étirent les enroulements extérieurs et compriment les intérieurs ; si la contrainte combinée dépasse la limite d'élasticité de l'enroulement, des déformations permanentes telles que des motifs en « trèfle » ou un bombement peuvent survenir. Les forces axiales plient les segments de conducteur et compriment les entretoises, la contrainte maximale se situant aux extrémités des enroulements et au centre du noyau. Des hauteurs d'enroulement inégales ou une distribution non uniforme de la force magnétomotrice (FMM) augmentent la vulnérabilité. Dans certains transformateurs à stabilité dynamique insuffisante, même des actions de protection rapides ne peuvent empêcher la déformation due au premier pic de courant de court-circuit, qui peut atteindre 1,8 fois les niveaux en régime permanent.
(b) Défauts de fabrication inhérents
Déficiences de serrage axial : Certains fabricants utilisent des « nouvelles structures » sans respecter les processus standards. Les enroulements haute et basse tension partagent des brides d'isolation sans densification appropriée ou séchage sous pression contrôlée, conduisant à un serrage insuffisant et à un déplacement potentiel en fonctionnement.
Limitations des matériaux et de la structure : La résistance des brides en carton stratifié est souvent inadéquate, avec des ruptures répétées observées lors d'incidents. Un support faible entre les enroulements intérieurs et les colonnes du noyau, des entretoises insuffisantes ou mal choisies, réduisent la stabilité dynamique radiale.
Lacunes dans le contrôle qualité : Une épaisseur inégale des entretoises, des conducteurs localement pliés, et des connexions ou supports mal fixés diminuent l'intégrité mécanique des enroulements.
(c) Effets cumulatifs et défaillances de protection
Déformation progressive : Plusieurs événements de court-circuit peuvent accumuler des déformations dans les enroulements, provoquant un déséquilibre des spires et une augmentation des forces axiales de fuite, aboutissant finalement à des dommages graves. Par exemple, un transformateur 110 kV aux Philippines a subi une déformation significative de ses enroulements sur sept ans d'impacts répétés de court-circuit.
Dysfonctionnements du système de protection : Environ 30 % des défaillances liées aux courts-circuits surviennent en raison d'un fonctionnement retardé de la protection, permettant aux transformateurs de supporter des courants de court-circuit prolongés. Le recuit des fils et une stabilité dynamique inadéquate exacerbent les dommages.
3. Mesures pour atténuer les défaillances d'enroulement
(a) Optimisation des processus de fabrication et d'assemblage
Standardiser le serrage axial : Densifier les entretoises, sécher chaque enroulement sous pression contrôlée, et appliquer une force hydraulique à l'huile lors de l'assemblage pour garantir que tous les enroulements sont correctement comprimés et restent stables.
Améliorer la structure et les matériaux : Utiliser des matériaux de bride suffisamment rigides, renforcer la conception du carton stratifié, ajouter des entretoises entre les enroulements intérieurs et les colonnes du noyau, et adopter des tubes en papier haute résistance pour les cadres d'enroulement afin d'améliorer la stabilité dynamique radiale.
Améliorer le positionnement pendant le transport : Optimiser la position du corps lors du transport pour éviter les vibrations ou chocs susceptibles de déplacer les enroulements.
(b) Renforcement des essais et inspections
Effectuer des essais de court-circuit : Vérifier la stabilité mécanique, identifier les points faibles et réduire la variabilité des procédés de fabrication.
Promouvoir les tests de déformation des enroulements : Enregistrer les impacts de court-circuit et calculer les multiples de courant. Utiliser l'analyse de réponse en fréquence (FRA) ou des méthodes similaires pour détecter les déformations et guider les inspections ou maintenances ciblées.
(c) Amélioration des systèmes de protection opérationnelle
Garantir une protection fiable : Fournir une alimentation CC stable pour assurer un déclenchement précis et opportun, évitant une exposition prolongée au courant de court-circuit.
Optimiser les schémas de réenclenchement : Pour les lignes aériennes proches (<2 km) ou les câbles, envisager de retarder ou d'annuler le réenclenchement automatique. Après un déclenchement par court-circuit, effectuer des tests sur le transformateur pour prévenir les dommages secondaires.
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