La menace numéro un pour les transformateurs secs - les courts-circuits

1. Ces dernières années, les accidents impliquant des transformateurs secs surviennent de temps à autre. L'analyse de ces incidents révèle que les dommages dus aux courts-circuits constituent la principale cause des accidents affectant les transformateurs secs électriques, causant des préjudices considérables au réseau et compromettant gravement sa sécurité de fonctionnement. Une classification et une analyse des accidents de dommages causés par des courts-circuits externes sur les transformateurs secs électriques au cours de la dernière décennie sont réalisées, suivies de propositions concernant les problèmes liés au choix des fils électromagnétiques et les mesures pour réduire ce type d'accidents.

2. Accidents de courts-circuits sur transformateurs secs de janvier 2010 à mai 2022 : 17 accidents de dommages par court-circuit ont été recensés dans le monde, représentant 77,3 % du total des accidents, ce qui en fait la principale cause de dommages, avec une capacité totale affectée de 2 750 MW. Parmi ceux-ci, on compte 2 unités de 500 kV, 13 de 220 kV et 2 de 110 kV. Une unité de 220 kV et une de 110 kV ont dû être remplacées en raison d'une déformation importante des bobines basse tension. Lors des opérations de maintenance, il a été constaté que quatre ensembles de bobinages basse tension 220 kV étaient déformés, et deux ensembles de bobinages 500 kV présentaient des signes de déformation en cours de fonctionnement. Depuis 2011 notamment, les accidents de dommages sur transformateurs secs sont en augmentation, et leur étendue s'élargit. Les principales formes d'accidents sont :
1) Après de multiples chocs de courts-circuits externes, la déformation des bobines s'aggrave progressivement, et les pannes par claquage d'isolation deviennent plus fréquentes ;
2) Endommagement externe fréquent dû à des chocs de court-circuit sur une courte période ;
3) Dommages causés par des chocs de court-circuit prolongés ;
4) Dommages résultant de chocs de court-circuit de courte durée.

3. Principales formes de dommages par court-circuit sur transformateurs secs :
3.1 Instabilité axiale : Ce type de dommage est principalement causé par la force électromagnétique axiale générée par le flux de fuite radial, entraînant une déformation axiale du bobinage du transformateur sec. Ce type d'accident représente 52,9 % du total des accidents de dommages.
3.1.1 Déformation en flexion supérieure et inférieure de la bobine : Ce dommage est dû à la déformation permanente de la bobine entre deux entretoises axiales, causée par un moment de flexion excessif sous l'effet de la force électromagnétique axiale. Généralement, la déformation entre les deux bobines est symétrique.
3.1.2 Affaissement ou effondrement de la bobine. Ce dommage résulte de la compression ou de la collision des fils entre eux sous l'action de la force axiale, provoquant une déformation oblique. Si le fil est légèrement incliné, la force axiale augmente cette inclinaison, pouvant conduire à un affaissement dans les cas graves ; plus le rapport largeur/hauteur du fil est élevé, plus l'affaissement est susceptible de se produire. Outre la composante axiale, le champ de fuite aux extrémités présente également une composante radiale. La force électromagnétique résultante du flux de fuite dans ces deux directions provoque un retournement vers l'intérieur des fils du bobinage interne et vers l'extérieur pour le bobinage externe.
3.1.3 Lorsque la contrainte sur le bobinage augmente, la plaque de pression peut se déformer. Ce dommage est généralement causé par des forces axiales excessives, une résistance et une rigidité insuffisantes des supports d'extrémité, ou des défauts d'assemblage.

3.2 Instabilité radiale : Ce type de dommage est principalement dû à la force électromagnétique radiale générée par le flux de fuite axial, entraînant une déformation radiale du bobinage du transformateur sec, représentant 41,2 % du total des accidents de dommages.
3.2.1 Dommage à l'isolation dû à l'allongement du bobinage externe. Les forces électromagnétiques radiales tendent à augmenter le diamètre du bobinage externe. Une déformation permanente se produit lorsque la contrainte de traction exercée sur le fil est trop élevée. Cette déformation provoque souvent des courts-circuits entre spires en raison de l'endommagement de l'isolation des fils. Dans les cas graves, la bobine peut devenir hors service, s'affaisser ou même se rompre.

Cependant, en raison de la déformation en compression du noyau magnétique et des différentes méthodes de support des entretoises, la contrainte le long de la circonférence du bobinage n'est pas uniforme, entraînant une instabilité locale de la bobine et une déformation par flambage.

3.3 Fixation instable des fils : Ce dommage est principalement causé par la force électromagnétique entre les fils, provoquant des vibrations et des courts-circuits entre conducteurs. De tels accidents sont rares.

4. Parties courantes endommagées par un court-circuit dans un transformateur sec :
4.1 La raison de la déformation de la partie correspondante sous le joug est :
(1) Le champ magnétique généré par le courant de court-circuit est confiné par l'huile et la paroi du réservoir ou le noyau ferromagnétique. Comme la réluctance du joug magnétique est relativement faible, il est principalement refermé entre le circuit d'huile et le joug magnétique, le champ magnétique est relativement concentré et la force électromagnétique agissant sur la bobine est relativement importante ;
(2) L'espacement de la manche de l'enroulement intérieur est trop grand ou le noyau n'est pas suffisamment serré, ce qui provoque un rétrécissement et une déformation des deux côtés du noyau, entraînant une déformation en voile de l'enroulement du côté du joug magnétique ;
(3) Structurellement, la compression axiale du joug correspondant à la partie d'enroulement est moins fiable, et le gâteau de fil de cette partie a souvent du mal à atteindre la force de précontrainte, donc le gâteau de fil de cette partie se déforme facilement.
4.2 La zone de prise de réglage de tension et les parties correspondant aux autres enroulements se trouvent dans cette zone, en raison de :
(1) Le déséquilibre des ampères-tours, la distribution du flux de fuite est déséquilibrée, et des forces axiales externes supplémentaires sont générées dans la bobine en raison du champ magnétique de fuite supplémentaire produit par son amplitude, et la direction de ces forces tend toujours à augmenter l'asymétrie de ces forces. La force axiale externe est identique à la force axiale interne générée par le flux de fuite normal d'amplitude, ce qui courbe le gâteau de fil dans la direction verticale et compresse l'espaceur du gâteau de fil. De plus, une partie ou la totalité de ces forces est transmise au joug ferromagnétique, essayant de l'éloigner de la tige, le gâteau de fil se déforme ou se retourne au milieu de l'enroulement ;
(2) Pour tenter d'atteindre l'équilibre des ampères-tours ou une distance d'isolation appropriée dans l'intervalle de prise, on ajoute souvent plus d'espaceurs. Plus l'espaceur est épais, plus la transmission de la force est lente, et plus l'impact sur la bobine d'enroulement est important ;
(3) Après la mise en place de l'enroulement, la réactance centrale ne peut pas être parfaitement alignée, ce qui aggrave encore le déséquilibre des ampères-tours ;
(4) Après un certain temps de fonctionnement, l'épaisseur du coussinet se rétracte naturellement de manière significative, ce qui aggrave d'une part le déséquilibre des ampères-tours, et d'autre part augmente les vibrations lorsqu'il est soumis à une force de court-circuit ;
(5) Dans la conception, pour tenter d'atteindre l'équilibre des ampères-tours, le fil magnétique dans la zone de prise est choisi avec une dimension plus étroite ou plus petite, ce qui entraîne une réduction de la résistance au court-circuit.

4.3 Partie de transposition : La déformation de cette partie est courante dans la transposition du fil transposé et la transposition standard de l'hélice simple. La transposition du fil transposé est plus abrupte que celle du fil ordinaire, de sorte que la transposition de rayons de courbure différents produit des forces tangentielles opposées. Cette paire de forces tangentielles égales et opposées fait que le diamètre de transposition de l'enroulement intérieur devient plus petit et se déforme dans la direction, tandis que la transposition de l'enroulement extérieur cherche à avoir le même rayon de courbure, de sorte que la transposition est droite, la transposition intérieure se déforme au centre, et la transposition extérieure se déforme vers l'extérieur. Plus l'épaisseur du fil transposé est importante, plus la montée est abrupte et plus la déformation est grave. De plus, il y a également une composante de courant de court-circuit axial à la transposition, et la force supplémentaire générée aggrave la déformation de la bobine d'enroulement. La transposition standard d'une hélice simple occupe un tour dans l'espace, ce qui entraîne un déséquilibre des ampères-tours à cette partie. En même temps, elle présente les caractéristiques de déformation de transposition du fil transposé, donc le gâteau de fil dans cette partie se déforme plus facilement.
4.4 Le fil de sortie de l'enroulement est couramment utilisé dans l'enroulement de structure hélicoïdale oblique. L'enroulement de cette structure, en raison du déséquilibre des ampères-tours des deux ouvertures hélicoïdales, présente une force axiale importante et un courant axial simultané, ce qui fait que l'angle du fil de sortie subit une force transversale et une déformation par torsion. De plus, pendant le processus d'enroulement de la bobine hélicoïdale, il y a une contrainte résiduelle, qui fera que l'enroulement tentera de revenir à son état d'origine. Par conséquent, l'enroulement de structure hélicoïdale est plus susceptible de subir une déformation par torsion sous l'impact d'un courant de court-circuit.

4.5 Les fils de sortie sont couramment trouvés entre les sorties basse tension. Les fils de sortie basse tension ont un courant important en raison de la basse tension, et la phase est de 120 degrés, ce qui fait que les fils de sortie s'attirent mutuellement. Si les fils de sortie ne sont pas correctement fixés, des courts-circuits entre phases se produiront. Analyse des causes des dommages par court-circuit dans le fonctionnement d'un transformateur sec.

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