1. Définition
La déformation des enroulements désigne le déplacement mécanique, la distorsion, le bombement, la torsion ou la compression des enroulements d'un transformateur, causés par des forces électrodynamiques, des chocs mécaniques ou d'autres contraintes.
Cette déformation modifie la géométrie conçue des bobines, affectant ainsi la distance d'isolation, la résistance mécanique et les caractéristiques électriques du transformateur.
Pendant le fonctionnement d'un transformateur, les défauts en court-circuit sont inévitables, en particulier au niveau ou à proximité des bornes de sortie du transformateur.
Un court-circuit soudain génère des impulsions de courant extrêmement importantes, provoquant sur les enroulements des forces électrodynamiques des dizaines à des centaines de fois supérieures à celles du fonctionnement normal.
Ces forces produisent :
Un échauffement rapide, ramollissant le matériau conducteur (cuivre ou aluminium).
De fortes contraintes mécaniques, dépassant la résistance mécanique de l'enroulement.
Les forces agissant sur les enroulements du transformateur peuvent être divisées en deux catégories :
Forces radiales (transversales) :
Agissent du centre vers l'extérieur ou vers l'intérieur.
Les bobines extérieures subissent des forces d'expansion.
Les bobines intérieures sont soumises à des forces de compression.
Si le renfort interne ou le cylindre d'isolation n'est pas suffisamment résistant, les bobines peuvent se bomber ou se courber, formant des déformations en « fleur de prunier » ou des gonflements.
Forces axiales (longitudinales) :
Agissent le long de la hauteur de l'enroulement.
Elles compriment les entretoises isolantes, provoquent la flexion des spires de la bobine et peuvent déplacer les enroulements verticalement par rapport au noyau de fer.
Des hauteurs de bobines inégales (par exemple, dues à des changeurs de prise ou à un déséquilibre magnétique) amplifient davantage la contrainte axiale, conduisant souvent à des accidents graves.
Conclusion :
Les courants de court-circuit soudains soumettent les enroulements du transformateur à des forces radiales et axiales combinées importantes.
Les enroulements intérieurs – particulièrement dans les autotransformateurs – sont les plus vulnérables, entraînant une déformation irréversible, telle qu'un bombement, une torsion ou un déplacement.
Ces déformations peuvent évoluer en défauts d'isolation, courts-circuits entre spires ou défaillances catastrophiques.
Pendant le transport, le levage ou l'installation du couvercle, les enroulements peuvent subir des chocs, vibrations ou impacts accidentels, conduisant à une déformation physique.
Si le système de relais de protection présente une zone morte ou ne fonctionne pas, le transformateur peut être exposé à un courant de court-circuit prolongé.
Une contrainte électrodynamique prolongée peut déformer les enroulements.
Les données statistiques indiquent qu'environ 30 % des dommages aux transformateurs résultent d'un défaut de déclenchement lors de courts-circuits externes.
Si la conception ou le processus de fabrication du transformateur ne garantit pas une rigidité mécanique adéquate, sa capacité à résister aux courts-circuits diminue avec le temps.
Des statistiques récentes sur les défaillances de transformateurs 110 kV montrent qu'une résistance insuffisante au court-circuit est devenue une cause interne majeure d'accidents de transformateurs.
La déformation des enroulements est un danger caché majeur pour le fonctionnement sécuritaire des transformateurs de puissance.
Elle est difficile à détecter par les tests conventionnels de résistance d'isolement ou de diélectrique de l'huile, ce qui en fait une défaillance latente.
Des changements dans la distance d'isolation ou des dommages à l'isolation solide peuvent provoquer des décharges partielles (DP).
Sous une surtension de foudre ou de manœuvre, la décharge partielle peut entraîner un claquage entre spires ou entre disques.
Même sous tension normale, une décharge partielle prolongée peut conduire à une défaillance de l'isolation.
Une fois déformé, l'enroulement perd sa résistance mécanique.
Si un autre court-circuit survient, la structure affaiblie ne peut plus résister aux contraintes électrodynamiques, ce qui entraîne une déformation supplémentaire ou une défaillance totale.
Étant donné que la déformation des enroulements ne peut être totalement évitée, un diagnostic précoce est crucial.
Une détection précise peut déterminer :
Si une déformation s'est produite
Le degré et l'emplacement de la déformation
Si le transformateur peut continuer à fonctionner en toute sécurité
Si une maintenance ou un démontage est nécessaire
Un diagnostic proactif permet non seulement d'économiser des coûts en main-d'œuvre et en matériel, mais aussi de prévenir des accidents majeurs sur les transformateurs.
La recherche mondiale a reconnu l'importance de la détection de déformation des enroulements.
Dans de nombreux pays, elle est considérée comme un test clé de maintenance prédictive.
Selon le document n° I20001589 de la Société d'État d'Électricité — « 25 exigences clés pour prévenir les accidents majeurs dans la production d'électricité », le test de déformation des enroulements est un élément d'inspection obligatoire dans les conditions suivantes :
Après la réception en usine et la mise en service
Après un incident de court-circuit
Articles pertinents :
Clause 15.6 :
Après qu'un transformateur subit un défaut de court-circuit dans la zone proche, un test d'impédance de court-circuit basse tension ou une analyse de réponse en fréquence (FRA) doit être réalisé.
Les résultats doivent être comparés aux données d'origine de l'usine avant que le transformateur ne soit remis en service.
Clause 20.2.9 :
Lors de la commande de transformateurs, le fabricant doit fournir :
La courbe caractéristique de réponse en fréquence des enroulements
Le rapport d'essai de tenue au court-circuit
Le rapport de calcul dynamique des forces électromécaniques
Une FRA doit également être réalisée :
Lors de l'installation et de la mise en service
Après tout défaut de court-circuit en exploitation
Les résultats des tests doivent servir de critère clé pour déterminer l'aptitude à la poursuite de l'exploitation.
La déformation des enroulements est un phénomène électromécanique complexe directement lié à la sécurité et à la fiabilité du transformateur.
Sa cause principale est l'impulsion de courant de court-circuit, mais les chocs mécaniques externes et les défaillances de protection y contribuent également.
Une détection précoce—notamment par analyse de réponse en fréquence—est essentielle pour prévenir la détérioration cachée de l'isolation, l'effondrement mécanique et les accidents majeurs du transformateur.
Kingrun Transformer Instrument Co.,Ltd.
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