Lors de la sélection d''un transformateur de puissance, l''isolation est souvent discutée comme s''il s''agissait d''un seul paramètre. En réalité, la conception d''isolation du transformateur impliquedeux aspects fondamentalement différents: la performance d''isolation thermique et la résistance à l''isolation diélectrique.

Le côté thermique détermine comment le système d''isolation résiste à la température de fonctionnement, à l''augmentation de la température, à la température des points chauds et au vieillissement thermique. Le côté diélectrique détermine si le transformateur peut supporter la tension puissance-fréquence, l''impulsion éclair et d''autres surtensions transitoires.

Par conséquent,la classe thermique et le niveau d''isolation diélectrique doivent être sélectionnés séparémentLa confusion entre ces deux concepts peut entraîner des spécifications incorrectes du transformateur, des coûts inutiles ou une coordination insuffisante de l ' isolation.

1. Qu''est-ce que la classe d''isolation du transformateur?

Les conditionsClasses A, E, B, F et Hsont couramment utilisés pour décrire la classification thermique des systèmes d''isolation électrique ou des matériaux isolants.

IEC 60085 établit des critères pour évaluer l''endurance thermique des matériaux d''isolation électrique et des systèmes d''isolation électrique et attribuer des classes thermiques. Il est important de noter que la norme fait une distinction entre la classification thermique des matériaux d''isolation et celle des systèmes d''isolation complets. ([IEC Webstore] [1])

Les classes thermiques de référence typiques comprennent:

Ces températures devraientpasêtre interprété comme des limites de points chauds d''enroulement universel du transformateur.

Un fabricant de transformateur doit évaluer l''ensemble du système d''isolation, la conception de la hausse de température, l''arrangement de refroidissement, les conditions de charge et la norme applicable du transformateur avant de déterminer la température de fonctionnement admissible.

La classe thermique ne correspond pas à l''augmentation de la température

Cette distinction est essentielle.

Par exemple :

Classe F Augmentationde température 100 K

et

Classe H Augmentationde température 125 K

La classe thermique décrit l''endurance thermique du système d''isolation ou du matériau. Les limites de hausse de température du transformateur sont spécifiées séparément en fonction de la conception du transformateur, de la norme applicable et des conditions de fonctionnement.

Pour les transformateurs immergés en liquide, IEC 60076-2 répond spécifiquement aux exigences de hausse de température et aux tests de hausse de température. ([IEC Webstore] [2])

2. Classe thermique vs niveau d''isolation diélectrique

C''est le concept le plus important dans la sélection de l''isolation du transformateur.

Par conséquent :

La classe thermique détermine l''endurance thermique du système d''isolation, tandis que le niveau d''isolation diélectrique détermine la capacité de l''isolation du transformateur à résister aux contraintes électriques.

L''augmentation de la tension nominale du transformateur ne signifie pas automatiquement que la classe thermique doit être augmentée.

Par example, un transformateur de puissance à haute tension immergé en huile peut utiliser un système d''isolation classique à base de cellulose tout en présentant un niveau d''isolation diélectrique beaucoup plus élevé qu''un transformateur de type sec à basse tension.

Il s’agit de deux dimensions de conception indépendantes.

3. Comment sélectionner la classe thermique du transformateur

La bonne sélection de la classe thermique devrait commencer par les conditions de fonctionnement réelles plutôt que de simplement choisir une classe supérieure.

Un processus de sélection pratique peut être divisé en cinq étapes.

Étape 1: Identifier le type de transformateur et le système d''isolation

Déterminez tout d''abord si le transformateur est:

• Immergé en huile minérale

• rempli d''ester

• Résine coulée type sec

• Type sec isolé à l''air

• Autre design spécialisé

Le système d''isolation devrait alors être évalué comme un système complet plutôt que par le nom d''un seul matériau isolant.

Transformateurs immergés en huile

Les transformateurs classiques immergés en huile minérale utilisent généralement des systèmes d''isolation à base de cellulose. Le papier thermiquement amélioré et d''autres technologies d''isolation à haute température peuvent également être utilisées lorsque la conception nécessite une performance thermique améliorée.

Pour les transformateurs utilisant des matériaux d''isolation à haute température, IEC 60076-14 traite spécifiquement des considérations de conception, d''essai et de charge. ([IEC Webstore] [2])

Il est donc préférable de spécifier lesystème d''isolation complet et ses performances thermiquesplutôt que de dire simplement qu''un transformateur d''huile est "Classe A".

Transformateurs de type sec

Les systèmes d''isolation de classe F et de classe H sont largement utilisés dans les transformateurs modernes de type sec.

Le choix approprié dépend de :

• Température ambiante

• Charger le profil

• Conditions de refroidissement

• Augmentation de température nécessaire

• Exigences en matière de surcharge

• Construction de systèmes d''isolation

• Environnement d''installation

Les normes IEEE distinguent également les exigences relatives aux transformateurs de type sec et aux essais des exigences relatives aux transformateurs immergés en liquide. ([IEEE Xplore] [3])

4. Considérez la température ambiante et le profil de charge

La température ambiante est l''un des facteurs les plus importants dans la sélection du transformateur thermique.

Un transformateur fonctionnant en continu à température ambiante 45°C a une marge thermique considérablement moindre que celui fonctionnant à 25°C, même si les deux ont la même puissance nominale.

Les conditions suivantes doivent être identifiées lors de la spécification:

Les charges harmoniques méritent une attention particulière. Les redresseurs, les entraînements à fréquence variable, les onduleurs photovoltaïques et autres charges électroniques de puissance peuvent produire des courants non sinusoïdales et des pertes supplémentaires de transformateur.

IEEE C57.110 fournit des méthodes pour évaluer la capacité du transformateur lors de l''alimentation de courants de charge non sinusoïdales et s''applique à la fois aux transformateurs immergés en liquide et à type sec dans son champ d''application. ([IEEE Xplore] [4])

5. Comment évaluer la température du point chaud d''enroulement

Letempérature du point chaud d''enroulementest plus important pour le vieillissement thermique que la température moyenne d''enroulement.

Un concept d’ingénierie simplifié est :

Température du point chaud = Température ambiante + composants de hausse de température pertinents + allocation du point chaud

Cependant, cela devraitpasêtre traité comme un calcul universel en utilisant un gradient de point chaud fixe.

La température réelle du point chaud dépend de :

• Construction de transformateurs

• Géométrie d''enroulement

• Distribution des pertes

• Méthode de refroidissement

• Niveau de charge

• Circulation d''huile ou circulation d''air

• Caractéristiques thermiques du système d''isolation

L''IEEE a des lignes directrices dédiées à la détermination de la température des points les plus chauds dans les applications de transformateurs remplis de liquide et de type sec. Par exemple, l''IEEE C57.134 traite des méthodologies pour déterminer la température du point le plus chaud d''enroulement à l''état stable dans les transformateurs de type sec. ([IEEE Xplore] [5])

Pour les transformateurs immergés en liquide, la conception à hausse de température doit être évaluée conformément aux exigences applicables et aux méthodes d''essai de IEC 60076-2 ou aux exigences IEEE correspondantes.

Une meilleure approche d’ingénierie

Au lieu de dire :

45°C + 115 K + 8 K = 168°C → La classe H est nécessaire

La bonne approche d’ingénierie est :

Température ambiante maximale → profil de charge → modèle thermique du transformateur → augmentation de la température d''enroulement → température du point chaud → capacité thermique du système d''isolation → durée de vie requise

Si la température du point chaud calculée ou testée est excessive, les solutions possibles incluent:

• Augmentation de la capacité du transformateur

• Réduire la charge continue

• Améliorer le refroidissement

• Réduire les pertes

• Optimisation de la conception d''enroulement

• Choisir un système d''isolation approprié

• Utilisation de la technologie d''isolation à haute température lorsque cela est justifié

Par conséquent,La mise à niveau de la classe F à la classe H n''est qu''une solution possible, pas une exigence automatique.

6. Considérez le vieillissement thermique et la durée de vie

L''isolation du transformateur se détériore progressivement sous les contraintes thermiques, électriques et environnementales.

Pour de nombreux systèmes d''isolation conventionnels, une augmentation 10°C de la température d''isolation est souvent utilisée commerègle du poucepour illustrer le vieillissement thermique accéléré. Cependant, le vieillissement réel de l''isolation dépend du système d''isolation complet et de facteurs tels que:

• Température

• Humidité

• oxygène

• Matériel d''isolation

• Condition de l''huile

• Charger le profil

• Durée de fonctionnement

Par conséquent, le couramment cité "10°C règle" devrait être traité comme une approximation d''ingénierie plutôt qu''une équation universelle de vie.

Pour les applications nécessitant une longue durée de vie, la spécification du transformateur devrait définir le profil de charge attendu et les conditions de fonctionnement plutôt que d''exiger simplement une classe thermique plus élevée.

7. Quand devriez-vous considérer une classe thermique supérieure?

Une classe thermique supérieure peut être appropriée lorsque le transformateur est exposé à des conditions thermiques exigeantes.

Les facteurs typiques incluent :

Température ambiante élevée

Parmi les exemples :

• Installations dans le désert

• Environnements tropicaux

• Salles électriques mal ventilées

• Sous-stations fermées

• Sous-stations en conteneurs

Surcharge fréquente

Si le transformateur doit fonctionner au-dessus de la charge nominale pendant des périodes importantes, la conception thermique doit être évaluée en fonction du profil de charge réel.

Charges harmoniques

Les moteurs industriels, les redresseurs, les centres de données, les convertisseurs d''énergie renouvelable et d''autres charges non linéaires peuvent augmenter les pertes de transformateurs et le chauffage.

Refroidissement limité

Pour les transformateurs de type sec, une ventilation inadéquate de la pièce peut affecter considérablement la température de fonctionnement réelle.

Exigences opérationnelles spéciales

L''exploitation minière, la métallurgie, le transport ferroviaire, les énergies renouvelables et d''autres applications peuvent nécessiter des conceptions thermiques et d''isolation personnalisées.

Toutefois, ces conditions ne signifient pas automatiquement que la classe H doit être choisie. Le fabricant doit d''abord évaluer la conception thermique complète.

8. Les conditions environnementales ne devraient pas être résolues par la seule classe thermique

Une autre erreur courante est de supposer :

Environnement difficile → Isolation de classe H

Cela n''est pas nécessairement correct.

Différents problèmes environnementaux nécessitent différentes mesures d''ingénierie.

Par exemple, une humidité élevée peut nécessiter une protection contre l''humidité appropriée et la sélection du système d''isolation, mais le simple passage de la classe F à la classe H ne résout pas automatiquement le problème.

De même, la haute altitude affecte à la fois la conception thermique et diélectrique, il convient donc de la considérer séparément plutôt que de la traiter comme une seule question de classe thermique.

9. Sélectionnez le niveau d''isolation diélectrique séparément

Une fois la conception thermique établie, le niveau d''isolation diélectrique du transformateur doit être sélectionné séparément.

Le processus de base est :

Tension du système → Tension maximale pour l''équipement (Um) → Coordination de l''isolation → AC résister → Impulsion de foudre → Impulsion de commutation le cas échéant

Pour les transformateurs à moyenne et haute tension, les paramètres diélectriques importants peuvent inclure:

• Tension résistante puissance-fréquence

• Tension de résistance à l''impulsion de foudre (LI ou LIWV)

• Tension de résistance à l''impulsion de commutation (SI ou SIWV), le cas échéant

• Coordination de l''isolation interne

• Autorisations externes

• Distances de rampage

IEC 60076-3 couvre spécifiquement les niveaux d''isolation des transformateurs, les tests diélectriques et les dégagements externes connexes. Par conséquent, il s''agit d''une référence beaucoup plus précise pour cette partie de la spécification du transformateur que de citer simplement la série générale IEC 60076.

Considérations d''application typiques

Connexion ligne aérienne

La coordination de l''isolation des éclairs est particulièrement importante en raison de l''exposition aux surtensions atmosphériques.

Transformateur connecté par câble

L''environnement de surtension est différent d''une connexion aérienne et doit être évalué en fonction de la configuration réelle du réseau.

Transformateur connecté au GIS

Les phénomènes transitoires rapides et l''interface réelle SIG-transformateur peuvent nécessiter une prise en compte supplémentaire.

Le point important est :

La classe thermique du transformateur ne doit pas être utilisée pour remplacer la coordination de l''isolation diélectrique.

10. La conception thermique et la conception diélectrique doivent être vérifiées séparément

Une spécification bien conçue du transformateur devrait donc contenir deux sections indépendantes.

Cette séparation rend les spécifications techniques beaucoup plus claires et réduit le risque de choisir un système d''isolation basé uniquement sur la classe de tension ou de température.

11. Essais et vérification de l ' isolation du transformateur

Le programme d''essai doit également être divisé en vérification thermique et diélectrique.

Vérification thermique

Selon le type de transformateur et la norme applicable, cela peut inclure:

• Test de hausse de température

• Vérification de la hausse de température de l''enroulement

• Évaluation de la température des points chauds

• Évaluation de la capacité de chargement

Pour les transformateurs immergés en liquide, IEC 60076-2 fournit le cadre de hausse de température et les méthodes d''essai pertinentes. ([IEC Webstore] [2])

Vérification diélectrique

Selon la conception et les spécifications du transformateur, les tests peuvent inclure:

• Essai de tension appliqué

• Test de tension induite

• Test d''impulsion de foudre

• Mesure des décharges partielles le cas échéant

• Mesures de résistance à l''isolation spécifiées

Ces tests vérifient les performances diélectriques et ne doivent pas être confondus avec la vérification de la classe thermique.

Pour les transformateurs de type sec, l''IEEE C57.12.91 fournit des méthodes d''essai pour les essais spécifiés par les normes applicables aux transformateurs de type sec et les spécifications de l''utilisateur. ([IEEE Xplore] [6])

12. Exemples pratiques de sélection de l''isolation du transformateur

Au lieu d’utiliser une règle simple comme « haute température = classe H », considérez l’application complète.

Exemple 1: Transformateur de distribution immergé en huile classique

Conditions :

• 10/0.4 kV

• Température ambiante dans les conditions standard spécifiées

• Charge stable

• Faible contenu harmonique

• Application de distribution conventionnelle

Un système d''isolation classique à base de cellulose peut être approprié. Les limites réelles de hausse de température et de charge doivent être établies conformément à la norme applicable du transformateur et à la conception du fabricant.

Exemple 2: Transformateur de résine coulée intérieure

Conditions :

• 10/0.4 kV

• Bâtiment commercial

• Température ambiante normale

• Variation de charge modérée

Un système d''isolation de classe F peut être approprié si la conception thermique complète répond aux exigences de hausse de température et de durée de vie requises.

Exemple 3: Transformateur de type sec dans une pièce électrique à haute température

Conditions :

• Température ambiante élevée

• Ventilation restreinte

• Variation importante de charge

• Équipement de production harmonique

Le fabricant doit d''abord calculer la performance thermique réelle. Selon la température du point chaud résultant et la durée de vie requise, la solution peut impliquer une capacité plus élevée, un refroidissement amélioré, une augmentation réduite de la température ou un système d''isolation à température plus élevée.

Exemple 4: Transformateur de puissance haute tension

Un transformateur à haute tensionpasnécessitent automatiquement une classe thermique plus élevée simplement parce que sa tension est plus élevée.

Son niveau d''isolation diélectrique doit être choisi en fonction de la tension du système et de la coordination d''isolation, tandis que sa conception thermique doit être déterminée indépendamment.

C''est l''un des principes les plus importants dans la sélection de l''isolation du transformateur.

13. Erreurs communes de sélection de l''isolation du transformateur

Erreur 1: Une tension plus élevée signifie une classe thermique plus élevée

Incorrect.

La tension affecte principalement la coordination de l''isolation diélectrique, tandis que la classe thermique se rapporte à l''endurance thermique.

Erreur 2: La classe H est toujours meilleure que la classe F

Pas forcément.

Une classe thermique plus élevée peut être inutile si le transformateur répond déjà aux exigences de hausse de température, de point chaud et de durée de vie requises.

La bonne approche consiste à sélectionner le système d''isolation en fonction des conditions de fonctionnement réelles.

Erreur 3: La classe thermique détermine directement l''augmentation de la température

Incorrect.

La classe thermique et les limites de hausse de température du transformateur sont liées mais ne sont pas interchangeables.

Erreur 4: La température moyenne d''enroulement est la même que la température du point chaud

Incorrect.

Le point chaud d''enroulement peut être significativement plus élevé que la température moyenne d''enroulement, et la température du point chaud est importante pour évaluer le vieillissement thermique.

Erreur 5: Une classe thermique supérieure résout toutes les conditions environnementales difficiles

Incorrect.

L''humidité, la poussière, le brouillard salé, la contamination chimique et l''altitude exigent leurs propres considérations de conception.

Erreur 6: La classe thermique d''isolation détermine BIL

Incorrect.

Le niveau d''isolation à impulsion de foudre fait partie de la conception d''isolation diélectrique et doit être sélectionné selon la norme de coordination d''isolation et de transformateur applicable.

14. Liste de contrôle de la sélection de l''isolation du transformateur

Avant de finaliser une spécification du transformateur, vérifiez ce qui suit:

15. Quelles normes devraient être prises en compte?

Les normes exactes dépendent du type de transformateur et du marché cible, mais les références suivantes sont importantes lors de l''élaboration d''une spécification internationale de transformateur:

IEC 60085 — Évaluation thermique et désignation de l''isolation électrique. Elle établit des critères d''évaluation de l''endurance thermique des matériaux d''isolation électrique et des systèmes d''isolation. ([IEC Webstore] [1])

IEC 60076-2Transformateurs de puissance, Partie 2: Augmentation de la température pour les transformateurs immergés en liquide. ([IEC Webstore] [2])

IEC 60076-3Transformateurs de puissance, partie 3: Niveaux d''isolation, essais diélectriques et dégagements externes.

IEC 60076-14 — Transformateurs de puissance immergés en liquide utilisant des matériaux d’isolation à haute température. ([IEC Webstore] [2])

Pour les projets en Amérique du Nord, les normes IEEE/ANSI applicables doivent être sélectionnées en fonction du type de transformateur et des exigences du projet. Par exemple, l''IEEE C57.12.01 couvre les exigences générales pour la distribution de type sec et les transformateurs de puissance, tandis que l''IEEE C57.110 traite de la capacité du transformateur avec des courants de charge non sinusoïdales. ([IEEE Xplore] [3])

Conclusion

La sélection précise de l''isolation du transformateur ne devrait jamais être réduite au simple choixClasses A, B, F ou H.

Un processus de sélection fiable doit séparer deux questions de conception indépendantes:

Conception thermique

Température ambiante → Load → refroidissement → Augmentation de la température → Température du point chaud → Vieillissement thermique → Durée de vie

et

Conception diélectrique

Tension du système → Um → Coordination de l''isolation → AC résister → LI/BIL → SI le cas échéant

La classe thermique décrit l''endurance thermique du système d''isolation, tandis que le niveau d''isolation diélectrique détermine sa capacité à résister aux contraintes électriques. IEC 60085, IEC 60076-2, IEC 60076-3 et IEC 60076-14 traitent de différentes parties de ce processus de conception plutôt que de fournir une seule "qualité d''isolation du transformateur" pour chaque application. ([IEC Webstore] [1])

Pour les acheteurs de transformateurs et les ingénieurs, la meilleure approche n''est donc pas de choisir la classe d''isolation la plus élevée, mais de spécifier le système d''isolation, les performances thermiques et le niveau d''isolation diélectrique en fonction de la tension réelle, de la charge, de l''environnement et des conditions de service.