Quelle est la raison de la mauvaise stabilité du transformateur ?

En tant qu'équipement de base du système électrique, le transformateur assume les fonctions clés de conversion de tension, de transmission et de distribution d'énergie. Sa stabilité opérationnelle affecte directement la sécurité et la fiabilité de l’ensemble du système électrique. Dans les réseaux électriques modernes, les transformateurs assurent une transmission efficace et une distribution raisonnable de l’énergie en modifiant les niveaux de tension, répondant ainsi aux besoins des différents utilisateurs en énergie électrique. En outre, les transformateurs jouent également un rôle régulateur important dans le fonctionnement stable du système électrique, comme le maintien du niveau de tension en ajustant la position de la prise ou l'amélioration du facteur de puissance du système grâce à la compensation de puissance réactive. Cependant, en fonctionnement réel, de nombreux transformateurs rencontreront des problèmes tels que d'importantes fluctuations de tension, une répartition inégale de la charge et des capacités de surcharge réduites. Ces phénomènes indiquent généralement les « mauvaises performances de stabilité » du transformateur. Alors, quelles sont les causes profondes des mauvaises performances de stabilité des transformateurs ?

I. Conception et sélection déraisonnables

1. Mauvaise adaptation de tension d'impédance

La tension d'impédance du transformateur détermine l'uniformité de la répartition de la charge lorsqu'il fonctionne en parallèle. Si l'écart de tension d'impédance est trop important lorsque plusieurs transformateurs fonctionnent en parallèle, le transformateur avec une impédance plus petite supportera trop de charge et sera en état de surcharge pendant une longue période, affectant ainsi la stabilité de l'ensemble du système.

2. Marge de capacité insuffisante

Si la capacité nominale du transformateur ne correspond pas à la demande de charge réelle, en particulier dans les scénarios avec de grandes fluctuations de charge (tels que le démarrage d'une ligne de production industrielle, une nouvelle connexion au réseau énergétique), le transformateur fonctionne fréquemment à proximité ou au-delà de la capacité nominale, ce qui rend difficile le maintien d'une tension de sortie stable.

3. La plage de réglage du changeur de prises est limitée

Le nombre de vitesses et la précision de réglage du changeur de prises de régulation de tension en charge sont insuffisants et ne peuvent pas faire face efficacement aux grandes fluctuations de la tension du réseau, ce qui entraîne un écart de la tension du côté secondaire par rapport à la plage normale.

II. Problèmes de processus de fabrication et de qualité des matériaux

1. Mauvaise sélection du matériau du noyau de fer

En tant que composant central du transformateur, le choix du matériau du noyau de fer affecte directement les propriétés magnétiques, les pertes à vide et la stabilité de fonctionnement du transformateur. Actuellement, les matériaux de noyau de fer couramment utilisés comprennent principalement des tôles d'acier au silicium et des alliages amorphes. Il existe des différences significatives entre les deux en termes de perméabilité magnétique, d’intensité d’induction magnétique à saturation et de perte de fer. Les tôles d'acier au silicium sont largement utilisées dans les transformateurs traditionnels en raison de leur perméabilité magnétique élevée et de leur faible coût. Cependant, la perte de fer des tôles d'acier au silicium est relativement élevée, en particulier dans des conditions de haute fréquence, ce qui entraînera une augmentation de la perte à vide du transformateur, accompagnée d'une augmentation du bruit et d'autres problèmes, affectant ainsi sa stabilité et son économie. Les matériaux en alliages amorphes sont progressivement devenus le matériau préféré pour les nouveaux transformateurs en raison de leurs pertes en fer extrêmement faibles et de leurs excellentes propriétés magnétiques. Cependant, la résistance mécanique et les performances de traitement des alliages amorphes sont relativement médiocres. Si ces facteurs ne sont pas pleinement pris en compte lors du processus de conception, cela peut entraîner des problèmes tels qu'une déformation et une fissuration du noyau pendant la fabrication ou le fonctionnement, affectant ainsi les performances du circuit magnétique et la stabilité opérationnelle du transformateur. Par conséquent, lors de la sélection des matériaux de noyau de fer, ses propriétés magnétiques, son économie et son applicabilité doivent être pleinement prises en compte pour obtenir le meilleur effet de conception.

2. Défauts dans la conception de la structure centrale et dans le processus d'empilage

La rationalité de la conception de la structure du noyau et du processus d'empilement a un impact important sur les performances du circuit magnétique, le courant à vide et la stabilité de fonctionnement du transformateur. Tout d'abord, une conception structurelle déraisonnable du noyau de fer, telle qu'un excès de joints ou une mauvaise isolation entre les feuilles, entraînera une répartition inégale du flux magnétique dans le circuit magnétique, augmentant ainsi le courant à vide et la perte de fer. Ce phénomène réduira non seulement l'efficacité de fonctionnement du transformateur, mais pourra également provoquer des problèmes de surchauffe locaux, voire provoquer une défaillance du noyau dans les cas graves. Deuxièmement, le processus d'empilement irrégulier est également un facteur important affectant les performances du cœur. Pendant le processus d'empilage, si les pièces sont mal alignées ou si l'isolation est endommagée, la continuité du circuit magnétique sera détruite, entraînant une augmentation de la perte par hystérésis et de la perte par courants de Foucault. De plus, une force de pression insuffisante ou inégalement répartie lors de l'empilement peut également provoquer le desserrage du noyau pendant le fonctionnement, affectant sa stabilité mécanique et son niveau sonore. Par conséquent, pendant le processus de conception et de fabrication du noyau, la précision du processus d'empilement doit être strictement contrôlée pour garantir que les dimensions géométriques et les propriétés magnétiques du noyau répondent aux exigences de conception, fournissant ainsi une garantie fiable pour le fonctionnement stable du transformateur.

3. Structure d'enroulement et isolation inappropriées

Le choix de la structure du bobinage a un impact important sur les performances de dissipation thermique, la résistance mécanique et la stabilité du transformateur. Actuellement, les structures d'enroulement courantes incluent le type cylindrique et le type tarte. Chaque structure possède des caractéristiques uniques et des scénarios applicables. Les enroulements cylindriques sont largement utilisés dans les transformateurs de petite et moyenne taille en raison de leur structure simple et de leur technologie de fabrication mature. Cependant, l'application de cette structure dans de grands transformateurs peut poser des problèmes de mauvaise dissipation thermique, en particulier dans des conditions de charge élevée, ce qui peut facilement conduire à une surchauffe locale, affectant ainsi le fonctionnement stable du transformateur. En revanche, les enroulements de type tarte améliorent l'efficacité de la dissipation thermique et améliorent la résistance mécanique grâce à une conception segmentée, ce qui les rend plus adaptés aux transformateurs haute tension de grande capacité. Cependant, si la structure est mal sélectionnée, par exemple en sélectionnant aveuglément une certaine structure sans tenir pleinement compte des caractéristiques de charge et de l'environnement de fonctionnement, cela peut entraîner des problèmes tels qu'une concentration de contraintes mécaniques et des dommages à l'isolation pendant le fonctionnement du transformateur, affectant ainsi ses performances stables.

Un court-circuit entre les spires du bobinage, le vieillissement de l'isolation intercouche ou un processus d'imprégnation inadéquat provoquera une décharge partielle ou même une panne entre les spires, entraînant une distribution anormale du champ électromagnétique à l'intérieur du transformateur et une détérioration des caractéristiques de sortie.

Par conséquent, lors de la conception de la structure d’enroulement, il est nécessaire d’évaluer de manière exhaustive les avantages et les inconvénients des diverses structures en fonction de scénarios d’application spécifiques afin de sélectionner la solution optimale.

4. Conception déraisonnable des tours d'enroulement

Le nombre de tours d'enroulement est l'un des paramètres essentiels dans la conception du transformateur, et sa rationalité affecte directement le rapport de tension, la distribution du courant et les performances de stabilité globale du transformateur. Lorsque le nombre de tours d'enroulement est trop élevé, le rapport de tension entre le côté primaire et le côté secondaire du transformateur s'écartera de la valeur nominale, provoquant ainsi des problèmes d'écart de tension. Cet écart affectera non seulement la qualité de l'alimentation électrique du système électrique, mais peut également endommager l'équipement de charge. De plus, trop de tours augmenteront la résistance de l'enroulement, ce qui entraînera une augmentation des pertes de cuivre, réduisant ainsi l'efficacité de fonctionnement du transformateur. Au contraire, si le nombre de tours d'enroulement est conçu pour être trop faible, le transformateur supportera un courant excessif sous la charge nominale, exacerbant le phénomène d'échauffement de l'enroulement et pouvant même provoquer le vieillissement ou la rupture de la couche isolante, affectant sérieusement la stabilité et la durée de vie du transformateur. Par conséquent, dans la conception réelle, il est nécessaire de calculer et de déterminer avec précision le nombre raisonnable de tours d'enroulement en fonction de facteurs tels que la capacité nominale, le niveau de tension et l'environnement de fonctionnement du transformateur pour garantir que le transformateur conserve des performances stables lors d'un fonctionnement à long terme.

5. Mauvaise qualité du fil

Les fils sont les matériaux constitutifs de base des enroulements de transformateur et leur qualité affecte directement la valeur de résistance, la rigidité électrique et la stabilité globale des enroulements. Si la résistivité du fil est trop élevée, la résistance de l'enroulement augmentera, entraînant des pertes de cuivre supplémentaires et des problèmes d'échauffement. Cette augmentation de température va non seulement accélérer le vieillissement du matériau isolant, mais peut également réduire la résistance électrique du bobinage et augmenter le risque de défaillance par court-circuit. De plus, la qualité de la couche d'isolation des fils a également un impact important sur les performances stables du transformateur. Si la couche isolante présente des problèmes tels qu'une épaisseur inégale et une résistance à la tension insuffisante, cela entraînera facilement des courts-circuits entre spires ou des défauts à la terre des enroulements, ce qui affectera le fonctionnement normal du transformateur. Surtout dans des conditions de charge élevée, le problème de mauvaise qualité des conducteurs sera encore amplifié, ce qui peut entraîner une défaillance du transformateur en raison d'une surchauffe ou d'une panne électrique. Par conséquent, pendant le processus de fabrication du transformateur, les matériaux des fils doivent être strictement examinés pour garantir que leurs propriétés de résistivité et d'isolation répondent aux exigences de conception afin de garantir le fonctionnement stable du transformateur.

6. Mauvaises performances des matériaux isolants

Les matériaux isolants jouent un rôle important dans l'isolation des composants ayant des potentiels différents dans les transformateurs, et leurs performances affectent directement la fiabilité et la stabilité globale du système d'isolation du transformateur. Si le matériau isolant a un faible niveau de résistance thermique, sa résistance mécanique et ses propriétés électriques peuvent diminuer rapidement dans des conditions de charge élevée ou de surcharge, entraînant une rupture de l'isolation ou une décharge partielle. De plus, la résistance corona du matériau isolant est également un facteur clé affectant la stabilité du transformateur. Lorsque le matériau isolant est exposé à un environnement de champ électrique puissant, si sa résistance corona est insuffisante, il provoquera facilement une décharge corona, entraînant une corrosion et une détérioration de la surface de l'isolation, raccourcissant finalement la durée de vie du transformateur. Les recherches montrent qu'une mauvaise performance des matériaux d'isolation augmentera non seulement le taux de défaillance du transformateur, mais peut également avoir un impact négatif sur son fonctionnement économique, comme une augmentation des coûts de maintenance et des pertes en cas de panne de courant. Par conséquent, pendant le processus de fabrication des transformateurs, les matériaux d'isolation hautes performances doivent être prioritaires et soumis à des tests et des vérifications rigoureux pour garantir qu'ils peuvent maintenir des performances stables dans diverses conditions de fonctionnement.

III. Environnement opérationnel difficile

1. Température excessive ou mauvaise dissipation thermique

Lorsque les transformateurs fonctionnent dans des environnements à haute température pendant des périodes prolongées (par exemple lorsqu'ils sont exposés à la lumière directe du soleil à l'extérieur en été ou dans des sous-stations mal ventilées), le matériau isolant vieillit plus rapidement, les propriétés diélectriques de l'isolation en papier huilé se détériorent, entraînant une augmentation des décharges partielles internes, une dérive des paramètres électriques et une stabilité réduite.

2. Humidité élevée et contamination grave

Une humidité élevée, ainsi que des contaminants tels que le brouillard salin et la poussière, adhérant aux surfaces des traversées et des isolateurs, peuvent abaisser le niveau d'isolation externe, déclencher un contournement par fuite de fuite, provoquer une mise à la terre instantanée ou des courts-circuits et entraîner de graves fluctuations de tension.

3. Interférences harmoniques et de charge d’impact

Une grande quantité d'harmoniques générées par des charges non linéaires (telles que des convertisseurs de fréquence, des redresseurs et des fours à arc) lorsqu'elles sont injectées dans les transformateurs augmentent les pertes de cuivre et de fer, provoquant un échauffement supplémentaire. Dans le même temps, les courants harmoniques peuvent également déformer le flux magnétique dans le noyau, affectant la stabilité de la forme d'onde et de l'amplitude de la tension de sortie.

IV. Gestion inadéquate de l’exploitation et de la maintenance

1. Manque d'inspections régulières et de tests préventifs : les tests préventifs tels que les tests de résistance d'isolement, la mesure des pertes diélectriques et l'analyse par chromatographie de l'huile n'ont pas été effectués à temps, ce qui rend impossible l'identification rapide des défauts latents internes (tels qu'une surchauffe localisée, une décharge ou une pénétration d'humidité). Cela a conduit à l’incapacité de détecter les problèmes à un stade précoce, ce qui leur a permis de s’aggraver et d’avoir de graves conséquences sur la stabilité.

2. Entretien négligé du système de refroidissement : les pannes des dispositifs de refroidissement tels que les ventilateurs, les pompes à huile et les radiateurs n'ont pas été réparées rapidement, ou les radiateurs sont devenus gravement obstrués par la poussière, réduisant l'efficacité de dissipation thermique du transformateur et augmentant la température de l'huile. Cela accélère le vieillissement de l’isolation et la détérioration des performances électriques.

3. Fonctionnement incorrect des changeurs de prises : lors d'une régulation de tension manuelle ou automatique, des problèmes tels que des mécanismes de changeurs de prises bloqués, des contacts brûlés ou des pannes mécaniques peuvent survenir, entraînant une régulation de tension défaillante ou des positions de prises incorrectes, ce qui pourrait conduire à des tensions de sortie incontrôlées.

V. Facteurs du réseau électrique externe

1. La tension du système fluctue fréquemment

La tension du réseau électrique en amont augmente ou diminue soudainement en raison d'une commutation de charge à grande échelle, d'un déclenchement sur défaut, etc. Lorsque la capacité de régulation de tension du transformateur est dépassée, le transformateur ne peut pas maintenir la stabilité de la tension côté secondaire.

2. Le déséquilibre triphasé est grave

La charge monophasée haute puissance du côté basse tension est inégalement répartie, ce qui entraîne un grave déséquilibre du courant triphasé et un déplacement du point neutre. Cela provoque non seulement une augmentation du courant homopolaire et des pertes supplémentaires, mais rend également la tension de sortie triphasée asymétrique, affectant le fonctionnement normal de l'équipement électrique.

VI. Résumé et suggestions d'amélioration

Les mauvaises performances de stabilité du transformateur sont souvent le résultat de la superposition de plusieurs facteurs, et une seule cause peut rarement entraîner de graves conséquences indépendamment. En réponse aux problèmes ci-dessus, il est recommandé d’améliorer les aspects suivants :

• Optimisez la conception initiale : sélectionnez raisonnablement la capacité du transformateur, la tension d'impédance et la méthode de régulation de tension en fonction des caractéristiques réelles de la charge, et utilisez un transformateur de régulation de tension en charge si nécessaire.
• Contrôlez strictement la qualité de fabrication : sélectionnez des tôles d'acier au silicium de haute qualité et des matériaux isolants de haute qualité, et renforcez les tests en usine pour garantir la cohérence du processus.
• Améliorez l'environnement d'exploitation : gardez la salle des transformateurs bien ventilée, installez des dispositifs de contrôle de la température et de déshumidification et nettoyez régulièrement la saleté.
• Renforcer la gestion de l'exploitation et de la maintenance : établir un système d'inspection scientifique, effectuer régulièrement des analyses d'échantillons d'huile et des tests électriques et remplacer les pièces vieillissantes en temps opportun.
• Améliorer la qualité du réseau électrique : installer des dispositifs de filtrage et de compensation de puissance réactive, optimiser la répartition de la charge triphasée et réduire l'impact des harmoniques et des déséquilibres sur le transformateur.

Ce n'est qu'en contrôlant l'ensemble de la chaîne depuis la source de conception jusqu'à l'exploitation et la maintenance quotidiennes que les performances stables du transformateur peuvent être efficacement améliorées et que le fonctionnement sûr et fiable du système électrique est assuré.