Avec Dryformer™

Avec Dryformer
™
le transformateur de
puissance se met au vert
Thomas Andersson, Stefan Forsmark, Albert Jaksts
DryformerTM est un nouveau transformateur haute tension de type sec,
conçu selon la technologie de câbles inaugurée par
le nouvel alternateur d’ABB, Powerformer™.
Refroidi par ventilation forcée, Dryformer
se distingue par des enroulements de
conception originale, constitués de
câbles secs à isolation synthétique et à
conducteurs ronds. A l’heure actuelle, il
convient à des tensions primaires de 36
à 145 kV et à des puissances pouvant atteindre
150 MVA. L’absence d’huile élimine tout risque
de pollution du milieu naturel (sol, nappe
phréatique…) en cas d’accident, et réduit fortement les risques d’incendie ou d’explosion.
Dryformer peut ainsi être installé au plus près
du consommateur, en sous-sol, dans des
zones urbaines ou des sites soumis à de fortes
contraintes d’environnement. Le champ électrique est confiné dans le câble isolé au
polyéthylène réticulé (PR) et l’écran semi-conducteur externe est au potentiel de la terre: deux atouts
majeurs qui garantissent une conception optimisée des transformateurs de puissance.
D
ryformer™ révolutionne la technologie
Les conducteurs ronds,
conducteurs le long de l’enroulement, suivant
des transformateurs de puissance à sec.
facteurs de progrès
une configuration complexe. De surcroît, aux
Se basant sur la même technologie de câbles
Les enroulements des transformateurs tradition-
extrémités des enroulements, des mesures con-
haute tension utilisée pour le Powerformer™ [1]
nels sont en fils de section rectangulaire pour
traignantes s’imposent pour maîtriser le champ
(l’alternateur révolutionnaire d’ABB), Dryformer
obtenir le maximum de courant assigné, d’où
électrique et éviter les décharges partielles.
est équipé d’enroulements cylindriques pour
une répartition inégale du champ électrique et
Il résulte des équations de Maxwell que
remédier aux restrictions de répartition du
de fortes intensités de champ aux angles. Pour
les conducteurs ronds des enroulements du
champ, point faible des transformateurs de
minimiser les pertes par courants de Foucault
Dryformer uniformisent le champ électrique
puissance traditionnels.
dans les enroulements, il faut transposer ces
Revue ABB 3/2000
1 . Autre avantage de ces conducteurs:
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Transmission and Distribution
1 Conducteurs ronds ou fils de section rectangulaire? Selon les équations de Maxwell, l’emploi d’un câble rond isolé au PR
uniformise la répartition du champ électrique tout en éliminant les décharges partielles (à droite, conducteurs isolés au papier).
E champ électrique
l’absence de petits rayons dans les coins
câble, offrant par là même aux constructeurs
concentriques, posées en quinconce, de 6, 12,
comme c’est le cas des conducteurs de section
toute une palette de nouvelles perspectives en
18, 24, 30, 36 et 42 fils conducteurs.
rectangulaire qui limitent l’effort maximal de
matière de conception électrique et mécanique.
L’écran semi-conducteur externe reste au
potentiel de la terre, ce qui offre de multiples
champ admissible.
Constitution du câble
avantages, notamment l’absence de risques de
juguent aujourd’hui aux nouveaux procédés de
Rappelons que les enroulements du Dryformer
décharges partielles ou d’effet de couronne, en
fabrication pour produire des câbles de 500 kV,
se composent de câbles isolés, semblables au
tout point de l’enroulement, ainsi qu’une sécu-
capables de supporter des efforts de champ
câble HT à diélectrique solide traditionnel. Ils
rité accrue du personnel, toutes les surfaces
pouvant atteindre 15 kV/mm: des performances
sont constitués de couches concentriques: une
apparentes du transformateur étant au potentiel
jusqu’alors impossibles avec la traditionnelle
âme conductrice, un écran semi-conducteur
de la terre.
isolation huile-papier des spires.
interne, une isolation au polyéthylène réticulé
Les matériaux isolants modernes se con-
Le câble comporte un écran semi-conduc-
(PR) et un écran semi-conducteur externe.
teur externe qui reste au potentiel de la terre.
Le champ électrique est donc confiné dans le
L’âme se compose d’ordinaire d’un conducteur central entouré de plusieurs couches
Un défi: repenser la conception
des transformateurs
La conception électrique et mécanique des
transformateurs de puissance classiques est fort
complexe; il faut notamment prendre en comp-
Genèse
te plusieurs facteurs (champ électrique, champ
magnétique, température et forces électroma-
Les transformateurs modernes puisent leurs origines dans les expériences menées
sur des transformateurs de distribution monophasés, en Hongrie, au début des
années 1880. Au terme de cette décennie, les transformateurs furent commercialisés dans le monde entier; il s’agissait avant tout d’alimenter les systèmes
d’éclairage des grandes villes. Le réseau de transport triphasé de Hellsjön (Suède)
fut le premier à être doté, en 1893, d’un transformateur triphasé. Précisons que les
premières générations de transformateurs étaient de type sec.
La première utilisation de l’huile minérale remonte à 1906. Elle répondait à une exigence: construire des transformateurs adaptés à des tensions supérieures à 20 kV.
Près d’un siècle plus tard, l’emploi de ce diélectrique reste d’actualité. Entretemps, les progrès accomplis par la filière électrique ont permis de repousser les
limites de tension à 800 kV et de puissance à plus de 1000 MVA.
La conception des transformateurs traditionnels de type sec ne permet pas
d’atteindre des tensions supérieures à 36 kV.
gnétiques) dont les interactions sont nombreuses.
Dans la mesure où le champ électrique est
confiné dans le câble, les paramètres de conception comme la distance entre les enroulements, et celle entre enroulement et parties
mises à la terre, peuvent être traités indépendamment. En minimisant les distances électriques, le concepteur n’a plus qu’à s’intéresser
à l’espace nécessaire au bon refroidissement
des enroulements.
Qui plus est, Dryformer élimine l’un des
problèmes les plus épineux de la conception
des transformateurs traditionnels: les mesures
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Revue ABB 3/2000
qui s’imposent pour limiter l’influence du
la barre des 70 °C. Cette redondance permet au
fabrication des transformateurs. Cette opération,
champ électrique sur les parties mises à la terre.
transformateur de supporter les surcharges
souvent complexe, fait appel à un personnel
Or, avec Dryformer, le champ étant confiné
durant plusieurs heures.
chevronné qui «enrubanne», en grande partie à
dans le câble, il devient inutile de maîtriser le
Chaque ventilateur peut, en option, être
la main, le conducteur nu de bandes de papier
champ électrique aux extrémités des enroule-
commandé en vitesse variable pour réduire sa
cellulosique. Libéré de ces contraintes, le câble
ments, comme l’exigent les transformateurs de
consommation en cas de faible charge et de
isolé du Dryformer bénéficie à l’évidence d’une
distribution secs et ceux à huile.
basse température ambiante.
grande souplesse de fabrication et de manipulation qui en simplifie la conception et la
La tension induite dans un transformateur
de puissance augmente progressivement le long
Nouveaux procédés de fabrication
de l’enroulement HT, du point neutre à la ligne
La construction du circuit magnétique du Dry-
Ce câble étant pré-testé en usine, l’interven-
électrique, lorsque le transformateur est relié à
former est très proche de celle des transforma-
tion du constructeur du transformateur se limite
un système directement mis à la terre. Le câble
teurs traditionnels, notamment avec la même
à la tâche la moins ardue, à savoir le bobinage.
utilisé pour l’enroulement HT est donc soumis à
technique de laminage. Seule différence: le
Finie la manipulation délicate du complexe
différents efforts électriques sur toute la lon-
noyau complètement assemblé est revêtu d’une
papier-huile avec, à la clé, une réduction
gueur de l’enroulement. Une solution à ce pro-
peinture anticorrosion pour pallier l’absence
considérable des risques inhérents à la
blème consiste à réduire l’épaisseur de l’isolant
d’huile.
réalisation des enroulements.
sur les premières spires, puis à l’accroître sur
L’originalité de Dryformer, par rapport aux
production.
La simplification des procédés de fabrication
les spires suivantes. Pour y parvenir, et permet-
transformateurs à huile, réside principalement
et les essais préalables en usine permettent
tre ainsi de mieux exploiter le volume du cir-
dans ses enroulements. Traditionnellement, le
également de raccourcir les délais de livraison
cuit magnétique du transformateur, il convient
guipage constitue l’étape la plus délicate de la
du câble.
d’utiliser plusieurs dimensions de câble le long
de l’enroulement.
Le circuit magnétique et les enroulements
peuvent bénéficier d’une surveillance thermique par lecture directe de la température sur
2 Refroidissement forcé à l’air: configuration avec deux ventilateurs redondants,
l’un étant utilisé en régime permanent, l’autre en secours. En option, ils peuvent être
commandés en vitesse variable pour réduire la consommation en cas de faible
charge et de basse température.
chaque matériau. Ils sont en outre refroidis en
permanence par circulation forcée d’air 2 .
Dryformer est capable de supporter une surcharge temporaire jusqu’à ce que la température de l’enroulement le plus chaud atteigne
80 °C. Le principe de refroidissement du
Dryformer repose sur une redondance totale
des matériels. Si, par exemple, un ventilateur
doit obligatoirement maintenir la température
en dessous de 70 °C à pleine charge, le transformateur sera équipé de deux ventilateurs
identiques. En cas de surchauffe, une alarme
est envoyée à la salle de commande et le ventilateur de secours démarre automatiquement
pour refroidir le transformateur et repasser sous
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Transmission and Distribution
3 Dryformer offre aux exploitants de réseaus électriques et aux collectivités
locales une souplesse accrue dans l’installation des postes et facilite leur mise en
conformité avec la législation environnementale.
L’absence d’huile joue un rôle décisif dans
Le transformateur Dryformer pouvant être
Dryformer-charge, on peut amener le câble de
l’implantation du transformateur en zones ur-
raccordé directement aux câbles isolés HT, il
69 kV (au lieu du câble 24 kV) à proximité du
baines à forte densité de population. Dryformer
est possible de l’implanter au plus près du
centre de consommation, d’où une diminution
offre aux exploitants de réseau électrique et
réseau de distribution. En règle générale, il peut
des pertes. Plus concrètement, la figure 4b
aux collectivités locales une souplesse accrue
être installé au point même de consommation,
chiffre cette économie sur une période de 30
dans l’installation des postes 3 et facilite leur
à l’intérieur ou à l’extérieur de bâtiments
ans (soit un total de 8,5 GWh ou 280 MWh par
mise en conformité avec la législation et la
occupés, enterré ou non, et même à l’extérieur
an, sans compter les pertes du transformateur).
réglementation environnementales. Les postes
du poste électrique. Ce rapprochement de la
Cette réduction des pertes va de pair avec une
peuvent en effet être conçus indépendamment
haute tension et du consommateur réduit les
baisse des émissions polluantes (tableau).
du transformateur. D’autres facteurs sont aussi
pertes dans les câbles, ce qui allège directe-
sources d’économies: un agencement optimisé
ment le coût des lignes et des câbles d’énergie.
Avec Dryformer, les risques de pollution
chaude (incendie, explosion) et froide (effets
sur l’environnement) sont inexistants. L’absence
du poste, une réduction des équipements de
Les avantages procurés par l’installation du
sécurité incendie et la suppression de la cuve
transformateur en site urbain sont illustrés à la
d’huile autorise également l’installation des
d’huile.
figure 4 : en réduisant de 5 km la distance
transformateurs de puissance HT à proximité de
cours d’eau. Centrales hydroélectriques et stations de traitement de l’eau sont en effet des
Tableau: Baisse des émissions polluantes (exprimée en kg/30
ans, dans 4 pays), résultant d’un raccourcissement de 5 km de la
distance Dryformer™ – centre de consommation (cf. 4 )
sites particulièrement sensibles dont l’environnement doit être totalement à l’abri de la pollution.
Autres avantages: l’absence d’huile et la
CO2
SO2
NOx
345 400
2 200
900
Canada
1 870 000
8 400
4 700
Danemark
8 180 000
34 700
21 000
Etats-Unis
5 601 000
21 500
14 000
Suède
possibilité de confiner le champ électrique dans
le câble éliminent les risques traditionnellement
liés à l’installation des transformateurs HT dans
des immeubles de grande hauteur.
L’emploi de câbles et de jonctions HT en
milieu urbain, au lieu des lignes aériennes, peut
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Revue ABB 3/2000
aussi supprimer les éventuels risques associés
de l’environnement. Grâce à l’analyse du cycle
s’appuie très souvent sur deux exemples types
aux champs électriques ouverts, les parties HT
de vie (ACV), l'impact global d’un produit ou
d’analyse: le coût global et le bénéfice global
n’étant pas à découvert.
d’un système sur l’environnement se mesure à
de l’équipement.
chaque étape de son existence (extraction des
Si l’on se penche maintenant sur l’état de
Maintenance réduite
matières premières, production, utilisation et
l’art de la technologie des transformateurs, force
Constitué d’un plus petit nombre de composants,
destruction). Or, cet écobilan révèle que
est de constater que la plupart des fournisseurs
Dryformer ne demande que peu d’entretien tout
Dryformer est plus respectueux de l’environ-
offrent à peu près les mêmes performances et
en offrant une fiabilité et une disponibilité
nement que tout autre transformateur classique.
caractéristiques de fonctionnement. Or, le
Dryformer se démarque très nettement des
supérieures à celles des transformateurs classiques. En effet, l’absence d’huile simplifie et
Bilan technico-économique
transformateurs classiques et offre des atouts
accélère l’installation de l’appareil, comme elle
Avant d’investir dans une installation de puis-
décisifs qui vont bien au-delà du simple coût
élimine le risque d’explosion et d’incendie.
sance, il est d’usage de dresser un bilan
d’investissement initial et justifient largement le
économique global du poste électrique.
choix de cet appareil.
Protection de l’environnement
Plusieurs facteurs entrent alors en ligne de
L’évolution des transformateurs de type sec a
compte: investissement, recettes, coût d’ex-
coût d’un transformateur doivent être pris en
toujours été marquée par un souci permanent
ploitation du site, taux d’intérêt… Ce bilan
compte, au cas par cas:
Dans cette optique, plusieurs éléments du
4 Réduction des pertes avec Dryformer. En diminuant de 5 km la distance entre le transformateur et le
consommateur, il est possible d’utiliser un câble de 69 kV au lieu d’un câble de 24 kV (b), ce qui se traduit
par une économie totale, sur 30 ans, estimée à 8,5 GWh (soit 280 MWh/an).
Pertes GWh
(30 ans)
69 kV
69 kV
10
20
30
40
a
Câble 24 kV (~5 km)
Pertes GWh
(30 ans)
10
69 kV
20
30
b
Câble 69 kV
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Transmission and Distribution
■ Coûts relatifs au poste électrique (ex.,
l’isolation avec les autres constituants)
Perspectives
implantation géographique, disposition et
■ Impédance de court-circuit
C’est en décembre 1999 que le premier trans-
suppression de la cuve d’huile, etc.)
■ Évaluation des pertes
formateur sec Dryformer a été installé et mis en
■ Protection et supervision
■ Niveau de bruit
service, dans une centrale hydroélectrique de la
■ Installation
compagnie suédoise d’électricité Birka Energi,
■ Sécurité incendie (feu, explosion)
Conception mécanique
sur la côte orientale du pays. Cet appareil,
■ Pertes
Cette démarche d’optimisation peut aussi s’ap-
conçu pour une puissance assignée de 20 MVA
■ Fiabilité MTBF et MTTR
pliquer au volet mécanique de la conception et
et des tensions de 140/6,6 kV, est implanté
■ Impact sur l’environnement
répondre, par exemple, dans les deux cas de
dans un petit poste électrique urbain. Ce
A chaque cas correspondent des solutions de
figure suivants: les caractéristiques d’un vieux
concept urbain de poste a été développé pour
rechange. Un modèle d’évaluation des coûts a
transformateur ne satisfont pas aux exigences
les solutions à l’intérieur et dont la tension
été développé pour Dryformer qui permet de
d’un nouveau concept de poste électrique ou
assignée peut aller jusqu’à 170 kV. Les con-
calculer les économies totales pour chaque
un site particulier réclame une solution sur
nexions d’arrivée sont constituées de câbles
appel d’offres.
mesure.
et non de lignes aériennes.
1
2
Dès lors, plusieurs possibilités sont envisageables:
Le deuxième Dryformer (25 MVA, 78/11 kV)
Une priorité: optimiser
■ Une conception spécifique autorisant une
a été installé dans l’une des centrales hydro-
la conception
installation de l’enveloppe du transformateur à
électriques de la société Stora Energy, sur la
Les consultations sur les transformateurs sont
l’intérieur ou à l’extérieur,
rivière Ljusnan (centre de la Suède) en mai
souvent établies sur la base de spécifications
■ Un emplacement particulier du système de
2000.
anciennes, elles-mêmes fondées sur l’état du
refroidissement,
réseau il y a 10 ou 20 ans. Opter pour
■ Un emplacement particulier du changeur de
Dryformer, c’est profiter d’une occasion unique
prises, des extrémités, etc.
d’optimiser tant l’appareil que le réseau.
Auteurs
Dernières nouveautés: un
Conception électrique
changeur de prises en charge et
Sur demande, ABB peut optimiser le transfor-
des extrémités de câble à l’étude
mateur Dryformer afin de garantir sa parfaite
Si les premiers Dryformer se prêtaient
intégration au réseau existant. Cette démarche
parfaitement aux applications ne nécessitant
prend en compte les caractéristiques et
pas de changeurs de prises en charge, un
exigences du réseau, à savoir:
nouveau type de changeur de prises en charge
■ Puissance assignée
sec est à l’ordre du jour. Ce dispositif, ainsi
■ Tension assignée
qu’un nouveau type d’extrémités de câble sec,
■ Régulation de tension (nombre de prises,
également en cours de développement, seront
tension de prise)
présentés ultérieurement.
■ Niveaux d’isolation (coordination de
Thomas Andersson
Stefan Forsmark
ABB Transformers AB
Box 72
SE-771 80 Ludvika
Suède
[email protected]
[email protected]
Fax: +46 (0) 240 78 41 90
Albert Jaksts
ABB Corporate Research
SE-721 78 Västerås
Suède
[email protected]
Fax: +46 (0) 21 13 76 65
1 MTBF = moyenne des temps de bon fonctionnement
2 MTTR = moyenne des temps de réparation
Bibliographie
[1] M. Leijon: Powerformer™ – une machine tournante résolument neuve. Revue ABB 2/98, pp. 21-26.
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