Comportement au feu des transformateurs

Technologies des transformateurs
Pour le raccordement au réseau des éoliennes, le courant produit doit être transformé
en moyenne tension par un transformateur élévateur de distribution. Ce transformateur
peut être installé à l’extérieur des éoliennes dans une sous-station ou sur une dalle de
béton. Pour une installation à l’intérieur de la tour ou dans la nacelle, les fabricants
d’éoliennes ont le choix entre les transformateurs secs et les transformateurs refroidis
par liquide à haute température. On utilise déjà les transformateurs secs dans les
éoliennes en raison de leur comportement au feu et leurs dimensions compactes.
Récemment, on a mis au point des transformateurs à refroidissement liquide à haute
température, tels que les SLIM®, utilisant un liquide ignifuge pour les éoliennes
multi-mégawatts en raison de leur compacité, de leurs performances et de leur grande
fiabilité. Le système d’isolation fait appel à un liquide silicone et à du NOMEX®, une
fibre isolante résistant aux températures élevées.
Caractéristiques fonctionnelles
Les caractéristiques électriques fonctionnelles des deux technologies sont les
mêmes et les deux technologies peuvent répondre aux exigences nécessaires pour
une éolienne multi-mégawatt : une basse tension, une tension élevée, la puissance,
l’impédance, les pertes en charge, les pertes à vide. Le concept à température élevée
présente des avantages supplémentaires :
> En moyenne, les pertes à vide des transformateurs à refroidissement liquide sont
50 % plus basses, ce qui permet des économies significatives.
> Avec les produits isolants résistant aux températures élevées, les nouveaux trans-
formateurs peuvent être nettement plus compacts et offrir une fiabilité thermique
accrue.
> Exemple : transformateur élévateur 4MVA SLIM® avec 2 tensions basses 3300V et
690V, une haute tension de 33kV à des dimensions suivantes : Lxlxh : 2800 x 1400
x 2100 mm. Les pertes en charge peuvent descendre à 23 kW et les pertes à vide à
6 kW.
Conditions d’exploitation
Dans une éolienne, l’environnement électrique d’un transformateur élévateur est aussi
différent :
> Davantage de surtensions de manœuvre avec des surtensions transitoires rapides
dans les enroulements et des chutes de tension du système;
> Un résidu harmonique plus élevé;
> Une surinduction due à des variations de tension et de fréquence.
Avec les transformateurs utilisant des systèmes d’isolation ouverts comme les
transformateurs secs, on recommande un filtrage et un séchage de l’air de refroi-
dissement ainsi qu’une maintenance périodique surtout dans les environnements
humides et salins.
> Pour les installations dans la nacelle, des vibrations avec une plage de fréquence
de 5 à 250 Hz. Eu égard à toutes ces contraintes, les fabricants de transformateurs
considèrent comme plus fiables les transformateurs à refroidissement liquide.
Évaluation des risques et normes
Les probabilités d’une panne de transformateur sont très faibles. Cette affirmation est
amplement justifiée par notre expérience (plus de 10.000 transformateurs installés
dans des éoliennes), les informations en retour et les évaluations des utilisateurs dans
le monde. Les temps moyens entre pannes pour les transformateurs à refroidissement
liquide dépassent les 500 ans.
L’International Standard CEI 60695-1-40 « Essais relatif aux risques du feu - Lignes
directrices pour l’évaluation des risques du feu des produits électrotechniques -
isolants liquides » confirme la bonne tenue au feu des transformateurs à refroidisse-
ment liquide et que les incidents sont très rares. Les transformateurs conventionnels
Comportement au feu des transformateurs
Les défis des transformateurs élévateurs et des sous-stations fiables pour les éoliennes multi-mégawatts
t°
20’ 40’ temps
feu rayonnement
+
rayonnement
Profil de température appliquée au
transformateur par une exposition au
feu et à un rayonnement thermique
Transformateur ignifuge :
n’a pas participé à l’incendie
Le transformateur a participé
partiellement à l’incendie,
le feu s’est éteint lentement
Transformateur non ignifuge :
participe grandement à l’incendie,
le feu ne s’éteint pas
> Transformateur à refroidisse-
ment liquide à haute tempéra-
ture après l’essai au feu.
> Transformateur sec
après l’essai au feu.
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> Transformateur sec soumis au feu et au rayonnement de panneaux
thermiques après 2 min.
> Après 40 min. pas de chaleur externe générée. Le transformateur
continue de brûler pendant plus d’une heure.
> Transformateur à refroidissement liquide à haute température après
6 min. Les grandes flammes s’expliquent par l’absence d’air entre
les ailettes de refroidissement et l’alcool brûle au-dessus des ailettes
de refroidissement.
> Après 15 min. Seul l’alcool brûle. Plus tard, le feu s’éteint.
Transformateur sec
Transformateur à refroidissement liquide
à haute température
utilisent une huile minérale O1 liquide (liquide ayant un point de feu < 300°C et une
valeur calorifique nette > 42 MJ/kg). Les transformateurs SLIM® utilisent un liquide
silicone et sont classés dans la catégorie K3 (liquide ayant un point de feu > 300°C
et une valeur calorifique nette < 32 MJ/kg). Le guide CEI indique que les risques
d’incendie résultant des transformateurs à refroidissement liquide de la classe K
(comme un silicone) sont nuls. Rappelons que 150.000 transformateurs de ce type
sont en service depuis la fin des années ‘70. Dans le cas d’un transformateur sec, le
comportement au feu est classé F0 ou F1 selon la norme Cenelec EN 60076-11 pour
laquelle un essai est réalisé avec une série d’enroulements basse et haute tension.
Essai au feu grandeur nature avec des transformateurs élévateurs
Deux transformateurs ont fait l’objet d’essais chez Ineris, en France, à savoir un
transformateur enrobé de résine 1MVA 20kV 400 V ayant des propriétés au feu F1 et
un transformateur 1.1MVA 10kV 400V SLIM®.
Les transformateurs ont été placés dans un environnement thermique agressif
caractérisé par un feu à l’alcool brûlant sous les transformateurs pendant 20 minutes
et le rayonnement de deux panneaux sur les parois latérales pendant 40 minutes
d’une capacité thermique de 30 kW/m2. Remarquez que cet essai utilise les mêmes
conditions que la norme, mais la norme se limite à un enroulement d’un transforma-
teur sec. Le profil de température et les caractéristiques d’auto-extinction déterminent
la classification de sécurité incendie.
Évaluation du transformateur sec
Après démarrage du feu et des panneaux rayonnants, le transformateur a commencé
à se consumer et à dégager de la fumée après six minutes. La température du feu ex-
terne était de 400°C tandis que la température de l’enroulement central était comprise
entre 800 et 870 °C après 8 minutes. Cette température a baissé doucement à 700°C
à la fin du rayonnement et à continué de baisser jusqu’à 400°C, le transformateur
continuant de se consumer pendant plus d’une heure et produisant une épaisse fumée
noire.
Évaluation des transformateurs SLIM® et Bio-SLIM®
Le transformateur refroidi par liquide à haute température a été exposé aux mêmes
conditions de feu et de rayonnement thermique. La chaleur générée s’est traduite
par des températures externes de 500 - 600°C et des températures internes de
260°C. Suite à la dilatation thermique du liquide, la pression est montée à 1,6 bar
sans entraîner une rupture de la cuve. L’extérieur du transformateur n’a pas subi des
dommages importants. Le transformateur n’a pas contribué au feu externe. Pour ouvrir
le transformateur et constater des effets, il faudrait le soumettre à un feu plus intense.
Néanmoins, on peut s’attendre à l’apparition de petites fuites sans rupture de la cuve.
Conclusions
> Différentes technologies de transformateurs sont disponibles pour les éoliennes
multi-mégawatts.
> Les dimensions, les pertes, la fiabilité (MTBF), la protection, l’environnement
électrique sont des éléments importants car les conditions d’exploitation dans une
éolienne sont exigeantes !
> Le comportement au feu des transformateurs secs et des transformateurs à refroi-
dissement liquide à haute température est comparable.
> Une protection et une prévention appropriées sont toujours nécessaires indépen-
damment de la technologie du transformateur.
> D’autres composants des éoliennes subissent aussi une exposition au feu
(nacelle, pale, câbles, isolation de la génératrice, huile du boîtier d’engrenages).
Contact
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