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: 59 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 60 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 Revue ABB 3/2000 61 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 62 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 Revue ABB 3/2000 63 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. 64 Revue ABB 3/2000