Schéma de conception d'un transformateur pour les environnements désertiques à haute température | Répondre aux exigences strictes de la norme CEI 60076 et 55℃ Moyen-Orient

Je suis un ingénieur de l'équipe de conception de transformateurs de Zisheng Electric, avec de nombreuses années d'expérience dans la conception de transformateurs pour des environnements spéciaux. Aujourd'hui, j'aimerais avoir une discussion pratique avec nos clients et amis du Moyen-Orient : dans ce genre de chaleur du désert, comment les transformateurs doivent-ils être réellement conçus ?

1. Pourquoi l’environnement désertique à haute température nécessite-t-il une conception spéciale de transformateur ?

Examinons d'abord les données.

Dans la province orientale de l'Arabie saoudite, la température maximale extrême de l'air a atteint 53,5 ℃. La température à la surface du sol ? 79,8 ℃. La situation à Abu Dhabi, aux Émirats arabes unis, est légèrement meilleure, avec une température de l'air de 52,8 ℃ et une température de la surface du sol de 76,5 ℃. Le Koweït et le Qatar sont similaires. Le nombre annuel de jours de tempête de sable est de 28 jours en Arabie Saoudite et de 35 jours au Koweït. La différence de température quotidienne maximale peut atteindre 28 à 30 ℃.

Les données suivantes sont basées sur des informations météorologiques accessibles au public, ainsi que sur les conditions environnementales réelles du site collectées lors de plusieurs projets au Moyen-Orient auxquels nous avons participé.

En regardant ces chiffres, il devient clair que les transformateurs conçus pour des conditions environnementales normales peuvent connaître des marges d'échauffement insuffisantes et un vieillissement accéléré de l'isolation dans des conditions continues de températures élevées et de forte poussière.

2. L'impact d'une température ambiante de 55 ℃ sur les transformateurs

Ce n’est pas la fin de l’histoire. Lorsque la température de l’air augmente, la densité de l’air diminue. À 45 ℃, la densité de l’air est environ 8 % inférieure à celle de 20 ℃. Quelle que soit la puissance du radiateur, la chaleur ne peut pas être évacuée efficacement lorsque l’air se raréfie. De plus, lorsque le sable et la poussière s'accumulent sur les ailettes de refroidissement, l'efficacité de la dissipation thermique continue de diminuer.

Les composants d'étanchéité en caoutchouc nitrile conventionnels peuvent subir un durcissement, un vieillissement et des performances d'étanchéité réduites en cas d'exposition à long terme à des températures élevées, aux rayons ultraviolets et à des environnements de sable et de poussière. Des fuites d'huile peuvent se produire, le niveau d'huile peut baisser et les enroulements exposés peuvent souffrir de la pénétration d'humidité et de l'oxydation. Pendant combien d’années encore un tel équipement peut-il continuer à fonctionner ?

Reste ensuite le problème du sable et de la poussière. Des poussières conductrices peuvent s’accumuler à la surface des composants isolants. Dans des conditions sèches, l'impact peut être limité, mais lorsque la condensation se produit le matin et le soir, un écoulement en surface peut se développer. Dans les cas graves, un contournement de la traversée peut se produire, entraînant un déclenchement direct.

Il ne suffit donc pas de simplement transporter un transformateur standard dans un environnement désertique et de le mettre en service. La conception nécessite des modifications majeures.

3. Vieillissement thermique et contrôle de la température des points chauds selon CEI 60076-7

La CEI 60076-7 introduit la règle des six degrés. Qu'est-ce que cela signifie? Selon le modèle de vieillissement thermique CEI 60076-7 , la durée de vie de l'isolation diminue considérablement à mesure que la température du point chaud de l'enroulement augmente. Dans la pratique de l'ingénierie, une relation empirique d'une augmentation de température d'environ 8K correspondant à une réduction de moitié de la durée de vie de l'isolation est couramment utilisée pour l'évaluation. Sous une température ambiante de 55 ℃, la température du point chaud du bobinage peut rapidement approcher 110 ℃ ou même plus. Si la température du point chaud reste longtemps supérieure à la limite de conception, le vieillissement de l’isolation s’accélère considérablement.

4. Conception de refroidissement dans les environnements désertiques du Moyen-Orient

Parlons d’abord de la zone de dissipation thermique.

Dans les conceptions conventionnelles, on utilise généralement entre 0,8 et 1,2 mètres carrés de surface de dissipation thermique par kilowatt de perte, ce qui convient aux climats tempérés. Pour les conditions d'exploitation au Moyen-Orient, nous augmentons directement cette valeur entre 1,8 et 2,3 mètres carrés par kilowatt.

Regardons un calcul réel. Un projet de sous-station au Qatar utilisait un transformateur de 20 000 kVA, 132 kV. La perte totale était de 142 kW. La température ambiante a été considérée comme étant de 50 ℃ et la température maximale autorisée de l'huile a été fixée à 95 ℃ – plutôt que de fonctionner à proximité de 105 ℃, laissant une marge de conception supplémentaire.

Surface de dissipation thermique requise :
S = 142000 / (10 × 45) ≈ 316 m⊃2 ;

La conception finale utilisait 338 m², offrant une marge supplémentaire de 7 %. La largeur du radiateur a été augmentée de 480 mm à 600 mm et l'espacement entre les ailettes a été augmenté de 50 mm à 70 mm. Pourquoi? Parce que le sable et la poussière sont moins susceptibles de s’accumuler dans les interstices et que le flux d’air peut facilement les éliminer.

Le réservoir d’huile utilise une conception à paroi ondulée entièrement scellée. La paroi ondulée assure la dissipation de la chaleur et absorbe également la dilatation et la contraction thermique de l'huile grâce à la déformation élastique des plaques ondulées. Il n’est pas nécessaire de recourir à un reniflard pour aspirer l’air extérieur.

De cette manière, l’huile isolante est isolée du milieu extérieur. L'humidité ne peut pas pénétrer, le sable et la poussière ne peuvent pas pénétrer et la qualité du pétrole peut rester stable pendant plus de dix ans.

5. Sélection de la méthode de refroidissement : ONAN, ONAF, OFAF

Pour la méthode de refroidissement , je fournirai un tableau de référence direct.

Un client omanais possédait un transformateur de 12,5 MVA. Au départ, ils voulaient économiser sur les coûts d’installation des ventilateurs. Je leur ai demandé de calculer l'impact opérationnel réel. Durant les trois mois les plus chauds, sans ventilateurs, la température maximale de l'huile était de 13 à 15 degrés plus élevée que lorsque les ventilateurs fonctionnaient. Selon le modèle de vieillissement de la CEI, un fonctionnement à long terme à des températures élevées augmente considérablement la vitesse de vieillissement de l'isolation et réduit la marge de durée de vie nominale de l'équipement. Plus tard, ils ont modifié la conception et le transformateur a fonctionné pendant plus de quatre ans sans aucun problème.

6. Protection contre le sable, la poussière, l'humidité et conception d'étanchéité

Protection contre le sable et la poussière : les bandes d'étanchéité ne constituent qu'une mesure de base.

Toutes les interfaces externes doivent être équipées de capots de protection contre la poussière. Les couvercles à persiennes installés à l'extérieur des radiateurs et des ventilateurs sont conçus avec un angle d'inclinaison de 35°. Cet angle a été vérifié par analyse CFD. Il bloque le sable tout en maintenant la perte de débit d'air à moins de 6 %. L'efficacité d'interception mesurée atteint 92%.

La soupape de surpression doit également être équipée d'un capuchon anti-poussière. Pourquoi? Parce que du sable et de la poussière peuvent s'accumuler sur le disque de la vanne, l'empêchant de s'ouvrir correctement lorsqu'une décompression est réellement nécessaire. À mesure que la pression interne du réservoir de pétrole augmente, les conséquences peuvent aller de la déformation à, dans les cas graves, la rupture.

La structure double couche que nous avons développée se compose d’un écran extérieur en acier inoxydable de 200 mailles. Dans un environnement de tempête de sable, les ouvertures des mailles peuvent être progressivement obstruées par du sable fin ; au fil du temps, la zone d'écoulement d'échappement effective continue de diminuer, provoquant une augmentation progressive de la contre-pression pendant la décompression de défaut. La membrane interne en PTFE bloque les particules fines, tandis qu'une cavité de 5 mm est réservée entre les couches comme zone tampon.

La ligne de fuite des traversées doit être augmentée. Une valeur de 4 100 mm est légèrement inférieure à la valeur minimale théorique de 4 495 mm pour le niveau de pollution CEI Classe IV. Il s'agit d'une configuration renforcée proche des exigences de classe IV, mais elle ne répond pas entièrement à la configuration standard complète de la classe IV de la CEI . Par conséquent, les documents d'appel d'offres ne doivent pas indiquer directement « conforme au niveau de pollution de classe IV » ; à la place, ils devraient indiquer : « Conçu selon les principes de pollution de classe IV de la CEI, avec un rapport de ligne de fuite d'au moins 28,3 mm/kV. » 800 mm supplémentaires ont été ajoutés. Bien que la hauteur de la traversée ait augmenté de 150 mm, même en cas de fortes tempêtes de sable, la tension de contournement superficiel peut toujours résister aux conditions difficiles.

Pour l'étanchéité des composants , du caoutchouc fluoré est utilisé à la place du caoutchouc nitrile.

Le caoutchouc fluoré coûte trois fois plus cher que le caoutchouc nitrile. Est-ce que ça vaut le coup ? Regardez les projets au Moyen-Orient qui utilisent des joints en nitrile depuis cinq ans. Une fois le printemps arrivé, l’huile s’échappe des joints du couvercle comme de la transpiration. Les préposés à l'entretien passent toute la journée à nettoyer l'huile. Lorsque les coûts de main-d’œuvre, les pertes de pétrole et les pertes liées aux pannes de courant sont combinés, la différence de coût supplémentaire a déjà été récupérée.

7. Sélection des matériaux d'isolation et de l'huile isolante

Pour la classe thermique d'isolation , on part directement de la classe F, 155℃. Pour les transformateurs de grande capacité, nous utilisons la classe H, 180℃. Pour les projets avec une température ambiante de 55 ℃, une isolation de classe thermique plus élevée est généralement requise pour augmenter la marge de température du point chaud .

Un projet de dessalement de l'eau de mer en Arabie Saoudite disposait de deux transformateurs de 37,5 MVA et le propriétaire avait spécifié que pour une isolation de classe H . du papier aramide Nomex était utilisé. C'était cher. Mais le coût d’une journée d’arrêt s’élevait à trois millions de dollars américains. Cet investissement en valait-il la peine ?

Le choix de l'huile isolante dépend du niveau de tension.

Pour les transformateurs de 35 kV et moins, une huile minérale isolante est utilisée. ASTM D3487 de type II L'huile minérale inhibée est sélectionnée, offrant une excellente stabilité à l'oxydation ; le point d'éclair en coupe ouverte n'est pas inférieur à 155 ℃. La principale différence entre le type I et le type II réside dans la teneur en additifs antioxydants. Le type II est plus adapté à un fonctionnement à long terme dans des environnements désertiques à haute température, contribuant à ralentir la formation de boues et l'augmentation de l'indice d'acide.

Pour les transformateurs de 66 kV et plus, lorsque le budget le permet et que les exigences en matière de sécurité incendie et environnementales sont plus élevées, une huile isolante à base d'ester naturel (IEC 62770) peut être sélectionnée. Il est classé comme fluide moins inflammable de classe K selon la norme CEI 61100, avec un point d'incendie non inférieur à 300 ℃. L'ester naturel a une solubilité dans l'eau beaucoup plus élevée que l'huile minérale, ce qui contribue à retarder le vieillissement thermique de l'isolant cellulosique et offre une excellente biodégradabilité.

Pour les charges critiques (hôpitaux, aéroports et centres de données), l’ester synthétique est le choix le plus fiable. C'est tout simplement plus cher.

La densité du flux magnétique est contrôlée en dessous de 1,55T. Certains modèles le poussent jusqu'à 1,7T. Nous adoptons une approche plus conservatrice. La réduction de la densité du flux magnétique augmente le poids du noyau d'environ 7 à 12 %, ce qui signifie plusieurs dizaines de milliers de yuans de plus en coût de l'acier au silicium. Cependant, ce noyau fonctionne à plusieurs degrés de moins qu'une conception à haute densité de flux dans des conditions ambiantes de 50 ℃. Un noyau plus froid profite également aux enroulements environnants.

8. Tests en usine et vérification de la fiabilité sur le terrain

Données réelles mesurées à partir d'un transformateur désert de 20 000 kVA/132 kV :

Points clés lors de la supervision d’usine :

Assurer une mise à la terre en un seul point du noyau du transformateur et vérifier si les entrefers sont uniformes. Certains fabricants précipitent les calendriers de production et rognent sur les raccourcis. La surchauffe locale du noyau peut atteindre plus de 70 ℃ et une fois que le transformateur quitte l'usine, elle ne peut pas être corrigée.

Le séchage sous vide doit durer plus de 72 heures, avec un débit d'évacuation d'eau contrôlé inférieur à 0,3 %. Pour les unités terminées après seulement 48 heures de séchage, l'humidité peut ne pas être complètement éliminée. Après la mise en service et le chauffage, l'humidité peut à nouveau être évacuée, réduisant ainsi la résistance de l'isolation d'un niveau.

Pendant le remplissage d'huile, maintenez un niveau de vide inférieur à 50 Pa pendant 12 heures avant de commencer. La vitesse de remplissage d'huile ne doit pas dépasser 1,5 tonne par heure. Si la vitesse est trop élevée, un test de taux de fuite sous vide doit être effectué pour éviter les fuites de gaz dans le système. Vérifier uniquement le niveau de vide sans vérifier le taux de fuite peut conduire à des résultats trompeurs. Après le remplissage, laissez le transformateur reposer pendant 72 heures avant d'effectuer des tests d'analyse de l'huile.

La tension de claquage ne doit pas être inférieure à 60 kV/2,5 mm.

La déclaration précédente « Perte diélectrique tanδ≤0,3 % » est incorrecte : pour une huile minérale neuve à 90℃, la limite standard du facteur de dissipation diélectrique est tanδ≤0,005 (0,5 % ? Non, elle est de 0,5‰, 0,005) . Une valeur de 0,3 % (0,003) est déjà proche du niveau d'une huile de fonctionnement vieillie ; la nouvelle huile devrait fonctionner bien mieux que cela.

Tests spéciaux supplémentaires (exigences non obligatoires de la norme CEI 60076, mais tests spéciaux personnalisés pour ce projet du désert)

(1) Test de charge simulée à long terme à haute température

Le transformateur, y compris le radiateur complet et le système de refroidissement, est placé à l’intérieur d’une chambre d’essai environnemental. La température de l'air d'entrée à l'intérieur de la chambre est maintenue à ≥45℃ et le transformateur fonctionne en continu à 1,1 fois la charge nominale pendant 72 heures.

Pendant tout le processus de test, la température supérieure de l'huile et la température du point chaud du bobinage sont surveillées en permanence. La limite de protection des points chauds est fixée à 120 ℃ maximum et le test doit être terminé si la limite est dépassée.

Avant et après le test, les inspections suivantes sont effectuées respectivement : décharge partielle, analyse des gaz dissous dans l'huile (DGA), perte diélectrique de l'huile et analyse de la déformation de l'enroulement SFRA.

Critères d'acceptation : Tous les paramètres de température doivent rester dans les limites admissibles de conception. Aucune génération anormale de gaz ne doit être détectée par la DGA avant et après l’essai. La décharge partielle ne doit montrer aucune augmentation significative et aucune déformation anormale de l'enroulement ne doit être détectée.

Explication : Ce test vérifie la marge thermique dans des conditions de fonctionnement à haute température et améliore la fiabilité pour un fonctionnement à pleine charge à une température ambiante de 50 ℃. Cela ne modifie pas la capacité nominale indiquée sur la plaque signalétique du transformateur.

(2) Test de simulation d'étanchéité au sable et à la poussière

La poussière fine d’essai d’Arizona ISO 12103-1 A2 est utilisée. Une chambre scellée à sable et à poussière est utilisée pour simuler les conditions de sable soufflé par le vent, combinée à des cycles de respiration de température et de pression pour simuler l'effet respiratoire jour-nuit du réservoir de pétrole. La durée du test est de 2 heures.

Une fois le test terminé, toutes les zones d'étanchéité, y compris les brides, les trous d'homme, les vannes, les soupapes de surpression et autres composants, sont démontées et inspectées.

Les surfaces intérieures des brides sont essuyées et inspectées. Aucune poussière ne doit pénétrer dans la chambre d’huile interne du réservoir. Les films d'accumulation de poussière visibles et continus ne sont pas autorisés sur les surfaces d'étanchéité intérieures ; seules des quantités extrêmement faibles de poussière flottante ponctuelle isolée sont acceptables.

Après le test, des tests de décharge partielle et d'analyse d'huile sont répétés pour confirmer qu'aucune poussière n'est entrée dans la chambre à huile et n'a contaminé le système d'isolation.

Vous dites que l'équipement devrait survivre vingt ans dans le désert. Est-ce vraiment excessif de passer deux jours supplémentaires à faire des tests supplémentaires ?

9. Cas de projets au Moyen-Orient

Plusieurs vrais projets :

Projet d'expansion pétrochimique de la province orientale de l'Arabie saoudite : deux unités de transformateurs de 25 000 kVA/115 kV. Isolation classe F, refroidissement ONAF , huile minérale de type II. De juin 2022 à aujourd’hui, ils ont terminé leur quatrième été. En juillet de l'année dernière, la température a dépassé 50 ℃ en continu pendant 12 jours et la température maximale de l'huile supérieure a atteint 87 ℃. Le responsable d'exploitation de l'utilisateur a déclaré : « Votre transformateur est le seul équipement majeur de tout le site à n'avoir jamais déclenché d'alarme de température. »

Projet de centrale photovoltaïque d'Abou Dhabi, Émirats arabes unis : une unité de transformateur de 40 000 kVA/33 kV. Isolation de classe H, refroidissement OFAF et base d'ester naturel . huile isolante à Il fonctionne à pleine production le jour et presque à vide la nuit, ce qui entraîne d'importantes fluctuations de charge. Nous avons configuré une plage de régulation de tension OLTC de ± 12 %, avec un réglage de tension par incréments de 1,5 %. Le transformateur effectue chaque jour plus de vingt réglages automatiques de tension et a fonctionné sans panne.

Projet d'approvisionnement centralisé de la sous-station du Qatar : sept transformateurs, allant de 5 MVA à 20 MVA. Livré en 2021 et opérationnel jusqu'à présent, la disponibilité globale atteint 99,87 %. Le seul arrêt s'est produit parce qu'une ligne aérienne externe a été endommagée par un véhicule de construction, sans rapport avec le transformateur lui-même.

10. Questions courantes et recommandations de sélection

Plusieurs questions fréquemment posées :

Combien coûte un transformateur désert par rapport à un transformateur standard ?

Environ 20 à 35 %. Les raisons incluent des zones de dissipation thermique plus grandes, des classes d'isolation plus élevées, des composants d'étanchéité en caoutchouc fluoré plus coûteux et des structures de réservoirs d'huile plus complexes et entièrement étanches. Cependant, les transformateurs ordinaires ne durent que 8 à 10 ans dans des environnements désertiques, alors que notre objectif de conception est de 25 à 30 ans. En moyenne sur la durée de vie, lequel est réellement le plus économique ?

Qu'en est-il du délai de livraison ?

Pour les transformateurs conventionnels inférieurs à 20 MVA, le délai de livraison est généralement de 90 à 100 jours, soit environ 15 jours de plus que les produits standards. Le temps supplémentaire est principalement requis pour des tests supplémentaires. Pour les projets urgents, une communication précoce est recommandée ; le délai de livraison le plus court peut être réduit à environ 75 jours.

Existe-t-il des exigences particulières pour l'installation sur site ?

Oui. Avant le remplissage d'huile, l'intérieur du réservoir doit être purgé avec de l'azote sec pour éliminer l'humidité introduite pendant le transport. Après avoir installé le radiateur, de l'air comprimé doit être utilisé pour souffler les ailettes du radiateur de l'intérieur vers l'extérieur afin d'éliminer la poussière et le sable accumulés. Ces deux étapes peuvent réduire la température de fonctionnement initiale de 3 à 5 ℃.

Comment les pièces de rechange sont-elles fournies ?

Un entrepôt est disponible dans la zone franche de Jebel Ali, à Dubaï. Les bagues d'étanchéité, les indicateurs de niveau d'huile, les thermomètres, les soupapes de surpression et les moteurs de ventilateurs peuvent être livrés sous 48 heures dans les six pays du Golfe. Les gros composants sont expédiés depuis la Chine, le transport combiné mer-air prenant 7 à 10 jours.

L'analyse du furane s'applique uniquement aux isolants en papier de cellulose (classe A, les transformateurs à huile minérale étant l'application principale).

Pour les transformateurs utilisant une isolation en papier aramide (Classe H / Classe F) : l'aramide ne génère pas de composés furanniques , les indicateurs de furane ne sont donc pas applicables et ne peuvent pas être utilisés pour évaluer le vieillissement de l'isolation aramide.

Le furane peut être adsorbé. Si une filtration sur charbon actif ou un traitement de régénération d'huile a déjà été effectué, le furane peut être éliminé, ce qui entraîne des valeurs mesurées plus faibles. Cela peut créer la fausse impression que « les niveaux de furane ne sont pas élevés, mais que l’isolation en papier a déjà vieilli. »

Une évaluation multiparamétrique complète est requise, comprenant :

• Teneur en furane

• Indice d'acide de l'huile

• Degré de polymérisation (DP) — échantillonnage du papier lors de l'inspection, qui est la méthode la plus fiable

• Analyse DGA (teneur en CO, CO₂)

• Résistance CC

• Perte diélectrique

Une décision ne devrait jamais être prise sur la base d’un seul indicateur du furane.

11. À propos de l'assistance électrique et technique de Zisheng

Après avoir tant parlé, la conclusion n’est en fait qu’une phrase.

La capacité de l’équipement à résister à l’environnement désertique ne dépend pas de la qualité exceptionnelle d’un seul aspect. Cela dépend si chaque détail a été soigneusement étudié, sans compromis.

Lorsque les matériaux sont sélectionnés correctement, que les tests sont effectués minutieusement et qu'aucun raccourci n'est pris, la fiabilité s'accompagne de confiance.

Nous travaillons sur le marché du Moyen-Orient depuis 13 ans et livrons 40 à 50 unités chaque année. Nous ne sommes pas le fournisseur le moins cher, mais notre réputation s'est bâtie au fil des projets et des transformateurs.

Nos produits couvrent transformateurs immergés dans l'huile, transformateurs de sous-station, transformateurs sur socle, transformateurs sur poteaux, transformateurs de type sec , et autres équipements de distribution d'énergie . Nous détenons 22 brevets de modèles d'utilité et 3 droits d'auteur sur les logiciels , avons passé la certification du système de gestion de la qualité ISO 9001 et nous conformons aux CEI pertinente. exigences de la norme

nous pouvons fournir une solution initiale dans les 24 heures , comprenant : Sélection de l'équipement, Calcul des pertes de ligne, Estimation du retour sur investissement

Trente degrés est une température confortable pour les gens. Plus de cinquante degrés est la température à laquelle les équipements doivent lutter pour continuer à fonctionner.

Pour les projets confrontés à des défis de sélection d'équipement, ou pour les équipements rencontrant des problèmes mineurs fréquents pendant les périodes de haute température, veuillez nous contacter directement via notre site officiel. Notre équipe technique vous apportera une première réponse dans les 24 heures.

Zisheng électrique. Né pour les environnements extrêmes.