Composants Clés et Fonctionnement d'un Transformateur

Enroulements (Primaire et Secondaire)

Les enroulements (primaire et secondaire) sont des conducteurs électriques enroulés soigneusement sur un noyau de fer. L'enroulement primaire est connecté à une source d'énergie, tandis que l'enroulement secondaire est toujours relié à la charge et sa source d'énergie est induite à partir du primaire.

En pratique, le rapport de transformation dépend uniquement du nombre de tours dans la bobine primaire (N1) et secondaire (N2).

Le Noyau du Transformateur

L'importance du noyau est essentielle car il permet la circulation du flux magnétique de l'enroulement primaire au secondaire.

Il est composé de laminés (pour la réduction des courants de Foucault) de ferrosilicium isolés et se chevauchent pour former un bloc de fer concentré. Les deux bobines et le noyau doivent être isolés les uns des autres. Les matériaux employés pour l'isolation sont le papier, le carton et la peinture, et pour son support, le bois. L'ensemble est serré et pressé pour empêcher le bruit et les vibrations.

L'Huile Isolante

En général, les transformateurs de haute tension sont immergés dans l'huile isolante, qui vise à fournir un milieu isolant entre les pièces sous tension et à transférer la chaleur du noyau et des bobinages vers l'extérieur de la cuve.

Les principaux liquides isolants utilisés étaient les Ascarels (maintenant interdits en raison de leur impact environnemental), le silicone et l'huile minérale isolante dérivée du pétrole.

Le Réservoir Principal

C'est à travers le réservoir que le transfert de chaleur du noyau et des bobinages par l'huile isolante est dissipé. Les réservoirs sont faits de tôles de fer renforcées, car leur fonction est également de supporter la partie active du transformateur.

Les Radiateurs

Les radiateurs sont fixés à l'extérieur du réservoir et sont destinés à aider à refroidir l'huile isolante en transférant la chaleur vers l'extérieur de la cuve. Ils sont réalisés en tôles, avec des ailettes ouvertes à leurs extrémités, ce qui permet le mouvement de l'huile à l'intérieur, faisant monter l'huile la plus chaude et redescendre l'huile refroidie.

Vase d'Expansion (Conservateur)

Employé dans le but de compenser les variations de volume d'huile dans le réservoir, dues aux variations de température à l'intérieur du transformateur, en fonction des variations de la charge. Installé à l'extérieur et au point le plus haut du transformateur, il reçoit le volume d'huile lors de son expansion et le restitue lors de sa contraction (en général, le volume d'huile dans le conservateur devrait être d'environ 25 à 50% de sa capacité).

Indicateur de Niveau d'Huile

Il vise à indiquer le volume d'huile dans le réservoir. Il peut être installé à l'extrémité du conservateur ou dans le réservoir (lorsque le transformateur n'a pas de conservateur). Dans les transformateurs avec conservateur, l'indicateur de niveau d'huile est accompagné d'un contact (type micro-switch), dans le but de signaler une alarme si le volume d'huile atteint un point critique pour le fonctionnement du transformateur.

Sécheur d'Air (Gel de Silice)

L'air qui entre et sort du conservateur, accompagnant les changements de volume d'huile, passe par le sécheur d'air, le laissant déshumidifié. Le sécheur d'air est un tube qui se dirige vers le conservateur, contenant une quantité de cristaux de gel de silice, qui possède la propriété d'absorber l'humidité. Bien que dans des conditions normales, le gel de silice soit bleu, après sa saturation par l'absorption d'humidité, il change de couleur, devenant rose, et peut être régénéré après avoir été chauffé.

Le Thermomètre d'Huile

Étant donné que l'huile est un élément de transmission de la température à l'intérieur du transformateur, ce contrôle se fait par le thermomètre d'huile. Le thermomètre est constitué d'une ampoule contenant du mercure qui, en chauffant, se dilate à travers un tube capillaire, actionnant les pointeurs qui enregistrent la température. Typiquement, le thermomètre de température d'huile possède un pointeur pour enregistrer la température et un autre contact pour déclencher les ventilateurs (si le transformateur a un refroidissement forcé).

Thermomètre de Bobinage (Simulation Thermique)

Le bobinage est l'endroit le plus chaud de l'équipement et celui qui chauffe le plus rapidement (cette température est liée à la charge du transformateur). Une température élevée détériore le matériau isolant. La mesure se fait indirectement par l'intermédiaire de la charge / température. Un transformateur de courant (CT) est installé en série avec l'enroulement primaire du transformateur. Ses bornes secondaires sont également connectées en série avec une résistance. L'ensemble est placé dans un bol rempli d'huile. Avec l'augmentation de la charge sur le transformateur, le courant électrique circulant dans le bobinage a tendance à augmenter, augmentant également dans le CT, ce qui, à son tour, chauffe la résistance et l'huile du bol, provoquant la dilatation du tube capillaire de mercure et ainsi le déplacement du pointeur sur le thermomètre. Lorsque cette température atteint des valeurs élevées, un contact est déclenché, envoyant des alarmes. Si la température continue d'augmenter, le transformateur est mis hors circuit par un autre contact, ce qui déclenche le système de protection, ouvrant le disjoncteur et isolant le transformateur.

Soupape de Surpression / Tube d'Explosion

Le tube d'explosion est destiné à protéger le transformateur contre les pressions excessives qui peuvent se produire à l'intérieur en raison de la formation d'un arc ou d'une défaillance d'isolation. Il se compose d'un tube courbé monté sur le couvercle supérieur du transformateur. Sous l'effet de la pression interne, une membrane en verre se casse, permettant de dépressuriser le réservoir. Actuellement, sur les transformateurs de haute tension, ces tubes sont remplacés par la soupape de sécurité (soupape de décharge).

Relais de Gaz Buchholz

Dispositif destiné à protéger les transformateurs à bain d'huile contre les défauts internes qui se manifestent par un mouvement brusque d'huile ou un court-circuit. En cas de défaut, il y a une dégradation de l'isolation dans les transformateurs, provoquant des bulles de gaz (parfois inflammables). Situé entre le réservoir et le conservateur, le relais est équipé de deux flotteurs :

• Un flotteur pour détecter le flux de gaz faible (ce qui déclenche une alarme sonore ou lumineuse).
• Un autre flotteur (actionné par un flux élevé et constant de gaz) qui désactive le transformateur via le disjoncteur, l'isolant et empêchant son inflammation.

Douilles et Isolateurs

La fonction de base des douilles ou des isolateurs dans les équipements électriques est de fournir une isolation électrique entre le conducteur sous tension et la masse de l'équipement. Les matériaux les plus utilisés dans leur construction sont la porcelaine et le verre.

En ce qui concerne les caractéristiques, ils peuvent être :

• Rigides
• À suspension

En ce qui concerne leur type, on trouve :

• Isolateurs à broches
• Isolateurs piédestaux
• Isolateurs de support
• Isolateurs de traversée

Systèmes de Refroidissement

Pour éviter que la température de l'isolation des transformateurs n'atteigne des valeurs dangereuses, on utilise différents procédés de refroidissement :

• Refroidissement naturel : circulation naturelle de l'huile.
• Refroidissement à air forcé : des ventilateurs sont fixés sur les radiateurs afin d'accroître la circulation de l'air, augmentant ainsi le transfert de chaleur de l'huile vers l'extérieur de la cuve.
• Refroidissement forcé par circulation d'huile.
• Refroidissement par eau.