Fiche de révision : Introduction aux transformateurs électriques

📋 Plan du Cours

1. Transformateurs secs et protection IP
2. Rôle des transformateurs de puissance
3. Transformateur de puissance : définition IEC
4. Transformateurs de distribution et niveaux de tension
5. Normes IEC et autres référentiels
6. Principes et technologies de construction
7. Enroulements : contraintes diélectriques mécaniques thermiques
8. Traversées, connectique et régleur en charge
9. Cuve, refroidissement et protection Buchholz
10. Huile diélectrique : isolant et caloporteur
11. Maintenance préventive et corrective des transformateurs
12. Traitement et diagnostic de l’huile de transformateur

📖 1. Transformateurs secs et protection IP

🔑 Notions clés & Définitions

• Transformateur sec : Transformateur de puissance dont l’installation peut être prévue avec ou sans enveloppe de protection, tout en exigeant une protection contre les contacts directs si aucune enveloppe n’est utilisée.
• Indice de protection IP : Classement de la protection d’un matériel contre l’accès aux parties dangereuses et contre la pénétration de corps solides ou liquides, utilisé ici pour des enveloppes de transformateurs secs.
• Protection IP 315 : Enveloppe de protection mentionnée pour l’installation de transformateurs secs, permettant de les placer dans une enceinte protégée.
• Protection IP 235 : Enveloppe de protection mentionnée pour l’installation de transformateurs secs, alternative à une autre enveloppe IP citée dans le cours.
• Contacts directs : Risque lié au contact humain avec des parties dangereuses, qui doit être évité lorsque le transformateur sec n’est pas placé dans une enveloppe IP.

📝 Points essentiels

• Les transformateurs secs peuvent être installés dans une enveloppe de protection IP 315 ou IP 235.
• Si le transformateur sec n’a pas d’enveloppe de protection, il doit être protégé contre les contacts directs.
• Les transformateurs sont des maillons critiques d’adaptation entre deux réseaux de tensions différentes.
• Les pannes de transformateurs sont rares mais coûteuses, et surtout très pénalisantes à cause de l’indisponibilité du réseau.
• Après une avarie, un diagnostic fiable est essentiel pour limiter les conséquences sur le réseau.

💡 Astuce mémo

IP = Enveloppe : avec IP 315/235, tu es couvert ; sans IP, tu sécurises contre les contacts directs.

📖 2. Rôle des transformateurs de puissance

🔑 Notions clés & Définitions

• Transformateur électrique : Appareil électrique qui fait transiter la puissance en courant alternatif en changeant le niveau de tension entre deux circuits.
• Convertisseur AC/AC à fréquence fixe : Transformateur dont la conversion se fait entre deux tensions alternatives tout en conservant la fréquence imposée par le réseau.
• Transformateur de distribution : Transformateur généralement utilisé pour abaisser la tension du réseau vers la tension d’utilisation des clients.
• Norme IEC 60076-1 : Référence internationale CEI qui encadre des critères et essais pour les transformateurs, notamment pour les transformateurs neufs.
• Transformateur réversible : Transformateur capable d’effectuer indifféremment une élévation ou une réduction de tension selon le sens de fonctionnement.

📝 Points essentiels

• Un transformateur permet de faire transiter la puissance en AC de la centrale vers l’utilisateur final avec un minimum de pertes.
• Le transformateur change une tension alternative donnée en une autre tension alternative, à fréquence fixe égale à celle du réseau.
• Le transformateur est l’élément du réseau qui assure le passage d’un niveau de tension à un autre pour adapter l’alimentation.
• Les transformateurs de distribution abaissent couramment la tension du réseau, principalement autour de 30 kV, vers l’utilisateur final.
• La tension d’utilisation mentionnée est généralement 400 V triphasé.
• Les puissances des transformateurs de distribution sont de l’ordre de plusieurs kVA.

💡 Astuce mémo

AC→AC à fréquence réseau : même fréquence, autre tension (réversible : monter ou descendre).

📖 3. Transformateur de puissance : définition IEC

🔑 Notions clés & Définitions

• Transformateur de puissance : Appareil statique qui transfère l’énergie électrique entre circuits par induction électromagnétique, pour des niveaux de puissance élevés.
• Normes IEC : Référentiel international qui définit les exigences et méthodes pour les transformateurs, servant de base à de nombreuses normes nationales.
• Normes nationales (BS, IS, GB) : Normes propres à chaque pays qui reprennent, pour les transformateurs de puissance, des contenus très proches des normes IEC correspondantes.
• Normes européennes et françaises (EN, NF) : Normes applicables en Europe et en France qui, pour les transformateurs de puissance, sont aujourd’hui largement des copies conformes des normes IEC.

📝 Points essentiels

• Les normes anglaises BS, indiennes IS et chinoises GB sont aujourd’hui pratiquement des copies conformes des normes IEC pour les transformateurs de puissance.
• Les normes françaises NF et européennes EN sont aussi, pour les transformateurs de puissance, pratiquement des copies conformes des normes IEC correspondantes.
• La définition et les exigences IEC servent de référence commune aux différents cadres nationaux et régionaux.
• Les références IEC citées dans le cours portent sur des aspects de tenue diélectrique, mécanique et thermique des transformateurs de puissance.

💡 Astuce mémo

IEC = référence mondiale copiée localement (BS/IS/GB, puis EN/NF).

📖 4. Transformateurs de distribution et niveaux de tension

🔑 Notions clés & Définitions

• Transformateur de distribution : Transformateur de puissance destiné à abaisser ou adapter une tension pour alimenter des réseaux de distribution.
• Niveau de tension : Niveau de tension : valeur électrique nominale d’un réseau, qui conditionne l’isolement, la conception et le réglage du transformateur.
• Traversée (bushing) : Traversée : élément isolant normalisé reliant les parties actives du transformateur à l’extérieur du réseau.
• Régleur en charge : Régleur en charge : dispositif ajoutant des spires en série pour ajuster la tension pendant le fonctionnement.

📝 Points essentiels

• Les transformateurs sont dimensionnés pour des contraintes de fréquence et de tenue aux chocs (foudre, manœuvre) jusqu’à des niveaux normalisés très élevés (jusqu’à 1425 kV).
• La tenue mécanique vise à supporter les efforts développés pendant les courts-circuits, pouvant atteindre plusieurs centaines de tonnes.
• La tenue thermique impose une limite de température au point chaud de 98°C pour éviter une dégradation excessive du papier isolant.
• Les enroulements portent des pertes en charge (≈ 1,5 MW) à évacuer en continu pour maintenir la température.
• La connexion aux réseaux se fait via des traversées, dont la construction est normalisée par la NF EN 60137 (2008).
• Les traversées doivent résister à des contraintes mécaniques, thermiques et électriques, car elles sont le lien direct avec l’environnement extérieur.

💡 Astuce mémo

Chocs → Mécanique (tonnes) ; Chaleur → Thermique (98°C) ; Réseau → Traversée ; Tension → Régleur en charge.

📖 5. Normes IEC et autres référentiels

🔑 Notions clés & Définitions

• IEC : Norme internationale qui fixe des exigences techniques et des méthodes de référence pour les équipements électriques.
• Référentiel technique : Document de référence qui regroupe des règles d’ingénierie et des critères de conformité pour un domaine donné.
• Transformateur de puissance : Appareil statique qui transfère l’énergie électrique entre circuits par couplage magnétique, souvent en haute tension.
• Régleur en charge : Dispositif de variation de tension d’un transformateur permettant d’ajuster la tension pendant le service.

📝 Points essentiels

• Le contenu fourni ne donne pas de détails sur les normes IEC ni sur d’autres référentiels, donc aucun article, exigence ou classement ne peut être extrait ici.
• Sur les transformateurs de puissance, un régleur en charge utilise des spires additionnelles en série sur l’enroulement HT pour varier la tension sur une plage de réglage.
• Exemple chiffré : une variation possible de 225 kV avec une plage de ±15 % sur 35 positions électriques.
• Le régleur en charge combine un commutateur qui bascule rapidement (quelques dizaines de ms) entre prises en court-circuit bref, et un sélecteur qui se positionne lentement sur la prise choisie.
• Le commutateur et le sélecteur sont entraînés par un moteur externe via une armoire de commande dédiée au régleur en charge.

📖 6. Principes et technologies de construction

🔑 Notions clés & Définitions

• Huile diélectrique : Fluide d’un transformateur qui assure l’isolation électrique et participe au refroidissement en transportant la chaleur.
• Conductibilité thermique : Propriété d’un fluide qui mesure sa capacité à transmettre la chaleur.
• Chaleur massique : Propriété d’un fluide qui mesure la quantité de chaleur qu’il peut emmagasiner par unité de masse.
• Viscosité : Propriété d’un fluide qui caractérise sa résistance à l’écoulement.
• Maintenance préventive : Approche de maintenance réalisée avant la panne, via des actions systématiques ou déclenchées par l’état mesuré.

📝 Points essentiels

• Les huiles de transformateur doivent avoir une conductibilité thermique et une chaleur massique élevées pour améliorer le transfert de chaleur.
• La viscosité de l’huile doit idéalement être faible pour faciliter la circulation et le refroidissement.
• Des défauts internes thermiques ou électriques laissent des traces dans l’huile, ce qui permet leur détection par analyse d’échantillons prélevés.
• Le refroidissement se fait par circulation fermée de l’huile depuis la partie active vers une source froide qui reçoit les calories.
• La source froide peut être la surface de la cuve (petites puissances), des aéroréfrigérants à tubes à ailettes ventilés, des radiateurs par convection naturelle, ou des hydro réfrigérants avec circuit d’eau séparé.
• La maintenance est définie comme l’ensemble des actions techniques, administratives et de management sur le cycle de vie pour maintenir ou rétablir l’équipement dans un état apte à sa fonction requise (NF EN 13306, juin

💡 Astuce mémo

Huile = Isolant + Caloporteur : « bonne chaleur, faible frein » (conductivité ↑, chaleur massique ↑, viscosité ↓).

📖 7. Enroulements : contraintes diélectriques mécaniques thermiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Huile diélectrique : Liquide utilisé en électrotechnique qui assure à la fois l’isolation électrique et le refroidissement des équipements comme les transformateurs.
• Isolation huile et cellulose : Système d’isolation combinant l’huile diélectrique et les isolants cellulosiques, dont la dégradation mène progressivement à une perte de tenue diélectrique.
• Décharges partielles : Phénomènes électriques localisés au sein de l’appareil qui produisent des gaz et particules et accélèrent la dégradation de l’isolation.
• Oxydation et hydrolyse : Réactions chimiques favorisées par la présence d’eau et d’oxygène qui transforment l’huile et dégradent les composants internes.
• Point chaud : Zone de température élevée au niveau des parties actives qui intensifie les phénomènes thermiques et électriques responsables du vieillissement.

📝 Points essentiels

• Les huiles diélectriques ont un double rôle : isolation électrique et refroidissement des transformateurs, disjoncteurs et régleurs.
• Les propriétés diélectriques et thermiques de l’huile se dégradent avec le temps sous l’effet combiné de la température, de l’eau et de l’oxygène.
• La dégradation des isolants cellulosiques est liée à la température de l’huile.
• L’oxydation de l’huile est favorisée par la présence d’eau et d’oxygène, avec des effets thermiques et électriques près des parties actives.
• Les dégradations peuvent altérer les composants internes jusqu’au claquage du transformateur.
• Les phénomènes électriques et thermiques cités incluent décharges partielles et point chaud, qui contribuent à la rupture de l’isolation.

💡 Astuce mémo

Température + eau + oxygène = chimie (oxydation/hydrolyse) + électricité (décharges/point chaud) → isolation qui casse.

📖 8. Traversées, connectique et régleur en charge

🔑 Notions clés & Définitions

• Décharges (gaz, particules) : Phénomènes de rupture électrique provoqués par la présence de gaz ou de particules, pouvant dégrader l’isolation.
• Surtension due à la foudre : Augmentation brutale de la tension causée par un impact de foudre, susceptible de solliciter fortement l’isolation.
• Vieillissement de l’huile : Dégradation progressive des propriétés de l’huile de transformateur au cours du temps, liée à des causes de fonctionnement et d’environnement.
• E.D.D. (Epuration Déshydratation Dégazage) : Ensemble de traitements visant à purifier, retirer l’eau et éliminer les gaz de l’huile de transformateur.
• Facteur de dissipation diélectrique tg δ : Grandeur électrique caractérisant les pertes diélectriques de l’huile, mesurée à une température donnée.

📝 Points essentiels

• Les décharges (gaz, particules) et les surtensions dues à la foudre sont des causes de sollicitation électrique pouvant accélérer la dégradation de l’isolation.
• Le traitement de l’huile est organisé en étapes : filtrage/dégrossissage, dégazage, puis filtrage fin.
• L’étape de dégazage élimine gaz et eau avec un chauffage à 70°C.
• Le dégrossissage et le filtrage fin visent à retirer des impuretés avant et après l’élimination des gaz.
• Les propriétés de l’huile neuve incluent une viscosité à 40°C <11 mm2/s et une densité à 20°C <0.865.
• Le facteur de dissipation diélectrique tg δ à 90°C est exigé à une valeur maximale (exigences CEI 60422/60296 indiquées).

💡 Astuce mémo

Foudre + décharges = choc électrique ; huile traitée en 3 étapes : Filtrer → Dégazer (70°C) → Filtrer fin.

📖 9. Cuve, refroidissement et protection Buchholz

🔑 Notions clés & Définitions

• CEI 60296 : La norme CEI 60296 regroupe des exigences de propriétés électriques pour les huiles isolantes, notamment la tension de claquage et le facteur de dissipation diélectrique.
• CEI 60247 : La norme CEI 60247 fixe des critères de facteur de dissipation diélectrique mesuré à 90°C pour l’huile isolante.
• CEI 60814 : La norme CEI 60814 encadre la mesure de la teneur en eau des huiles isolantes, exprimée en ppm.
• CEI 567 : La norme CEI 567 concerne la teneur en gaz hydrogène dans l’huile isolante, avec des limites de référence.
• Buchholz : La protection Buchholz est un dispositif de sécurité utilisé sur certains transformateurs pour détecter des anomalies internes via le comportement du gaz et de l’huile.

📝 Points essentiels

• Tension de claquage (kV) : CEI 60156 impose ≥ 70 kV (valeur minimale indiquée).
• Facteur de dissipation diélectrique à 90°C (tg δ) : CEI 60247 donne une limite max 0,015 (et une limite max 0,005, soit 0,5%).
• Permittivité relative ɛr : la valeur indiquée est < 2,5.
• Teneur en eau : CEI 60814 indique < 10 ppm (et une valeur max 30 ppm).
• Gaz hydrogène : CEI 567 limite la teneur à < 150 (valeur maximale indiquée).
• Rigidité diélectrique : Re = 4,5UC + 5 kV/cm (formule de calcul fournie).

💡 Astuce mémo

CEI = Électricité (60296/60156/60247) ; 60814 = Eau ; 567 = H2 ; Buchholz = Détection interne par gaz/huile.

📖 10. Huile diélectrique : isolant et caloporteur

🔑 Notions clés & Définitions

• Huile diélectrique : Liquide isolant utilisé dans les équipements électriques pour empêcher les courants parasites tout en assurant le transfert de chaleur.
• Isolant électrique : Propriété qui empêche le passage du courant entre parties conductrices, en limitant les décharges électriques.
• Caloporteur : Fonction qui transporte la chaleur afin de limiter l’échauffement des composants.
• Boues huileuses : Mélange de l’huile avec des particules en suspension (souvent de type argile) qui peut dégrader les conditions d’isolation.
• Agitation de l’huile : Mouvement de l’huile qui influence la répartition et le comportement des particules en suspension.

📝 Points essentiels

• L’huile diélectrique combine une fonction d’isolation électrique et une fonction de transfert thermique pour maîtriser l’échauffement.
• La présence d’eau dans l’huile peut dégrader l’isolement, car elle favorise des phénomènes électriques indésirables.
• Des particules en suspension peuvent former des boues huileuses, ce qui modifie les propriétés diélectriques du liquide.
• L’argile peut contribuer à la formation de boues huileuses lorsqu’elle se retrouve en suspension dans l’huile.
• L’agitation de l’huile influence la dispersion des particules et donc l’évolution des boues huileuses.
• La dégradation de l’huile (eau et particules) est un indicateur de risque pour l’isolement et la tenue diélectrique.

💡 Astuce mémo

Isolation + chaleur : l’huile fait le « mur » (isolant) et le « ventilateur » (caloporteur).

📖 11. Maintenance préventive et corrective des transformateurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Défaut à la terre : Un défaut à la terre correspond à une mise à la masse du système, détectable via une tension résiduelle mesurée ou calculée.
• Transformateur de tension pour la mesure : Un transformateur de tension pour la mesure fournit une tension secondaire exploitée pour l’enregistrement et le suivi des grandeurs électriques.
• Transformateur de tension pour la protection : Un transformateur de tension pour la protection fournit des signaux de tension utilisés par les relais afin d’initier des actions de protection.
• Circuits secondaires multiples : Des circuits secondaires multiples sont des sorties distinctes d’un même transformateur, dédiées à la mesure et/ou à la protection.
• Modèles UT et UG : Les modèles UT et UG désignent des gammes de transformateurs de tension différenciées par leur niveau de tension et leur type d’isolation.

📝 Points essentiels

• La tension résiduelle liée à un défaut à la terre peut être obtenue par mesure directe ou par calcul via des relais.
• Mesure directe : trois transformateurs de tension avec primaires en étoile et secondaires en triangle ouvert délivrent la tension résiduelle.
• Calcul par relais : trois transformateurs de tension avec primaires et secondaires en étoile permettent d’obtenir la tension résiduelle.
• Un transformateur de tension peut comporter plusieurs circuits secondaires pour la mesure et/ou pour la protection.
• Les transformateurs de tension sont annoncés comme sans maintenance pendant leur longue période de fonctionnement.
• Avantages annoncés : très haute précision (0,1%) invariable au cours de la vie, fiabilité élevée, et conception antirésonnante des enroulements.

💡 Astuce mémo

Terre = Résiduel : étoile/triangle ouvert pour MESURER, étoile/étoile pour CALCULER au relais.

📖 12. Traitement et diagnostic de l’huile de transformateur

🔑 Notions clés & Définitions

• Constitution hermétique : Caractéristique de conception où l’appareil est fermé pour limiter les échanges avec l’extérieur pendant son fonctionnement.
• Valve de prise d’échantillon d’huile : Dispositif permettant de prélever un échantillon d’huile afin de réaliser une analyse périodique.
• Analyse périodique de l’huile : Contrôle planifié de l’état de l’huile à partir d’échantillons prélevés pour suivre son évolution.
• Laboratoires homologués : Réseau de laboratoires reconnus officiellement pour réaliser des essais et contrôles de routine.

📝 Points essentiels

• La conception hermétique vise une longue période de fonctionnement sans maintenance.
• Une valve de prise d’échantillon d’huile permet une analyse périodique de l’huile.
• Les appareils sont testés de manière routinière.
• La disponibilité de laboratoires officiellement homologués garantit des contrôles réalisés en interne.
• Le traitement/diagnostic s’appuie sur des prélèvements planifiés plutôt que sur des interventions fréquentes.
• La conception prévoit aussi une possibilité de transport et de stockage horizontal ou vertical.

💡 Astuce mémo

Hermétique + prélèvement : fermé pour durer, valve pour diagnostiquer.

📅 Repères chronologiques

1. 1883Première présentation d’un transformateur pour un usage industriel (éclairage devant le public de l’aquarium royal de Londres).
2. 2000Référence IEC 60076-1 (2000) pour la définition/critères des transformateurs de puissance.
3. 2008Normalisation de la construction des traversées par NF EN 60137 (2008).
4. 2001Norme NF EN 13306 X60-319 (juin 2001) pour la définition de la maintenance.
5. 2005Référence IEC 60076-7 (2005) pour la limite de point chaud 98°C.
6. 2006Référence IEC 60076-5 (2006) pour la tenue mécanique aux courts-circuits.
7. 2010Aucune date 2010 n’apparaît dans le contenu source.

📊 Tableaux de synthèse

Familles de normes pour les transformateurs de puissance

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre transformateur sec et transformateur en huile : ici, le sec peut être en enveloppe IP 315/235 ou sans enveloppe avec protection contre les contacts directs.
2. Croire que la fréquence change : le transformateur est un convertisseur AC/AC à fréquence fixe, celle du réseau.
3. Mélanger tenue diélectrique et tenue thermique : la tenue diélectrique vise la résistance aux chocs (foudre/manœuvre), la thermique limite le point chaud à 98°C.
4. Inverser le rôle de l’huile : elle isole électriquement et refroidit (caloporteur), pas seulement “lubrifier” ou “refroidir”.
5. Se tromper sur la mesure de la tension résiduelle : elle se fait soit par 3 TT étoile/triangle ouvert (mesure), soit par calcul relais avec 3 TT étoile/étoile.
6. Penser que le régleur en charge agit “lentement” partout : le commutateur réalise un passage rapide (quelques dizaines de ms) et le sélecteur se positionne lentement.
7. Oublier que les dégradations de l’huile accélèrent la rupture : température + eau + oxygène favorisent oxydation/hydrolyse et phénomènes électriques (décharges partielles, point chaud).

✅ Checklist Examen

1. Identifier les conditions d’installation d’un transformateur sec : enveloppe IP 315 ou IP 235, ou absence d’enveloppe avec protection contre les contacts directs.
2. Expliquer le rôle du transformateur dans la chaîne électrique : maillon d’adaptation entre deux réseaux de tensions différentes et transmission avec minimum de pertes.
3. Définir le transformateur de puissance (IEC 60076-1) : appareil statique à deux enroulements ou plus transformant AC en AC à même fréquence (fréquence fixe).
4. Distinguer transformateur de distribution et transformateur de puissance : distribution abaisse typiquement 30 kV vers 400 V triphasé, avec puissances de l’ordre de plusieurs kVA.
5. Citer l’idée générale des normes : IEC comme base mondiale, puis copies conformes dans les référentiels nationaux (BS/IS/GB) et européens/français (EN/NF).
6. Lister les trois contraintes principales des enroulements : diélectrique (chocs jusqu’à 1425 kV), mécanique (efforts de courts-circuits, plusieurs centaines de tonnes), thermique (point chaud 98°C).
7. Décrire la connectique : traversées (bushings) comme seul lien avec l’environnement extérieur, normalisées par NF EN 60137 (2008), et leurs contraintes mécaniques/thermiques/électriques.
8. Décrire le régleur en charge : spires additionnelles en série sur l’enroulement HT, plage d’exemple 225 kV ±15% sur 35 positions, avec commutateur rapide et sélecteur lent entraînés par moteur/armoire.
9. Expliquer le refroidissement : circulation fermée de l’huile vers une source froide (surface de cuve, aéroréfrigérants, radiateurs convection naturelle, hydro réfrigérants).
10. Définir la maintenance (NF EN 13306) et distinguer préventive (systématique/conditionnelle) et corrective (urgence/différée).
11. Expliquer le diagnostic après avarie : diagnostic ciblant l’état, remplacement/réparation d’accessoires, traitement ou remplacement d’huile selon défauts, et intérêt des opérations passées.
12. Décrire le traitement de l’huile (E.D.D.) : filtrage/dégrossissage, dégazage à 70°C, puis filtrage fin, et relier la dégradation à eau/oxygène/température (décharges partielles, point chaud, claquage).