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L'augmentation de la température dans les transformateurs de puissance détermine les limites de charge opérationnelle, la durée de vie prévue et la fiabilité à long terme de l'actif. Les codes de refroidissement à quatre lettres - ONAN, ONAF, OFAF, ODWF - codent la façon dont la chaleur se déplace des enroulements à l'air ambiant, fournissant aux ingénieurs d'approvisionnement des critères de sélection critiques pour faire correspondre la capacité thermique aux conditions réelles du site.
La physique est centrée sur deux mécanismes de perte : les pertes à vide dans le noyau magnétique et les pertes de charge dans les enroulements. Ces pertes se transforment en chaleur qui doit être transférée par un chemin thermique - des conducteurs en cuivre à travers le papier isolant, dans l'huile du transformateur et enfin dans l'air ambiant ou l'eau. Le gradient de température à travers cette voie détermine la température du point chaud, le paramètre le plus critique pour le vieillissement de l'isolation cellulosique.
Le choix du code de refroidissement influence directement les valeurs nominales MVA réalisables dans des limites thermiques identiques. Un transformateur classé ONAN peut n'atteindre que 60-75% de son classement ONAF en raison d'une dissipation thermique réduite sans assistance d'air forcé. La compréhension de cette relation permet d'éviter deux erreurs coûteuses en matière d'approvisionnement : la sous-spécification d'unités qui fonctionnent à chaud et vieillissent prématurément, ou la sur-spécification d'unités dotées d'une capacité de refroidissement que vous n'utilisez jamais.
Chaque transformateur à bain d'huile porte sur sa plaque signalétique une désignation de refroidissement à quatre lettres. Ces lettres suivent la nomenclature IEC 60076-2 et codent la voie complète de transfert de chaleur dans un format compact qui détermine la capacité de charge continue maximale, les exigences en matière d'équipement auxiliaire et les caractéristiques de fiabilité à long terme.
| Position | Décrit | Options de lettres | Signification |
|---|---|---|---|
| 1er | Type de liquide de refroidissement interne | O | Huile minérale (point d'éclair ≤300°C) |
| K | Ester fluide (naturel ou synthétique) | ||
| 2ème | Circulation interne du liquide de refroidissement | N | Naturel (thermosiphon) |
| F | Forcé (entraîné par une pompe) | ||
| D | Dirigé par des conduits d'enroulement spécifiques | ||
| 3ème | Type de liquide de refroidissement externe | A | Air |
| W | L'eau | ||
| 4ème | Circulation externe du liquide de refroidissement | N | Convection naturelle |
| F | Forcée (ventilateurs ou pompes) |
ONAN (huile naturelle, air naturel) : L'huile minérale circule par effet thermosiphon - l'huile chaude monte, l'huile refroidie descend. La chaleur est transférée à l'air ambiant par les parois du réservoir et les radiateurs par convection naturelle. Pas de pompes, pas de ventilateurs.
ONAF (huile naturelle, air forcé) : Même circulation naturelle de l'huile, mais les ventilateurs poussent l'air à travers les surfaces des radiateurs. Le flux d'air forcé augmente la capacité de rejet de chaleur de 25-33% par rapport au fonctionnement ONAN.
OFAF (à huile, à air) : Les pompes font circuler l'huile dans le transformateur tandis que les ventilateurs font circuler l'air dans les refroidisseurs. Ces deux systèmes mécaniques maximisent le transfert de chaleur dans un encombrement minimal.
ODWF (dirigé par l'huile, forcé par l'eau) : Les pompes poussent l'huile à travers des canaux d'enroulement dédiés. Les échangeurs de chaleur externes utilisent l'eau pompée au lieu de l'air, ce qui est essentiel pour les installations intérieures ou les atmosphères contaminées.
La convection naturelle dans les transformateurs ONAN repose sur les différences de densité de l'huile créées par les gradients de température. L'huile chaude près des enroulements (généralement 85-95°C) monte dans les conduits de refroidissement tandis que l'huile plus froide (60-70°C) descend des surfaces des radiateurs. Cet effet thermosiphon génère des vitesses d'écoulement d'environ 0,1-0,3 m/s à travers les canaux d'enroulement sans assistance mécanique.
Les méthodes de refroidissement forcé améliorent considérablement les coefficients de transfert de chaleur. Le refroidissement par soufflage d'air dans les conceptions ONAF augmente le transfert de chaleur par convection à partir des surfaces des radiateurs de 2 à 3 fois par rapport à la circulation naturelle. Les systèmes à eau forcée atteignent des coefficients de transfert de chaleur supérieurs à 1 000 W/m²-K à la surface des échangeurs de chaleur, ce qui les rend appropriés pour les unités de grande capacité de plus de 100 MVA.
| Classe de refroidissement | Capacité relative | Rang de fiabilité | Charge de maintenance | Applications typiques |
|---|---|---|---|---|
| ONAN | 1,0× (base) | Le plus élevé | Minimal | Répartition rurale, sites sensibles au bruit |
| ONAF | 1.25-1.33× | Élevé | Faible (fan service) | Sous-stations urbaines, charges variables |
| OFAF | 1.5-1.67× | Modéré | Moyenne (pompes + ventilateurs) | Grands transformateurs de puissance, espace restreint |
| ODWF | 1.67-2.0× | Inférieur | Élevé (traitement de l'eau) | Installations intérieures, ambiances extrêmes |
La convention de double notation mérite une attention particulière : une plaque signalétique indiquant “10/12,5 MVA ONAN/ONAF” signifie 10 MVA en continu avec les ventilateurs à l'arrêt, 12,5 MVA avec les ventilateurs en marche. Cette flexibilité permet aux opérateurs d'adapter l'intensité du refroidissement aux conditions de charge réelles.
Pour des solutions complètes de transformateurs avec différentes configurations de refroidissement, voir nos fabricant de transformateurs de distribution aperçu.
[Regard d'expert : sélection de la classe de refroidissement]
- Les données de terrain issues de plus de 80 projets de sous-stations montrent que les unités ONAN/ONAF à double classification offrent une flexibilité optimale pour les charges variant de 40 à 100% de la plaque signalétique.
- L'échelonnement des ventilateurs aux seuils de charge de 70% et 100% permet d'équilibrer la consommation d'énergie et la marge thermique.
- Les spécifications de l'OFAF ajoutent 15-25% au coût d'investissement - à justifier uniquement en cas de contraintes d'espace ou de densité de charge.
- Les unités refroidies à l'eau nécessitent des programmes permanents de traitement de l'eau ; prévoir un budget annuel de $3 000 à 8 000 pour la gestion de la chimie.
Le chemin de la résistance thermique suit une séquence prévisible : la chaleur s'écoule du conducteur d'enroulement (cuivre à ~75°C d'élévation) → à travers l'isolation en papier (conductivité thermique ≈ 0,13 W/m-K) → dans l'huile de transformateur (convection dépendant de la viscosité) → à travers la paroi de la cuve → vers les moyens de refroidissement externes. Chaque interface introduit une résistance thermique que les systèmes de refroidissement doivent surmonter.
| Paramètre | IEC 60076-2 Limite | IEEE C57.12.00 Limite |
|---|---|---|
| Augmentation de la température de l'huile de coupe | 60 K | 65 K |
| Hausse moyenne de l'enroulement | 65 K | 65 K |
| Élévation du point chaud (enroulement) | 78 K | 80 K |
| Ambiance maximale (pour l'évaluation) | 40°C | 30°C en moyenne, 40°C au maximum |
La température du point le plus chaud dépasse généralement la température moyenne de l'enroulement de 13 à 23 K, en fonction de la géométrie de l'enroulement et de l'efficacité de la circulation de l'huile. Ce différentiel influence de manière critique le vieillissement de l'isolation selon l'équation d'Arrhenius.
Chaque augmentation de 6-8 K au-dessus de la température nominale du point chaud double approximativement le taux de dégradation de l'isolation. Cette relation exponentielle fait du contrôle des points chauds - et non du contrôle de la température moyenne - le véritable déterminant de la longévité des transformateurs.
| Température du point chaud | Taux de vieillissement relatif | Durée de vie approximative |
|---|---|---|
| 98°C | 1,0× (référence) | ~180 000 heures |
| 104°C | 2.0× | ~90 000 heures |
| 110°C | 4.0× | ~45 000 heures |
| 116°C | 8.0× | ~22 500 heures |
Pour les spécifications d'approvisionnement, demander à la fois les valeurs d'élévation de température garanties et les résultats réels des essais en usine. Les unités qui atteignent une élévation de température de 52-55 K dans les conditions d'essai offrent une marge supérieure pour les événements de surcharge par rapport aux unités testées à des limites de 60 K exactement.
Il est essentiel de comprendre la coordination thermique entre les transformateurs et la protection en amont. Notre guide principes de fonctionnement des disjoncteurs à vide explique les considérations relatives à la protection complémentaire.
La plupart des transformateurs de distribution ne fonctionnent pas en permanence à la charge nominale. La charge variable crée des cycles thermiques où les périodes de faible charge permettent de récupérer des pics de stress. La norme IEC 60076-7 codifie les pratiques acceptables en matière de surcharge.
| Type de chargement | Durée | Limite typique | Contrainte du point chaud |
|---|---|---|---|
| Normal cyclique | Indéfinie | Plaque signalétique 100% | 98°C en continu |
| Surcharge planifiée | Heures | 120-150% | 120°C en pointe |
| Surcharge d'urgence | <30 minutes | 150-180% | 140°C max absolu |
Ces capacités supposent que le transformateur n'était pas déjà chaud, que les systèmes de refroidissement fonctionnent correctement et que des périodes de récupération à charge réduite suivent l'événement de surcharge.
Les valeurs nominales supposent des conditions ambiantes spécifiques. Lorsque les conditions ambiantes réelles dépassent les hypothèses :
Les installations à haute altitude dans les régions montagneuses sont confrontées à des défis complexes - l'air plus fin réduit à la fois l'efficacité du refroidissement par convection et la résistance diélectrique. Une installation à 2 500 m peut nécessiter un déclassement de la capacité de 6% ainsi que des caractéristiques BIL améliorées.
Chaque classe de refroidissement présente des caractéristiques de fiabilité distinctes qui ont un impact direct sur les coûts du cycle de vie et les risques opérationnels.
Modes de défaillance de l'ONAN :
Défaillances supplémentaires de l'ONAF :
OFAF/ODWF Défaillances supplémentaires :
Classement de la fiabilité (de la plus élevée à la plus faible) : ONAN > ONAF > OFAF > ODWF
Pour les applications critiques, spécifiez des groupes de ventilateurs N+1 (un groupe peut tomber en panne sans déclassement immédiat), des pompes à huile redondantes pour OFAF/ODAF et une puissance de commande indépendante pour les auxiliaires de refroidissement. Ces caractéristiques de redondance s'intègrent dans les systèmes de protection des sous-stations plus larges. fabricant de composants d'appareillage de connexion pour la coordination au niveau du système.
[Regard d'expert : observations sur la fiabilité sur le terrain]
- La durée de vie des moteurs de ventilateurs dans les environnements côtiers est généralement de 6 à 8 ans, contre 12 à 15 ans à l'intérieur des terres en raison de la contamination par le sel.
- Les défaillances des joints de pompe à huile précèdent souvent de 6 à 12 mois les fuites d'huile détectables ; la surveillance des vibrations permet de détecter les dégradations précoces.
- Le recalibrage du capteur de température tous les 3 à 5 ans permet d'éviter les erreurs de positionnement du ventilateur qui réduisent silencieusement la capacité du transformateur.
- La perte de contrôle de l'alimentation pendant les perturbations du réseau désactive le refroidissement au moment où les transformateurs en ont le plus besoin - spécifiez une alimentation sans coupure (UPS) de secours.
Une caractérisation précise de la charge permet d'éviter les sous-spécifications et les sur-spécifications :
| Élément de spécification | Orientations |
|---|---|
| Classe de refroidissement | Préciser le primaire et le secondaire (par exemple, ONAN/ONAF) |
| Mise en scène des ventilateurs | Nombre d'étages, points de consigne de température (typiquement 70%, 100% de charge) |
| Redondance | Ventilateurs N+1 pour les charges critiques, pompes redondantes si OFAF |
| Limites de bruit | Spécifier les dB(A) à une distance définie |
| Interface de commande | Indication locale, alarme à distance, points SCADA |
| Contrôle de la température | Indicateur top-oil (standard), WTI avec simulation de point chaud (recommandé) |
Conséquences de la sous-spécification : Vieillissement prématuré de l'isolation, restrictions de charge opérationnelle, litiges de garantie sur la performance thermique.
Conséquences de la surspécification : 15-25% dépenses d'investissement inutiles, charge de maintenance permanente pour la capacité inutilisée.
Orientations relatives à l'impact sur les coûts : ONAN→ONAF ajoute 5-10% au coût du transformateur. ONAF→OFAF ajoute 15-25%. Adaptez la classe de refroidissement au profil de charge réel, et non aux hypothèses les plus pessimistes.
Pour l'achat coordonné de transformateurs avec des équipements de commutation en amont, notre fabricant de disjoncteurs à vide Cette page décrit les approches intégrées en matière de spécifications.
Lorsque la croissance de la charge dépasse les hypothèses de conception initiales, une évaluation thermique systématique guide les décisions d'amélioration.
Inspection visuelle :
Vérification opérationnelle :
Tendance de la température :
Ajouter des étapes de ventilation : Convertir ONAN en ONAF en ajoutant des ventilateurs montés sur le radiateur. Nécessite une surface de radiateur adéquate et une mise à niveau du système de contrôle. Coût : $8 000-25 000 selon la taille de l'unité.
Ajouter des banques de radiateurs : Augmentation de la surface de rejet de la chaleur. Limité par les points de connexion du réservoir et la capacité structurelle des fondations.
Gestion de la charge opérationnelle : Répartir les charges sur plusieurs transformateurs, mettre en œuvre une réponse à la demande ou accepter une réduction de la capacité de pointe comme solution la moins coûteuse.
XBRELE fabrique des transformateurs de distribution avec des configurations de refroidissement adaptées à vos besoins opérationnels réels - pas de systèmes surdimensionnés qui gaspillent le capital ou des unités sous-dimensionnées qui limitent la flexibilité opérationnelle.
Options de refroidissement disponibles : Configurations ONAN, ONAF et ONAN/ONAF à double classification pour toute notre gamme de transformateurs de distribution.
Soutien à l'ingénierie : Notre équipe d'application examine les données du profil de charge, les conditions du site et les objectifs de coût du cycle de vie pour recommander les spécifications de la classe de refroidissement appropriée avant l'établissement du devis.
Vérification en usine : Toutes les unités sont soumises à des tests d'élévation de température conformément aux exigences de la norme IEC 60076-2, avec des rapports de test certifiés documentant les performances thermiques réelles par rapport aux valeurs garanties.
Demande de consultation pour examiner vos besoins en matière de refroidissement de transformateur, ou soumettez votre cahier des charges à un devis concurrentiel accompagné de recommandations techniques.
Q : Quelle est la différence entre le refroidissement des transformateurs ONAN et ONAF ?
R : ONAN s'appuie entièrement sur la circulation naturelle de l'huile et le refroidissement passif de l'air sans aucun composant mécanique, tandis que ONAF ajoute des ventilateurs montés sur le radiateur qui augmentent la capacité de rejet de la chaleur de 25-33% lorsqu'ils sont sous tension.
Q : Dans quelle mesure la température ambiante affecte-t-elle la capacité de charge des transformateurs ?
R : Chaque degré Celsius au-dessus de la température ambiante de conception de 30°C nécessite généralement une réduction de la charge de 1,5% pour maintenir des températures de fonctionnement sûres ; une température ambiante de 40°C peut limiter le fonctionnement continu à environ 85% de la valeur nominale de la plaque signalétique.
Q : Les transformateurs peuvent-ils fonctionner au-delà de leur puissance nominale en cas d'urgence ?
R : Les surcharges de courte durée allant jusqu'à 150-180% sont généralement acceptables pour des périodes inférieures à 30 minutes, à condition que l'unité n'ait pas déjà été soumise à une contrainte thermique et qu'une période de récupération à charge réduite s'ensuive.
Q : Quelle classe de refroidissement offre la plus grande fiabilité ?
R : Le système ONAN offre la plus grande fiabilité car il ne contient aucun équipement rotatif - chaque composant ajouté (ventilateurs dans le système ONAF, pompes dans le système OFAF) introduit des modes de défaillance supplémentaires nécessitant une maintenance.
Q : Quelle température détermine réellement la durée de vie de l'isolation des transformateurs ?
R : La température du point chaud de l'enroulement régit le taux de vieillissement ; elle est généralement supérieure de 13 à 23 K à la température moyenne de l'enroulement, en fonction de la conception ; ce pic localisé - et non la température de l'huile en vrac - entraîne la dégradation de la cellulose.
Q : Quel est le coût supplémentaire du passage de l'ONAN à l'ONAF ?
R : Il faut s'attendre à une augmentation des coûts de 5-10% pour la capacité ONAF par rapport à la capacité ONAN équivalente ; le passage à l'OFAF ajoute 15-25% en raison des pompes, des contrôles améliorés et des exigences de redondance.
Q : Les transformateurs ONAN existants peuvent-ils être équipés d'un système de refroidissement forcé ?
R : L'ajout d'un ventilateur est possible si les radiateurs existants ont une surface suffisante. Le coût est généralement compris entre $8 000 et 25 000, y compris les commandes ; la modernisation des pompes pour la conversion OFAF est rarement rentable par rapport à un remplacement.
Pour des calculs de charge détaillés et des méthodes de modélisation de la température des points chauds, se référer à la norme IEEE C57.91 (Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers) disponible sur le site Internet de l'IEEE. Association des normes IEEE.
Ce guide fournit des conseils d'ingénierie pour la spécification et la fourniture du refroidissement des transformateurs. Les applications spécifiques doivent être évaluées par des ingénieurs qualifiés en tenant compte des conditions locales, des codes applicables et des exigences d'interconnexion des services publics.
